RU2028575C1

RU2028575C1 - Method of manufacture of tubular heating element

Info

Publication number: RU2028575C1
Authority: RU
Inventors: О.А. Дедов; Б.И. Белинский; Ю.П. Шевнин; С.Ю. Заводчиков; Л.И. Жукова; В.П. Винюков; А.Г. Веретенников; В.К. Голубев
Original assignee: Производственное объединение "Чепецкий механический завод"
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1990-07-25
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: manufacture of heat exchange elements. SUBSTANCE: in process of manufacture of tubular heating element from zirconium alloy, it is previously subjected to heat treatment to obtain equilibrium recrystallized structural state after which element is machined to obtain preset shape. Steel-zirconium adapters are welded to end faces of element. EFFECT: enlarged operating capabilities. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к транспортировке, очистке, переработке природного газа и нефти, содержащих в своем составе серные соединения, в частности, к производству подогревателей, конденсаторов и трубопроводов аппаратов, используемых для получения газа, конденсата, серы, бензина, дизельного или котельного топлива. The invention relates to the transportation, refining, processing of natural gas and oil containing sulfur compounds, in particular, to the production of heaters, condensers and piping apparatus used to produce gas, condensate, sulfur, gasoline, diesel or boiler fuel.

В настоящее время в составе оборудования заводов по переработке природного газа и нефти широко используются для сепарации, конденсации, очистки газа, получения серы, сероводорода аппараты типа котельных печей, теплообменников, перегревателей, конденсаторов, в которых применяются конструкции в виде труб, трубных решеток и змеевиков [1]. Currently, equipment of natural gas and oil processing plants is widely used for the separation, condensation, gas purification, sulfur production, and hydrogen sulfide devices such as boiler furnaces, heat exchangers, superheaters, condensers, which use structures in the form of pipes, tube sheets and coils [1].

Агрессивность сероводородсодержащих газов требует повышения коррозионной стойкости оборудования. В противном случае под действием образующейся серной кислоты происходит быстрое разрушение трубопроводов, что создает аварийные ситуации, приводит к незапланированным остановкам производственных процессов. The aggressiveness of hydrogen sulfide-containing gases requires an increase in the corrosion resistance of the equipment. Otherwise, under the action of the resulting sulfuric acid, rapid destruction of pipelines occurs, which creates emergency situations, leading to unplanned shutdowns of production processes.

На практике выход из строя змеевиков подогревателей и конденсаторов, работающих, например, в установке Клаусса на Астраханском газоперерабатывающем заводе, происходит в течение трех месяцев, после чего аппараты порой заменяются полностью [2]. In practice, the failure of coil heaters and condensers operating, for example, in the Clauss installation at the Astrakhan gas processing plant, occurs within three months, after which the apparatus is sometimes completely replaced [2].

Решетки, змеевики, трубопроводы конденсаторов, подогревателей отдельных аппаратов этой установки выполнены из термообработанных стальных труб различных диаметров, соединенных между собой сваркой, например змеевик серной ямы 151Т01. Lattices, coils, pipelines of condensers, heaters of individual apparatuses of this installation are made of heat-treated steel pipes of various diameters, interconnected by welding, for example, a 151T01 sulfur pit coil.

Недостатком установки является малая стойкость материалов труб к общей и питтинговой коррозии, их малое сопротивление сероводородному растрескиванию под напряжением при высоких температурах. The disadvantage of the installation is the low resistance of pipe materials to general and pitting corrosion, their low resistance to hydrogen sulfide cracking under stress at high temperatures.

В зарубежной практике предпринимаются попытки замены материалов теплообменников и других аппаратов химического машиностроения. Так отмечается, что по коррозионной стойкости в кислотах и водных средах цирконий занимает второе после тантала место в ряду редких металлов и по сравнению с танталом обладает меньшим удельным весом и меньшей стоимостью. Известно, что фирмой "Пфауленд" (США) были изготовлены теплообменники, пароструйные форсунки, вакуумные насосы из циркониевых сплавов, длительное время (более года) эксплуатировавшиеся в агрессивных средах. Там же проведена конструкция теплообменника в виде прямой трубы из циркониевого сплава с фланцем. Отсутствие сведений о марке и свойствах циркониевого сплава не дают возможности оценить пригодность использования данного теплообменника в оборудовании для переработки сероводородсодержащего газа, а также пригодность труб из данного сплава для изготовления змеевиков теплообменных аппаратов [3]. In foreign practice, attempts are being made to replace materials of heat exchangers and other chemical engineering devices. It is noted that in terms of corrosion resistance in acids and aqueous media, zirconium takes the second place after tantalum in the series of rare metals and, in comparison with tantalum, has a lower specific gravity and lower cost. It is known that the company Pfowland (USA) manufactured heat exchangers, steam jet nozzles, vacuum pumps made of zirconium alloys, which were operated in aggressive environments for a long time (more than a year). There, the heat exchanger was designed in the form of a straight pipe made of zirconium alloy with a flange. The lack of information on the brand and properties of the zirconium alloy does not make it possible to assess the suitability of using this heat exchanger in equipment for processing hydrogen sulfide gas, as well as the suitability of pipes from this alloy for the manufacture of heat exchanger coils [3].

В одном источнике указывается на принципиальную возможность применения в газопереработке стальных труб, плакированных цирконием. Однако промышленное производство плакированных циpконием стальных труб не освоено и является делом будущего [4]. One source indicates the fundamental possibility of using steel pipes plated with zirconium in gas processing. However, the industrial production of zirconium-plated steel pipes has not been mastered and is a matter of the future [4].

Сообщается также об изготовлении в Северодонецком ПО "Азот" крупногабаритного теплообменника. Нагревательный элемент данного теплообменника изготовлен путем приварки к трубным доскам прямолинейных пучков циркониевых труб диаметром 19х1,65 мм. Такой способ изготовления нагревательного элемента выбран за прототип [5]. The manufacture of a large-sized heat exchanger in Severodonetsk PO Azot is also reported. The heating element of this heat exchanger is made by welding straight tube bundles of zirconium tubes with a diameter of 19x1.65 mm to the tube boards. This method of manufacturing a heating element is selected for the prototype [5].

Недостатком такого способа является сложность изготовления элемента, невозможность получения из труб больших диаметров (например свыше 50 мм), выполненных из данного сплава, нагревателей других видов (например змеевиков) из-за нарушения сплошности трубного материала в процессе гибки и сварки отдельных участков таких теплообменников, что, в свою очередь, приводит к невозможности их эксплуатации в агрессивной среде. Трубы данного теплообменника были подвергнуты отжигу с частичной рекристаллизацией структуры, что не позволяет провести гибку труб с диаметром гиба, близким к диаметру трубы без нарушений сплошности и потери их формы. The disadvantage of this method is the difficulty of manufacturing the element, the inability to obtain from pipes of large diameters (for example, over 50 mm) made of this alloy, heaters of other types (for example, coils) due to violation of the continuity of the pipe material during bending and welding of individual sections of such heat exchangers, which, in turn, leads to the impossibility of their operation in an aggressive environment. The pipes of this heat exchanger were annealed with partial recrystallization of the structure, which does not allow bending of pipes with a bend diameter close to the diameter of the pipe without breaking the continuity and losing their shape.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей формообразования всевозможных видов нагревательных элементов из циркониевых сплавов, повышение их коррозионной стойкости, применение элементов в серийно выпускаемых теплообменниках, выполненных из стали. The aim of the invention is to expand the technological capabilities of shaping all kinds of heating elements from zirconium alloys, increase their corrosion resistance, the use of elements in mass-produced heat exchangers made of steel.

Указанная цель достигается тем, что фигурные трубопроводы, например змеевики, выполнены из термообработанных до равновесного рекристаллизованого структурного состояния труб из сплавов циркония, на входе и выходе элемента приварены сталь-циркониевые переходники. This goal is achieved by the fact that curly pipelines, such as coils, are made of heat-treated to equilibrium recrystallized structural state of pipes made of zirconium alloys, steel-zirconium adapters are welded at the input and output of the element.

Известно, что термообработка влияет на скорость коррозии циркониевых сплавов и является эффективным способом повышения их стойкости в кислотах [5] . Однако только термообработка до равновесного рекристаллизованного структурного состояния труб из циркониевых сплавов придает нагревательному элементу свойство стабильности удержания формы без возникновения больших остаточных напряжений и несплошностей в материале труб. При этом на порядок снижается скорость общей и питтинговой коррозии, а также сероводородное растрескивание под напряжением теплообменников, выполненных из циркониевых труб. Это существенно отличает заявляемый способ от всех известных ранее. It is known that heat treatment affects the corrosion rate of zirconium alloys and is an effective way to increase their resistance to acids [5]. However, only heat treatment to the equilibrium recrystallized structural state of zirconium alloy pipes gives the heating element the property of shape retention stability without the appearance of large residual stresses and discontinuities in the pipe material. In this case, the rate of general and pitting corrosion, as well as hydrogen sulfide cracking under stress of heat exchangers made of zirconium pipes, decreases by an order of magnitude. This significantly distinguishes the claimed method from all previously known.

Приварка на входе и выходе нагревательного элемента сталь-циркониевых переходников позволяет эксплуатировать нагревательный элемент в любых ранее изготовленных аппаратах, выполненных из стали, что также является существенной новизной заявляемого объекта. Welding at the inlet and outlet of the heating element of steel-zirconium adapters allows you to operate the heating element in any previously manufactured apparatus made of steel, which is also a significant novelty of the claimed object.

На фиг.1 изображен змеевик паронагревателя серной ямы. Технологией изготовления этого нагревательного элемента 1 предусматривается вакуумная термообработка до равновесного рекристаллизованного структурного состояния холоднокатаных труб из циркониевого сплава, например, марки Э-125, гибка труб по спирали и аргоннодуговая сварка их между собой. На входе и выходе нагревательного элемента к циркониевым трубам привариваются сталь-циркорниевые переходники 2, которые состыковываются со стальной трубой 3 магистрального паропровода. Нагревательный элемент помещается внутри корпуса серной ванны 4. Figure 1 shows a coil of a steam heater of a sulfur pit. The manufacturing technology of this heating element 1 provides for vacuum heat treatment to equilibrium recrystallized structural state of cold-rolled zirconium alloy pipes, for example, grade E-125, bending pipes in a spiral and argon-arc welding between them. At the inlet and outlet of the heating element, zirconium steel tubes 2 are welded to the zirconium pipes, which are joined to the steel pipe 3 of the main steam line. The heating element is placed inside the body of the sulfur bath 4.

На фиг.2 изображен подогреватель газа; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2. Figure 2 shows a gas heater; figure 3 is a section aa in figure 2.

Технологией изготовления подогревателя предусматривается вакуумная термообработка до равновесного состояния холоднокатаных труб из циркониевого сплава, гибка труб в секции, приварка к их концам сталь-циркониевых переходников, посредством которых трубы соединяются с распределительными плитами. Нагревательная сборка размещается внутри сосуда. Природный газ через штуцер 5 подается по трубам, нагревается за счет пара, подаваемого в межтрубное пространство, затем выходит на дальнейшую обработку через штуцер 6. The manufacturing technology of the heater provides for vacuum heat treatment to the equilibrium state of cold-rolled zirconium alloy pipes, bending of pipes in sections, welding of steel-zirconium adapters to their ends, through which the pipes are connected to distribution plates. The heating assembly is placed inside the vessel. Natural gas through the nozzle 5 is supplied through pipes, heated by steam supplied to the annulus, then goes to further processing through the nozzle 6.

Примером конкретного выполнения заявляемого объекта является следующее. Для серной ванны 151ТО установки У-161 Астраханского газоперерабатывающего завода, куда поступает после перегонки расплавления сера при 120^оС, был изготовлен змеевик из термообработанных до равновесного рекристаллизованного состояния труб диаметром 88 мм, толщиной стенки 4 мм из циркониевого сплава марки Э-125. Наружный диаметр змеевика около 1 м, длина 5 м, количество сборок 5 штук. Змеевик установлен в ванну для подогрева серы. Каждая сборка из циркониевого сплава была с помощью сталь-циркониевых переходников (труба диаметром 89х8 мм, сталь марки 08Х18Н10Т) соединена посредством сварки с последующей сборкой.An example of a specific implementation of the claimed object is the following. For sulfuric baths 151TO the U-161 Astrakhanskoye gas processing plant, which receives the distillation melting sulfur at ¹²⁰ ° C, the coil was made from heat-treated to equilibrium states recrystallized pipe diameter 88 mm, wall thickness 4 mm zirconium alloy brand E-125. The outer diameter of the coil is about 1 m, the length is 5 m, the number of assemblies is 5 pieces. The coil is installed in a bath for heating sulfur. Each assembly of zirconium alloy was connected using steel-zirconium reducers (pipe with a diameter of 89x8 mm, steel grade 08X18H10T) by welding and subsequent assembly.

Указанный змеевик был испытан в промышленных условиях в течение 1,5 месяцев, после чего он был извлечен из серной ванны и осмотрен. По результатам осмотра составлен акт. После осмотра змеевик вновь был помещен в серную ванну и находится в эксплуатации по настоящее время (т.к. более 9 месяцев). The specified coil was tested under industrial conditions for 1.5 months, after which it was removed from the sulfur bath and inspected. Based on the results of the inspection, an act was drawn up. After inspection, the coil was again placed in a sulfur bath and is in operation to the present (since more than 9 months).

Используемые для этих целей змеевики из стальных труб толщиной стенки 4 мм выходят из строя в течение 3 месяцев, в результате чего происходит застывание серы в яме. Это приводит к остановке установки, замене насосов, выгрузке серы. The coils used for these purposes from steel pipes with a wall thickness of 4 mm fail for 3 months, as a result of which the sulfur solidifies in the pit. This leads to a shutdown of the installation, replacement of pumps, unloading of sulfur.

В связи с положительными результатами испытаний принято решение об изготовлении и пуске в эксплуатацию в 1990 году змеевика из циркониевых сплавов. In connection with the positive test results, it was decided to manufacture and put into operation in 1990 a zirconium alloy coil.

Таким образом, изготовление и применение в конструкциях теплообменных аппаратов транспортных или нагревательных элементов из циркониевых сплавов обеспечивает значительное увеличение срока службы аппаратов при работе их в агрессивных, например сероводородсодержащих средах, что позволит дать народному хозяйству большую экономию несмотря на значительную стоимость циркониевых труб. Thus, the manufacture and use of transport or heating elements made of zirconium alloys in the designs of heat exchangers provides a significant increase in the service life of the devices when operating in aggressive, e.g., hydrogen sulfide-containing environments, which will allow the national economy to save a lot despite the significant cost of zirconium pipes.

Кроме того, повышение надежности работы теплообменных аппаратов положительно скажется на экологической обстановке из-за сокращения выбросов вредных веществ в окружающую среду. In addition, increasing the reliability of heat exchangers will positively affect the environmental situation due to the reduction of emissions of harmful substances into the environment.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING A TUBULAR HEATING ELEMENT from a zirconium alloy by preliminary heat treatment of a tubular element, characterized in that, in order to expand the technological capabilities of forming the element and increase its corrosion resistance, heat treatment is carried out until the equilibrium recrystallized structural state of the zirconium alloy is achieved, after which the tubular element is deformed until reaching the given form.

2. The method according to claim 1, characterized in that steel-zirconium adapters are welded to the ends of the deformed tubular element.