高溫高壓臨氫熱交換器的設(shè)計

陳錫棟

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

高溫、高壓熱交換器廣泛應(yīng)用于合成氨、合成尿素、合成甲醇、煤化工等裝置中。由于設(shè)備運行在高溫、高壓、臨氫工況下，介質(zhì)通常為易燃、易爆且具有腐蝕性，工藝條件苛刻，這就要求設(shè)備具備更高的安全可靠性，以確保其實現(xiàn)長周期運行的要求。因此，對此類設(shè)備的設(shè)計、制造、檢測等都提出了更為嚴格的要求。

1 設(shè)計條件及選型

1.1 設(shè)計條件

某裝置中一臺臨氫熱交換器的主要設(shè)計參數(shù)見表1所示。

表1 設(shè)計參數(shù)

1.2 選型

根據(jù)設(shè)計條件，本熱交換器管殼程高溫，若采用固定管板型式，在實際操作中較難控制管殼程溫差，在較大的管殼程溫差載荷作用下，熱交換器各受壓元件(殼程筒體、換熱管、管板)的應(yīng)力很容易超標，需要設(shè)置膨脹節(jié)；但是在設(shè)置膨脹節(jié)后，在管程高壓作用下，會引起換熱管和管板的極大應(yīng)力，從而無法滿足強度要求。而U形管式熱交換器，由于其僅有一個管板，換熱管兩端均固定于同一管板上，換熱管可以自由伸縮，無熱應(yīng)力，能很好的解決本熱交換器管殼程高溫的問題，同時U形管式熱交換器結(jié)構(gòu)較為簡單，而且管程介質(zhì)為合成氣，較為清潔且不易結(jié)垢。因此在滿足工藝需求和安全可靠性的前提下，綜合考慮經(jīng)濟性，熱交換器最終選用U形管型式。

2 材料選擇

本熱交換器管程介質(zhì)中含有氫氣，氫氣在高溫高壓環(huán)境下容易侵入到鋼中與滲碳體(Fe3C)和固溶碳發(fā)生反應(yīng)：2H2+Fe3C→3Fe+CH4，C+2H2→CH4或C+4H→CH4[1]，生成的甲烷無法擴散到鋼外，而是在缺陷部位聚集，造成應(yīng)力集中，形成內(nèi)部裂紋，使鋼材性能顯著降低。因此，為避免高溫氫腐蝕，根據(jù)氫分壓和操作溫度等條件，依據(jù)Nelson曲線[2]，熱交換器的管程主體材料采用12Cr2Mo1R，殼程材料采用15CrMoR。

同時管程介質(zhì)中還含有硫化氫，在氫與硫化氫共存的腐蝕環(huán)境下，硫化氫對設(shè)備存在腐蝕情況，氫在腐蝕過程中充當了催化劑，導(dǎo)致硫化氫對鋼的腐蝕比其單獨存在時更加嚴重[3]。根據(jù)Couper-Gorman曲線[4]，為抗高溫硫化氫、氫腐蝕，熱交換器管程內(nèi)部堆焊奧氏體不銹鋼，堆焊層采用雙層堆焊，過渡層采用AWS E309L型焊材，面層采用AWS E347型焊材，過渡層與面層厚度各為3 mm。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 接管與殼體連接形式

高壓熱交換器接管與殼體連接形式通常有插入式、嵌入式、安放式三種。

3.1.1 插入式

插入式連接形式的優(yōu)點在于接管與殼體的焊接接頭為D類接頭，組對方便，易于滿足結(jié)構(gòu)尺寸及檢測要求，比較經(jīng)濟。缺點是產(chǎn)生焊接缺陷的幾率高，角焊縫受力不好，焊接殘余應(yīng)力大。此連接形式的焊接深度為筒體厚度。

3.1.2 嵌入式

嵌入式連接形式的優(yōu)點在于接管與殼體的焊接接頭容易檢測，保證焊接質(zhì)量；焊接殘余應(yīng)力與受壓產(chǎn)生的應(yīng)力集中分離而減輕連接處的應(yīng)力水平。缺點是焊接接頭為A類接頭，檢測要求高，同時嵌入式鍛件制造加工困難，加大了制造成本。此連接形式的焊接深度為筒體厚度。

3.1.3 安放式

安放式連接形式一般適用于接管直徑較小的場合，其優(yōu)點在于焊縫深度小，焊接工作量少，產(chǎn)生焊接缺陷幾率低，焊接殘余應(yīng)力小。缺點是對開孔處殼體無分層要求較高，焊縫前端的焊接質(zhì)量難以保證。此連接形式的焊接深度為接管厚度。

圖1 接管與殼體連接形式

綜合考慮設(shè)計合理性和經(jīng)濟性，本熱交換器管程接管與殼體連接形式選用插入式和安放式兩種結(jié)構(gòu)。

3.2 管板與殼體連接形式

由于管程高溫高壓，若管板的連接型式采用通常的夾持型結(jié)構(gòu)(即管板通過螺柱、墊片與殼體法蘭和管箱法蘭連接)，在實際操作中設(shè)備容易在此處發(fā)生泄漏，不利于設(shè)備的安全可靠運行。同時夾持結(jié)構(gòu)有兩個大法蘭和高壓緊固件，也不利于降低設(shè)備造價?？紤]到殼程介質(zhì)比較干凈，且沒有腐蝕性，因此在兼顧設(shè)計合理性和經(jīng)濟性的情況下，采用管板直接與殼程筒體和管箱筒體焊接形成整體的結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 管板與殼體連接形式

3.3 密封結(jié)構(gòu)形式

密封結(jié)構(gòu)是高溫高壓熱交換器中十分重要的一個組成部分，它直接影響熱交換器密封的可靠性、制造難易程度和制造成本。

高壓設(shè)備常用的密封結(jié)構(gòu)形式有平墊密封，金屬環(huán)形墊密封，焊接密封等。

3.3.1 平墊密封

屬于強制密封。平墊密封是使用比較成熟的一種密封形式，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，在直徑小的場合密封可靠；但當直徑較大時，由于平墊屬于強制密封，為保證密封效果，往往需要很大的螺栓力和法蘭剛性，這就使得法蘭的尺寸和螺柱直徑很大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)笨重，不僅不經(jīng)濟，而且給拆裝和檢修都帶來不便。

圖3 平墊密封結(jié)構(gòu)

3.3.2 金屬環(huán)形墊密封

屬于半自緊密封結(jié)構(gòu)。與平墊密封相比，其優(yōu)點在于：①墊片與密封面的接觸面窄，并且具有一定的徑向自緊作用，密封性能好；②金屬環(huán)形墊的材料一般選用奧氏體不銹鋼，在溫度、壓力較高或有波動，介質(zhì)滲透性較強的場合，密封可靠。但此結(jié)構(gòu)自身存在的缺點是：①環(huán)形墊直徑大時，制造難度大，難以保證密封性能；②墊片比壓力和墊片系數(shù)都較大，需要的螺栓預(yù)緊力很大，法蘭和螺柱的規(guī)格都比較大，設(shè)備造價提高；③在壓力、溫度波動大的工況下運行時，密封性難以得到保證[5-6]。

圖4 金屬環(huán)形墊密封結(jié)構(gòu)

3.3.3 Ω環(huán)密封

屬于焊接密封結(jié)構(gòu)(無墊片密封結(jié)構(gòu))。與金屬環(huán)形墊密封相比，其優(yōu)點在于：①Ω環(huán)殼直徑小、受力好，可承受較高的壓力，密封可靠，造價低；②螺柱具有較小的預(yù)緊和操作載荷，減小了法蘭和螺柱的尺寸；③Ω環(huán)有較強的軸向變形能力，在結(jié)構(gòu)變形不一致和壓力、溫度波動的情況下能夠保證密封性能，適合開工周期長且要求密封嚴格不允許泄漏的場合。但此結(jié)構(gòu)自身存在的缺點是：①Ω環(huán)制造精度以及組焊要求較高；②由于結(jié)構(gòu)限制以及螺柱的干擾，Ω環(huán)焊接有難度；③拆裝檢修要求高，每次均要切割和焊接Ω密封環(huán)，可重復(fù)使用次數(shù)(2～3次)有限；④Ω環(huán)中的積液無法清除，會造成對密封環(huán)的腐蝕[5,6]。

圖5 Ω環(huán)密封結(jié)構(gòu)

3.3.4 膜片密封

屬于焊接密封結(jié)構(gòu)(無墊片密封結(jié)構(gòu))。其優(yōu)點在于：①密封結(jié)構(gòu)較簡單，制造周期短，成本較低；②焊接密封承壓能力強，同時徹底阻斷介質(zhì)的泄漏通道，密封可靠。但同時存在的缺點是：①密封膜片與管箱法蘭密封焊時操作空間受限，施焊不便；②密封膜片與管箱的結(jié)構(gòu)尺寸及所處環(huán)境不同，開停車過程中因溫度變化而產(chǎn)生的熱脹冷縮，容易使密封焊產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致密封失效；③密封膜片與管箱法蘭接觸面間存在縫隙，可能產(chǎn)生縫隙腐蝕[5-6]。

圖6 膜片密封結(jié)構(gòu)

綜合考慮設(shè)計合理性和經(jīng)濟性，本熱交換器管程小直徑管口的密封選用金屬環(huán)形墊、大直徑管口的密封選用Ω環(huán)、管箱平蓋與管箱法蘭的密封選用膜片密封結(jié)構(gòu)。

4 制造中的特殊要求

4.1 焊接及熱處理要求

本熱交換器管程材料為12Cr2Mo1R，殼程材料為15CrMoR，為防止鉻鉬鋼在焊接過程中產(chǎn)生裂紋，提出了以下要求：

①焊材采用低氫型；

②所有承壓焊接接頭均開坡口并采用全焊透結(jié)構(gòu)；

③焊接過程中，焊縫坡口及兩側(cè)各不小于一倍厚度(不大于100 mm)范圍內(nèi)的母材始終維持不低于預(yù)熱溫度，且不高于允許的最高層間溫度；

④對筒體縱環(huán)焊縫進行消氫處理(DHT)；

⑤開口接管對接或角接焊縫進行中間消除應(yīng)力熱處理(ISR)；

⑥管箱及殼程筒體分別進行焊后消除應(yīng)力熱處理(PWHT)，與管板的對接焊縫進行局部消除應(yīng)力熱處理。

4.2 檢測要求

鉻鉬鋼制熱交換器運行在高溫高壓臨氫的工況下，制造過程中，為防止裂紋等缺陷，確保設(shè)備質(zhì)量，提出如下檢測要求[7]。

①射線檢測(RT)。在中間消除應(yīng)力熱處理(ISR)之后、最終熱處理(PWHT)之前，對所有受壓對接接頭進行100%射線檢測。

②超聲檢測(UT)。鉻鉬鋼板材逐張、所有鍛件進行100%超聲檢測。對接管開口邊緣四周至少100 mm范圍內(nèi)進行100%超聲檢測。在ISR或DHT、PWHT、水壓試驗之后對所有受壓焊接接頭進行100%超聲檢測。對堆焊層的100%超聲檢測在堆焊完成之后、PWHT之前進行。

③磁粉檢測(MT)。對焊縫全部坡口、接頭清根表面、補焊部位、臨時連接物去除之處、所有待堆焊表面進行100%磁粉檢測。在ISR或DHT、PWHT、水壓試驗之后對所有受壓焊接接頭、E類焊接接頭進行100%磁粉檢測。

④滲透檢測(PT)。密封元件與法蘭之間的焊接接頭進行100%滲透檢測。在水壓試驗后，對密封元件間的密封焊接接頭進行100%滲透檢測。對堆焊層的過渡層、面層表面分別進行100%滲透檢測。對無法進行MT的部位，可采用PT代替。

5 結(jié)語

高溫、高壓、臨氫熱交換器因其運行工況苛刻，在設(shè)計過程中需要從各個環(huán)節(jié)進行綜合考慮。本文針對高溫高壓臨氫熱交換器的特點，從設(shè)備選型、材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造中的特殊要求等方面進行了分析和闡述。