變換氣廢熱鍋爐的設計制作與日常維護

李曉犇，秦麗芳，趙旭

(兗礦濟寧化工裝備有限公司，山東 濟寧 272000)

0 引言

變換氣廢熱鍋爐，是指利用煙氣熱量加熱水產生蒸汽的一種鍋爐。變換氣廢熱鍋爐最初是用于制造低壓蒸氣，產能有限，僅用作輔助生產。隨著生產技術的發展，特別是煤化工技術的發展，變換氣廢熱鍋爐變的也來越重要，已成為煤化工裝置的關鍵核心設備之一，其運行狀況直接關系到裝置中的整個生產過程。變換氣廢熱鍋爐在化工中的作用越來越大，變換氣廢熱鍋爐在生產中的應用比重也越來越大[1]。

變換氣廢熱鍋爐一般用于熱量回收，所以它承受的溫度一般都比較高，高溫下運行要求也比較苛刻。由于設備需要長期在高溫下運行，所以對其結構的要求和制造材料的選用都是設計者重點考慮的[2]。

1 設計

1.1 結構設計

(1)變換氣廢鍋一側介質為高溫高壓的變換氣，另一側為水、水蒸氣，一般選擇管程側為高壓的變換氣，殼程側為壓力較低的水、水蒸氣。

(2)殼程為了將水加熱成水蒸氣，需較大的蒸發空間，因此選擇GB/T 151—2014中K型中部結構。

(3)在高的管程壓力和很大的管殼程溫差聯合載荷的作用下，固定管板無法滿足強度要求，因此選用U型換熱管。

綜上，變換氣廢鍋整體設計為臥式BKU型換熱器，管程為變換氣，殼程為水、水蒸氣。

1.2 材質選擇

(1)管程變換氣，成分為一氧化碳、氫氣、二氧化碳、硫化氫等，具有腐蝕性，應選擇不銹鋼，并且為減少硫化氫腐蝕和晶間腐蝕傾向，要求管程接觸介質的部分均使用不銹鋼S32168。

(2)因為管程壓力高，奧氏體不銹鋼強度在中低溫時相對碳鋼較低，同時為降低成本，管箱筒體、封頭、管板均采用碳鋼+S32168的復合形式。

(3)管箱筒體、封頭一般采用碳鋼+S32168的復合板。基層一般選擇15CrMoR或Q345R。因15CrMoR為耐熱鋼，高溫時強度高，但其有工藝加工性差的缺點，因此在溫度相對較低時選擇Q345R作為基層，溫度較高時選擇15CrMoR作為基層。

(4)管板采用碳鋼堆焊S32168，從制作加工性考慮，一般選擇16Mn鍛件堆焊S32168，如果溫度較高，管板基層可選擇鍛件15CrMo或鍛件20MnMo。在溫度不高的工況下，建議優選16Mn鍛件，因為鍛件15CrMo和鍛件20MnMo制作工藝性差，要執行嚴格的預熱、消氫、消應力工藝，且過渡層堆焊時易出現裂紋缺陷；同時使用鍛件15CrMo和鍛件20MnMo會增加后續管頭焊縫的維修難度，因為維修時同樣要執行預熱、消氫、消應力工藝。

(5)根據變換裝置高溫、高壓以及含H2、H2S、NH3等腐蝕性介質的特點，變換裝置廢熱鍋爐換熱管選用耐晶間腐蝕及耐高溫性能較高的S32168不銹鋼，壁厚為2.0 mm或2.5 mm。

(6)殼程材料一般選擇常見的Q345R和鍛件16Mn。

1.3 焊接和無損檢測要求

(1)一般情況下，管程焊接頭系數選1.0，要求A、B類焊縫進行100%RT檢測，Ⅱ級合格；C、D類焊縫進行100%表面檢測，Ⅰ級合格。

(2)一般情況下，殼程焊接頭系數選0.85，要求A、B類焊縫進行20%RT檢測。

(3)為消除換熱管與管孔之間縫隙，最大限度的減少變換氣在高溫高壓環境下對管頭焊縫的腐蝕，管頭應采用強度焊+貼脹的結構形式(圖1)，并進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

圖1 強度焊+貼脹節點詳圖

(4)因壓力較高，管板與殼體連接當A、B類焊縫無法進行RT檢測時，應采用100% TOFD進行檢測。

1.4 其他設計要求

(1)所有受壓元件和換熱器失穩均應按GB/T 150—2011和GB/T 151—2014強度計算合格，換熱器的布管，折流板布置應進行傳熱計算合格。

(2)按TSG 21—2016容規要求，Ⅲ類壓力容器須提供風險評估報告，其報告必須考慮可能產生的各種工況條件下的失效模式，并在設計、材料選擇、加工制作中提出相應措施。

(3)管箱應進行整體消除應力熱處理。

(4)管程壓力高于殼程壓力，在耐壓試驗時，僅能觀察管頭焊縫在殼程壓力下的狀態，無法觀察在管程高壓下的狀態，且無法提高殼程耐壓試驗。因此，要求殼程耐壓試驗后，需對管頭進行靈敏度更高的氨檢漏檢測或氦檢漏檢測。

(5)選取復合板管板，符合其相關的制造要求。當基層材質為鉻鉬鋼時，應符合鉻鉬鋼壓力容器制造的專項技術要求。

2 制作

變換氣廢熱鍋爐在使用過程中，最容易出現三種問題：換熱管泄漏、換熱管與管板管頭焊縫泄漏以及管板裂紋泄漏。因此，在設計合理的前提下，要在設備制作過程中應加強質量管控，減少設備本體缺陷或質量隱患[3]。

2.1 原材料采購和驗收

(1)設備受壓元件板材、鍛件、換熱管、封頭等選擇質量信譽度高的廠家，入廠前嚴格檢驗是否合格，使用前確認是否滿足圖紙和工藝要求。

(2)焊材嚴格按制造要求分庫存放、烘干，領用和發放，焊條在使用時存放在保溫桶中。

(3)換熱管必須符合GB/T 13296—2013和NB/T 47019—2021的要求，選用高精度冷拔無縫鋼管。①換熱管壁厚滿足標準和圖樣要求，不允許拼接。②U型換熱管必須逐根進行水壓試驗、以確保焊接前其本身無泄漏。彎制完成后還要進行相應的通球試驗。③彎管前制作樣管，并依據相關標準的要求對其截面減薄量及橢圓度進行了數據測量，以檢測彎管制作是否滿足技術要求。④U型管不宜熱彎，彎曲半徑R≤5d的，成型后需對彎管部分和相連150 mm直管段進行固溶處理。重點要保證彎管處質量，因為彎管處在彎制過程中易出現缺陷；組裝成管束后，彎管處過于致密，流通性差，換熱效率低，溫度偏高；在承壓過程中，受力較直管處不均勻。

2.2 換熱管與管板焊接接頭的質量控制

(1)為保證管頭的焊接質量，焊接工作開始前，必須編制合理的焊接工藝。

(2)焊接工藝制作完成后，嚴格按照焊接工藝進行施焊，并全程記錄焊接過程和焊接質量。

(3)管頭焊接前，檢查坡口的角度及深度，坡口過淺會造成管頭處焊縫長度短，強度不足，坡口過深則可能會造成焊接時熔深超過堆焊層，與基層母材熔合出現缺陷；焊前應及時清除管板管孔與管頭的鐵銹，油污等雜質。

(4)為保證管頭焊縫的焊接質量，在第一遍焊接完成后對焊縫進行100%PT檢測，Ⅰ級合格；合格后再進行第二遍焊接，第二遍焊接完成后再對焊縫進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。第一遍和第二遍焊接引弧處要至少間隔90°，以避免引弧收弧焊接質量不穩定造成管頭焊縫缺陷。

(5)換熱管在焊接完成后，為加強其密封性，進行貼脹處理。貼脹可以消除換熱管與管孔之間縫隙，在貼脹前進行脹接工藝試驗，貼脹過程同樣需要提前制定貼脹工藝，并嚴格遵守如實記錄。

(6)殼程耐壓試驗完成后，對管頭進行氨檢漏檢測或氦檢漏檢測。

2.3 管板、折流板(支持板)及管束制造

(1)管板基材加工完成后進行100%UT檢測，對基材堆焊表面進行100%MT檢測，Ⅰ級合格。

(2)管板預熱后方可進行過渡層堆焊，堆焊過程保持層間溫度符合焊接工藝，堆焊完過渡層后應進行消除應力熱處理，并進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

(3)過渡層檢測合格后，按工藝對復層進行堆焊。

(4)管板堆焊完成后進行精加工，制作完成后對復層進行100%PT檢測，Ⅰ級合格。

(5)對螺栓孔及管板孔進行加工，按工藝相關要求進行加工，管孔尺寸符合圖樣要求，保證加工精度，不能出現尺寸超差縱向或螺旋狀刻痕。

(6)折流板外徑和管孔尺寸需滿足圖樣要求，鉆孔后應倒角除去管孔周邊的毛刺，防止穿管時換熱管刮傷。

(7)在管束裝配時，要避免管子強力裝入折流板和管板，減少穿制管子時刮傷管子外表面。

(8)在管束裝入殼體前，殼程筒體焊縫應磨平，裝入時禁止強力拉拽，避免刮傷換熱管和折流板。

(9)水壓試驗后，應及時吹干水，防止氯離子破壞不銹鋼鈍化膜，設備長時間不使用時，應進行充氮保護。

3 日常維護

變換氣鍋爐的運行主要包括開車、停車、生產過程控制，變換氣鍋爐的維護主要是運行過程中液位、壓力、水質以及工藝流體溫度和流量的監視、調節、控制等。變換氣鍋爐運行過程的維護直接關系到整個生產過程的穩定性。對于蒸汽使用設備的正常和安全運行，對于操作人員的人身安全都有重要意義。因此合理的運行維護，對于變換氣鍋爐以及使用其蒸汽的設備，都具有十分重要的意義。

(1)鍋爐水水質監控。鍋爐水水質的控制質量，不僅影響廢熱鍋爐副產蒸汽的品質，而且對廢熱鍋爐的使用壽命影響較大。鍋爐水水質差，容易造成換熱管結垢、高溫蠕變、金屬腐蝕等。重點監控的鍋爐水水質指標 pH 值、磷酸鹽、SiO2、電導率、Cl-、硬度等。

(2)合理排污及加藥。水質好壞影響了設備使用壽命，為了提高廢熱鍋爐的使用壽命，要嚴格控制鍋爐內水質，確保其內部雜質不超標。一般采用兩種方法，即進行連續排污和間斷排污，降低鍋爐中雜質的含量。合理的排污和加藥可顯著改善爐水運行環境，可有效避免換熱管的結垢、腐蝕。

(3)合理控制廢鍋液位。變換氣廢熱鍋爐的液面以下約80～100 mm處為蒸汽釋放區，也是廢熱鍋爐含鹽濃度最大的區域。根據變換氣廢熱鍋爐連續排污的位置，確定合理的液位控制指標。合理控制的液位，可有效將含鹽量高的爐水排出，改善鍋爐水的水質，保障變換氣廢熱鍋爐良好的運行環境。

(4)嚴格工藝操作。變換氣廢熱鍋爐在操作中嚴禁出現干鍋、超溫、超壓等情況。精心操作，確保工況穩定；流量計、液位計等儀表定期校對，確保指示準確；安全附件要定期檢驗，確保完好。

(5)減少開停車次數。開停車過程中的壓力和溫度的變化容易造成設備的應力集中，容易在開停車過程中發生設備損壞，應盡量減少開停車次數，避免對設備造成損傷。變換氣廢熱鍋爐設計有蒸汽煮鍋管線，在開車接氣前，用煮鍋蒸汽將廢鍋溫度提升，提溫速度應平穩且在控制速率之內。

(6)做好泄漏監控。在變換氣廢熱鍋爐的日常運行中，采用措施進行廢鍋泄漏監控。

(7)做好停用后的處理。變換系統工藝氣中含水量較多，正常運行時因溫度、壓力較高，水以蒸汽的形式存在于系統中。在變換裝置停車后，隨著溫度、壓力的降低，系統中的蒸汽會冷凝下來，聚集在管道及設備內，同時因變換氣中含H2S、NH3等腐蝕性介質，溶于水后形成腐蝕性較強的溶液，故變換裝置停車后，及時打開管道低點排液，將冷凝液排出，并用少量氮氣將系統內的工藝氣進行置換，避免對設備及管道造成損傷。

4 結語

變換氣廢熱鍋爐使用溫度高、工況苛刻，在安全性、合理性、經濟性方便對其設計制作提出了相關要求，為提高其使用壽命，對其日常運行及維護提出了相關要求。