一种大型绕管式换热器双层中心筒结构的制作方法

本发明涉及绕管式换热管换热领域，尤其涉及一种大型绕管式换热器双层中心筒结构。

背景技术：

绕管式换热器被广泛应用于低温甲醇洗、空气分离、LNG、加氢裂化等领域。传统绕管式换热器单台设备重量较轻，中心筒仅采用单层结构就能实现芯体的支撑，并且保持较好的受力情况。对应用于天然气液化流程中的绕管式换热器，随着天然气液化能力向大型化发展，由100万吨LNG/年增长至780万吨LNG/年，用于天然气液化的绕管式换热器设备也向大型化发展，单台设备的重量由200吨增加至近千吨。对此类绕管式换热器，传统的中心筒结构型式已无法满足对设备的支撑要求。

以LINDE和APCI为代表的国外大型绕管式换热器企业，已开展了该技术的相关研究，但未见其对相关研究成果进行报道，该问题严重制约了我国大型绕管式换热器的发展，因此，亟待提出相应的解决方案，实现我国绕管式换热器的大型化。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足提供一种解决大型绕管式换热器芯体固定问题的大型绕管式换热器双层中心筒结构。

本发明的技术方案是这样实现的：一种大型绕管式换热器双层中心筒结构，包括芯体、筒体、管箱、支座和吊耳，所述芯体包括第一层中心筒和第二层中心筒，所述第一层中心筒的两端焊接管板，所述第一层中心筒上设置有若干层一级换热管；所述第一层中心筒上均匀焊接有若干垂直于第一中心筒中心线的筋板；所述第二层中心筒设置在最外层的一级换热管外部，所述第二层中心筒与筋板焊接，所述第二层中心筒的另一端也焊接有均匀垂直焊接在第一层中心筒上的筋板，所述第二层中心筒上也设置有若干层换热管。

所述的第一层中心筒、第二层中心筒及所述的换热管的外表面均焊接有用于支撑与其相邻的换热管的垫条。

所述换热管上设置有管箍，所述管箍卡紧换热管后焊接在靠近中心筒的与该换热管相邻的垫条上。

在大型绕管式换热器换热管绕制前，计算双层中心筒的结构型式。确定第一层中心筒的直径、长度和厚度，筋板的规格(筋板长度、宽度、厚度和数量等参数)。第一层中心筒与管板焊接，然后在第一层中心筒上绕制换热管。根据绕管式换热器芯体重量和长度，确定第一层中心筒的直径、长度和厚度，设计原则是控制中心筒的挠度ω_{max 1}和最大弯曲应力σ_{max 1}，最大挠度ω_{max 1}控制在1％～5％，最大弯曲应力σ_{max 1}控制在σ_{max 1}≤0.8[σ]，[σ]-中心筒材料许用应力。筋板的作用是承受第二层中心筒和绕制在第二层中心筒上的换热管、垫条和管箍的重量，设计原则是控制筋板与第一层中心筒连接处的应力σ_{max 2}，控制σ_{max 2}≤0.9[σ]，控制筋板最大弯曲应力σ_{max 3}，σ_{max 3}≤0.8[σ]。控制筋板的最大挠度ω_{max 2}，最大挠度ω_{max 2}控制在1％～5％。为了保证筋板的均匀受力，筋板在第一层中心筒上均匀布置，并保证筋板与第一层中心筒的焊缝焊脚高度。

第二层中心筒结构的设计，主要确定第二层中心筒的直径、长度和厚度，第二层中心筒的位置和第二层中心筒与上层换热管的间隙等。假定第一层中心筒绕制的换热管层数为n层，单台绕管式换热器芯体的总层数为N层，在缠绕至第N-n层时设置第二层中心筒。由于第二层中心筒直径小于筋板长度，第二层中心筒的安装可采用2种方法。其一第二层中心筒采用拼接结构，安装顺序采用先将一侧筋板与第一层中心筒焊接，再拼接第二层中心筒，然后第二层中心筒与一侧筋板点焊固定，再将另一侧筋板与第一层中心筒焊接，最后将第二层中心筒与筋板焊接。其二第二层中心筒采用整体式结构，安装顺序采用先将一侧筋板与第一层中心筒焊接，再套装第二层中心筒，并将第二层中心筒与筋板点焊固定，再将另一侧筋板与第一层中心筒焊接，最后将第二层中心筒与两侧筋板焊接固定。该两种方式均通过筋板与第一层中心筒焊接，第二层中心筒与筋板的焊接，实现第二层中心筒的固定。根据绕管式换热器第二层芯体重量、筋板内侧间距和第二层中心筒与第n层换热管间隙，确定第二层中心筒直径、长度和厚度。设计原则是控制第二层中心筒的挠度和最大弯曲应力，其控制范围与第一层中心筒要求相同。在确定第二层中心筒与第n层换热管间隙时，需考虑第二层中心筒的椭圆度，避免第二层中心筒的变形对第n层换热管造成破坏，同时避免该间隙过大对设备的运行产生不利影响。第二层中心筒与筋板焊接时，应保证其焊缝质量，确保第二层中心筒与筋板足够的连接强度。第二层中心筒结构确定之后，开始绕制第n+1层～第N层换热管，换热管与第二层中心筒的固定方法和换热管与第一层中心筒的固定方法相同。

本发明的技术方案产生的积极效果如下：通过采用双层中心筒结构，实现了绕管式换热器芯体重量和垫条数量的重新分配，有利于设备的稳定运行，更易于实现绕管式换热器的大型化。本发明为大型绕管式换热器的国产化提供了技术保证，具有良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明双层中心筒结构的结构示意图之一。

图2为本发明双层中心筒结构的结构示意图之二。

图3为本发明换热管、垫条及管箍的连接结构示意图。

图4为本发明大型绕管式换热器双层中心筒结构的整体结构示意图。

图中标注为：1、管板；2、第一层中心筒；3、筋板；4、换热管；5、第二层中心筒；6、垫条；7、管箍；8、管箱；9、芯体；10、支座；11、筒体；12、吊耳。

具体实施方式

一种大型绕管式换热器双层中心筒结构，如图1、2、3所示，包括芯体9、筒体11、管箱8、支座10和吊耳12，所述芯体采用双层中心筒结构绕管式换热器芯体，该芯体包括管板1、第一层中心筒2、筋板3、换热管4及第二层中心筒5，芯体总重90吨，总层数44层，第一层中心筒总长9534mm，规格为第二层中心筒总长7300mm，规格为缠绕至第32层时设置第二层中心筒，第二层中心筒内径与第32层换热管间隙为4mm。筋板规格为600×150×20mm，在第一层中心筒圆周均布6个，共12个筋板。第二层中心筒采用拼接结构，安装顺序采用先将一侧的6个筋板均布与第一层中心筒焊接，再拼接第二层中心筒。拼接第二层中心筒时，应保证焊接不对前一层换热管产生损伤，并对拼接焊缝进行修模，保证第二层中心筒表面光滑。第二层中心筒拼接完成后，将其与一侧筋板点焊固定。然后，将另一侧的6个筋板均布与第一层中心筒焊接，焊接时保证筋板内侧与第二层中心筒端部的间隙，间隙控制在1～3mm，最后将第二层中心筒与两侧筋板焊接，完成第二层中心筒的安装。通过采用双层中心筒结构，改善了绕管式换热器芯体的受力，能够实现绕管式换热器的大型化，并有利于设备的稳定运行，具有良好的经济效益。

所述的第一层中心筒、第二层中心筒及所述的换热管的外表面均焊接有用于支撑与其相邻的换热管的垫条6。所述换热管上设置有管箍7，所述管箍卡紧换热管后焊接垫条上，该垫条是焊接在与该换热管相邻的靠近中心筒的换热管上的垫条，下文中用上一层表示。

在设备运行状态下(垂直放置)，各层换热管重量由焊接在前一层换热管上的垫条支撑，本层换热管通过焊接本层的垫条对下一层换热管支撑，最后所有换热管重量、垫条及管箍重量等载荷均施加在中心筒上。在绕制第一层换热管前，先将垫条焊接在中心筒上，然后第一层换热管依次盘绕在第一层垫条上，并通过管箍固定。第二层及以后各层也依次通过垫条管箍连接固定在上一层换热管上。绕管式换热器在生产过程中(水平放置)及工作状态下(垂直放置)，换热管、管箍、垫条和管箍等重量都能均布在各连接点上，最终载荷将施加在中心筒上。

在大型绕管式换热器换热管绕制前，计算双层中心筒的结构型式。确定第一层中心筒的直径、长度和厚度，筋板的规格(筋板长度、宽度、厚度和数量等参数)。第一层中心筒与管板焊接，然后在第一层中心筒上绕制换热管。根据绕管式换热器芯体重量和长度，确定第一层中心筒的直径、长度和厚度，设计原则是控制中心筒的挠度ω_{max 1}和最大弯曲应力σ_{max 1}，最大挠度ω_{max 1}控制在1％～5％，最大弯曲应力σ_{max 1}控制在σ_{max 1}≤0.8[σ]，[σ]-中心筒材料许用应力。筋板的作用是承受第二层中心筒和绕制在第二层中心筒上的换热管、垫条和管箍的重量，设计原则是控制筋板与第一层中心筒连接处的应力σ_{max 2}，控制σ_{max 2}≤0.9[σ]，控制筋板最大弯曲应力σ_{max 3}，σ_{max 3}≤0.8[σ]。控制筋板的最大挠度ω_{max 2}，最大挠度ω_{max 2}控制在1％～5％。为了保证筋板的均匀受力，筋板在第一层中心筒上均匀布置，并保证筋板与第一层中心筒的焊缝焊脚高度。

第二层中心筒结构的设计，主要确定第二层中心筒的直径、长度和厚度，第二层中心筒的位置和第二层中心筒与上层换热管的间隙等。假定第一层中心筒绕制的换热管层数为n层，单台绕管式换热器芯体的总层数为N层，在缠绕至第N-n层时设置第二层中心筒。由于第二层中心筒直径小于筋板长度，第二层中心筒的安装可采用2种方法。其一第二层中心筒采用拼接结构，安装顺序采用先将一侧筋板与第一层中心筒焊接，再拼接第二层中心筒，然后第二层中心筒与一侧筋板点焊固定，再将另一侧筋板与第一层中心筒焊接，最后将第二层中心筒与筋板焊接。其二第二层中心筒采用整体式结构，安装顺序采用先将一侧筋板与第一层中心筒焊接，再套装第二层中心筒，并将第二层中心筒与筋板点焊固定，再将另一侧筋板与第一层中心筒焊接，最后将第二层中心筒与两侧筋板焊接固定。该两种方式均通过筋板与第一层中心筒焊接，第二层中心筒与筋板的焊接，实现第二层中心筒的固定。根据绕管式换热器第二层芯体重量、筋板内侧间距和第二层中心筒与第n层换热管间隙，确定第二层中心筒直径、长度和厚度。设计原则是控制第二层中心筒的挠度和最大弯曲应力，其控制范围与第一层中心筒要求相同。在确定第二层中心筒与第n层换热管间隙时，需考虑第二层中心筒的椭圆度，避免第二层中心筒的变形对第n层换热管造成破坏，同时避免该间隙过大对设备的运行产生不利影响。第二层中心筒与筋板焊接时，应保证其焊缝质量，确保第二层中心筒与筋板足够的连接强度。第二层中心筒结构确定之后，开始绕制第n+1层～第N层换热管，换热管与第二层中心筒的固定方法和换热管与第一层中心筒的固定方法相同。

当绕管式换热器芯体绕制完成后，在最外层换热管表面包裹上一层薄钢板(材料与筒体材料相同，厚度仅为几个毫米厚)，用于保护芯体。