毛小亮 孫建兵 劉韞硯

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

乙烯裝置的核心設(shè)備是裂解爐，急冷換熱器是乙烯裂解裝置中工藝性較強(qiáng)的關(guān)鍵部分，在裂解裝置中主要承擔(dān)了兩個(gè)任務(wù)：一是將裂解爐中的高溫裂解氣通過急冷換熱器急冷，避免發(fā)生二次反應(yīng)，保證烯烴收率不下降；二是把裂解氣中的高位熱能以高壓蒸汽的形式回收，降低能耗，提高乙烯裝置的經(jīng)濟(jì)性［1］。該設(shè)備的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到裂解爐能否長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著國內(nèi)乙烯產(chǎn)業(yè)向著大型化發(fā)展，單臺(tái)裂解爐的能力不斷增加，對(duì)急冷換熱器的處理量、裂解氣停留時(shí)間［2］、換熱面積、出口溫度、周期要求日益嚴(yán)格。針對(duì)上述問題，筆者設(shè)計(jì)了一種大型二級(jí)急冷換熱器系統(tǒng)。

1 急冷換熱器工藝特性和結(jié)構(gòu)特性研究

裂解氣急冷換熱器的管板必須承受蒸汽壓力造成的負(fù)荷，并允許管束和殼體間有不同的膨脹。對(duì)于火管式急冷換熱器，若采用較厚的管板，厚管板水側(cè)和工藝氣側(cè)的壓力、溫度差異較大，造成厚管板本身產(chǎn)生很大的溫差應(yīng)力。同時(shí)，由于管板厚度大、撓性小，換熱管與筒體之間的熱膨脹差引起的溫差應(yīng)力得不到吸收，都會(huì)施加到換熱管-管板的焊縫上，極易引起火管式急冷換熱器換熱管和管板間的焊縫失效。另外，管板較厚，管板與換熱管軸向環(huán)隙過長，易發(fā)生鹽類在環(huán)隙中濃縮結(jié)垢和應(yīng)力腐蝕。因此，大能力第二急冷換熱器上下均應(yīng)采用撓性薄管板和彈性連接件來吸收部分換熱管和筒體的熱膨脹差。撓性薄管板和彈性連接件固有的彈性吸收了部分換熱管和殼體之間的熱膨脹差，有利于管、殼程溫差的熱補(bǔ)償；由于管板較薄，管板兩側(cè)的溫差也較小，這就減小了管子-管板和筒體-管板失效的可能性。

換熱管與管板的連接處是入口管板最危險(xiǎn)的部位，所以換熱管與管板的焊接十分重要。以往一般采用開槽脹接、帶密封焊的開槽脹接或強(qiáng)度焊等方法，這在苛刻的高溫高壓操作條件下并不適宜，單一的強(qiáng)度焊雖然能耐較高的溫度和壓力，但多次的冷熱循環(huán)后，焊口容易產(chǎn)生疲勞裂紋。另外，由于換熱管與管板間存在間隙，雖經(jīng)脹接緊密，但多次熱循環(huán)后，少量爐水進(jìn)入間隙，間隙中的爐水蒸發(fā)、濃縮、結(jié)垢易產(chǎn)生間隙腐蝕。針對(duì)這些缺點(diǎn)，撓性薄管板與換熱管的焊接采用內(nèi)孔焊，內(nèi)孔焊不僅有好的焊縫強(qiáng)度，而且可消除換熱管與管板之間的間隙，不會(huì)發(fā)生間隙腐蝕，內(nèi)孔焊還可以使焊縫處于水側(cè)的冷卻之下，降低焊縫溫度，提高焊縫的可靠性。

進(jìn)入第二急冷換熱器的裂解氣溫度較高、流速較大、熱流密度較高，一旦發(fā)生流量分配不均或偏流現(xiàn)象，將引起整個(gè)管板和換熱管入口溫度分布不均，而且，在這種情況下，第二急冷換熱器入口流道（分配器）也容易變形和損壞。為了將裂解氣均勻分配到每一根換熱管中，需要對(duì)第二急冷換熱器入口流道進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，用國際通用的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX對(duì)第二急冷換熱器入口流道進(jìn)行模擬，通過多方案比較最終確定合理的工藝氣入口流道長度和擴(kuò)展角大小。

2 大能力第二急冷換熱器設(shè)計(jì)

某大型石化企業(yè)新建百萬噸乙烯項(xiàng)目，單臺(tái)裂解爐處理能力達(dá)15萬噸/年，該裂解爐急冷系統(tǒng)采用二級(jí)急冷技術(shù)。第一急冷換熱器采用線性急冷換熱器，裂解氣停留時(shí)間短、沒有流量分配問題。第二急冷換熱器（SQE）采用立式撓性薄管板列管式急冷換熱器，此類換熱器具有處理量大、換熱面積大的特點(diǎn)，能更大程度上降低急冷換熱器的出口溫度。

筆者根據(jù)急冷換熱器工藝特性和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。該第二急冷換熱器涉及類別為Ⅲ類，筒體直徑1 820 mm，布置有502根換熱管，有效換熱管長7 200 mm，換熱管規(guī)格φ51 mm×4.5 mm，換熱面積579.1 m2。工藝裂解氣走管程，上進(jìn)下出；鍋爐給水/蒸汽走殼側(cè)，下進(jìn)上出。鍋爐給水（BFW）來自于一個(gè)共用的高壓汽包，采用自然循環(huán)方式，通過上升、下降管組成循環(huán)回路，并由此產(chǎn)生高壓蒸汽。為了安全運(yùn)行，必須保證殼側(cè)有連續(xù)和均衡的鍋爐給水，在最低處設(shè)置排污裝置，在最高處設(shè)置排汽裝置。設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表1。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 大能力第二急冷換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 大能力第二急冷換熱器的結(jié)構(gòu)圖

2.1 撓性薄管板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大能力第二急冷換熱器采用撓性薄管板設(shè)計(jì)。采用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)管橋區(qū)、管束和殼體之間的翻邊區(qū)進(jìn)行嚴(yán)格的應(yīng)力分析和應(yīng)力評(píng)定，以確保撓性薄管板設(shè)計(jì)的可靠性。撓性薄管板管板結(jié)構(gòu)如圖2所示。因第二急冷換熱器結(jié)構(gòu)和載荷具有對(duì)稱性，取其四分之一進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，圖3、4展示的是計(jì)算模型和網(wǎng)格圖。

圖2 撓性薄管板結(jié)構(gòu)圖

圖3 有限元計(jì)算模型

圖4 有限元網(wǎng)格圖

對(duì)撓性薄管板管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度分析，可得如圖5、6所示結(jié)果。有限元分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足各工況條件下強(qiáng)度評(píng)定要求。

圖6 應(yīng)力強(qiáng)度云圖

2.2 裂解氣的流量分配

裂解氣采用兩個(gè)入口，從SQE上部管箱兩側(cè)進(jìn)入，通過入口分配器進(jìn)入換熱管，入口分配器采用CFX輔助模擬設(shè)計(jì)，以便獲得最佳的流量分配。入口分配器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 入口分配器結(jié)構(gòu)圖

CFX模擬輔助設(shè)計(jì)先根據(jù)無分配器的極端工況進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，針對(duì)需要改善的流動(dòng)問題，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)優(yōu)化分配器結(jié)構(gòu)，使裂解氣分兩路進(jìn)入大型急冷換熱器的入口管箱后，經(jīng)氣體分配器和管箱之間的夾套空間向上流動(dòng)，在分配器的上端，流體充分混合后向下流過分配器管內(nèi)，進(jìn)入換熱器布管區(qū)，對(duì)此分配器進(jìn)行模擬優(yōu)化，從而得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖8分別是無分配器和有分配器的換熱管束出口質(zhì)量流量云圖。對(duì)兩種工況進(jìn)行模擬比較，分配器的急冷換熱器換熱管內(nèi)流體分配勻度達(dá)98%，遠(yuǎn)高于未設(shè)分配器的85%，說明該入口分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可靠。

圖8 管束出口質(zhì)量流量云圖

2.3 換熱管與管板連接設(shè)計(jì)

換熱管與管板采用內(nèi)孔焊，換熱管與下管板上表面、上管板下表面進(jìn)行全焊透，不僅有好的焊縫強(qiáng)度，而且消除了管子與管板之間的間隙，不會(huì)發(fā)生間隙腐蝕，內(nèi)孔焊可以使焊縫處于水側(cè)的冷卻之下，降低了焊縫溫度，提高了焊縫的可靠性，較傳統(tǒng)的換熱器-管板連接結(jié)構(gòu)更先進(jìn)，安全性更好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)（內(nèi)孔焊）圖

2.4 殼體部分變徑段設(shè)計(jì)

第二急冷換熱器殼體部分分別在上管板與下管板附近增加兩個(gè)變徑段，可大幅度減小管殼程的溫差應(yīng)力，起到類似于膨脹節(jié)作用的效果，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 殼體部分變徑段結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)件的應(yīng)力測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該急冷換熱器設(shè)計(jì)的可靠性和合理性，制作了與之結(jié)構(gòu)相近、材料相同、尺寸比例相似的強(qiáng)度試驗(yàn)件，采用電阻應(yīng)變測(cè)量法［3］對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)布置各測(cè)量點(diǎn)，確定各部位應(yīng)力的大小、方向及其分布規(guī)律。測(cè)量測(cè)試中除了進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力下的應(yīng)變測(cè)試，還對(duì)6.0、8.0、10.0、12.5、17.5 MPa各壓力等級(jí)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，記錄了加載與卸載過程中的全部應(yīng)變值。在全部測(cè)試過程中，所有接頭無任何泄漏現(xiàn)象。分析從各測(cè)試點(diǎn)所得到的應(yīng)力值，可以看出管板上高應(yīng)力的點(diǎn)幾乎集中在管孔與筒體連接處的附近，在筒體部分，最大應(yīng)力在周向應(yīng)力，尤其是小筒體向大筒體開始過渡處。從測(cè)試結(jié)果看，該急冷換熱器設(shè)計(jì)是可靠可行合理的。

4 應(yīng)用情況

筆者設(shè)計(jì)的第二急冷換熱器于2020年9月正式投用。乙烯裂解爐經(jīng)歷了幾十個(gè)運(yùn)行周期，換熱器運(yùn)行平穩(wěn)，未發(fā)生泄漏事件，各項(xiàng)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，管程出口溫度320 ℃，滿足工藝出口溫度低于342.9 ℃的要求。從長期跟蹤數(shù)據(jù)來看，急冷換熱器換熱效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行末期和投用初期溫升平緩且在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的大能力第二急冷換熱器采用立式撓性薄管板急冷換熱器，具有如下優(yōu)點(diǎn)：撓性薄管板和彈性連接件可有效吸收殼體與換熱管之間因熱膨脹量不同造成的溫差應(yīng)力；特殊的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)保證了水以較高的流速流經(jīng)高溫管板，有效防止高溫管板局部過熱；薄管板結(jié)構(gòu)保證了水側(cè)對(duì)管板的冷卻作用，不僅減小了管板本身的熱應(yīng)力，而且節(jié)約了大量材料；采用了較大的換熱面積，且采用均布器改善了換熱管中裂解氣分配情況，提高了每根換熱管的利用率，降低了裂解氣出口溫度，使第二急冷換熱器能更多地回收熱能且具有較長的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

大能力第二急冷換熱器的成功投用，實(shí)現(xiàn)了裂解爐的節(jié)能降耗和長周期運(yùn)行，提升了國產(chǎn)急冷換熱器的市場(chǎng)競爭力，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益顯著。