蒸氨裝置中鈦制換熱器的設(shè)計

王 奇 丁天棟

（寶鋼工程技術(shù)集團有限公司)

煤焦化行業(yè)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(zhì)成分復(fù)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(zhì)。由于介質(zhì)中氨與硫化物具有較強的腐蝕性，并綜合考慮設(shè)備的檢修費用及使用壽命，蒸氨裝置換熱設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計上要綜合考慮制造成本問題，設(shè)計時在滿足工藝條件的情況下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，使其易于加工、節(jié)省材料，并盡量減少焊接工作量?，F(xiàn)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(shè)計。

1 鈦制換熱器的基本數(shù)據(jù)

該換熱器采用臥式結(jié)構(gòu)。從設(shè)備制造經(jīng)濟性上考慮，腐蝕性介質(zhì)走管程。考慮管、殼程設(shè)計溫差及鈦換熱管與鋼筒體不同的線膨脹系數(shù)，換熱管采用U形管結(jié)構(gòu)。該換熱器的基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 設(shè)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(yōu)點。考慮經(jīng)濟合理性，該設(shè)備選用的材料如下：管箱短節(jié)和封頭為TA2+Q345R復(fù)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(shè)計

3.1 鈦材換熱器設(shè)計注意事項

鈦和鋼不能直接熔焊。這是因為鈦熔點高、導(dǎo)熱性差、熱容量小、電阻系數(shù)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(dǎo)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(shè)計時要保持焊接結(jié)構(gòu)的連接性和焊縫的平滑過渡，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中。由于鈦的黏結(jié)性，鉆孔和攻絲是比較困難的，設(shè)計時應(yīng)盡量避免設(shè)計過長的通孔或盲孔，在設(shè)備上盡可能避免攻絲。鈦材對缺口的敏感性比較高，在設(shè)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(yīng)盡量平滑。鈦的塑性變形范圍小，并且加工硬化現(xiàn)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(fù)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(fù)層對接焊時應(yīng)嚴(yán)防其他金屬溶于鈦焊縫中。鈦鋼復(fù)合板對接焊的焊接接頭形式如圖1所示。在焊接鈦鋼復(fù)合板時，應(yīng)根據(jù)筒體內(nèi)壁復(fù)層下料尺寸要求開環(huán)形槽,先焊接碳鋼基層?；鶎雍缚p經(jīng)檢驗合格后，放置一塊鈦環(huán)板將環(huán)形槽填滿,然后鈦環(huán)板與復(fù)合層進行對接焊。為保證鈦板的焊接質(zhì)量，復(fù)合層外再加一塊蓋板搭接焊。此外，為保證鈦焊縫的焊接質(zhì)量，碳鋼基層筒體組焊時錯邊量要小。

3.3 接管襯筒與復(fù)合板筒體間的焊接 [1]

在設(shè)計接管的襯筒時，應(yīng)考慮留有襯筒相對運動的裕量，或筒體和接管的交接處應(yīng)有一定的撓性。為避免在筒體截面上出現(xiàn)尖銳傷痕，避免接管和筒體復(fù)合層焊縫位于最大應(yīng)力處以及解決不熔焊材料的焊接問題，應(yīng)將接管襯筒與復(fù)合板筒體焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計成如圖2所示的形式。復(fù)合板筒體的開孔以接管外徑為準(zhǔn)，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(fù)層的焊接。

圖1 復(fù)合板筒體對接焊的焊接結(jié)構(gòu)

圖2 接管襯筒與復(fù)合板筒體間的焊接結(jié)構(gòu)

3.4 鈦制筒體與設(shè)備法蘭的連接

由于蒸氨裝置的設(shè)計壓力不大、設(shè)計溫度不高，為了節(jié)省鈦材料，設(shè)備法蘭選用帶焊環(huán)活套法蘭，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)備法蘭盤采用16Mn鍛件，法蘭密封面鋼環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)焊接完成后再加工法蘭密封面。為防止設(shè)備法蘭在安裝或檢修時因沒有固定而移動位置，導(dǎo)致設(shè)備法蘭磕碰磨損，應(yīng)在設(shè)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(shè)計結(jié)構(gòu)也采用類似于設(shè)備法蘭的結(jié)構(gòu)，不同的是接管法蘭選用平焊環(huán)相對比較厚的標(biāo)準(zhǔn)平焊環(huán)松套管法蘭，平焊環(huán)與接管焊接后密封面不需要加工。

3.5 復(fù)合管板與換熱管的連接

圖3 鈦制筒體與設(shè)備法蘭連接結(jié)構(gòu)

換熱管材質(zhì)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(yīng)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(zhì)中還會引起縫隙腐蝕，時間稍長就會破壞焊縫以至發(fā)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(jié)構(gòu)，如圖4所示[2]。使用這種結(jié)構(gòu)，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(fù)合管板與換熱管的連接結(jié)構(gòu)

3.6 管板的設(shè)計

由于腐蝕性介質(zhì)走管程，從經(jīng)濟性考慮，管板宜選用復(fù)合管板。管板上的鈦復(fù)層機加工后其厚度最小不得小于3 mm。復(fù)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(dāng)管板上開有分程隔板槽時，復(fù)層的最小厚度應(yīng)適當(dāng)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(yīng)比碳鋼和不銹鋼管的孔徑小。

3.7 折流板的設(shè)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(xiàn)摩擦。當(dāng)折流板間距很大時，薄壁換熱管容易出現(xiàn)彎曲振動，因此折流板的間距應(yīng)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(yīng)嚴(yán)格倒角，不能有銳角出現(xiàn)。管孔兩端倒角采用圓滑過渡，否則換熱管容易發(fā)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(dǎo)致腐蝕加劇。因此設(shè)計折流板管孔時，既要避免縫隙過大產(chǎn)生換熱管沖刷腐蝕，又要防止縫隙過小而與換熱管產(chǎn)生摩擦。

4 設(shè)計中其他注意事項

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

（2）由于鈦與鋼不能一起熔焊，復(fù)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(fù)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(yīng)進行滲透檢測。

（4）容器用鈦其材料的供貨狀態(tài)均應(yīng)為退火狀態(tài)。

（5）由于U形換熱管最內(nèi)兩側(cè)的管子彎曲較大，因此其彎曲半徑應(yīng)適當(dāng)加大，最內(nèi)兩側(cè)的管壁也應(yīng)適當(dāng)加厚。

5 結(jié)語

由于鈦材具有強度高、耐腐蝕性好、表面不易結(jié)垢等特點，以及鈦材設(shè)備制造水平的不斷提高，鈦鋼復(fù)合板換熱器在蒸氨裝置中的應(yīng)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(yīng)用于實際生產(chǎn)，完全滿足生產(chǎn)工藝要求。

[1] 黃嘉琥,應(yīng)道宴，王佩珍，等.鈦制化工設(shè)備 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002： 109.

[2] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 151—1999管殼式換熱器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999：69-70.

[3] 國家經(jīng)濟貿(mào)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(biāo)準(zhǔn)釋義 [M].昆明：云南科技出版社,2003：24.