氨合成廢鍋的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李智勇

(上海國際化建工程咨詢有限公司， 上海 200063)

在氨合成工藝中，根據(jù)不同工藝工段的溫度區(qū)分，所使用的廢鍋分為高溫(1 000～1 450 ℃)，中溫(600～1 000 ℃)和低溫(100～600 ℃)[1]。氨合成回路中，氨合成塔底部下連的廢鍋，為低溫廢鍋。與中、高溫廢鍋相比，低溫廢鍋在結(jié)構(gòu)和材料上相對簡單，一般不再設(shè)置使用耐火襯里結(jié)構(gòu)，但當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃以上時，需要考慮所用鋼材的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。氨合成工業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，合成回路中氨合成塔和廢鍋的結(jié)構(gòu)及其形式已逐步成熟。目前的氨合成回路廢鍋基本是U型管釜式結(jié)構(gòu)管殼式換熱器，管箱與合成塔底部出口直接連接，避免了合成塔底部出口到廢鍋入口的高溫高壓合金管箱。

1 氨合成廢鍋及其損壞原因分析

1.1 氨合成廢鍋

在氨合成回路中與合成塔底部直連的廢鍋，合成氣從合成塔底部中心管出來后，經(jīng)過直連的管口進(jìn)入廢鍋管箱的封閉熱箱，然后通過設(shè)置在熱箱的換熱管入口，與殼側(cè)介質(zhì)水換熱降溫后經(jīng)換熱管出口和管箱出口到下游設(shè)備。廢鍋與合成塔的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 氨合成塔與廢熱鍋爐直連

在上述典型的氨合成回路中，廢鍋的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

由于管程合成氣介質(zhì)中含有H2、N2、NH3、CH4等氣體，且溫度較高，需要考慮抗氫腐蝕和金屬表層氮化[2]，根據(jù)Nelson曲線，需選擇Cr-Mo或者性能更好的材料。通常，廢鍋接觸合成氣介質(zhì)的承壓材料選擇2.25Cr-1Mo，既能滿足抗腐蝕要求，也能在上述溫度和壓力下，有較高的強(qiáng)度，常用牌號有SA387-Gr22/SA336-F22，或國標(biāo)材料14Cr1MoR/14CrMo。為了避免焊后熱處理，采用在管板上堆焊鎳基合金，如INCONEL600。

表1 合成氨廢熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

為了節(jié)省傳統(tǒng)的合成塔到廢鍋的高溫、高壓高合金管線，將氨合成塔與廢鍋直連，然后在廢鍋底部設(shè)置鞍座支撐。

1.2 潛在損壞原因分析

除了Cr-Mo鋼在上述溫度、壓力下因管程壁厚帶給設(shè)備在制造、焊接、熱處理上的潛在損壞因素外，從設(shè)計(jì)的角度考慮，也存在潛在損壞的因素。

(1) 管程進(jìn)口與出口的溫差很大，按照一般U型換熱管上進(jìn)下出流體走向，管板上下部的溫差達(dá)150 ℃以上，由此引起管板極大的熱應(yīng)力[3]。管板的熱應(yīng)力，除了會導(dǎo)致管板本身厚度增加外，因管板約束系統(tǒng)與管殼程殼體的軸向位移需要協(xié)調(diào)，即過大的熱應(yīng)力會傳導(dǎo)到管板與管殼側(cè)殼體焊接焊縫處，還會導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋。

(2) 換熱管與管板焊接接頭多采用常規(guī)角焊縫結(jié)構(gòu)，以脹接+焊接方式實(shí)現(xiàn)。在管程側(cè)，換熱管突出管板并與管板進(jìn)行角焊縫焊接[4-5]。管接頭在高溫、高壓的情況下，受到拉脫應(yīng)力作用；換熱管與管孔存在著縫隙腐蝕；換熱管與管板堆焊材料進(jìn)行異種鋼焊接，兩種材料因線性膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力。綜合考慮，換熱管管接頭的角焊縫結(jié)構(gòu)是非常脆弱的，一旦在制造過程中存在瑕疵，即使檢測結(jié)果在檢測規(guī)范的可接受范圍內(nèi)，在長期運(yùn)行中也會變成潛在泄露的缺陷源。

(3) 取消氨合成塔到廢鍋的合金管線，采用直連結(jié)構(gòu)，雖然避免了高溫管道應(yīng)力引起法蘭連接處潛在的泄露風(fēng)險(xiǎn)，但導(dǎo)致了廢鍋的支撐形式發(fā)生變化。若廢鍋還是按常規(guī)方法設(shè)置管殼程鞍座，廢鍋將由直連管口以及兩個鞍座、三點(diǎn)支撐組成，造成設(shè)備支撐靜不定結(jié)構(gòu)，無法確定各處的受力。

上述潛在的缺陷是管殼式換熱器的通病，而氨合成回路廢鍋在臨氫工況下使用了Cr-Mo鋼，在高溫、高壓下缺陷更容易發(fā)生，因此直連廢鍋的優(yōu)化設(shè)計(jì)更有必要。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對上述潛在的風(fēng)險(xiǎn)，對廢鍋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量從源頭上避免缺陷發(fā)生。

2.1 間距布管和噴泉式布管

一般換熱管布管如圖2(b)所示，按照管程的數(shù)量，如廢鍋的管程是兩程，那么設(shè)置進(jìn)口換熱管布置在管板上部，出口換熱管布置在管板下部，在進(jìn)出口介質(zhì)溫度相差非常大的工況下，管板的熱應(yīng)力也隨之增加。圖2(a)為間距布管，熱進(jìn)口換熱管與冷出口換熱管間隔放置，管板上的同一區(qū)域內(nèi)溫度分布均勻；圖2(c)為噴泉式布管，用出口換熱管的冷氣體沖刷換熱管熱進(jìn)口管接頭，冷卻中心區(qū)熱端管板溫度，避免溫差應(yīng)力過大。

考慮到廢鍋管箱盡量走冷氣體，可以采用圖1結(jié)構(gòu)配合噴泉式布管：在管箱內(nèi)設(shè)置熱箱及其通道，熱合成氣進(jìn)入圖2(c)布管圓的中心區(qū)，換熱后出來的冷氣體沖刷換熱管熱端，然后進(jìn)入管箱，使得管箱筒體接觸的都是降溫后的冷合成氣，增大了管箱的可靠性和安全性。

圖2 換熱管布管

圖3 管接頭

2.2 內(nèi)孔焊管接頭

目前國內(nèi)換熱器的換熱管與管板的焊接接頭多采用角焊縫接頭形式，該合成廢鍋由于管板上堆焊了6～10 mm的INCONEL鎳基合金，其接頭如圖3所示。在管箱熱合成氣進(jìn)入換熱管進(jìn)口熱端時，其角焊縫要承受的溫度將達(dá)到操作溫度445 ℃左右，即使有換熱管出口冷端的冷合成氣沖刷冷卻，部分管接頭的溫度也依然可能達(dá)到445 ℃。因是異種鋼焊接，在如此高溫工況下，角焊縫受到極大的拉應(yīng)力作用。而角焊縫結(jié)構(gòu)中，換熱管與管孔之間存在間隙，此處介質(zhì)流速非常低，可認(rèn)為是靜態(tài)，在高溫和Cl-工況下，存在間隙腐蝕的可能。特別是Cr-Mo鋼管接頭的焊接，在焊接應(yīng)力作用下，存在延時裂紋的可能性非常大。

國產(chǎn)合成廢鍋的質(zhì)量目前主要依靠制造廠控制，在管接頭的焊接上雖盡量避免潛在缺陷，但依然會出現(xiàn)管接頭泄露的情況。

20世紀(jì)80年代，子宮頸癌腹腔鏡手術(shù)率先興起，主要包括經(jīng)腹和經(jīng)陰道(自然腔道)腔鏡或機(jī)器人輔助的腔鏡子宮頸癌根治術(shù)。兩者的區(qū)別在于切除陰道壁和主骶韌帶的手術(shù)操作路徑上的差別。

如果采用圖3(b)內(nèi)孔焊管接頭結(jié)構(gòu)，則可以在設(shè)計(jì)源頭上避免管接頭缺陷。與圖3(a)相比，內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢：

(1) 角焊縫改為對接焊，全熔融焊接結(jié)構(gòu)，有更高的焊接強(qiáng)度。在新版的GB/T151—2014《熱交換器》中，采用內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)，只要換熱管軸向應(yīng)力滿足要求即可，不再校核拉脫力。

(2) 管接頭焊接接頭位置由管程高溫側(cè)轉(zhuǎn)移到殼側(cè)水中，所處環(huán)境大大改善。

(3) 消除焊接過程中異種鋼熔融組織，變?yōu)橥N鋼焊接。

(4) 消除了換熱管與管孔的縫隙腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

(5) 內(nèi)孔焊管接頭的焊接全部由焊機(jī)自動焊接完成。

2.3 彈簧支座支撐

如圖1所示，將合成塔出口到廢鍋的高合金管道改為直連結(jié)構(gòu)，廢鍋的設(shè)備支撐將由鞍座和直連管口聯(lián)合支撐。如果采用2個鞍座，再加上直連管口的支撐，那么廢鍋將同時受到3個支撐力，而3個支撐力的大小無法確定，將導(dǎo)致直連管口在開、停車等工況下無法自由膨脹，受到熱應(yīng)力影響，管板部位的受力變得復(fù)雜。

直連的管口除了承受豎直方向的力外，還受到徑向和軸向的彎矩，整體受力為軸向、徑向、豎直Z三個方向的力和力矩[6]，如圖5所示。

在各工況下，因?yàn)樵O(shè)備質(zhì)量不同，管口受到的載荷不同。因此，在設(shè)計(jì)階段，定義長期的操作工況下，管口承受的彎矩Mt為0，在這一假定條件下，建立聯(lián)合方程：

(1)

式中：Ls——彈簧支座位置；

W——廢鍋操作質(zhì)量；

G——廢鍋操作時的重心；

Fn——廢鍋管口載荷；

fs——彈簧支撐力。

圖4 廢鍋支撐結(jié)構(gòu)

C.L..廢鍋設(shè)備中心線P.管口豎直方向集中載荷Mt.管口受到彎矩ML.管口受到軸向外力矩MC.管口受到徑向外力矩VL.管口受到軸向外力VC.管口受到徑向外力

圖5直連管口載荷

確定管口和彈簧熱態(tài)操作工況的載荷，以及鞍座(彈簧支座)的位置。

通過一系列的計(jì)算，可以得到管口以及安裝受到的6個力(3個力+3個力矩)。按照美國焊接研究協(xié)會WRC297和WRC107公報(bào)，分別對管口載荷和鞍座載荷引起的廢鍋筒體進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算，并校核其應(yīng)力值。

3 結(jié)語

針對目前國內(nèi)容易損壞的合成廢鍋提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，還可以在其他設(shè)備中使用。

(1) 直連管口及其彈簧支撐。高溫、高壓設(shè)備下連設(shè)備中，采用此結(jié)構(gòu)，可以避免潛在的泄露風(fēng)險(xiǎn)，同時設(shè)備的布置更加緊湊合理。使用單鞍座配置彈簧，還可以有效吸收設(shè)備熱膨脹引起的熱位移。但該結(jié)構(gòu)的核心在于受力分配及其布置。

(2) 間隙布管和噴泉布管。在換熱器進(jìn)出口溫差大的場合都可以使用?？捎行?yōu)化管板受力，降低同一管板面上的熱應(yīng)力。

(3) 內(nèi)孔焊焊接技術(shù)。其優(yōu)勢非常明顯，可將管接頭轉(zhuǎn)移到溫和工況。但目前國內(nèi)內(nèi)孔焊制造技術(shù)應(yīng)用不多，特別是在Cr-Mo鋼焊接上。主要限制原因是內(nèi)孔焊焊機(jī)要特殊設(shè)計(jì)；內(nèi)孔焊焊縫成型后，檢測要求高；如果有缺陷，難以返工；內(nèi)孔焊裝配要求精度高，環(huán)境潔凈。

本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)，除了能在設(shè)計(jì)上提高內(nèi)孔焊直連廢鍋的可靠性外，更希望國內(nèi)的設(shè)計(jì)和制造業(yè)能與其匹配，以實(shí)現(xiàn)眾多關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化。