一种蒸汽发生器

摘要

本发明公开了一种蒸汽发生器，以解决现有的蒸汽发生器所存在的固定端管板经常出现开裂的问题。本发明的主要特征在于，在固定端管板(8)的管板壳程侧面上设有成排排列的凸台(10)，凸台(10)的形状为直三棱柱、直四棱柱、三棱台或四棱台。凸台(10)的高度为2～10毫米；下底面分别相应地为三角形或四边形，边长为3～10毫米。相邻两排凸台(10)之间形成凹槽，凹槽底部的宽度为1～7毫米。本发明可用于石油化工行业的多种工艺过程，例如常减压蒸馏、流化催化裂化，利用高温工艺介质的热能发生水蒸汽。

权利要求

1.一种蒸汽发生器，包括壳体(7)、管箱(6)，壳体(7)与管箱(6)之间设有固定端管板(8)，壳体(7)内设有换热管(1)，与固定端管板(8)相连，壳体(7)上设有壳程入口管(2)和壳程出口管(3)，管箱(6)上设有管程入口管(4)和管程出口管(5)，其特征在于：在固定端管板(8)的管板壳程侧面(81)上设有成排排列的凸台(10)，凸台(10)的形状为直三棱柱、直四棱柱、三棱台或四棱台，凸台(10)的高度h为2～10毫米，下底面分别相应地为三角形或四边形，边长为3～10毫米，相邻两排凸台(10)之间形成凹槽，凹槽底部的宽度s为1～7毫米。

2.根据权利要求1所述的蒸汽发生器，其特征在于：凸台(10)的高度h为3～5毫米，三角形或四边形下底面的边长为3～5毫米，相邻两排凸台(10)之间所形成的凹槽底部的宽度s为1～3毫米。

3.根据权利要求1或2所述的蒸汽发生器，其特征在于：凸台(10)的形状为直三棱柱，在管板壳程侧面(81)上呈三角形网格排列。

4.根据权利要求1或2所述的蒸汽发生器，其特征在于：凸台(10)的形状为直四棱柱，下底面的形状为菱形、长方形或正方形，在管板壳程侧面(81)上分别相应地呈菱形、长方形或正方形网格排列。

5.根据权利要求1或2所述的蒸汽发生器，其特征在于：凸台(10)的形状为三棱台，在管板壳程侧面(81)上呈三角形网格排列，三棱台形凸台(10)的侧面与下底面之间的夹角大于等于30度、小于90度。

6.根据权利要求5所述的蒸汽发生器，其特征在于：三棱台形凸台(10)的侧面与下底面之间的夹角为60度。

7.根据权利要求1或2所述的蒸汽发生器，其特征在于：凸台(10)的形状为四棱台，下底面的形状为菱形、长方形或正方形，在管板壳程侧面(81)上分别相应地呈菱形、长方形或正方形网格排列，四棱台形凸台(10)的侧面与下底面之间的夹角大于等于30度、小于

90度。

8.根据权利要求7所述的蒸汽发生器，其特征在于：四棱台形凸台(10)的侧面与下底面之间的夹角为60度。

说明书

一种蒸汽发生器

技术领域

[0001] 本发明属于石油化工传热设备领域，涉及一种蒸汽发生器。

背景技术

[0002] 在石油化工行业中，利用高温工艺介质的热能发生水蒸汽的换热器通常称为蒸汽发生器。冷流介质为水，加热后产生水蒸汽。目前在很多炼油厂使用的蒸汽发生器，一般为浮头式管壳式换热器结构；包括壳体、管箱，壳体与管箱之间设有固定端管板。固定端管板的材料一般为碳钢或低合金钢，管板壳程侧面与管板管箱侧面均为平面。蒸汽发生器的壳体内设有换热管，与固定端管板相连(一般为胀接加焊接)；换热管的材料一般为碳钢。壳体上设有壳程入口管和壳程出口管，管箱上设有管程入口管和管程出口管。参见图1，蒸汽发生器的操作过程是：高温工艺介质(通常是温度为320～400℃的液相烃油)走管程，由管箱上部的管程入口管进入换热管；换热后温度降至270℃左右，由管箱下部的管程出口管排出。发生蒸汽的水(来自设于蒸汽发生器上方的汽包中的饱和水)走壳程，水由蒸汽发生器壳体下部的壳程入口管进入壳程，经过换热，产生的水蒸汽与水的混合物由壳体上部的壳程出口管排出，进入设于蒸汽发生器上方的汽包进行汽—水分离。蒸汽发生器发生的水蒸汽，通常是压力等级为3.5～4.2MPa(表压)的中压饱和蒸汽。在上述的操作过程中，由于高温工艺介质的温度较高，并且所发生水蒸汽的压力较高，所以固定端管板的设计厚度较厚(厚度一般为几十毫米至300毫米)。在实际操作过程中发现，固定端管板经常出现开裂情况，造成壳程侧的水进入管箱，使高温工艺介质带水，影响正常生产。

[0003] 分析固定端管板出现开裂的原因，从以下两个方面考虑。①蒸汽发生器的沸腾传热机理。蒸汽发生器的产汽传热过程属于泡核沸腾模型所描述的沸腾机理，该过程简单描述为：管板壳程侧面(加热壁面)出现过热点，从而存在过热度。在该过热点处被加热的饱和水产生一个蒸汽泡核，蒸汽泡核一旦形成便会长大，形成汽泡。蒸汽汽泡与管板壳程侧面存在的极薄的液体微层迅速汽化，产生十分显著的“界面汽化热阱效应”，使蒸汽汽泡处的管板壳程侧面温度迅速降低。当汽泡长大到所受浮力大于水的表面张力时，就会脱离管板壳程侧面，原汽泡处的管板壳程侧面温度迅速回升至壳程水的温度。当过热点的过热度满足蒸汽泡核产生的条件时，下一个蒸汽泡核又会重新产生，并长大成为汽泡。②固定端管板与换热管的连接结构。换热管一般采用转角正方形排列。换热管与固定端管板的连接，通常采用“胀接加焊接”的工艺。该工艺在固定端管板上加工出管板连接孔，将换热管的端部放入管板连接孔内；先在管箱侧对每根换热管与管板连接孔进行胀接，然后在管板管箱侧面将每根换热管与固定端管板进行焊接。

[0004] 从以上两个方面考虑，对蒸汽发生器固定端管板出现开裂的原因进行如下具体分析。①换热管与管板连接孔进行胀接加工后，两者在固定端管板的管板壳程侧面上不可避免地存在毫米级的“环形凹槽”，参见图2。环形凹槽的深度和端口宽度大约均为1～2毫米。由于环形凹槽的存在和换热管的高传热强度(相对于厚壁的固定端管板)，使环形凹槽及其附近区域成为沸腾传热的蒸汽泡核反复发生的区域。②换热管采用转角正方形排列，相邻换热管的间距较小。例如，对于外径为φ25毫米、壁厚为2.5毫米的换热管，管心距通常为32毫米；外径为φ19毫米、壁厚为2毫米的管，管心距通常为25毫米。非标准的蒸汽发生器，相邻换热管的间距虽然可以大一些，但仍然是比较小的。由于相邻换热管的间距较小，使固定端管板的管板壳程侧面和相邻换热管之间形成的汽泡(主要是环形凹槽及其附近区域生成、长大的汽泡)嵌于相邻的换热管之间，脱离困难；需要形成更大的汽泡、受到更大的浮力才可与管板壳程侧面脱离，造成汽泡停留时间过长。在界面汽化热阱效应的作用下，使管板壳程侧面上汽泡形成区域的温降更大。③汽泡脱离后，原汽泡处的管板壳程侧面温度迅速回升至壳程水的温度，经历了较大的温差变化。

[0005] 结论是，蒸汽发生器的换热管与固定端管板的管板连接孔进行胀接加工后，两者在固定端管板的管板壳程侧面上所形成的环形凹槽以及环形凹槽附近区域，存在着汽泡反复生成、长大、脱出的过程。在此过程中，固定端管板频繁经历大幅的温度升降，最终由于较大的温差交变应力的频繁作用，造成固定端管板出现疲劳开裂。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种蒸汽发生器，以解决现有的蒸汽发生器所存在的固定端管板经常出现开裂的问题。

[0007] 为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种蒸汽发生器，包括壳体、管箱，壳体与管箱之间设有固定端管板，壳体内设有换热管，与固定端管板相连，壳体上设有壳程入口管和壳程出口管，管箱上设有管程入口管和管程出口管，其特征在于：在固定端管板的管板壳程侧面上设有成排排列的凸台，凸台的形状为直三棱柱、直四棱柱、三棱台或四棱台，凸台的高度为2～10毫米，下底面分别相应地为三角形或四边形，边长为3～10毫米，相邻两排凸台之间形成凹槽，凹槽底部的宽度为1～7毫米。

[0008] 与现有蒸汽发生器固定端管板的管板壳程侧面为平面的结构相比，本发明的蒸汽发生器在固定端管板的管板壳程侧面上设置成排排列的凸台，相邻两排凸台之间形成凹槽；其作用以及可以取得的有益效果如下：可大幅降低换热管与管板连接孔胀接后在固定端管板的管板壳程侧面上所形成的环形凹槽及其附近区域汽泡产生的频率和温差交变应力，增加环形凹槽及其附近区域以外其它区域汽泡发生的频率，使管板壳程侧面的表面沸腾扰动增强。另外，汽泡长大的附着面减小，形成的汽泡较小，不易嵌于相邻的换热管之间，可提高管板壳程侧面汽泡脱离的速度和频率，减少汽泡停留时间。由于上述的原因，在固定端管板的管板壳程侧面上不易形成稳定的大汽泡，使界面汽化热阱效应显著降低。固定端管板的管板壳程侧面的温降以及温度变化幅度变小，温差交变应力的大小和频率可减小至固定端管板材料允许的范围，从而避免疲劳开裂，有效地解决蒸汽发生器的固定端管板出现开裂的问题，满足蒸汽发生器长周期安全运行的要求。

[0009] 下面结合附图、具体实施方式和实施例对本发明作进一步详细的说明。附图、具体实施方式和实施例并不限制本发明要求保护的范围。

附图说明

[0010] 图1是蒸汽发生器的局部结构示意图，示出了与本发明相关的部分。

[0011] 图2是图1中的I部放大图。

[0012] 图3是本发明蒸汽发生器的固定端管板以及与其相连的换热管，沿固定端管板厚度方向的局部剖视图。

[0013] 图4至图7，均是图3中的A向视图，即固定端管板的管板壳程侧面的局部正视图；其中：

[0014] 图4所示凸台的形状为四棱台，下底面的形状为正方形，在管板壳程侧面上呈正方形网格排列。

[0015] 图5所示凸台的形状为四棱台，下底面的形状为长方形，在管板壳程侧面上呈长方形网格排列。

[0016] 图6所示凸台的形状为四棱台，下底面的形状为菱形，在管板壳程侧面上呈菱形网格排列。

[0017] 图7所示凸台的形状为三棱台，在管板壳程侧面上呈三角形网格排列。

[0018] 图1至图7中，相同附图标记表示相同的技术特征。

具体实施方式

[0019] 参见图1，本发明所涉及的蒸汽发生器，包括壳体7、管箱6，壳体7与管箱6之间设有固定端管板8。壳体7内设有换热管1，与固定端管板8相连。壳体7上设有壳程入口管2和壳程出口管3，通常分别位于壳体7的下部和上部。管箱6上设有管程入口管4和管程出口管5，通常分别位于管箱6的上部和下部。蒸汽发生器的上方设有汽包，图1中未示出。
蒸汽发生器的操作过程，见本说明书“背景技术”部分的说明。图1中，以未注明附图标记的实心箭头表示高温工艺介质的流动方向，空心箭头表示发生蒸汽的水以及水蒸汽与水的混合物的流动方向。

[0020] 换热管1与固定端管板8的连接，通常采用“胀接加焊接”的工艺。该工艺在固定端管板8上加工出管板连接孔，将换热管1的端部放入管板连接孔内；先在管箱6侧对每根换热管1与管板连接孔进行胀接，然后在管板管箱侧面82将每根换热管1与固定端管板8进行焊接。现有的蒸汽发生器，固定端管板8的管板壳程侧面81与管板管箱侧面82均为平面，如图1、图2所示。换热管1与固定端管板8上的管板连接孔进行胀接加工后，两者在固定端管板8的管板壳程侧面81上会存在毫米级的环形凹槽9，参见图2。环形凹槽9的深度和端口宽度大约均为1～2毫米。关于在环形凹槽9及其附近区域汽泡的生成、长大、脱出的过程，以及在此过程中造成的固定端管板8的开裂，详见本说明书“背景技术”部分的说明。

[0021] 参见图3至图7，本发明的蒸汽发生器，在固定端管板8的管板壳程侧面81上设有成排排列的凸台10。固定端管板8的管板管箱侧面82仍为平面，与图1所示的相同。凸台10的形状为直三棱柱、直四棱柱、三棱台或四棱台。凸台10的高度h一般为2～10毫米(参见图3)，下底面分别相应地为三角形或四边形，边长a一般为3～10毫米(参见图4至图7)。各种形状凸台10的下底面均位于固定端管板8上。相邻两排凸台10之间形成凹槽，凹槽底部的宽度s一般为1～7毫米。

[0022] 凸台10的高度h最好为3～5毫米，三角形或四边形下底面的边长a最好为3～5毫米，相邻两排凸台10之间所形成的凹槽底部的宽度s最好为1～3毫米。

[0023] 凸台10的形状为直三棱柱时，在管板壳程侧面81上呈三角形网格排列。凸台10的形状为正三棱柱时，下底面为等边三角形，在管板壳程侧面81上呈等边三角形网格排列。附图省略，可参照图7。

[0024] 凸台10的形状为直四棱柱时，下底面的形状一般为平行四边形，在管板壳程侧面81上呈平行四边形网格排列。例如下底面的形状为菱形、长方形或正方形，在管板壳程侧面
81上分别相应地呈菱形、长方形或正方形网格排列。附图省略，可参照图4至图6。

[0025] 凸台10的形状为三棱台时，在管板壳程侧面81上呈三角形网格排列，参见图7。三棱台形凸台10的侧面与下底面之间的夹角大于等于30度、小于90度。单个的三棱台形凸台10，三个侧面与下底面之间的夹角可以相同也可以不同。三棱台形凸台10的侧面与下底面之间的夹角最好为60度。三棱台为正三棱台时，下底面为等边三角形，在管板壳程侧面81上呈等边三角形网格排列；图7所示的即是这种情况。正三棱柱形凸台10的排列方式也可参照图7。

[0026] 凸台10的形状为四棱台时，下底面的形状一般为平行四边形，在管板壳程侧面81上呈平行四边形网格排列。例如下底面的形状为菱形、长方形或正方形，在管板壳程侧面81上分别相应地呈菱形、长方形或正方形网格排列。图4所示四棱台形的凸台10，下底面的形状为正方形，在管板壳程侧面上呈正方形网格排列。下底面的形状为正方形的直四棱柱形的凸台10，其排列方式也可参照图4。图5所示四棱台形的凸台10，下底面的形状为长方形，在管板壳程侧面上呈长方形网格排列。下底面的形状为长方形的直四棱柱形的凸台10，其排列方式也可参照图5。图6所示四棱台形的凸台10，下底面的形状为菱形，在管板壳程侧面上呈菱形网格排列。下底面的形状为菱形的直四棱柱形的凸台10，其排列方式也可参照图6。四棱台形凸台10的侧面与下底面之间的夹角大于等于30度、小于90度。单个的四棱台形凸台10，四个侧面与下底面之间的夹角可以相同也可以不同。四棱台形凸台
10的侧面与下底面之间的夹角最好为60度。四棱台为正四棱台时，下底面为正方形，在管板壳程侧面81上呈正方形网格排列；图4所示的即是这种情况。

[0027] 本发明要求，在同一排凸台10中，相邻两个凸台10下底面几何中心的间距小于等于相邻两根换热管1外壁之间的最小间距。除此之外，本发明对于所述几种形状凸台10的高度h、凸台10三角形或四边形下底面的边长a、三棱台和四棱台形凸台10的侧面与下底面之间的夹角以及相邻两排凸台10之间所形成的凹槽底部的宽度s，可在给定的数值范围内，在满足对凸台10所提出的几何形状和排列要求、换热管的尺寸及排列能够允许的情况下，任意进行选取并进行组合；各条凹槽底部的宽度s可以相等也可以不相等；本发明对此无严格要求。

[0028] 多个凸台10分散于固定端管板8的管板壳程侧面81上，成排排列(即按上述的三角形、菱形、长方形或正方形等网格排列)，排列规则。为降低加工成本，凸台10一般是在固定端管板8的整个平面形的管板壳程侧面上通过铣削加工而成；铣刀沿相当于相邻两排凸台10之间所形成凹槽的方向进行金属切削，剩余部分即为成排规则排列的凸台10。实际上凹槽为铣刀的走刀方向。通过选取不同形状和尺寸的铣刀以及选取切削方向，可以比较容易地加工出具有本发明所要求形状和尺寸、按各种网格排列的凸台10。凸台10按不同形状的网格排列，多条凹槽也形成相应网格形状的凹槽网。由于凸台10是分散的，相邻两排凸台10之间所形成的凹槽实际上不是由连续表面组成的。为便于铣削加工，才将凸台10设计为成排规则排列。同理，对于多个三棱台和四棱台形的凸台10，同一条凹槽一侧、与凹槽相邻的各侧面与各自所处的凸台10下底面之间的夹角，应设计成相同。凸台10的形状和尺寸、各条凹槽底部的宽度s，一般设计成相同。

[0029] 最好是采用正三棱柱、正三棱台、正四棱柱或正四棱台形的凸台10，在管板壳程侧面81上分别相应地按等边三角形或正方形网格排列，各条凹槽底部的宽度s相等；这样最便于加工。

[0030] 本发明蒸汽发生器在固定端管板8的全部管板壳程侧面81上加工出凸台10后，再从管板管箱侧面82(平面形)一侧开始，加工出管板连接孔(一般是钻孔)。之后，将换热管1的端部放入管板连接孔内；先在管箱6侧对每根换热管1与管板连接孔进行胀接，然后在管板管箱侧面82将每根换热管1与固定端管板8进行焊接。上述加工过程均与现有的蒸汽发生器相同。本发明的蒸汽发生器，换热管1与固定端管板8上的管板连接孔进行胀接加工后，两者在固定端管板8的管板壳程侧面81上同样形成毫米级的环形凹槽9(参见图3、图4)。由于凸台10的存在，环形凹槽9会变得不连续、端口不平齐；但是对于本发明而言，对此可以不予考虑。环形凹槽9端口的最高处，与各种形状和尺寸的凸台10的上底面基本上平齐。管板壳程侧面81上的凸台10，实际上分布于管板连接孔之外的全部区域(不开设管板连接孔的区域)。在图5、图6和图7中，仅示出几种形状的凸台10及其在管板壳程侧面上的排列情况，未示出图3、图4中的换热管1和环形凹槽9。

[0031] 本发明蒸汽发生器在固定端管板8的管板壳程侧面81上加工出凸台10后，在蒸汽发生器组装、制造时，固定端管板8可绕自身的轴心线旋转任意角度，本发明对此没有限制。

[0032] 本发明的蒸汽发生器，仅对固定端管板8的管板壳程侧面81的形状进行了改进(由平面形改为设置凸台10的形状)。除此之外，蒸汽发生器的各种结构和结构参数、制造方法、各部件的材料，以及操作过程、操作参数、所涉及的介质等，均与现有的蒸汽发生器相同，详细说明从略。

[0033] 本发明的蒸汽发生器，可用于石油化工行业的多种工艺过程，例如常减压蒸馏、流化催化裂化，利用高温工艺介质的热能发生水蒸汽，有效地避免固定端管板出现开裂。

[0034] 下面举出本发明的一个实施例。

[0035] 实施例

[0036] 某炼油厂流化催化裂化装置的油浆蒸汽发生器，投用仅1个月固定端管板就出现了开裂情况。通过几次整体更换换热管和固定端管板，均未能够解决开裂问题。该蒸汽发生器的换热管采用转角正方形排列；换热管的外径为φ25毫米、壁厚为2.5毫米，管心距为32毫米，材质为10号钢。固定端管板的厚度为170毫米，材质为16Mn的锻钢；管板壳程侧面与管板管箱侧面均为平面。操作情况如下：高温工艺介质为催化油浆，温度为330℃、压力为1.18MPa，由管程入口管进入蒸汽发生器的换热管；换热后温度降至270℃，由管程出口管排出。发生蒸汽的水来自设于蒸汽发生器上方的汽包中的饱和水(除氧水)，由壳程入口管进入壳程；经过换热，产生的水蒸汽与水的混合物由壳程出口管排出，进入汽包进行汽—水分离。蒸汽发生器发生的水蒸汽的压力等级为4.2MPa(表压)，水蒸汽与饱和水的温度为253℃。

[0037] 按本发明技术方案对该蒸汽发生器进行改造，在固定端管板的管板壳程侧面上设置凸台。凸台的形状为正四棱台，在管板壳程侧面上呈正方形网格排列(参见图4)。凸台的高度为3毫米，下底面为正方形、边长4.46毫米，四个侧面与下底面之间的夹角均为60度。相邻两排凸台之间所形成的凹槽底部的宽度为1.54毫米。凸台采用铣削加工而成。

[0038] 蒸汽发生器其余的各种结构和结构参数、各部件的材料，以及操作过程、操作参数、所涉及的介质等，均没有改变。

[0039] 改造后的蒸汽发生器经过近1年的连续使用，再未出现固定端管板开裂的情况，运行正常。