乙烯裂解爐大能力第二急冷換熱器的設計與應用

毛小亮 孫建兵 劉韞硯

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

乙烯裝置的核心設備是裂解爐，急冷換熱器是乙烯裂解裝置中工藝性較強的關鍵部分，在裂解裝置中主要承擔了兩個任務：一是將裂解爐中的高溫裂解氣通過急冷換熱器急冷，避免發生二次反應，保證烯烴收率不下降；二是把裂解氣中的高位熱能以高壓蒸汽的形式回收，降低能耗，提高乙烯裝置的經濟性［1］。該設備的運行狀況直接關系到裂解爐能否長周期安全穩定運行。

隨著國內乙烯產業向著大型化發展，單臺裂解爐的能力不斷增加，對急冷換熱器的處理量、裂解氣停留時間［2］、換熱面積、出口溫度、周期要求日益嚴格。針對上述問題，筆者設計了一種大型二級急冷換熱器系統。

1 急冷換熱器工藝特性和結構特性研究

裂解氣急冷換熱器的管板必須承受蒸汽壓力造成的負荷，并允許管束和殼體間有不同的膨脹。對于火管式急冷換熱器，若采用較厚的管板，厚管板水側和工藝氣側的壓力、溫度差異較大，造成厚管板本身產生很大的溫差應力。同時，由于管板厚度大、撓性小，換熱管與筒體之間的熱膨脹差引起的溫差應力得不到吸收，都會施加到換熱管-管板的焊縫上，極易引起火管式急冷換熱器換熱管和管板間的焊縫失效。另外，管板較厚，管板與換熱管軸向環隙過長，易發生鹽類在環隙中濃縮結垢和應力腐蝕。因此，大能力第二急冷換熱器上下均應采用撓性薄管板和彈性連接件來吸收部分換熱管和筒體的熱膨脹差。撓性薄管板和彈性連接件固有的彈性吸收了部分換熱管和殼體之間的熱膨脹差，有利于管、殼程溫差的熱補償；由于管板較薄，管板兩側的溫差也較小，這就減小了管子-管板和筒體-管板失效的可能性。

換熱管與管板的連接處是入口管板最危險的部位，所以換熱管與管板的焊接十分重要。以往一般采用開槽脹接、帶密封焊的開槽脹接或強度焊等方法，這在苛刻的高溫高壓操作條件下并不適宜，單一的強度焊雖然能耐較高的溫度和壓力，但多次的冷熱循環后，焊口容易產生疲勞裂紋。另外，由于換熱管與管板間存在間隙，雖經脹接緊密，但多次熱循環后，少量爐水進入間隙，間隙中的爐水蒸發、濃縮、結垢易產生間隙腐蝕。針對這些缺點，撓性薄管板與換熱管的焊接采用內孔焊，內孔焊不僅有好的焊縫強度，而且可消除換熱管與管板之間的間隙，不會發生間隙腐蝕，內孔焊還可以使焊縫處于水側的冷卻之下，降低焊縫溫度，提高焊縫的可靠性。

進入第二急冷換熱器的裂解氣溫度較高、流速較大、熱流密度較高，一旦發生流量分配不均或偏流現象，將引起整個管板和換熱管入口溫度分布不均，而且，在這種情況下，第二急冷換熱器入口流道（分配器）也容易變形和損壞。為了將裂解氣均勻分配到每一根換熱管中，需要對第二急冷換熱器入口流道進行流體動力學計算，用國際通用的計算流體動力學軟件CFX對第二急冷換熱器入口流道進行模擬，通過多方案比較最終確定合理的工藝氣入口流道長度和擴展角大小。

2 大能力第二急冷換熱器設計

某大型石化企業新建百萬噸乙烯項目，單臺裂解爐處理能力達15萬噸/年，該裂解爐急冷系統采用二級急冷技術。第一急冷換熱器采用線性急冷換熱器，裂解氣停留時間短、沒有流量分配問題。第二急冷換熱器（SQE）采用立式撓性薄管板列管式急冷換熱器，此類換熱器具有處理量大、換熱面積大的特點，能更大程度上降低急冷換熱器的出口溫度。

筆者根據急冷換熱器工藝特性和結構特性進行設計。該第二急冷換熱器涉及類別為Ⅲ類，筒體直徑1 820 mm，布置有502根換熱管，有效換熱管長7 200 mm，換熱管規格φ51 mm×4.5 mm，換熱面積579.1 m2。工藝裂解氣走管程，上進下出；鍋爐給水/蒸汽走殼側，下進上出。鍋爐給水（BFW）來自于一個共用的高壓汽包，采用自然循環方式，通過上升、下降管組成循環回路，并由此產生高壓蒸汽。為了安全運行，必須保證殼側有連續和均衡的鍋爐給水，在最低處設置排污裝置，在最高處設置排汽裝置。設備設計參數詳見表1。整體結構如圖1所示。

表1 大能力第二急冷換熱器的設計參數

圖1 大能力第二急冷換熱器的結構圖

2.1 撓性薄管板結構設計

大能力第二急冷換熱器采用撓性薄管板設計。采用ANSYS有限元分析軟件，對管橋區、管束和殼體之間的翻邊區進行嚴格的應力分析和應力評定，以確保撓性薄管板設計的可靠性。撓性薄管板管板結構如圖2所示。因第二急冷換熱器結構和載荷具有對稱性，取其四分之一進行有限元應力分析，圖3、4展示的是計算模型和網格圖。

圖2 撓性薄管板結構圖

圖3 有限元計算模型

圖4 有限元網格圖

對撓性薄管板管板結構進行溫度場和應力強度分析，可得如圖5、6所示結果。有限元分析結果表明，該結構設計滿足各工況條件下強度評定要求。

圖6 應力強度云圖

2.2 裂解氣的流量分配

裂解氣采用兩個入口，從SQE上部管箱兩側進入，通過入口分配器進入換熱管，入口分配器采用CFX輔助模擬設計，以便獲得最佳的流量分配。入口分配器結構如圖7所示。

圖7 入口分配器結構圖

CFX模擬輔助設計先根據無分配器的極端工況進行流體動力學（CFD）模擬，通過對模擬結果的分析，針對需要改善的流動問題，精準設計優化分配器結構，使裂解氣分兩路進入大型急冷換熱器的入口管箱后，經氣體分配器和管箱之間的夾套空間向上流動，在分配器的上端，流體充分混合后向下流過分配器管內，進入換熱器布管區，對此分配器進行模擬優化，從而得到最優結構參數。圖8分別是無分配器和有分配器的換熱管束出口質量流量云圖。對兩種工況進行模擬比較，分配器的急冷換熱器換熱管內流體分配勻度達98%，遠高于未設分配器的85%，說明該入口分配器結構設計合理、可靠。

圖8 管束出口質量流量云圖

2.3 換熱管與管板連接設計

換熱管與管板采用內孔焊，換熱管與下管板上表面、上管板下表面進行全焊透，不僅有好的焊縫強度，而且消除了管子與管板之間的間隙，不會發生間隙腐蝕，內孔焊可以使焊縫處于水側的冷卻之下，降低了焊縫溫度，提高了焊縫的可靠性，較傳統的換熱器-管板連接結構更先進，安全性更好，結構設計如圖9所示。

圖9 換熱管與管板連接結構（內孔焊）圖

2.4 殼體部分變徑段設計

第二急冷換熱器殼體部分分別在上管板與下管板附近增加兩個變徑段，可大幅度減小管殼程的溫差應力，起到類似于膨脹節作用的效果，結構設計如圖10所示。

圖10 殼體部分變徑段結構圖

3 試驗件的應力測試

為了進一步驗證該急冷換熱器設計的可靠性和合理性，制作了與之結構相近、材料相同、尺寸比例相似的強度試驗件，采用電阻應變測量法［3］對試驗件進行應力測試，根據試驗件的結構特點布置各測量點，確定各部位應力的大小、方向及其分布規律。測量測試中除了進行設計壓力下的應變測試，還對6.0、8.0、10.0、12.5、17.5 MPa各壓力等級進行應變測試，記錄了加載與卸載過程中的全部應變值。在全部測試過程中，所有接頭無任何泄漏現象。分析從各測試點所得到的應力值，可以看出管板上高應力的點幾乎集中在管孔與筒體連接處的附近，在筒體部分，最大應力在周向應力，尤其是小筒體向大筒體開始過渡處。從測試結果看，該急冷換熱器設計是可靠可行合理的。

4 應用情況

筆者設計的第二急冷換熱器于2020年9月正式投用。乙烯裂解爐經歷了幾十個運行周期，換熱器運行平穩，未發生泄漏事件，各項指標均在設計范圍內，管程出口溫度320 ℃，滿足工藝出口溫度低于342.9 ℃的要求。從長期跟蹤數據來看，急冷換熱器換熱效果達到了設計要求，運行末期和投用初期溫升平緩且在設計范圍內。

5 結束語

筆者設計的大能力第二急冷換熱器采用立式撓性薄管板急冷換熱器，具有如下優點：撓性薄管板和彈性連接件可有效吸收殼體與換熱管之間因熱膨脹量不同造成的溫差應力；特殊的導流結構保證了水以較高的流速流經高溫管板，有效防止高溫管板局部過熱；薄管板結構保證了水側對管板的冷卻作用，不僅減小了管板本身的熱應力，而且節約了大量材料；采用了較大的換熱面積，且采用均布器改善了換熱管中裂解氣分配情況，提高了每根換熱管的利用率，降低了裂解氣出口溫度，使第二急冷換熱器能更多地回收熱能且具有較長的運轉周期。

大能力第二急冷換熱器的成功投用，實現了裂解爐的節能降耗和長周期運行，提升了國產急冷換熱器的市場競爭力，經濟效益、社會效益顯著。