氨合成塔外殼的設(shè)計(jì)

楊 恒

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

氨合成塔外殼的設(shè)計(jì)

楊 恒*

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

以某項(xiàng)目合成氨裝置中氨合成塔外殼的設(shè)計(jì)為例，介紹材料選擇、結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及部分密封件結(jié)構(gòu)的確定。

氨合成塔外殼 大開口的密封設(shè)計(jì) 筒體端部

氨合成塔是氨合成裝置的關(guān)鍵設(shè)備。本設(shè)計(jì)為300kt/a氨合成裝置中的氨合成塔，采用的是卡薩利技術(shù)。該塔的內(nèi)件由國外專利商提供，外殼由本公司設(shè)計(jì)。

1 計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)概述

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

氨合成塔外殼是高溫、高壓設(shè)備，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

注：筒體、支撐環(huán)、雙錐環(huán)為300；下封頭、下封頭出口接管為480；開車氣體進(jìn)口焊接端為540(12.0MPa)或300(16.0MPa)；開車氣體進(jìn)口其余部分為460(12.0MPa)或300(16.0MPa)。

1.2 結(jié)構(gòu)概述

氨合成塔外殼上部為平蓋與法蘭螺栓連接的雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu)。中部為單層鋼板直接卷制成型的筒體。下部為用于支撐塔內(nèi)件的支撐環(huán)與球形封頭焊接而成。設(shè)備支座采用八個(gè)耳式支座的剛性環(huán)形式。外形見圖1。

圖1 氨合成塔外形

2 材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 材料選擇

按照HG/T 20581-2011標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，當(dāng)化工壓力容器設(shè)計(jì)溫度大于等于200℃且與氫氣相接觸時(shí)為氫腐蝕環(huán)境。鑒于合成塔外殼的操作、設(shè)計(jì)條件，其材料在設(shè)計(jì)溫度下應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和較好的抗氫腐蝕性能。在各種Cr-Mo鋼中1.25Cr-0.5Mo和2.25Cr-1Mo的強(qiáng)度、韌性、合金含量、焊接性能、熱處理要求及回火脆性等理化指標(biāo)均能得到兼顧，且具有良好的抗氫腐蝕的性能。為了降低投資及提升國內(nèi)鋼材生產(chǎn)廠家能力，在保證鋼板及鍛件的化學(xué)成分和力學(xué)性能的情況下，本設(shè)備優(yōu)先選用國產(chǎn)材料。

(1)由于相關(guān)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鍛件厚度小于500的限制，按照表1的設(shè)計(jì)條件，結(jié)合Neslon曲線，平蓋選用ASME材料SA336 F11 Cl3，其要求如下：① 鍛件符合ASME中SA-336/SA-336M的規(guī)定；化學(xué)成分應(yīng)滿足表2的要求；且應(yīng)經(jīng)正火+回火熱處理(一般正火溫度不得超過968℃，最低回火溫度720℃；熱加工和熱成形過程不能代替正火處理)；② 回火脆化敏感性系數(shù)應(yīng)滿足：

表2 SA336 F11 CL3鍛件化學(xué)成分%

J系數(shù) =(Si+Mn)·(P+Sn)×104≤100

X系數(shù)=(10P+5Sb+4Sn+As)÷100 ≤15 ppm

(2)設(shè)備筒體、筒體端部、下部支撐環(huán)按表1的設(shè)計(jì)條件，計(jì)算出氫分壓值，并按照Neslon曲線選擇1.25Cr-0.5Mo，即筒體為14Cr1MoR鋼板、端部及下部支撐環(huán)為14Cr1Mo鍛件，其要求如下：① 14Cr1MoR鋼板應(yīng)符合GB713-2014的要求，且應(yīng)逐張進(jìn)行100%UT，其合格等級(jí)不得低于NB/T 47013.3-201中II級(jí)；14Cr1Mo鍛件應(yīng)符合NB/T 47008-2010的要求；二者均以正火+回火狀態(tài)供貨，回火溫度應(yīng)不得低于650℃。其中C≤0.15%，S≤0.007%，P≤0.007%，Cu≤0.20%。鋼板與鍛件的力學(xué)性能見表3；② 回火脆化敏感性系數(shù)應(yīng)滿足：

J系數(shù) =(Si+Mn)·(P+Sn)×104≤100

X系數(shù)=(10P+5Sb+4Sn+As)÷100 ≤15 ppm

(3)本設(shè)備下封頭及其接管鍛件按表1的設(shè)計(jì)條件，計(jì)算出氫分壓值，并按照Neslon曲線選擇2.25Cr-1Mo，即板材為12Cr1Mo1R、鍛件為12Cr2Mo1，其要求如下：① 12Cr2Mo1R鋼板應(yīng)符合GB 713-2014的要求，且逐張進(jìn)行100%UT，其合格等級(jí)不得低于NB/T 47013.3-2015中的II級(jí)；12Cr2Mo1鍛件應(yīng)符合NB/T 47008-2010的要求，且機(jī)加工后應(yīng)逐件進(jìn)行100%MT，滿足NB/T 47013.5-2015中Ⅰ級(jí)要求為合格；二者均以正火+回火狀態(tài)供貨，回火溫度應(yīng)不得低于680℃。其中S≤0.007%，P≤0.007%；鋼板與鍛件的力學(xué)性能見表3；② 回火脆化敏感性系數(shù)應(yīng)滿足：

J系數(shù) =(Si+Mn)·(P+Sn)×104≤80

X系數(shù)=(10P+5Sb+4Sn+As)÷100 ≤15 ppm

(4)其他部件：① 支座為非受壓部件，故主材采用15CrMoR鋼板，墊板選用與筒體相同的材料，即14Cr1MoR鋼板；② 雙錐環(huán)采用15CrMo鍛件，滿足NB/T 47008-2010的要求，以正火+回火狀態(tài)供貨，且應(yīng)進(jìn)行UT和MT。

表3 主要材料力學(xué)性能表

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

該氨合成塔外殼的對(duì)外連接以及與內(nèi)件相連接的接口均集中在筒體端部和底封頭，中間筒體不作開孔。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)是頂部DN2400mm大開口

的雙錐密封結(jié)構(gòu)。

2.2.1 主螺栓設(shè)計(jì)

初步考慮M105×4、M110×4這2種螺栓直徑作對(duì)比設(shè)計(jì)。雙錐密封結(jié)構(gòu)螺栓中心圓直徑，在GB 150中對(duì)端部結(jié)構(gòu)推薦有簡(jiǎn)便公式：

Db≥D2+1.5dB

并應(yīng)考慮液壓拉伸器操作空間le：

Db≥n·le/π

式中，Db為螺栓中心直徑，mm;D2為雙錐密封槽外徑，mm;dB為螺栓公稱直徑，mm。按簡(jiǎn)便公式以后的螺栓中心圓直徑分別計(jì)算的結(jié)果見表4。

表4 不同直徑螺栓的螺栓圓直徑

比較表4的Db值，并考慮到M110×4大直徑螺栓的攻絲及端部法蘭的剛性等問題，本設(shè)計(jì)最終確定采用40個(gè)M105×4的大螺栓連接尺寸。

2.2.2 筒體端部和平蓋的設(shè)計(jì)

(1)筒體端部：因?yàn)楸驹O(shè)備采用的是半自緊式雙維密封結(jié)構(gòu)，所以筒體端部采用單獨(dú)鍛造再與筒體相焊的結(jié)構(gòu)形式。由于這種結(jié)構(gòu)的受力主要來自于軸向載荷F，根據(jù)GB 150.1～150.4-2011的規(guī)定對(duì)于此類法蘭的計(jì)算一般采用如下方法：把端部法蘭沿縱向剖開，所受的軸向載荷在縱向截面上構(gòu)成彎矩，引起沿端部法蘭周向分布的彎曲應(yīng)力，此彎曲應(yīng)力限制在材料的許用應(yīng)力以下為滿足。對(duì)于筒體端部有開孔的情況，還應(yīng)考慮開孔對(duì)筒體端部截面抗彎截面系數(shù)的影響。

(2)平蓋：平蓋的計(jì)算方法，常用的有兩種：① 用彈性理論的小撓度薄板進(jìn)行推導(dǎo)的計(jì)算方法，即以最大彎曲應(yīng)力作為失效條件來計(jì)算板的厚度；② 根據(jù)材料力學(xué)，將平蓋簡(jiǎn)化為以直徑斷面為截面的方法，計(jì)算縱向斷面的彎曲應(yīng)力，以該彎曲應(yīng)力來校核板厚，并校核周向危險(xiǎn)截面處由彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力構(gòu)成的當(dāng)量應(yīng)力。

根據(jù)GB 150.1～150.4-2011規(guī)定，對(duì)于雙錐密封的平蓋，采用方法①確定平蓋厚度，并用方法②校核周向危險(xiǎn)截面處的當(dāng)量應(yīng)力。對(duì)于平蓋有開孔的結(jié)構(gòu)，在計(jì)算平蓋厚度時(shí)還應(yīng)根據(jù)GB 150.1～150.4-2011中的規(guī)定，考慮開孔削弱對(duì)平蓋厚度的影響。

2.2.3筒體和下封頭的設(shè)計(jì)

對(duì)于筒體：

P≤0.4[σ]t·φ

式中，P為設(shè)計(jì)壓力；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；φ為焊接接頭系數(shù)。所以根據(jù)GB 150-2011，本設(shè)備筒體適合按常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。筒體名義厚度δn=150mm(<160mm)，所以采用結(jié)構(gòu)成熟，制造工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高的單層卷焊結(jié)構(gòu)。

對(duì)于封頭：

P≤0.6[σ]t·φ

根據(jù)GB 150.1～150.4-2011，本設(shè)備封頭適合按常規(guī)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算。因本封頭操作壓力、溫度都比較高，按直徑劃分又屬于中型設(shè)備，封頭上開孔較大，所以本封頭要求采用整板沖壓成型的結(jié)構(gòu)。

2.2.4 大開孔的密封設(shè)計(jì)

DN2400的大開口密封結(jié)構(gòu)是高溫、高壓容器中密封直徑較大的尺寸。決定采用半自緊式雙錐密封結(jié)構(gòu)以適應(yīng)高溫、高壓且有波動(dòng)工況的需要。由于設(shè)備直徑達(dá)DN2400mm，如果采用δ=1mm薄純鋁板作為軟金屬覆蓋雙錐環(huán)硬金屬面，不僅價(jià)格昂貴，并且國內(nèi)制作比較困難。因此,本設(shè)計(jì)采用厚度為0.4mm柔性石墨帶作為軟覆面材料。在密封計(jì)算中發(fā)現(xiàn)無法正確應(yīng)用柔性石墨帶的比壓力y，在實(shí)際計(jì)算書中仍采用了鋁板的比壓力y作為計(jì)算依據(jù)。據(jù)資料《密封材料手冊(cè)》介紹，在金屬墊片的兩側(cè)貼膨脹石墨帶后的墊片系數(shù)可取m=2，比壓力y=7～14MPa，GB 150中純鋁軟墊片的墊片系數(shù)m=4，比壓力y=60.7MPa。本設(shè)計(jì)以柔性石墨帶代替退火鋁為軟墊片，兩者密封特性參數(shù)雖有所不同，但計(jì)算結(jié)果說明前者代替后者是可行的。原因如下：

(1)由于按預(yù)緊狀態(tài)下計(jì)算的主螺栓載荷Wa較操作狀態(tài)下計(jì)算的主螺栓載荷Wp要小得多，所以所需螺栓總載荷取決于Wp，因此墊片密封比壓y只影響預(yù)緊狀態(tài)下的載荷。

(2)操作狀態(tài)下主螺栓載荷Wp=F(73492416 N)+Fp(1611884 N)+Fc(1703666 N)，其中起主導(dǎo)作用的載荷為內(nèi)壓引起的總軸向力F。而軸向力F僅與密封中心圓Dg及設(shè)計(jì)壓力Pc相關(guān)，因此墊片的密封特性參數(shù)對(duì)總載荷的影響很小。

(3)GB 150中沒有提供雙錐密封所用柔性石墨帶的密封特性參數(shù)m,y及ρ。

3 制造要求

(1)設(shè)備正式施焊之前,必須按NB/T 47014-2011進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。焊接工藝評(píng)定試板的力學(xué)性能、檢驗(yàn)項(xiàng)目、試樣數(shù)量、位置應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)定的要求；同時(shí)熱處理應(yīng)符合下述要求：所有Cr-Mo鋼焊接接頭，焊前應(yīng)預(yù)熱，接管對(duì)接或角接焊接接頭應(yīng)進(jìn)行中間消除應(yīng)力的熱處理(ISR)，殼體和封頭的縱、環(huán)向焊接接頭應(yīng)進(jìn)行350℃～400℃及2小時(shí)的消氫(DHT)處理，最后進(jìn)行最終熱處理(PWHT)，其熱處理次數(shù)和工藝由制造廠決定，規(guī)定最終熱處理溫度為690±14℃。

(2)焊接：采用經(jīng)過評(píng)定合格的焊接材料和焊接工藝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行焊接。筒體和封頭上的所有承壓焊接接頭應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。所有與Cr-Mo鋼基體相連接的零件(接管、支持板、吊耳等)均應(yīng)在最終熱處理之前焊接完畢。最終熱處理之后不許再在本體上施焊或引弧。在焊接過程中，焊接坡口(或堆焊層焊道)及兩側(cè)1T范圍內(nèi)(一般為100mm)的母材應(yīng)始終維持不低于預(yù)熱溫度，且不高于允許的最高層間溫度，直至進(jìn)行焊后熱處理。所有臨時(shí)性連接件最終熱處理前均應(yīng)去掉并經(jīng)磁粉檢測(cè)合格，作出記號(hào)，以備熱處理后再檢查。

(3)制造過程中的檢驗(yàn)要求按表5進(jìn)行。

表5 制造過程中的檢驗(yàn)要求

4 結(jié)語

(1)選擇合適的雙錐環(huán)，指出彎曲應(yīng)力σm對(duì)確定雙錐環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算主螺栓載荷以確定合理的主螺栓尺寸和材料具有重要意義。

(2)通過對(duì)預(yù)緊狀態(tài)和操作狀態(tài)下主螺栓載荷主要影響因素的分析比較證明：對(duì)于DN2400的設(shè)備采用方便易得的柔性石墨帶作為雙錐密封結(jié)構(gòu)的軟密封面完全能滿足操作要求。但若標(biāo)準(zhǔn)中列入柔性石墨帶墊片特性，則能計(jì)算出更準(zhǔn)確的主螺栓載荷，對(duì)合理確定主螺栓尺寸和材料更有意義。

1 GB 150.1～GB 150.4-2011,壓力容器 [S].

2 GB 713-2014,鍋爐和壓力容器用鋼板 [S].

3 NB/T 47008-20107,承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件 [S].

4 ASME Ⅱ A篇, 鐵基材料[S].

2016-08-20)

*楊恒:助理工程師。2011年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)。主要從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。 聯(lián)系電話：(0551)63692604，E-mail: yangheng@chinaecec.com。