变换气废热锅炉的设计制作与日常维护

李晓犇，秦丽芳，赵旭

(兖矿济宁化工装备有限公司，山东 济宁 272000)

0 引言

变换气废热锅炉，是指利用烟气热量加热水产生蒸汽的一种锅炉。变换气废热锅炉最初是用于制造低压蒸气，产能有限，仅用作辅助生产。随着生产技术的发展，特别是煤化工技术的发展，变换气废热锅炉变的也来越重要，已成为煤化工装置的关键核心设备之一，其运行状况直接关系到装置中的整个生产过程。变换气废热锅炉在化工中的作用越来越大，变换气废热锅炉在生产中的应用比重也越来越大[1]。

变换气废热锅炉一般用于热量回收，所以它承受的温度一般都比较高，高温下运行要求也比较苛刻。由于设备需要长期在高温下运行，所以对其结构的要求和制造材料的选用都是设计者重点考虑的[2]。

1 设计

1.1 结构设计

(1)变换气废锅一侧介质为高温高压的变换气，另一侧为水、水蒸气，一般选择管程侧为高压的变换气，壳程侧为压力较低的水、水蒸气。

(2)壳程为了将水加热成水蒸气，需较大的蒸发空间，因此选择GB/T 151—2014中K型中部结构。

(3)在高的管程压力和很大的管壳程温差联合载荷的作用下，固定管板无法满足强度要求，因此选用U型换热管。

综上，变换气废锅整体设计为卧式BKU型换热器，管程为变换气，壳程为水、水蒸气。

1.2 材质选择

(1)管程变换气，成分为一氧化碳、氢气、二氧化碳、硫化氢等，具有腐蚀性，应选择不锈钢，并且为减少硫化氢腐蚀和晶间腐蚀倾向，要求管程接触介质的部分均使用不锈钢S32168。

(2)因为管程压力高，奥氏体不锈钢强度在中低温时相对碳钢较低，同时为降低成本，管箱筒体、封头、管板均采用碳钢+S32168的复合形式。

(3)管箱筒体、封头一般采用碳钢+S32168的复合板。基层一般选择15CrMoR或Q345R。因15CrMoR为耐热钢，高温时强度高，但其有工艺加工性差的缺点，因此在温度相对较低时选择Q345R作为基层，温度较高时选择15CrMoR作为基层。

(4)管板采用碳钢堆焊S32168，从制作加工性考虑，一般选择16Mn锻件堆焊S32168，如果温度较高，管板基层可选择锻件15CrMo或锻件20MnMo。在温度不高的工况下，建议优选16Mn锻件，因为锻件15CrMo和锻件20MnMo制作工艺性差，要执行严格的预热、消氢、消应力工艺，且过渡层堆焊时易出现裂纹缺陷；同时使用锻件15CrMo和锻件20MnMo会增加后续管头焊缝的维修难度，因为维修时同样要执行预热、消氢、消应力工艺。

(5)根据变换装置高温、高压以及含H2、H2S、NH3等腐蚀性介质的特点，变换装置废热锅炉换热管选用耐晶间腐蚀及耐高温性能较高的S32168不锈钢，壁厚为2.0 mm或2.5 mm。

(6)壳程材料一般选择常见的Q345R和锻件16Mn。

1.3 焊接和无损检测要求

(1)一般情况下，管程焊接头系数选1.0，要求A、B类焊缝进行100%RT检测，Ⅱ级合格；C、D类焊缝进行100%表面检测，Ⅰ级合格。

(2)一般情况下，壳程焊接头系数选0.85，要求A、B类焊缝进行20%RT检测。

(3)为消除换热管与管孔之间缝隙，最大限度的减少变换气在高温高压环境下对管头焊缝的腐蚀，管头应采用强度焊+贴胀的结构形式(图1)，并进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

图1 强度焊+贴胀节点详图

(4)因压力较高，管板与壳体连接当A、B类焊缝无法进行RT检测时，应采用100% TOFD进行检测。

1.4 其他设计要求

(1)所有受压元件和换热器失稳均应按GB/T 150—2011和GB/T 151—2014强度计算合格，换热器的布管，折流板布置应进行传热计算合格。

(2)按TSG 21—2016容规要求，Ⅲ类压力容器须提供风险评估报告，其报告必须考虑可能产生的各种工况条件下的失效模式，并在设计、材料选择、加工制作中提出相应措施。

(3)管箱应进行整体消除应力热处理。

(4)管程压力高于壳程压力，在耐压试验时，仅能观察管头焊缝在壳程压力下的状态，无法观察在管程高压下的状态，且无法提高壳程耐压试验。因此，要求壳程耐压试验后，需对管头进行灵敏度更高的氨检漏检测或氦检漏检测。

(5)选取复合板管板，符合其相关的制造要求。当基层材质为铬钼钢时，应符合铬钼钢压力容器制造的专项技术要求。

2 制作

变换气废热锅炉在使用过程中，最容易出现三种问题：换热管泄漏、换热管与管板管头焊缝泄漏以及管板裂纹泄漏。因此，在设计合理的前提下，要在设备制作过程中应加强质量管控，减少设备本体缺陷或质量隐患[3]。

2.1 原材料采购和验收

(1)设备受压元件板材、锻件、换热管、封头等选择质量信誉度高的厂家，入厂前严格检验是否合格，使用前确认是否满足图纸和工艺要求。

(2)焊材严格按制造要求分库存放、烘干，领用和发放，焊条在使用时存放在保温桶中。

(3)换热管必须符合GB/T 13296—2013和NB/T 47019—2021的要求，选用高精度冷拔无缝钢管。①换热管壁厚满足标准和图样要求，不允许拼接。②U型换热管必须逐根进行水压试验、以确保焊接前其本身无泄漏。弯制完成后还要进行相应的通球试验。③弯管前制作样管，并依据相关标准的要求对其截面减薄量及椭圆度进行了数据测量，以检测弯管制作是否满足技术要求。④U型管不宜热弯，弯曲半径R≤5d的，成型后需对弯管部分和相连150 mm直管段进行固溶处理。重点要保证弯管处质量，因为弯管处在弯制过程中易出现缺陷；组装成管束后，弯管处过于致密，流通性差，换热效率低，温度偏高；在承压过程中，受力较直管处不均匀。

2.2 换热管与管板焊接接头的质量控制

(1)为保证管头的焊接质量，焊接工作开始前，必须编制合理的焊接工艺。

(2)焊接工艺制作完成后，严格按照焊接工艺进行施焊，并全程记录焊接过程和焊接质量。

(3)管头焊接前，检查坡口的角度及深度，坡口过浅会造成管头处焊缝长度短，强度不足，坡口过深则可能会造成焊接时熔深超过堆焊层，与基层母材熔合出现缺陷；焊前应及时清除管板管孔与管头的铁锈，油污等杂质。

(4)为保证管头焊缝的焊接质量，在第一遍焊接完成后对焊缝进行100%PT检测，Ⅰ级合格；合格后再进行第二遍焊接，第二遍焊接完成后再对焊缝进行100%PT检测，Ⅰ级合格。第一遍和第二遍焊接引弧处要至少间隔90°，以避免引弧收弧焊接质量不稳定造成管头焊缝缺陷。

(5)换热管在焊接完成后，为加强其密封性，进行贴胀处理。贴胀可以消除换热管与管孔之间缝隙，在贴胀前进行胀接工艺试验，贴胀过程同样需要提前制定贴胀工艺，并严格遵守如实记录。

(6)壳程耐压试验完成后，对管头进行氨检漏检测或氦检漏检测。

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进行100%UT检测，对基材堆焊表面进行100%MT检测，Ⅰ级合格。

(2)管板预热后方可进行过渡层堆焊，堆焊过程保持层间温度符合焊接工艺，堆焊完过渡层后应进行消除应力热处理，并进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

(3)过渡层检测合格后，按工艺对复层进行堆焊。

(4)管板堆焊完成后进行精加工，制作完成后对复层进行100%PT检测，Ⅰ级合格。

(5)对螺栓孔及管板孔进行加工，按工艺相关要求进行加工，管孔尺寸符合图样要求，保证加工精度，不能出现尺寸超差纵向或螺旋状刻痕。

(6)折流板外径和管孔尺寸需满足图样要求，钻孔后应倒角除去管孔周边的毛刺，防止穿管时换热管刮伤。

(7)在管束装配时，要避免管子强力装入折流板和管板，减少穿制管子时刮伤管子外表面。

(8)在管束装入壳体前，壳程筒体焊缝应磨平，装入时禁止强力拉拽，避免刮伤换热管和折流板。

(9)水压试验后，应及时吹干水，防止氯离子破坏不锈钢钝化膜，设备长时间不使用时，应进行充氮保护。

3 日常维护

变换气锅炉的运行主要包括开车、停车、生产过程控制，变换气锅炉的维护主要是运行过程中液位、压力、水质以及工艺流体温度和流量的监视、调节、控制等。变换气锅炉运行过程的维护直接关系到整个生产过程的稳定性。对于蒸汽使用设备的正常和安全运行，对于操作人员的人身安全都有重要意义。因此合理的运行维护，对于变换气锅炉以及使用其蒸汽的设备，都具有十分重要的意义。

(1)锅炉水水质监控。锅炉水水质的控制质量，不仅影响废热锅炉副产蒸汽的品质，而且对废热锅炉的使用寿命影响较大。锅炉水水质差，容易造成换热管结垢、高温蠕变、金属腐蚀等。重点监控的锅炉水水质指标 pH 值、磷酸盐、SiO2、电导率、Cl-、硬度等。

(2)合理排污及加药。水质好坏影响了设备使用寿命，为了提高废热锅炉的使用寿命，要严格控制锅炉内水质，确保其内部杂质不超标。一般采用两种方法，即进行连续排污和间断排污，降低锅炉中杂质的含量。合理的排污和加药可显著改善炉水运行环境，可有效避免换热管的结垢、腐蚀。

(3)合理控制废锅液位。变换气废热锅炉的液面以下约80～100 mm处为蒸汽释放区，也是废热锅炉含盐浓度最大的区域。根据变换气废热锅炉连续排污的位置，确定合理的液位控制指标。合理控制的液位，可有效将含盐量高的炉水排出，改善锅炉水的水质，保障变换气废热锅炉良好的运行环境。

(4)严格工艺操作。变换气废热锅炉在操作中严禁出现干锅、超温、超压等情况。精心操作，确保工况稳定；流量计、液位计等仪表定期校对，确保指示准确；安全附件要定期检验，确保完好。

(5)减少开停车次数。开停车过程中的压力和温度的变化容易造成设备的应力集中，容易在开停车过程中发生设备损坏，应尽量减少开停车次数，避免对设备造成损伤。变换气废热锅炉设计有蒸汽煮锅管线，在开车接气前，用煮锅蒸汽将废锅温度提升，提温速度应平稳且在控制速率之内。

(6)做好泄漏监控。在变换气废热锅炉的日常运行中，采用措施进行废锅泄漏监控。

(7)做好停用后的处理。变换系统工艺气中含水量较多，正常运行时因温度、压力较高，水以蒸汽的形式存在于系统中。在变换装置停车后，随着温度、压力的降低，系统中的蒸汽会冷凝下来，聚集在管道及设备内，同时因变换气中含H2S、NH3等腐蚀性介质，溶于水后形成腐蚀性较强的溶液，故变换装置停车后，及时打开管道低点排液，将冷凝液排出，并用少量氮气将系统内的工艺气进行置换，避免对设备及管道造成损伤。

4 结语

变换气废热锅炉使用温度高、工况苛刻，在安全性、合理性、经济性方便对其设计制作提出了相关要求，为提高其使用寿命，对其日常运行及维护提出了相关要求。