高温高压临氢热交换器的设计

陈锡栋

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

高温、高压热交换器广泛应用于合成氨、合成尿素、合成甲醇、煤化工等装置中。由于设备运行在高温、高压、临氢工况下，介质通常为易燃、易爆且具有腐蚀性，工艺条件苛刻，这就要求设备具备更高的安全可靠性，以确保其实现长周期运行的要求。因此，对此类设备的设计、制造、检测等都提出了更为严格的要求。

1 设计条件及选型

1.1 设计条件

某装置中一台临氢热交换器的主要设计参数见表1所示。

表1 设计参数

1.2 选型

根据设计条件，本热交换器管壳程高温，若采用固定管板型式，在实际操作中较难控制管壳程温差，在较大的管壳程温差载荷作用下，热交换器各受压元件(壳程筒体、换热管、管板)的应力很容易超标，需要设置膨胀节；但是在设置膨胀节后，在管程高压作用下，会引起换热管和管板的极大应力，从而无法满足强度要求。而U形管式热交换器，由于其仅有一个管板，换热管两端均固定于同一管板上，换热管可以自由伸缩，无热应力，能很好的解决本热交换器管壳程高温的问题，同时U形管式热交换器结构较为简单，而且管程介质为合成气，较为清洁且不易结垢。因此在满足工艺需求和安全可靠性的前提下，综合考虑经济性，热交换器最终选用U形管型式。

2 材料选择

本热交换器管程介质中含有氢气，氢气在高温高压环境下容易侵入到钢中与渗碳体(Fe3C)和固溶碳发生反应：2H2+Fe3C→3Fe+CH4，C+2H2→CH4或C+4H→CH4[1]，生成的甲烷无法扩散到钢外，而是在缺陷部位聚集，造成应力集中，形成内部裂纹，使钢材性能显著降低。因此，为避免高温氢腐蚀，根据氢分压和操作温度等条件，依据Nelson曲线[2]，热交换器的管程主体材料采用12Cr2Mo1R，壳程材料采用15CrMoR。

同时管程介质中还含有硫化氢，在氢与硫化氢共存的腐蚀环境下，硫化氢对设备存在腐蚀情况，氢在腐蚀过程中充当了催化剂，导致硫化氢对钢的腐蚀比其单独存在时更加严重[3]。根据Couper-Gorman曲线[4]，为抗高温硫化氢、氢腐蚀，热交换器管程内部堆焊奥氏体不锈钢，堆焊层采用双层堆焊，过渡层采用AWS E309L型焊材，面层采用AWS E347型焊材，过渡层与面层厚度各为3 mm。

3 结构设计

3.1 接管与壳体连接形式

高压热交换器接管与壳体连接形式通常有插入式、嵌入式、安放式三种。

3.1.1 插入式

插入式连接形式的优点在于接管与壳体的焊接接头为D类接头，组对方便，易于满足结构尺寸及检测要求，比较经济。缺点是产生焊接缺陷的几率高，角焊缝受力不好，焊接残余应力大。此连接形式的焊接深度为筒体厚度。

3.1.2 嵌入式

嵌入式连接形式的优点在于接管与壳体的焊接接头容易检测，保证焊接质量；焊接残余应力与受压产生的应力集中分离而减轻连接处的应力水平。缺点是焊接接头为A类接头，检测要求高，同时嵌入式锻件制造加工困难，加大了制造成本。此连接形式的焊接深度为筒体厚度。

3.1.3 安放式

安放式连接形式一般适用于接管直径较小的场合，其优点在于焊缝深度小，焊接工作量少，产生焊接缺陷几率低，焊接残余应力小。缺点是对开孔处壳体无分层要求较高，焊缝前端的焊接质量难以保证。此连接形式的焊接深度为接管厚度。

图1 接管与壳体连接形式

综合考虑设计合理性和经济性，本热交换器管程接管与壳体连接形式选用插入式和安放式两种结构。

3.2 管板与壳体连接形式

由于管程高温高压，若管板的连接型式采用通常的夹持型结构(即管板通过螺柱、垫片与壳体法兰和管箱法兰连接)，在实际操作中设备容易在此处发生泄漏，不利于设备的安全可靠运行。同时夹持结构有两个大法兰和高压紧固件，也不利于降低设备造价。考虑到壳程介质比较干净，且没有腐蚀性，因此在兼顾设计合理性和经济性的情况下，采用管板直接与壳程筒体和管箱筒体焊接形成整体的结构，见图2。

图2 管板与壳体连接形式

3.3 密封结构形式

密封结构是高温高压热交换器中十分重要的一个组成部分，它直接影响热交换器密封的可靠性、制造难易程度和制造成本。

高压设备常用的密封结构形式有平垫密封，金属环形垫密封，焊接密封等。

3.3.1 平垫密封

属于强制密封。平垫密封是使用比较成熟的一种密封形式，结构简单，加工方便，在直径小的场合密封可靠；但当直径较大时，由于平垫属于强制密封，为保证密封效果，往往需要很大的螺栓力和法兰刚性，这就使得法兰的尺寸和螺柱直径很大，导致结构笨重，不仅不经济，而且给拆装和检修都带来不便。

图3 平垫密封结构

3.3.2 金属环形垫密封

属于半自紧密封结构。与平垫密封相比，其优点在于：①垫片与密封面的接触面窄，并且具有一定的径向自紧作用，密封性能好；②金属环形垫的材料一般选用奥氏体不锈钢，在温度、压力较高或有波动，介质渗透性较强的场合，密封可靠。但此结构自身存在的缺点是：①环形垫直径大时，制造难度大，难以保证密封性能；②垫片比压力和垫片系数都较大，需要的螺栓预紧力很大，法兰和螺柱的规格都比较大，设备造价提高；③在压力、温度波动大的工况下运行时，密封性难以得到保证[5-6]。

图4 金属环形垫密封结构

3.3.3 Ω环密封

属于焊接密封结构(无垫片密封结构)。与金属环形垫密封相比，其优点在于：①Ω环壳直径小、受力好，可承受较高的压力，密封可靠，造价低；②螺柱具有较小的预紧和操作载荷，减小了法兰和螺柱的尺寸；③Ω环有较强的轴向变形能力，在结构变形不一致和压力、温度波动的情况下能够保证密封性能，适合开工周期长且要求密封严格不允许泄漏的场合。但此结构自身存在的缺点是：①Ω环制造精度以及组焊要求较高；②由于结构限制以及螺柱的干扰，Ω环焊接有难度；③拆装检修要求高，每次均要切割和焊接Ω密封环，可重复使用次数(2～3次)有限；④Ω环中的积液无法清除，会造成对密封环的腐蚀[5,6]。

图5 Ω环密封结构

3.3.4 膜片密封

属于焊接密封结构(无垫片密封结构)。其优点在于：①密封结构较简单，制造周期短，成本较低；②焊接密封承压能力强，同时彻底阻断介质的泄漏通道，密封可靠。但同时存在的缺点是：①密封膜片与管箱法兰密封焊时操作空间受限，施焊不便；②密封膜片与管箱的结构尺寸及所处环境不同，开停车过程中因温度变化而产生的热胀冷缩，容易使密封焊产生裂纹，导致密封失效；③密封膜片与管箱法兰接触面间存在缝隙，可能产生缝隙腐蚀[5-6]。

图6 膜片密封结构

综合考虑设计合理性和经济性，本热交换器管程小直径管口的密封选用金属环形垫、大直径管口的密封选用Ω环、管箱平盖与管箱法兰的密封选用膜片密封结构。

4 制造中的特殊要求

4.1 焊接及热处理要求

本热交换器管程材料为12Cr2Mo1R，壳程材料为15CrMoR，为防止铬钼钢在焊接过程中产生裂纹，提出了以下要求：

①焊材采用低氢型；

②所有承压焊接接头均开坡口并采用全焊透结构；

③焊接过程中，焊缝坡口及两侧各不小于一倍厚度(不大于100 mm)范围内的母材始终维持不低于预热温度，且不高于允许的最高层间温度；

④对筒体纵环焊缝进行消氢处理(DHT)；

⑤开口接管对接或角接焊缝进行中间消除应力热处理(ISR)；

⑥管箱及壳程筒体分别进行焊后消除应力热处理(PWHT)，与管板的对接焊缝进行局部消除应力热处理。

4.2 检测要求

铬钼钢制热交换器运行在高温高压临氢的工况下，制造过程中，为防止裂纹等缺陷，确保设备质量，提出如下检测要求[7]。

①射线检测(RT)。在中间消除应力热处理(ISR)之后、最终热处理(PWHT)之前，对所有受压对接接头进行100%射线检测。

②超声检测(UT)。铬钼钢板材逐张、所有锻件进行100%超声检测。对接管开口边缘四周至少100 mm范围内进行100%超声检测。在ISR或DHT、PWHT、水压试验之后对所有受压焊接接头进行100%超声检测。对堆焊层的100%超声检测在堆焊完成之后、PWHT之前进行。

③磁粉检测(MT)。对焊缝全部坡口、接头清根表面、补焊部位、临时连接物去除之处、所有待堆焊表面进行100%磁粉检测。在ISR或DHT、PWHT、水压试验之后对所有受压焊接接头、E类焊接接头进行100%磁粉检测。

④渗透检测(PT)。密封元件与法兰之间的焊接接头进行100%渗透检测。在水压试验后，对密封元件间的密封焊接接头进行100%渗透检测。对堆焊层的过渡层、面层表面分别进行100%渗透检测。对无法进行MT的部位，可采用PT代替。

5 结语

高温、高压、临氢热交换器因其运行工况苛刻，在设计过程中需要从各个环节进行综合考虑。本文针对高温高压临氢热交换器的特点，从设备选型、材料选择、结构设计、制造中的特殊要求等方面进行了分析和阐述。