螺旋翅片管

螺旋翅片管是一種具有螺旋形翅片的高效傳熱元件。它的傳熱面積為光管的幾倍至幾十倍，能強化傳熱，降低流動阻力，減少金屬消耗量，從而提高了換熱設備的經濟性和運行可靠性。目前，螺旋翅片管已在各種鍋爐中廣泛使用。螺旋翅片管可採用多種方法製造，目前，用於鍋爐、壓力容器等換熱設備上的翅片管主要有以下幾種製造方法:高頻電阻焊螺旋翅片管、釺焊螺旋翅片管和整體螺旋翅片管。詳細介紹了螺旋翅片管的製造方法、性能評價指標、套用以及整體型螺旋翅片管的優勢等。

基本介紹

• 中文名：螺旋翅片管
• 外文名：Spiral finned tube
• 特點：節能、傳熱效率高
• 類型：換熱元件
• 領域：能源
• 學科：熱力學

基本介紹

螺旋翅片管目前已廣泛用於鍋爐省煤器、空氣預熱器和餘熱鍋爐的熱量回收以及化工、壓力容器等各個領域的換熱設備上。用在鍋爐上的機組容量也由小到大，套用正日益增多。目前國內已有多家專業製造廠可以生產高頻焊、釺焊螺旋翅片管，且翅片管生產設備和技術從引進、消化、吸收到自行開發設計、製造，質量已達到國外先進標準的要求。
採用翅片管的優點:
1)有效空間內增加了換熱面積，提高傳熱效果。
2)減小傳熱面的占用空間，使其體積減小，尤其適用於快裝鍋爐。
3)降低設備成本，提高設備的安全性。
4)由於水側壓降的降低等從而使運行成本下降。
5)翅片管剛度加大，提高了管子的抗震能力等。

製造方法

螺旋翅片管可採用多種方法製造，目前，用於鍋爐、壓力容器等換熱設備上的翅片管主要有以下幾種製造方法:

高頻電阻焊螺旋翅片管
高頻電阻焊螺旋翅片管是在被焊件中導入大功率的高頻電流，利用電流通過被焊件接頭的接觸面和鄰近區域產生的電阻熱使焊接接觸表面達到熔化或半熔化的塑性狀態，然後給焊接接觸表面施加適當的壓力，從而完成翅片管的焊接工作。

釺焊螺旋翅片管
釺焊螺旋翅片管是在被焊件之問填充一種熔點比焊接件低的一種釺料，然後加熱釺焊溫度，在焊件不熔化的情況下，釺料熔化井潤濕釺焊而，依靠被焊件接觸處的擴一散而形成釺焊接頭，從而完成螺旋翅片管的焊接。

整體螺旋翅片管
整體螺旋翅片管是採用厚壁管子(坯管)在中頻連續加熱的情況下，使管子經過擠仄、扎制而一次成型的整體螺旋翅片管，見目前最新的一種製造翅片管的方法國內某公司已經研製開發的整體螺旋翅片爸及自製的整體翅片管制造設備均已申請了專利。

性能評價指標

螺旋翅片管的主要製造方法有上述三種，為便於分析、對比，故把螺旋翅片管分為焊接翅片管(高頻焊、釺焊)和整體螺旋翅片管進行對比。

焊著率

也叫熔合率
焊著率是對翅片焊縫寬度及總長度的一個考核指標。 JB/T 6512-92《 鍋爐用高頻電阻焊螺旋翅片管制造技術條件》規定:鋼頻寬度方向的焊縫熔合率不低於80%。長度方向雖然沒有提，但可以理解為沿翅片的全長範圍內不低於 80%是合格的。
焊縫局部未熔合長度不得大於管子直徑且不大於50mm，未熔合處的數量每米不得超過2處，否則應進行補焊。

HG/T 3181-1989《高頻電阻焊螺旋翅片管》規定:實際焊縫長度的總和不小於翅片總長的90% ,焊縫的平均寬度不小於翅片寬度的80%.。
高頻電阻焊螺旋翅片管的焊著率實際可達90%-95%,釺焊螺旋翅片管的焊著率比高頻焊略高一點，但焊著率均不易檢查。

整體螺旋翅片管，顧名思義翅片的生成來源於管子，不存在翅片的焊接問題，不需進行焊著率的檢查。

焊縫抗拉強度

JB/T 6512-92規定:焊接試件的試樣抗拉強度不低於196MPa。 HG/T 3181-92對此沒有規定。

高頻電阻焊螺旋翅片管，生產廠家的焊縫抗拉強度目前已達200MPa以上，甚至300MPa以上。釺焊螺旋翅片管的焊縫抗拉強度也基本上可以達到此要求。
整體螺旋翅片管的翅片是從坯管上擠壓、軋制出來的，不存在焊縫抗拉強度問題。翅片與管子連線部位的強度等同於相應管材的抗拉強度，甚至略高。

焊後熱處理

高頻電阻焊螺旋翅片管的焊縫熱影響區很少，國外標準規定熱影響區<<0.8mm，國內一些生產廠家產品實測熱影響區小於0.5mm。故有些標準對高頻電阻焊螺旋翅片管焊後是否進行熱處理沒有規定。JB/T 6512-92標準規定:合金鋼材料的翅片管焊後應進行消除應力的熱處理。
整體螺旋翅片管的生產過程實際是對原厚壁坯管在高溫下的再一次擠壓、軋制過程，高溫下擠壓、軋製成型後，根本不需要消除應力熱處理。

傳熱效果

高頻電阻焊、釺焊螺旋翅片管的傳熱效果比光管至少提高了4倍以上。開齒形的翅片管其傳熱效果比完整形翅片更好。但應注意到翅片與管子間的焊縫其焊著率並非100%，標準規定也只有80%以上。未熔合的部分存在熱阻，會影響傳熱效果。

整體螺旋翅片管的翅片與母管100%的接觸，加上翅片根部與母管成型時的小R過渡，不僅增加了翅片的剛度和承壓能力，而且更便於熱量的傳遞，其傳熱效果比光管至少可提高5-6倍，明顯優於高頻電阻焊、釺焊螺旋翅片管的傳熱效果。

使用壽命

高頻電阻焊螺旋翅片管的焊接是在兩種金屬表面接觸處熔化的同時施加壓力，焊著率較好，焊縫金屬抗腐蝕能力比釺焊提高一倍以上，可較大地提高翅片管的使用壽命。但由於焊接不牢，長期使用易產生焊縫開裂，使翅片與管子脫開，從而影響其傳熱效率，不得不更換翅片管。

整體螺旋翅片管不存在翅片的焊接問題，不必擔心翅片腐蝕、開裂等現象發生，其傳熱效率不會因此而降低。再者，由於整體螺旋翅片管表面硬度增大，增加了翅片管的耐磨性，加之翅片根部結構特徵又便於傳熱，故整體螺旋翅片管的使用壽命等同於翅片管原材料的壽命，至少是高頻焊、釺焊螺旋翅片管使用壽命的2-3倍。

經濟性

釺焊螺旋翅片管需用第三種材料—釺料，釺焊時翅片需經冷繞、噴塗焊料、燒結等主要工序，故製造成本較高。高頻電阻焊螺旋翅片管則不需第三種材料，翅片經一次繞焊成型，故成本相對較低。高頻電阻焊、釺焊螺旋翅片管的起繞端和終止端，宜先採用手工焊接方法固定，然後才好焊接生產。
整體螺旋翅片管是採用厚壁管子經擠壓、軋制而成，無需第二種材料，省去高頻電阻焊翅片的纏繞、焊接等生產過程中的多道工序，生產效率高、成本低。此外，由於整體螺旋翅片管的翅片根部為小R圓滑過渡，便於傳熱。

技術優勢

現在使用的螺旋翅片鋼管多為纏繞式、高頻焊接式、釺焊式螺旋翅片鋼管。整體型螺旋翅片鋼管以其使用壽命長、傳熱性能穩定、節能效果明顯，成為上述三種形式螺旋翅片鋼管的更新換代產品，其優勢表現在以下方面：

1、使用壽命長，是纏繞焊接式翅片鋼管的3倍以上。

2、翅片根部與管子形成弧切、翅片表面光滑，徹底消除了其他形式翅片管由於翅片根部摺疊不平易產生的積灰、、堵灰、結渣現象。

3、採用熱滾壓軋制工藝生產，提高了金屬組織的緻密度、屈服強度、抗拉強度和耐磨損性能。
4、由於翅片與管子為一體結構並呈螺旋帶分布，因此整體型螺旋翅片鋼管的承壓能力是等壁厚同內徑無縫鋼管的3倍以上。

5、耐磨損，解決了燃煤鍋爐對流受熱面因風速高、灰濃度大磨損嚴重的問題。（特別是循環流化床鍋爐）
6、翅片與管子為一體結構，徹底消除了其他形式翅片鋼管由於翅片與管子為兩體結構所不能克服的接觸熱阻，且翅片縱剖面呈梯形結構，因此最大程度的提高了翅片換熱效率。

7、採用了整體型螺旋翅片擴展表面換熱，在同等工況下，管束的換熱係數是等壁厚同內徑無縫鋼管的3.5—5.5倍，是同規格焊接式螺旋翅片鋼管的2倍。
8、翅片與管子為一體結構，因此用於溫度高、環境惡劣的工作場合，不會發生其他形式翅片鋼管易產生的因翅片鬆弛、脫落而造成的傳熱性能不穩定現象。

開發與套用

我國對螺旋翅片管省煤器的開發與套用，始於20世紀80年代。自行設計、製造的螺旋翅片管省煤器在國產鍋爐上問世。20世紀90年代，筆者以一種翅片獨特布置的螺旋翅片管省煤器，替代引進的日本三菱產350 MW 1 160 t/h亞臨界循環鍋爐上常用的一般螺旋翅片管省煤器!zi。近年來，引進的900 MW超超臨界燃煤鍋爐也採用螺旋翅片管省煤器，並已投入運行。而鍋爐製造業，雖為國外生產螺旋翅片管省煤器，但在國產鍋爐套用方面顯得滯後。

這種新開發的螺旋翅片管省煤器已被套用與西北、華中、華南、華東、上海等市和地區的燃煤自備電廠和公用電廠，最小的鍋爐容量參數為高壓220 t/h，最大的鍋爐容量參數是為亞臨界1 160t/ h。所燃煤種是煙煤、無煙煤、煙煤和貧煤混燒、煙煤和高爐煤氣混燒，以及含灰量56%一59%的劣質煙煤l3]。

展望

目前有不少學者基於不同的研究目的，對螺旋翅片管束的結構參數進行了最佳化，但研究工作還存在以下不足，表現在:

翅片結構參數設計

當燃氣輪機排氣通過螺旋翅片管向管內蒸汽傳熱時，儘管螺旋翅片管強化了受熱面的傳熱能力，但也使管外翅片工作在惡劣的高溫環境中，使得管外螺旋翅片的溫度往往較高，可能超過材料所允許的耐溫極限，造成翅片被燒壞。對餘熱鍋爐而言，其高壓過熱器與再熱器受熱面因管外煙氣和管內工質溫度均較高，如設計時翅片高度不合理，則螺旋翅片最外端的溫度(通常稱為翅端溫度)可能超過翅片材料的允許溫度，從而導致翅片因超溫燒毀，影響餘熱鍋爐的運行可靠性。

翅片管束的結構設計

對於實際運行中的大多數翅片管束，在其設計過程中，主要採用國外引進或前蘇聯的標準計算方法，並藉助設計人員的長期設計經驗或對於一定結構的翅片管束的模化試驗結果。目前，國內尚無成熟、規範的各種翅片管束標準計算方法。此外，螺旋翅片管束的傳熱特性尚與翅片的焊接方法及焊著率有關，而國內外的翅片管焊接工藝不可避免地存在著一定的差異。上述因素限制了翅片管束布置的進一步最佳化以國產化，一定程度上影響了螺旋翅片管束的傳熱性能與成本。

螺旋鰭片管的製造工藝

儘管鋸齒型螺旋鰭片管的強化換熱效果已經得到了認同，但是由於其工藝複雜、成本高、加工設備複雜等原因一定程度上限制了該種鰭片管的發展，因此在對翅片管束的結構進行最佳化的同時也要重視對加工工藝的研究，以實現製造技術的簡單化、成本最低化和利潤最大化。

換熱係數的確定

螺旋翅片管束的結構對翅側的換熱係數有著很大的影響，其換熱係數很難從理論上完全解決，主要依賴模化實驗獲得。國內外的研究成果很多，但它們均在不同的實驗範圍內獲得，適用範圍有限。且大多數是針對螺旋翅片管束的整體傳熱特性進行研究，而對螺旋翅片管束每排管的傳熱特性研究甚少，螺旋翅片管束上的翅片溫度分布和每排管的傳熱特性密切相關，且翅片的溫度分布將直接影響翅片管束運行的可靠性。

磨損問題

在燃煤鍋爐中，翅片管束要受到吃灰對管壁的磨損，管壁磨損量的大小和煙氣流速的三次方成正比，因此合理地選擇煙氣流速，對鍋爐運行的安全性極為重要。因此在螺旋翅片管結構最佳化方面仍有大量的研究工作值得開展。

鑒於強化傳熱中流體對流換熱的複雜性，強化傳熱理論仍是一門實驗性很強的學科，完全用實驗的方法來進行結構最佳化，人力物力投資太大，某些工況甚至難以實現。隨著計算流體力學和計算傳熱學的發展，採用數值模擬的方法對鰭片管束進行研究，能夠預測各種管束結構參數對溫度場、速度場和壓力場的影響，為徹底弄清鰭片管束強化傳熱的機理，提高理論研究水平，尋求開發新的強化傳熱途徑，有必要利用數值模擬軟體對鰭片管束內流場分布和溫度場分布的情況進行比較深入的研究。

各種強化傳熱的手段都有一定的適用性，隨著設備向超大型和超細微方向的發展，原有的設計方法已經逐漸跟不上生產和科學技術發展的要求，因此在重視工程套用的同時，也不能忽視理論研究，要結合有關計算機軟體，探索出一整套普遍適用的設計方法或軟體。