氨合成鍋爐給水預熱器的設計與制造

王向舉，徐才福，張志華，向彬彬

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

在卡薩利技術(shù)氨合成裝置中，鍋爐給水預熱器是工作條件苛刻、結(jié)構(gòu)復雜的設備，其設計、選型、制造、操作直接影響著整個裝置的安全平穩(wěn)運行。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的不同，鍋爐給水預熱器的彈簧支座可選擇單支座或雙支座型式。對目前國內(nèi)多個類似項目進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當操作質(zhì)量在60t以下，一般采用單支座支撐型式；操作質(zhì)量在60t以上，由于設備質(zhì)量較大，將直連管口N1下方增加一個支座(左彈簧支座)，主要是為了減小直連管口處軸向力，降低連接法蘭、螺栓應力水平，從而達到減薄法蘭厚度、減少實際需要螺栓面積的作用。

鍋爐給水預熱器合成氣進口與氨合成塔合成氣出口采用法蘭+唇焊密封直接相連的結(jié)構(gòu)型式，合成氣進入鍋爐給水預熱器后走殼程，鍋爐給水走管程。在鍋爐給水預熱器由安裝、冷態(tài)(升壓未升溫)到熱態(tài)(升壓、升溫至正常操作)的過程中，鍋爐給水預熱器進口處會有因氨合成塔溫度升高而引起的向下軸向位移，左、右彈簧支座在此過程中會產(chǎn)生不同的軸向位移，為保證正常運行時鍋爐給水預熱器維持水平，盡量降低直連管口處的附加力/附加彎矩等外載荷，在設備安裝階段需預加載荷和/或位移。

1 結(jié)構(gòu)型式及材料選擇

合成氣由N1管口內(nèi)件進氣管進入殼程內(nèi)筒體，采用折流柵型式強化傳熱，合成氣與換熱管內(nèi)鍋爐給水換熱后從內(nèi)筒體右側(cè)敞口處翻出內(nèi)筒體，然后從外筒體側(cè)壁N2管口流出；鍋爐給水走管程。該結(jié)構(gòu)型式鍋爐給水預熱器的主要特點如下：高溫氣體首先進入內(nèi)筒與管程鍋爐給水換熱后，相對低溫氣體與外殼體接觸，降低了殼程筒體的設計溫度，減小了設計厚度，從而節(jié)省材料；殼程側(cè)管板與單程進氣整體接觸，管板整體受熱均勻；彈簧支撐結(jié)構(gòu)避免了操作工況下剛性位移約束，局部受力情況更好。鍋爐給水預熱器簡圖見圖1。

圖1 鍋爐給水預熱器

殼程設計壓力為17.8 MPa(g)，設計溫度為333.6℃，操作壓力為15.0 MPa(g)，操作溫度為436.5～325.0℃，氫分壓為8.5 MPa(a)；管程設計壓力為14.0 MPa(g)，設計溫度為325℃，操作壓力為12.0 MPa(g)，操作溫度為256.5～312.7℃。

殼程筒體為SA-87 Gr.22 Cl.2，反向法蘭為SA-336 F22 Cl.3；管程殼體為SA-516 Gr.70N，管板為SA-336 F22 Cl.3+堆焊inconel600，管束為SA-213 T22，鞍座為SA-516 Gr.70/ SA-387 Gr22 Cl.2(墊板)。

2 彈簧支座

由于鍋爐給水預熱器與氨合成塔采取直連的型式，兩個設備中間沒有管道進行協(xié)調(diào)，因此，在熱態(tài)操作工況時，氨合成塔由于溫度升高引起向下軸向位移，鍋爐給水預熱器需采用彈簧支座支撐的型式進行位移協(xié)調(diào)，從而使鍋爐給水預熱器在正常操作工況時保持水平狀態(tài)。由于設備凈重和操作載荷的不同及熱態(tài)操作工況下彈簧位移量的不同，若要實現(xiàn)達到操作工況時左、右支座保持水平，設備安裝時直連管口處需施加一個預載荷(M1)，此載荷可通過右支座安裝工況載荷與右彈簧支座出廠預載荷的載荷差實現(xiàn)。

首先，根據(jù)設備各部件質(zhì)量及部件距左支座距離，通過彎矩平衡計算出左、右支座安裝工況和操作工況的載荷；根據(jù)不同的操作溫度及材料線膨脹系數(shù)，核算出從氨合成塔支座標高處至鍋爐給水預熱器鞍座底表面產(chǎn)生的軸向位移量；左、右彈簧支座選擇合理的彈簧剛度系數(shù)K(因右彈簧支座支撐載荷更大，因此一般右彈簧支座比左彈簧支座剛度系數(shù)大)，根據(jù)表1計算出左、右彈簧支座出廠時所需預載荷。

表1 彈簧支座出廠預載荷計算

操作載荷下左彈簧支座壓縮后的支撐反力應小于左支撐點所支撐的設備質(zhì)量載荷，即左彈簧支座出廠預載荷應小于表1中計算所得FLY值，從而避免左彈簧支座對設備軸向位移的限制及過大反作用力對設備造成的損壞。

3 合攏縫局部熱處理

國內(nèi)鍋爐給水預熱器合攏縫大部分為圖1中焊縫2位置，焊縫2處作為合攏縫進行局部熱處理時，由于加熱空間不足及不易加熱等原因，熱處理后焊縫硬度很難達到標準要求，且此焊縫處亦是應力集中區(qū)，因此，本項目在設計時將合攏縫設計在了圖1的焊縫1處，既避開了應力集中區(qū)，又留有足夠的局部熱處理加熱空間。

3.1 合攏縫第一次局部熱處理

合攏縫局部熱處理采用電加熱器加熱，加熱寬度為焊縫兩側(cè)各不小于180mm，焊縫置于加熱帶中間，加熱器沿筒身外壁環(huán)向布置，加熱區(qū)筒體外壁進行保溫，保溫區(qū)寬度大于加熱區(qū)寬度1.5倍以上，以免有較大的溫度梯度及熱損失。合攏縫處裝4支熱電偶測控溫度，熱電偶沿筒身周向0°、90°、180°、270°布置，熱處理保溫溫度690±10℃。局部熱處理完成后，對合攏縫處焊縫進行了硬度檢查，沿筒身周向0°、90°、180°、270°焊縫硬度(HB)多次測量，其硬度值約為295MPa，遠超≤225HB的標準要求。

通過分析原因，認為主要有以下幾點造成了焊縫硬度超標。

(1)加熱措施不到位。設備結(jié)構(gòu)中，合攏縫臨近斜坡(110mm至130mm的筒體厚度變化處)，造成局部電加熱板敷設過程中加熱板中心與焊縫中心不重合，同時不利于電加熱器與設備筒體緊密貼合。實際加熱板對焊縫區(qū)域的加熱效果受斜坡的影響大打折扣，加熱效果不理想。而在斜坡和臨近130mm厚筒節(jié)外側(cè)，均未設置輔助加熱裝置。

(2)保溫措施不到位。合攏縫局部熱處理時，臨近鞍座已裝焊完成，由于鞍座外形不規(guī)則，未進行很好的保溫，實際裸露在空氣中，造成了巨大的熱量散失。

(3)熱處理操作不規(guī)范。操作人員在熱處理升、降溫速率及達到保溫溫度后的時間控制上未按照熱處理工藝要求執(zhí)行。

3.2 合攏縫第二次局部熱處理

由于第一次局部熱處理合攏縫焊縫硬度超標，分析原因后制定了第二次熱處理工藝。第二次熱處理提高了熱處理保溫溫度，即熱處理保溫溫度由原來的690±10℃提高到700±10℃。同時將熱處理起始溫度和空冷溫度由原來的400℃降低至300℃，保溫時間和升溫速率保持不變。局部熱處理時為設備外部單面加熱且內(nèi)部無保溫，增加熱處理保溫溫度主要是為了保證設備內(nèi)部達到熱處理溫度要求。優(yōu)化及增加了部分其他輔助措施：首先，增加加熱寬度，采用電加熱器對焊縫進行局部熱處理，總加熱寬度由原來的360mm增加為720mm，對履帶式加熱器無法包覆的不等厚斜坡位置及鞍座墊板角焊縫斜坡位置采用繩狀電加熱器加熱；其次，將保溫層寬度增加為加熱寬度的2倍，并將鞍座用保溫層嚴密包裹；增加了輔助加熱區(qū)，采用電加熱器對管程側(cè)管板進行加熱及保溫，避免溫度通過換熱管在管程側(cè)造成熱損失。

第二次局部熱處理完成后，對合攏縫焊縫處焊縫進行了硬度檢查，沿筒身周向0°、90°、180°、270°焊縫硬度(HB)多次測量，其硬度值約為205HB，合攏縫焊縫處硬度符合標準要求。

由兩次熱處理結(jié)果可知，合攏縫焊縫處加熱時要保證有足夠的熱輸入，可采用加大加熱寬度、增加輔助加熱區(qū)來實現(xiàn)；做好合攏縫附近易引起熱損失的附件的保溫措施；熱處理實施過程中，操作人員要嚴格按照熱處理工藝要求操作，避免人為因素的影響。

4 鍋爐給水預熱器的安裝步驟

因工藝輸入條件中有鍋爐給水預熱器在正常操作工況下應保持水平狀態(tài)的預設條件，因此需要對安裝、操作、水壓試驗等各個工況下對彈簧支座的位移、受力情況進行綜合考慮，尤其在設備安裝時，如是先焊接管道再調(diào)節(jié)彈簧，還是先將彈簧調(diào)節(jié)完成后再焊接管道等，不同的順序會有不同的影響，根據(jù)項目中的實際安裝經(jīng)驗，按以下步驟進行安裝比較合理。

(1)鍋爐給水預熱器與氨合成塔直連管口先用4個螺栓連接，右彈簧支座支撐處采用剛性支撐。

(2)調(diào)整氨合成塔和鍋爐給水預熱器至相互垂直，然后進行直連管口的墊片焊接。

(3)直連管口螺栓全部上緊(上緊載荷及程序由專利商提供)。

(4)安裝彈簧支座：彈簧支座的地腳螺栓抹潤滑油，上緊地腳緊螺栓，彈簧支座上表面塞入滑動板(注意對中，且防止劃傷表面)，與支座底板點焊固定并用扳手逐個上緊彈簧支座頂部的支撐臺，保證支撐平面與滑動板能緊密貼合，拆掉彈簧支座上面的液壓千斤頂，然后對滑動板與支座底板進行現(xiàn)場連續(xù)焊，焊角高度3mm(inconel 焊條)。

(5)焊接鍋爐給水預熱器外部連接管道。

(6)開車前將彈簧支座保險銷拔掉，避免開車前彈簧長時間受力，延長彈簧壽命(彈簧支座出廠時帶有保險銷，開車前一定要將保險銷拔掉，以免彈簧支座僅僅起剛性支撐，對設備起不到保護作用)。

5 結(jié)語

(1) 鍋爐給水預熱器與氨合成塔直連管口下方左彈簧支座需選擇合理的剛度系數(shù)，使操作載荷下左彈簧支座壓縮后的支撐反力小于左支撐點所支撐的設備質(zhì)量載荷。

(2) 由于鍋爐給水預熱器合攏縫局部熱處理硬度達標難度大，因此，需制定合理的熱處理工藝并嚴格執(zhí)行，以免局部熱處理后焊縫硬度無法達到標準硬度要求。

(3)鍋爐給水預熱器需采用預載荷和較合理的安裝步驟來滿足鍋爐給水預熱器在正常操作工況下保持水平狀態(tài)的預設條件。