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冷凝冷却器的设计冷凝冷却器的设计

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：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→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→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（）、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）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/T151GB/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。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