高压U形管式换热器的设计.pdf

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1、石油和化工设备-10-论文广场2016年第19卷高压U形管式换热器的设计尤培兄(中国石化南京工程有限公司,江苏南京211100)[摘要]本文通过一台高压U形管式换热器的设计实例,详细介绍了该高压换热器的超厚管板设计及其结构、强度计算、制造检验要求等方面的内容。该换热器2015年交付用户,运行状况良好。本设计过程可为同类设备的设计提供参考。[关键词]高压换热器;U形管式;超厚管板;设计在石油、化工生产过程中,换热器应用非1高压换热器设计参数及结构常广泛。随着国内煤制氢项目的大型化,设备规本换热器为卧式U形管式换热器,设备直径格也发生相应变化,在高压及高温等因素下

2、,换φ1500mm,换热管为φ25×2.5×7500mm,共计热器的主要受压元件—壳体及管板的厚度相应增664根U形管,换热面积为733m2。换热器设计参数加。本文以某煤制氢项目中一台高压U形管式换热见表1。器为例,对其设计进行详细介绍。该设备为U形管式交换器,以U形换热管尾端表1换热器设计参数的自由浮动来解决温差应力,同时为了使管束可壳程管程以从壳体内抽出,便于清洗换热管的外壁,选用设计压力MPa4.016.0管板兼作法兰型,类似与GB/T151中e型。设计温度℃200185由于换热器壳程和管程的压力差较大等原介质变换气锅炉给水因,在设计中遇到多项超标准的内

3、容,采取相应程数12的非标设计方案,涉及设计标准规范选定、材料焊接接头系数1.01.0选择、结构确定、设计计算、制造验收技术条件主要材料S30403+Q345RQ345R(正火)等多方面的内容。换热器主要由管板、筒体、管容器类别Ⅲ/A1箱及换热管束等部件组成,见图1。图1高压U形管式换热器本换热器主要执行标准如下:TSGR0004-焊接规程》,NB/T47018.1~47018.7-2011《承压设2009《固定式压力容器安全技术监察规程》,备用焊接材料订货技术条件》等。GB150.1~150.4-2011《压力容器》,GB/T151-2014作者简介:尤培兄

4、(1978—),女,江苏宝应人,本科学历,《热交换器》,SH/T3527-2009《石油化工不锈钢工程师。在中国石化南京工程有限公司设备室从事压力容器设计复合钢焊接规程》,NB/T47015-2011《压力容器工作。第6期尤培兄高压U形管式换热器的设计-11-2高压换热器材料选择及技术要求2.2.1换热器管板材料为S30403锻件。锻件使用状2.1介质特性态为固溶,锻件级别为Ⅳ级。管板厚度计算采用SW6软件GB/T151进行常规计算,再按应力分析进本换热器壳程介质为变换气,其组分有:行核算,确定管板中心处厚度为470mm,超出NB/CO,CO2,H2,水蒸汽及

5、少量的H2S。应考虑氢气[1]T47010-2010中S30403锻件公称厚度≤300mm的规及氢腐蚀。定。为了保证管板材料的安全性及可行性,积极氢气为易爆介质。当铁素体钢制压力容器的与多家钢板厂家沟通,并与多位专家讨论后,对设计温度≥200℃且与氢气氛相接触时为氢腐蚀环其管板材料提出以下增补技术要求:境。氢腐蚀环境中如同时存在高温硫腐蚀、高温(1)锻件化学成分和热处理后的机械性蠕变、蠕变与氢腐蚀的倍增效应、回火脆性等其能应符合NB/T47010中表1和表3(公称厚度>他因素时,还应考虑这些因素对钢材高温力学性150~300mm)的要求。能的影响。(2)锻件应

6、进行力学性能试样坯料的模拟焊处于临氢状态下操作的压力容器,氢会进入后热处理。钢材,进入量随着操作温度和操作氢分压的提高而增加,钢中的渗碳体(Fe3C)和不稳定碳化物(3)锻件应具有6级以上的实际晶粒度,性析出的碳与氢反应生成甲烷,导致钢材破裂,这能按GB/T6394进行测定。种现象称为氢腐蚀。即:(4)锻件中A、B、C、D、Ds的杂质合格级2H2+Fe3C→3Fe+CH4别≤1.5级,且A类和C类之和≤2.0级,B类和Ds类之和≤2.5级,总和≤4.0级,评定方法按GB/T10561中C+2H2→CH4或C+4H→CH4的B法。而对于奥氏体不锈钢,在所规定的温

7、度及氢(5)锻件的供货热处理状态为:固溶。分压中使用不会引起氢腐蚀,不需要为此进行焊后消除应力热处理。2.2.2换热管材料选用S30403冷拔无缝钢管,除换热管的外径和厚度偏差符合GB13296-2013外,其2.2材料选择余应满足NB/T47019-2011的规定。换热管应整根选择化工容器用钢应考虑设备的操作条件弯制,不允许拼接。(如设计压力、设计温度、介质特性)、材料的2.2.3管程筒体、封头材料选用Q345R板材,钢板焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结使用状态为正火;钢板逐张进行100%超声检测,构等。同时还应考虑经济合理。合格级别Ⅱ级。为使钢板

8、具有良好的韧性储备,由于换热器壳程的设

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