變換爐進(jìn)料加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

代彥霞

（三維石化工程股份有限公司上海分公司）

隨著當(dāng)前對(duì)石油化工行業(yè)節(jié)能環(huán)保要求的日益提高，如何有效循環(huán)利用中間能量對(duì)一個(gè)石油化工企業(yè)顯得尤為重要。 筆者本著能量循環(huán)利用的原則，著重介紹了煤頭合成氨或氣頭合成氨裝置變換單元中，利用變換爐反應(yīng)熱來(lái)加熱原料氣的變換爐進(jìn)料加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 工藝簡(jiǎn)介

變換即是在高溫和催化劑存在的條件下，將原料氣中的一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳的過(guò)程，此反應(yīng)為放熱反應(yīng)。

變換單元的工藝流程如圖1 所示。 來(lái)自氣化單元的粗煤氣（溫度203℃，壓力3.72MPa）經(jīng)過(guò)氣液分離器分離出夾帶的液相水后，進(jìn)入變換爐進(jìn)料加熱器進(jìn)行加熱 （加熱到溫度240℃， 壓力3.71MPa），從變換爐進(jìn)料加熱器出來(lái)的粗煤氣分成兩部分，一部分粗煤氣進(jìn)入脫毒槽脫去粉塵類雜質(zhì)后進(jìn)入1#變換爐進(jìn)行反應(yīng)（該反應(yīng)為放熱反應(yīng)），從1#變換爐出來(lái)的水氣混合體（溫度443℃，壓力3.66MPa） 再次進(jìn)入變換爐進(jìn)料加熱器與另一部分粗煤氣進(jìn)行換熱， 加熱另一部分粗煤氣，加熱后的粗煤氣（溫度406.9℃，壓力3.655MPa）進(jìn)入工藝?yán)淠杭訜崞?，在工藝?yán)淠杭訜崞髦斜还に嚴(yán)淠海囟?4.6℃，壓力5.2MPa）降溫，降溫后的粗煤氣（溫度347.9℃，壓力3.645MPa）與中壓鍋爐水（溫度180℃，壓力6.6MPa）一起進(jìn)入冷激汽化器， 被中壓鍋爐水再次降溫 （溫度230℃， 壓力3.635MPa） 后進(jìn)入2#變換爐進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物進(jìn)入下一個(gè)工藝流程。

圖1 變換單元的工藝流程框圖

2 操作及設(shè)計(jì)參數(shù)

某公司煤頭年產(chǎn)28 萬(wàn)噸合成氨項(xiàng)目中的一臺(tái)BEU 型變換爐進(jìn)料加熱器直徑為1 500mm，換熱管規(guī)格為φ25mm×2mm， 其殼程介質(zhì)為變換氣， 組分包括H2、CO、CO2、N2、AR、H2S 和H2O，屬于中度危害、易爆氣體；管程介質(zhì)為水煤氣，組分包括H2、CO、CO2、N2、AR、H2S 和H2O，屬于中度危害、 易爆氣體； 殼程程數(shù)為1， 材料為S32168+15CrMoR（復(fù)合板），管程程數(shù)為2，換熱管材料為S32168，管箱材料為S32168+15CrMoR（復(fù)合板）；殼程進(jìn)、出口工作溫度為426.7、365.9℃，管程進(jìn)、出口工作溫度為240.5、300.0℃；殼程工作壓力為6.26MPa，管程工作壓力為6.36MPa；殼程進(jìn)、出口設(shè)計(jì)溫度均為480℃，管程進(jìn)、出口設(shè)計(jì)溫度均為400℃；殼程設(shè)計(jì)壓力為6.8MPa，管程設(shè)計(jì)壓力為6.8MPa。

從該設(shè)備的操作和設(shè)計(jì)參數(shù)可以看出，由于本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器的管、殼程設(shè)計(jì)溫度均在400℃以上， 且工作介質(zhì)中含H2、H2S、CO、CO2及H2O 等成分，屬于高溫中壓臨氫狀態(tài)的操作工況，故設(shè)備會(huì)發(fā)生氫腐蝕現(xiàn)象， 所以， 依據(jù)納爾遜（Nelson） 曲線選用中溫抗氫鋼15CrMoR 作為本臺(tái)設(shè)備的基層材料；又考慮本設(shè)備的高溫耐腐蝕性問(wèn)題所以先用S32168 為覆層材料， 即選擇以15CrMoR 為基材、 以S32168 為覆材的復(fù)合鋼板制造該設(shè)備。 因此，對(duì)變換爐進(jìn)料加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料要求比較高，它所占的投資比重也就比較大， 為了降低變換爐進(jìn)料加熱器的設(shè)備造價(jià)，優(yōu)化變換爐進(jìn)料加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 管板與筒體的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管板設(shè)計(jì)是本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)。 管板與筒體的連接結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采用的是管板與殼程筒體和管箱筒體焊接連接的方式。

圖2 管板與筒體的連接結(jié)構(gòu)

由于本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器殼程筒體與管板的環(huán)焊縫無(wú)法在殼程內(nèi)部施焊，因此應(yīng)在殼程筒體端部和管板端部堆焊鎳基合金過(guò)渡層后，在設(shè)備外部施焊， 具體如圖2 中右端焊接接頭所示。

殼程部件組焊完成、并在筒體端部堆焊鎳基合金堆過(guò)渡層后，在筒體端部開(kāi)如圖3 所示的坡口，然后將殼程部件進(jìn)行整體熱處理，熱處理后對(duì)過(guò)渡層表面按照NB/T 47013.5—2015 進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。 表面檢測(cè)合格后再按照NB/T 47013.3—2015 進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。 過(guò)渡層檢測(cè)合格的筒體端部再與管板焊接。

圖3 殼程筒體端部坡口

管板在端部過(guò)渡層（鎳基合金）與殼程側(cè)和管程側(cè)過(guò)渡層（A307）堆焊后完成，并在端部過(guò)渡層開(kāi)如圖4 所示的坡口后，應(yīng)進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。 熱處理后過(guò)渡層表面也應(yīng)按照NB/T 47013.5—2015 進(jìn)行100%滲透檢測(cè)， Ⅰ級(jí)合格，表面檢測(cè)合格后再按照NB/T 47013.3—2015 進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。 在過(guò)渡層檢測(cè)合格后再堆焊管板殼程側(cè)和管程側(cè)的面層。 面層也應(yīng)按照NB/T 47013.5—2015 進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。 面層檢測(cè)合格后再與換熱管進(jìn)行組焊，與換熱管組焊完成后的管板再與殼程部分進(jìn)行堆焊。

圖4 管板端部坡口

由于管板和殼程筒體焊接的環(huán)焊縫是鎳基合金和鎳基合金焊接，是小規(guī)范、小電流焊接，溫度場(chǎng)影響小，焊接殘余應(yīng)力較小，所以此道焊縫可以不進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理。

管板與殼程部分組焊完成后應(yīng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，檢測(cè)換熱管與管板焊接接頭是否存在泄漏現(xiàn)象。 如果無(wú)泄漏現(xiàn)象，管板和殼程的組焊部件再與整體熱處理后的管程部分進(jìn)行組焊。

由于管箱部分可以在筒體內(nèi)部施焊，所以管箱筒體與管板的焊接環(huán)焊縫就不同于殼程筒體與管板的焊接環(huán)焊縫，如圖2 中左端焊縫所示。

由于本設(shè)備的介質(zhì)（變換氣、水煤氣）比較干凈，不用經(jīng)常清洗，所以管板與殼體可以采用此連接結(jié)構(gòu)，即管板與殼程筒體和管程筒體焊死。

此結(jié)構(gòu)在以往此類設(shè)備設(shè)計(jì)中鮮有可見(jiàn)。 以往管板與筒體的連接方式一般是法蘭墊片連接（如GB/T 151—2014 圖18 所示的a 型和e 型連接［1］），但是法蘭墊片連接結(jié)構(gòu)容易因墊片老化、密封不嚴(yán)而引發(fā)泄漏問(wèn)題。 而且由于本臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力均較高，所計(jì)算出的管箱法蘭和設(shè)備法蘭體積龐大 （以15CrMo 鍛件制造的設(shè)備法蘭外徑達(dá)到2.5～3.2m，法蘭盤厚度達(dá)到415～510mm）、造價(jià)昂貴。 而圖2 所示的管板與筒體的連接結(jié)構(gòu)既能避免由于墊片老化、密封不嚴(yán)引發(fā)的泄漏問(wèn)題，減少設(shè)備的泄漏點(diǎn)，又能減少設(shè)備的材料消耗量（減少了設(shè)備法蘭、墊片及螺栓螺母），降低設(shè)備成本，因此，筆者認(rèn)為以后此類設(shè)備在條件允許的情況下可以借鑒使用此管板與筒體的連接結(jié)構(gòu)。

3.2 換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的另一大特點(diǎn)，它雖然采用了強(qiáng)度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)，但又與通常的強(qiáng)度焊加貼脹結(jié)構(gòu)不同，具體如圖5 所示。

圖5 換熱管與管板的連接結(jié)構(gòu)

管板堆焊完成后， 在殼程側(cè)堆焊層進(jìn)行開(kāi)槽，開(kāi)槽完成后再與換熱管進(jìn)行脹接。 在堆焊層部位開(kāi)槽脹接這種結(jié)構(gòu)在以往此類換熱器中也很少見(jiàn)到。

管板在堆焊層部位進(jìn)行強(qiáng)度脹可以避免殼程腐蝕氣體進(jìn)入貼脹間隙與基層材料15CrMoR接觸造成嚴(yán)重的間隙腐蝕，這對(duì)延長(zhǎng)換熱器的使用壽命大有益處。

雖然這種結(jié)構(gòu)在減薄管板厚度方面效果不是很明顯（由于15CrMoR 材料與S32168 材料在本臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力和彈性模量相差不多，15CrMoR 的許用應(yīng)力為105.6MPa， 彈性模 量 為 171GPa；S32168 的 許 用 應(yīng) 力 為103.4MPa，彈性模量為162GPa，前者的計(jì)算厚度為240mm，后者的計(jì)算厚度為238mm），但是由于減少了大量的S32168 材料消耗量， 能為投資者節(jié)約設(shè)備成本。 所以筆者認(rèn)為此結(jié)構(gòu)還是可以在以后的此類設(shè)備中推廣使用。

4 材料

4.1 板材

本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器的操作溫度較高，操作工況苛刻，屬于高溫中壓臨氫設(shè)備，根據(jù)Nelson 曲線選用以15CrMoR 為基層材料、以S32168為覆層材料的不銹鋼復(fù)合鋼板作為設(shè)備的主體材料，復(fù)合鋼板等級(jí)為B1 級(jí)［2］，即復(fù)合界面的剪切強(qiáng)度不小于210MPa。 基層材料和覆層材料分別檢測(cè)合格后方可進(jìn)行復(fù)合，復(fù)合采用爆炸復(fù)合的方式。

基層所用15CrMoR 鋼板除了應(yīng)符合GB/T 150.2—2011、GB/T 713—2014 和TSG 21—2016的規(guī)定外， 其化學(xué)成分還應(yīng)符合表1 的規(guī)定，且以正火+回火狀態(tài)交貨。

表1 15CrMoR 鋼板化學(xué)成分的特殊要求

由于15CrMoR 鋼板比較厚（46mm/54mm）且有一定的淬硬傾向，所以，要求鋼板在切割后可以進(jìn)行機(jī)械加工的，在火焰切割前不預(yù)熱但至少留5mm 的加工裕量； 在切割后不能進(jìn)行機(jī)械加工的（如殼體接管開(kāi)孔處），在切割前預(yù)熱150℃±15℃，這樣能為打磨節(jié)省很多時(shí)間［3］。

覆層所用S32168 不銹鋼鋼板應(yīng)符合GB/T 150.2—2011、GB/T 24511—2017 和 TSG 21—2016 的相關(guān)規(guī)定，以固熔狀態(tài)供貨，且不允許拼接。 覆層S32168 不銹鋼鋼板表面加工類型按照GB/T 24511—2017 中規(guī)定的1D 級(jí)（熱軋）或2B級(jí)（冷軋）。覆層S32168 不銹鋼鋼板還應(yīng)按GB/T 4334—2008 規(guī)定的E 法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)后，試樣表面不得有晶間腐蝕裂紋。

4.2 鍛件

本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器所用的15CrMoR 鍛件除了應(yīng)符合NB/T 47008—2017 中的規(guī)定外，其化學(xué)成分還應(yīng)滿足磷含量不大于0.015%，硫含量不大于0.012%，鎳含量不大于0.23%，銅含量不大于0.20%的要求。 鍛件以正火+回火狀態(tài)供貨。 鍛件等級(jí)至少為Ⅲ級(jí)或Ⅲ級(jí)以上。 所有15CrMoR 鍛件按批進(jìn)行晶粒度檢驗(yàn)，晶粒度測(cè)定按照GB/T 6394—2017 的規(guī)定進(jìn)行，應(yīng)具有5 級(jí)或更細(xì)的實(shí)際晶粒度。

4.3 管材

本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器的換熱管材料S32168 應(yīng)符合GB/T 150.2—2011、GB/T 13296—2013 和NB/T 47019.1～47019.8—2011 的相關(guān)規(guī)定，換熱管為冷拔管，換熱管的管束等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

4.4 焊接材料

本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器所選用的15CrMoR型焊接材料，應(yīng)保證用相應(yīng)的焊接方法焊成的焊縫與母材有相似的化學(xué)成分，其化學(xué)成分還應(yīng)滿足表2 的要求。

表2 基層焊縫金屬的化學(xué)成分 %

5 制造及檢驗(yàn)

5.1 組裝

變換爐進(jìn)料加熱器的組裝順序?yàn)椋簹こ滩糠纸M焊并熱處理；管板與換熱管脹接、組焊；殼程部分與管板組焊；水壓試驗(yàn)檢查殼程部分、焊縫、換熱管與管板連接處、脹（焊）管裂紋和損壞的換熱管；管箱部分組焊并熱處理；管箱部分與管板組焊；管箱筒體與管板的環(huán)焊縫局部熱處理。

5.2 熱處理

由于本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器屬于高溫中壓臨氫設(shè)備，設(shè)備的基層材料為15CrMoR，故設(shè)備應(yīng)進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理［4］。

殼程部分組焊完成后應(yīng)進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理；管板過(guò)渡層堆焊完成后應(yīng)進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理；管箱部分組焊完成后應(yīng)進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，管箱筒體與管板的環(huán)焊縫焊接完成后應(yīng)進(jìn)行局部消應(yīng)力熱處理。

5.3 檢驗(yàn)

由于15CrMoR 屬于具有延遲裂紋傾向的材料，所以對(duì)Cr-Mo 焊接接頭的射線、超聲、磁粉和滲透檢測(cè)均應(yīng)在焊后24h 后進(jìn)行。

5.4 表面處理

設(shè)備制造完畢后，內(nèi)部所有不銹鋼表面應(yīng)進(jìn)行酸洗鈍化處理，并用藍(lán)點(diǎn)法檢查，無(wú)藍(lán)點(diǎn)為合格。

6 結(jié)束語(yǔ)

本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器的設(shè)計(jì)、制造既吸收了以往此類設(shè)備設(shè)計(jì)、制造的優(yōu)點(diǎn)，又有以往此類設(shè)備所不具備的特點(diǎn)，管板與管箱殼體和殼程殼體的焊接結(jié)構(gòu)，管板與換熱管的焊接結(jié)構(gòu)均屬于本臺(tái)變換爐進(jìn)料加熱器的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)， 筆者認(rèn)為，在一定的操作工況下，可以優(yōu)先采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些結(jié)構(gòu)既設(shè)計(jì)合理，又能降低制造及維修費(fèi)用，筆者希望能在以后的此類設(shè)備中進(jìn)行推廣應(yīng)用。