甲烷化氣換熱器改造設計及參數優化

陸博福

中國一重(集團)有限責任公司 齊齊哈爾 161042

陸 平

東方市政建設開發集團公司 佳木斯 154003

甲烷化氣換熱器是某化肥生產裝置的主要設備。由于運行多年后，換熱管出現嚴重泄漏，堵塞泄漏換熱管又使換熱效率嚴重下降，造成裝置產量下降。為了保證生產裝置能夠正常、穩定地運行，決定重新設計制造一臺甲烷化氣換熱器，更換不能正常運行的老設備。新設備投入使用后，使用效果良好，各項性能達到工藝要求，實現了安全、穩定運行的目標。

1 改造設計原則

(1)按照提高后的設計壓力和設計溫度設計。

(2)換熱器的其它工藝條件不變。

(3)不增加設備基礎的載荷。

(4)保持設備結構、安裝、定位尺寸不變；保證與原外部設備、基礎、管道的連接尺寸不變。

(5)符合現行國家及行業標準及安全監察規范。

(6)采用國內現行標準中的材料。

2 設計條件

甲烷化氣換熱器改造設計條件見表1。

3 設計標準

原設備是1977年設計和制造的，距今已有30多年。新設計的甲烷化氣換熱器應滿足最新的壓力容器及換熱器設計標準，采用符合這些標準的新材料。

表1 甲烷化氣換熱器改造設計條件

4 材料的選用

由于管程為氫腐蝕環境工況，因此，根據氫分壓及設計溫度，查耐爾森曲線確定與管程介質接觸的材料均采用Cr-Mo鋼，以滿足工藝條件的要求。殼程材料采用碳鋼。確定的換熱器主要材料為：

換熱管：15CrMo

管板：15CrMo III

管箱法蘭：15CrMo III

管箱封頭：15CrMoR

殼程筒體：16MnR

5 設備結構及規格

為保證新設備順利安裝到原基礎上，設備的重量不能增加太多。這意味著設備的管程、殼程筒體的厚度應盡可能保持原名義厚度。同時，還應保證新設備與基礎及管線的連接尺寸和定位尺寸不變。

6 殼程筒體厚度計算

6.1 殼程直筒體

6.1.1 DN 1000筒體

筒體厚度按式(1)計算：

(1)

δn=δ+C1+C2=6.66+0+3=9.66 mm

式中，[6]為16MnR材質的許用應力，取151.2 MPa；Ps為殼程設計壓力，取1.7MPa；δ為計算厚度，mm；C1、C2分別為厚度附加量，取C1=0mm，C2=3mm。

根據GB 151-1999 表8及原設備規格，名義厚度最終取值為12mm，與原設計相同。

6.1.2 DN1200筒體

用上式計算得出：

δn=δ+C1+C2=8+0+3=11 mm

取名義厚度值為16mm，與原設計相同。

6.2 原設計殼程錐體驗算

驗算原錐體結構兩端折邊變徑錐體設計。

改造前，甲烷化氣換熱器變徑錐體部分內徑及厚度尺寸見圖1。

圖1 改造前甲烷化氣換熱器變徑錐體部分

6.2.1 大端過渡段厚度

大端過渡段厚度按式(2)計算：

(2)

6.2.2 大端與過渡段相接處的錐殼厚度

大端與過渡段相接處的錐殼厚度按式(3)計算：

(3)

式中，Di=1200 mm；錐半角α=40°(α按原始數據計算)。

根據GB 150-1998大端應采用帶折邊結構，且折邊半徑為：

r=10%×Di=0.1×1200=120 mm

但實際的r=100 mm，不符合標準的要求。

r/Di=100/1200=0.083

無法查到需要的K和f系數值，說明原設計是不合理的。

6.2.3 小端厚度

小端厚度按式(4)計算：

=16.64 mm

(4)

式中，Q為系數，按下式計算：

查圖7-14，取Q=2.5。

原設計的錐殼大端折邊半徑小于標準GB 150-1998的規定，結構不合理，必須修改。

設計厚度為：

δn=δ+C1+C2=16.64+0+2=18.64 mm

結果大于原始設計中的名義厚度16mm，不符合要求，必須修改。

6.3 殼程錐體改造設計

從以上驗算和分析可以看出，原設計的錐體結構不合理，必須按新的標準進行結構修改。同時為保持新設備的殼體名義厚度與原設計中的名義厚度一致，需要對原設計結構進行調整。根據對錐體計算厚度和應力分析，對原變徑段折邊錐體進行修改，并符合GB 150-1998的規定，從而保證與原設計厚度一致，以便不增加設備重量和原基礎載荷。

6.3.1 改造措施

(1)將原小端過渡段轉角半徑r由70mm減小為50mm。

(2)將大端過渡段轉角半徑r由100mm增大為120mm。

(3)將錐殼半頂角由原來的40°減小為35°。

(4)對錐殼的拼接焊縫進行100%的射線探傷，按GB/T 4730-2005的II級檢驗合格，即調整為Φ=1。

6.3.2 錐體厚度

根據以上改造措施調整數據后，重新計算錐體殼體厚度。

(1)大端過渡段厚度計算為：

=5.4 mm

(5)

(2)大端與過渡段相接的錐殼厚度計算：

(6)

(3)小端厚度計算：

(7)

式中，取α=35°。

r/Di=120/1200=0.1

查表7-4：K=0.798；f=0.588。

查圖7-14：Q=2.3。

根據以上(1)～(3)條對錐體各部分的計算，取其中最大計算厚度來確定錐體的設計厚度和名義厚度，設計厚度為：

δn=δ+C1+C2=13+0+2=15 mm

實際取值為16mm，與原設計圖紙中的名義厚度一致。

6.3.3 小端與過渡段連接筒體長度

小端與過渡段連接筒體長度L按式(8)計算：

(8)

實際取值L=200 mm。

改造后甲烷化氣換熱器變徑錐體部分見圖2。

圖2 改造后甲烷化氣換熱器變徑錐體部分

7 管箱封頭厚度

材質為15CrMoR，[б]=123.6MPa，

C=0+3=3 mm：

=6.9 mm

(9)

計算厚度為：

δn=δ+C=6.9+0+2=8.9 mm

取厚度δn=12 mm。

8 設備法蘭選用及措施

為使設備法蘭選用符合新標準的要求，同時還應保證與原結構尺寸相符。

按《長頸對焊法蘭》JB 4703-2000，選擇DN1000，PN2.5長頸對焊法蘭。由于原設備管箱法蘭總高為190mm，而新標準法蘭為155mm，為了保證新管箱與原管箱高度相同，保證管箱腔體內介流通空間相同，并保證接管安裝尺寸不變，考慮到新舊標準法蘭的差值35mm，將采用的標準法蘭總高度H增高到190mm，增加筒段的長度35mm，厚度δ=20mm。

加高后法蘭直筒段厚度校核計算如下：

=7.42 mm

(10)

式中，Pc為管程設計壓力，MPa。

δn=δ+C1+C2=7.42+0+2=9.42 mm

9 管板厚度計算與參數調整

管板厚度計算采用PV18計算機程序運算。為使管板厚度減少，降低設備造價而調整參數。經過工藝核算，可以將折流板由原來的5件增加到7件，其中，環形折流板為4件，圓形為3件，使換熱管受壓失穩當量長度Ler下降，從而實現減薄管板厚度目的，見圖3。

圖3 換熱器受壓失穩當量長度布置圖

經計算后管板由原來參數計算厚度120mm降到改后的95mm，使兩件管板重量減少450kg，從而降低設備造價成本和總的設備重量。為增加管束的剛度和換熱面積，新設備通過工藝計算調整，調整排管最終增加了12根6m長換熱管，增大面積為5.7m2，提高了換熱器的換熱能力，總的設備重量沒有增加。

10 結語

(1)改造甲烷化氣換熱器設備是在不改變原有設備設定結構和工藝、裝置的布置、管道、基礎載荷的條件下，對其進行重新設計和制造。

(2)對原設計圖中不符合現行標準結構進行改進，保證替代設備完全符合原設計和新調整設計條件的要求，并與原裝置較好銜接。

(3)經過對結構參數進行優化選擇設計，并經實際制造安裝使用，現已運行多年，效果良好，使生產工藝狀況大為改觀，達到設備穩定運行的目的。

事實說明，在壓力容器設備設計中，通過調整技術參數，滿足規范標準要求，同時保證其實用性和經濟性有重要意義。

參 考 文 獻

1 GB 150-1998，鋼制壓力容器[S].

2 GB 151-1999，管殼式換熱器[S].

3 JB/T 4703-2000，壓力容器法蘭[S].