蒸氨裝置中鈦制換熱器的設計

王 奇 丁天棟

（寶鋼工程技術集團有限公司)

煤焦化行業剩余氨水的主要成分有氨、硫化氫、氰化氫、苯酚及苯組烴等，介質成分復雜、毒性大、濃度高、生物降解困難。蒸氨就是利用蒸餾原理將剩余氨水中的氨分離出，同時也能除去部分氰化氫、硫化氫等有害物質。由于介質中氨與硫化物具有較強的腐蝕性，并綜合考慮設備的檢修費用及使用壽命，蒸氨裝置換熱設備材料選擇鈦材。由于鈦和鈦合金價格昂貴并且焊接條件要求較高，所以在結構設計上要綜合考慮制造成本問題，設計時在滿足工藝條件的情況下，盡量簡化結構，使其易于加工、節省材料，并盡量減少焊接工作量。現以某焦化廠蒸氨裝置中的氨冷凝冷卻器為例，簡單介紹鈦鋼換熱器的設計。

1 鈦制換熱器的基本數據

該換熱器采用臥式結構。從設備制造經濟性上考慮，腐蝕性介質走管程。考慮管、殼程設計溫差及鈦換熱管與鋼筒體不同的線膨脹系數，換熱管采用U形管結構。該換熱器的基本數據如表1所示。

表1 設計條件

2 鈦制換熱器的選材

在氨腐蝕條件下，不銹鋼等其它常用金屬材料雖然也可以使用，但腐蝕速率比較高,使用壽命也較短，因此決定選用鈦材。鈦制換熱器具有耐腐蝕性能好，使用壽命長，可靠性高，傳熱效率高，檢修量及其費用少等優點?？紤]經濟合理性，該設備選用的材料如下：管箱短節和封頭為TA2+Q345R復合板，殼程筒體為Q345R，換熱管為TA2，管板為TA2+16MnⅡ。

3 鈦制換熱器的設計

3.1 鈦材換熱器設計注意事項

鈦和鋼不能直接熔焊。這是因為鈦熔點高、導熱性差、熱容量小、電阻系數大，熔融鈦高溫停留時間長，冷卻速度慢。因此，鈦的焊接接頭鈍邊間隙比其他金屬小，而且容易形成導致焊縫脆化的金屬間化合物。鈦的斷裂性和沖擊韌性比較差，因而在設計時要保持焊接結構的連接性和焊縫的平滑過渡，避免出現應力集中。由于鈦的黏結性，鉆孔和攻絲是比較困難的，設計時應盡量避免設計過長的通孔或盲孔，在設備上盡可能避免攻絲。鈦材對缺口的敏感性比較高，在設計零部件時，其表面必須光滑，不允許表面存在劃傷等缺陷，焊縫必須采用焊透的對接接頭，表面應盡量平滑。鈦的塑性變形范圍小，并且加工硬化現象明顯，脹管時宜采用較小的脹管率。鈦制零部件的翻邊或彎曲宜采用較大的彎曲半徑。

3.2 鈦復合板間的焊接

由于鐵等其他金屬溶于鈦焊縫中會形成硬而脆的金屬化合物，極大地降低焊縫的塑性，因此在復層對接焊時應嚴防其他金屬溶于鈦焊縫中。鈦鋼復合板對接焊的焊接接頭形式如圖1所示。在焊接鈦鋼復合板時，應根據筒體內壁復層下料尺寸要求開環形槽,先焊接碳鋼基層?；鶎雍缚p經檢驗合格后，放置一塊鈦環板將環形槽填滿,然后鈦環板與復合層進行對接焊。為保證鈦板的焊接質量，復合層外再加一塊蓋板搭接焊。此外，為保證鈦焊縫的焊接質量，碳鋼基層筒體組焊時錯邊量要小。

3.3 接管襯筒與復合板筒體間的焊接 [1]

在設計接管的襯筒時，應考慮留有襯筒相對運動的裕量，或筒體和接管的交接處應有一定的撓性。為避免在筒體截面上出現尖銳傷痕，避免接管和筒體復合層焊縫位于最大應力處以及解決不熔焊材料的焊接問題，應將接管襯筒與復合板筒體焊接結構設計成如圖2所示的形式。復合板筒體的開孔以接管外徑為準，將鋼管與筒體基層相焊接。待這一焊縫檢驗合格后，利用熱套或冷套方式裝入鈦接管，然后再進行襯里翻邊及其與筒體復層的焊接。

圖1 復合板筒體對接焊的焊接結構

圖2 接管襯筒與復合板筒體間的焊接結構

3.4 鈦制筒體與設備法蘭的連接

由于蒸氨裝置的設計壓力不大、設計溫度不高，為了節省鈦材料，設備法蘭選用帶焊環活套法蘭，其結構如圖3所示。設備法蘭盤采用16Mn鍛件，法蘭密封面鋼環采用TA2鈦板。先將法蘭盤加工出倒角，留出筒體和法蘭密封環焊接的角焊接焊縫位置，然后將法蘭盤套到筒體上，法蘭盤與筒體間加密封墊片。將筒體和法蘭密封環之間進行雙面角接焊接。為了使法蘭密封面有良好的密封性能，在筒體和法蘭密封環焊接完成后再加工法蘭密封面。為防止設備法蘭在安裝或檢修時因沒有固定而移動位置，導致設備法蘭磕碰磨損，應在設備法蘭背面筒體上焊接防落擋板且不少于2塊。接管法蘭的設計結構也采用類似于設備法蘭的結構，不同的是接管法蘭選用平焊環相對比較厚的標準平焊環松套管法蘭，平焊環與接管焊接后密封面不需要加工。

3.5 復合管板與換熱管的連接

圖3 鈦制筒體與設備法蘭連接結構

換熱管材質選用TA2鈦管。對于鈦制換熱器，隨著溫度的升高，管板與換熱管的剛性將下降，熱膨脹應力將增大，這時很容易引起接頭脫落或松動，降低連接的可靠性。在某些腐蝕性介質中還會引起縫隙腐蝕，時間稍長就會破壞焊縫以至發生泄漏。由于鈦的高延伸率和鈦對縫隙腐蝕的敏感性，管子與管板的連接一般不單獨選用強度脹接。在蒸氨裝置中，換熱管與管板的連接選用強度焊加貼脹的結構，如圖4所示[2]。使用這種結構，不但可保證熱換管與管板的可靠連接，減少縫隙腐蝕，而且還可減弱因振動而引起的對換熱管的破壞。

圖4 復合管板與換熱管的連接結構

3.6 管板的設計

由于腐蝕性介質走管程，從經濟性考慮，管板宜選用復合管板。管板上的鈦復層機加工后其厚度最小不得小于3 mm。復層的最小厚度必須保證在管板與換熱管焊接時，基層金屬不溶入鈦焊縫中。當管板上開有分程隔板槽時，復層的最小厚度應適當增加。由于鈦材屈強比比較大，延伸率和斷面收縮率較低，鈦管換熱器的管板孔徑應比碳鋼和不銹鋼管的孔徑小。

3.7 折流板的設計

由于操作或熱膨脹中的振動，換熱管和折流板之間容易出現摩擦。當折流板間距很大時，薄壁換熱管容易出現彎曲振動，因此折流板的間距應小到能夠限制換熱管的振動，從而消除摩擦。折流板管孔的兩端應嚴格倒角，不能有銳角出現。管孔兩端倒角采用圓滑過渡，否則換熱管容易發生破壞。在高速流體作用時，換熱管與折流板管孔的縫隙里液流高速度沖刷換熱管會導致腐蝕加劇。因此設計折流板管孔時，既要避免縫隙過大產生換熱管沖刷腐蝕，又要防止縫隙過小而與換熱管產生摩擦。

4 設計中其他注意事項

（1）鈦制壓力容器強度設計計算中，雙面焊或相當于雙面焊的全焊透對接接頭雖然經全部無損檢測，但其焊接接頭系數是0.95，而不是1.0[3]。

（2）由于鈦與鋼不能一起熔焊，復層鈦與基層鋼不能焊成一體，無法起到承受強度的作用，故在強度計算時不計入復層鈦的厚度[4]。

（3）鈦制換熱器中，接管、補強圈與筒體或封頭的角焊縫以及換熱器管板與管子的連接焊縫，都應進行滲透檢測。

（4）容器用鈦其材料的供貨狀態均應為退火狀態。

（5）由于U形換熱管最內兩側的管子彎曲較大，因此其彎曲半徑應適當加大，最內兩側的管壁也應適當加厚。

5 結語

由于鈦材具有強度高、耐腐蝕性好、表面不易結垢等特點，以及鈦材設備制造水平的不斷提高，鈦鋼復合板換熱器在蒸氨裝置中的應用越來越廣泛。目前，本文所述的鈦制換熱器已成功制造并應用于實際生產，完全滿足生產工藝要求。

[1] 黃嘉琥,應道宴，王佩珍，等.鈦制化工設備 [M].北京：化學工業出版社,2002： 109.

[2] 國家質量技術監督局.GB 151—1999管殼式換熱器[S].北京：中國標準出版社,1999：69-70.

[3] 國家經濟貿易委員會.JB/T 4745—2002鈦制焊接容器[S].2002：160-161.

[4] 桑如苞,黃嘉琥,王榮貴,等.JB/T 4745—2002鈦制焊接容器標準釋義 [M].昆明：云南科技出版社,2003：24.