晨怡热管  哈尔滨晨怡热管技术有限公司  晨怡热管技术研究所

晨怡热管 长岭炼化公司设备研究所 周丽纯 刘群 颜祥富 2007-12-26 15:36:55

摘  要  碳钢-水热管在使用过程中不凝气的积聚是常见的问题。通过近两年的研究，成功地研制出一种既适合于中温又适用于常温的不凝气抑制剂。工业应用表明，其寿命比普通热管提高两倍以上，节能效果明显。

关键词  热管  不凝气  抑制剂  研究  应用

1  前言

    八十年代以来，由于热管技术的高速发展，热管换热器在工业上得到了广泛的使用 ，而碳钢-水热管因其具有制造成本低、制造工艺简单、换热能力大、阻力小、可靠性高、修复方便、适应温度范围广等一系列优点，受到用户的普遍关注。然而，早期的碳钢-水热管使用寿命不足半年，无法满足工业应用的要求，为此，国内外的科研人员一直在探究一种较好的解决办法。目前，在对付碳钢-水热管不相容的问题上，一般采用如下的方法：

（1）在碳钢管内壁用化学液钝化，使之产生一层四氧化三铁钝化膜；
（2）工质中添加氧化型缓蚀剂；
（3）在冷凝端安装排气阀，定期地排放不凝气体；
（4）高温蒸汽表面钝化，生成致密的兰色四氧化三铁钝化膜；
（5）氧化除氢技术。以上方法一般是几种联用，这些延寿方法的应用，使得目前的碳钢-水热管的寿命在2～3年左右，但仍不能满足工业应用的要求。

    鉴于化学钝化膜不稳定、排放法操作不易控制、高温蒸汽钝化所需场地设备及投资较大，我们认为最好的热管延寿方法应为化学钝化、缓蚀剂及氧化除氢技术的配合使用。现有的氧化除氢技术应用已有多年，在热管延寿方面作出了不小的贡献，但它所要求的反应温度使它的应用领域受到一定的限制，尤其在石化系统。目前石化行业应用热管最多的是工艺加热炉的空气预热器，而加热炉的排烟温度在170～180℃左右，空气入口温度平均20℃左右，这样出口处管内工质的温度一般都在100℃以下，现有的氧化除氢技术满足不了石化行业应用的要求。针对上述问题，研制一种既能在中温下又能在常温下有效地抑制热管内不凝气体的抑制剂，将大大提高钢水热管的工作可靠性和使用寿命。为此，我们开始进行了这一实用技术的开发及应用研究，并已取得了满意的效果。

2. 抑制剂的反应机理

    抑制剂由电极电位为正值的多种氧化剂复合而成，这些物质具备以下性质：

（1）在碳钢-水热管的正常工作温度（工质最高温度≯250℃）下不会自行分解，但容易被还原；
（2）还原后的产物无腐蚀、无毒；
（3）成本低，存在量大，不与水蒸汽起反应。

    针对已有的氧化除氢剂反应速度慢、起始温度高等不足，本抑制剂采用了催化反应技术。在未引入催化剂之前，所研制的抑制剂起始温度要90℃左右，在抑制剂内添加了优选出的高效催化剂后，反应温度降至常温，反应速度提高数倍。反应后产物无毒、无腐蚀，能与管壁和水很好相容。

3.  试验研究情况

3.1 热态强化试验

    用添加有抑制剂的长效钢—水热管与普通热管进行热态强化传热性能对比试验，根据热管表面温度的变化情况判断其效果。

（1）试验方法
     试验炉升温至试验温度后，将热管插入，热管温度稳定1小时后开始采用红外测温仪和热像仪测热管表面温度，测试点从顶端焊缝处开始每10cm布一个测点，共6个。根据各测试点温度的变化情况，判断抑制剂对不凝气的抑制效果。
（2）试验结果：
试验不同时期热管表面热成像见图1、图2，低温、高温热管试验始末端温差趋势见图3、图4。

图1    试验启动时红外热像图	图2    试验结束时红外热像图
图2    试验启动时红外热像图	图3    试验结束时红外热像图

 

图4    热管低温试验始末端温差趋势图

图5     热管高温试验始末端温差趋势图

由图1、图2红外热成像图片可看到，长效钢—水热管在运行过程中始末端温度无明显变化，而普通热管端部出现明显的不凝气聚集区，两种热管等温性能相差明显。再从图3、图4来看，低温段试验启动时，长效钢—水热管始末点温差为8℃，普通热管温差为10℃，二者相差不大。运行约70小时后，普通热管始末端两点温差达到最大值51℃，其后基本趋于稳定；而长效钢—水热管在整个试验过程中，始末端温差在8～10℃范围内波动，无明显变化。高温段试验是在低温段试验进行到热管始末端温差趋于稳定的基础上再升炉温进行的。从96小时的高温段试验结果看，长效钢—水热管始末端温差在4～6℃，而普通热管始末端温差35℃左右，且二温差的变化区间均不大。

从以上两种不同的图谱所得结果可以得到两个结论：

①所添加的抑制剂对冷端不凝气有很好的抑制效果；
②热管内积聚的不凝气大部分是在启动初期形成的，与温度有一定的关系，但与时间无关。

3.2 工业应用情况

目前，长效钢—水热管技术已在长岭分公司铂重整进行工业应用研究。在2003年度大检修中，对铂重整炉701、501需更新热管全部采用长效钢—水热管，而对炉501 部分需修复的143支热管，有59支采用普通热管生产的方法修复，另84支热管采用长效钢—水热管的生产方法修复，用两种不同的修复方法考察长效钢—水热管工业应用对比效果。
从炉701工业应用台位运行一个月后的测试数据看，运行效果很好，在热管支数比前一周期少10%的情况下，热风温度较前一周期高出20℃左右，取得了很好的节能效果，工业应用测试数据见表1。

表1         热管预热器监测数据表         时间  2003.06.12

测试项目		前周期开工初期监测数据	本周期开工监测数据
炉701	烟气入口温度℃	222	237
	烟气出口温度℃	177	184
	空气入口温度℃	32	29
	空气出口温度℃	85	108
瓦斯量（Nm3/h）		750	629
热管数量（支）		113	100

 运行10个月后，该炉子因停工改造，我们对热管进行了检查。将平时检测中冷端顶部温度相对较低的热管全部拔出，采用重力摇法进行检查，结果表明：除一支因基管本身材质质量原因导致真空度失效外，其余均能摇响，说明管内真空度较高。同时，我们对去年一起生产的另外100支未投用热管进行了检查，无一例失效。这是我公司自使用热管空气预热器以来，热管投用近一年，没有一支热管失效（因不凝气引起）是前所未有的，收到了极好的效果。

从炉501运行初期及运行6个月后的数据对比发现：采用长效钢—水热管生产方法修复的热管，冷端顶部温度一直处于较高温度，只有约6%左右略有下降；而采用普通方法修复的热管，冷端顶部温度有66%的温度下降，平均温度降幅为63℃，即大部分在端部有不凝气积聚，二者对比效果非常明显，测试结果见表2

表2   两种不同方法修复的热管测试数据对比表   单位 （℃）

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
9	79	149	148	157	144	152	139	143	154	149	90	85	81	67
10	161	163	158	156	166	148	158	158	142	163	166	162	148
11	91	174	103	93	177	83	166	173	62	76	167	102	175	169
12	181	175	181	175	154	168	178	78	173	182	163	182	186
13	164	198	124	104	96	85	91	175	83	178	99	168	116	86
14	178	200	185	114	99	187	156	193	183	183	199	199	195
15	175	112	133	175	117	101	101	106	96	183	97	97	193	101
16	196	211	210	218	201	204	206	104	91	128	89	200	196
17	171	200	215	221	216	220	108	204	214	204	220	209	176	163
18	189	217	231	226	216	219	214	222	223	218	223	196	168

注：上表数据为运行6个月后的测试数据，黑体数据为普通钢—水热管冷端顶部温度，其余为新型长效钢—水热管冷端顶部表面温度

4  结论
4.1  用该技术生产的长效钢—水热管，在试验室条件下，使用寿命较普通热管提高两倍以上，其性能已基本达到铜材的效果，但成本较铜材大幅降低；
4.2  工业应用节能效果明显，在相同热管数量下，热风平均温度提高20℃以上；
4.3 新生产的热管使用近一年，无一支热管因产生不凝气而失效；
4.4 修复热管使用半年后热管冷端顶部温度普通热管有66%的下降，温度平均降幅为63℃，而长效钢—水热管只有6%略有下降，其对不凝气的抑制效果非常明显。

参考文献
1. 庄骏，张红.  热管计算及其工程应用  北京  化学工业出版社  2000年6月
2. 天大物理化学校研室  物理化学  北京  人民教育出版社  1983年4月
3. 杨文治.  电化学基础  北京  北京出版社  1982年2月
4. 上海轻工业专科学校.  电化学  上海  上海科技出版社  1978年8月
5. 吴仲大.  理论电化学  北京  高等教育出版社  1982年7月

 

注：本文发表于《2004年国际热管会议论文集》

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