[发明专利]一种蒸汽发生器

说明书

技术领域

本发明属于石油化工传热设备领域，涉及一种蒸汽发生器。

背景技术

在石油化工行业中，利用高温工艺介质的热能发生水蒸汽的换热器通常称为蒸汽发生器。冷流介质为水，加热后产生水蒸汽。目前在很多炼油厂使用的蒸汽发生器，一般为浮头式管壳式换热器结构；包括壳体、管箱，壳体与管箱之间设有固定端管板。固定端管板的材料一般为碳钢或低合金钢，管板壳程侧面与管板管箱侧面均为平面。蒸汽发生器的壳体内设有换热管，与固定端管板相连(一般为胀接加焊接)；换热管的材料一般为碳钢。壳体上设有壳程入口管和壳程出口管，管箱上设有管程入口管和管程出口管。参见图1，蒸汽发生器的操作过程是：高温工艺介质(通常是温度为320～400℃的液相烃油)走管程，由管箱上部的管程入口管进入换热管；换热后温度降至270℃左右，由管箱下部的管程出口管排出。发生蒸汽的水(来自设于蒸汽发生器上方的汽包中的饱和水)走壳程，水由蒸汽发生器壳体下部的壳程入口管进入壳程，经过换热，产生的水蒸汽与水的混合物由壳体上部的壳程出口管排出，进入设于蒸汽发生器上方的汽包进行汽—水分离。蒸汽发生器发生的水蒸汽，通常是压力等级为3.5～4.2MPa(表压)的中压饱和蒸汽。在上述的操作过程中，由于高温工艺介质的温度较高，并且所发生水蒸汽的压力较高，所以固定端管板的设计厚度较厚(厚度一般为几十毫米至300毫米)。在实际操作过程中发现，固定端管板经常出现开裂情况，造成壳程侧的水进入管箱，使高温工艺介质带水，影响正常生产。

分析固定端管板出现开裂的原因，从以下两个方面考虑。①蒸汽发生器的沸腾传热机理。蒸汽发生器的产汽传热过程属于泡核沸腾模型所描述的沸腾机理，该过程简单描述为：管板壳程侧面(加热壁面)出现过热点，从而存在过热度。在该过热点处被加热的饱和水产生一个蒸汽泡核，蒸汽泡核一旦形成便会长大，形成汽泡。蒸汽汽泡与管板壳程侧面存在的极薄的液体微层迅速汽化，产生十分显著的“界面汽化热阱效应”，使蒸汽汽泡处的管板壳程侧面温度迅速降低。当汽泡长大到所受浮力大于水的表面张力时，就会脱离管板壳程侧面，原汽泡处的管板壳程侧面温度迅速回升至壳程水的温度。当过热点的过热度满足蒸汽泡核产生的条件时，下一个蒸汽泡核又会重新产生，并长大成为汽泡。②固定端管板与换热管的连接结构。换热管一般采用转角正方形排列。换热管与固定端管板的连接，通常采用“胀接加焊接”的工艺。该工艺在固定端管板上加工出管板连接孔，将换热管的端部放入管板连接孔内；先在管箱侧对每根换热管与管板连接孔进行胀接，然后在管板管箱侧面将每根换热管与固定端管板进行焊接。

从以上两个方面考虑，对蒸汽发生器固定端管板出现开裂的原因进行如下具体分析。①换热管与管板连接孔进行胀接加工后，两者在固定端管板的管板壳程侧面上不可避免地存在毫米级的“环形凹槽”，参见图2。环形凹槽的深度和端口宽度大约均为1～2毫米。由于环形凹槽的存在和换热管的高传热强度(相对于厚壁的固定端管板)，使环形凹槽及其附近区域成为沸腾传热的蒸汽泡核反复发生的区域。②换热管采用转角正方形排列，相邻换热管的间距较小。例如，对于外径为φ25毫米、壁厚为2.5毫米的换热管，管心距通常为32毫米；外径为φ19毫米、壁厚为2毫米的管，管心距通常为25毫米。非标准的蒸汽发生器，相邻换热管的间距虽然可以大一些，但仍然是比较小的。由于相邻换热管的间距较小，使固定端管板的管板壳程侧面和相邻换热管之间形成的汽泡(主要是环形凹槽及其附近区域生成、长大的汽泡)嵌于相邻的换热管之间，脱离困难；需要形成更大的汽泡、受到更大的浮力才可与管板壳程侧面脱离，造成汽泡停留时间过长。在界面汽化热阱效应的作用下，使管板壳程侧面上汽泡形成区域的温降更大。③汽泡脱离后，原汽泡处的管板壳程侧面温度迅速回升至壳程水的温度，经历了较大的温差变化。

结论是，蒸汽发生器的换热管与固定端管板的管板连接孔进行胀接加工后，两者在固定端管板的管板壳程侧面上所形成的环形凹槽以及环形凹槽附近区域，存在着汽泡反复生成、长大、脱出的过程。在此过程中，固定端管板频繁经历大幅的温度升降，最终由于较大的温差交变应力的频繁作用，造成固定端管板出现疲劳开裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蒸汽发生器，以解决现有的蒸汽发生器所存在的固定端管板经常出现开裂的问题。