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(上海河圖工程股份有限公司, 上海 201203)

硫磺回收裝置是煉油廠最常見的一種含硫尾氣處理生產(chǎn)裝置，以酸性水、酸性氣等為原料，通過克勞斯反應(yīng)將H2S轉(zhuǎn)化成S單質(zhì)。酸性氣與空氣混合后在反應(yīng)爐中燃燒，燃燒后的過程氣進(jìn)入與反應(yīng)爐相連接的余熱鍋爐。余熱鍋爐的主要作用是從反應(yīng)爐出口氣體中回收熱量并發(fā)生蒸汽，同時按不同工藝要求使過程氣的溫度降至下游設(shè)備所需的溫度,并冷凝和回收單質(zhì)硫[1]。

硫磺回收裝置余熱鍋爐的管程操作條件為微正壓，入口溫度為1 300～1 400 ℃，出口溫度為350 ℃左右，介質(zhì)為含有高濃度的H2S、SO2、Sx和H2O等腐蝕性介質(zhì)。殼程的操作壓力為1.3 ～4.5 MPa，介質(zhì)為除氧水、蒸汽。

由于余熱鍋爐的前端管板處在承受高溫及腐蝕性氣體環(huán)境中且兩側(cè)壓差及兩側(cè)的溫差應(yīng)力較大，因此余熱鍋爐在長時間、高負(fù)荷的運(yùn)行情況下極易發(fā)生泄漏。

1 余熱鍋爐管板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 管板結(jié)構(gòu)形式

余熱鍋爐殼程無膨脹節(jié)，管板采用帶曲率半徑的撓性薄管板結(jié)構(gòu)，見圖1。管板通過圓弧過渡部分與余熱鍋爐筒體連接，管子的熱膨脹造成的管板變形以及管子與管板連接的溫差應(yīng)力由管板邊緣的圓弧部分補(bǔ)償和變形協(xié)調(diào)。采用撓性的薄管板結(jié)構(gòu)可降低管板的溫差應(yīng)力，增加管板的變形協(xié)調(diào)能力[2]，但由于管板較薄，也增加了管板與換熱管的連接難度。

圖1 撓性薄管板結(jié)構(gòu)

1.2 換熱管與管板連接形式

換熱管與管板連接一般采用強(qiáng)度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)形式[3]，管板管孔的焊接接頭坡口采用V形坡口結(jié)構(gòu)(圖2a)或U形坡口結(jié)構(gòu)(圖2b)。

圖2 管板管孔焊接接頭坡口結(jié)構(gòu)

1.3 管板熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

余熱鍋爐前的反應(yīng)爐的爐膛溫度通常超過1 300 ℃，且爐內(nèi)的氣體流量波動較大，對管板受熱面的沖擊也較大，因此一般在管板表面澆注一層高強(qiáng)度耐火澆注料。

通常耐火澆注料的厚度為50～100 mm，耐火澆注料采用錨固釘固定在管板上，其澆注料中Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求大于90%[4]。管板的熱防護(hù)具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 管板熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

1.4 換熱管管頭防護(hù)結(jié)構(gòu)

為了防止高溫氣流對進(jìn)口管端形成熱沖擊和磨損，在高溫氣體的入口部位對管子增設(shè)陶瓷套管，以保護(hù)進(jìn)口換熱管和焊縫。陶瓷套管的末端部分置于換熱管內(nèi)，前端部分置于管板端面的耐火澆注料中，置于耐火澆注料中的陶瓷套管長度與管板端面耐火澆注料的厚度相同。在管內(nèi)部分與管外部分陶瓷套管的分界處設(shè)置有凸臺。換熱管管頭的防護(hù)具體結(jié)構(gòu)見圖4[5]。

圖4 換熱管管頭防護(hù)結(jié)構(gòu)

2 前端管板損壞類型及原因分析

國內(nèi)多套在役硫磺回收裝置余熱鍋爐運(yùn)行狀況表明，常見的硫磺回收裝置余熱鍋爐損壞主要是因?yàn)閾Q熱管與管板焊接接頭質(zhì)量引起焊縫開裂或者是因?yàn)閾Q熱管管頭的陶瓷套管破裂以及管板上的襯里脫落，造成高溫酸性氣直接侵入損害管頭，使換熱管和管板的連接焊縫腐蝕開裂。

2.1 換熱管與管板焊接接頭損壞[6-8]

換熱管與管板連接處的裂紋和穿孔情況見圖5。從圖5可看出，換熱管與管板的焊接接頭處出現(xiàn)裂紋，管板處換熱管部腐蝕穿孔。

圖5 換熱管與管板連接處裂紋和穿孔

造成這種現(xiàn)象的主要原因有以下幾方面。其一是換熱管與管板的焊接接頭采用V形坡口，焊接強(qiáng)度不夠，當(dāng)管板與換熱管焊縫根部有部分未焊透，且局部存在少量氣孔與夾雜物時，由于管板由處于惡劣的操作條件下，換熱管與管板連接接頭處存在極大的熱應(yīng)力，角焊接接頭本身的抗熱疲勞性能差，焊接接頭極易出現(xiàn)裂紋。其二是換熱管與管板的后端脹接部分存在縫隙，當(dāng)鍋爐水流入管板與換熱管的間隙后會蒸發(fā)產(chǎn)生水垢使得熱傳遞受阻，該處的金屬壁溫升高，產(chǎn)生汽水反應(yīng)，導(dǎo)致管壁屈服以及高溫硫化物腐蝕穿孔。

2.2 陶瓷保護(hù)套管破裂

2.2.1破裂狀況

保護(hù)換熱管管頭的陶瓷套管破裂的現(xiàn)場情況見圖6。

圖6 襯里處陶瓷套管破裂圖片

從圖6可以觀察到，陶瓷套管前端部分，即鑲嵌在耐熱襯里中的部分破裂，破裂主要為不規(guī)則的縱向及環(huán)向裂紋，伸進(jìn)到換熱管內(nèi)的陶瓷套管沒有出現(xiàn)碎裂。

陶瓷套管破裂后，高溫氣體侵入，造成管板與換熱管間的焊接接頭局部過熱，同時管板與換熱管接頭處存在高溫硫化腐蝕，使換熱管與管板焊接接頭處發(fā)生破裂穿孔，致使殼程蒸汽泄漏到前端管板襯里內(nèi)，從而導(dǎo)致管板襯里損壞。襯里浸水后會出現(xiàn)疏松現(xiàn)象，見圖7。

圖7 襯里浸水后損壞圖片

2.2.2破裂原因

(1)陶瓷套管的材質(zhì)不符合工況要求 由于余熱鍋爐前端管板工況的原因，陶瓷套管的材質(zhì)應(yīng)滿足以下方面的要求：①抗高溫酸性氣體的侵蝕能力。②高溫強(qiáng)度、耐磨性能好。③體積穩(wěn)定性、抗蠕變性良好，線性變化小。④熱振穩(wěn)定性好。當(dāng)陶瓷套管的材質(zhì)不符合上述要求時，陶瓷套管處于高溫、高速流動、一定的壓力、腐蝕性介質(zhì)環(huán)境時，極易由于陶瓷套管本身材質(zhì)的原因，出現(xiàn)陶瓷套管破損問題。

(2)陶瓷套管結(jié)構(gòu)不合理 從圖4可看出，陶瓷套管的外徑變徑處設(shè)有凸臺，由于應(yīng)力在此處集中，而陶瓷套管管壁厚度比較薄，因此在徑向作用力下，很容易折斷。

(3)管板隔熱耐磨襯里、陶瓷套管、管板膨脹系數(shù)存在差異 在熱脹冷縮的作用下，管板的膨脹量比剛玉澆注料膨脹量大，而陶瓷套管為燒結(jié)件，幾乎無變形。所以，一般出現(xiàn)損壞的情況是管板端面的耐磨襯里因熱膨脹問題，導(dǎo)致耐磨陶瓷套管受徑向作用力，產(chǎn)生破裂[9-10]。

2.3 前端管板襯里脫落

前端管板襯里脫落現(xiàn)場情況見圖8。從圖8可以觀察到，前端管板上的襯里大面積脫落，使高溫氣體直接與管板接觸，造成換熱管與管板的連接焊縫損壞，換熱管腐蝕穿孔。

圖8 前端管板隔熱襯里脫落后管頭損壞情況

前端管板襯里脫落主要原因，①襯里材料性能指標(biāo)不符合余熱鍋爐工況的要求。由于前端管板在運(yùn)行過程中時刻處于高溫酸性氣還原環(huán)境中，另外還要承受過程氣不斷沖刷，因此襯里的強(qiáng)度、抗熱振性、化學(xué)成分都必須滿足一定的要求。②固定襯里的錨固釘材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及布置不合理。由于管板上換熱管間距較小，錨固釘不易與管板焊接，當(dāng)錨固釘?shù)脑O(shè)計不合理時，極易發(fā)生脫落，從而導(dǎo)致襯里脫落。 ③襯里施工質(zhì)量不合格。襯里材料處于1 400 ℃高溫和H2S環(huán)境，若襯里的施工及烘爐未按相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行，襯里工作時會收縮變形，導(dǎo)致前端襯里失效、脫落[11]。因此除襯里的性能指標(biāo)需滿足要求外，其施工、檢驗(yàn)、養(yǎng)護(hù)和烘爐均需滿足一定要求。

3 余熱鍋爐設(shè)計改進(jìn)措施及效果

3.1 換熱管與管板連接方式改進(jìn)

換熱管與管板焊接結(jié)構(gòu)采用U形坡口結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度焊加貼脹，即U形坡口應(yīng)為氬弧焊封底的全深焊焊接接頭[12]加貼脹。U形坡口熔深焊為多道氬弧焊，每焊接一道進(jìn)行一次磁粉檢測，清理干凈后進(jìn)行下一道焊接，直到焊接完成。熔深焊結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生裂紋和氣孔，焊接接頭強(qiáng)度高。

貼脹的作用是消除換熱管與管板之間的間隙，貼脹最好在管頭焊接完畢并熱處理消除應(yīng)力后進(jìn)行。在消除應(yīng)力前進(jìn)行貼脹，則貼脹部位熱處理時將會松弛，起不到消除換熱管與管板之間間隙的作用[12]。由于管板較薄，貼脹時的力度要求很重要，力度太大，會破壞管頭的焊縫；力度太小，起不到消除間隙的作用，因此建議采用液壓脹接技術(shù)。液壓脹接是利用液袋壓力作用于管子內(nèi)表面，使管壁發(fā)生形變，緊密貼合管板孔，脹接壓力可以精確控制，管子受力均勻[13]。

換熱管與管板焊接接頭很重要，設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)在圖樣上對換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)及技術(shù)作出詳細(xì)的要求。

3.2 換熱管端部保護(hù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.2.1陶瓷套管性能指標(biāo)

余熱鍋爐陶瓷套管的化學(xué)成分應(yīng)當(dāng)滿足SH/T 3158中的相關(guān)要求，w(Al2O3)=90%～95%，w(Fe2O3)≤0.4%，w(SiO2)≤0.5%。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過95%，使用時并不一定理想，因?yàn)樘沾商坠芄鼙诤穸缺容^薄(1.5～4 mm)，制作時需要加入燒結(jié)劑，含鋁量高加入的燒結(jié)劑必然少，會影響燒結(jié)質(zhì)量，從而影響使用。陶瓷套管其它性能指標(biāo)應(yīng)滿足以下要求：體積密度不小于3.6 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)不大于2.6 W/(m·K)，吸水率0%，耐火溫度應(yīng)大于1 790 ℃，抗折強(qiáng)度不小于300 MPa，抗壓強(qiáng)度不小于2 500 MPa[14]。降低陶瓷套管的氣孔率，增加陶瓷套管的致密度，從而提高陶瓷套管的強(qiáng)度，解決陶瓷套管耐溫性能差、強(qiáng)度不夠及易粉化等問題，避免陶瓷套管的破損。

3.2.2陶瓷保護(hù)套管結(jié)構(gòu)

改進(jìn)前后陶瓷保護(hù)套管結(jié)構(gòu)見圖9。原設(shè)計中陶瓷保護(hù)套管管內(nèi)部分與管外部分的分界處設(shè)有凸臺，此處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在高溫工況下，管板膨脹系數(shù)比剛玉澆注料膨脹系數(shù)大，管板端面的耐磨襯里因膨脹和收縮系數(shù)大，容易導(dǎo)致陶瓷保護(hù)套管受徑向作用力，在徑向力的作用下，圖9a所示位置處極易發(fā)生折斷。折斷后，在不損壞襯里的情況下，較難更換損壞的陶瓷保護(hù)套管。

設(shè)計過程中對陶瓷保護(hù)套管進(jìn)行改進(jìn)，取消管內(nèi)部分與管外部分分界處的凸臺，將其改為圓弧過渡，從而減少了變徑處的應(yīng)力集中，在受力情況下不易破裂。

圖9 改造前后陶瓷保護(hù)套管結(jié)構(gòu)

3.2.3管頭端部保護(hù)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的陶瓷保護(hù)套管本身在過渡處的應(yīng)力有所減小，但在安裝時，陶瓷保護(hù)套管不應(yīng)直接與管板接觸，否則還會因徑向作用力發(fā)生斷裂，因此采用柔性處理方案，在陶瓷保護(hù)套管與管板接觸處增加厚度為6 mm、使用溫度1 400 ℃的陶瓷纖維氈，用于吸收管板的膨脹。

安裝陶瓷保護(hù)套管時，伸進(jìn)換熱管內(nèi)的陶瓷保護(hù)套管外應(yīng)纏一圈1 mm的陶纖紙，保證陶瓷保護(hù)套管與換熱管內(nèi)徑2～3 mm的間隙即可，然后在陶瓷保護(hù)套管與隔熱耐磨襯里接觸的外壁上包裹一層1.5～2 mm的陶纖紙，最后進(jìn)行隔熱耐磨襯里的施工，避免因陶瓷保護(hù)套管與金屬管板、陶瓷保護(hù)套管與耐火襯里膨脹系數(shù)的不同，可能會將陶瓷保護(hù)套管擠碎的現(xiàn)象發(fā)生。

改進(jìn)后的余熱鍋爐換熱管管頭端部保護(hù)具體結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 改進(jìn)后換熱管管頭端部保護(hù)結(jié)構(gòu)

3.3 管板熱防護(hù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.3.1管板襯里材料性能指標(biāo)

原設(shè)計前端管板襯里與前端爐子耐火襯里材料一致。根據(jù)上述分析，需將前端管板襯里材料變更為剛玉澆注料。考慮到熱振及耐火材料本身膨脹，制作材料時加入適宜的有機(jī)纖維，材料烘爐后，耐火材料內(nèi)部形成小氣孔，有利于吸收耐火材料本身的膨脹。改進(jìn)后耐火材料性能指標(biāo)：w(Al2O3)=95%，w(Fe2O3)≤0.4%，w(SiO2)≤0.5%，耐火溫度大于1 800 ℃，密度為2.750 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)8.5×10-6mm/℃，1 300 ℃下3 h的殘余線變化為-0.35，抗折強(qiáng)度為11 MPa(1 500 ℃)[15]。

3.3.2錨固釘外形和尺寸

將管板前后端襯里的錨固釘由V形錨固釘改為柱狀錨固釘，將錨固釘圓鋼的直徑由?6 mm改為?8 mm。改進(jìn)前后管板前后端襯里錨固釘結(jié)構(gòu)見圖11。

圖11 改進(jìn)前后管板前后端襯里錨固釘結(jié)構(gòu)

3.3.3錨固釘焊接要求

對錨固釘與筒體的焊接應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定，焊肉應(yīng)飽滿且無咬肉現(xiàn)象。用0.5 kg手錘對錨固釘逐個敲擊，應(yīng)發(fā)出鏗鏘的金屬聲。錨固釘?shù)尿?yàn)收以抽查方式進(jìn)行，要求每4 m2抽查1個。抽查時，錘擊錨固釘?shù)捻敳?，打彎?0°應(yīng)無斷裂，并在其旁邊補(bǔ)焊1個。如斷裂，應(yīng)查明原因并制定補(bǔ)救措施。此外，在澆注料施工前應(yīng)在錨固釘上涂刷0.5～1.0 mm厚的瀝青油。

3.4 增加陶瓷套管與襯里施工要求

陶瓷保護(hù)套管與襯里的施工直接影響到襯里的質(zhì)量，設(shè)計圖樣中應(yīng)增加陶瓷保護(hù)套管、錨固釘及襯里施工技術(shù)要求。

4 結(jié)語

近年上海河圖工程股份有限公司新設(shè)計硫磺回收余熱鍋爐及部分在用硫磺回收裝置余熱鍋爐的改造已按上述方案進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。按上述方案設(shè)計且運(yùn)行4 a后的余熱鍋爐，前端管板及襯里運(yùn)行狀況良好，無泄漏、管板焊縫開裂、腐蝕穿孔及襯里脫落等發(fā)生，余熱鍋爐的使用壽命得到了提高。