合成氨高溫高壓管道設(shè)計(jì)淺談

岳凡

【摘 要】氨作為當(dāng)前化工行業(yè)重要的材料，可以應(yīng)用在化肥、基本有機(jī)化工等多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，為我國(guó)化工行業(yè)的發(fā)展提供了重要幫助。而在氨合成的過(guò)程中，需要應(yīng)用良好的高溫高壓管道。合理的對(duì)高溫高壓管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅能夠提升合成氨的效率，而且增加了生產(chǎn)的安全性，對(duì)合成氨工業(yè)具有重要意義。

【Abstract】As an important material of chemical industry， ammonia can be used in many fields such as chemical fertilizer， basic organic chemical industry and so on. It has provided important help for the development of chemical industry in our country. In the process of ammonia synthesis， a good high temperature and high pressure pipeline is needed. Reasonable design of high temperature and high pressure pipeline can not only improve the efficiency of synthetic ammonia， but also increase the safety of production. It is of great significance to the ammonia industry.

【關(guān)鍵詞】合成氨；高溫高壓管道；應(yīng)力

【Keywords】 synthetic ammonia； high temperature and high pressure pipeline； stress

【中圖分類號(hào)】TQ113.25 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）08-0168-02

1 引言

社會(huì)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)推動(dòng)了合成氨工業(yè)的發(fā)展，使合成氨的生產(chǎn)效率逐漸提升，由之前每套設(shè)備生產(chǎn)效率的11t/年，提升到當(dāng)前生產(chǎn)效率的26t/年，生產(chǎn)效率提升了一倍以上，從而要求設(shè)備內(nèi)具有更大的管徑。

2 合成氨工藝介紹

合成氨的過(guò)程中，溫度與壓力是兩個(gè)重要指標(biāo)，如在400℃，壓強(qiáng)達(dá)到200MPa，無(wú)需加入催化劑，可以正常的合成氨。但實(shí)際當(dāng)中，想要達(dá)到這一壓力指標(biāo)，往往需要較大的動(dòng)力，從而消耗更多的材料，導(dǎo)致成本的提升。所以，在我國(guó)合成氨工藝中，通常應(yīng)用20～500MP的壓力。同時(shí)，從理想的角度而言，生產(chǎn)環(huán)境的溫度越低，氨合成的越順利，但溫度過(guò)低，會(huì)減弱反應(yīng)速率，并且，當(dāng)溫度在500℃時(shí)，鐵觸媒具有最大的活性，所以，我國(guó)合成氨工業(yè)中通常選擇400～500℃的溫度。合成氨的過(guò)程中，可以利用天然氣、無(wú)煙煤作為主要原料，其中國(guó)外大多以天然氣合成氨，而在我國(guó)主要以無(wú)煙煤合成氨，氨合成時(shí)主要按照以下流程合成的：

造氣→半水煤氣脫硫→壓縮機(jī)1，2工段→變換→變換氣脫硫→壓縮機(jī)3段→脫硫→壓縮機(jī)4，5工段→銅洗→壓縮機(jī)6段→氨合成→產(chǎn)品NH3[1]。

3 高溫高壓管道的設(shè)計(jì)

在上述氨合成工藝介紹中闡述了我國(guó)合成氨環(huán)境溫度為500℃，壓力為20～500MP，所以，對(duì)管道材料實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)保證其達(dá)到這一要求。在對(duì)高壓高溫設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要按照一般管道設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)，還要結(jié)合合成氨工藝的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使管道在安全的情況下，只需要投入最低的成本，并且，達(dá)到熱應(yīng)力的基礎(chǔ)上，確保管道的長(zhǎng)度最短，彎頭的數(shù)量最低。通常情況下，結(jié)合設(shè)備的布置，通過(guò)關(guān)系重心偏移法對(duì)管道的走向進(jìn)行設(shè)計(jì)。之后，根據(jù)管道的配置，安裝管道支吊架，并通過(guò)相應(yīng)的分析系統(tǒng)，分析整個(gè)管道的應(yīng)力。最后，以分析的結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)管道走向與支吊架進(jìn)行調(diào)整，使整個(gè)高溫高壓管道符合合成氨工藝的要求，并降低生產(chǎn)工藝中的安全隱患。

4 管道應(yīng)力分析內(nèi)容

4.1靜動(dòng)分析

我廠對(duì)管道進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，使用的為CAESARⅡ軟件，該軟件對(duì)管道分析的過(guò)程中，主要由靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)分析兩個(gè)內(nèi)容構(gòu)成。在靜態(tài)分析當(dāng)中，主要從下列幾個(gè)角度分析的：

一是分析在工作壓力下，管道所有的一次應(yīng)力，避免管道出現(xiàn)形變的問(wèn)題；二是分析熱脹冷縮情況下，管道的二次應(yīng)力，避免管道出現(xiàn)疲勞損壞；三是分析管口的作用力，確保合成設(shè)備順利工作；四是分析支吊架的作用力，為支吊架在整個(gè)管道系統(tǒng)中發(fā)揮出重要的作用打下良好基礎(chǔ)；五是分析法蘭的作用力，避免出現(xiàn)法蘭泄露問(wèn)題。

在動(dòng)態(tài)分析中，主要從下列幾個(gè)角度分析的：一是分析振動(dòng)頻率，避免整個(gè)管道出現(xiàn)共振；二是分析強(qiáng)迫振動(dòng)響應(yīng)，控制管道振動(dòng)與應(yīng)力；三是分析壓縮泵氣液柱頻率，避免產(chǎn)生共振；四是分析壓縮泵壓力脈動(dòng)，確保壓力脈動(dòng)參數(shù)在規(guī)定的范圍內(nèi)；五是地震分析；六是分析安全閥，避免出現(xiàn)泄露問(wèn)題。

4.2 一次應(yīng)力與二次應(yīng)力分析

所謂的一次應(yīng)力，指的是管道使用過(guò)程中，在外界各種力的作用下，管道出現(xiàn)的應(yīng)力，其在管道當(dāng)中具有重要的意義，能夠使外界荷載達(dá)到平衡，外界荷載越大，應(yīng)力也會(huì)越高。在一次應(yīng)力中，不存在自限性，當(dāng)外界荷載增加到一定程度后，使塑性區(qū)達(dá)到最大范圍時(shí)，就算外界荷載停止增長(zhǎng)，管道內(nèi)部依然會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)，直到管道損壞為止。所以，對(duì)合成氨高溫高壓管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證一次應(yīng)力達(dá)到合成要求的基礎(chǔ)上，留出少量裕量，提高整個(gè)管道的安全性。二次引力指的是管道內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，不會(huì)參與到外界力的平衡，而是符合管道內(nèi)約束條件所需要的應(yīng)力。這一應(yīng)力中，存在自限性，通過(guò)局部屈服的作用，達(dá)到形變要求，抑制了形變的擴(kuò)張。所以，對(duì)高溫高壓管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)管道的走向，提升管道的柔性，降低管道二次應(yīng)力。

5 高溫高壓管道應(yīng)力分析

5.1 基本參數(shù)

我廠某產(chǎn)量為26萬(wàn)t合成氨設(shè)備運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，壓力P為25MPa，溫度T為450℃，管道尺寸φ為426*46.78，管道材料選擇時(shí)，以10MoWVNb材料為主。選擇保溫材料時(shí)，以巖棉為主，厚度為50mm，保溫時(shí)，應(yīng)保證整個(gè)保溫厚度在150mm以上。

5.2 模型的建立

在模型建立的過(guò)程中，為了方便分析，將法蘭看作普通管道。建立完模型后，應(yīng)科學(xué)的錄入邊界條件。通常情況下，邊界條件由以下兩個(gè)方面構(gòu)成，一是管段初始熱位移，本次研究的管道，由1#廢熱回收器到2#廢熱回收器之間，1#段通常與塔底相連，并且其支座為彈簧支座，運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一定的位移，所以1#的邊界條件為：Y軸上-10mm，其他軸向上均為0mm；2#段為穩(wěn)固段。二是支吊架的放置。根據(jù)管道鋪設(shè)的環(huán)境，結(jié)合管道的走向，能夠在30點(diǎn)與60點(diǎn)兩個(gè)位置上，安放支吊架。所以，將分析分為兩種情況，情況1：30點(diǎn)安放支吊架；情況2：60點(diǎn)安放支吊架。

5.3 分析結(jié)果

首先對(duì)管道應(yīng)力的極限值進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表1所示。通過(guò)表1的觀察可以發(fā)現(xiàn)，兩種情況下，一、二次應(yīng)力均在規(guī)定范圍內(nèi)。

其次對(duì)支吊架選型進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表2所示。針對(duì)這一分析結(jié)果，結(jié)合《變力彈簧支吊架》HG/T20644—1998中的規(guī)定，30節(jié)點(diǎn)應(yīng)選擇TD-17的彈簧，60節(jié)點(diǎn)選擇TD-18的彈簧，才會(huì)在管道中發(fā)揮最大的作用。

6 總結(jié)

綜上所述，高溫高壓管道作為合成氨當(dāng)中的重要組成部分，合理的對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以為提高合成氨的效率與安全性提供幫助，推動(dòng)我國(guó)合成氨工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。所以，在合成氨工業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)該研究中的內(nèi)容來(lái)對(duì)高溫高壓管道進(jìn)行設(shè)計(jì)。但本文是以我廠合成氨設(shè)備為例進(jìn)行研究的，具有一定的局限性，想要確保整個(gè)合成氨領(lǐng)域更好的發(fā)展，還應(yīng)加強(qiáng)合成氨高溫高壓管道設(shè)計(jì)研究的力度。

【參考文獻(xiàn)】

【1】孫煥青，袁本旺，王兵槐.高壓抽注凝汽式汽輪機(jī)主蒸汽管道的應(yīng)力分析[J].化肥設(shè)計(jì)，2016（1）：25-28.endprint