丁金翔

（北京燕華工程建設(shè)有限公司，北京 102502）

1 概述

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器是煉油行業(yè)制氫裝置中的重要設(shè)備，其通過管程介質(zhì)高溫轉(zhuǎn)化氣實現(xiàn)對殼程加熱從而生產(chǎn)中壓蒸汽。轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器管程介質(zhì)是高溫轉(zhuǎn)化氣，轉(zhuǎn)化氣入口溫度一般在850～900℃，轉(zhuǎn)化氣出口溫度一般控制在400 ℃以下，管程操作壓力2.8～3.0MPa；殼程介質(zhì)為中壓蒸汽，操作壓力約為 4.5MPa，溫度為253 ℃左右。其常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。前端箱為轉(zhuǎn)化氣入口側(cè)，溫度較高，采用錐殼和筒體帶襯里結(jié)構(gòu)，錐殼和筒體材質(zhì)選用15CrMoR 鋼板，頂部設(shè)有人孔。管板采用撓性管板，換熱管采用中心管和周邊小管結(jié)構(gòu)，換熱管材質(zhì)選用15CrMo，換熱管入口處設(shè)有陶瓷套管，換熱管與管板連接的焊接接頭一般采用強度焊加貼脹形式。后端低溫側(cè)管箱采用筒體和橢圓形封頭帶襯里結(jié)構(gòu)，筒體和橢圓形封頭材質(zhì)選用15CrMoR 鋼板，筒體上設(shè)有轉(zhuǎn)化氣出口，筒體或橢圓形封頭上設(shè)有調(diào)溫機構(gòu)。殼程筒體選用Q345R 鋼板。從以上設(shè)計參數(shù)看，此類設(shè)備操作工況苛刻，溫度壓力都較高，尤其管程入口溫度較高，在已運行的制氫裝置中常發(fā)生局部超溫損傷和應(yīng)力破壞，因此設(shè)計中對高溫防護和降低溫差應(yīng)力措施應(yīng)合理考慮，本文僅從近些年的設(shè)計實踐出發(fā)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算兩個方面對轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行分析，并對局部優(yōu)化改進進行探討。

圖1 轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器參數(shù)特點是介質(zhì)溫度高，并且溫度分布變化大的特點，結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是采用合理結(jié)構(gòu)降低殼體溫度避免局部超溫，合理結(jié)構(gòu)使溫度分布盡可能均勻，以及采用合理設(shè)計減少溫差應(yīng)力產(chǎn)生。以襯里護板結(jié)構(gòu)設(shè)計、管板結(jié)構(gòu)設(shè)計、管板與換熱管連接分別進行分析。

2.1 管板側(cè)襯里護板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

襯里護板承受850～900℃高溫轉(zhuǎn)化氣的沖擊，金屬壁溫高，當由于高溫側(cè)管板襯里護板由為整板制造時的溫度引熱膨脹量比較大，會造成襯里護板開孔與隔熱陶瓷管錯開，導(dǎo)致流通面積減小，難以滿足工藝需求。大直徑時護板可以改成分塊結(jié)構(gòu)，由于板間留有空隙及尺寸減小，熱膨脹時每塊板所產(chǎn)生的熱膨脹量比整張板的熱膨脹量小，有利于對襯里護板開孔與隔熱陶瓷管口的對中，并能減小襯里護板開孔孔徑。護板間留有膨脹量，管板護板采用分瓣搭接結(jié)構(gòu)，以減少殼體膨脹約束。

2.2 管板結(jié)構(gòu)設(shè)計

管板結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮溫差應(yīng)力的影響和管板和換熱管的連接結(jié)構(gòu)。受高溫高速轉(zhuǎn)化氣的沖擊，轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的管板溫度高、兩側(cè)溫差大，管板與換熱管連接部位應(yīng)力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分考慮，保證管板合理結(jié)構(gòu)和強度及管板與換熱管連接可靠性。

2.2.1 薄管板結(jié)構(gòu)

承受較高的溫度和壓力對管板厚度的要求是矛盾的。高的壓力下管板計算厚度需增加，從承受機械壓力考慮，希望管板加厚，從降低冷熱面溫差應(yīng)力考慮，管板減薄更為有利。常規(guī)設(shè)計方法沒有考慮管板兩側(cè)溫差應(yīng)力對管板的影響。當設(shè)備承受壓力較高，管板兩側(cè)溫差過大時，冷熱面溫差應(yīng)力會很大，從而引起管板變形甚至破壞。因溫差應(yīng)力而致使管板破壞的情況曾多次發(fā)生。對于圓平板，冷熱面溫差應(yīng)力式中Δt為圓平板冷熱表面金屬溫度之差，如圖2中ΔT=t3-t2。由此可見降低圓平板冷熱面金屬溫度之差Δt是降低圓平板冷熱面溫差應(yīng)力的唯一途徑。要降低Δt有兩個途徑：

（1）降低圓平板兩側(cè)冷熱流體的溫差（t4-t1）；

（2）降低圓平板厚度δ以達到降低Δt的目的（由圖2中a、b 對照可見）。

圖2 傳熱溫度差

冷熱流體的溫差是由工藝決定的，不能改變。因此，只能通過降低圓平板厚度來降低溫差Δt以達到降低圓平板冷熱面溫差應(yīng)力的目的。由于管板是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔板，溫差應(yīng)力隨Δt的關(guān)系更加復(fù)雜。但其溫差應(yīng)力σ隨Δt的變化趨勢與圓平板是一致的，即冷熱面溫差應(yīng)力隨溫差Δt的增大而增大。因此，可以采用與圓平板一樣的方法來降低管板冷熱面溫差應(yīng)力，即降低管板厚度，采用薄管板。

薄管板是以換熱管的剛性支撐為理論基礎(chǔ)，即充分考慮換熱管的剛性支撐，以管板上最大無布管圓作為圓平板來計算。這種設(shè)計理論在國內(nèi)外都有多次設(shè)計實踐，不僅成功地解決了溫差應(yīng)力的問題，而且滿足了管板的強度要求。我國GB/T 151—2014附錄M和德國AD規(guī)范都給出了薄管板的設(shè)計方法。我國GB/T 151—2014附錄M 僅適合低壓情況下薄管板的設(shè)計方法。

2.2.2 管板的熱補償結(jié)構(gòu)

采用撓性管板可以有效地吸收殼程殼體與換熱管之間的熱膨脹差，改善了管板、殼體、換熱管的受力狀態(tài)；減小了管板的溫差應(yīng)力，增加了管板的變形協(xié)調(diào)能力；這種撓性管板能夠滿足熱補償要求，這也是此類該設(shè)備不用沒有設(shè)置膨脹節(jié)的原因。

2.2.3 管孔布置結(jié)構(gòu)

管孔布置，常見如圖3(a)所示；采用有中心管結(jié)構(gòu)形式。轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器中心管的設(shè)計是考慮通過后端調(diào)溫機構(gòu)通過調(diào)節(jié)中心管內(nèi)流量大小來溫度調(diào)節(jié)溫度，結(jié)構(gòu)簡單，易操作，便于調(diào)節(jié)溫度。由于中心管與換熱管幾何尺寸相差較大，換熱管布置不均勻，造成管板受力不也不均勻；且中心管基本不參與換熱,與周圍換熱管有很大熱膨脹差，使中心管、換熱管與殼程殼體之間變形不協(xié)調(diào)，使設(shè)備較易發(fā)生損壞。而圖3(b)中采用有多管式:管板中心區(qū)采用是一 組較大尺寸的換熱管代替了中心管，周圍排列較小的換熱管，兩種換熱管同時參與換熱，但由于換熱終溫不一樣，可通過調(diào)節(jié)兩組換熱管的氣量來靈活 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化器出口溫度。這種排列方式，既可靈活調(diào)節(jié)溫度，又可改善管板受力，可提高升設(shè)備的安全性。

圖3 換熱管的布置形式

2.3 管板與換熱管的連接結(jié)構(gòu)

管板與換熱管連接歷來是換熱器設(shè)備質(zhì)量控制的重點，管板與換熱管連接常見形式為強度焊加貼脹結(jié)構(gòu)，早期設(shè)計的轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器入口端和出口端管板與換熱管連接都用的此連接結(jié)構(gòu)。此連接結(jié)構(gòu)為角焊接頭，不是全融透結(jié)構(gòu)，焊接質(zhì)量難以控制，且貼脹在高溫下會失去消除間隙的效果?？紤]轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器入口端在高溫高速轉(zhuǎn)化氣的反復(fù)熱沖擊下，引起管端過熱變形、冷卻和收縮，其根部未熔合焊接接頭受剪切應(yīng)力，同時承受一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的作用，會引起換熱管端部產(chǎn)生疲勞和裂紋；且會使脹接的換熱管從管板上被拉開，由于換熱管與管板脹接長度短，而管殼壓差較大在高壓力下，水、水汽進入管與管板間隙，由于蒸發(fā)濃縮，產(chǎn)生固體沉積，阻礙傳熱，使換熱管溫度升高以至于高溫下氧化使汽-水反應(yīng)生成氧化鐵，形成一層絕熱層換熱管表面溫度繼續(xù)上升這又會加速氧化，結(jié)果，氧化愈來愈嚴重，氧化物堆積使管壁凸起，產(chǎn)生永久變形最終破壞易為保證管板與換熱管連接的可靠性，新設(shè)計入口端管板與換熱管多采用了深孔焊結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)，如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)為全焊透結(jié)構(gòu)的對接結(jié)構(gòu)，且改善了受力狀況，焊縫部位主要承受一次應(yīng)力；對接結(jié)構(gòu)改善了檢測條件，可以進行射線檢測，能有效檢測出缺陷的存在，保證了焊接接頭質(zhì)量；且換熱管與管板間沒有縫隙，消除了產(chǎn)生縫隙腐蝕的因素，避免了一般連接結(jié)構(gòu)換熱管與管孔間的間隙腐蝕；同時采用強度焊加貼脹式的焊接接頭會位于高溫側(cè)襯里部位，其溫度更接近溫度較高管程溫度，而深孔焊結(jié)構(gòu)的焊接接頭位于殼體內(nèi)，其溫度更接近溫度較低殼程側(cè)溫度，此結(jié)構(gòu)改善了焊接接頭工作環(huán)境，大大降低此管接頭開裂的風險；且高溫側(cè)管板與換熱管的內(nèi)孔焊焊接接頭離開管板，在焊接過程中減少了對管板的變形影響。但是該深孔焊結(jié)構(gòu)焊接困難，需要有專用設(shè)備，需要有較高的加工設(shè)備和加工工藝，且厚管板難以采用，故深孔焊結(jié)構(gòu)多用于溫度高苛刻環(huán)境下薄管板與換熱管焊接上。

綜合考慮入口端管板與換熱管焊接宜采用深孔焊結(jié)構(gòu)，而出口端管板與換熱管焊接因一方面出口溫度降低了很多，一方面也無高溫高速轉(zhuǎn)化氣的熱沖擊，仍可采用加工經(jīng)濟且焊接方便的強度焊加貼脹結(jié)構(gòu)。

圖4 管板與換熱管連接形式

2.4 降低管板金屬溫度的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于靠近管程入口端的煙氣溫度高，蒸汽氣化劇烈，產(chǎn)氣量大，容易導(dǎo)致該部位的管板、換熱管產(chǎn)生局部過熱及干燒，發(fā)生損壞。所以在結(jié)構(gòu)允許的情況下殼程第一個進水口盡量靠近入口端管板，這種結(jié)構(gòu)使殼程低溫介質(zhì)大部分從管板表面流過，使該局部熱流能以最短路徑流出，強化入口端管板附近的汽水循環(huán)，避免了產(chǎn)生的流體停滯區(qū)，降低了管板的金屬溫度。

3 強度計算

強度計算的關(guān)鍵點是薄管板的強度計算和與管板連接的過渡段的強度計算，其余受壓元件設(shè)計可按標準GB/T 150—2011進行強度計算。

3.1 管板的強度計算

對于類似該設(shè)備的薄管板，我國GB/T 151—2014 附錄M 給出了低壓情況下薄管板的設(shè)計方法，其適用管程設(shè)計壓力不大于1.0MPa；轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器管程設(shè)計壓力一般大于3MPa，超出GB/T 151—2014 附錄M 適用范圍，無法采用，故常規(guī)設(shè)計采用德國AD 規(guī)范給出了強度計算方法。該方法以管板上最大無布管圓作為圓平板來計算，把換熱管作為剛性支撐，如圖5所示。這種方法必須校核換熱管的縱向彎曲剛度，其先決條件是必須保證換熱管的剛性支撐。用該方法設(shè)計大大降低了管板的厚度，管板厚度一般在15～30mm。

圖5 管板最大無布管圓

3.2 管板厚度設(shè)計計算

AD 規(guī)范管板強度計算公式與圓平板相同，是以管板上最大無布管圓作為圓平板來計算。

其中：d——無支撐部分最大圓直徑，mm；

p——管殼程壓力較大值，MPa ；

[σ]——材料許用應(yīng)力，MPa ；

用該公式計算結(jié)果為28mm，與該設(shè)備管板厚度一致。

3.3 換熱管縱向剛性校核

該設(shè)計方法考慮換熱管為剛性支撐，因此需要校核換熱管的軸向彎曲剛度。

其中Et—— 換熱管材料彈性模量，MPa；

J—— 換熱管截面慣性矩，mm4；

do—— 換熱管外徑，mm；

di—— 換熱管內(nèi)徑，mm；

lk—— 換熱管無支撐跨距，mm；

實際縱向彎曲力：

（1）當換熱管伸長量大于殼體伸長量時：

（2）當換熱管伸長量小與殼體伸長量時：

其中：PP—— 壓力產(chǎn)生的縱向力，N；

pT—— 溫差產(chǎn)生的縱向力，N；

當Fk＞[Fk]時，剛度合格。

由壓力產(chǎn)生的軸向力：pP=fpt

其中：f——每根換熱管承受的受壓面積，mm2；

tt——換熱管間距，mm；

pt——管程壓力，MPa

式中：Δl——換熱管和殼體的膨脹差，mm；

l——換熱管長度，mm；

Ft——換熱管總截面積，mm2；

Et——換熱管彈性模量，MPa；

Es——殼體彈性模量，MPa；

Fs——殼體總截面積，mm2；

3.4 過渡段厚度設(shè)計計算

過渡段厚度計算需要通過受力分析，確定其受力模型，經(jīng)分析過渡段與管箱圓筒連接相當于外周邊固定，過渡段與管板、殼體圓筒連接內(nèi)周邊相當于固定且受支撐環(huán)板，其模型如圖6所示。

圖6 過渡段結(jié)構(gòu)及受力模型

根據(jù)機械設(shè)計手冊（第四版）第1篇表1-1-117，1-1-118

內(nèi)邊界處應(yīng)力

外邊界處應(yīng)力

σr1——環(huán)板內(nèi)邊界處徑向應(yīng)力，MPa；

σr2——環(huán)板外邊界處徑向應(yīng)力，MPa；

σt1——環(huán)板內(nèi)邊界處周向應(yīng)力，MPa；

σt2——環(huán)板外邊界處周向應(yīng)力，MPa；

pC——計算壓力，MPa；

R——環(huán)板外徑，mm；

r——環(huán)板內(nèi)徑，mm；

h——環(huán)板設(shè)計厚度，mm；

A16，A17，B15，B16——系數(shù)，由機械手冊根據(jù)R/r查??；

4 結(jié)束語

1）高溫側(cè)管板襯里護板直徑較大時采用分塊結(jié)構(gòu)代替原整板結(jié)構(gòu)，使每個開孔板所產(chǎn)生的熱膨脹量小于整張孔板的熱膨脹量，有利于襯里護板開孔與隔熱陶瓷管口對中，可以減小襯里護板開孔直徑。護板采用分瓣搭接結(jié)構(gòu)，護板間留有膨脹量，有利于減少了膨脹約束。

2）考慮轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器入口端在高溫高速轉(zhuǎn)化氣的反復(fù)熱沖擊下，推薦采用深孔焊結(jié)構(gòu)。

3）結(jié)構(gòu)允許的情況下，殼程第一個進水口盡量靠近入口端管板，強化入口端管板附近的汽水循環(huán)，避免了產(chǎn)生的流體停滯區(qū)，降低了管板的金屬溫度。

4）本文強度設(shè)計是常規(guī)計算方法，有條件進行有限元分析。