（山东三维石化工程股份有限公司 山东青岛 266000）
摘要：介绍了冷凝冷却器在硫回收装置中的作用，讲述了冷凝冷却器的设计特点。从安全、经济、腐蚀等方面考虑了材料的选择，介绍了强度计算的方法，对前端管箱大开孔处利用ANSYS软件进行了分析校核。最后给出了技术要求。
关键词：冷凝冷却器；材料；受压元件；应力分析；技术要求
1、前言
硫回收装置的冷凝冷却器，其作用是将克劳斯反应产生的单质硫蒸汽冷凝为液态硫磺，同时产生饱和蒸汽，回收热量。本冷凝冷却器是某硫磺回收装置中的关键设备，并采用组合式，一、三级冷凝冷却器共用一个壳体，节省了投资，减少占地面积[1]。下面简单阐述此设备的设计方法并对前端管箱大开孔处利用ANSYS软件进行了分析校核。
2、设备选材
一、三级冷凝冷却器管程的操作介质为过程气，因此在选材时须考虑高温硫腐蚀和湿硫化氢应力腐蚀。
1）高温硫腐蚀
一、三级冷凝冷却器的管程操作介质为过程气，过程气中含有大量的H2S、SO2、H2O等气体。操作温度为350℃，当介质温度大于等于240℃时，应考虑高温硫化物腐蚀对材料的影响[3]。
高温硫化腐蚀形态为H2S气体对钢材的化学腐蚀，腐蚀反应为：
Fe+H2S→FeS+H2
当温度达到350～400℃时，硫化氢按下式分解：
H2S→S+H2
分解出来的硫以及过程气中的单质硫比硫化氢具有更强的活性，腐蚀更加剧烈。
2）硫化氢腐蚀
由于操作介质中含有硫化氢和水，在停工状态下，水蒸汽冷凝后，形成了H2S+H2O应力腐蚀，硫化氢在水中发生离解：
H2S→H++HS-
HS-→H++S2-
钢在硫化氢的水溶液中发生电化学反应：
阳极反应 Fe→Fe2++2e
二次过程 Fe2++ S2-→FeS
或 Fe2++ HS-→FeS+H+
阴极过程 2H++2e→2H→H2↑
钢在H2S水溶液中，不只是由于阳极反应生成FeS而引起一般腐蚀。而且阴极反应生成的氢还能向钢中渗透并扩散，而引起钢的氢鼓泡（HB）、氢诱发裂纹（HIC）、应力导向氢诱发裂纹（SOHIC）、及硫化物应力开裂（SSC）。
壳程的厚度不是强度决定的，而是取决于刚度，按照SH/T3075-2009的规定，以刚度设计为主的场合，宜选用Q235-B，Q245R等钢材，又因为Q235-B不能作为压力容器选材，所以选择Q245R。
管程选用Q245R是因为在停工状态下，残余的过程气冷凝，形成湿H2S露点腐蚀，根据SH/T3075-2009，宜选用Q245R[4] [7]。
3、结构设计和强度计算[5] ，[6] ，[8]
3.1结构特点
1）本设备在整体结构上向下倾斜1°角，是因为在整体制硫系统中没有动力填加，为克服阻力降，倾斜能够使液硫顺利流出换热管。在后端管箱处加夹套的目的是使出口温度能够保持在140°以上，以免液硫变成固态。
2）管板与管子连接接头的焊缝坡口采用U型坡口，这样可以保证根部全焊透和使实际的焊脚高度达到设计要求，以保证焊接接头的承载能力。
3.2强度计算
鉴于本设备的特殊性，设计过程采用常规设计与分析设计相结合的方法。
1）常规设计——以GB/T150、GB/T151、HG/T20582为基础的设计
本设备的圆筒体、椭圆封头、斜锥壳、管板、法兰盖、小开口的的开口补强等都可以用常规设计来计算。
2）分析设计——以JB4732为基础的设计，与GB/T150并行的一种设计方法。
本设备前端管箱上的过程气入口，其公称直径为700mm，而管箱筒体直径为1700mm，此处开孔不满足GB/T150规定的开孔要求，故不能运用GB/T150对其进行校核计算，针对此处大开孔，应按照JB4732－1995《钢制压力容器—分析设计标准》进行分析校核。具体分析如下。
3.3换热器大开孔部位的有限元分析与安全评定
1）大开孔部位模型的建立
前端管箱及开口接管的材料属性，参见表1，在设计温度下的许用应力强度为89.6MPa；前端管箱长1300mm，壁厚为16mm，开口接管壁厚为16mm，伸出长度距筒体中心线1150mm，开口位置偏移筒体中心线400mm；具体几何模型见图1。
表1 主要材料特性
2）大开孔部位有限元网格的划分
选取SOLID45八节点实体单元进行网格划分，为了使计算结果精确，共划分单元128925个，节点43616个。
3）约束条件及载荷施加
管箱筒体及其开口接管有限元模型的载荷边界条件如下：
①筒体内表面、接管外伸端内表面施加0.25MPa内压；
②筒体左端端面施加内压产生的等效轴向力。
③接管外伸端端面施加内压产生的等效轴向力。
管箱筒体及其开口接管有限元模型的位移边界条件为：在管箱筒体右端施加轴向和环向约束。
4）计算结果及应力评定
计算后整体应力强度云图见图1，最大应力强度为54.7MPa，发生在几何不连续的接管与筒体连接处。
图1 大开孔部位整体应力强度云图
为评定此处的应力情况，过最大应力点沿壁厚方向定义路径，具体位置见图2。在此位置处应该评定一次局部薄膜应力以及一次加二次应力强度。
此位置下的应力线性化结果见图3。表2为路径Path1下的一次局部薄膜应力和一次加二次应力的评定表。路径Path1上的详细应力结果见附表1。
图2 大开孔部位路径图
图3 路径Path1的应力强度分布图
表2 Path1上的应力强度评定
综上，在管程进口大开孔处满足应力强度要求。
3.4技术要求
1）本设备换热管与管板采用强度焊加贴胀连接型式，且焊接应采用氩弧焊。焊后对换热管与管板焊接接头进行100%磁粉检测，以符合NB/T47013-2015中Ⅰ级为合格。
2）本设备前后管箱与管板组焊焊接接头、管板与管子焊接接头应进行局部热处理。热处理后任何部位的硬度值≤HB200。
3）本设备换热管采用GB/T9948-2013《石油裂化用无缝钢管》。需要逐根进行水压试验。
4、结束语
本文介绍了冷凝冷却器在硫回收装置中的作用，分析了设备内部腐蚀环境，确定了设备的材质。介绍了本设备的结构特点、设计方法，并对大开孔进行了详细的有限元分析与安全评定。最后罗列了重要的技术要求并说明原因。
参考文献：
[1] 刘玉法．齐鲁分公司大型国产化硫磺回收装置运行于改造[J]．中外能源，2007，12（2）：81-86
[2] 全国压力容器标准化技术委员会．钢制压力容器设计指南[M]．内部发行
[3] 何智灵、刘福．硫磺回收装置余热锅炉管板热防护结构设计[J]．石油和化工设备，2008，06：35-37
[4] 陈匡民．过程装备腐蚀与防护[M]．北京：化学工业出版社，2001．24-37
[5] GB/T150-2011．压力容器[S]．
[6] GB/T151-2014．热交换器[S]．
[7] SH/T3075-2009．石油化工钢制压力容器材料选用规范[S]．
[8] 全国压力容器标准化技术委员会．压力容器设计工程师培训教程[M]．北京：化学工业出版社
作者简介：艾松柏（1984-），男，工程师，从事压力容器设计工作
论文作者:艾松柏,张瑞萍,夏宁
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：应力论文; 冷却器论文; 强度论文; 硫化氢论文; 设备论文; 开孔论文; 压力容器论文; 《电力设备》2018年第32期论文;