废热锅炉的设计

第 4期 2 0 1 5年 7月 锅炉制造 B0I LER MANUF ACTURI NG No 4 J u 1 2 0 1 5 废热锅炉 的设计 王 非 赵桂凤 李召生 哈尔滨锅炉厂有限责任公司 黑龙江 哈 尔滨市 1 5 0 0 4 6 摘要 废热锅炉是国内某合成氨 尿素工程项 目中的主要设备 这台设备的工艺包及工艺计算为国外某知名 废热锅炉制造商提供 哈锅负责对其 进行强度设计及产品制造 本文对废热锅炉的选材 结构设计 设计计算 以及制造等问题进行较详细的论述和分析 关键词 废热锅炉 材料选择 结构设 汁 设备制造 中图分类号 T K 2 2 9 9 2 文献标识码 A 文章编号 C N 2 3 1 2 4 9 2 0 1 5 0 4 0 0 1 7 0 4 De s i g n o f W a s t e He a t Ex c h a n g e r W a n g F e i Z h a o G u if e n g L i Z h a o s h e n g H a r b i n B o i l e r C o L t d H a r b i n 1 5 0 0 4 6 C h i n a A b s t r a c t Wa s t e h e a t e x c h a n g e r i s t h e m a i n e q u i p me n t o f s y n t h e t i c a m mo n i a a n d u r e a p r o j e c t i n Chi n a a we l l kn o wn f o r e i g n wa s t e h e a t e x c ha n g e r ma n u f a c t u r e r p r o v i d e p a t e n t p a c k a g e a n d r e s p o n s i b l e f o r p r o c e s s c a l c u l a t i o n f o r t h i s e q u i p me n t HBC i s r e s po n s i b l e for t h e d e t a i l d e s i g n a n d ma n u f a c t u r e o f t h e e q u i p me n t T h i s p a p e r d i s c u s s a n d a n a l y z e t h e ma t e r i a l s t r u c t u r a l d e s i g n c al c u l a t i o n a n d ma n u f a c t u r i n g p r o b l e ms o f t h e wa s t e he a t e x c h a n g e r Ke y wo r d s W a s t e He a t Ex c h a ng e r Ch o i c e o f Ma t e r i al S t r u c t u r e De s i g n Ma n u f a c t u r e O 前 言 本文所述的废热锅炉是我 国自主开发 建设 的国内某合成氨 尿素项 目工程 中厌热回收系统 的主要设备 废热锅炉的主要作用是 回收工艺合 成气中的多余热量并产生合成氨工艺流程所需 的 高压蒸汽 该设备的工艺包几工艺计算为国外公 司负责 我公司负责对其进行设计和制造 本文 就其设计上的要点进行较为详细的分析和论述 1 设计条件 1 1 设计 标准 废热锅炉按 G B 1 5 0 1 1 5 0 4 2 0 1 1 压力容 器 及 G B 1 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器 进行设计 制造及检验 同时接受 T S G R 0 0 0 4 2 0 0 9 固定式 压力容器安全技术监察规程 的监察 1 2 主要设计参数 表 1 测点及所测参数名称 参数 壳程 管程 最高工作压力 MP a 工作温度 设计压力 MP a 设计温度 介质 程数 腐蚀裕量 mm 换 热面积 i n 热处理 4 2 45 6 3 7 0 合成气 1 1 5 4 71 2 整体热处理 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 1 5 作者简介 王非 1 9 8 8 一 男 黑龙江省七 台河市人 助理 工程 师 2 0 0 8年 毕业于浙江大学过程装备与控制工程专业 主要从事压力 容器 的设计开发工作 7 6 5 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 8 锅炉制造 总第 2 5 2期 P VC VL MC ML MT 接管代号载荷情况 I N E N N N N N T 1 操作工况 2 3 0 0 0 8 0 0 0 2 5 5 0 0 8 0 0 0 1 6 8 5 0 0 7 1 7 0 0咎 管 是 程 T 1 设计工况 2 4 5 0 0 8 0 0 0 2 5 5 0 0 8 0 0 0 1 8 2 0 0 0 7 7 0 0 0 接 管 T 1 持续工况8 0 0 0 1 0 2 0 0 9 1 0 0 8 0 0 0 8 0 0 0 8 0 0 0 T 2 操作工况8 0 0 0 8 0 0 0 1 2 9 0 0 3 9 0 0 0 8 4 9 0 0 4 2 5 0 0 F z 刀 1 2 设计工况8 0 0 0 8 6 0 0 1 4 7 0 0 4 4 9 0 0 8 8 5 0 0 3 4 5 0 0 T 2 持续 工况 一8 0 0 0 8 0 0 0 8 0 0 0 8 0 0 0 8 0 0 0 8 0 0 0 F x 2废 热 锅 炉 结 微计 冀 差 2 1 废热锅炉主体结构确定 1 3 1 2 设置换热管为 3 8 x 4 经过计算 换 热 废热锅炉是一种换热设备 采用列管式结构 管长度 L 9 6 1 8 m m 设备结构简图见图 1 M 1 图 1 设备简 图 2 2 废热锅炉管板结构确定 本设备壳程的压力高且管程的温度高 因此 管板与管箱及壳程筒体连接均采用焊接结构而非 螺栓连接结构 避免了由于压力 温度较高造成的 管板连接处泄露问题 管板采用双侧碗型结构 与管 壳程简体采用 对接 的焊接接头 这种结构 即可 以保证焊接接头 的焊接质量 又充分考虑了管板与管 壳程简体连 接的 B类焊接 接头进行 1 0 0 无损 检测 的可行 性 管板结构见图 2 2 3 废热锅炉管板换热管孔的布置 换热管孔采用正三角形排列 换热管中心距 为 5 3 m m 见图 3 图 2 管板结构 图 3 管孔布置 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第4期 3 材料的选择 王非 等 废热锅炉的设计 1 9 由于该设备的工艺包为外方 其要求在材料 的选用上 以 A S ME规定 的材料牌号作 为优选 材 料 但由于设备在国内使用 因此材料需同时满足 国内相应规范和标准的要求 3 1 管程材料的确定 废热锅炉管程介质为合成气 其中含有一定 的氢气 有发生氢腐蚀的危险 j 根据其氢分压 和操作温度 通过查 N e l s o n曲线 最终 管程选 用 1 2 5 C r一0 5 Mo S i材 料 A S ME 材 料 为 S A 3 8 7 G r l 1 C L 2 相 当于国产牌号 1 4 C r l M o R 相 应 的 管程的接管材料选用 S A 3 3 6 F 1 C L 3锻 件 换热管选用 A S M E换热器用无缝管 S A 2 1 3 T 1 1 根据 G B 1 5 1 的规定 管板具有凸肩并与圆筒对 接连接时 应采用锻件 考虑管 壳程的设计压力及 设计温度 因此 管板选用 S A 3 3 6 F 1 1 C L 3 锻件 3 2 壳程材料的确定 废热锅炉壳程压力高但温度较低 为了减小 厚度 在材料的选择上 曾考虑以高强钢 但 由于 管程选用了 C r Mo 钢 高强钢与 C r Mo钢的热 处理温度差别较大 且换热管为 C r Mo钢 若壳 程筒体选用高强钢 由于材料线膨胀系数的差异 会产生较大的热应力 因此壳程筒体最终选用可 与管程相 同材料 即选用 S A 3 8 7 G r l 1 E L 2 相 应 的 壳程的接管材料选用 S A 3 3 6 F 1 1 C L 3锻件 4 设计计算 设备壳体强度及接管的补强计算按照 G B 1 5 0 T1 及 G B 1 5 1中的规定进行 J 4 1 管板的设计计算 管板承受来 自管程和壳程压力及温度的共 同 作用 由于管程 的进 出口温度不 同 因此 分别 对管程进口侧管板和管程出口侧的管板进行计 算 在对单侧管板进行计算时分别考虑 1 只有 壳程压力作用 管程压力为 0 2 只有管程压力作 用 壳程压力为 0的两种情况 同时考虑计入温 差应力和不计人温差应力两种情况 考虑管板的 双侧腐蚀裕量为 3 m m 经过校核计算 管程进 口 侧管板厚度为 1 7 0 m m 管程 出 口侧 管板厚度 为 1 6 5 mm 由于该废锅管壳程内径不 同 且换热管非完 全的轴对称布置 考虑到管板在该设备 中尤为重 要 因此 设计时除采用常规计算外 还采用 了有 限元的方式对其 9种不同工况进行 了校核 计算 方式及结果见参考文献 5 4 2 管 壳程接管载荷的校核 由于管 壳程的接管大多作用有接管载荷 因 此接管在用 G B 1 5 0进行 常规计算 确定各接管的 详细尺寸后 还需要进行 接管载荷 的校核 通常 简体上接管载荷的校核用 WR C 2 9 7的方法进行 但 由于该设备接管不满足 WR C 2 9 7的适用条件 因此接管载荷的计算采用局部应力分析的方法进 行 下面以管箱简体上最大开孔 T 1接管为例进 行说明 A A 图 4 T 1 接管结构简 图 接管 的局 部应力 分析 利用 A N S Y S软件 进 行 图 4为 T 1接管及其相应管箱 的结构简图 由于在 T l接管附近并没有其余接管 且管箱筒体 上另一侧 的小接管 D 1以及 封头上 的人 孔 M1 A 均距离 T l很 远 根 据 圣维 南 原 理 D1接 管 和 M1 A人孔对 T 1接管 附近 的应 力分 布不会有 影 响 因此建模时忽 略 D1接管及 M1 A人孔 仅 对 T 1接管及其所在一侧 的 1 2简体 和封头进行建 模 模型的网格划分及接管载荷见 图 5 该模型 单元为 S o l i d l 8 5单元 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 4期 程万波 大通道封闭板型传热元件制造工艺解决方案探讨 3 5 前预热器制造领 域里是最 复杂 是 制造 技术难 度最高 的一种 板 型 对 它 的研 究 很有 代 表 性 针对它的制 造 技术 可 以普 遍 的推 广 到其 它 大 通道封闭板型和普通板型 的制造过程 中 上接第 2 O页 5 2 换热管与管板的连接要求 考虑到废热锅炉管程介质 为高温合成气 操 作工况较为恶劣 因此换热管与管板采用强度焊 贴胀 的连接形式 采用熔透性好 表面成型好 焊缝强度高的氩弧焊作为强度焊的焊接方法 焊 接结构形式见图 1 3 图 1 3 换热管与管板连接形式 5 3 无损检测的要求 A B类焊接接头焊后需进行 1 0 13 R T检测 并进行 1 0 0 U T复验 同时对 D N 2 0 0的 D类焊 接接头进行 1 0 0 U T检测 所有焊接接头表面进 行 1 0 0 MT检测 由于 C r M o钢具有再热裂纹倾 向 因此 热 处理后 对 A B类 焊接接 头再进行 1 0 0 U T 1 0 0 MT检测 5 4 压力试验 由于废热锅炉 的设计计算采用最危险的设计 工况 因此 管 壳程分别按照各 自的试验压力进 行液压试验 液压试验前需对换热管与管板 的焊 接接头进行 0 0 5 M P a的氨渗漏检测 以检测管板 与换热管之间焊接接头的质量 6 结 语 本文中的废热锅炉属于固定管板式换热 器 一 般情况可采用 G B 1 5 1的方法进行计算 但 由于 该废热锅炉的换热管非对称分布 以及管 壳程接 管作用有外加载荷且超出 WR C 2 9 7适用范围 因 此采用常规设计与局部应力分析相结合的方式对 其进行 了设计计算 针对此废热锅炉的介质 和操作工况 对其进 行了材料选择以及结构设计 并对制造提 出了相 应要求 保证了设备 的安全和性能 对 同类设备 的设计制造起到借鉴作用 参考文献 1 T S G R 0 0 0 4 2 0 0 9 固定式压力容器安全技术监察 规程 S 2 G B 1 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器 S 3 李世玉 压力容器工程师培训教程 M