丁金翔

（北京燕华工程建设有限公司，北京 102502）

1 概述

转化气蒸汽发生器是炼油行业制氢装置中的重要设备，其通过管程介质高温转化气实现对壳程加热从而生产中压蒸汽。转化气蒸汽发生器管程介质是高温转化气，转化气入口温度一般在850～900℃，转化气出口温度一般控制在400 ℃以下，管程操作压力2.8～3.0MPa；壳程介质为中压蒸汽，操作压力约为 4.5MPa，温度为253 ℃左右。其常见结构如图1所示。前端箱为转化气入口侧，温度较高，采用锥壳和筒体带衬里结构，锥壳和筒体材质选用15CrMoR 钢板，顶部设有人孔。管板采用挠性管板，换热管采用中心管和周边小管结构，换热管材质选用15CrMo，换热管入口处设有陶瓷套管，换热管与管板连接的焊接接头一般采用强度焊加贴胀形式。后端低温侧管箱采用筒体和椭圆形封头带衬里结构，筒体和椭圆形封头材质选用15CrMoR 钢板，筒体上设有转化气出口，筒体或椭圆形封头上设有调温机构。壳程筒体选用Q345R 钢板。从以上设计参数看，此类设备操作工况苛刻，温度压力都较高，尤其管程入口温度较高，在已运行的制氢装置中常发生局部超温损伤和应力破坏，因此设计中对高温防护和降低温差应力措施应合理考虑，本文仅从近些年的设计实践出发，从结构设计和强度计算两个方面对转化气蒸汽发生器的关键结构进行分析，并对局部优化改进进行探讨。

图1 转化气蒸汽发生器

2 结构设计

考虑转化气蒸汽发生器参数特点是介质温度高，并且温度分布变化大的特点，结构设计的关键是采用合理结构降低壳体温度避免局部超温，合理结构使温度分布尽可能均匀，以及采用合理设计减少温差应力产生。以衬里护板结构设计、管板结构设计、管板与换热管连接分别进行分析。

2.1 管板侧衬里护板的结构设计

衬里护板承受850～900℃高温转化气的冲击，金属壁温高，当由于高温侧管板衬里护板由为整板制造时的温度引热膨胀量比较大，会造成衬里护板开孔与隔热陶瓷管错开，导致流通面积减小，难以满足工艺需求。大直径时护板可以改成分块结构，由于板间留有空隙及尺寸减小，热膨胀时每块板所产生的热膨胀量比整张板的热膨胀量小，有利于对衬里护板开孔与隔热陶瓷管口的对中，并能减小衬里护板开孔孔径。护板间留有膨胀量，管板护板采用分瓣搭接结构，以减少壳体膨胀约束。

2.2 管板结构设计

管板结构设计主要考虑温差应力的影响和管板和换热管的连接结构。受高温高速转化气的冲击，转化气蒸汽发生器的管板温度高、两侧温差大，管板与换热管连接部位应力复杂，结构设计中应充分考虑，保证管板合理结构和强度及管板与换热管连接可靠性。

2.2.1 薄管板结构

承受较高的温度和压力对管板厚度的要求是矛盾的。高的压力下管板计算厚度需增加，从承受机械压力考虑，希望管板加厚，从降低冷热面温差应力考虑，管板减薄更为有利。常规设计方法没有考虑管板两侧温差应力对管板的影响。当设备承受压力较高，管板两侧温差过大时，冷热面温差应力会很大，从而引起管板变形甚至破坏。因温差应力而致使管板破坏的情况曾多次发生。对于圆平板，冷热面温差应力式中Δt为圆平板冷热表面金属温度之差，如图2中ΔT=t3-t2。由此可见降低圆平板冷热面金属温度之差Δt是降低圆平板冷热面温差应力的唯一途径。要降低Δt有两个途径：

（1）降低圆平板两侧冷热流体的温差（t4-t1）；

（2）降低圆平板厚度δ以达到降低Δt的目的（由图2中a、b 对照可见）。

图2 传热温度差

冷热流体的温差是由工艺决定的，不能改变。因此，只能通过降低圆平板厚度来降低温差Δt以达到降低圆平板冷热面温差应力的目的。由于管板是一种结构复杂的多孔板，温差应力随Δt的关系更加复杂。但其温差应力σ随Δt的变化趋势与圆平板是一致的，即冷热面温差应力随温差Δt的增大而增大。因此，可以采用与圆平板一样的方法来降低管板冷热面温差应力，即降低管板厚度，采用薄管板。

薄管板是以换热管的刚性支撑为理论基础，即充分考虑换热管的刚性支撑，以管板上最大无布管圆作为圆平板来计算。这种设计理论在国内外都有多次设计实践，不仅成功地解决了温差应力的问题，而且满足了管板的强度要求。我国GB/T 151—2014附录M和德国AD规范都给出了薄管板的设计方法。我国GB/T 151—2014附录M 仅适合低压情况下薄管板的设计方法。

2.2.2 管板的热补偿结构

采用挠性管板可以有效地吸收壳程壳体与换热管之间的热膨胀差，改善了管板、壳体、换热管的受力状态；减小了管板的温差应力，增加了管板的变形协调能力；这种挠性管板能够满足热补偿要求，这也是此类该设备不用没有设置膨胀节的原因。

2.2.3 管孔布置结构

管孔布置，常见如图3(a)所示；采用有中心管结构形式。转化气蒸汽发生器中心管的设计是考虑通过后端调温机构通过调节中心管内流量大小来温度调节温度，结构简单，易操作，便于调节温度。由于中心管与换热管几何尺寸相差较大，换热管布置不均匀，造成管板受力不也不均匀；且中心管基本不参与换热,与周围换热管有很大热膨胀差，使中心管、换热管与壳程壳体之间变形不协调，使设备较易发生损坏。而图3(b)中采用有多管式:管板中心区采用是一 组较大尺寸的换热管代替了中心管，周围排列较小的换热管，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，可提高升设备的安全性。

图3 换热管的布置形式

2.3 管板与换热管的连接结构

管板与换热管连接历来是换热器设备质量控制的重点，管板与换热管连接常见形式为强度焊加贴胀结构，早期设计的转化气蒸汽发生器入口端和出口端管板与换热管连接都用的此连接结构。此连接结构为角焊接头，不是全融透结构，焊接质量难以控制，且贴胀在高温下会失去消除间隙的效果。考虑转化气蒸汽发生器入口端在高温高速转化气的反复热冲击下，引起管端过热变形、冷却和收缩，其根部未熔合焊接接头受剪切应力，同时承受一次应力、二次应力和峰值应力的作用，会引起换热管端部产生疲劳和裂纹；且会使胀接的换热管从管板上被拉开，由于换热管与管板胀接长度短，而管壳压差较大在高压力下，水、水汽进入管与管板间隙，由于蒸发浓缩，产生固体沉积，阻碍传热，使换热管温度升高以至于高温下氧化使汽-水反应生成氧化铁，形成一层绝热层换热管表面温度继续上升这又会加速氧化，结果，氧化愈来愈严重，氧化物堆积使管壁凸起，产生永久变形最终破坏易为保证管板与换热管连接的可靠性，新设计入口端管板与换热管多采用了深孔焊结构，其结构，如图4所示。这种结构为全焊透结构的对接结构，且改善了受力状况，焊缝部位主要承受一次应力；对接结构改善了检测条件，可以进行射线检测，能有效检测出缺陷的存在，保证了焊接接头质量；且换热管与管板间没有缝隙，消除了产生缝隙腐蚀的因素，避免了一般连接结构换热管与管孔间的间隙腐蚀；同时采用强度焊加贴胀式的焊接接头会位于高温侧衬里部位，其温度更接近温度较高管程温度，而深孔焊结构的焊接接头位于壳体内，其温度更接近温度较低壳程侧温度，此结构改善了焊接接头工作环境，大大降低此管接头开裂的风险；且高温侧管板与换热管的内孔焊焊接接头离开管板，在焊接过程中减少了对管板的变形影响。但是该深孔焊结构焊接困难，需要有专用设备，需要有较高的加工设备和加工工艺，且厚管板难以采用，故深孔焊结构多用于温度高苛刻环境下薄管板与换热管焊接上。

综合考虑入口端管板与换热管焊接宜采用深孔焊结构，而出口端管板与换热管焊接因一方面出口温度降低了很多，一方面也无高温高速转化气的热冲击，仍可采用加工经济且焊接方便的强度焊加贴胀结构。

图4 管板与换热管连接形式

2.4 降低管板金属温度的结构设计

由于靠近管程入口端的烟气温度高，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壳程第一个进水口尽量靠近入口端管板，这种结构使壳程低温介质大部分从管板表面流过，使该局部热流能以最短路径流出，强化入口端管板附近的汽水循环，避免了产生的流体停滞区，降低了管板的金属温度。

3 强度计算

强度计算的关键点是薄管板的强度计算和与管板连接的过渡段的强度计算，其余受压元件设计可按标准GB/T 150—2011进行强度计算。

3.1 管板的强度计算

对于类似该设备的薄管板，我国GB/T 151—2014 附录M 给出了低压情况下薄管板的设计方法，其适用管程设计压力不大于1.0MPa；转化气蒸汽发生器管程设计压力一般大于3MPa，超出GB/T 151—2014 附录M 适用范围，无法采用，故常规设计采用德国AD 规范给出了强度计算方法。该方法以管板上最大无布管圆作为圆平板来计算，把换热管作为刚性支撑，如图5所示。这种方法必须校核换热管的纵向弯曲刚度，其先决条件是必须保证换热管的刚性支撑。用该方法设计大大降低了管板的厚度，管板厚度一般在15～30mm。

图5 管板最大无布管圆

3.2 管板厚度设计计算

AD 规范管板强度计算公式与圆平板相同，是以管板上最大无布管圆作为圆平板来计算。

其中：d——无支撑部分最大圆直径，mm；

p——管壳程压力较大值，MPa ；

[σ]——材料许用应力，MPa ；

用该公式计算结果为28mm，与该设备管板厚度一致。

3.3 换热管纵向刚性校核

该设计方法考虑换热管为刚性支撑，因此需要校核换热管的轴向弯曲刚度。

其中Et—— 换热管材料弹性模量，MPa；

J—— 换热管截面惯性矩，mm4；

do—— 换热管外径，mm；

di—— 换热管内径，mm；

lk—— 换热管无支撑跨距，mm；

实际纵向弯曲力：

（1）当换热管伸长量大于壳体伸长量时：

（2）当换热管伸长量小与壳体伸长量时：

其中：PP—— 压力产生的纵向力，N；

pT—— 温差产生的纵向力，N；

当Fk＞[Fk]时，刚度合格。

由压力产生的轴向力：pP=fpt

其中：f——每根换热管承受的受压面积，mm2；

tt——换热管间距，mm；

pt——管程压力，MPa

式中：Δl——换热管和壳体的膨胀差，mm；

l——换热管长度，mm；

Ft——换热管总截面积，mm2；

Et——换热管弹性模量，MPa；

Es——壳体弹性模量，MPa；

Fs——壳体总截面积，mm2；

3.4 过渡段厚度设计计算

过渡段厚度计算需要通过受力分析，确定其受力模型，经分析过渡段与管箱圆筒连接相当于外周边固定，过渡段与管板、壳体圆筒连接内周边相当于固定且受支撑环板，其模型如图6所示。

图6 过渡段结构及受力模型

根据机械设计手册（第四版）第1篇表1-1-117，1-1-118

内边界处应力

外边界处应力

σr1——环板内边界处径向应力，MPa；

σr2——环板外边界处径向应力，MPa；

σt1——环板内边界处周向应力，MPa；

σt2——环板外边界处周向应力，MPa；

pC——计算压力，MPa；

R——环板外径，mm；

r——环板内径，mm；

h——环板设计厚度，mm；

A16，A17，B15，B16——系数，由机械手册根据R/r查取；

4 结束语

1）高温侧管板衬里护板直径较大时采用分块结构代替原整板结构，使每个开孔板所产生的热膨胀量小于整张孔板的热膨胀量，有利于衬里护板开孔与隔热陶瓷管口对中，可以减小衬里护板开孔直径。护板采用分瓣搭接结构，护板间留有膨胀量，有利于减少了膨胀约束。

2）考虑转化气蒸汽发生器入口端在高温高速转化气的反复热冲击下，推荐采用深孔焊结构。

3）结构允许的情况下，壳程第一个进水口尽量靠近入口端管板，强化入口端管板附近的汽水循环，避免了产生的流体停滞区，降低了管板的金属温度。

4）本文强度设计是常规计算方法，有条件进行有限元分析。