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摘 要：管壳式余热锅炉分属锅炉和压力容器两种不同范畴，从介质特性、选材、结构和主要元件设计计算方式等方面阐述两种类型的各自特点。
关键词：管壳式余热锅炉；锅炉和压力容器；介质特性；结构
管壳式余热锅炉是综合利用工业炉余热的一种辅助设备，吸收排放烟气的余热（或叫废热）产生蒸汽，并使烟气温度降低。管壳式余热锅炉被划分到锅炉和压力容器两种范畴进行管理。新颁布实施的TSGG0001-2012《锅炉安全技术监察规程》释义中规定以余热利用为主要目的而配置的余热锅炉属于锅炉范畴，为满足设备和工艺流程冷却而设置的换热设备属于压力容器范畴。不同范畴的管壳式余热锅炉有其各自的特点。应根据设备的介质特性、运行工况等采取针对性的措施，克服高温、高压、腐蚀等一系列可能的苛刻工况条件。
一、介质特点
管壳式余热锅炉的壳程介质比较简单，基本为水和饱和蒸汽，但管程介质的高温烟气却种类繁多。同时压力容器范畴的管壳式余热锅炉相对于锅炉范畴的管壳式余热锅炉，其管程烟气成分更复杂危险。
锅炉范畴的管壳式余热锅炉烟气有以下几个特点：
1、热负荷不稳定，会随着生产周期的变化而变化。
2、烟气含尘量大。
3、有腐蚀性，但腐蚀性强烈的介质含量极少，腐蚀性较弱。
4、烟气压力一般都接近常压。
压力容器范畴的管壳式余热锅炉烟气有以下几个特点：
1、烟气介质种类多，腐蚀性、毒性及爆炸性危害程度多种多样。
如制氢转化气中含有一定量的氢，对管箱筒体、换热管、管板存在氢腐蚀的可能，同时氢属于易爆介质。硫磺回收的烟气中含有可产生高温硫腐蚀的硫蒸汽。燃烧硫磺产生的烟气中含二氧化硫、三氧化硫，当三氧化硫遇水会形成强腐蚀的硫酸。烟气的这些特性对密封性要求也很严格。
2、露点温度高，容易对设备造成结露腐蚀。
一些烟气含水蒸气及SO2、SO3、NOX等酸性腐蚀介质，形成酸雾导致露点温度升高，有的会到200℃以上。一些壳程介质为低压力饱和蒸汽的壳体壁温很容易低于露点温度，因而设备容易产生结露腐蚀。
3、容易堵塞换热管。
烟气露点腐蚀会使烟灰附着在管壁内，造成管束快速烟尘堵塞。在还原性气体（如H2、CO等）中，当气体温度大于800℃时，余热锅炉可能因非金属衬里中的SiO2和Fe2O3含量较多，而使衬里被侵蚀产生空穴和析出SiO2引起换热管堵塞。另外烟气介质可能会有凝结液体，不能顺利排出的凝结液会堵塞换热管。
4、介质的压力范围相对较大
如硫磺燃烧后的余热锅炉烟气压力为微正压，合成氨生产中重油汽化炉后的余热锅炉压力为3.2～4.0MPa。
二、主要材料
锅炉范畴的管壳式余热锅炉因其管程烟气成分相对简单，腐蚀性及毒性等较低，一般选择质优价廉、便于制造的材料，如钢板材料主要有Q235B（GB/T3274）、Q245R（GB 713）；钢管材料主要有碳素钢20（GB/T8163、GB3087）、20G（GB5310）；锻件材料主要有20（JB/T9626）。压力容器的管壳式余热锅炉用材料应考虑其耐各种介质的腐蚀性，另外对换热管的精度要求较高。常用钢板材料主要有Q245R（GB713）、Q345R（GB713）、15CrMoR（GB713）；钢管材料主要有20（GB/T8163、GB9948）、16Mn（GB6479）、15CrMo（GB9948）、09CrCuSb。锻件材料主要有20（NB/T47008）。换热管应选用冷拔或冷轧钢管，钢管的尺寸精度应选用高级精度。需要注意管壳式余热锅炉所属的锅炉或压力容器规范中相近的材料不得随意代用，如压力容器常用的20（GB 9948）不能用于锅炉范畴管壳式余热锅炉。锅炉常用的20（GB3087）及20G（GB5310）不能用于压力容器范畴管壳式余热锅炉，否则需按各自技术规范要求通过技术评审方可允许使用。
三、结构及主要受压元件的设计、计算
管壳式余热锅炉常用的结构有锅壳和汽包组成的双锅筒式和壳程内设有蒸发空间的单锅筒式。锅壳两端一般为挠性薄管板。另外压力容器范畴的管壳式余热锅炉中还有浮头式、U形管式等结构形式。各主要受压元件的设计、计算如下：
1、锅炉范畴的管壳式余热锅炉：
筒体壁厚计算按GB/T16508-1996标准中4.2计算公式。封头壁厚计算按GB/T16508-1996标准中6.2计算公式。考虑腐蚀减薄的附加厚度一般取0.5mm，若腐蚀减薄量超过0.5mm，则取设计可能的腐蚀减薄值。折边挠性管板壁厚的计算按GB/T16508-1996标准中7.2计算公式。管板过渡段的折边内半径不应小于二倍板厚，且至少应为38mm。胀接连接的管孔尺寸偏差和管孔质量按JB/T9619的规定。受压元件上焊接连接的管孔质量按JB/T1625的规定。烟管与管板的焊接接头可以采用打坡口和不打坡口的两种形式。当用于烟温大于600℃的部位时，烟管管端超出的焊缝的长度不应大于1.5mm，当用于烟温不大于600℃的部位时，管端超出焊缝的长度可放大至5mm。人孔、头孔、手孔的边缘可采用焊接圈或扳边形式（见GB/T 16508-1996标准图62）。
2、压力容器范畴的管壳式余热锅炉：
余热锅炉筒体及封头结构应符合GB150的有关规定，带双鞍座汽包壳体还应符合JB/T4731的有关规定。筒体计算按GB150.3-2011标准中3.3的公式。汽包的封头一般采用长短轴比值为2的标准椭圆封头，封头计算公式按GB 150.3-2011标准中5.3.2的公式。接管开孔补强的结构按GB150进行开孔补强计算结果考虑是否设置补强圈，此外，宜选用厚壁管或整体补强锻件补强，也可采用增加筒体或封头整体壁厚的补强形式。筒体及封头的取用厚度按SH/T3158标准中表13的规定。折边挠性管板的计算到目前为止尚无统一的计算公式，可按GB150.3-2011标准中5.12.3受拉撑的板厚计算公式5-51，也可按SH/T3158或GB/T16508-1996中相应的计算公式。管板过渡段的折边内半径不应小于二倍板厚，且至少应为38mm。换热管与管板连接宜采用强度焊加贴胀的结构形式，且应先贴胀后强度焊。当管程介质温度小于600℃时，换热管与管板连接可只采用强度焊结构形式。管板管孔的焊接接头坡口采用U形或V形坡口形式，焊缝高度应不小于换热管壁厚加3mm，对于管程介质温度不小于900℃的场合，管程介质多含有硫蒸汽，应将伸出管板焊缝高度控制在0.5～1.0mm，且使管端伸出焊缝的长度取0，目的是尽量降低管头的最高温度。当用于烟温600～900℃的部位时，换热管管端伸出焊缝长度不大于1.5mm，当用于烟温不大于600℃的部位时，管端超出焊缝的长度可放大至5mm。余热锅炉各主要元件的腐蚀余量的选取参考SH/T3158标准中表2规定。锅炉筒体或封头上应开设人孔，汽包上应至少开设一个公称直径不小于400mm的圆形人孔，且宜开设在封头上。余热锅炉宜选用带颈对焊法兰人孔，按HG/T21514～21535选取。
四、设计注意事项
1、设计管壳式余热锅炉应先确定设备所属范畴，根据各自范畴所遵循的设计规范进行设计。
锅炉范畴的管壳式余热锅炉主要设计规范为TSG G0001-2012《锅炉安全技术监察规程》，GB/T16508-1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》等。压力容器范畴的管壳式余热锅炉主要设计规范为TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB150-2011《压力容器》、GB 151-1999《管壳式换热器》、SH/T3158-2009《石油化工管壳式余热锅炉》等。
2、对一些特殊介质及工况采取的措施
1）对碳素钢换热管与碳素钢管板或与Q345R管板间的连接接头，当与含硫、硫化氢介质接触时，为防止换热管头与硫、硫化氢介质产生严重的高温硫腐蚀，应控制管头最高温度不超过370℃。
2）对于烟气介质会生成酸雾等使露点温度较高的余热锅炉，应根据计算的露点温度确定壳程最低运行压力，确保烟气接触面壁温大于露点温度。
3）在高温还原性气体（如H2、CO等）中，控制余热锅炉非金属衬里中的硅和铁的含量，其中SiO2不大于0.5%，Fe2O3含量不大于0.4%。以防止衬里被侵蚀产生空穴和析出SiO2引起换热管堵塞。
4）对于压力较高的余热锅炉，应校核换热管与管板连接焊缝的剪切强度。当管程压力较高时还应校核换热管的轴向稳定。
5）对于烟气冷却过程中有冷凝液产生的余热锅炉，应使换热管有一定倾斜角度，使冷凝的液体能顺利排出。
参考文献：
[1]GB150-2011压力容器.
[2]SH/T3158-2009石油化工管壳式余热锅炉.
[3]TSGG0001-2012锅炉安全技术监察规程.
[4]GB/T16508-1996锅壳锅炉受压元件强度计算.
关键词：管壳式余热锅炉；锅炉和压力容器；介质特性；结构
管壳式余热锅炉是综合利用工业炉余热的一种辅助设备，吸收排放烟气的余热（或叫废热）产生蒸汽，并使烟气温度降低。管壳式余热锅炉被划分到锅炉和压力容器两种范畴进行管理。新颁布实施的TSGG0001-2012《锅炉安全技术监察规程》释义中规定以余热利用为主要目的而配置的余热锅炉属于锅炉范畴，为满足设备和工艺流程冷却而设置的换热设备属于压力容器范畴。不同范畴的管壳式余热锅炉有其各自的特点。应根据设备的介质特性、运行工况等采取针对性的措施，克服高温、高压、腐蚀等一系列可能的苛刻工况条件。
一、介质特点
管壳式余热锅炉的壳程介质比较简单，基本为水和饱和蒸汽，但管程介质的高温烟气却种类繁多。同时压力容器范畴的管壳式余热锅炉相对于锅炉范畴的管壳式余热锅炉，其管程烟气成分更复杂危险。
锅炉范畴的管壳式余热锅炉烟气有以下几个特点：
1、热负荷不稳定，会随着生产周期的变化而变化。
2、烟气含尘量大。
3、有腐蚀性，但腐蚀性强烈的介质含量极少，腐蚀性较弱。
4、烟气压力一般都接近常压。
压力容器范畴的管壳式余热锅炉烟气有以下几个特点：
1、烟气介质种类多，腐蚀性、毒性及爆炸性危害程度多种多样。
如制氢转化气中含有一定量的氢，对管箱筒体、换热管、管板存在氢腐蚀的可能，同时氢属于易爆介质。硫磺回收的烟气中含有可产生高温硫腐蚀的硫蒸汽。燃烧硫磺产生的烟气中含二氧化硫、三氧化硫，当三氧化硫遇水会形成强腐蚀的硫酸。烟气的这些特性对密封性要求也很严格。
2、露点温度高，容易对设备造成结露腐蚀。
一些烟气含水蒸气及SO2、SO3、NOX等酸性腐蚀介质，形成酸雾导致露点温度升高，有的会到200℃以上。一些壳程介质为低压力饱和蒸汽的壳体壁温很容易低于露点温度，因而设备容易产生结露腐蚀。
3、容易堵塞换热管。
烟气露点腐蚀会使烟灰附着在管壁内，造成管束快速烟尘堵塞。在还原性气体（如H2、CO等）中，当气体温度大于800℃时，余热锅炉可能因非金属衬里中的SiO2和Fe2O3含量较多，而使衬里被侵蚀产生空穴和析出SiO2引起换热管堵塞。另外烟气介质可能会有凝结液体，不能顺利排出的凝结液会堵塞换热管。
4、介质的压力范围相对较大
如硫磺燃烧后的余热锅炉烟气压力为微正压，合成氨生产中重油汽化炉后的余热锅炉压力为3.2～4.0MPa。
二、主要材料
锅炉范畴的管壳式余热锅炉因其管程烟气成分相对简单，腐蚀性及毒性等较低，一般选择质优价廉、便于制造的材料，如钢板材料主要有Q235B（GB/T3274）、Q245R（GB 713）；钢管材料主要有碳素钢20（GB/T8163、GB3087）、20G（GB5310）；锻件材料主要有20（JB/T9626）。压力容器的管壳式余热锅炉用材料应考虑其耐各种介质的腐蚀性，另外对换热管的精度要求较高。常用钢板材料主要有Q245R（GB713）、Q345R（GB713）、15CrMoR（GB713）；钢管材料主要有20（GB/T8163、GB9948）、16Mn（GB6479）、15CrMo（GB9948）、09CrCuSb。锻件材料主要有20（NB/T47008）。换热管应选用冷拔或冷轧钢管，钢管的尺寸精度应选用高级精度。需要注意管壳式余热锅炉所属的锅炉或压力容器规范中相近的材料不得随意代用，如压力容器常用的20（GB 9948）不能用于锅炉范畴管壳式余热锅炉。锅炉常用的20（GB3087）及20G（GB5310）不能用于压力容器范畴管壳式余热锅炉，否则需按各自技术规范要求通过技术评审方可允许使用。
三、结构及主要受压元件的设计、计算
管壳式余热锅炉常用的结构有锅壳和汽包组成的双锅筒式和壳程内设有蒸发空间的单锅筒式。锅壳两端一般为挠性薄管板。另外压力容器范畴的管壳式余热锅炉中还有浮头式、U形管式等结构形式。各主要受压元件的设计、计算如下：
1、锅炉范畴的管壳式余热锅炉：
筒体壁厚计算按GB/T16508-1996标准中4.2计算公式。封头壁厚计算按GB/T16508-1996标准中6.2计算公式。考虑腐蚀减薄的附加厚度一般取0.5mm，若腐蚀减薄量超过0.5mm，则取设计可能的腐蚀减薄值。折边挠性管板壁厚的计算按GB/T16508-1996标准中7.2计算公式。管板过渡段的折边内半径不应小于二倍板厚，且至少应为38mm。胀接连接的管孔尺寸偏差和管孔质量按JB/T9619的规定。受压元件上焊接连接的管孔质量按JB/T1625的规定。烟管与管板的焊接接头可以采用打坡口和不打坡口的两种形式。当用于烟温大于600℃的部位时，烟管管端超出的焊缝的长度不应大于1.5mm，当用于烟温不大于600℃的部位时，管端超出焊缝的长度可放大至5mm。人孔、头孔、手孔的边缘可采用焊接圈或扳边形式（见GB/T 16508-1996标准图62）。
2、压力容器范畴的管壳式余热锅炉：
余热锅炉筒体及封头结构应符合GB150的有关规定，带双鞍座汽包壳体还应符合JB/T4731的有关规定。筒体计算按GB150.3-2011标准中3.3的公式。汽包的封头一般采用长短轴比值为2的标准椭圆封头，封头计算公式按GB 150.3-2011标准中5.3.2的公式。接管开孔补强的结构按GB150进行开孔补强计算结果考虑是否设置补强圈，此外，宜选用厚壁管或整体补强锻件补强，也可采用增加筒体或封头整体壁厚的补强形式。筒体及封头的取用厚度按SH/T3158标准中表13的规定。折边挠性管板的计算到目前为止尚无统一的计算公式，可按GB150.3-2011标准中5.12.3受拉撑的板厚计算公式5-51，也可按SH/T3158或GB/T16508-1996中相应的计算公式。管板过渡段的折边内半径不应小于二倍板厚，且至少应为38mm。换热管与管板连接宜采用强度焊加贴胀的结构形式，且应先贴胀后强度焊。当管程介质温度小于600℃时，换热管与管板连接可只采用强度焊结构形式。管板管孔的焊接接头坡口采用U形或V形坡口形式，焊缝高度应不小于换热管壁厚加3mm，对于管程介质温度不小于900℃的场合，管程介质多含有硫蒸汽，应将伸出管板焊缝高度控制在0.5～1.0mm，且使管端伸出焊缝的长度取0，目的是尽量降低管头的最高温度。当用于烟温600～900℃的部位时，换热管管端伸出焊缝长度不大于1.5mm，当用于烟温不大于600℃的部位时，管端超出焊缝的长度可放大至5mm。余热锅炉各主要元件的腐蚀余量的选取参考SH/T3158标准中表2规定。锅炉筒体或封头上应开设人孔，汽包上应至少开设一个公称直径不小于400mm的圆形人孔，且宜开设在封头上。余热锅炉宜选用带颈对焊法兰人孔，按HG/T21514～21535选取。
四、设计注意事项
1、设计管壳式余热锅炉应先确定设备所属范畴，根据各自范畴所遵循的设计规范进行设计。
锅炉范畴的管壳式余热锅炉主要设计规范为TSG G0001-2012《锅炉安全技术监察规程》，GB/T16508-1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》等。压力容器范畴的管壳式余热锅炉主要设计规范为TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB150-2011《压力容器》、GB 151-1999《管壳式换热器》、SH/T3158-2009《石油化工管壳式余热锅炉》等。
2、对一些特殊介质及工况采取的措施
1）对碳素钢换热管与碳素钢管板或与Q345R管板间的连接接头，当与含硫、硫化氢介质接触时，为防止换热管头与硫、硫化氢介质产生严重的高温硫腐蚀，应控制管头最高温度不超过370℃。
2）对于烟气介质会生成酸雾等使露点温度较高的余热锅炉，应根据计算的露点温度确定壳程最低运行压力，确保烟气接触面壁温大于露点温度。
3）在高温还原性气体（如H2、CO等）中，控制余热锅炉非金属衬里中的硅和铁的含量，其中SiO2不大于0.5%，Fe2O3含量不大于0.4%。以防止衬里被侵蚀产生空穴和析出SiO2引起换热管堵塞。
4）对于压力较高的余热锅炉，应校核换热管与管板连接焊缝的剪切强度。当管程压力较高时还应校核换热管的轴向稳定。
5）对于烟气冷却过程中有冷凝液产生的余热锅炉，应使换热管有一定倾斜角度，使冷凝的液体能顺利排出。
参考文献：
[1]GB150-2011压力容器.
[2]SH/T3158-2009石油化工管壳式余热锅炉.
[3]TSGG0001-2012锅炉安全技术监察规程.
[4]GB/T16508-1996锅壳锅炉受压元件强度计算.