刘旭
（四川泸天化弘旭工程建设有限公司，四川 泸州646300）
［摘 要］ 海洋石油富岛有限公司300 kt/a合成氨装置2018年度新更换的转化气废热锅炉从德国BORSIG公司引进，其管板设计采用德国BORSIG公司的专利技术——管板厚度仅为20 mm（远低于国标中的有关要求）。对德国BORSIG公司的转化气废热锅炉管板加强系统、换热管与管板的连接方式、工艺气入口管板端之隔热设施等结构特点及管板加强系统用材情况进行详细介绍，并对转化气废热锅炉的管板设计——管板厚度、圆钢筋强度、格栅板与环板尺寸进行校核计算。校核计算结果表明，此转化气废热锅炉管板设计安全、可靠；投运后的实际运行情况表明，此转化气废热锅炉运行状况良好，换热效果好，较原来多产高压蒸汽15 t/h。总之，德国BORSIG公司转化气废热锅炉管板加强系统设计技术值得业内学习、借鉴。
［关键词］ 转化气废热锅炉；管板；设备参数；结构特点；管板加强系统；用材情况；管板设计；校核计算
［中图分类号］ TQ053.2［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2019）06-0018-04
海洋石油富岛有限公司（简称海油富岛）化肥一期项目300 kt/a合成氨装置采用转化气废热锅炉回收生产过程中的余热而产生高温高压蒸汽（作为动力蒸汽和工艺用蒸汽）。转化气废热锅炉自1996年投运以来，由于其换热管多次泄漏导致系统停车及材质老化问题突出而需更换，2018年年初四川泸天化弘旭工程建设有限公司负责组对安装海油富岛从德国BORSIG公司引进的1台转化气废热锅炉（相较于原转化气废热锅炉而言，德国BORSIG公司对转化气废热锅炉进行了相应的升级改造，具体内容见下文），其管板设计采用德国BORSIG公司的专利技术，管板厚度仅20 mm；倘若按照我国《热交换器》（GB/T 151—2014）进行设计，其管板厚度应该在200 mm以上，在经济性上，显然采用德国BORSIG公司专利技术设计的管板具有明显的优势。以下将从技术角度分析与解构此项管板设计技术，供业内交流与探讨。
1 工艺流程及设备概况
1.1 工艺流程简介
转化气废热锅炉的主要任务是冷却转化气、副产高压蒸汽。转化气从转化气废热锅炉换热管内流过，而水/蒸汽混合物围绕着换热管的外壁；汽包座落于转化气废热锅炉的上方，由钢结构支撑，转化气废热锅炉与其上方的汽包之间连接有多根上升管和下降管，其蒸汽发生系统靠自然循环来使其中的水和汽流动；工艺气（即转化气）由转化气废热锅炉入口接管进入气体入口腔，经由包箍进入换热管，壳程炉水中的蒸汽气泡上升至转化气废热锅炉壳体上部，在换热管管束的最上一排与壳体之间存在有足够大的空间，以方便产生的蒸汽气泡流向壳体上方连接的数根（共4根）上升管，换热后的工艺气经由气体出口腔和气体出口接管离开。
在转化气废热锅炉中央（亦即换热管束中央），安装着1根工艺气旁路管，该管在气体入口腔处连接着1只旁路阀，该旁路阀和旁路管的作用是控制流出工艺气的温度。
1.2 设备参数
转化气废热锅炉外形尺寸φ 1 710 mm（壳体外径）×49 mm（壁厚）×8 956 mm（总长），换热面积163.5 m2，管板厚度20 mm，换热管规格φ42.4 mm×4 mm，换热管数量208根。转化气废热锅炉技术性能参数见表1。
1.3 转化气废热锅炉升级改造情况
（1）对套管、热屏板、螺栓组件、旁路阀的材料进行了升级，由ALLOY601升级为ALLOY602CA。
（2）在靠近工艺气入口管板处，配备有2个带法兰的检验接管（H1、H2），停车期间可通过这2个接管检查换热管（壳侧）的状态。
（3）工艺气出口腔配备有1套内部旁路出口控制系统，此系统通过将管束过来的冷却气体与从旁路过来的热气体的混合控制出口气体的温度。
（4）设备滑动支撑结构进行了改进。
（5）工艺气出口侧阀座改为了可拆卸结构。
2 转化气废热锅炉管板的结构特点
2.1 管板加强系统
为减少管程与壳程间的温差应力，管板需设计得较薄；为克服管程与壳程间的压差，管板又需设计得较厚。平常我们解决这一矛盾的方法一般是选用符合GB/T 151—2014拉撑管板或挠性管板的设计方法进行管板设计，但转化气废热锅炉的设计压力、设计温度范围均超出了拉撑管板和挠性管板适用的范畴。为此，德国BORSIG公司设计了一个特别的加强系统（如图1所示）来加强管板：在水侧的管排之间安装有垂直的钢板（即格栅板），环板支撑着所有的垂直钢板，而环板又经由管板法兰连接到壳体上，即这些垂直的钢板经由短圆钢筋连接到管板上，这些短圆钢筋把管板上的载荷传递到垂直钢板上，而垂直钢板又进一步把载荷传递至壳体上；即使在不安装换热管的情况下，这种壳体和两端加强板的设计也能够保证气体入口腔在高压下不发生变形；每根换热管的中心位于邻近4根短圆钢筋对角线的交点上。
此种设计的优点是：换热管固定在管板之间，不发生移动；换热管无轴向载荷，从而使得作用在换热管与管板之间焊缝上的应力很小；在所有工况下，两只管板均一直保持平整不变形，所以在管板的边沿区域，管束与壳体之间的应力不会出现集中的现象；加强系统让每根换热管之间相互独立，不存在因邻近换热管上热载荷不同而引起的换热管失效风险，由此不会因存在周期性载荷变化而致换热管使用寿命受限。此外，加强管板的另一设计目的是吸收工艺气侧和蒸汽侧的最大压力，使得任一侧对另一侧的压力均为零，这一点对于开车、停车和极端运行工况是很重要的。
2.2 换热管与管板的连接方式
更多内容详见《中氮肥》2019年第6期