認知管殼式余熱鍋爐

趙強

摘 要：管殼式余熱鍋爐分屬鍋爐和壓力容器兩種不同范疇，從介質特性、選材、結構和主要元件設計計算方式等方面闡述兩種類型的各自特點。

關鍵詞：鍋殼式余熱鍋爐；鍋爐和壓力容器；介質特性；結構

1 介質特點

管殼式余熱鍋爐的殼程介質比較簡單，基本為水和飽和蒸汽，但管程介質的高溫煙氣卻種類繁多。同時壓力容器范疇的管殼式余熱鍋爐相對于鍋爐范疇的管殼式余熱鍋爐，其管程煙氣成分更復雜危險。

1.1 鍋爐范疇的管殼式余熱鍋爐煙氣有以下幾個特點：

①熱負荷不穩定，會隨著生產周期的變化而變化。②煙氣含塵量大。③有腐蝕性，但腐蝕性強烈的介質含量極少，腐蝕性較弱。④煙氣壓力一般都接近常壓。

1.2壓力容器范疇的管殼式余熱鍋爐煙氣有以下幾個特點：

①煙氣介質種類多，腐蝕性、毒性及爆炸性危害程度多種多樣。

如制氫轉化氣中含有一定量的氫，對管箱筒體、換熱管、管板存在氫腐蝕的可能，同時氫屬于易爆介質。

②露點溫度高，容易對設備造成結露腐蝕。

一些煙氣含水蒸氣及SO2、SO3、NOX等酸性腐蝕介質，形成酸霧導致露點溫度升高，有的會到200℃以上。

③容易堵塞換熱管。煙氣露點腐蝕會使煙灰附著在管壁內，造成管束快速煙塵堵塞。在還原性氣體（如H2、CO等）中，當氣體溫度大于800℃時，余熱鍋爐可能因非金屬襯里中的SiO2和Fe2O3含量較多，而使襯里被侵蝕產生空穴和析出SiO2引起換熱管堵塞。另外煙氣介質可能會有凝結液體，不能順利排出的凝結液會堵塞換熱管。

④介質的壓力范圍相對較大。如硫磺燃燒后的余熱鍋爐煙氣壓力為微正壓，合成氨生產中重油汽化爐后的余熱鍋爐壓力為3.2～4.0MPa。

2 主要材料

鍋爐范疇的管殼式余熱鍋爐因其管程煙氣成分相對簡單，腐蝕性及毒性等較低，一般選擇質優價廉、便于制造的材料，需要注意管殼式余熱鍋爐所屬的鍋爐或壓力容器規范中相近的材料不得隨意代用。

3 結構及主要受壓元件的設計、計算

管殼式余熱鍋爐常用的結構有鍋殼和汽包組成的雙鍋筒式和殼程內設有蒸發空間的單鍋筒式。鍋殼兩端一般為撓性薄管板。另外壓力容器范疇的管殼式余熱鍋爐中還有浮頭式、U形管式等結構形式。各主要受壓元件的設計、計算如下：

3.1 鍋爐范疇的管殼式余熱鍋爐

筒體壁厚計算按GB/T 16508-1996標準中4.2計算公式。封頭壁厚計算按GB/T 16508-1996標準中6.2計算公式。考慮腐蝕減薄的附加厚度一般取0.5mm，若腐蝕減薄量超過0.5mm，則取設計可能的腐蝕減薄值。折邊撓性管板壁厚的計算按GB/T 16508-1996標準中7.2計算公式。

3.2 壓力容器范疇的管殼式余熱鍋爐

余熱鍋爐筒體及封頭結構應符合GB 150的有關規定，帶雙鞍座汽包殼體還應符合JB/T 4731的有關規定。筒體計算按GB 150.3-2011標準中3.3的公式。汽包的封頭一般采用長短軸比值為2的標準橢圓封頭，封頭計算公式按GB 150.3-2011標準中5.3.2的公式。接管開孔補強的結構按GB 150進行開孔補強計算結果考慮是否設置補強圈，此外，宜選用厚壁管或整體補強鍛件補強，也可采用增加筒體或封頭整體壁厚的補強形式。筒體及封頭的取用厚度按SH/T3158標準中表13的規定。折邊撓性管板的計算到目前為止尚無統一的計算公式，可按GB 150.3-2011標準中5.12.3受拉撐的板厚計算公式5-51，也可按SH/T3158或GB/T 16508-1996中相應的計算公式。管板過渡段的折邊內半徑不應小于二倍板厚，且至少應為38mm。換熱管與管板連接宜采用強度焊加貼脹的結構形式，且應先貼脹后強度焊。當管程介質溫度小于600℃時，換熱管與管板連接可只采用強度焊結構形式。管板管孔的焊接接頭坡口采用U形或V形坡口形式，焊縫高度應不小于換熱管壁厚加3mm，對于管程介質溫度不小于900℃的場合，管程介質多含有硫蒸汽，應將伸出管板焊縫高度控制在0.5～1.0mm，目的是盡量降低管頭的最高溫度。當用于煙溫600～900℃的部位時，換熱管管端伸出焊縫長度不大于1.5mm，當用于煙溫不大于600℃的部位時，管端超出焊縫的長度可放大至5mm。余熱鍋爐各主要元件的腐蝕余量的選取參考SH/T3158標準中表2規定。鍋爐筒體或封頭上應開設人孔，汽包上應至少開設一個公稱直徑不小于400mm的圓形人孔，且宜開設在封頭上。余熱鍋爐宜選用帶頸對焊法蘭人孔，按HG/T21514～21535選取。

4 設計注意事項

4.1 設計管殼式余熱鍋爐應先確定設備所屬范疇，根據各自范疇所遵循的設計規范進行設計

鍋爐范疇的管殼式余熱鍋爐主要設計規范為TSG G0001-2012《鍋爐安全技術監察規程》，GB/T 16508-1996《鍋殼鍋爐受壓元件強度計算》等。壓力容器范疇的管殼式余熱鍋爐主要設計規范為TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》、GB 150-2011《壓力容器》、GB 151-1999《管殼式換熱器》、SH/T3158-2009《石油化工管殼式余熱鍋爐》等。

4.2 對一些特殊介質及工況采取的措施

①在高溫還原性氣體（如H2、CO等）中，控制余熱鍋爐非金屬襯里中的硅和鐵的含量，其中SiO2不大于0.5%，Fe2O3含量不大于0.4%。以防止襯里被侵蝕產生空穴和析出SiO2引起換熱管堵塞。

②對于煙氣冷卻過程中有冷凝液產生的余熱鍋爐，應使換熱管有一定傾斜角度，使冷凝的液體能順利排出。

③對碳素鋼換熱管與碳素鋼管板或與Q345R管板間的連接接頭，當與含硫、硫化氫介質接觸時，為防止換熱管頭與硫、硫化氫介質產生嚴重的高溫硫腐蝕，應控制管頭最高溫度不超過370℃。

④對于壓力較高的余熱鍋爐，應校核換熱管與管板連接焊縫的剪切強度。當管程壓力較高時還應校核換熱管的軸向穩定。

⑤對于煙氣介質會生成酸霧等使露點溫度較高的余熱鍋爐，應根據計算的露點溫度確定殼程最低運行壓力，確保煙氣接觸面壁溫大于露點溫度。

參考文獻：

[1]GB 150-2011壓力容器.

[2]SH/T 3158-2009石油化工管殼式余熱鍋爐.

[3]TSG G0001-2012鍋爐安全技術監察規程.

[4]GB/T 16508-1996鍋殼鍋爐受壓元件強度計算.