废热锅炉的结构设计

废热锅炉的结构设计 程孝福 (大连中集重化装备有限公司，辽宁大连116600) 摘要：介绍了依照国外工程标准设计、制造的高温高压立式废热锅炉的结构特点，结合废热锅炉所 用材料以及介质在设备内的流程，在管、壳程介质入口和出口的防热冲击和防磨损的装置方面，壳 体内的高密度耐热水泥防护层，管束布管方式，管板表面堆焊低硬度碳钢隔离层，以及管箱法兰和 管板密封面堆焊镍基合金的0形环密封形式等方面，做出了详细的分析，为类似设备的结构设计 提供了借鉴。 关键词：废热锅炉；结构：设计 中图分类号：TK22992 文献标识码：A 文章编号：10014837(2009)06001306 doi：103969jissn100148372009060O4 Structure Designing of Waste Heat Boiler CHENG Xiaoflu (Dalian CIMC Heavy Chemical Equipment Co，Ltd，Dalian 1 16600，China) Abstract：This paper introduces the structural characteristics of high temperature and high pressure waste heat boiler designed and manufactured in accordance with the foreign engineering standardsTo link with materials used on equipment and media flowa detailed analysis about antishock and antiwear de- vices near inlet and outlet，highdensity heatresistant cement layer，tubes layout，tube sheet weld O verlayas well as nickelbased alloy Oring seal form were put forwardA reference for similar equip ment structure designing was provided Key words：waste heat boiler；tructure；design 1 前言 非火焰直接加热式废热锅炉作为废热回收利用 的一种装置，一般均要承受较高温度下运行的苛刻 条件。由于设备需要长期在高温下运行，所以对其 结构的要求和制造材料的选用都是设计者重点考虑 的。 文中基于利用国外先进技术设计制造完工，并 且目前在国内某公司已安全运行4年，经实际运行 验证的典型立式废热锅炉，探讨分析该设备在高温 高压下的结构特点和可利用的先进技术。 2设计条件和主要技术参数 21 设计标准 ASME Section，Divisionl 2001；TEMA CLASS R，8 Edition 1999；EJMA 1988以及国外工程标准 及说明。 22设计压力和设计温度 13 废热锅炉的结构设计 Vo126N06 20o9 该设备设计压力和设计温度见表1。 表1 壳程 管程 设计压力 333 设计压力 l157 (MPa) (MPa) 设计温度() 设计温度() 上管箱封头 上壳体法兰 399 343 和法兰 上段壳体 454 固定管板 399 上锥体 454 换热管 454 中段壳体 260 浮动管板 399 下锥体 454 浮头盖 399 下端壳体 454 壳内尾管 399 下壳体法兰 343 壳内尾管法兰 399 膨胀节法兰 343 壳外尾管 380 壳体反向法兰 343 壳外尾管法兰 380 注：最低设计金属温度：管、壳程均为一157 。 23设备焊缝系数 管、壳程焊缝系数均为10。 24介质和操作温度 壳程介质：KRES工艺气，壳程人口出口温度： 715314；管程介质：锅炉给 蒸汽，管程人口 出口温度：314314。 3设备施工简图 设备设计完成后的施工简图见图1。 壳体公称直径：01180 mm；中段壳体内径： 01540 mm；换热管规格： 3175 mm277 mm，L =10000 mm；折流板间距：B=315 mm；设备总高： 14310 mm。 4设备所用主要金属材料 SA一516 70 SA一105 SA一106B SA一38711 CL2、SA一336一F11 CL3、SA一213一T11、SA一335 一PI11SA一240 304H1SA一266 GR2 SA一283C SB 一168(N06601)、SB一167(N06601)、sB一443(In cone1 625)、Inconel 601、SA一193 B7和SA一194 2H 5设备的特点 该设备设计合理，结构紧凑，具有不同于一般废 热锅炉的显著特点。 l4 1 51设备操作工况 因设备不仅承受高温，同时承受高压，故依据壳 程不同部位的热量分布，对壳程设计温度采取分段 考虑。 52设备结构集合多种方法 (1)耐火层：壳体内部锚固大厚度耐火层； (2)水夹套：壳体外设置水夹套； (3)堆焊结构：不仅堆焊碳钢软金属，而且堆焊 镍基合金； (4)O形圈密封：密封结构为O形圈自紧密封， 垫片为镍基合金外镀金属银的中空白紧O形圈； (5)膨胀节：Inconel 625单层波纹管外加刚性 环加强； (6)螺栓上紧：设备主螺栓使用液压拉伸器上 紧，球面垫圈； (7)壳程介质入口和出口处管束的保护，以及 壳程内介质气流合理分布； (8)防止管程人口介质直接冲刷，而对管头采 第26卷第6期 压 力 容 器 第199期 取的保护措施。 53材料方面的多样性 使用了低碳钢、耐热钢、不锈钢、镍基合金等。 可以看出，该设备从工况和材料使用方面相对 复杂，而且结构也比较典型，有可借鉴的地方。 6设备结构分析 61 壳程 (1)由于壳程介质工艺气温度高，流量大，为充 分提高余热的利用率，壳程的介质进口设置于壳体 的中部，出口设置于壳体的两端，是两个直径相对较 小的接管，介质分配为一分二结构。 壳体材料：上壳体法兰、下壳体法兰：SA一336 一F11 CL3；上段壳体、下段壳体：SA一38711 CL2；上锥体、下锥体：SA一38711 CL2；中段壳体： SA一516 70。 中段壳体外部，设置有用于控制壳体壁温的常 压水夹套。中段壳体内表面拥有利用耐热不锈钢 SS310锚钉锚固的双层硬质耐火水泥防护层；介质 进口接管内部有发泡耐火保护层。中段壳体与上锥 体、下锥体的连接结构如图2所示，导向筒和环形挡 板材料为SB一168(N06601)，环形挡板与耐火水泥 防护层轴向留有6 mlTl的膨胀间隙。 I 一 一 11803 I I蒌 罱 。 T 二 I 0 一 ， | 。 。 一100一l 图2 (2)在壳程的介质进口所对应的管束部位，设 置有气体分布器(见图3)，用于改善介质气流的分 布和对管束的直接热冲刷。进口处的分布器为带上 下环板的对称结构，圆筒体上均布 812 mm的透 气通孔，气流首先在分布器圆筒和壳体耐火防护层 之间的环带充满，然后才能通过这些通孔接触换热 管，起到保护换热管的作用。 3 整个分布器的材料均为耐热的镍基合金：sB一 168(N06601)。 (3)在壳程的介质出口所对应的管束部位，设 置有气体导流器，见图4。导流器由圆筒和下环板 组成，下环板外径与简体内径为间隙配合，阻止了介 质气体短路直接从出口排出，迫使介质气体继续向 换热管端部流动，到达导流器上端面，然后反向进入 导流器圆筒与简体所夹成的环形腔，从出口均匀排 出。导流器的设置，使介质与换热管的接触长度增 加，死区减小，提高了换热效率，扩大了废热锅炉的 有效换热面积。整个导流器的材料均为耐热的镍基 合金：SA240304H。 图4 (4)为了平衡设备运行时管、壳程伸长量的不 同，在壳体的下部设有波形膨胀节，见图5。 膨胀节的波纹管为单层薄壁结构。为了承受内 压和介质高温，波纹管选用SB一443(Ineonel 625) 材料，同时外部使用整体加强环加强平衡内压。 (5)壳体的硬质耐火水泥防护层不允许接触 水，所以壳程要在不安装管束，并且在硬质耐火水泥 防护层施工前单独进行水压试验。波形膨胀节将承 受水压试验时的轴向拉伸力。为了平衡这个力，同 1 5 CPVT 废热锅炉的结构设计 Vo126No6 2oo9 时考虑筒节长度的有限空问，在连接波纹管的筒节 上，设置了平面环形法兰及高强度紧固螺柱，使得膨 胀节整体结构紧凑。 l j 、 港 三“。 ，( l f 7 一 350 一， _ 西 484 一 5 (6)在上管板与上壳体法兰外端面的对应位置 均焊接有周向均布的4个槽形伸出固件，利于液袋 放人和胀起，使管束与壳体分离，抽出管束。这种结 构一般设备上很少见到，大多使用顶丝结构。但对 于重量较重，并且要求竖直抽出和装入，不允许对筒 体内壁磕碰的管束，才会使用。 62管程 (1)管程介质进口位于设备的最下部，介质为 锅炉给水和蒸汽的汽液混合物，这种高温蒸汽含有 微量的固体颗粒，它将会对浮动管板的换热管头进 行剧烈冲刷和研磨，从而加速管头的物理破坏。为 此，在壳内尾管和浮动管板问，设置有介质分布筒， 见图6。 图6 在分布筒上均布直径012 mm的透气小孑L，管 程介质经由管程人口进入后，直接冲击浮动管板表 面，然后返回由透气小孔进入球形浮头内，再经由管 头进入换热管。分布筒阻止了入口介质直接到达管 头位置，并使进入球形浮头的介质形成湍流，减缓气 流的冲刷速度，保护了管头。 为了防止介质的冲刷，常用结构有：防冲板和导 16 流锥体的形式，但设备上使用介质分布筒的情况相 对要少一些，虽然结构相对复杂，但其优点也显而易 见。分布筒的材料为：SA5167O。 (2)本台设备因管束的上管板以及下管板均与 壳体螺栓刚性固定，归类于带膨胀节的固定管板换 热器。但为了管束的检修和清理壳程内部在设备长 期使用后所堆积废物，将管束设计为能够无损抽取 的螺柱连接结构。 本设备管程为高压侧，对管程下部入口利用了 两个相对的高压法兰将管程与外界管道连接，同时 壳程底部利用反向法兰与管程连接，且设有用于管 束装入的导向挡板，解决了法兰找正的问题，见图 7。管程内尾管法兰外表面和壳程反向法兰内表面 堆焊有308L不锈钢，反向法兰下部设有小直径排 出孔，内部堆焊308L不锈钢，便于壳程防腐和介质 浓缩后的废物排出。 7 (3)固定管板和浮动管板采用锻件堆焊结构。 锻件母材为：SA一336一F11 CL3；管板布管区堆焊 E6018；固定管板的密封面处堆焊nconel 601；换热 管材料为：SA一213一T1l。 管板母材和换热管材料均为P4耐热钢，焊接 裂纹倾向显著，如对管头直接焊接，则焊前预热、焊 后消氢，层问控温以及焊件厚度的差异，延迟裂纹等 的影响，将很难保证接头的质量，而且返修也将非常 困难。焊接缺陷的产生将不可避免。同时，管壳程 温差的影响，易使高硬度的管头焊缝疲劳，从而导致 破坏。 本设备的管板布管区表面首先堆焊了10 mm 厚的低硬度高韧性碳钢焊材E6018，形成通常所称 的“BUTLER”，即“奶油层”柔性结构。低碳钢层作 为过渡层，使P4材料间的焊接变为低碳钢与耐热 钢的焊接，管头的焊缝韧性得到保证，使用寿命得以 延长。 第26卷第6期 压 力 容 器 总第199期 设备操作时，壳程介质气体对管束的吹动，易 导致管束振动，同样会使管头焊缝疲劳，而且管束的 重量以及壳程自由伸长的膨胀节下部的重量将全部 由管头焊缝来承担，会对管头焊缝产生较大的剪应 力，所以管头焊缝采用了强度焊加强度胀接的结构， 并且换热管管孔的坡口采用J形结构，坡口深度为 4 mm。管头节点见图8。 图8 (4)换热管孔在管板上的排布形式为：管板中 心部位无换热管孔，多层换热管孔按同心圆等间距 排列的结构，见图9。 图9 换热管束中心部位无换热管，折流板采用饼环 结构，使介质在管束周向均匀分布为等厚气垫，有利 于管束和壳层简体周向均匀受热。 (5)上管箱法兰与固定管板的连接密封结构采 用镍基O形环垫圈的自紧结构，见图10。管箱法兰 的密封面处以及固定管板的密封面处均为镍基堆焊 结构，堆焊覆层材料为Inconel 601，厚度为10 mm， 表面粗糙度为08 Ixm。 0形环密封垫圈为中空圆管结构，管外径9525 mm，壁厚089 mm，材料为Inconel 718外镀102 mm的金属银。 图10 这种密封结构减小了法兰预紧密封时的螺栓应 力，使需要的螺栓截面积减小，有利于螺栓在法兰环 有限的范围内排布。 O形环垫圈材料Inconel 718为沉淀硬化镍基 合金，刚度、硬度非常高。垫圈安装预紧后，来自法 兰的压力使环垫发生弹性变形，并传递足够大的压 应力使表面银层发生足够的塑性流动，填充法兰密 封面粗糙度空隙和弥补密封面的不平度，并对密封 面产生足够大的预紧力，从而实现预紧密封，设备水 压试验时，同样密封良好。 (6)连接管箱和固定管板的设备主螺柱也非常 有特点。螺柱为中心通孔内插圆棒的结构，一端被 焊接，另一端常温磨平，见图11。 11 螺柱材料为：SA一193 B7，中心通孔07 mm，圆 棒材料为：Nickel Alloy C一276，直径06 mm。磨平 端的表面粗糙度为08 m。 这种螺柱的中心圆棒被称为应力指示棒。在螺 柱弹性变形拉伸上紧后，螺柱端面和指示棒端面会 出现一个高度差，通过测量这个差值即可确认螺柱 的弹性变形量，以及整圈螺栓是否已被均匀上紧。 这种结构在国内设计的尿素设备、加氢设备以及煤 化工等关键高压设备上均未使用过。尽管这种螺柱 的中心通孔会减去螺柱部分有效截面积，但其数据 直观可读的优越性是非常明显的。 17 CPVT 废热锅炉的结构设计 Vo126No6 20o9 7设备的强度计算 设备的整体计算是在美国COADE公司开发的 ASME和TEMA规范计算软件CODEWARE上进行 的。利用此软件，分别对设备的上、下管箱、管板，壳 程筒体、反向法兰及设备上的接管补强、接管载荷等 完成核算。 其中，上管箱法兰和上管板的强度计算，使用了 O形环的弹性回弹量052 mm和密封比压力14 MPa，数据均由0形环制造商提供。 壳体的膨胀节部分按美国制造商协会规范EJ MA计算，重点考虑了单层膨胀节在操作和压力试 验时，轴向膨胀量以及在内压作用下的稳定性。 8 结语 该立式水管废热锅炉为直管结构，它与国内的 直管废热锅炉在结构上有非常大的差别： (1)结构紧凑，上管箱高压球头与法兰直接焊 接，无管箱简体筒节和进出人孔，下管箱入口法兰连 接简单可靠； (2)克服了常规高压侧管箱法兰与管板焊接密 封，无法无损拆装管束的问题。而一般的同类设备 采用的是管箱法兰与管板焊接的方法密封，不利 于检修； (3)克服了u形管式废热锅炉壳程入口高6 温工艺气对u形弯管段的热冲击而易于引起爆 管_1 的缺点； (4)内导流筒的设置，使换热效率提高。整台 设备重量轻，成本低，可靠性好； (5)不足之处是O形环很贵重，而且采购困 难，本设备使用的是美国Garlock Helicoflex公司的 产品。 参考文献： 1古大田，方子风废热锅炉M北京：化学工业出版 社，20021085 收稿日期：20090226 修稿日期：20090427 作者简介：程孝福(1965一)，男，助理工程师，主要从事压力 容器设计和综合制造工艺编制工作，通讯地址：1 16600辽宁 大连市保税区IIIB一2号。 (上接第8页) 2 姜放，饶威酸性环境中压力容器用钢及腐蚀防护新 进展J天然气工业，1999，(1)：9497 3 王维宗，贾鹏林，许适群湿硫化氢环境中腐蚀失效实 例及对策J石油化工腐蚀与防护，1999，18(2)：7 13 4Dunegan H，Harris DAcoustic Emissiona New Nonde structive Testing ToolJUltrasonics，1969，7(3)： 160166 5 Braginskii，Uzenbaev AP，Pavlovskii F G，Soviet B R CIassification of Failurerate Mechanisms in Pressure Vessels According to the Spatial Irregularity of Acoustic EmissionJJournal of Nondestructive Testing，1990， 26(1)：3237 6Tirbonod 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