一種立式U形管換熱器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

張亞寧

（寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，銀川 750200）

廢熱換熱器又稱余熱鍋爐，主要作用是冷卻高溫工藝氣體，控制工藝氣體溫度并副產(chǎn)動(dòng)力蒸汽，廣泛應(yīng)用于合成氨工業(yè)、乙烯工業(yè)、硫酸工業(yè)等石油化工領(lǐng)域[1]。廢熱換熱器操作條件一般比較苛刻，常常在高溫、高壓、臨氫、熱強(qiáng)度高、熱應(yīng)力大且長周期惡劣工況下運(yùn)行。因此對設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、制造技術(shù)等方面均提出了較高要求。

本文對一臺立式U 形管換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并對選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡要說明，重點(diǎn)對一些特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了技術(shù)分析和探討。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本換熱器設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及其他相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design specifications of heat exchanger

2 操作工況

該換熱器操作工藝為450 ℃的高溫高壓變換氣流經(jīng)管程，通過換熱管進(jìn)行熱交換將殼程約120 ℃鍋爐水進(jìn)行加熱，殼程產(chǎn)生約315 ℃高溫高壓飽和蒸汽，同時(shí)將管程變換氣降溫至270 ℃左右。該換熱器管程的變換氣毒性為中度危害，屬易爆性質(zhì)介質(zhì)，殼程介質(zhì)為鍋爐給水及蒸汽。管程側(cè)操作環(huán)境為臨氫環(huán)境，氫分壓為9.95 MPa。殼程設(shè)計(jì)壓力11.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度320 ℃，管程設(shè)計(jì)壓力16.7 MPa，管箱外殼設(shè)計(jì)溫度400 ℃，管箱內(nèi)件構(gòu)件設(shè)計(jì)溫度480 ℃，屬高溫高壓設(shè)備。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該換熱器采用立式結(jié)構(gòu)。殼程程數(shù)為單程，管程為兩程；殼程折流板采用下密上疏布置且內(nèi)部設(shè)置雙層套筒結(jié)構(gòu)，殼程頂部氣相空間設(shè)置導(dǎo)流筒和絲網(wǎng)除沫器；換熱管為U 形管，換熱管與管板采用內(nèi)孔強(qiáng)度焊連接形式；管程管箱端蓋采用無墊片密封結(jié)構(gòu)形式；除人孔外所有接管采用對接焊接密封形式；管箱內(nèi)高溫介質(zhì)通道均采用不銹鋼、鎳基合金以及耐火襯套結(jié)構(gòu)，可以起到耐高溫?zé)釠_擊和抗腐蝕的作用，管板管孔布管采用內(nèi)外圈對應(yīng)式布置結(jié)構(gòu)，有利于管板受力均勻，也可減小管板熱應(yīng)力。換熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure chart of the heat exchanger

4 換熱器選材及技術(shù)要求

化工壓力容器設(shè)計(jì)溫度大于或等于200 ℃且與氫氣相接觸時(shí)為氫腐蝕環(huán)境[2]。該換熱器管程處于臨氫環(huán)境工況條件下，隨著操作溫度和壓力的提高會導(dǎo)致鋼材發(fā)生氫腐蝕現(xiàn)象，因此需要對材料謹(jǐn)慎選擇。鑒于其高溫操作工況即選用Cr-Mo 鋼材料，參考納爾遜曲線考慮一定的溫度和壓力裕量初步確定為2.25Cr-1.0Mo 材料，即管箱筒體鍛件選用SA336 F22Cl3，同時(shí)對應(yīng)選用與之匹配的SA213-T22 作為換熱管材料。

SA336F22CL3 鍛件除應(yīng)符合SA-788，SA-336的規(guī)定外，提出如下要求：

鍛件應(yīng)采用堿性電爐冶煉加爐外精煉和真空脫氣精煉工藝生產(chǎn)。鍛件的交貨狀態(tài)為正火加回火熱 處 理。要 求P≤0.008%，S≤0.008%；J系 數(shù)≤120，X系數(shù)≤15；夏比（V 型缺口）沖擊吸收能量（-18 ℃） 要求三個(gè)試樣平均值≥54 J，允許一個(gè)小于54 J，但不得小于48 J。400 ℃高溫屈服強(qiáng)度ReL400℃≥241 MPa； 提出回火脆化傾向評定試驗(yàn)要求，試樣經(jīng)分步冷卻脆化處理后應(yīng)滿足下式要求：VTr54＋2.5 △VTr54 ≤10 ℃。鍛件應(yīng)具有6 級以上的實(shí)際晶粒度，鍛件中脆性、塑性夾雜物均不得大于2.5級，且兩者總和不得大于4.5 級。鍛件除滿足上述各項(xiàng)要求外，還應(yīng)滿足NB/T 47008《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中Ⅳ級鍛件要求并進(jìn)行材料復(fù)驗(yàn)。

SA213 T22 換熱管應(yīng)為冷撥無縫鋼管，交貨狀態(tài)為正火加回火熱處理，冷精整。換熱管還應(yīng)控制P≤0.010，S≤0.012 ；J系數(shù)≤120，X系數(shù)≤15；管子壁厚為正差，ReL400℃≥185 MPa。換熱管應(yīng)逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)，換熱管彎管后還應(yīng)逐根進(jìn)行二次水壓試驗(yàn)。

殼程介質(zhì)為鍋爐給水及蒸汽，操作溫度基本穩(wěn)定在315 ℃左右；考慮操作溫度較高，若選用Q345R則通過強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，筒體名義厚度應(yīng)為68 mm；而選用13MnNiMoR 則筒體名義厚度僅為38 mm。綜合考慮殼程殼體材料選用13MnNiMoR。

13MnNiMoR 板材除滿足GB/T 713 外，板材應(yīng)按照不低于焊后熱處理溫度30 ℃余量確定供貨回火熱處理溫度，每張鋼板應(yīng)進(jìn)行拉伸和0 ℃沖擊試驗(yàn)，板材逐張進(jìn)行100% UT，質(zhì)量等級不低于NB/T 47013.3 中Ⅰ級[3]，板材逐張進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)ReL320℃≥341 MPa。

含Cr 元素高于13%及含Mo 元素的奧氏體不銹鋼和鎳基材料，不但具有耐高溫性能同時(shí)還具備較強(qiáng)的耐氫腐蝕性能[4]，本管箱內(nèi)件直接與高溫氣體介質(zhì)接觸的部分選用S32168 奧氏體不銹鋼及鎳基材料UNS N06600。

5 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

5.1 換熱管結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

管板作為該換熱器的核心部件其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算本換熱器管板名義厚度達(dá)330 mm。U 形管換熱器在換熱器中是唯一用于高溫、高壓和高溫差的換熱器[5]，且殼體與管束由于溫差膨脹互不牽制，不會因?yàn)闇囟忍荻犬a(chǎn)生熱應(yīng)力，故本換熱器管束采用了U 形管結(jié)構(gòu)形式。

為強(qiáng)化傳熱，本立式U 形管管束采用了五種形式折流板，共計(jì)60 多塊。管板管孔呈內(nèi)外環(huán)、徑向輻射狀且為對稱結(jié)構(gòu)布置。換熱管采用正三角形排列，其中內(nèi)環(huán)管間距較外圈管間距大20 mm，詳見圖2 管板管口布置圖。U 形換熱管熱端入口位于管板內(nèi)環(huán)部分，冷段U 形管設(shè)置在管板外環(huán)區(qū)域；U 形換熱管以交錯(cuò)層疊式裝配。該排列結(jié)構(gòu)使得管板徑向溫度呈對稱性分布可使徑向應(yīng)力趨向均勻，同時(shí)也可降低管板與管箱周邊熱應(yīng)力。

圖2 管板管口布置圖Fig.2 Tube layout of the main tubesheet

5.2 殼程結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

殼程正常操作介質(zhì)為鍋爐給水及高壓蒸汽，屬兩相流狀態(tài)。120 ℃鍋爐給水進(jìn)入換熱器殼程空間經(jīng)折流板擾動(dòng)與U 形管高溫金屬壁接觸并進(jìn)行熱交換，吸熱后瞬間汽化形成水汽交融兩相，并在殼程上方區(qū)域產(chǎn)生315 ℃高壓飽和蒸汽，因此合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對傳熱能夠起到促進(jìn)作用。

U 形管直段空間內(nèi)設(shè)置雙層套筒，確保入口鍋爐給水先流經(jīng)套筒外側(cè)即外環(huán)換熱管，而后流經(jīng)內(nèi)環(huán)布管區(qū)域，以此形成管內(nèi)管外介質(zhì)逆向流動(dòng)，可有效增強(qiáng)換熱效率。為防止進(jìn)入殼程的鍋爐給水直接與高溫?fù)Q熱管接觸，減緩換熱管橫向熱沖擊，設(shè)置密閉式保護(hù)裝置十分重要，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。該結(jié)構(gòu)周邊通過短節(jié)與折流板和管板密封焊接，受裝置內(nèi)外溫差影響需設(shè)置膨脹節(jié)進(jìn)行熱補(bǔ)償，外圈換熱管與折流板輕度貼脹。

圖3 密閉式保護(hù)裝置Fig.3 Structure of the sealing protective device

5.3 管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

管板與換熱管的交界面長期處在高溫高壓，熱交變載荷、臨氫等苛刻操作環(huán)境下，對于大多數(shù)換熱器管頭焊接質(zhì)量好壞直接影響設(shè)備能否正常運(yùn)行。對于本換熱器，管箱內(nèi)側(cè)入口處工藝氣體溫度達(dá)480 ℃，高溫工藝氣體與鍋爐給水的溫差使得連接處承受熱交變載荷。另外，高溫工況引起的殘余應(yīng)力松弛也不可避免，雖然強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)管頭可以承受較高的壓力和溫度，但受制于管孔間隙形成死區(qū)為鍋爐給水Cl 離子富集提供了條件，必會產(chǎn)生間隙腐蝕；加之熱交變會使焊接接頭疲勞而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。因此常用的強(qiáng)度焊加貼脹工藝難以滿足設(shè)計(jì)要求。用內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的端面焊結(jié)構(gòu)是提高換熱器管子與管板焊接接頭抗應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕穩(wěn)定性的根本途徑[6]，另一方面內(nèi)孔焊在對提高換熱器壽命和可靠性方面優(yōu)于端面強(qiáng)度焊結(jié)構(gòu)[7]。

該換熱器采用的換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)如圖4所示，該內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

圖4 內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)形式Fig.4 Structure of the internal hole welding

（1）凸臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使管子管板實(shí)現(xiàn)對接結(jié)構(gòu)，改善傳統(tǒng)管頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）換熱管端部斜插角與凸臺連接有利于管子與管孔的定位和組對，凹槽可以起到施焊過程中墊板的作用，防止熔融金屬瞬間溶透產(chǎn)生滴流。

（3）凸臺結(jié)構(gòu)徹底消除了間隙腐蝕隱患。

5.4 管箱結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

管箱采用整體筒形鍛件。整體鍛件結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有縱焊接接頭，相比較用板材卷制結(jié)構(gòu)，其受力更均勻、無主應(yīng)力方向殘余應(yīng)力且安全性高等特點(diǎn)。管板與管箱筒體為對接結(jié)構(gòu)形式，在管板側(cè)設(shè)置槽型過渡區(qū)可有效減小應(yīng)力集中；管箱接管端部均打磨鈍邊，焊縫表面要求凹形圓滑過渡，進(jìn)一步降低應(yīng)力水平。管程操作介質(zhì)為高溫氣體，屬易燃、易爆、中度危害介質(zhì)，這時(shí)密封成為換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。為滿足高溫、高壓及介質(zhì)特性要求，管箱端蓋密封采用無墊片焊接密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以徹底杜絕介質(zhì)泄 漏。

5.5 管箱集氣盒結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

該U 形管式換熱器，管束采用由內(nèi)到外的徑向輻射式結(jié)構(gòu)排列，故進(jìn)入管箱的合成氣需要集氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行導(dǎo)流，集氣盒的結(jié)構(gòu)見圖5。兩段均采用螺栓緊固方便拆卸，480 ℃入口合成氣和換熱后270 ℃合成氣之間約有210 ℃溫差，水平連接通道設(shè)置了熱補(bǔ)償構(gòu)件—膨脹節(jié)，該膨脹節(jié)需補(bǔ)償軸向和橫向熱膨脹位移量。管箱內(nèi)的錐體+導(dǎo)管組件與小管板連接處一旦泄漏，管箱內(nèi)就會出現(xiàn)串氣現(xiàn)象。此處連接結(jié)構(gòu)特殊，故需進(jìn)行盛水試驗(yàn)檢驗(yàn)是否有泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 集氣盒結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of the gas diversion box

5.6 支座結(jié)構(gòu)形式分析與設(shè)計(jì)

高壓容器支座由于操作壓力過高，支座與筒壁連接處應(yīng)力較大?？紤]設(shè)備自身重量載荷，如支座直接焊于筒壁上將產(chǎn)生過大的局部應(yīng)力，特別對于2.25Cr-1.0Mo 鋼材料受焊接應(yīng)力影響極易引起冷裂紋產(chǎn)生[8]。該換熱器管箱為整體鍛制筒體結(jié)構(gòu)，筒體較厚，因此該換熱器支座與設(shè)備的連接采用筒壁加工螺紋孔、采用螺栓緊固形式，如圖6 所示。為防止松動(dòng)采用雙螺母緊固結(jié)構(gòu)形式。墊板必須與筒體外壁貼合緊密，筒體上螺栓孔最大深度必須按要求進(jìn)行控 制。

圖6 螺栓連接支座結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Supporting structure connecting with bolts

5.7 管板受熱端熱防護(hù)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

換熱器管板及管頭直接與高溫合成氣接觸極容易產(chǎn)生高溫氧化腐蝕和高溫?zé)釠_擊，因此在管板受熱側(cè)采用UNS N06600 鎳基合金層堆焊結(jié)構(gòu)形式，另外在換熱管入口處也設(shè)置了特別防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖7 所示。研究表明[9]，采用高溫?zé)岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)可以有效地改善熱端管板的應(yīng)力分布。本熱端防護(hù)結(jié)構(gòu)端部設(shè)置鎳基合金套管作為支撐點(diǎn)，內(nèi)部插入奧氏體不銹鋼內(nèi)套管，兩套管之間填充陶瓷纖維軟管，最后在底部通過金屬環(huán)進(jìn)行焊接固定。陶瓷纖維軟管不但可以減緩熱量對換熱管接頭的沖擊，還可以起到套管之間定位作用保證套管間隙均勻，內(nèi)伸套管與陶瓷纖維軟管超過換熱管接頭即可，一般約為10 mm；傳統(tǒng)的陶瓷剛玉套管雖然允許使用溫度更高，但受兩端溫度差影響、高溫沖擊及與金屬套盒裝配容易碎裂[10]，故本換熱器采用了金屬熱套管，采用金屬熱套管端部可以通過焊接方式進(jìn)行固定。

圖7 高溫?zé)岱雷o(hù)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of preventing high temperature

6 工程應(yīng)用的幾點(diǎn)建議

（1）對于低合金高強(qiáng)鋼材料除了其強(qiáng)度和化學(xué)成分滿足要求外，往往其供貨狀態(tài)下硬度值的控制也十分關(guān)鍵。

（2）高強(qiáng)度鋼和耐熱鋼由于其焊后熱處理制度不同，其焊接連接形式、焊材選擇及焊縫熱處理制度等制造技術(shù)參數(shù)需特別關(guān)注。

（3）內(nèi)孔焊接結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但具體實(shí)施一直是實(shí)際工程應(yīng)用的一個(gè)難點(diǎn)。對于內(nèi)孔焊的實(shí)施需要專用的焊接機(jī)具，制定成熟可靠的焊接試驗(yàn)方案，管子與管板管頭對中、端面貼合度要求極高。另一方面，內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)管頭在日后維修過程中難度較大，往往只能通過堵管進(jìn)行消漏。因此需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試件焊接試驗(yàn)、焊接質(zhì)量控制及無損檢測等方面進(jìn)行全方位考慮。

7 結(jié)論

本文探討和分析了一種立式換熱器，其管程殼程設(shè)計(jì)壓力均高于10 MPa，溫度較高，操作工況苛刻，結(jié)構(gòu)較新穎且材質(zhì)特殊，因此對類似操作條件和工藝要求的設(shè)備及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

（1）對于高溫高壓、溫差較大的固定管板換熱器，換熱管應(yīng)優(yōu)先采用U 形管結(jié)構(gòu)形式。

（2）對于管程進(jìn)出口溫差較大，管板設(shè)計(jì)溫度較高的工況，換熱管采用內(nèi)外、徑向輻射狀布置結(jié)構(gòu)形式值得借鑒。

（3）對于立式結(jié)構(gòu)換熱器，底部管板換熱管頭采用內(nèi)孔對接焊結(jié)構(gòu)形式，從受力、規(guī)避縫隙腐蝕、降低應(yīng)力集中等方面考慮均具有優(yōu)越性。

（4）對于2.25Cr-1.0Mo 鋼承壓殼體與支座的連接采用非焊接結(jié)構(gòu)形式不但可以規(guī)避焊接裂紋產(chǎn)生而且可以改善承壓殼體受力狀態(tài)。

（5）對于高溫高壓介質(zhì)，在設(shè)備內(nèi)部采用不銹鋼、鎳基材料以及特殊隔熱材質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以避免高溫介質(zhì)直接沖擊承壓殼體，安全性較高。