氨合成塔設(shè)計(jì)探討

李超

（勝幫科技股份有限公司上海市張江高科212110）

1 引言

合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成氨，為一種基本無機(jī)化工流程?，F(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中，氨是化肥工業(yè)和基本有機(jī)化工的主要原料。氨合成塔是合成氨的核心裝備，其選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造直接影響到裝置的平穩(wěn)運(yùn)行以及裝置的安全。本文從以上幾個(gè)環(huán)節(jié)闡述氨合成塔的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)備制造需要注意的點(diǎn)。

2 設(shè)備簡況

2.1 設(shè)備參數(shù)

設(shè)備型式為立式多層包扎高壓容器，具體參數(shù)見表1所示。

表1

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

如圖1所示，設(shè)備主要承壓件為內(nèi)筒、層板、筒體端部、平蓋、球封、底部凸緣、底部三通、電加熱器蓋等。螺紋法蘭密封為透鏡墊，筒體端部與平蓋密封為雙錐環(huán)。

圖1

3 氨合成塔各部件材料的選擇

內(nèi)筒、平蓋、球封、筒體端部操作工況小于200 ℃,設(shè)計(jì)溫度為200℃，雖然本設(shè)備為臨氫狀態(tài)下，但是這些部件不會產(chǎn)生氫腐蝕，可選用常規(guī)的低合金鋼，內(nèi)筒和球封材質(zhì)為Q345R,平蓋和筒體端部為20MnMo鍛件。對于底部三通，因?yàn)榻佑|熱氣體，設(shè)計(jì)溫度為400℃,超過200℃臨氫狀態(tài)下會產(chǎn)生氫腐蝕。本設(shè)備氫含量為73%,氫分壓保守的按設(shè)計(jì)壓力16.5MPa計(jì)算，氫分壓為12MPa.通過查HG/T20580～20585標(biāo)準(zhǔn)的納爾遜曲線可知，材料選1Cr5Mo鍛件 。球封底部凸緣下部與內(nèi)件填料密封接觸部分設(shè)計(jì)溫度為400℃,為了防止氫腐蝕，需要在內(nèi)件填料密封接觸部分堆焊不銹鋼，堆焊完成機(jī)加工后堆焊層厚度不得小于8mm。對于透鏡墊材料的選擇，設(shè)計(jì)溫度為200℃的采用20Ⅲ；設(shè)計(jì)溫度為400℃的考慮抗氫腐蝕采用S30408Ⅲ,并且做Ⅱ級溫度標(biāo)記。同時(shí)規(guī)定墊片的硬度小于等于法蘭硬度的30HB。對于合成氨裝置，考慮到平蓋、筒體端部、底部三通鍛件的大型化及高壁厚，我們通常采用Ⅳ鍛件，并要求對鍛件進(jìn)行材料和力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)。

4 結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度設(shè)計(jì)

4.1 筒體的結(jié)構(gòu)及球封厚度的取值

本氨合成塔筒體處直徑1410mm，設(shè)計(jì)壓力為16.5 MPa,當(dāng)采用單層板時(shí)，通過計(jì)算名義厚度為88mm。由于板材過厚，金屬元素易產(chǎn)生偏析，夾渣物的含量、分布及其形狀均不均再加上熱處理時(shí)由于板太厚內(nèi)部和表面淬火效果不同，由此造成內(nèi)外材質(zhì)不均一，在進(jìn)行焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋；而且本設(shè)備筒體長度14米多，厚壁加超長對筒體的卷制會產(chǎn)生相當(dāng)?shù)碾y度，一般的制造廠卷板機(jī)達(dá)不到這個(gè)能力；厚壁意味著許用應(yīng)力的大幅下降，滿足強(qiáng)度的板材厚度會增加很多，從成本上看也是不經(jīng)濟(jì)的。因此我們選擇多層包扎結(jié)構(gòu)，算出來筒體總厚度只需要76mm，比單層厚度薄了12mm，經(jīng)濟(jì)效益顯而易見。內(nèi)筒應(yīng)為正火板，并且逐張進(jìn)行100%超聲檢測，Ⅰ級合格。每張熱處理板進(jìn)行拉伸和V型缺口沖擊試驗(yàn)。A類焊接接頭檢查合格后作消除殘余應(yīng)力的熱處理。

筒體與球封連接結(jié)構(gòu)采用堆焊結(jié)構(gòu)，因?yàn)榍蚍獾闹芟驊?yīng)力與軸向應(yīng)力相等都為圓筒周向應(yīng)力1/2，因此球封厚度理論上減薄后的厚度大于38mm即可。但是現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，需要考慮球封與筒體堆焊的圓滑過渡，不能厚度差太大，也要考慮球封上大接管或者凸緣的開孔補(bǔ)強(qiáng)，需要球封一部分厚度參與到補(bǔ)強(qiáng)中去，使大接管或者凸緣參與補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的厚度小于2倍的封頭最小厚度，因?yàn)镚B 150.3-2011中6.3.2.1規(guī)定δnt/δn宜控制在0.5～2.兼顧這兩個(gè)原因，按照工程經(jīng)驗(yàn)我們?nèi)》忸^名義厚度為0.8倍的筒體厚度。

4.2 平蓋及主螺柱的設(shè)計(jì)

平蓋的螺栓中心圓直徑Db按GB 150.3-2011式（7-35），取Db=D2+1.5dB，并向上圓整到最近的0或5結(jié)尾?？紤]到大型Ⅳ鍛件價(jià)格的昂貴以及平蓋的受力情況，我們通常對主螺柱的設(shè)計(jì)采用小直徑多個(gè)數(shù)，通過減小螺栓中心圓來減小平蓋鍛件的外徑達(dá)到省材的目的，同時(shí)減小中心圓能減小載荷計(jì)算時(shí)的力臂也就減少了平蓋的厚度，且相鄰兩螺柱的間距要滿足液壓拉伸器的相鄰螺栓中心最小間距。常用的液壓拉伸器有6種型式:AR、AH、BR、BH、CR、CH，但是一般公司只會購買其中的幾款，因此主螺柱中心圓的取值還的結(jié)合制造公司的液壓拉伸器的型式。本設(shè)備主螺柱采用M90×4-BT-Ⅱ，材料為35CrMoVA，35CrMoA材料滿足不了所需螺柱面積，選用帶釩的材料，能夠細(xì)化晶粒提高螺柱材料的強(qiáng)度，通過對比GB 150.2-2011表12中35CrMoVA和35CrMoA許用應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)35CrMoVA比35CrMoA高了47MPa，許用應(yīng)力的大幅增加滿足了所需最小螺柱面積的要求，螺柱材料力學(xué)性能需滿足 GB150.2-2011表13的要求。因?yàn)镸90×4主螺柱為主要受壓元件，并且操作工況為高壓，不允許存在任何缺陷，因此不僅需要進(jìn)行100%磁粉檢測而且還需要100%超聲檢測（Ⅱ級合格）。設(shè)計(jì)中選用的是BH90液壓拉伸器，所需螺柱最小間距為180（查標(biāo)準(zhǔn)HG/T21573.1-95）,因?yàn)榘辞懊嬗?jì)算Db為1585mm，螺柱個(gè)數(shù)為24，可算出最小間距為207.5mm，大于BH90液壓拉伸器要求。平蓋外徑按GB 150.3-2011式（7-36），取D0=Db+1.8dB，并向上圓整到最近的0或5結(jié)尾。Db、D2、D0、dB符號表示內(nèi)容見GB 150.3-2011圖7-11.

對于高溫工況下氨合成塔的平蓋的厚度計(jì)算，強(qiáng)度計(jì)算往往不起決定作用，溫差對于結(jié)構(gòu)的影響才是厚度取值的關(guān)鍵。本設(shè)備氨塔內(nèi)件采用的是不銹鋼，因?yàn)閵W氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)很大，考慮到設(shè)備內(nèi)件長度約為15.9米，在溫差影響下，內(nèi)件上部與平蓋填料密封處尺寸移動會非常大。估算下內(nèi)件在400℃的△L,奧氏體不銹鋼400℃的線膨脹系數(shù)為17.99×10-6,△L=α△TL=17.99×(400-20)×15900×10-6=109mm.平蓋厚度取值為填料密封處填料函座尺寸加上內(nèi)件溫差膨脹尺寸在加上內(nèi)件裝配尺寸余量（50mm），即為：200+109+50=359mm，我們?nèi)?80mm。通過GB 150.3-2011附錄C計(jì)算，平蓋厚度僅需280mm，計(jì)算如下：

平蓋材料: 20MnMo

平蓋設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力: 196 Mpa 平蓋常溫下的許用應(yīng)力: 196MPa

平蓋腐蝕裕度: 3.00 mm 平蓋計(jì)算厚度: 257.22 mm

平蓋設(shè)計(jì)厚度: 260.22 mm 平蓋最薄處厚度:270.00 mm

平蓋名義厚度: 280.00 mm 平蓋彎曲應(yīng)力:53.66 MPa

平蓋剪切應(yīng)力: 28.33 Mpa 平蓋當(dāng)量應(yīng)力:72.72 MPa

結(jié)論：平蓋強(qiáng)度合格

4.3 球封底部凸緣設(shè)計(jì)

高壓容器接管與殼體的焊接結(jié)構(gòu)有2種型式：安放式和嵌入式。嵌入式更適合于疲勞載荷和大溫度梯度場合，而且嵌入式結(jié)構(gòu)焊接量更大，同時(shí)因?yàn)橄虏颗c筒體連接處需要很大的過渡圓角，會導(dǎo)致鍛件的公稱厚度更大，基于幾方面的考慮，這里我們選擇安放式。安放式接管是焊接在封頭板材上的，在內(nèi)壓作用下都承受一個(gè)軸向力，在軸向力的作用下鋼板可能會發(fā)生撕裂，這是相當(dāng)危險(xiǎn)的。所以對于凸緣與封頭的焊縫我們不僅僅提出進(jìn)行100%的磁粉檢測還要求在開孔直徑2倍的范圍內(nèi)做100%超聲檢測，以保證開孔處的鋼板截面上無分層現(xiàn)象。對于凸緣這種大的厚壁接管焊根未焊透的的部分沒辦法清根，所以需要進(jìn)行鏜孔處理，因此凸緣內(nèi)壁需要留一定的加工余量。本設(shè)備凸緣內(nèi)徑為270mm，考慮到與封頭焊好后需要鏜孔清根，凸緣單體鍛件內(nèi)徑定為250mm，前面材料部分提到的堆焊其尺寸按填料密封尺寸和塔內(nèi)件下部熱膨脹之和來定，通過計(jì)算取值250mm。堆焊部分也需要進(jìn)行鏜孔處理，因?yàn)檎w鏜孔厚度為10mm，而且鏜孔后需要保證8mm不銹鋼堆焊層，兼顧堆焊與非堆焊處過渡結(jié)構(gòu)考慮這里我們?nèi)《押覆糠滞鈴綖?86mm。球封未焊前內(nèi)徑為260mm，外徑留了10mm鏜孔余量，凸緣與球封的連接形式是局部插入，更方便在凸緣與球封的圓角處施焊以及鏜孔。詳細(xì)結(jié)構(gòu)見下圖：

圖2

4.4 筒體端部設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

4.4.1 當(dāng)筒體端部側(cè)面沒有工藝管口時(shí)，其尺寸按照GB 150.3-2011中7.7.4進(jìn)行取值，但是對于氨合成塔側(cè)面往往都有大的工藝管口，這就需要對筒體端部長度設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧側(cè)面螺紋法蘭的安裝空間，因?yàn)閭?cè)面螺紋法蘭也是由一系列螺柱均布緊固的，如果螺紋法蘭太靠近筒體端部上表面就會造成自己的緊固螺柱與設(shè)備主螺柱碰撞或者干涉，如果螺紋法蘭離筒體端部上表面太遠(yuǎn)就會造成材料的大量浪費(fèi)，因?yàn)榇笮廷艏夊懠窍喈?dāng)昂貴的。這里我們就可以通過SOLIDWORKS軟件進(jìn)行三維放樣，保證設(shè)備主螺柱與側(cè)面螺紋法蘭螺柱留有8mm左右的安全余量即可。

4.4.2 筒體端部材料的選擇不僅需要按照其結(jié)構(gòu)來選擇（判斷鍛件的公稱厚度），而且還要注意局部的強(qiáng)度來選材。本設(shè)備筒體端部的設(shè)計(jì)工況為200℃，因?yàn)榇隋懠Q厚度小于300mm，所以材料選用16MnⅣ緞是可行的。但是我們忽略了對筒體端部局部強(qiáng)度的校核，與內(nèi)筒和層板連接處筒體端部內(nèi)徑為1410mm，外徑取與最外層層板平齊，得到其厚度為76mm。但是查GB 150許用應(yīng)力表，我們發(fā)現(xiàn)200℃16MnⅣ緞的許用應(yīng)力比Q345R的低了36MPa，通過中徑公式計(jì)算，連接處需要87mm才能滿足要求，因此忽略了對此部位的強(qiáng)度校核是相當(dāng)危險(xiǎn)的。由于連接處結(jié)構(gòu)不能變化，我們可以通過選用更高強(qiáng)度的材料來滿足強(qiáng)度要求，200℃的20MnMoⅣ緞許用應(yīng)力比16MnⅣ高了49MPa,通過計(jì)算與筒體連接處的強(qiáng)度是滿足要求的。

5 結(jié)語

氨合成塔廣泛應(yīng)用于合成氨裝置中，因?yàn)槠涫褂玫墓r為高溫高壓下，需要對設(shè)備的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造進(jìn)行科學(xué)合理的控制，才能保證設(shè)備在規(guī)定的使用年限內(nèi)安全、平穩(wěn)的運(yùn)行。希望通過本文讓更多的設(shè)計(jì)人員對高溫高壓容器的選材、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有個(gè)更深入的了解。