合成氨廢熱回收器新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張麗，黃國(guó)明(中國(guó)化學(xué)賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和工廠裝備的大型化，在石油、化工、冶金及其他工業(yè)生產(chǎn)部門中，廣泛應(yīng)用的廢熱回收器的規(guī)格也在不斷的擴(kuò)大。廢熱回收器的主要作用是通過(guò)鍋爐給水在設(shè)備殼程內(nèi)沸騰汽化，用汽化潛能大量回收高溫介質(zhì)中的熱量，從而對(duì)高溫反應(yīng)氣進(jìn)行冷卻。因各種工業(yè)生產(chǎn)的載熱氣體性質(zhì)不同以及對(duì)所產(chǎn)蒸汽的壓力等級(jí)不同，廢熱回收器的種類和結(jié)構(gòu)也是不同的。

合成氨廢熱回收器主要是將氨合成塔中400 ℃左右的出塔反應(yīng)氣溫度降至250 ℃，一方面合成氣需要降溫，另外也可以利用這部分熱能副產(chǎn)中壓蒸汽。常用的合成氨廢熱回收器換熱管束均采用U 型管型式，根據(jù)管程進(jìn)出口結(jié)構(gòu)可分為聯(lián)箱式和管箱式。管箱式中有單獨(dú)管箱式以及組合式管箱結(jié)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)型式

1.1 聯(lián)箱式

聯(lián)箱式就是把進(jìn)口端和出口端的換熱管引出封頭，分別做成進(jìn)、出口聯(lián)箱形式。高壓管與聯(lián)箱的焊接形式為填角焊接，角焊縫在焊后須進(jìn)行滲透檢測(cè)，如圖1 所示。此種結(jié)構(gòu)式氨合成裝置早期采用的一種結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于聯(lián)箱結(jié)構(gòu)緊湊，換熱管與聯(lián)想焊接結(jié)構(gòu)較緊密，焊接工藝復(fù)雜，并聯(lián)箱的支撐受到一定限制，在外載荷、溫差及內(nèi)壓作用下易產(chǎn)生泄漏。此結(jié)構(gòu)的使用實(shí)例：云解化合成氨技改二期工程中，廢熱回收器采用聯(lián)箱式結(jié)構(gòu)(圖1)，在聯(lián)箱處的管子接頭曾出現(xiàn)過(guò)破裂漏氣現(xiàn)象。

圖1 聯(lián)箱式廢熱回收器簡(jiǎn)圖

1.2 單獨(dú)管箱式

把進(jìn)口端和出口端分別固定在兩塊管板上，即為單獨(dú)管箱式，見圖2(a)，換熱管與管板的接頭性能比換熱管與聯(lián)箱接頭好，連接更可靠：由于換熱管與管板的連接處不僅承受管程和殼程的壓力差，同時(shí)還要承受管束振動(dòng)所產(chǎn)生的影響，所以換熱管與管板的連接采用強(qiáng)度焊+貼脹，這種連接方式一方面通過(guò)消除換熱管與管孔的縫隙，避免縫隙腐蝕，另一方面避免在裝運(yùn)及操作的過(guò)程中管束的振動(dòng)對(duì)焊縫的影響；換熱管與管板焊接受管道外載荷的影響小，不容易泄漏；缺點(diǎn)是兩管箱中間區(qū)域無(wú)法布管，布管減少，只能通過(guò)增加換熱管長(zhǎng)滿足工藝換熱要求；管箱本身密封受外載荷影響較大，需要承受殼體本身的熱應(yīng)力外還需要承受管道的推力及彎矩。

圖2 管箱式廢熱回收器簡(jiǎn)圖

此結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例：在云解化合成氨改造結(jié)構(gòu)調(diào)整工程的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)合成氨廢熱回收器采用管箱式(圖2(b))。

1.3 組合式管箱結(jié)構(gòu)

對(duì)于高溫工藝氣流經(jīng)管內(nèi)的U 形管式廢熱回收器，由于進(jìn)口端和出口端溫差較大，如果把進(jìn)出口端固定在同一管板上，將造成管板本身溫差較大，熱應(yīng)力也隨之增大。通過(guò)采取一定的措施以減小熱應(yīng)力，噴泉式就是把進(jìn)口端和出口端的換熱管通過(guò)噴泉式布管方式固定在一塊管板上，通過(guò)對(duì)管板和換熱管接頭處采用特殊的結(jié)構(gòu)形式以減小熱應(yīng)力，減少管板本身溫差較大的問(wèn)題。這也是管箱式的一種，與圖2不同的是只有一個(gè)管箱，見圖3。此設(shè)備應(yīng)用實(shí)例：平朔劣質(zhì)煤綜合利用示范項(xiàng)目中，氨合成裝置引進(jìn)卡莎利工藝包，氨合成塔的合成氣出口與廢熱回收器的合成氣進(jìn)口通過(guò)焊唇密封直接相連。這臺(tái)廢熱回收器的特點(diǎn)是噴泉式布管以及換熱管與管板處的特殊結(jié)構(gòu)。

注：(1)本設(shè)備管箱內(nèi)熱氣盒按從內(nèi)部壓差0.2 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)，且設(shè)備運(yùn)行全過(guò)程管箱內(nèi)熱氣盒從內(nèi)部壓差不得大于0.2 MPa。

(2) 管箱設(shè)計(jì)溫度：管箱內(nèi)件及進(jìn)口管S1 按照450 ℃設(shè)計(jì)，換熱管和管板按400 ℃設(shè)計(jì)；出口部件設(shè)計(jì)溫度為350 ℃。

2 噴泉式廢熱回收器

2.1 噴泉式廢熱回收器管箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1.1 熱氣盒

如圖4 中所示，熱氣盒將管箱分為兩個(gè)腔同時(shí)也將換熱管束分為中心環(huán)和外環(huán)，合成氣熱介質(zhì)通過(guò)熱氣盒進(jìn)入噴泉式換熱管束的中心區(qū)域，經(jīng)過(guò)不同彎曲半徑的U 型換熱管束，經(jīng)外環(huán)換熱管束返回到管箱，合成氣因熱氣盒的擋板通過(guò)分布器上開的6 個(gè)開窗口進(jìn)入換熱管的入口區(qū)域。

圖4 熱氣盒詳圖

2.1.2 作用

通過(guò)改變合成氣流向降低管板本身溫差，經(jīng)換熱后的合成氣降低入口處的換熱管溫度，減少進(jìn)口端和出口端溫差，即管板本身溫差，從而減少管板熱應(yīng)力，換熱管和管板按400 ℃設(shè)計(jì)；

同時(shí)熱介質(zhì)走中間，經(jīng)過(guò)冷卻后介質(zhì)走環(huán)向，降低管箱殼體處壁溫，出口部件設(shè)計(jì)溫度為350 ℃。

經(jīng)過(guò)換熱的合成氣經(jīng)分布器的6 個(gè)開窗均勻分布進(jìn)入換熱管的入口區(qū)域，所有合成氣經(jīng)下部的缺口匯入合成氣的出口。

2.1.3 換熱管與管板處特殊結(jié)構(gòu)降低管板本身溫差

如圖5 中所示，每根換熱管的入口處都增加一個(gè)套管，換熱管和套管之間夾一層陶瓷纖維紙，主要作用是隔熱，一方面降低換熱管和管板焊縫處的熱應(yīng)力，另一方面減少合成氣對(duì)換熱管和管板焊縫處的直接沖刷，從而保證換熱管與管板聯(lián)接處的密封，防止此處的泄漏。

圖5 換熱管與管板詳圖

采用此結(jié)構(gòu)主要考慮套管的結(jié)構(gòu)尺寸及材料。

2.2 噴泉式布管

熱氣盒將管箱分為兩個(gè)腔同時(shí)也將換熱管束分為中心環(huán)和外環(huán)，合成氣熱介質(zhì)通過(guò)熱氣盒進(jìn)入噴泉式換熱管束的中心區(qū)域，經(jīng)過(guò)不同彎曲半徑的U 型換熱管束，即噴泉式布管。

特點(diǎn)：充分利用布管區(qū)域，通過(guò)中心環(huán)與外環(huán)，每一根換熱管可能有不同的彎曲半徑，并保證每根換熱管不與其他換熱管相碰，還需要考慮每根換熱管的安裝順序。

2.3 設(shè)備支撐

本設(shè)備管箱合成氣進(jìn)口與氨合成塔設(shè)備合成氣出口直接相連，稱為直連式廢熱回收器，在殼程處采用單支點(diǎn)支撐。

特點(diǎn)：為保證廢熱回收器管箱與氨合成塔直連接管處的不產(chǎn)生額外的受力和彎矩，本設(shè)備單支點(diǎn)支撐采用彈簧支座，允許設(shè)備沿軸向方向和上下方向的移動(dòng)，限制設(shè)備沿左右方向的移動(dòng)，見圖6。此圖為卡莎利提供。對(duì)于彈簧支座所承受的力應(yīng)按照設(shè)備操作狀態(tài)時(shí)的操作重量進(jìn)行核算。

經(jīng)管道提供管箱合成氣入口管口處的載荷，用分析設(shè)計(jì)對(duì)該管口與殼體處進(jìn)行應(yīng)力分析，設(shè)備殼體與接管連接部分應(yīng)力分布圖，見圖7。

圖7 設(shè)備殼體與接管連接部分應(yīng)力分布圖及危險(xiǎn)斷面路徑圖

2.4 焊唇密封結(jié)構(gòu)

因本設(shè)備屬于高壓設(shè)備，其管箱筒體端部及高壓法蘭連接處密封結(jié)構(gòu)均采用焊唇密封結(jié)構(gòu)。談及密封結(jié)構(gòu)，尤其是高壓設(shè)備中屬于重要組成部分，合理的密封結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約成本，縮短制造周期，保證設(shè)備長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)更大的效益。

焊唇密封是通過(guò)密封元件的密封焊來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)式在強(qiáng)制密封的基礎(chǔ)上加密封焊，因此連接結(jié)構(gòu)可靠，在溫度、壓力變化大的情況下保持良好的密封性能。

如圖8 中所示，焊唇密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：密封元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度要求不高，元件的外端部表面不需要與相應(yīng)的平蓋焊接，減少密封元件與相應(yīng)本體的焊接長(zhǎng)度50%；降低了密封元件的對(duì)中要求等級(jí)，值周周期短，安裝效率高。

圖8 焊唇密封詳圖

采用焊唇密封，主要考慮以下因素：

(1) 材料的選擇。為保證良好的焊接性能及密封可靠性，密封焊元件材料常選用鎳基合金，因在350 ℃的設(shè)計(jì)溫度下，鎳基合金N06600 的線膨脹系數(shù)與筒體端部及平蓋的材料12Cr2Mo1 鍛件比較相近，并在筒體端部與焊唇密封元件相焊的部位堆焊厚度INCONEL6 005 mm,焊條為ENiCrFe-3(AWS A5.11)，同種材料的焊接有利于密封焊縫的可靠性。

(2)螺栓設(shè)計(jì)載荷的確定。為了保證焊唇密封元件焊縫在操作過(guò)程中安全可靠性，其密封接觸斷面應(yīng)處于受壓縮狀態(tài)或至少處于軸向自由狀態(tài)，而不能處于受拉伸狀態(tài)，因此主螺栓應(yīng)給一定的預(yù)緊力(圖9)。

圖9 管箱端部圖

經(jīng)計(jì)算，本工程該設(shè)備管箱單根主螺柱的預(yù)緊最小載荷為 636 964 N，預(yù)緊最大載荷為 827 329 N。

(3)管箱膨脹節(jié)。本設(shè)備管箱內(nèi)件及進(jìn)口管S1 按照450 ℃設(shè)計(jì)，管箱內(nèi)膨脹節(jié)及熱氣盒按從內(nèi)部壓差0.2 MPa 進(jìn)行設(shè)計(jì)，且設(shè)備運(yùn)行全過(guò)程管箱內(nèi)熱氣盒從內(nèi)部壓差不得大于0.2 MPa。膨脹節(jié)的軸向位移量為20 mm。在有效空間內(nèi)需要根據(jù)調(diào)節(jié)膨脹節(jié)的波高h(yuǎn)、圓弧半徑R 及波數(shù)n 來(lái)滿足所需要的膨脹節(jié)的膨脹量(圖10)。

圖10 管箱膨脹節(jié)及熱氣盒圖片

3 噴泉式廢熱回收器選材及制造

管程介質(zhì)為400 ℃左右氨合成氣，主要成分為59.43% H2，19.74% N2。本設(shè)備屬于氫腐蝕環(huán)境，按照氫分壓及設(shè)計(jì)溫度值根據(jù)鐵素鋼及珠光耐熱鋼在氫氣氛中的使用限制，選擇管箱筒節(jié)及筒體端部材料為12Cr2Mo IV 級(jí)鍛件，熱處理狀態(tài)為正火+回火；管板材料為12Cr2Mo1 IV 級(jí)鍛件，熱處理狀態(tài)為淬火+回火；換熱管材料為12Cr2Mo1 熱處理狀態(tài)為正火+回火；熱氣盒材料為S32168，熱處理狀態(tài)為固溶；膨脹節(jié)材料為N06600 熱處理狀態(tài)為退火。

上述材料在不同的設(shè)計(jì)溫度下應(yīng)保證其化學(xué)成份、力學(xué)性能和工藝性能、高溫力學(xué)性能等，還需要考慮降低P，S 雜質(zhì)含量值來(lái)保證材料的韌性和強(qiáng)度。12Cr2Mo1 材料在設(shè)計(jì)溫度高于350 ℃時(shí)需要采取措施避免回火脆化，為防止12Cr2Mo1 材料回火脆化須測(cè)定回火脆化敏感性系數(shù)(建議J=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤100)；并進(jìn)行回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)(步冷試驗(yàn)：2.25Cr-1Mo 材料回火溫度不低于680 ℃)：vTr54+2.5ΔvTr54≤0 ℃；V 型缺口沖擊試驗(yàn)、晶粒度要求以及非金屬夾雜物檢驗(yàn)等要求，都需要參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)考慮并提出具體要求，目的就是為保證材料的韌性和強(qiáng)度。

制造時(shí)，對(duì)12Cr2Mo1 焊接材料的化學(xué)成分：P≤0.015%，S≤0.008%；焊縫金屬回火脆化敏感系數(shù)(建議X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2≤15×10-6)；并進(jìn)行回火脆化傾向評(píng)定試驗(yàn)(步冷試驗(yàn)：2.25Cr-1Mo 材料回火溫度不低于680 ℃)：vTr54+2.5ΔvTr54≤0 ℃；等等。

4 該設(shè)備研發(fā)意義

以某總包項(xiàng)目合成氨主項(xiàng)中的廢熱回收器為例，采用瑞士Casale(卡薩利)的工藝包，技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)基本相同，在價(jià)格上做了一個(gè)對(duì)比，詳見表1。

表1 氨合成塔 價(jià)格對(duì)比

通過(guò)成立該設(shè)備研發(fā)小組，所有研發(fā)人員本著工匠精神，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行為期長(zhǎng)達(dá)5 個(gè)月的多專業(yè)協(xié)作研發(fā)，該設(shè)備的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)在噴泉式布管結(jié)構(gòu)。對(duì)于氨合成傘形布管余熱回收器特殊的布管方式進(jìn)行開發(fā)。該設(shè)備為卡薩里提供工藝包，直徑不同，布管思路完全不同。因其特殊的布管型式，先用CAD 軟件做出一個(gè)初步的布管圖，再通過(guò)三維軟件將其布管做成三維，控制換熱管間隙，若有相碰再進(jìn)行調(diào)整。只要有一根換熱管相碰，需要調(diào)整相近的數(shù)根換熱管，需要連貫思維和一定時(shí)間，工作量比較大。最終尋找合理的排列，確保制造能夠可行。

通過(guò)合理的噴泉式布管有效的解決了管板進(jìn)出口溫差的問(wèn)題，對(duì)于此布管形式的技術(shù)開發(fā)也是必要的，對(duì)于工程中其他類似設(shè)備也有借鑒作用，有助于我公司在今后氨合成工程的應(yīng)用。通過(guò)成功研發(fā)該設(shè)備，使得該設(shè)備在設(shè)備造價(jià)上節(jié)約了60%，明顯降低了該設(shè)備的投資，并使得該設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。該設(shè)備現(xiàn)以制造完成并投入生產(chǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行一年多。

該設(shè)備為我院專有設(shè)備，并正計(jì)劃申請(qǐng)專利。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)幾種氨合成裝置的廢熱回收器管程結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，并重點(diǎn)介紹噴泉式廢熱回收器的特點(diǎn)：組合式管箱，噴泉式U 型管束和高壓焊唇密封結(jié)構(gòu)形式。噴泉式布管換熱器特點(diǎn)是管板充分布管，通過(guò)改變熱介質(zhì)流動(dòng)方向減少管板熱應(yīng)力，擴(kuò)大管箱所承受溫差。

對(duì)國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目氨合成主項(xiàng)的廢熱回收器，曾出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏，導(dǎo)致全廠停車2 個(gè)月，后采用我院研發(fā)的噴泉式布管結(jié)構(gòu)的廢熱回收器，已進(jìn)行成功改造，現(xiàn)該設(shè)備也制造完成并投入生產(chǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行兩年多?？梢娫摻Y(jié)構(gòu)的成功研發(fā)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。在低碳環(huán)保的時(shí)代，在工程設(shè)計(jì)上值得擁有更大空間的應(yīng)用，具備更好的社會(huì)效益。