一种加热炉的强化传热管的制造方法与流程

本发明涉及制造领域，具体地，涉及一种加热炉的强化传热管的制造方法。

背景技术：

在发电厂、石油化工领域，管式加热炉是常用的设备，管式加热炉在长周期条件下利用直接明火加热换热管内的气汽体或液体。例如，裂解炉包括辐射室、对流室、燃烧器以及热量回收系统等，其中，最主要的设备是辐射室。辐射室通过火焰或者高温烟气进行辐射传热，从而加热换热管内的气体或液体。

管式加热炉内的传热过程包括辐射，对流和传导。换热管内对流传热与换热管内物料的流型关系密切，由于加热炉中辐射传热强化效果不明显，通常是从对流传热的角度来研究管式加热炉的强化传热的过程，且主要研究换热管内的对流传热。

傅立叶公式为对流传热的经典公式，见式(1)所示，其中q为传热量，A为传热面积，k为传热系数，dt/dy为温度梯度。在由加热炉能力决定的固定传热面积和由换热管材质和燃烧器的能力决定的温度梯度一定的条件下，最为有效的提高单位面积传热量的方法就是提高传热系数。

传热系数k的数值主要由边界层热阻来决定，普兰特边界层流动理论指出当实际流体沿固体壁面流动时，在流体流动主体和壁面之间存在一个流动边界层，这个边界层虽然很薄，但它的传热阻力却非常大。通过边界层后，由于流体处于充分的湍流状态，热量将会迅速传递到主体物流中心。因此，通过某种方式能够减薄边界层，将能够有效的增加传热量。

为此，公开有很多种在管体内壁上设置螺旋筋的换热管，该螺旋筋使换热管内的流体旋转起来，增加湍流强度，从而强化传热。以往的这种带有螺旋筋的换热管在短时间内强化传热的效果优异，但是随着长时间的运行，强化传热效果减小。另外，现有的换热管的管体和螺旋筋均采用精密铸造方法一体成型，但这种精密铸造难度相对大，需要制模等复杂工艺，耗费时间长，且形状参数略微调整就需要重新设计新的模具。另外，通过精密铸造方法制造的换热管与离心铸造的换热管相比，力学性能有一定差距，例如，许用应力相对小，长期运行下，现有的换热管会受到局部热点的冲击而造成管体局部变形，使用寿命相对短。

综上所述，现有的换热管由于采用精密铸造的方法制造，从而存在许用应力相对小、制造时间长、使用寿命相对短等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种加热炉的强化传热管的制造方法，该制造方法制造时间短，通过该方法制造出的强化传热管在传热效果好、防结焦效果优异、压降相对小的基础上，其许用应力相对大，且使用寿命边长。

为了实现上述目的，本发明提供一种加热炉的强化传热管的制造方法，该制造方法包括：制造第一换热管的步骤，所述第一换热管通过离心铸造方法制造；制造强化传热元件的步骤，在所述第一换热管内壁上堆焊出沿轴向方向延伸的扭曲片，以形成强化传热元件。

本发明提供另一种加热炉的强化传热管的制造方法，该制造方法包括：制造第一换热管的步骤，所述第一换热管通过离心铸造方法制造；制造强化传热元件的步骤，在所述第一换热管内壁上通过3D打印方法打印出沿轴向方向延伸的扭曲片，以形成强化传热元件。

本发明提供又一种加热炉的强化传热管的制造方法，该制造方法包括：制造第一换热管的步骤，该第一换热管通过离心铸造方法制造；通过静态铸造方法制造扭曲片的步骤；通过离心铸造方法制造第二换热管的步骤，该第二换热管与所述第一换热管的直径相同；制造强化传热元件的步骤，将所述扭曲片焊接在所述第二换热管的内壁上，以形成强化传热元件。

优选地，该制造方法还包括：对所述第二换热管和所述扭曲片之间的焊缝进行无损探伤检测的步骤。

优选地，该制造方法还包括：制造多个所述强化传热元件，并焊接多个所述强化传热元件，以形成强化传热管的步骤。

优选地，该制造方法还包括：对所述强化传热管上的多个焊缝进行无损探伤检测的步骤。

优选地，所述换热管的直径为D，所述扭曲片上具有沿所述换热管的轴向方向从所述扭曲片的上侧边至下侧边贯穿形成的竖孔，以形成多个扭曲部分。

优选地，所述多个扭曲部分沿所述换热管的圆周方向均匀分布。

优选地，所述强化传热管中沿轴向方向设置的所述扭曲片的个数为1-12个，优选为1-4个。

优选地，所述竖孔的直径为大于等于0.1D且小于等于0.9D，优选为大于等于0.2D且小于等于0.5D。

优选地，所述扭曲片的扭曲角度为90-1080°，优选为120-360°。

优选地，所述扭曲片的沿所述换热管的轴向长度和所述扭曲片的直径之间的比例为1-6，优选为2-4。

优选地，所述扭曲片的厚度为所述换热管壁厚的60％-120％，优选为80％-100％。

优选地，在所述强化传热管内设置有多个所述扭曲片，多个所述扭曲片沿轴向方向均匀间隔布置，多个所述扭曲片之间的间隔距离为大于等于15D且小于等于75D，优选为大于等于25D且小于等于50D。

通过上述技术方案，本发明的强化传热管的第一换热管和扭曲片并非通过静态铸造方法制造，而是第一换热管用离心铸造方法制造，之后在第一换热管的内壁用对焊或3D打印方法制造扭曲片或者将单独通过静态铸造方法制造的扭曲片焊接在第二换热管的内壁上，总之，强化传热管的管壁均通过离心铸造方法制造，这与以往的管壁通过静态铸造方法制造的强化传热管相比，大大提高了整个强化传热管的许用应力，同时大大缩短了制造时间，延长了使用寿命。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的第一实施例的强化传热管的制造方法的流程图；

图2是本发明提供的第二实施例的强化传热管的制造方法的流程图；

图3是本发明提供的第三实施例的强化传热管的制造方法的流程图；

图4是本发明提供的强化传热管的纵剖视图；

图5是本发明提供的强化传热管的第一实施方式的横剖视图；

图6是本发明提供的强化传热管的第二实施方式的横剖视图；

图7是本发明提供的一种优选形式的强化传热的结构示意图；

图8是设置有本发明提供的强化传热管的裂解炉的连接示意图。

附图标记说明

1强化传热管 2第二换热管

3扭曲片 4竖孔 5第一换热管

20高压汽包 21对流段

22辐射段 23燃烧器

24急冷锅炉

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在管式加热炉中，为了提高换热管的换热效率，会在换热管内壁上设置扭曲片(俗称螺旋筋)以形成强化传热管。另外，下文中所述的“第一换热管”指的是未设置有扭曲片的管段，“第二换热管”指的是设置有扭曲片的管段。

以下，参照图1至图3，将详细说明本发明提供的强化传热管的三种制造方法。

首先，本发明提供第一种加热炉的强化传热管的制造方法，该制造方法包括制造第一换热管的步骤a1和制造强化传热元件的步骤a2。首先，通过离心铸造方法制造第一换热管5后，在第一换热管5内壁上堆焊出沿轴向方向延伸的扭曲片3，以形成强化传热元件。

接着，加热炉中，强化传热管需要具有一定长度来满足作业要求，因此，该制造方法还包括制造多个强化传热元件，并焊接多个强化传热元件，以形成强化传热管1的步骤s1。也就是说，制造多个上述强化传热元件之后，进行焊接，例如，如图7所示(图7仅为示意图，并不是实际产品的比例)，用于加热炉的强化传热管1可以包括输入段、折弯段和输出段，输入段可以是两个强化传热元件相互焊接形成，折弯段为工业上常用的弯管，输出段也可以是由两个强化传热元件相互焊接形成的，最终形成一个U形的强化传热管1。但强化传热管的具体形状不受限制，根据具体工况进行设置即可。

另外，多个强化传热元件之间相互焊接时形成焊缝，因此本发明提供的强化传热管的制造方法还包括对强化传热管1上的多个焊缝进行无损探伤检测(NTD)的步骤s2。通过NTD，检测焊接处是否存在缺欠。无损探伤检测可以采用射线照相检测、超声检测、涡流检测、磁粉检测、渗透检测、目视检测、泄漏检测、声发射检测、射线透视检测等中的任意一种，但不限于此。

其次，本发明提供第二种加热炉的强化传热管的制造方法，该制造方法包括：制造第一换热管的步骤b1和制造强化传热元件的步骤b2。首先通过离心铸造方法制造第一换热管5后，在第一换热管5内壁上通过3D打印方法打印出沿轴向方向延伸的扭曲片3，以形成强化传热元件。第二种制造方法与第一种制造方法类似，只是扭曲片3的设置方式不同。因此，对于其他步骤不再赘述。

最后，本发明提供第三种加热炉的强化传热管的制造方法，该制造方法包括：

制造第一换热管的步骤c1，通过离心铸造方法制造第一换热管5；

通过静态铸造方法制造扭曲片的步骤c2；

通过离心铸造方法制造第二换热管2的步骤c3，其中需要说明的是，该第二换热管2与第一换热管5的直径相同，该第二换热管2主要是为了与上述扭曲片连接而单独制造的管壁；

制造强化传热元件的步骤c4，将扭曲片3焊接在第二换热管2的内壁上并使扭曲片3沿强化传热管的轴向方向延伸，之后将焊接有扭曲片3的第二换热管与第一换热管进行焊接，以形成强化传热元件。

与前两种制造方法不同的是，在第三种制造方法中，第二换热管2和扭曲片3是分别单独制造，之后将扭曲片3焊接在第二换热管2内壁上的方法。因此，第三种制造方法还包括在第二换热管2的内壁焊接单独制造的扭曲片3之后，对第二换热管2和扭曲片3之间的焊缝进行无损探伤检测的步骤c5。

综上所述，以往的强化传热管的制造方法是强化传热元件(包括换热管和扭曲片)通过一体静态铸造的方法制造，而本发明采用的制造方法是将换热管通过离心铸造方法制造，使得强化传热管的许用应力有所提高，使用寿命大大增加，长远考虑的话，节省了强化传热管的使用成本。

为了更好的说明本发明提供的三种强化传热管的制造方法的优点，以下设置了四个实施例。实施例1中采用了以往的一体静态铸造的制造方法来制造强化传热管，实施例2至实施例4中依次采用了本发明提供的三种制造方法来制造强化传热管，具体如下。另外，实施例1-4中均包括制造第一换热管5的步骤，因此在以下说明制造时间时省略了对第一换热管5的制造时间的说明。

实施例1

如图8所示，通过本发明提供的制造方法制造的强化传热管用于单程辐射段换热管的乙烯裂解炉，该乙烯裂解炉包括：高压气包20、对流段21、强化传热管1、燃烧器23、辐射段22、急冷锅炉24。其中，强化传热管1包括144组单程换热管，裂解炉设计能力为100KT乙烯/年，使用的裂解原料为石脑油。如图7所示，强化传热管1包括四个强化传热元件。

实施例1中采用了精密铸造方法制造强化传热管1，该强化传热管1中设置有本发明提供的四个扭曲片3(以下将具体说明本发明提供的优选的扭曲片)，设置有扭曲片3的管段与未设置有扭曲片的管段之间进行焊接，共形成八个焊缝，针对每个焊缝进行无损探伤检测。上述在制造过程中，开模时间需要3个月左右，浇铸成型需要15天左右，换热管之间的焊接和检测需要15天左右，因此实施例1中的强化传热管的制造时间需要4个月左右。

表1中示出了设置有通过上述制造方法制造的强化传热管的裂解炉工艺参数。

表1

实施例2

实施例2中采用了本发明提供的第一种强化传热管的制造方法，即，强化传热元件是在换热管内壁上堆焊出扭曲片而形成的，因此，四个强化传热元件之间形成三个焊缝，对焊缝进行无损探伤检测。该制造过程中，扭曲片的制造时间只需5-10天左右，换热管焊接和检测需要20天左右，因此，实施例2中的强化传热管的制造时间仅需1个月左右。

表2中示出了设置有通过本发明提供的第一种制造方法制造的强化传热管的裂解炉工艺参数。

表2

实施例3

实施例3中采用了本发明提供的第二种强化传热管的制造方法，即，强化传热元件是在换热管内壁上3D打印出扭曲片而形成的，四个强化传热元件之间形成三个焊缝，对焊缝进行无损探伤检测。该制造过程中，扭曲片的制造时间只需5-10天左右，换热管焊接和检测需要20天左右，因此，实施例3中的强化传热管的制造时间仅需1个月左右。

表3中示出了设置有通过本发明提供的第二种制造方法制造的强化传热管的裂解炉工艺参数。

表3

实施例4

实施例4中采用了本发明提供的第三种强化传热管的制造方法，该制造方法实际上是分别通过离心铸造方法制造第二传热管2和通过静态铸造方法制造扭曲片3之后，将扭曲片3焊接在第二换热管2的内壁上而形成强化传热元件，对所有焊缝进行无损探伤检测。该制造过程中，静态铸造扭曲片3的时间大约3个月左右，在制造扭曲片3时，单独制造第二换热管2即可。另外，换热管焊接和检测需要20天左右。因此，实施例4中的强化传热管的制造时间需要4个月左右。

表4中示出了设置有通过本发明提供的第三种制造方法制造的强化传热管的裂解炉工艺参数。

表4

将实施例2至实施例4与实施例1进行比较，本发明提供的强化传热管的制造方法与以往的一体静态铸造方法相比，具有如下优点：

1)制造时间大大缩小：实施例2和实施例3中的制造方法所需的时间仅为1一个月左右，与实施例1中的以往的一体精密铸造方法相比，缩短了3个月的时间，节省了大量的时间成本。

2)由于强化传热管的管壁是通过离心铸造方法制造，从而强化传热管的整体许用应力有所提高，使用寿命延长了近一年，大大节省了强化传热管的使用成本。

3)实施例2和实施例3中的强化传热管的强化传热元件之间的焊缝仅为3个，而实施例1中的强化传热管的强化传热元件之间的焊缝为8个，从而强化传热管的整体强度相对更大。

综上所述，本发明提供的强化传热管的三种制造方法与以往的一体静态铸造方法相比，具有强化传热管的许用应力更大、制造时间短、使用寿命长等优点。

以上，详细说明了本发明提供的强化传热管的三种制造方法。以下，参照图4至图8，将继续说明本发明提供的扭曲片的优选方式。

扭曲片可以理解成一条水平方向上的线段绕其自身中点旋转，同时还在竖直方向上向上或者向下平移而经过的轨迹曲面，并且在换热管2设置有扭曲片3的部分管段的横截面中，扭曲片的截面一直都是换热管2截面圆的直径。扭曲片包括一对相互平行的上侧边和下侧边，以及一对扭曲边，该一对上侧边和下侧边与换热管2的直径相等，两个扭曲边始终与换热管的管壁接触。在换热管中设置扭曲片能够利用流体自身的旋转，管内流体的活塞流转变旋转流，提高了切向速度，破坏了原来的层流层，减薄边界层，增加传热系数，以达到强化传热的目的。

换热管2的直径设定为D，扭曲片3上具有沿换热管2的轴向方向从扭曲片3的上侧边至下侧边贯穿形成的竖孔4，以形成多个扭曲部分。该竖孔4的中心线可以与换热管2的轴线一致，也可以不一致，但优选为一致。强化传热元件可以是一个扭曲片通过竖孔分割为两个扭曲部分(如图5所示)，也可以是两个扭曲片通过竖孔分割为四个扭曲部分(如图6所示)，但不限于此，扭曲部分可以根据需要形成更多个。

为了使流体在换热管的周向方向上受到流体的作用力均匀，多个扭曲部分沿换热管2的圆周方向均匀分布。

以下，本发明提供扭曲片的优选参数。

首先，强化传热管1中沿轴向方向设置的扭曲片3的个数优选为1-12个，更优选为1-4个。

另外，优选地，强化传热管1的换热管2上的竖孔4的直径为大于等于0.1D且小于等于0.9D，优选为大于等于0.2D且小于等于0.5D。

另外，扭曲片3的扭曲角度优选为90-1080°，更优选为120-360°。扭曲片3的沿换热管2的轴向长度和扭曲片3的直径之间的比例优选为1-6，更优选为2-4。扭曲片3的厚度为换热管2壁厚的60％-120％，优选为80％-100％。扭曲片扭曲180°的轴向长度与沿与直径的比值为扭曲比，该扭曲比决定了每个强化传热元件的长度，而强化传热元件的旋转角度决定了强化传热元件的扭曲程度，从而影响传热效率。强化传热元件的扭曲比可以根据实际情况进行调整，以上仅仅给出了通常情况下的优选范围，并不对本发明的保护范围进行限制。所述强化传热元件的旋转角对管内流体旋转流的程度有影响，在相同扭曲比的前提下，旋转角度越大，流体的切向速度就越大。但是本发明并不限于上述旋转角度的值，任何适用的旋转角度值都可以用在本发明中。

在强化传热管1内设置有多个扭曲片，多个扭曲片3沿轴向方向均匀间隔布置，这样分段地不断将管内的流体从活塞流变为旋转流，提高传热效率。多个扭曲片3之间的间隔距离优选为大于等于15D且小于等于75D，更优选为大于等于25D且小于等于50D。

对于乙烯裂解炉来说，由于反应过程中压力对于最终产品的收率有着很大的影响，换句话说，低压条件有利于提高最终产品的收率，因此对于压降的控制非常重要。在换热管上设置本发明提供的优选参数的扭曲片时，能够更有效地控制压降，从而能够实现传热效率高的同时，最终产品的收率高。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。