转化气蒸汽发生器的设计体会.doc

转化气蒸汽发生器的设计体会2008年4月炼油技术与工程PETROLEUMREFINERYENGINEERING第38卷第4期转化气蒸汽发生器的设计体会朱玫中国石化集团洛阳石油化工工程公司(河南省洛阳市471003)摘要:针对转化气蒸汽发生器设计中应注意的问题,包括上升管与给水管的布置,柔性管板的设计,衬里的设计,换热管的布置进行了分析,指出了转化气蒸汽发生器易损部位(即换热管与管板连接的焊接接头)在制造JJnq-中应重点注意的事项,还例举了转化气蒸汽发生器常见的损坏原因.关键词:转化气蒸汽发生器设计损伤衬里在制氢装置的设备设计中,转化气蒸汽发生器一直都是设计的关键点.该设备管程介质是来自转化炉的高温转化气,其人口温度一般在850以上,操作压力在2.8MPa左右;壳程发生操作压力为4.4MPa,温度为255oC的中压蒸汽.该设备操作工况苛刻,在已运行的制氢装置中常发生各种损伤和破坏.转化气蒸汽发生器从结构形式上一般分为立式刺刀管式和卧式烟管式两种,近年来多采用卧式结构.本文仅从近些年的设计实践出发,阐述几点卧式转化气蒸汽发生器的设计体会,并提出改进措施.1卧式转化气蒸汽发生器概述卧式转化气蒸汽发生器的特点是结构简单,操作灵活,弹性大,占地少,温度调节范围大.一般采用多管式固定管板结构,设有调温机构,其管程高温转化气人口侧内衬隔热衬里,换热管人口设保护套管,管板采用柔性薄管板结构,见图1.转化气入口滚动支座换热管中心管进水管调温机构图1转化气蒸汽发生器结构示意Fig.1Steamgeneratorforconversiongas2设计中应注意的问题2.1上升管与给水管的布置由于靠近管程人口端的烟气温度高,蒸汽气化剧烈,产气量大,容易导致该部位的管板,换热管产生局部过热及干烧,发生损坏.所以在结构允许的情况下第一根上升管和给水管应尽量靠近高温侧管板,这样,下部补水及时,上部排气及时,各换热管温度均匀.其他上升管与给水管的位置也应按每段发生等量蒸汽来布置.2.2柔性管板的设计柔性管板的结构在中低压转化气蒸汽发生器的设计中具有以下几个优势:(1)减小管板的温差应力;(2)具有变形协调能力,可有效吸收壳程壳体与换热管之间的热膨胀差,有效改善管板,壳收稿日期:2007一l2一lO.作者简介:朱玫,高级工程师,1982年毕业于抚顺石油学院炼厂机械系机械专业,主要从事压力容器设计工作.联系电话:037964888235.Email:一30一炼油技术与工程2008年第38卷体,换热管的受力状态;(3)可由钢板制成,金属耗量低.2.3管板的计算在以往的设计中,管板用下列方法计算:当额定蒸汽压力不大于2.5MPa时,应按GB/T16508计算.20R,16MnR材料的许用应力分别取20g,16Mng材料许用应力的0.85倍.当额定蒸汽压力大于或等于2.5MPa时,应按公式(1)(引自德国AD标准)计算:6:0.4d/p(1)Lf,J式中:6管板计算厚度,Illlll;平板未钻孑L部分的最大无支撑当量圆的直径,Illlll;P设计压力,取管程和壳程中设计压力较大者,MPa;设计温度下的许用应力,按GB150选取,MPa.管板的折边部分无法用常规计算方法进行计算,采用有限元应力分析,计算结果显示此处是高应力区,应力值远高于管板区,应特别注意.另外,管板的厚度也不宜太薄,尚需考虑制造加工要求.2.4衬里设计由于管程入口操作温度,压力均较高,衬里设计非常关键,衬里的损坏,可导致管程壳体超温直致爆裂.衬里一般可分单层和双层.双层的优点一是经济,内层高温侧A1O纯度要求较高,避免衬里材料在高温还原性气氛中的腐蚀,而且由于其热强性高,相对密度大,使其导热系数较大,隔热效果差.外层衬里可用较轻质的,要求导热系数小,隔热效果好,其耐腐蚀要求可适当降低;其二,双层衬里还可有效地避免衬里的贯穿性裂纹.衬里材料为高铝混凝土,A10,在高温氢及CO环境中性能稳定.转化气入口温度一般在850900,组成为(干基,扣除水蒸气组成):H,67.38%,CO18.77%,CO29.44%,CH4.41%.在这种工况下,会对衬里材料产生以下腐蚀:(1)H与SiO反应.H是还原性气体,在温度大于800时,会与衬里中的杂质SiO,.Fe,0,CaO等发生还原反应,使衬里被侵蚀,导致衬里材料疏松,开裂及脱落.其反应如下:SiO2+H2一SiO+H20SiO成气态.而在小于700时,又变成SiO,其反应为:2SiO+022SiO2当温度降低时,由SiO生成的SiO会沉积在换热管上,引起换热管堵塞并使换热效率降低.(2)Fe,0,CaO在高温下和CO发生还原反应:Fe203+3C0=一2Fe+3C02以上反应会使衬里材料产生空穴及晶问结合力下降,导致衬里材料疏松,开裂及脱落.要求内层衬里化学组分中A10质量分数不小于95%,SiO质量分数不大于0.2%,Fe0质量分数不大于0.1%,CaO质量分数不大于2.5%;力学性能中110耐压强度不小于21.0MPa,1000中耐压强度不小于16.0MPa.要求外层衬里的化学成分中A1O质量分数不小于65%,SiO质量分数不大于0.15%;Fe0质量分数不大于0.2%,CaO质量分数不大于10.0%;力学性能中110耐压强度不小于4.0MPa,850耐压强度不小于4.0MPa.2.5换热管的布置换热管的布置一般有三种形式,见图2.每?(a)中心管式(b)组合式(c)均布式图2换热管的布置形式Fig.2Layoutofheatexchanger图2(a)中心管式:结构简单,操作灵活,易于温度调节,且调温机构简单.缺点一是中心管与换热管几何尺寸相差较大,排管不均匀,管板受力不好;缺点二是中心管几乎不参与换热,与周围换热管有热膨胀差,且中心管刚度较大,这样,中心管,换热管与壳程壳体之间变形不协调,这些叠加起来,使设备耐波动性降低,在工况不平稳时相对较易发生损坏.图2(b)组合式:管板中心区是一组较大尺寸的换热管,周围排列一组尺寸较小的换热管,两种换热管同时参与换热,但由于换热终温不一样,可通过调节两组换热管的气量来灵活调节转化器出口温度.这种排列方式,既可灵活调节温度,又可改善管板受力,是一种较好的结构第4期朱玫.转化气蒸汽发生器的设计体会形式,可进一步提升设备的安全性.图2(C)均布式:所有的换热管规格一致,在管板的布管区内均匀排列.管板受力最好,但无法直接调温,须借助旁路来调节温度.2.6换热管与管板连接的焊接接头转化器的损坏常发生在换热管与管板连接的焊接接头处.原因之一是接头形式设计的不尽合理,原因之二是制造缺陷在运行过程中进一步扩大.换热管与管板连接的焊接接头通常采用强度焊加贴胀形式,强度焊使接头获得较高的连接强度,贴胀是为了消除壳程锅炉水的缝隙腐蚀,不采用单一的胀接形式.由于前端换热管的焊接接头处于高温环境,受力复杂,工况苛刻,应有较高的连接强度,普通的焊接坡口难以达到要求,深u形坡口已在多台转化器上应用,获得较满意的效果.另外,全焊透结构也非常好,但应注意留有足够的管桥尺寸,以防尺寸过小引起管桥撕裂.目前,随着制造水平的飞速发展,全焊透的对接接头是一种更好的选择.这种接头既可以保证全焊透,又可以进行射线检测,使接头的质量大幅提高,且换热管与管板间没有缝隙,消除了产生缝隙腐蚀的因素,宜用于较苛刻的场合.3常见的损坏原因(1)管程入口端壳体超温某厂将管程衬里部分又加了100mm外保温.在开工两天,转化气温度升至近800,装置刚产出合格氢气后,管程入口端壳体即被烧穿,壳体鼓包,成腰鼓形,顶部撕开约200mm长的纵向贯穿性裂纹.其直接原因是外保温使壳体金属壁温升至650左右,导致壳体金属强度大幅度下降而引起的强度破裂.(2)衬里施工质量不好衬里施工质量也是保证设备安全运行的重要因素.某厂开工后不久即发现人孔处衬里有两道裂纹,导致壳体金属局部超温,不得不采取局部蒸汽掩护措施.(3)衬里材料质量不佳由于对衬里材料的化学成分要求很严,一些国内的供货商难以达到要求.在设备长期操作后,衬里发生破损,导致壳体超温.(4)衬里在烘炉,吊装,运输中受损有些衬里在制造厂施工,受烘炉条件限制,衬里强度不均匀,外加设备吊装的挤压变形,长途运输的颠簸等,都易造成衬里的破损.(5)管板与管接头开裂管板与换热管的焊接接头的可靠性对设备的安全运行十分重要.某厂开工一段时间后,突然发现转化气中大量带水而停工.打开该设备后发现有两根换热管接头贯穿性开裂,导致壳程的锅炉给水大量地涌入管程,由于管程温度骤降,由正常操作的850急剧降到接近锅炉给水的温度,引起管程的衬里炸裂,管头的保护陶瓷管也被急冷水炸裂.(6)热膨胀转化气蒸汽发生器与转化炉下集合管相连,应作为一个系统考虑.设计上应考虑固定支点的位置和系统热膨胀的方向,有时系统给过来的位移近40mm,一般来说转化气蒸汽发生器应采用双滚支座.某厂由于没有采用双滚支座,开工后将设备土建混凝土支座推裂.另外,由热膨胀产生的系统位移加上设备本身的位移,使最远端的上升管和下降管的管口承受较大的位移,处于高应力区,易被拉裂,设计上要采取加强措施.(7)操作失误无论采用中心管式还是多管式结构,在操作过程中,特别是开停工过程中,壳程均应充满水,防止设备干烧,避免换热元件由于局部过热和相邻金属间过大的温差应力而引起的损坏和开裂.某厂制氢装置有A,B两套双系列,其中A套首先开工,在开工时转化气蒸汽发生器因干烧发生损坏,管子与管板的焊接接头产生裂纹,其转化气入口端大约有近一半的焊接接头产生裂纹,其转化气出口端仅有几个焊接接头产生裂纹,前端管板根部也有裂纹.A套停下后,B套开工平稳,避免了干烧,设备运行正常.4设计中需改进之处转化气蒸汽发生器在设计中除了应注意以上几点外,也有值得改进的地方.以前结构为柔性固定管板,中心有一个大直径的中心管调节转化气出口温度,这样中心管调节阀温度往往设计在750,中心管和换热管不同时参与换热,管板受力情况不是很好,设备的损坏常发生在转化气入15端的高温管板上.将中15管改成一组较大规格炼油技术与工程2008年第38卷的换热管,使之参与换热.这种新的结构,可以将调节阀温度降低到500左右,一方面管板受力情况得以充分改善,降低了设备操作的苛刻度,减小局部发生损坏的可能性;另一方面降低了设备投资,增加了操作的可靠性和灵活性,是值得推,的一种较好的新型结构.另外,为尽一步提高设备的安全性,使经验与理论相结合,在设计上特殊部位应采用有限元数值分析辅助设计,使转化气蒸汽发生器的设计更加安全合理.(编辑漆萍)DESIGNoFREFORMINGGASSTEAMGENERAT0RZhuMeiLuoyangPetrochemicalEngineeringCorporation,SINOPEC(Luoyang471003,Henan,China)AbstractTheprecautionsinthedesignofrearminggassteamgenerator(includingtheriserandfeedwa-terpipearrangement.flexibletubesheetdesign,liningdesignandheatexchangetubelayout)areanalyzed.ThelocationswhicharesubjecttodamageinreforminggassteamgeneratorandprecautionsintheweldingofheatexchangetubesandtubesheetarepresentedThecommoncausesofsteamgeneratorfailuresaredis-cussed.KeyWords:reforminggas,steamgenerator,design,damage,lining上海石油分公司碳五分离装置开工该装置处理量为150kt/a,原料为乙烯装置的副产品,完全利用自主开发的技术,拥有自主知识产权,所依赖的技术工艺软件包已于2006年9月通过叶1国石油化工股份有限公司的技术评定:该装置是月前国内最大规模的碳五分离装置,建成后町进一步满足异戊二烯,问戊二烯和双环戊二烯这3种产品的市场需求据了解,随着化学化工产业链的不断延伸,碳五资源变得越来越重要,上述3种由碳五分离装置生产的双烯烃产品市场需求旺盛.该公司已形成了一系列有自主知识产权的碳五馏分综合利用与下游延伸产品生产技术:(杨会鹏摘自化行业信息,2008年第2期)瓦莱罗公司投资2410US8改造阿瑟港炼油厂瓦莱罗能源公司2008年3月中旬宣布,投资24X10US$改造阿瑟港炼油厂,这是该公司最大的投资项目,改造后将使该炼油厂加工能力扩增至20.75Mt/a.该扩建项目将于2011年完成,将使该炼油厂成为美国最大的炼油厂之一和瓦莱罗公一J最大的炼油厂.改造前该炼油厂加工能力为l6.25Mt/a.扩建后将使炼油厂可加工更多的重质含硫原油阿瑟港炼油厂位于墨西哥湾休斯顿以东约90英里.瓦莱罗公司已投资14X10US8亿美元对位于路易斯安那州的St.Charles炼油厂进行扩建,扩建将于2010年完成.(钱伯章摘译自Mysanantonio网站,2008一O317)瓦莱