甲醇合成裝置循環(huán)氣換熱器設(shè)計及制造要點

曹曉玲，陳中書

（中石化南京工程有限公司，南京 210049）

隨著近年煤化工項目的普及，迫切需要新建煤制甲醇合成裝置。循環(huán)氣換熱器作為煤制甲醇合成裝置中重要設(shè)備之一，在甲醇生產(chǎn)過程中起著調(diào)整合成氣溫度的作用。其設(shè)計條件較為苛刻，需考慮高溫、壓力、腐蝕等一系列因素，因此循環(huán)氣換熱器的設(shè)計就顯得尤為重要。

1 工藝條件

循環(huán)氣換熱器管程為水冷甲醇合成反應(yīng)器出來的合成氣，殼程為氣冷甲醇合成反應(yīng)器出來的合成氣。在整個工藝流程中，氣冷甲醇合成反應(yīng)器加熱后的合成氣，進入循環(huán)氣換熱器殼程，加熱后，進入水冷甲醇合成反應(yīng)器，在催化劑的作用下進行甲醇合成反應(yīng)。從水冷甲醇合成反應(yīng)器出來的合成氣，進入循環(huán)氣換熱器管程，冷卻后進入氣冷甲醇合成反應(yīng)器繼續(xù)進行反應(yīng)。

工藝流程簡圖見圖1，工藝條件見表1。

表1 工藝條件Table 1 Design conditions

圖1 工藝流程簡圖Fig.1 Process sketch

2 材料選擇要點

循環(huán)氣換熱器殼程與管程介質(zhì)均為合成氣，工藝介質(zhì)組分見表2。

表2 工藝介質(zhì)組分Table 2 Medium components

（1）根據(jù)工藝條件，管程和殼程的合成氣中均含有CO2，H2O，H2等氣體，管程和殼程氫分壓分別為5.84 MPa / 258 ℃，6.62 MPa / 203 ℃。處于臨氫狀態(tài)下操作的壓力容器，氫會以原子的形態(tài)進入鋼中，其量隨著操作溫度和操作氫分壓的提高而增加，并和鋼中的碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成甲烷，在空穴處集聚，使得壓力升高，最終導(dǎo)致鋼材破裂，此現(xiàn)象即為“氫腐蝕”。根據(jù)Nelson 曲線[1]，殼程和管程若選用普通碳鋼或低合金鋼，均會產(chǎn)生氫腐蝕。為避免氫腐蝕的發(fā)生，我們優(yōu)選耐熱抗氫鋼14Cr1MoR，鉻鉬鋼具有優(yōu)異的抗氫腐蝕性能和良好的高溫性能，可有效避免氫腐蝕出現(xiàn)。

（2）循環(huán)氣換熱器管程出口溫度低于進口溫度，且H2O 含量較高，容易出現(xiàn)凝露，管箱出口處容易產(chǎn)生酸性腐蝕環(huán)境，因此出口管箱部位堆焊不銹鋼。綜合考慮機械強度，抗腐蝕性等因素，換熱管材質(zhì)選用雙相鋼S22053。折流板，支撐板及防沖擋板等非受壓元件則從抗腐蝕性能和經(jīng)濟角度出發(fā)選用S30403。

（3）結(jié)合管程和殼程的設(shè)計工況及介質(zhì)組分，考慮到換熱管材質(zhì)為雙相鋼S22053，為便于換熱管與管板的焊接，盡量采用與母材化學(xué)成分相近的堆焊層。該設(shè)備管板管程側(cè)采用雙層堆焊TP309L（過渡層3 mm）+TP347L （耐蝕層3 mm），堆焊層加工后的總厚度不小于6 mm，雙相有效厚度不小于3 mm。既保證了焊接性能，同時也滿足了耐腐蝕性能。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

應(yīng)整體結(jié)構(gòu)布置要求，循環(huán)氣換熱器為立式換熱器，下部為裙座支撐?？紤]到合成氣的高溫、高壓、易爆等因素，換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計為整體焊接結(jié)構(gòu)，有效避免合成氣泄漏。循環(huán)氣換熱器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 循環(huán)氣換熱器結(jié)構(gòu)Fig.2 Circulating gas heat exchanger structure

（1）受均勻內(nèi)壓的封頭，由于封頭與圓筒連接，不僅需要考慮封頭本身受內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力，還要考慮封頭與圓筒連接處的不連續(xù)應(yīng)力。循環(huán)氣換熱器中管程設(shè)計壓力為9.9 MPa，壓力值較高，因此封頭選用球形封頭，可有效降低材料厚度，且球形封頭與筒體圓滑過渡，也可有效降低局部應(yīng)力[2]。

（2）管板與殼程及管程筒體均采用焊接結(jié)構(gòu)，選用GB/T 151—2014[3]附錄I 中圖I.2 中d）結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。采用該結(jié)構(gòu)，管板凸肩與筒體采用對接焊縫，管板凸肩與管板采用圓滑過渡，有效降低局部應(yīng)力。

圖3 管板焊接結(jié)構(gòu)Fig.3 Tubesheet welded structure

（3）換熱管與管板的連接接頭是換熱器質(zhì)量的重要保證，換熱器的失效大多數(shù)集中在此部位。根據(jù)循環(huán)氣換熱器的設(shè)計工況，換熱管與管板的連接形式采用強度焊加貼脹更為合適。強度焊采用U 形坡口，通過焊腳高度值（此處為2+1+0.5）來承受換熱管的軸向剪切載荷，從而保證換熱管與管板連接的抗拉脫強度及密封性能；而貼脹則可消除管板與換熱管之間的間隙，既可防止間隙腐蝕，又承擔(dān)了設(shè)備工作時換熱管產(chǎn)生的振動力，有效減輕管頭焊縫的載荷。具體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)Fig.4 Tube and tubesheet connectstructure

（4）根據(jù)GB/T 150.1 ～ 150.4—2011[4]中相關(guān)規(guī)定，接管與筒體焊接應(yīng)采用整體補強結(jié)構(gòu)，考慮到高溫、高壓、材料屈服點較高等因素，開孔直徑過大的合成氣進出口接管均采用馬鞍形結(jié)構(gòu)，接管和部分殼體連同補強部分做成整體鍛件，再與筒體進行焊接，如圖5 所示。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于：補強金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位，能有效降低應(yīng)力集中系數(shù)；且該處為對接焊縫，并使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點，抗疲勞性能好。

4 設(shè)計計算中注意點

（1）循環(huán)氣換熱器的各元件均可采用SW6—2011 V4.0 中管殼式換熱器計算軟件進行強度校核計算。在計算中，管板模塊應(yīng)選用b 型，即管板直接與殼程筒體和管箱筒體形成整體結(jié)構(gòu)。

圖5 馬鞍形接管與筒體焊接結(jié)構(gòu)Fig.5 Saddle-shaped welded dstructure

（2）通過GB/T 150.3—2011 中公式計算，筒體厚度取64 mm 即可。但在殼程管口開孔補強計算時，若筒體厚度取64 mm，則接管厚度接近于2 倍的筒體厚度，接管厚度過大，邊緣應(yīng)力過大，會引發(fā)疲勞應(yīng)力，對于14Cr1Mo 材料，由于材料的塑形和韌性相對較差，更容易在低應(yīng)力下發(fā)生破壞，故需要控制接管厚度與筒體厚度的比值不大于1.6。因此需增加殼程筒體厚度，以保證開孔處結(jié)構(gòu)更為合理。

（3）循環(huán)氣換熱器的合成氣進出管口管徑大，管道金屬溫度高，管道會通過連接接管對循環(huán)氣換熱器殼體產(chǎn)生較大的附加載荷。該載荷將在殼體和接管連接的區(qū)域產(chǎn)生比殼體上其他部位高得多的應(yīng)力，在此高應(yīng)力的作用下，殼體會產(chǎn)生局部過量的塑形變形，因此，設(shè)計時需對此因素充分考慮并進行核算。在SW6—2011 V4.0 局部應(yīng)力計算模塊中，應(yīng)選擇“柱殼上接管計算（WRC 297）”或“柱殼上接管計算（EN 13445）”局部應(yīng)力計算模型。

5 制造、檢驗

循環(huán)氣換熱器的主要受壓元件材質(zhì)為鉻鉬鋼14Cr1Mo（R）材質(zhì)，鉻鉬鋼具有良好的抗氫腐蝕性和耐高溫氧化能力，但淬硬傾向大，焊后易出現(xiàn)冷裂紋，長期處于高溫環(huán)境下在應(yīng)力集中處可能產(chǎn)生蠕變脆化、韌性下降的問題。因此鉻鉬鋼設(shè)備在制造過程中須做好焊接、熱處理和檢測等工作，以便有效解決鉻鉬鋼回火脆性和延遲裂紋等問題[5]。

5.1 材料檢驗

（1）用作殼體、封頭的鋼板應(yīng)進行100%超聲檢測，并符合NB/T 47013.3—2015 中Ⅱ級為合格。對于板厚≥80 mm 的鋼板，材料到制造廠后應(yīng)進行材料復(fù)驗，合格后方可投料生產(chǎn)。

（2）用作換熱管的S22053 無縫鋼管需符合GB/T 21833 和NB/T 47019 的相關(guān)規(guī)定。制造廠應(yīng)對其化學(xué)成分和機械性能進行復(fù)驗。鋼管應(yīng)逐批取2 根按GB/T 230.1 進行硬度試驗，每根硬度試驗應(yīng)在鋼管頭部、中部和尾部各3 點，各點HRC ≤29 為合格。鋼管應(yīng)逐批取一根按GB/T 4334 E 法進行奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗，試驗需符合GB/T 21433 的相關(guān)規(guī)定及合格要求。鋼管應(yīng)逐批按GB/T 6401 進行金相分析，組織為鐵素體-奧氏體（雙相），其中鐵素體相的含量為40% ～ 50%（體積比）；金相組織不允許存在σ相，σ相的檢測按ASTM A923 進行。換熱管應(yīng)按GB 5777 中的要求，逐根進行100%超聲檢測，驗收等級為L2.5 級，基管全長應(yīng)無檢測盲區(qū)。換熱管應(yīng)逐根進行水壓試驗。水壓試驗壓力應(yīng)符合相關(guān)標準且不低于設(shè)計壓力的2倍，穩(wěn)壓時間不少于30 s，換熱管不得出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；試驗用水中氯離子含量＜0.002 5%，試驗后應(yīng)采用干燥氣對換熱管吹干。

5.2 焊接

（1）設(shè)備正式施焊之前，必須按NB/T 47014—2011 進行焊接工藝評定，焊接工藝評定所用試板的材料、制造工藝、焊接工藝、焊后熱處理制度均須和產(chǎn)品制造時一致。制造廠應(yīng)根據(jù)焊接工藝評定，編制焊接規(guī)程，按焊接規(guī)程進行焊接。施焊前應(yīng)對每臺產(chǎn)品所用的同一爐批號的焊條、焊絲和同一種焊絲焊劑組合的熔敷金屬，至少進行一個化學(xué)成分分析，其結(jié)果應(yīng)達到焊接評定時對焊縫金屬化學(xué)成分的要求。

（2）所有承壓焊接接頭應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)，對于焊接接頭坡口型式和尺寸，制造廠可采用最有利于接頭質(zhì)量的全焊透結(jié)構(gòu)。在焊接過程中，焊接接頭坡口及兩側(cè)各一個筒體厚度（一般不大于100 mm）范圍內(nèi)的母材應(yīng)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，直至焊后熱處理。所有與14Cr1Mo（R）鋼相焊接的零件（接管、保溫圈、吊耳、預(yù)焊件等）均應(yīng)在最終熱處理之前焊接完畢，最終熱處理之后不得再在設(shè)備上施焊或引弧。

（3）堆焊層

基層材料的待堆表面和復(fù)層材料（加工后）的表面應(yīng)分別進行100%PT 檢測，并符合NB/T 47013.5—2015 中的Ⅰ級為合格。施焊前，基體材料應(yīng)預(yù)熱。堆焊層表面應(yīng)平滑，不允許存在裂紋、堆焊層間的未熔合以及條狀夾渣，不允許存在任何宏觀缺陷。

堆焊過渡層采用E309L，復(fù)層材料采用E347L，總厚度應(yīng)不小于6 mm。雙層堆焊復(fù)層和單層堆焊熔敷金屬的金相組織應(yīng)為均勻的鐵素體-奧氏體（雙相）組織，焊后狀態(tài)的鐵素體含量為3% ～ 8%。堆焊焊接工藝評定應(yīng)進行鐵素體比例檢查，采用微觀金相組織檢測判定的方法并提供檢測報告。

過渡層堆焊完后應(yīng)在（620±10） ℃條件下進行消除應(yīng)力熱處理，熱處理的保溫時間為1 h/25 mm，且總時長不應(yīng)少于2 h；過渡層熱處理后再進行面層堆焊，且不應(yīng)超過兩層，面層堆焊后不得再進行熱處理。

（4）管束與管板的焊接

換熱管與管板的焊接應(yīng)采用填充金屬的鎢極氫弧自動焊（GTAW ），為了保證焊縫N 的含量，可在保護氬氣中加入少量N2；氬氣中氧含量≤0.1%。管箱焊接過程中，焊縫背面也應(yīng)進行氬氣保護。

換熱管與管板的焊接應(yīng)采用至少兩道焊接，每焊一道均采用UT 進行焊后檢測，滿足相應(yīng)標準中規(guī)定的Ⅰ級為合格，嚴格保證焊接質(zhì)量。貼脹應(yīng)在管頭焊接完畢并熱處理消除應(yīng)力后進行。

5.3 焊后熱處理

（1）所有焊接接頭，焊前應(yīng)均勻預(yù)熱.對開口接管焊接接頭應(yīng)進行中間消除應(yīng)力熱處理，對筒體縱環(huán)向焊接接頭應(yīng)進行中間消除應(yīng)力熱處理或消氫處理，然后進行最終焊后熱處理，推薦最終熱處理溫度為（690±14） ℃，保溫時間一般為6 h。最終焊后熱處理溫度應(yīng)至少比回火溫度低20 ℃。制造廠應(yīng)編制中間消除應(yīng)力熱處理和最終焊后熱處理的詳細方案和工藝。焊接工藝評定試樣也應(yīng)按最長累積模擬熱處理時間進行模擬焊后熱處理。

（2）裙座過渡段的鉻鉬鋼與裙座殼體材料相連接的環(huán)向焊接接頭可與鉻鉬鋼殼體一起進行焊后熱處理，但須驗證裙座殼體材料經(jīng)（690±14） ℃×6 h的焊后熱處理后的力學(xué)性能滿足GB/T713 的要求；該環(huán)向焊接接頭也可按GB/T 150.4 和NB/T 47015 的相關(guān)規(guī)定進行局部熱處理。

5.4 焊接接頭修補

（1）經(jīng)檢查不合格的焊接接頭表面缺陷，允許用砂輪打磨，所剩壁厚不得小于設(shè)計厚度。打磨部位應(yīng)與周圍金屬平緩過渡。打磨后需按NB/T 47013.4進行磁粉檢測，Ⅰ級合格。

（2）經(jīng)檢查不合格的內(nèi)部缺陷和不可接受的表面缺陷，允許清除缺陷后進行補焊，但在缺陷去除后須經(jīng)磁粉檢測，Ⅰ級合格方可補焊。補焊應(yīng)采用經(jīng)評定合格的焊接工藝。補焊接頭的檢查，原則上應(yīng)和原接頭一致。

5.4 產(chǎn)品試件

（1）殼程筒體、管箱筒體及封頭均應(yīng)制作產(chǎn)品焊接試件，產(chǎn)品焊接試件應(yīng)與相應(yīng)產(chǎn)品焊接接頭的焊接同時進行，按相同的焊接工藝，使用相同的焊接材料及相同的焊接坡口型式，由焊接產(chǎn)品的焊工焊接。產(chǎn)品焊接試件的受熱史應(yīng)與完工設(shè)備所經(jīng)歷的受熱史相同，產(chǎn)品焊接試件應(yīng)與部件或設(shè)備同爐進行熱處 理。

（2）當(dāng)制造廠采用熱成形時，應(yīng)至少制作一塊熱處理試件。熱處理試件應(yīng)隨產(chǎn)品一起進行同爐熱處理。

6 結(jié)束語

筆者結(jié)合實際工程項目中的循環(huán)氣換熱器，從工藝條件、設(shè)計、選材、結(jié)構(gòu)、制造及檢驗等多方面對甲醇合成裝置中的循環(huán)氣換熱器進行了系統(tǒng)的闡述。正確領(lǐng)會設(shè)計理念，加強設(shè)備制造過程中的檢驗，并在實踐中不斷完善設(shè)計及制造方案，必能保證循環(huán)氣換熱器在項目中的長周期安全運行。