流通管塞的制作方法

专利名称：流通管塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及修复损坏管道，包括位于热交换器中的管道的方法和装置。
背景技术：
用来输送流体的管状部件很容易受到其中流体的腐蚀而损坏。这种管道腐蚀的部分成因是不规则的流型，比如当流体进入管状部件时所形成的涡流。这种不规则的流型能在管状部件中的一些特定位置汇聚流速提高的流体，从而腐蚀这些特定位置的管状部件材料。本发明中的管状部件包括各种过程设备中的管道，比如炉子，反应器(化学和核反应器)以及热交换器等。
对于热交换器，当管程中的流体温度显著高于热交换器壳程中的流体温度时，会发生管道腐蚀。如果管道由合金构成，则高温梯度时的热交换器管道腐蚀加剧。在高温下，管道合金材料中的耐腐蚀组分会从其初始位置沉积出来并向材料的晶粒边界迁移。最终导致大部分材料丧失腐蚀防护。这种损坏在管的入口和出口通常是很麻烦的。从图2和3中可知，耐腐蚀组分的迁移会在管道18中逐渐产生腐蚀或点蚀，从而出现损坏区域22。这些损坏区域22通常靠近管板10中孔12的开口处，并位于孔12的唇缘13上，即管道18与管板10的焊接处。对于本领域技术人员而言，这种损坏通常被称为受热区腐蚀。如果不加处理，则损坏区域22中的腐蚀会侵蚀穿透管道18，使管程中的流体泄漏至热交换器的壳程中，或者相反，这取决于压力梯度。
在热交换器管板是包覆或层压的情况下，管道腐蚀也具有破坏性。众所周知，包覆或层压的管板中包括与背衬管板16机械连接的覆盖管板14(参见

图1和2)。在需要特定材料来承受管程流体的腐蚀作用或者严酷影响时，通常要进行包覆。由于锆等耐腐蚀材料通常很贵，所以在不太贵的材料上包覆耐腐蚀材料，以降低成本。但是将覆盖管板14固定至背衬管板16的机械连接有时候会发生劣化，从而使包覆管板10分开，出现分层区域20。覆盖管板14从背衬管板16上发生很大的分层会降低包覆管板的机械强度。分层还会移动由覆盖管板14提供的保护层，使背衬管板16受到管程流体的腐蚀作用。
目前对腐蚀管道的补救措施包括在管道18的入口处使用实心管塞24，可以进一步用焊缝26固定。虽然这种密封管道的方法能使损坏区域22不发生进一步的腐蚀，但是塞住之后会导致修复的管道丧失热交换功能，从而降低热交换器的总体能力和效率。堵塞损坏管道的替代方法可以在以下参考文献中找到美国专利4941512；5201118；和5157907。
这些替代方法包括在管道18中插入衬管，覆盖损坏区域22，并使衬管末端卷起，将其固定在孔的唇缘13上。此方法要求配备昂贵的起卷机，由技师操纵机器使管道末端成形。不幸的是，这种方法无法修复圆环形的管道-管板焊接区域，而且无法在衬管和损坏管道内径之间提供不冒泡的密封，而这种密封是防止进一步的管道损坏需要的。另外，此方法也无法纠正包覆管板分层的问题。
还存在修复管道-管板焊缝的技术，以解决孔12唇缘13处圆环形焊接区域的腐蚀损坏问题。比如，可以对孔12唇缘13处的圆环形焊接区域进行机械打磨，并通过常规焊接方法施加新鲜金属，优选与管板10金属材料相同的金属。不幸的是，这种焊缝修复方法不能解决管道18内径损坏的问题。而且，对于含有锆等耐腐蚀金属的交换器，在修复条件下很难实现高质量的完全透焊，这种方法的成本也很高。最后，对于包覆管板，圆环形焊缝修复无法完全解决分层问题。
因此，仍然需要提出能永久修复管道内部损坏而不会阻挡流体通过管道的方法和装置。还需要提出修复管道唇缘处圆环形管道-管板焊接区域的方法和装置。另外，还需要提出重新层压，或者防止与上述管道和焊缝损坏有关或无关的包覆管板分层的方法和装置。
发明概述本发明涉及修复具有管状部件的装置的方法，该管状部件具有损坏部分。更具体地说，本发明的方法包括用基本为管轴方向的作用力在管状部件中插入流通管塞；将流通管塞压入管状部件中，从而使流通管塞覆盖管状部件的至少一部分损坏区域，所述的流通管塞具有纵轴和纵向的孔，允许流体通过其中。用足够大的作用力将流通管塞压入管状部件中，在流通管塞和管状部件之间产生压配合。
本发明另一方面提供了修复具有分层部分的管板的方法，该管板的每个部分中都包括穿透的管孔，该方法包括在至少一个管孔中插入流通管塞，该流通管塞具有纵轴和纵向孔，所述流通管塞是楔形的；并且对所述流通管塞施加足够大的作用力，使流通管塞和管板的各个部分之间产生压配合，从而重新层压管板的各个部分。
本发明的另一个实施方式中提出了形成层压管板的方法，该层压管板具有至少两个带管孔的部分。该方法包括使各个部分彼此相邻排列；使各个相邻部分上的管孔彼此平行；并施加足够大的作用力，将至少一个流通管塞插入平行的管孔中，固定管板的每个部分，从而形成层压管板。
在另一个实施方式中，本发明涉及这样一种装置，包括至少一个具有穿透孔的管板；被插入所述孔中的管状部件；轴向位于所述管状部件中的流通管塞。该装置可以进一步包括管状部件中的损坏区域，该流通管塞的外表面覆盖至少部分的损坏区域。
从以下对各个发明实施方式的具体说明中可知，本发明其他和进一步的特征与优点是显而易见的。这些实施方式是说明性的，可以与图结合起来理解。
试看以下具体说明和图，能够更完整地理解这些实施方式及其优点，图中用相同的数字表示相同的特征。
附图简述图1所示为包覆管板的透视图。
图2所示为热交换器层压管板与相连管道的部分剖面图。
图3所示为管板一部分的透视图。
图4所示为一种本发明流通管塞。
图5所示为被插入热交换器管道中的流通管塞剖面图。
图6所示为被插入具有层压管板的热交换器管道中的流通管塞剖面图。
图7所示为本发明另一实施方式的剖面图。

发明内容
本发明的一个实施方式如图5所示。在该图中，流通管塞28被插入管道18的开口中，位于管板10a的孔12中。该流通管塞28优选是具有纵轴和纵向中空的孔34的管状物。可以采用任何已知或以后开发的制造方法，机械加工，锻造或成形出该流通管塞28。
在一个实施方式中，流通管塞的内径沿着其长度是恒定的。流通管塞的内表面沿着其长度也可以是楔形的，即其后端32的内径大于前端30的内径。在另一个实施方式中，流通管塞内表面是会聚/发散的喷嘴形状，或者是文氏管形状的，使沿着流通管塞的压力降为最小。流通管塞的内表面可以经过抛光，以减轻结垢现象。
流通管塞28的外表面沿着其长度可以是楔形的，即其后端32的外径大于其前端30的外径。图4中所示楔形有一定夸张，用于说明这个特征。虽然该流通管塞28的楔形尺寸为低至0.83厘米/米(0.1英寸/英尺)斜度到50厘米/米(6英寸/英尺)以上，但是本发明可以采用任何尺寸的楔形。虽然楔形斜度沿着该流通管塞28的长度可以是基本恒定的，但是其他实施方式中可以使用可变斜度的楔形。在一个实施方式中，流通管塞28的部分外表面可以具有恒定的直径，即其后端32的外径基本与中点31的外径相同；而从中点31到前端30，流通管塞沿着其长度可以是楔形的，即中点31的外径大于其前端30的外径。流通管塞28还可以组合多个外部形状特征，包括但并不限于棱，叶片，挡板，波纹，凹陷，膛线，或锥形孔。另外，流通管塞28的外表面可以具有齿状，粗糙的轮廓，或者具有滚花的表面，在被固定于管板10中时，为流通管塞28提供进一步的连接方式。
如图5中所示，流通管塞28的楔形长度可以使其前端30能插入管道18中的一定距离，在其中产生压配合。这种压配合应当在流通管塞28外表面和管道18内表面之间的界面上产生足够的压力密封，防止流体通过该界面。因此，使流通管塞28的前端30超出管道18的损坏区域22是很重要的，这样能保证流通管塞28的一部分外表面接触并且至少部分地覆盖损坏区域22。管道18损坏区域22的整个表面可以被流通管塞28覆盖，从而防止流体从管道18泄漏到损坏区域22中。
通常可以用锤子将流通管塞28用手压入管道18中，但是也可以用自动工具将其按压到位，或者采用任何已知或以后开发的方法压入。产生恰当压配合所需要的作用力大小是本领域技术人员能力范围之内的，无须过多试验就能确定。可以在流通管塞28外表面接触管板10a前表面的部位形成焊缝40。虽然使流通管塞28在管道18中产生压配合时并不一定需要焊缝40，但是可以将焊缝作为防止流通管塞28在安装之后发生移动的辅助措施。为了能在流通管塞28上形成焊缝40，不应当使流通管塞28的后端32与管板10齐平，而是应当突出管板10。
可以用任何适用于热交换器的材料制造流通管塞28，比如碳钢，不锈钢，因科镍合金(铬镍铁合金)，钽，锆等。另外，流通管塞28可以由通常认为是不耐腐蚀的基体材料和耐腐蚀的覆盖层组成，基体材料比如是碳钢，覆盖层比如是玻璃，环氧树脂，弹性体材料，含氟聚合物(比如，TEFLON)，或者一种上述金属。在某些实施方式中，流通管塞中可以是一种或多种陶瓷材料，选自氮化硅，氧化铝，和碳化硅。但是，最终实际使用的材料取决于管板(10，10a)和管道18的材料，以及流体种类和流通管塞28的工作条件。
试看图6，所示流通管塞28被插入管道18中，管道18位于层压的管板10上。流通管塞28在管道18中产生压配合，其前端30在管道18中延伸超过管道的损坏区域22。如上所述，管道18中流通管塞28的恰当压配合密封了流通管塞28和管道18之间的区域，从而防止流体通过损坏区域22。应当指出，前端30应当延伸超出管板10的覆盖管板14和背衬管板16。在层压管板中安装本发明流通管塞28的一个优点是，流通管塞28和管道18之间的压配合会推压管道18的外表面，使其紧贴覆盖管板和背衬管板(14，16)中孔12的内表面。管道18和孔12之间相互作用产生的应力会在流通管塞28和覆盖管板14与背衬管板16之间形成机械连接。而且，在某些情况下，当覆盖管板和背衬管板(14，16)之间的界面15中存在空隙17时，管道18的外表面会因为流通管塞28的存在而发生变形，挤入空隙17中。因此，管道18中流通管塞28的压配合，如图6中所示，会将覆盖管板14连接至背衬管板16上。因此，本发明的一个优点是，能将层压管板的各个部分连接在一起。可以使用这种方法修复具有多个分层部分的管板，以及形成新的层压管板。而且，使用焊缝40还能进一步保证流通管塞28与管板10的结合。
在管道18中安装流通管塞28的方法与安装常规实心管塞的方法类似。如上所述，在起先制造热交换器时，靠近管板唇缘13处的管道18边缘被“卷起”，与管板10固定。虽然卷起管道18的作用力是施加在管道18内表面上的，但是内径保持相对平行于管道18的外径。为了接受楔形的流通管塞28，可以在安装流通管塞28之前，先用对应的楔形物对管道18的内径进行扩孔。可以采用任何常规方法对管道18的内径进行扩孔，包括但并不限于使用Jarno楔形物。扩孔功能的实现取决于对热交换器具体情况的分析，比如，具有严重腐蚀和/或结垢现象的管道很需要进行扩孔，而薄壁管道可能缺乏进行扩孔的足够材料。而且，如果管道18的延展性足以在将流通管塞8压配合至管道18中时使其外形与管塞保持一致，则不需要进行扩孔。如果需要进行扩孔，这种操作也在本领域技术人员的能力范围之内。对管道18进行扩孔有利于将楔形流通管塞28插入管道18的开口中，而且会在流通管塞28周围形成足够材料，在推动流通管塞28通过孔12时会紧压管板10的孔12的内表面。
在如图7所示的本发明另一个实施方式中，流通管塞28a中包括套管42。剖面图中所见的套管42外接流通管塞28a的一部分，沿着其内表面为楔形，与流通管塞28a外表面的楔形匹配。套管42的外表面被压入管道18中，适当调整其尺寸以覆盖管道18中的损坏区域22，防止管道18发生泄漏。套管42的存在也会迫使管道18产生径向扩张，对于包覆管板，因为套管42的存在而产生的管道18的向外径向力能使管板的包覆各部分结合在一起。在将套管42安装在管道18中时，可以不再使用流通管塞28a。在某些情况下，使用交替安装的包括套管42和流通管塞28a的两件式组合件是有利的；即，先如图7所示将套管42和流通管塞28a插入管道18中。实现压配合之后，取出流通管塞28a。还可以在管板和套管42之间进行圆环形焊接。在此实施方式中，这种改进的安装方法使用套管42能提供本发明修复方法中流通管塞的功能优点。
可以用本发明的流通管塞28修复各种设备，比如各种过程设备中的管状部件，这些设备包括但并不限于热交换器，炉，反应器，和其他具有管状部件的流体处理设备。比如，本发明的方法可以被用于强制循环型和热对流型蒸馏塔再沸器，比如用于提纯某些物质的设备，这些物质包括但并不限于丙烯酸，丙烯酸酯，丙烯腈和苯乙烯。这种再沸器中包括借助管道与蒸馏塔相连的独立容器，以及整合的传热装置，比如被组装在蒸馏塔底部(储槽)的插接式交换器。
类似的，具有管状部件的其他交换器，包括但并不限于冷凝器，加热器，蒸发器，冷却器，中间冷却器和错流交换器，也能得益于本发明的方法。这些设备被用于制造包括但并不限于甲基丙烯酸，甲基丙烯酸酯，甲基丙烯腈和氰化氢等物质。比如，本发明的方法适合用来修复壳式和管式裂化反应预加热器，加热器和冷却器，比如用于制造甲基丙烯酸甲酯(MMA)或甲基丙烯酸(MAA)的设备，如参考文献美国专利6545176中所述。
本发明的方法还适用于包括管状部件的直燃式蒸汽锅炉，以及与炉，焚化炉，热氧化器和燃气涡轮系统相连的废热回收锅炉。本发明的方法适合用来修复热氧化系统比如用于制造丙烯腈的系统中废热回收式蒸汽锅炉的管道，如参考文献US 2004/0093860中所述。而且，本发明的方法适合用来修复制冷系统，冷却器，盐水冷却器和空调系统中的管状部件。
除了上述例子外，本发明的方法还适用于管程流体为过程气体而非液体的交换器，比如用于制造硝酸或合成气的骤冷交换器。本发明的方法可以用来修复制造氰化氢的壳式和管式骤冷交换器，例如参考文献US 2001/0040024中所述。本发明的流通管塞还能与管箍组合使用，包括由因科镍合金，氧化铝，氧化硅，碳化硅和氮化硅制造的管箍，如US 2001/0040024中所述。类似的，气体-气体热交换器中的管状部件，比如用于直燃式预加热器和同流换热器中的部件，也能得益于本发明的方法。
如上所述，本发明的应用并不限于热交换器和炉子，本发明的方法还能用来修复或构建输送流体的任何管状部件。比如，本发明可以用来修复带管道的反应器，比如部分氧化反应器和核反应器。带管道的部分氧化反应器包括但并不限于制造(甲基)丙烯醛，(甲基)丙烯酸，马来酸酐，氯乙烯单体(VCM)和氧化乙烯的设备。本发明的方法适合用来修复具有一个或多个装有催化剂的管状部件的反应器，比如从丙烯和丙烷等碳氢化合物制造丙烯醛和丙烯酸的反应器。这些反应器如参考文献美国专利6384274中所述。
实施例在一个非限制性实施例中，本修复方法曾被用来制造甲基丙烯酸(“MAA”)和甲基丙烯酸酯(比如，甲基丙烯酸甲酯，“MMA”)的过程中。更具体地说，本发明的方法曾被用来从含硫的残余流体中加热汽提或除去有机组分的壳管式热交换器中。使用特定热交换器的具体汽提过程如参考文献美国专利申请2002/0192131 A1中所详述，它参考结合于此。
此热交换器包括大约550根内径为1.370英寸(3.48厘米)的锆管。这些锆管被轧制并密封焊接在锆包覆管板上。此锆包覆管板包括标称3/8英寸(0.95厘米)厚度的锆覆盖管板，此覆盖管板被爆炸包复到标称2英寸(5厘米)厚度的碳钢背衬管板上。含硫的残余流体中包含硫酸和水，以115℃(240°F)和143℃(290°F)之间的温度在交换器管程中循环。交换器的外壳由碳钢构成。以中压(大约5.2×105帕(75psig))流体作为壳程加热介质。
经过几年的商业应用，热交换器中共有大约10％的原始管道损坏。这种损坏是常规机械检查发现的，通过用常规实心管塞密封损坏管道并且在每个管塞和管板之间进行圆环形密封焊接而解决。通过密封这些管道，能够将该交换器再次用于汽提过程中。但是堵塞损坏管道导致了热交换器的可用传热表面损失大约10％，在生产能力方面也有相应的损失。
再经过一段时间的商业应用，机械检查发现另有97根管道发生严重的受热区腐蚀，包括圆环形焊缝损坏，严重的内管壁腐蚀，还有管壁穿孔。在管壁穿孔的情况下，还发现背衬管板腐蚀和包覆管板分层的现象。
根据损坏程度，无法利用常规的实心管塞来密封损坏管道，因为这样会导致交换器的剩余传热表面再损失20％，使汽提过程的生产能力显著低于要求的水平。由此建议使用本发明的修复方法，为的是避免更换整个锆热交换器的花费。
根据本发明的修复方法，先用常规的#12 Jarno楔形体(5厘米/米(0.6英寸/英尺))对每个损坏管道的内部进行扩孔。每个管道的实际扩孔深度各不相同，取决于管道的损坏程度，流通管塞的尺寸，和各个管道的相对圆环度。但是扩孔装置插入管道中的深度通常在0.01米(0.5英寸)和0.05米(2英寸)之间。
扩孔之后，用手将图4所示0.05米(2英寸)长度的锆流通管塞插入管道后端中。流通管塞的外表面沿着其长度是楔形的，其后端外径约为0.04米(1.49英寸)，前端外径约为0.03米(1.39英寸)。流通管塞的轴向内径恒定为0.028米(1.125英寸)。然后用锤子将流通管塞用手推入管道中，直到管塞完全到位。总的来说，当流通管道达到管内深度0.01米(0.50英寸)到0.445米(1.75英寸)时，就完全到位。到位之后，在管板和流通管塞之间进行圆环形密封焊接。
修复完成之后，将该热交换器再次用于汽提过程中，发现传热表面没有明显损失。以要求的生产能力连续工作9个月之后，再次停工，进行交换器检查。没有发现明显的新损坏，不需要进行修复。在流通管塞上没有发现可见的损坏情况，将该交换器再次用于汽提过程中。由此可知，本发明的修复方法能有效修复损坏的管道和分层的包覆管板，而不会阻碍流体通过管道。
因此，本发明能够实现所述目的和优点，以及其他固有特征。虽然为了说明给出了几个发明实施方式，但是可以对过程细节进行各种变化，以实现要求的结果。比如，本发明可以被用来修复强制循环和热对流式蒸馏塔再沸器，比如用于提纯(甲基)丙烯酸和(甲基)丙烯酸酯的设备。本发明还能用来于修复骤冷交换器，其中的管程流体是气体而不是液体，比如制造氰化氢，硝酸或合成气的设备。另外，本发明并不限于热交换器，还能用来修复输送流体的任何管状部件。而且，本发明能被用于新造的热交换器，作为预防腐蚀的措施，以及将包覆管板的各部分连接在一起。另外，本发明的保护性特征可以被用于没有发生损坏的热交换器中，防止管道中出现腐蚀现象。这些和其他类似改进是本领域技术人员很容易领会的，也属于本发明所述原理和权利要求的范围之内。
权利要求
1.修复具有管状部件的设备的方法，其中的管状部件具有损坏区域，所述方法包括用基本为管轴方向的作用力将流通管塞插入管状部件中；将流通管塞压入管状部件中，使流通管塞至少覆盖管状部件的部分损坏区域，该流通管塞具有纵轴和纵向孔，流体能从中通过。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包括用足够大的作用力压入流通管塞，在流通管塞和管状部件之间产生压配合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述设备选自热交换器，炉和反应器。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于该设备包括由背衬管板和覆盖管板组成的包覆管板。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于将流通管塞压入管状部件中之后，管状部件与背衬管板紧密接触，覆盖管板被固定在背衬管板上。
6.修复具有分层部分的管板的方法，所述每个分层部分中包括穿透的管孔，所述方法包括将流通管塞插入至少一个管孔中，所述流通管塞具有纵轴和纵向孔，该流通管塞是楔形的；对流通管塞施加足够大的作用力，在流通管塞和管板的各个部分之间产生压配合，从而重新层压管板的各个部分。
7.形成具有至少两个带管孔部分的层压管板的方法，所述方法包括使各个部分彼此相邻排列；使各个相邻部分上的管孔彼此平行；用足够大的作用力将至少一个流通管塞插入平行的管孔中，使管板的各个部分牢固结合，形成层压管板。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述至少一个流通管塞具有纵轴和纵向孔，该流通管塞是楔形的。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于层压管板能用于选自热交换器，反应器和炉子的设备中。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于进一步包括将流通管塞焊接在层压管板上。
11.一种设备，包括至少一个带穿透孔的管板；被插入孔中的管状部件；轴向位于管状部件中的流通管塞。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于所述设备选自热交换器，炉子和反应器。
13.如权利要求11所述的设备，其特征在于进一步包括管状部件中的损坏区域，其中流通管塞的外表面至少覆盖损坏区域的一部分。
14.如权利要求11所述的设备，其特征在于所述至少一个管板是至少包括两个部分的层压管板，其中流通管塞产生的层压作用力使这些部分保持层压接触。
全文摘要
修复损坏的热交换器管道等管道的方法和装置，包括将流通管塞插入损坏的热交换器管道中。该流通管塞是楔形的，在被插入热交换器管道中时产生压配合。该流通管塞具有轴向孔，允许流体纵向通过管塞。
文档编号F16L55/163GK1734151SQ20051008858
公开日2006年2月15日 申请日期2005年8月2日 优先权日2004年8月2日
发明者拉瑞·J·伯克哈尔特, 迈克儿·S·德库西, 斯蒂芬·K·温伯格, 基思·F·布雷格尔 申请人:罗门哈斯公司