换热器管箱的集成结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及化工、医药、食品生产装置中设备布置、换热器的工艺、结构、强度设计和建造、安装、运营维修的领域，特别涉及同一条物料线路上的介质通过两台或两台以上换热设备的管程，与壳程其它多种介质进行换热的领域。本发明将这些换热器的管箱集成在一起，节省占地空间，节省材料和建造成本，提高装置的可靠性和维护的便利性。本发明特别适用于放热反应器下游热量逐级回收的领域。
[0002]本发明的结构同样适用于同一复杂设备中，带有与换热器管箱相似结构的各功能模块之间的集成。
【背景技术】
[0003]在传统的化工、医药、食品生产装置中，当同一条物料线路上的介质，通过两台或两台以上换热设备的管程，与壳程其它多种介质进行逐级换热时，这些换热器往往分散的平布在厂区内，或叠放在框架上，通过压力管道，将介质从一台换热器管程的出口，导入到另一台换热器管程的进口。以图1所示为例，来自上游的工艺介质，经管道901，依次进入彼此独立的蒸汽过热器11、蒸汽发生器12、锅炉给水预热器13、原料换热器14、水冷器15，分别与饱和蒸汽、饱和锅炉水、锅炉给水、工艺原料、冷却水换热后，经管道906流向下游，达到工艺介质冷却和热量回收的目的。这5台换热器的管程之间分别通过压力管道902、903、904、905进行连接。
[0004]以上述5台换热器中的前3台11、12、13为例，如图2所示。尤其当上述来自上游的工艺介质处在高温、高压状况下时，每台换热器都包括独立的管箱110、120、130，管箱大法兰117、127、137，装拆内件和检修用的大平盖118、128、138。每台换热器的管程介质都从进口锻管111、121、131进入到换热部件113、123、133的进口空间112、122、132，通过换热部件与壳程介质换热后，到达换热部件的出口空间114、124、134，最后经由出口锻管115、125、135离开换热器。除上述组件外，上述换热器还分别包括管板119、129、139，分程隔板116、126、136，固定支座801和滑动支座802。众多独立的大小锻件消耗了大量的材料和建造成本，同时换热器11、12的管箱和法兰、平盖等承压部件工作在较高温度状态下，不仅成本高，也给设备大型化和稳定运行带来困难。
[0005]如图1所示，伴随着装置的大型化，工艺介质的流量加大，连接管道902、903、904、905的直径和壁厚随之加大，管道和管法兰需要消耗材料，同时由于弯管半径和降低管道对设备管口外载荷的要求，使得上述换热器之间需要拉开较大的距离，以满足配管空间的要求，从而需要占用更大的场地空间。此外，连接管道通过管法兰与设备的连接接头，成为潜在的泄漏源。较长的连接管道因为材料、腐蚀、焊接等原因，也可能过早失效，增加装置的停车次数和检修成本。
【发明内容】
[0006]本发明的目的，在于提供换热器管箱的一套集成结构，通过该套集成结构，将上述技术领域中的换热器集成在一起，大幅减小装置的占地空间，节省连接管道、管法兰的材料，减少潜在的失效点和泄漏源，节省管箱壳体、管箱大法兰、大平盖和进出口锻管的材料，减少装置大型化瓶颈。同时解决由集成引起的内件密封、安装、拆卸、检修、热位移协调和受力平衡等问题。
[0007]图1中的5台换热器，通过管箱集成结构集成在一起后，如图3所示，除第一台换热器进口外的管道901、最后一台换热器出口外的管道906外，其余4条连接管道都被节省下来。设备布置的更紧凑，大幅减小了这5台换热器的占地空间。因管箱集成所要求的换热器本身的结构也发生了改变，因此这5台换热器分别用21、22、23、24、25来表示，分别对应于图1中的11、12、13、14、15，设备名称、功能和上下游顺序均不变。
[0008]本发明同样可以将两台或两台以上换热器与其它设备共同集成在一起。以上游反应器20为例，如图4所示。反应器底部出口与换热器21的管箱进口直接相连，反应原料经过反应器反应放热后，依次通过集成在一起的蒸汽过热器21、蒸汽发生器22、锅炉给水预热器23、原料换热器24、水冷器25换热后，经由管道906流向下游，进一步节省了管道901。如果这5台换热器与下游设备集成在一起，则节省了管道906。
[0009]本发明所述的换热器管箱的集成结构，以3台换热器为例，分别是蒸汽过热器21、蒸汽发生器22、锅炉给水预热器23，如图5所示。外观上，换热器23的管板139与换热器22的管箱大法兰127直接连接，换热器23和换热器22共用同一个管箱120。换热器21的管箱大法兰117与换热器22的进口锻管法兰121直接连接，将换热器21的管箱110与换热器22、23的共用管箱120集成在一起。通过图5与图2的对比，上述集成结构节省下了图2中原换热器11上的大平盖118、出口锻管法兰115，原换热器12上的大平盖128、出口锻管法兰125，以及原换热器13上的管箱筒体130、管箱大法兰137、大平盖138、进口锻管法兰131。如果将大法兰117与进口锻管法兰121之间的法兰连接该用焊接替代，可以进一步节省这两个锻件的材料。
[0010]本发明所述的换热器管箱的集成结构，并没有改变所述的3台换热器的上下游次序和使用功能。如图5所示，与图2相比，图2中3台独立换热器中的分程隔板116、126、136，被图5中的集成换热器21、22、23体系中的集成介质通道管组件700所取代。工艺介质从换热器21的进口锻管111处进入，由介质通道管直接导入到换热器21的换热部件113的进口空间112，经换热部件113换热后，到达出口空间114 ;再经由通道管组件700中的纵向环腔进入到换热器22的换热部件123的进口空间122，经换热部件123换热后，到达出口空间124 ;再经由通道管组件700中的横向环腔进入到换热器23的换热部件133的进口空间132，经换热部件133换热后，到达出口空间134 ;最后通过设置在共用管箱120上的出口锻管135，流向下游。
[0011]在上述管程介质流动过程中，进口锻管111及其附近区域的操作温度最高，换热器21的管箱110的操作温度为换热部件113的出口温度，与原换热器11的管箱最高操作温度相比较低。换热器22与换热器23的共用管箱120和大法兰127的操作温度为换热部件133的出口温度，比原换热器12的管箱操作温度有大幅度降低。
[0012]上述换热器管箱的集成结构，需要通过在通道管组件700上使用三种类别的连接结构的组合，并通过必要的限位支撑结构，来满足换热器集成体系在操作过程中的各换热部件进出口空间的相对密封性、通道管组件700的运行稳定性，及其安装、拆卸、管箱检修的可行性和便捷性。这三种连接结构分别为:轴向装配、可轴向移动的A类连接结构，可旋进装备、调节旋入深浅的B类连接结构，可侧向装配就位、并通过连接件固定连接的C类连接结构。
[0013]上述A类连接结构包括:普通柱面型71，记为A-1型，如图7所示；环槽型72，记为A-1I型，如图8所示；凸脊型73，记为A-1II型，如图9所示；活塞环型74，记为A-1V型，如图10所示。上述B类连接结构包括:螺纹装配型75，记为B-1型，如图11所示。上述C类连接结构包括:普通板式法兰螺栓螺母连接结构76，记为C-1型，如图12所示；平面卡箍型77，记为C-1I型，如图13所示；马鞍面卡箍型78，记为C-1II型，如图14所示。
[0014]在上述柱面型连接结构71中，如图7所示:介质通道管711和714的端部是两小段机加工件712和713，内侧的端部712的外表面与外侧的端部713的内表面通过机加工成微间隙配合。安装时，通过上述加工件端部斜坡的导向就位，端部712和713利用准确预定位后焊接、外部承压件定位销定位、以及通道管711和714的薄壁挠性完成装配。操作时，管程进口工艺介质通过通道管711的内部进入到通道管714的内部，经换热后，出口工艺介质流经导管外部，同时会有一小部分介质经端部712和713之间的微间隙短路内漏。因间隙很小，相当于换热器分程隔板上的泪孔，使得经过间隙短路的介质流量很小，达到相对密封的效果。必要时可以通过略微增加换热部件的传热面积予以补偿短路损失。操作时，端部712可以在端部713内轴向滑动，消除内件与受压外壳之间的温差应力。
[0015]当上述柱面型连接结构71用于取热设备时，因内部进口介质温度高于外部出口介质，端部712的平均金属温度高于端部713的平均金属温度，两者的热膨胀差可以减小甚至消除微间隙的