淺談?wù)w多層包扎式尿素合成塔應(yīng)用前景

張瀚麟

摘要：闡述了尿素合成塔的發(fā)展歷程和技術(shù)進(jìn)展，對(duì)采用整體包扎時(shí)尿素合成塔制造工序較少應(yīng)力分布均勻等特點(diǎn)進(jìn)行了論述，并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：整體多層包扎式 尿素合成塔

尿素合成塔是尿素合成裝置中的核心設(shè)備，它在尿素生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，可以說尿素工業(yè)乃至現(xiàn)代氮肥行業(yè)的發(fā)展與尿素合成塔的制造技術(shù)是緊密相關(guān)的。自20世紀(jì)60年代我國(guó)引進(jìn)第一套尿素合成裝置以來，從無到有，從小到大，歷經(jīng)50年發(fā)展，2014年我國(guó)尿素產(chǎn)能達(dá)到3千余萬噸，國(guó)內(nèi)有數(shù)百套裝置采用各種工藝在運(yùn)行，成就是引人矚目的。自2003年我國(guó)自南非引進(jìn)Φ2100mm整體多層包扎式尿素合成塔以來，該結(jié)構(gòu)形式已逐漸成為多層式尿素合成塔發(fā)展的主要研究方向。

1、尿素合成塔的技術(shù)進(jìn)展。

19世紀(jì)30年代由德國(guó)化學(xué)家弗里德里希.維勒首次合成尿素，揭開了人類合成有機(jī)物的序幕。19世紀(jì)70年代提出氨基甲酸銨脫水合成尿素工藝。當(dāng)時(shí)曾選用銀質(zhì)、銅質(zhì)襯里合成塔，均因造價(jià)高、壽命短而被人們廢棄。直到20世紀(jì)50年代由荷蘭化學(xué)家太米卡邦提出在合成塔中加入氧氣使奧氏體不銹鋼能夠持續(xù)鈍化，抵御合成物料的強(qiáng)腐蝕作用，才使CrNiMo奧氏體不銹鋼成為尿素合成塔內(nèi)襯的主要材料，并且使尿素合成進(jìn)入工業(yè)化階段。國(guó)內(nèi)在用裝置采用的尿素合成塔從結(jié)構(gòu)上大體可分為多層結(jié)構(gòu)和單層結(jié)構(gòu)兩類。多層結(jié)構(gòu)根據(jù)襯里和層板制造工藝的不同又可分為多層包扎式、熱套式、整體多層包扎式等結(jié)構(gòu)，較多采用的為多層包扎式。

2、各結(jié)構(gòu)形式尿素合成塔特點(diǎn)。

單層式

該型尿素合成塔由單層厚板卷制而成，然后有筒體內(nèi)壁撐緊襯里。該型設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，但是對(duì)制造企業(yè)卷板能力及熱處理能力要求較高。

多層包扎式

該型尿素合成塔由數(shù)層壁厚較薄的鋼板由外力包扎在內(nèi)筒上形成筒節(jié)，各筒節(jié)再進(jìn)行組對(duì)，而后與封頭連接。該型設(shè)備優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單、襯里層與外殼碳鋼層的貼緊度高、在操作壓力下不銹鋼內(nèi)筒由多層包扎產(chǎn)生的壓應(yīng)力與內(nèi)壓引起的拉應(yīng)力相互抵消，使內(nèi)筒應(yīng)力大大降低，極大地降低了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能性。然而，各筒節(jié)組對(duì)時(shí)因內(nèi)徑誤差而引起的錯(cuò)便是不可避免的，并且筒節(jié)組對(duì)時(shí)產(chǎn)生的深環(huán)焊縫（見圖1）無法進(jìn)行熱處理，較難進(jìn)行無損檢測(cè)。都對(duì)設(shè)備的整體安全性能帶來隱患。

圖1 多層包扎式深環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)

熱套式

該型尿素合成塔有熱套多層殼體，熱套內(nèi)層不銹鋼襯里層或松襯不銹鋼襯里層兩種制造工藝。該型設(shè)備繼承了多層包扎式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且提高了襯里縱縫的焊接質(zhì)量和襯里與內(nèi)筒的貼合度。

整體多層包扎式

該型尿素合成塔內(nèi)筒和外層層板均采用整板制造，由專用工裝夾緊，制造工序少，材料利用率高，焊接及檢測(cè)工作量小。由于采用整板夾緊包扎，相鄰層板間縱環(huán)焊縫間距較大，既有多層包扎式尿素合成塔的優(yōu)點(diǎn)，又避免了多層包扎式筒節(jié)間的深環(huán)焊縫。

3、整體多層包扎式尿素合成塔應(yīng)用前景探究。

尿素合成反應(yīng)是一種短時(shí)急劇放熱反應(yīng)，目前工業(yè)生產(chǎn)中，大多數(shù)工藝參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力21.56MPa設(shè)計(jì)溫度198℃，上述工藝參數(shù)在多層包扎壓力容器使用范圍之內(nèi)。我國(guó)自20世紀(jì)80年代開展整體多層包扎式壓力容器研究，自20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于合成氨生產(chǎn)。近年整體多層包扎式壓力容器應(yīng)用于尿素生產(chǎn)逐步得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可，早在1976年德國(guó)AEIC公司制造的整體包扎式尿素合成塔就已投入到工業(yè)生產(chǎn)。2007年云南大為化工裝備制造有限公司制造的Φ2680mm整體多層包扎式尿素合成塔無論是制造檢驗(yàn)還是生產(chǎn)使用，反饋結(jié)果都令人滿意。國(guó)內(nèi)外眾多設(shè)備使用經(jīng)驗(yàn)表明，整體多層包扎結(jié)構(gòu)是一種安全可靠的結(jié)構(gòu)。以往的尿素合成塔爆炸事故，給我們?cè)斐闪司薮蟮膿p失，但是對(duì)爆炸原因的分析，至今仍是眾說紛壇。筆者認(rèn)為以往的山東某化肥廠尿素合成塔爆炸事故，應(yīng)是由于應(yīng)力腐蝕引起深環(huán)焊縫及層板開裂，從而爆炸。而整體多層包扎結(jié)構(gòu)縱環(huán)焊縫交錯(cuò)布置，不存在深環(huán)焊縫（見圖2），可以避免因深環(huán)焊縫焊接缺陷或使用中產(chǎn)生缺陷造成的爆炸事故。從力學(xué)角度來看由于尿素合成反應(yīng)放熱，合成塔吸熱，壁溫由內(nèi)而外依次降低，內(nèi)層筒體為壓應(yīng)力，外層層板為拉應(yīng)力。有溫差引起的應(yīng)力方向恰好與包扎時(shí)產(chǎn)生的預(yù)緊力方向相反，二力合成，再者，沒有深環(huán)焊縫的應(yīng)力集中，整體應(yīng)力分布更為均勻?？梢愿玫谋苊鈶?yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。

圖2 整體多層包扎式縱環(huán)焊縫布置示意圖

4、結(jié)語

隨著尿素生產(chǎn)向大型化發(fā)展，尿素合成工藝在不斷改進(jìn)，尿素合成塔的尺寸和結(jié)構(gòu)形式也在不斷地變化，但總體結(jié)構(gòu)變化不大。尿素合成塔作為尿素生產(chǎn)中唯一要求耐高壓，較高溫度，較強(qiáng)腐蝕的大型高壓壓力容器，它的運(yùn)行狀況企業(yè)效益息息相關(guān)。采用整體多層包扎式結(jié)構(gòu)的尿素合成塔無論從制造還是生產(chǎn)使用上來看都是經(jīng)濟(jì)、安全、高效的。是值得我們應(yīng)用的。

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