转化气蒸汽发生器的结构设计分析及改进设想

随着经济快速发展，作为能源最重要的炼油行业更是发展快速，千万吨级炼油厂连续建设，为其提供足够氢气的制氢装置规模也是越来越大，而转化气蒸汽发生器在制氢装置的设备中都起着举足轻重的作用，-直都是静设备设计 [1 的关键点。

转化气蒸汽发生器又称废热锅炉或余热锅炉，其目的就是利用生产过程中的高温物流作为热源来生产蒸汽[2-3]o转化气蒸汽发生器管程介质是来自转化炉的高温转化气，转化气入口温度-般在 850～900℃，转化气出口温度-般控制在 400℃以下，管程操作压力2.83.0 MPa；壳程介质为中压蒸汽，操作压力约为4.5 MPa，温度为255℃左右。该设备操作工况比较苛刻，在已运行的制氢装置中常发生各种损伤和破坏。

转化气蒸汽发生器有很多形式，从安装形式主要分为卧式和立式两种类型；从换热器形式可以分为固定管板式、u形管式和浮头式三大类型 4。本文主要针对以往所制作的卧式固定管板式转化气蒸汽发生器关键结构进行分析，并提出-些局部改进措施。

以前国内使用过多种类型的转化气蒸汽发生器，其中固定管板式采用较多，其热端管板-般采用刚性管板，这种结构存在-些弊端，曾经出现过几次因换热管与壳程壳体的温差应力而导致高温侧管板和换热管连接焊缝产生裂纹的情况，也出现过多次因衬里开裂导致设备超温的破坏，也有因调温机构变形导致的破坏等多种破坏情况。

为了避免以上问题，从前些年开始国内所作转化气蒸汽发生器通常都是采用进口技术，其结构见图1。

前端管箱为转化气人口侧，温度较高，采用锥壳和简体带衬里结构，锥壳和筒体材质选用 15CrMoR钢板，顶部设有人孔。管板采用柔性管板，换热管采用中心管(356 mm22 mm)和周边小管(b38 ram5 mm)结构，换热管材质选用 15CrMo，换热管人口处设有陶瓷套管，换热管与管板连接的焊接接头采用强度焊加贴胀形式。后端低温侧管箱采用筒体和椭圆形封头带衬里结构，简体和椭圆形封头材质选用 15CrMoR钢板，筒体上设有转化气出口，简体或椭圆形封头上设有调温机构∏程筒体选用Q345R钢板。

此结构的主要特点为：(1)高温侧管箱和低温侧管箱都采用衬里结构。

此结构的主要优点为：(1)高温侧管箱和低温侧管箱都采用衬里结构，有效的保护了管箱的壳体材料。

(2)采用柔性管板减少了管板的温差应力，增加了管板的变形协调能力，可以有效地吸收壳程壳体收稿日期：2012-12-05作者简介：王家祥 (1973- )，男，吉林九台人，工程师。从事压力容器设计工作。

2013年 6月 王家祥，等 .转化气蒸汽发生器的结构设计分析及改进设想 。33转化气入口 滚动支座 换热管 中心管 进水管 调温机构图1 转化气蒸汽发生器Fig.1 Outline of herecovery steam generator与换热管之间的热膨胀差；改善了管板、壳体、换热管的受力状态；可由钢板制成，同时使管板所用金属耗量降低。

(3)此结构在转化气出口温度超温和低温时可以通过调温机构进行温度的有效调节。

(4)日常操作过程中不易对调温机构造成结构变形从而影响温度调节。

此结构转化气蒸汽发生器在这些年的使用中使用效果比早期的转化气蒸汽发生器有明显改善。但是也曾经发生过以下的损伤和破坏：(1)高温侧管箱衬里施工质量不好，在运输和生产过程中产生裂纹和掉落，导致管箱壳体超温而停工整改。

(2)高温侧管箱人孔与管箱结合处密封不好，导致超温而停工检修。

(3)换热管与柔性管板焊接处由于受力不均或未焊好泄漏而停工整改。

(4)由于高温侧管箱衬里护板为整张钢板，在操作工况时的热膨胀量比较大，易引起衬里护板开孔与隔热陶瓷管口错开，导致流通面积减小，不能满足工艺需求。

(5)由于低温侧管箱内部温度分布不均而导致局部温度过高。

通过对此转化气蒸汽发生器的结构分析，以及其实际操作过程中遇到的问题，总结出此结构的主要缺点为：(1)由于柔性管板厚度-般较薄 (为 30 mnl左右)，换热管与柔性管板焊接时易造成管板变形。

(2)中心管与周围小管不同时参与换热，中心管处管板温度较高，导致管板受力不均。

(3)由于换热管采用中心大管 (中心管)，周围小管结构，此结构中心管规格较大，经过与壳程换热后中心管出口温度比周围小管温度高出不少，会导致低温侧管箱内部温度分布不均。

(5)低温侧采用衬里结构，使低温侧壳体材料的能力没有得到充分的利用。

鉴于前-种转化气蒸汽发生器的优缺点，根据以前装置的使用经验，本文介绍新开发设计的新结构转化气蒸汽发生器就是参考了前-种结构的设计理念，对多个部位采取重大改变的新结构换热器，结构见图2。其前端管箱为转化气人口侧，温度较高，采用锥壳和简体带衬里结构，锥壳和筒体材质选用1 5CrMoR钢板，顶部设有人孔。管板采用柔性管板，换热管采用中心-组较大管 ( 70 mm×5 nun)，周围小管 ( 3.4 mmX3.4 mm)结构，换热管材质选用 15CrMo，换热管入口处设有陶瓷套管，高温侧柔性管板与换热管的连接采用了内孑L焊技术。后端低温侧管箱采用简体和椭圆形封头结构，筒体和椭圆形封头材质选用 1 5CrMoR钢板，简体上设有转化气出口和调温机构。

此结构的主要特点为：(1)取消了管程低温侧管箱衬里结构，仅管程高温侧管箱采用衬里结构。

(2)管程高温侧人孔与衬里连接处开设密封槽，槽内使用陶纤绳密封。

(4)换热管布置形式由中心管式改为中心采用- 组较大管，周围小管结构 (见图3)。两种换热管同时参与换热，但由于换热管规格不-样，通过两种换热管后介质的温度也不-样，此时可通过调节内部大规格换热管的流量来灵活调节转化器出口温度。这器、 -化 工 设 墨 与 誓 谭 第50卷第3期衬里 b垒 人孔 支技板 出水管 转化气出口转化气入口 换热管 换热管 进水管图2 新结构转化气蒸汽发生器Fig.2 New type ofheat recovery steam generator种排列方式，既可灵活调节温度，又可改善管板受力，是-种较好的结构形式，可进-步提升设备的安全性，此处为新结构转化气蒸汽发生器的最大改进之-。

7 a.中心管式 b.新结构换热 管布置图3 转化气蒸汽发生器换热管布置对照Fig.3 Tube Lay-out of heat recovery steam generator(5)高温侧柔性管板与换热管的连接采用了内孔焊技术 (见图4柔性管板和换热管焊接结构对比图)。

此处为新结构转化气蒸汽发生器的最大改进之·，与原来强度焊加贴胀形式对比，此结构使焊接接头的检验成为可能，同时减小了焊接过程对管板的影响。

(6)高温侧管箱衬里护板由原来整张钢板改为由中心开孑L板和分割成几片的周边开孔板组成。

调温机构开口(9)壳程水人口和汽水混合物出口的间距采用了渐增式的布置方式。

此结构的主要优点为：(1)转化气入口部位与下集合管连接处的衬里隔板内径减小，同时人口部位内壁与下集合管连接处内壁保持-致，使得转化气对入口部位的冲刷减小，也使此部位因结构不平整而导致的衬里结构破坏风险降低。

(2)高温侧管箱采用衬里结构，有效保护了管箱的壳体材料。

(3)低温侧管箱取消衬里结构，使得低温侧管箱材料的潜力得到了发挥。

(4)管程高温侧人孔与衬里连接处陶纤绳密封结构可以有效避免由此连接处泄漏造成的超温破坏。

(5)新换热管布置形式 (中心-组较大管，周围小管结构)增加了换热面积，每根换热管都参与了换热，使得管板各处温差不大，改善了管板受力；改善了出口调温机构的腐蚀状况；换热管出口温度相差不大使低温侧管箱内部温度分布均匀。

(6)高温侧柔性管板与换热管的内孑L焊可以进行射线检测 ，能有效检测出缺陷的存在，更可靠地管板a.强度焊加贴胀式 b.新结构内孔焊式图4 转化气蒸汽发生器柔性管板和换热管焊接结构对比F培 4 New and old type tube to tube-sheet joints detail comparison2013年6月 王家祥，等.转化气蒸汽发生器的结构设计分析及改进设想 ·35保障产品质量，从图4可以看出，强度焊加贴胀式的焊接接头位于高温侧衬里部位，此处设计温度为400℃，此焊接接头为角接接头，不是全融透结构，其根部未熔合焊接接头受剪切应力。而内孔焊结构的焊接接头位于壳体内，其壳体接触温度为 270℃，此处结构为全焊透结构的对接接头，焊接接头受拉伸力。

此结构改进使焊接接头处的苛刻环境得以改善，大大降低此处开裂的风险；同时高温侧柔性管板与换热管的内孑L焊处离开柔性管板，在焊接过程中减少了柔性管板的变形影响。

(7)高温侧管箱由中心开孔板和分割成几片的周边开孔板组成衬里护板，在操作工况时每个开孑L板所产生的热膨胀量比单个整张孑L板的热膨胀量小-半左右，对衬里护板开孑L与隔热陶瓷管口的对中增加了有利因素，同样可以减小衬里护板开：fL：fL径。

(8)新调温机构提高了转化气出口温度超温和低温时调温机构调节温度的灵敏性。

(9)壳程水人口处挡板，防止了入口水介质对此处换热管的冲击和冲刷。

(10)壳程水入口和汽水混合物出口间距渐增式的布置方式使得每个汽水混合物出口所产生的饱和蒸汽分布更为合理。

此结构的主要缺点为：(1)内孔焊需要的焊接设备要求提高。

(2)柔性管板进行内孑L焊所需要的凸台增加了加工难度和工作量。

(3)壳程水入口和汽水混合物出口间距渐增式的布置方式在开始时间距较小，可能会对框架梁的布置产生影响。

(4)低温侧管箱简体上开设调温机构增加了低温侧管箱简体长度。

(5)由于加工难度增加，会导致转化气蒸汽发生器制造周期的加长。

新结构转化气蒸汽发生器保留了对其有利的柔性管板等结构，相对于以前的转化气蒸汽发生器结构有了多方面的改进，其中中心管形式改为-组较大管和周围小管结构形式，对于改善低温侧管程内温度均布，使得低温侧衬里取消成为可能；而高温侧柔性管板与换热管的连接由焊接加贴胀改为内孔焊技术，使得此部位焊接接头质量检验更加方便、更加可靠；壳程水人口和汽水混合物出口的分布由等间距改为渐增式间距的布置方式，使得每个汽水混合物出LI蒸汽量均衡。这些改进都对设备质量的提高起到了积极有效的作用，为转化气蒸汽发生器的长期稳定运行提供了更加可靠的保障，同时也加长了设备的使用寿命。

新结构转化气蒸汽发生器在实际操作中运行比较稳定。其可能发生的损伤和破坏形式为：高温侧管箱衬里施工质量不好，在运输和生产过程中产生破坏，导致管箱壳体超温而停工整改；换热管与柔性管板焊接处由于制造过程中未焊好，造成泄漏而停工整改；转化气人口部位与下集合管连接处的衬里，因为与转化气蒸汽发生器高温侧衬里和下集合管衬里不是-次性施工，造成的施工质量差异而产生的衬里不够紧密或衬里开裂导致的超温。

通过对此新结构转化气蒸汽发生器的结构分析，以及其实际操作过程中遇到的问题，对以后设计转化气蒸汽发生器提出几点建议：(1)新结构转化气蒸汽发生器转化气人口与下集合管连接处尽量减少冲刷破坏，而使其内径-致。但是由于转化气人口内壁衬里护板的存在而使其连接处衬里厚度不同，从而使转化气入口与下集合管连接处壳体金属温度有较大差别。因此以后设计中我们可以使转化气入口与下集合管连接处采用相同的结构尺寸。

(2)新结构转化气蒸汽发生器在高温侧管箱衬里处使用了衬里护板，虽然衬里护板会在-定程度上起到保护衬里的作用，但是由于衬里施工时，通常是先安装衬里护板，后做衬里，这样会使衬里施工的难度增加。同时因衬里护板的存在，对衬里的施工质量没有可以进行检测的手段。因此建议取消衬里护板。

(3)新结构转化气蒸汽发生器的-组较大管和周围小管结构形式在转化气通过较大管和小管时的温度存在-些差异，仍然会对低温侧管箱内温度分布有-定的影响，使转化气出口温度产生波动。因此，可以通过在较大管和小管出口外与转化气出口之间再设置-个混合段以使其中介质得到充分混合，以避免因此产生的转化气出口温度波动。

(4)新结构转化气蒸汽发生器调温机构位于低温侧管箱壳体部位，而其在安装时需要比管箱内径较小的安装空间，因此在管箱与封头之间设计了-对壳体法兰。这就增加了相当长的-段低温处管箱壳体长度。为了减小因此而增加的低温处管箱长度，应该考虑采用-种需要较姓间且需要通过人孔就可以进行安装的新结构的调温机构。