氨合成鍋爐給水預(yù)熱器的設(shè)計(jì)與制造

王向舉，徐才福，張志華，向彬彬

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在卡薩利技術(shù)氨合成裝置中，鍋爐給水預(yù)熱器是工作條件苛刻、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備，其設(shè)計(jì)、選型、制造、操作直接影響著整個(gè)裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的不同，鍋爐給水預(yù)熱器的彈簧支座可選擇單支座或雙支座型式。對(duì)目前國(guó)內(nèi)多個(gè)類(lèi)似項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)操作質(zhì)量在60t以下，一般采用單支座支撐型式；操作質(zhì)量在60t以上，由于設(shè)備質(zhì)量較大，將直連管口N1下方增加一個(gè)支座(左彈簧支座)，主要是為了減小直連管口處軸向力，降低連接法蘭、螺栓應(yīng)力水平，從而達(dá)到減薄法蘭厚度、減少實(shí)際需要螺栓面積的作用。

鍋爐給水預(yù)熱器合成氣進(jìn)口與氨合成塔合成氣出口采用法蘭+唇焊密封直接相連的結(jié)構(gòu)型式，合成氣進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器后走殼程，鍋爐給水走管程。在鍋爐給水預(yù)熱器由安裝、冷態(tài)(升壓未升溫)到熱態(tài)(升壓、升溫至正常操作)的過(guò)程中，鍋爐給水預(yù)熱器進(jìn)口處會(huì)有因氨合成塔溫度升高而引起的向下軸向位移，左、右彈簧支座在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的軸向位移，為保證正常運(yùn)行時(shí)鍋爐給水預(yù)熱器維持水平，盡量降低直連管口處的附加力/附加彎矩等外載荷，在設(shè)備安裝階段需預(yù)加載荷和/或位移。

1 結(jié)構(gòu)型式及材料選擇

合成氣由N1管口內(nèi)件進(jìn)氣管進(jìn)入殼程內(nèi)筒體，采用折流柵型式強(qiáng)化傳熱，合成氣與換熱管內(nèi)鍋爐給水換熱后從內(nèi)筒體右側(cè)敞口處翻出內(nèi)筒體，然后從外筒體側(cè)壁N2管口流出；鍋爐給水走管程。該結(jié)構(gòu)型式鍋爐給水預(yù)熱器的主要特點(diǎn)如下：高溫氣體首先進(jìn)入內(nèi)筒與管程鍋爐給水換熱后，相對(duì)低溫氣體與外殼體接觸，降低了殼程筒體的設(shè)計(jì)溫度，減小了設(shè)計(jì)厚度，從而節(jié)省材料；殼程側(cè)管板與單程進(jìn)氣整體接觸，管板整體受熱均勻；彈簧支撐結(jié)構(gòu)避免了操作工況下剛性位移約束，局部受力情況更好。鍋爐給水預(yù)熱器簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 鍋爐給水預(yù)熱器

殼程設(shè)計(jì)壓力為17.8 MPa(g)，設(shè)計(jì)溫度為333.6℃，操作壓力為15.0 MPa(g)，操作溫度為436.5～325.0℃，氫分壓為8.5 MPa(a)；管程設(shè)計(jì)壓力為14.0 MPa(g)，設(shè)計(jì)溫度為325℃，操作壓力為12.0 MPa(g)，操作溫度為256.5～312.7℃。

殼程筒體為SA-87 Gr.22 Cl.2，反向法蘭為SA-336 F22 Cl.3；管程殼體為SA-516 Gr.70N，管板為SA-336 F22 Cl.3+堆焊inconel600，管束為SA-213 T22，鞍座為SA-516 Gr.70/ SA-387 Gr22 Cl.2(墊板)。

2 彈簧支座

由于鍋爐給水預(yù)熱器與氨合成塔采取直連的型式，兩個(gè)設(shè)備中間沒(méi)有管道進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此，在熱態(tài)操作工況時(shí)，氨合成塔由于溫度升高引起向下軸向位移，鍋爐給水預(yù)熱器需采用彈簧支座支撐的型式進(jìn)行位移協(xié)調(diào)，從而使鍋爐給水預(yù)熱器在正常操作工況時(shí)保持水平狀態(tài)。由于設(shè)備凈重和操作載荷的不同及熱態(tài)操作工況下彈簧位移量的不同，若要實(shí)現(xiàn)達(dá)到操作工況時(shí)左、右支座保持水平，設(shè)備安裝時(shí)直連管口處需施加一個(gè)預(yù)載荷(M1)，此載荷可通過(guò)右支座安裝工況載荷與右彈簧支座出廠預(yù)載荷的載荷差實(shí)現(xiàn)。

首先，根據(jù)設(shè)備各部件質(zhì)量及部件距左支座距離，通過(guò)彎矩平衡計(jì)算出左、右支座安裝工況和操作工況的載荷；根據(jù)不同的操作溫度及材料線膨脹系數(shù)，核算出從氨合成塔支座標(biāo)高處至鍋爐給水預(yù)熱器鞍座底表面產(chǎn)生的軸向位移量；左、右彈簧支座選擇合理的彈簧剛度系數(shù)K(因右彈簧支座支撐載荷更大，因此一般右彈簧支座比左彈簧支座剛度系數(shù)大)，根據(jù)表1計(jì)算出左、右彈簧支座出廠時(shí)所需預(yù)載荷。

表1 彈簧支座出廠預(yù)載荷計(jì)算

操作載荷下左彈簧支座壓縮后的支撐反力應(yīng)小于左支撐點(diǎn)所支撐的設(shè)備質(zhì)量載荷，即左彈簧支座出廠預(yù)載荷應(yīng)小于表1中計(jì)算所得FLY值，從而避免左彈簧支座對(duì)設(shè)備軸向位移的限制及過(guò)大反作用力對(duì)設(shè)備造成的損壞。

3 合攏縫局部熱處理

國(guó)內(nèi)鍋爐給水預(yù)熱器合攏縫大部分為圖1中焊縫2位置，焊縫2處作為合攏縫進(jìn)行局部熱處理時(shí)，由于加熱空間不足及不易加熱等原因，熱處理后焊縫硬度很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且此焊縫處亦是應(yīng)力集中區(qū)，因此，本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)將合攏縫設(shè)計(jì)在了圖1的焊縫1處，既避開(kāi)了應(yīng)力集中區(qū)，又留有足夠的局部熱處理加熱空間。

3.1 合攏縫第一次局部熱處理

合攏縫局部熱處理采用電加熱器加熱，加熱寬度為焊縫兩側(cè)各不小于180mm，焊縫置于加熱帶中間，加熱器沿筒身外壁環(huán)向布置，加熱區(qū)筒體外壁進(jìn)行保溫，保溫區(qū)寬度大于加熱區(qū)寬度1.5倍以上，以免有較大的溫度梯度及熱損失。合攏縫處裝4支熱電偶測(cè)控溫度，熱電偶沿筒身周向0°、90°、180°、270°布置，熱處理保溫溫度690±10℃。局部熱處理完成后，對(duì)合攏縫處焊縫進(jìn)行了硬度檢查，沿筒身周向0°、90°、180°、270°焊縫硬度(HB)多次測(cè)量，其硬度值約為295MPa，遠(yuǎn)超≤225HB的標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過(guò)分析原因，認(rèn)為主要有以下幾點(diǎn)造成了焊縫硬度超標(biāo)。

(1)加熱措施不到位。設(shè)備結(jié)構(gòu)中，合攏縫臨近斜坡(110mm至130mm的筒體厚度變化處)，造成局部電加熱板敷設(shè)過(guò)程中加熱板中心與焊縫中心不重合，同時(shí)不利于電加熱器與設(shè)備筒體緊密貼合。實(shí)際加熱板對(duì)焊縫區(qū)域的加熱效果受斜坡的影響大打折扣，加熱效果不理想。而在斜坡和臨近130mm厚筒節(jié)外側(cè)，均未設(shè)置輔助加熱裝置。

(2)保溫措施不到位。合攏縫局部熱處理時(shí)，臨近鞍座已裝焊完成，由于鞍座外形不規(guī)則，未進(jìn)行很好的保溫，實(shí)際裸露在空氣中，造成了巨大的熱量散失。

(3)熱處理操作不規(guī)范。操作人員在熱處理升、降溫速率及達(dá)到保溫溫度后的時(shí)間控制上未按照熱處理工藝要求執(zhí)行。

3.2 合攏縫第二次局部熱處理

由于第一次局部熱處理合攏縫焊縫硬度超標(biāo)，分析原因后制定了第二次熱處理工藝。第二次熱處理提高了熱處理保溫溫度，即熱處理保溫溫度由原來(lái)的690±10℃提高到700±10℃。同時(shí)將熱處理起始溫度和空冷溫度由原來(lái)的400℃降低至300℃，保溫時(shí)間和升溫速率保持不變。局部熱處理時(shí)為設(shè)備外部單面加熱且內(nèi)部無(wú)保溫，增加熱處理保溫溫度主要是為了保證設(shè)備內(nèi)部達(dá)到熱處理溫度要求。優(yōu)化及增加了部分其他輔助措施：首先，增加加熱寬度，采用電加熱器對(duì)焊縫進(jìn)行局部熱處理，總加熱寬度由原來(lái)的360mm增加為720mm，對(duì)履帶式加熱器無(wú)法包覆的不等厚斜坡位置及鞍座墊板角焊縫斜坡位置采用繩狀電加熱器加熱；其次，將保溫層寬度增加為加熱寬度的2倍，并將鞍座用保溫層嚴(yán)密包裹；增加了輔助加熱區(qū)，采用電加熱器對(duì)管程側(cè)管板進(jìn)行加熱及保溫，避免溫度通過(guò)換熱管在管程側(cè)造成熱損失。

第二次局部熱處理完成后，對(duì)合攏縫焊縫處焊縫進(jìn)行了硬度檢查，沿筒身周向0°、90°、180°、270°焊縫硬度(HB)多次測(cè)量，其硬度值約為205HB，合攏縫焊縫處硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

由兩次熱處理結(jié)果可知，合攏縫焊縫處加熱時(shí)要保證有足夠的熱輸入，可采用加大加熱寬度、增加輔助加熱區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)；做好合攏縫附近易引起熱損失的附件的保溫措施；熱處理實(shí)施過(guò)程中，操作人員要嚴(yán)格按照熱處理工藝要求操作，避免人為因素的影響。

4 鍋爐給水預(yù)熱器的安裝步驟

因工藝輸入條件中有鍋爐給水預(yù)熱器在正常操作工況下應(yīng)保持水平狀態(tài)的預(yù)設(shè)條件，因此需要對(duì)安裝、操作、水壓試驗(yàn)等各個(gè)工況下對(duì)彈簧支座的位移、受力情況進(jìn)行綜合考慮，尤其在設(shè)備安裝時(shí)，如是先焊接管道再調(diào)節(jié)彈簧，還是先將彈簧調(diào)節(jié)完成后再焊接管道等，不同的順序會(huì)有不同的影響，根據(jù)項(xiàng)目中的實(shí)際安裝經(jīng)驗(yàn)，按以下步驟進(jìn)行安裝比較合理。

(1)鍋爐給水預(yù)熱器與氨合成塔直連管口先用4個(gè)螺栓連接，右彈簧支座支撐處采用剛性支撐。

(2)調(diào)整氨合成塔和鍋爐給水預(yù)熱器至相互垂直，然后進(jìn)行直連管口的墊片焊接。

(3)直連管口螺栓全部上緊(上緊載荷及程序由專(zhuān)利商提供)。

(4)安裝彈簧支座：彈簧支座的地腳螺栓抹潤(rùn)滑油，上緊地腳緊螺栓，彈簧支座上表面塞入滑動(dòng)板(注意對(duì)中，且防止劃傷表面)，與支座底板點(diǎn)焊固定并用扳手逐個(gè)上緊彈簧支座頂部的支撐臺(tái)，保證支撐平面與滑動(dòng)板能緊密貼合，拆掉彈簧支座上面的液壓千斤頂，然后對(duì)滑動(dòng)板與支座底板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)焊，焊角高度3mm(inconel 焊條)。

(5)焊接鍋爐給水預(yù)熱器外部連接管道。

(6)開(kāi)車(chē)前將彈簧支座保險(xiǎn)銷(xiāo)拔掉，避免開(kāi)車(chē)前彈簧長(zhǎng)時(shí)間受力，延長(zhǎng)彈簧壽命(彈簧支座出廠時(shí)帶有保險(xiǎn)銷(xiāo)，開(kāi)車(chē)前一定要將保險(xiǎn)銷(xiāo)拔掉，以免彈簧支座僅僅起剛性支撐，對(duì)設(shè)備起不到保護(hù)作用)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 鍋爐給水預(yù)熱器與氨合成塔直連管口下方左彈簧支座需選擇合理的剛度系數(shù)，使操作載荷下左彈簧支座壓縮后的支撐反力小于左支撐點(diǎn)所支撐的設(shè)備質(zhì)量載荷。

(2) 由于鍋爐給水預(yù)熱器合攏縫局部熱處理硬度達(dá)標(biāo)難度大，因此，需制定合理的熱處理工藝并嚴(yán)格執(zhí)行，以免局部熱處理后焊縫硬度無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)硬度要求。

(3)鍋爐給水預(yù)熱器需采用預(yù)載荷和較合理的安裝步驟來(lái)滿足鍋爐給水預(yù)熱器在正常操作工況下保持水平狀態(tài)的預(yù)設(shè)條件。