大型硫磺回收裝置三合一硫冷凝器設(shè)計①

(鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315042)

隨著國家對環(huán)保要求的提高，硫磺回收單元成為煉油廠加工高硫原油環(huán)節(jié)中必不可少的環(huán)保裝置，其規(guī)模隨著原油加工量的增加而趨于大型化。硫冷凝器是硫磺回收裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，起著冷卻過程氣、分離出液硫及回收熱能的作用。其運(yùn)行工況惡劣，腐蝕問題比較嚴(yán)重，一旦發(fā)生泄漏或失效將會造成裝置非計劃停工，嚴(yán)重影響裝置長周期運(yùn)行，且給環(huán)境保護(hù)帶來壓力。

鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司采用自主的ZHSR工藝包，在硫磺回收裝置大型設(shè)備設(shè)計方面積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。硫冷凝器采用一、二、三級硫冷凝器三合一的形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、操作維護(hù)集中及投資費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。但三合一后造成設(shè)備大型化，且3臺硫冷凝器的管程均為非對稱布管，給設(shè)計和制造帶來了一定難度。文中以某10萬t/a硫磺回收裝置中的三合一硫冷凝器為例，對大型三合一硫冷凝器的設(shè)計進(jìn)行介紹。

1 三合一硫冷凝器結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

10萬t/a硫磺回收裝置中的三合一硫冷凝器(E902/E903/E904)結(jié)構(gòu)示意見圖1，布管圖見圖2。3臺硫冷凝器E902、E903、E904的管程介質(zhì)均為過程氣(H2S、SO2、H2O、COS等)，殼程介質(zhì)均為鍋爐水、蒸汽，主要操作及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2。

圖1 三合一硫冷凝器結(jié)構(gòu)示圖

圖2 三合一硫冷凝器布管圖

位號管程殼程入口溫度/℃出口溫度/℃工作壓力/MPa工作壓力/MPa工作溫度/℃E9023221700.0180.4152E9032941640.0180.4152E9042251550.0180.4152

表2 三合一硫冷凝器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

三合一硫冷凝器主要特點(diǎn)：①設(shè)備直徑大，三級管束共用管板，布管數(shù)量多且非均勻分布，每個管程換熱面積各異，且換熱管規(guī)格不一致。②3臺硫冷凝器管程介質(zhì)入口溫度逐級降低，造成三級管束的管、殼程溫差逐級遞減，前端管板產(chǎn)生徑向溫差。③前端管箱設(shè)備法蘭直徑超出常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計范疇，設(shè)計不當(dāng)易造成密封面泄漏而失效。

2 三合一硫冷凝器材料選用

根據(jù)三合一硫冷凝器的操作溫度及介質(zhì)成分可知，E902、E903入口管箱主要腐蝕為高溫硫腐蝕，E904前管箱及所有出口管箱操作溫度較低，發(fā)生高溫硫腐蝕的機(jī)率較小。殼程介質(zhì)為鍋爐水、蒸汽，其腐蝕主要表現(xiàn)為均勻腐蝕和點(diǎn)蝕，且殼程上部為蒸發(fā)空間，存在氣液兩相交界面以及鍋爐水沸騰引起的沖擊及結(jié)垢等。

硫冷凝器過程氣中雖然含有少量的水，但過程氣溫度高于低溫露點(diǎn)溫度，因此正常操作時不存在冷凝的液態(tài)水，也不應(yīng)存在露點(diǎn)腐蝕的情況。若操作工況發(fā)生波動，如短時間的流量驟減、開停工速度過快，則易造成過程氣露點(diǎn)腐蝕甚至產(chǎn)生濕H2S應(yīng)力腐蝕。文獻(xiàn)[1]對某煉油廠硫冷凝器因露點(diǎn)腐蝕造成換熱管穿孔和因濕H2S應(yīng)力腐蝕造成換熱管與管板焊縫開裂的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析。

三合一硫冷凝器選材時不僅要考慮以上腐蝕工況，還要考慮一定的工程應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性。筆者根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為采用以下選材方案比較經(jīng)濟(jì)合理：①管箱板材采用Q245R(正火)，管板材料采用Q345R(正火)鋼板，且對鋼板進(jìn)行逐張超聲檢測，按NB/T 47013.1～47013.13—2015《承壓設(shè)備無損檢測》[2]要求，Ⅱ級為合格。要求鋼板正火狀態(tài)供貨不僅可以細(xì)化晶粒組織，而且可使材料具有良好的塑性和韌性。②殼程殼體材料采用Q245R鋼板，換熱管材料采用10或20鋼管。如考慮應(yīng)力腐蝕工況，采用10鋼管更具優(yōu)勢。③一級硫冷凝器過程氣入口溫度較高，可在管板非布管區(qū)和管箱殼體內(nèi)壁設(shè)置隔熱內(nèi)襯材料，以降低殼體的平均壁溫或溫差，防止高溫硫腐蝕。

3 三合一硫冷凝器主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 管板設(shè)計

3.1.1設(shè)計難點(diǎn)

三合一硫冷凝器的管板不僅要承受殼程側(cè)鍋爐水的較高壓力，還要承受管程側(cè)高溫?zé)煔獾臎_擊以及管、殼程溫差帶來的熱應(yīng)力。為提高管板的強(qiáng)度和剛度來滿足一定的承壓能力，需要增大管板的厚度，但增大管板的厚度會增加管板內(nèi)部沿著厚度方向的熱應(yīng)力，給管板的承載帶來不利影響。

三合一硫冷凝器直徑超大，布管非對稱且不均勻。三級管程入口溫度差異較大，造成了管板的水平徑向溫差。且殼程存在蒸發(fā)空間，使殼程側(cè)管板上半部分處于氣相空間，管板布管區(qū)處于鍋爐水液相空間，而氣、液相的對流傳熱系數(shù)相差較大，造成管板氣、液交界面部分存在較大的溫度梯度，給三合一硫冷凝器管板的設(shè)計和計算帶來了一定難度。

3.1.2結(jié)構(gòu)形式

目前國內(nèi)外常見的硫冷凝器管板結(jié)構(gòu)形式一般為折邊撓性薄管板或焊接式拉撐平管板，見圖3。

圖3 國內(nèi)外常見硫冷凝器管板結(jié)構(gòu)形式

制造折邊撓性薄管板需定制專用模具進(jìn)行壓制，相對焊接式拉撐平管板，制造工藝復(fù)雜且費(fèi)用較高。但在承受較大溫差載荷時，折邊撓性薄管板相對焊接式拉撐平管板具有更好的柔性，在受力上具有優(yōu)越性，且折邊撓性薄管板與筒體的連接焊縫為B類焊接接頭，有利于進(jìn)行射線檢測。焊接式拉撐平管板如采用圖3b所示的鎖底接頭結(jié)構(gòu)，進(jìn)行傳統(tǒng)的超聲檢測將存在一定的困難，一般只能進(jìn)行表面檢測，難以保障管板與筒體環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。焊接式拉撐平管板如采用圖3c所示的對接接頭形式，需采用氬弧焊打底的單面全焊透結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間有限，也較難采用射線檢測，一般采用可記錄的超聲檢測加表面檢測來保證此環(huán)焊縫的質(zhì)量。

三合一硫冷凝器管板直徑達(dá)到了4 000 mm時，如采用折邊管板，制造上存在一定困難，成本也會大幅上升。而三合一硫冷凝器管、殼程溫差相對較小，沒有必要采用高成本的折邊撓性薄管板結(jié)構(gòu)。此外，三合一硫冷凝器前、后管箱各通過2塊分程隔板分隔成三管程，如采用折邊撓性薄管板結(jié)構(gòu)，則會因?yàn)楸」馨宓淖冃味绊懜舭宓拿芊?，造成工藝過程氣串漏。從工程可行性和經(jīng)濟(jì)方面考慮，最終采用了圖3c所示的對接接頭焊接式拉撐平管板結(jié)構(gòu)，目前已在多套大型硫磺回收裝置中得到了很好的應(yīng)用。

3.1.3厚度計算

目前國內(nèi)外對管板的設(shè)計計算方法大致分為兩種。一種是彈性基礎(chǔ)上的當(dāng)量實(shí)心板理論，該理論以等效彈性常數(shù)概念為基礎(chǔ)，把管板布管區(qū)簡化為受管束彈性支撐的、受開孔均勻削弱的不開孔當(dāng)量實(shí)體板。大多數(shù)國家的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如ASME BPVC.Ⅷ.1—2017《壓力容器建造規(guī)則》[3]、GB/T 151—2014《熱交換器》[4]以及BS PD 5500—2015《非直接火焊接壓力容器》[5]等都采用了這種理論，該理論主要應(yīng)用于管殼式熱交換器的設(shè)計。

另一種管板設(shè)計計算方法為基于光板的彎曲理論，該理論是一種基于局部彎曲的粗略經(jīng)驗(yàn)方法，它將與管板連接的剛性較大的元件，如角撐板、斜拉桿、拉撐管、鍋殼和直拉桿等看作對管板有支撐作用的支撐點(diǎn)或支撐線(圓)，通過2個或2個以上的支撐點(diǎn)、線、圓畫出當(dāng)量圓，并用光板彎曲理論分別計算出各當(dāng)量圓所需壁厚，取其中的最大值作為整個管板的壁厚[6]，用各支撐部件周邊當(dāng)量圓的圓心連線圍成的面積計算支撐部件所需的截面積。該理論主要應(yīng)用于薄型管板的強(qiáng)度設(shè)計，如鍋殼鍋爐、管殼式廢熱鍋爐或蒸汽發(fā)生器等。AD 2000規(guī)范《壓力容器技術(shù)規(guī)則》[7]和GB/T 16508.3—2013《鍋殼鍋爐 第3部分：設(shè)計與強(qiáng)度計算》[8]等規(guī)范采用了這種設(shè)計方法。GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[9]中5.12也引入了拉撐平板的結(jié)構(gòu)，其制定主要參考了ASME VIII-1 中UG47、UG48、UG50、UW19的相關(guān)內(nèi)容，另外還參考了JIS B8276—1993《壓力容器拉撐所支撐的板》[10]和《鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定》[11]的相關(guān)內(nèi)容[12]。GB/T 151—2014中附錄L和附錄M也分別引入了拉撐管板和撓性管板的設(shè)計計算方法，主要參照了AD 2000規(guī)范、SH/T 3158—2009《石油化工管殼式余熱鍋爐》[13]、GB 16508—2013等標(biāo)準(zhǔn)，但是其對管、殼程設(shè)計壓力，溫度，直徑范圍以及換熱管的長度做出了限制[14]。

三合一硫冷凝器的參數(shù)超出了GB/T 151—2014附錄L中所列出的直徑和溫度范圍的限制要求，且GB 150.1～150.4—2011、GB/T 151—2014和SH/T 3158—2009中給出的拉撐件形式單一，不能滿足三合一硫冷凝器的使用要求。為此，筆者參照了GB/T 16508.3—2013中薄管板的計算方法，很好地解決了實(shí)際工程問題。

三合一硫冷凝器非布管區(qū)面積較大，因此非布管區(qū)的當(dāng)量圓也較大，根據(jù)光板彎曲理論計算的管板厚度會較厚，可在非布管區(qū)設(shè)置拉撐件，以減小當(dāng)量圓的直徑。拉撐件應(yīng)盡量均勻布置，使被拉撐的面積盡可能相同，并對拉撐件進(jìn)行校核。按圖2所示，在非布管區(qū)分別設(shè)置6塊角撐板、12根拉撐桿，并使每個管程的最上一排換熱管兼做拉撐管。根據(jù)支點(diǎn)線畫出最大當(dāng)量圓直徑，根據(jù)當(dāng)量圓直徑計算出管板的最小壁厚，計算公式為[8]：

(1)

其中

[σ] =η[σ]j

(2)

式中，δ為管板名義厚度，de為當(dāng)量圓直徑，mm；K為管板支撐點(diǎn)系數(shù)，是根據(jù)不同支撐點(diǎn)形式取得的算術(shù)平均值；p為計算壓力，[σ]j為許用應(yīng)力，MPa；η為修正系數(shù)。

根據(jù)式(1)和式(2)計算得出的三合一硫冷凝器管板所需最小厚度僅19.84 mm，但考慮管板直徑較大，溫度場分布較為復(fù)雜，選取管板厚度時不僅要考慮一定的剛度，還應(yīng)考慮管頭脹接和焊接的需要。

根據(jù)GB/T 151—2014附錄B計算時，一級硫冷凝器E902管、殼程平均溫差不大于30 ℃，應(yīng)考慮溫差熱應(yīng)力帶來的影響，管板應(yīng)具有一定的撓性。三級硫冷凝器E904管、殼程平均溫差約10 ℃，基本可以忽略溫差應(yīng)力，以承載內(nèi)壓為主，主要考慮管板具有一定的剛性。二級硫冷凝器E903介于兩者之間。筆者認(rèn)為，大型三合一硫冷凝器管板受力狀態(tài)應(yīng)介于薄管板與剛性厚管板之間，同時管板還需保持一定的剛度用于控制管板的變形量，以避免因管板變形過大影響隔板的密封效果?？紤]各因素，最終管板厚度選取為60 mm。

3.2 管頭設(shè)計

三合一硫冷凝器管頭連接方式的設(shè)計非常重要，因?yàn)楣茴^的焊縫不僅要承受管、殼程壓力和溫差熱應(yīng)力帶來的附加拉脫力，還要經(jīng)受住高溫?zé)釠_擊帶來的高溫硫腐蝕或可能出現(xiàn)的低溫露點(diǎn)腐蝕和濕硫化氫應(yīng)力腐蝕。一旦某個管接頭發(fā)生泄漏，殼程側(cè)中壓鍋爐水就會大量進(jìn)入管程與過程氣中的SO2或SO3形成硫酸或稀硫酸，造成更大面積的管頭腐蝕或換熱管穿孔。單質(zhì)硫還會冷凝成固體硫磺堵塞熱交換器管頭，造成非計劃停工。即使及時停工檢修，焊縫也已經(jīng)受到大量硫腐蝕及硫滲透，焊接性能變差，補(bǔ)焊難度大，造成焊接質(zhì)量較差，裝置開工不久后焊縫又重新開裂導(dǎo)致裝置再次停工。大量的文獻(xiàn)和資料也表明，硫冷凝器的泄漏、失效往往首先發(fā)生在管子與管板的連接處。

為了保證管頭的強(qiáng)度，在大型三合一硫冷凝器管頭設(shè)計中采用了強(qiáng)度焊加強(qiáng)度脹的連接方式。強(qiáng)度焊結(jié)構(gòu)采用管板上開U形坡口(圖4)，以增加換熱管與管板的焊接接觸面。同時要求采用氬弧焊且至少焊2道，每焊完一道后均應(yīng)進(jìn)行100%滲透檢測，以NB/T 47013.5—2015中的I級為合格。第一道焊道檢測合格之后再焊第二道，每道焊道檢測合格之后應(yīng)將滲透劑清理干凈，焊接起弧點(diǎn)應(yīng)錯開，直至焊完。

圖4 換熱管與管板強(qiáng)度焊連接結(jié)構(gòu)

由于管板厚度大于一般的薄管板厚度，因此可采用強(qiáng)度脹形式，強(qiáng)度脹的開槽增加了換熱管的拉脫力。一側(cè)管束管頭的強(qiáng)度焊及強(qiáng)度脹宜在熱處理后進(jìn)行，并對該側(cè)的管頭進(jìn)行局部熱處理。必要時還可要求制造廠按實(shí)物尺寸提供管頭焊接工藝評定及檢測報告，并提供防止管板焊接變形的措施。

4 其余設(shè)計要點(diǎn)

硫冷凝器為排液硫設(shè)計時，需要考慮將設(shè)備傾斜安裝(設(shè)備安裝就位后是傾斜的，圖1中表示為1°傾斜)，同時在出口管箱底部設(shè)置內(nèi)襯材料。設(shè)備的傾斜程度通過固定鞍座與活動鞍座的高差來調(diào)節(jié)，但應(yīng)保證安裝就位后鞍座底板水平，腹板保持豎直。為配管需要，所有向上和向下接管法蘭密封面均應(yīng)與基礎(chǔ)面平行。

為滿足檢修需要，一般在硫冷凝器前端管箱設(shè)置設(shè)備法蘭，三合一后需考慮設(shè)備法蘭具有一定的剛度。曾經(jīng)發(fā)生過某硫磺裝置因設(shè)備法蘭剛度不足造成密封面泄漏的案例。設(shè)計時除了校核法蘭的剛度指數(shù)J≤1以外，必要時還可在法蘭內(nèi)部加支撐以增加剛度。此外，還應(yīng)考慮3個管程溫差帶來的螺栓松弛效應(yīng)，可在前端管箱法蘭螺栓處設(shè)置碟簧補(bǔ)償不同的溫差變形，以保持螺栓緊力。

硫冷凝器三合一大型化后，前、后管箱分程隔板無支撐跨度變大，應(yīng)考慮隔板兩側(cè)溫差和壓差帶來的變形可能。一旦變形量過大，就會使隔板墊片移位，造成內(nèi)部過程氣串漏，必要時可對隔板進(jìn)行適當(dāng)加固。

為了捕集盡可能多的液硫，且避免過程氣帶液，在后管箱過程氣出口應(yīng)當(dāng)設(shè)置除霧器。同時在后管箱外部設(shè)置蒸汽盤管，以防止產(chǎn)生露點(diǎn)和液硫冷凝的可能。

5 結(jié)語

針對硫磺回收裝置中大型三合一硫冷凝器的特點(diǎn)，對多種管板形式優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)計計算方法進(jìn)行了比較，提出了硫冷凝器大型化后帶來的風(fēng)險及相應(yīng)的制造、設(shè)計要點(diǎn)，認(rèn)為采用對接焊接式拉撐平管板，并利用GB/T 16508.3—2013中的方法進(jìn)行設(shè)計計算能夠滿足大型三合一硫冷凝器的工程需求。按此方法設(shè)計的三合一硫冷凝器在多套大型硫磺回收裝置中得到了成功投運(yùn)，應(yīng)用效果良好。