大型硫磺回收裝置三合一硫冷凝器設計①

(鎮海石化工程股份有限公司，浙江 寧波 315042)

隨著國家對環保要求的提高，硫磺回收單元成為煉油廠加工高硫原油環節中必不可少的環保裝置，其規模隨著原油加工量的增加而趨于大型化。硫冷凝器是硫磺回收裝置中的關鍵設備之一，起著冷卻過程氣、分離出液硫及回收熱能的作用。其運行工況惡劣，腐蝕問題比較嚴重，一旦發生泄漏或失效將會造成裝置非計劃停工，嚴重影響裝置長周期運行，且給環境保護帶來壓力。

鎮海石化工程股份有限公司采用自主的ZHSR工藝包，在硫磺回收裝置大型設備設計方面積累了豐富的工程經驗。硫冷凝器采用一、二、三級硫冷凝器三合一的形式，具有結構緊湊、占地面積小、操作維護集中及投資費用低的優點。但三合一后造成設備大型化，且3臺硫冷凝器的管程均為非對稱布管，給設計和制造帶來了一定難度。文中以某10萬t/a硫磺回收裝置中的三合一硫冷凝器為例，對大型三合一硫冷凝器的設計進行介紹。

1 三合一硫冷凝器結構形式及特點

10萬t/a硫磺回收裝置中的三合一硫冷凝器(E902/E903/E904)結構示意見圖1，布管圖見圖2。3臺硫冷凝器E902、E903、E904的管程介質均為過程氣(H2S、SO2、H2O、COS等)，殼程介質均為鍋爐水、蒸汽，主要操作及結構參數見表1和表2。

圖1 三合一硫冷凝器結構示圖

圖2 三合一硫冷凝器布管圖

位號管程殼程入口溫度/℃出口溫度/℃工作壓力/MPa工作壓力/MPa工作溫度/℃E9023221700.0180.4152E9032941640.0180.4152E9042251550.0180.4152

表2 三合一硫冷凝器主要結構參數

三合一硫冷凝器主要特點：①設備直徑大，三級管束共用管板，布管數量多且非均勻分布，每個管程換熱面積各異，且換熱管規格不一致。②3臺硫冷凝器管程介質入口溫度逐級降低，造成三級管束的管、殼程溫差逐級遞減，前端管板產生徑向溫差。③前端管箱設備法蘭直徑超出常規標準的設計范疇，設計不當易造成密封面泄漏而失效。

2 三合一硫冷凝器材料選用

根據三合一硫冷凝器的操作溫度及介質成分可知，E902、E903入口管箱主要腐蝕為高溫硫腐蝕，E904前管箱及所有出口管箱操作溫度較低，發生高溫硫腐蝕的機率較小。殼程介質為鍋爐水、蒸汽，其腐蝕主要表現為均勻腐蝕和點蝕，且殼程上部為蒸發空間，存在氣液兩相交界面以及鍋爐水沸騰引起的沖擊及結垢等。

硫冷凝器過程氣中雖然含有少量的水，但過程氣溫度高于低溫露點溫度，因此正常操作時不存在冷凝的液態水，也不應存在露點腐蝕的情況。若操作工況發生波動，如短時間的流量驟減、開停工速度過快，則易造成過程氣露點腐蝕甚至產生濕H2S應力腐蝕。文獻[1]對某煉油廠硫冷凝器因露點腐蝕造成換熱管穿孔和因濕H2S應力腐蝕造成換熱管與管板焊縫開裂的原因進行了詳細分析。

三合一硫冷凝器選材時不僅要考慮以上腐蝕工況，還要考慮一定的工程應用經濟性。筆者根據多年工程經驗，認為采用以下選材方案比較經濟合理：①管箱板材采用Q245R(正火)，管板材料采用Q345R(正火)鋼板，且對鋼板進行逐張超聲檢測，按NB/T 47013.1～47013.13—2015《承壓設備無損檢測》[2]要求，Ⅱ級為合格。要求鋼板正火狀態供貨不僅可以細化晶粒組織，而且可使材料具有良好的塑性和韌性。②殼程殼體材料采用Q245R鋼板，換熱管材料采用10或20鋼管。如考慮應力腐蝕工況，采用10鋼管更具優勢。③一級硫冷凝器過程氣入口溫度較高，可在管板非布管區和管箱殼體內壁設置隔熱內襯材料，以降低殼體的平均壁溫或溫差，防止高溫硫腐蝕。

3 三合一硫冷凝器主要結構設計

3.1 管板設計

3.1.1設計難點

三合一硫冷凝器的管板不僅要承受殼程側鍋爐水的較高壓力，還要承受管程側高溫煙氣的沖擊以及管、殼程溫差帶來的熱應力。為提高管板的強度和剛度來滿足一定的承壓能力，需要增大管板的厚度，但增大管板的厚度會增加管板內部沿著厚度方向的熱應力，給管板的承載帶來不利影響。

三合一硫冷凝器直徑超大，布管非對稱且不均勻。三級管程入口溫度差異較大，造成了管板的水平徑向溫差。且殼程存在蒸發空間，使殼程側管板上半部分處于氣相空間，管板布管區處于鍋爐水液相空間，而氣、液相的對流傳熱系數相差較大，造成管板氣、液交界面部分存在較大的溫度梯度，給三合一硫冷凝器管板的設計和計算帶來了一定難度。

3.1.2結構形式

目前國內外常見的硫冷凝器管板結構形式一般為折邊撓性薄管板或焊接式拉撐平管板，見圖3。

圖3 國內外常見硫冷凝器管板結構形式

制造折邊撓性薄管板需定制專用模具進行壓制，相對焊接式拉撐平管板，制造工藝復雜且費用較高。但在承受較大溫差載荷時，折邊撓性薄管板相對焊接式拉撐平管板具有更好的柔性，在受力上具有優越性，且折邊撓性薄管板與筒體的連接焊縫為B類焊接接頭，有利于進行射線檢測。焊接式拉撐平管板如采用圖3b所示的鎖底接頭結構，進行傳統的超聲檢測將存在一定的困難，一般只能進行表面檢測，難以保障管板與筒體環焊縫的焊接質量。焊接式拉撐平管板如采用圖3c所示的對接接頭形式，需采用氬弧焊打底的單面全焊透結構，內部空間有限，也較難采用射線檢測，一般采用可記錄的超聲檢測加表面檢測來保證此環焊縫的質量。

三合一硫冷凝器管板直徑達到了4 000 mm時，如采用折邊管板，制造上存在一定困難，成本也會大幅上升。而三合一硫冷凝器管、殼程溫差相對較小，沒有必要采用高成本的折邊撓性薄管板結構。此外，三合一硫冷凝器前、后管箱各通過2塊分程隔板分隔成三管程，如采用折邊撓性薄管板結構，則會因為薄管板的變形而影響隔板的密封，造成工藝過程氣串漏。從工程可行性和經濟方面考慮，最終采用了圖3c所示的對接接頭焊接式拉撐平管板結構，目前已在多套大型硫磺回收裝置中得到了很好的應用。

3.1.3厚度計算

目前國內外對管板的設計計算方法大致分為兩種。一種是彈性基礎上的當量實心板理論，該理論以等效彈性常數概念為基礎，把管板布管區簡化為受管束彈性支撐的、受開孔均勻削弱的不開孔當量實體板。大多數國家的標準規范，如ASME BPVC.Ⅷ.1—2017《壓力容器建造規則》[3]、GB/T 151—2014《熱交換器》[4]以及BS PD 5500—2015《非直接火焊接壓力容器》[5]等都采用了這種理論，該理論主要應用于管殼式熱交換器的設計。

另一種管板設計計算方法為基于光板的彎曲理論，該理論是一種基于局部彎曲的粗略經驗方法，它將與管板連接的剛性較大的元件，如角撐板、斜拉桿、拉撐管、鍋殼和直拉桿等看作對管板有支撐作用的支撐點或支撐線(圓)，通過2個或2個以上的支撐點、線、圓畫出當量圓，并用光板彎曲理論分別計算出各當量圓所需壁厚，取其中的最大值作為整個管板的壁厚[6]，用各支撐部件周邊當量圓的圓心連線圍成的面積計算支撐部件所需的截面積。該理論主要應用于薄型管板的強度設計，如鍋殼鍋爐、管殼式廢熱鍋爐或蒸汽發生器等。AD 2000規范《壓力容器技術規則》[7]和GB/T 16508.3—2013《鍋殼鍋爐 第3部分：設計與強度計算》[8]等規范采用了這種設計方法。GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[9]中5.12也引入了拉撐平板的結構，其制定主要參考了ASME VIII-1 中UG47、UG48、UG50、UW19的相關內容，另外還參考了JIS B8276—1993《壓力容器拉撐所支撐的板》[10]和《鋼制石油化工壓力容器設計規定》[11]的相關內容[12]。GB/T 151—2014中附錄L和附錄M也分別引入了拉撐管板和撓性管板的設計計算方法，主要參照了AD 2000規范、SH/T 3158—2009《石油化工管殼式余熱鍋爐》[13]、GB 16508—2013等標準，但是其對管、殼程設計壓力，溫度，直徑范圍以及換熱管的長度做出了限制[14]。

三合一硫冷凝器的參數超出了GB/T 151—2014附錄L中所列出的直徑和溫度范圍的限制要求，且GB 150.1～150.4—2011、GB/T 151—2014和SH/T 3158—2009中給出的拉撐件形式單一，不能滿足三合一硫冷凝器的使用要求。為此，筆者參照了GB/T 16508.3—2013中薄管板的計算方法，很好地解決了實際工程問題。

三合一硫冷凝器非布管區面積較大，因此非布管區的當量圓也較大，根據光板彎曲理論計算的管板厚度會較厚，可在非布管區設置拉撐件，以減小當量圓的直徑。拉撐件應盡量均勻布置，使被拉撐的面積盡可能相同，并對拉撐件進行校核。按圖2所示，在非布管區分別設置6塊角撐板、12根拉撐桿，并使每個管程的最上一排換熱管兼做拉撐管。根據支點線畫出最大當量圓直徑，根據當量圓直徑計算出管板的最小壁厚，計算公式為[8]：

(1)

其中

[σ] =η[σ]j

(2)

式中，δ為管板名義厚度，de為當量圓直徑，mm；K為管板支撐點系數，是根據不同支撐點形式取得的算術平均值；p為計算壓力，[σ]j為許用應力，MPa；η為修正系數。

根據式(1)和式(2)計算得出的三合一硫冷凝器管板所需最小厚度僅19.84 mm，但考慮管板直徑較大，溫度場分布較為復雜，選取管板厚度時不僅要考慮一定的剛度，還應考慮管頭脹接和焊接的需要。

根據GB/T 151—2014附錄B計算時，一級硫冷凝器E902管、殼程平均溫差不大于30 ℃，應考慮溫差熱應力帶來的影響，管板應具有一定的撓性。三級硫冷凝器E904管、殼程平均溫差約10 ℃，基本可以忽略溫差應力，以承載內壓為主，主要考慮管板具有一定的剛性。二級硫冷凝器E903介于兩者之間。筆者認為，大型三合一硫冷凝器管板受力狀態應介于薄管板與剛性厚管板之間，同時管板還需保持一定的剛度用于控制管板的變形量，以避免因管板變形過大影響隔板的密封效果?？紤]各因素，最終管板厚度選取為60 mm。

3.2 管頭設計

三合一硫冷凝器管頭連接方式的設計非常重要，因為管頭的焊縫不僅要承受管、殼程壓力和溫差熱應力帶來的附加拉脫力，還要經受住高溫熱沖擊帶來的高溫硫腐蝕或可能出現的低溫露點腐蝕和濕硫化氫應力腐蝕。一旦某個管接頭發生泄漏，殼程側中壓鍋爐水就會大量進入管程與過程氣中的SO2或SO3形成硫酸或稀硫酸，造成更大面積的管頭腐蝕或換熱管穿孔。單質硫還會冷凝成固體硫磺堵塞熱交換器管頭，造成非計劃停工。即使及時停工檢修，焊縫也已經受到大量硫腐蝕及硫滲透，焊接性能變差，補焊難度大，造成焊接質量較差，裝置開工不久后焊縫又重新開裂導致裝置再次停工。大量的文獻和資料也表明，硫冷凝器的泄漏、失效往往首先發生在管子與管板的連接處。

為了保證管頭的強度，在大型三合一硫冷凝器管頭設計中采用了強度焊加強度脹的連接方式。強度焊結構采用管板上開U形坡口(圖4)，以增加換熱管與管板的焊接接觸面。同時要求采用氬弧焊且至少焊2道，每焊完一道后均應進行100%滲透檢測，以NB/T 47013.5—2015中的I級為合格。第一道焊道檢測合格之后再焊第二道，每道焊道檢測合格之后應將滲透劑清理干凈，焊接起弧點應錯開，直至焊完。

圖4 換熱管與管板強度焊連接結構

由于管板厚度大于一般的薄管板厚度，因此可采用強度脹形式，強度脹的開槽增加了換熱管的拉脫力。一側管束管頭的強度焊及強度脹宜在熱處理后進行，并對該側的管頭進行局部熱處理。必要時還可要求制造廠按實物尺寸提供管頭焊接工藝評定及檢測報告，并提供防止管板焊接變形的措施。

4 其余設計要點

硫冷凝器為排液硫設計時，需要考慮將設備傾斜安裝(設備安裝就位后是傾斜的，圖1中表示為1°傾斜)，同時在出口管箱底部設置內襯材料。設備的傾斜程度通過固定鞍座與活動鞍座的高差來調節，但應保證安裝就位后鞍座底板水平，腹板保持豎直。為配管需要，所有向上和向下接管法蘭密封面均應與基礎面平行。

為滿足檢修需要，一般在硫冷凝器前端管箱設置設備法蘭，三合一后需考慮設備法蘭具有一定的剛度。曾經發生過某硫磺裝置因設備法蘭剛度不足造成密封面泄漏的案例。設計時除了校核法蘭的剛度指數J≤1以外，必要時還可在法蘭內部加支撐以增加剛度。此外，還應考慮3個管程溫差帶來的螺栓松弛效應，可在前端管箱法蘭螺栓處設置碟簧補償不同的溫差變形，以保持螺栓緊力。

硫冷凝器三合一大型化后，前、后管箱分程隔板無支撐跨度變大，應考慮隔板兩側溫差和壓差帶來的變形可能。一旦變形量過大，就會使隔板墊片移位，造成內部過程氣串漏，必要時可對隔板進行適當加固。

為了捕集盡可能多的液硫，且避免過程氣帶液，在后管箱過程氣出口應當設置除霧器。同時在后管箱外部設置蒸汽盤管，以防止產生露點和液硫冷凝的可能。

5 結語

針對硫磺回收裝置中大型三合一硫冷凝器的特點，對多種管板形式優缺點及設計計算方法進行了比較，提出了硫冷凝器大型化后帶來的風險及相應的制造、設計要點，認為采用對接焊接式拉撐平管板，并利用GB/T 16508.3—2013中的方法進行設計計算能夠滿足大型三合一硫冷凝器的工程需求。按此方法設計的三合一硫冷凝器在多套大型硫磺回收裝置中得到了成功投運，應用效果良好。