甲醇高壓分離器設(shè)計探討

張建

（西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安 710021）

在化工行業(yè)中，最常見的是在高壓有腐蝕狀態(tài)下工作的各類壓力容器，為保證設(shè)備安全可靠的運行，對該類設(shè)備進行合理的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、主要零部件設(shè)計及采取合理的安全可靠性措施是至關(guān)重要的。甲醇高壓分離器是雙醋工程中甲醇合成后實現(xiàn)粗甲醇與合成氣分離的主要設(shè)備，以下為某公司設(shè)計制造的甲醇高壓分離器為例，就該類型設(shè)備從設(shè)計的角度作以簡要介紹。

1 設(shè)備概述

分離器的工作原理是，介質(zhì)由右側(cè)中上部的合成氣和粗甲醇進口進入分離器，經(jīng)翅片式進口裝置均勻分布至整個容器截面，介質(zhì)中的合成氣向上經(jīng)絲網(wǎng)除沫器除去液滴，通過上部合成氣出口回收，介質(zhì)中的粗甲醇向下經(jīng)防渦板，通過粗甲醇出口回收，達到分離目的。

為了實現(xiàn)分離器有效地分離合成氣和粗甲醇，同時，結(jié)構(gòu)合理，使用方便，該設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除考慮筒體、封頭、裙座、人孔、吊耳及進出口接管等件外，為保證介質(zhì)進入容器后均勻分布至整個容器截面，在介質(zhì)進口處設(shè)置了翅片式進口裝置；為除去合成氣中的液滴，在相應(yīng)出口設(shè)置了絲網(wǎng)除沫器；為防止出口處粗甲醇發(fā)生渦流，在相應(yīng)出口設(shè)置了防渦板；方便用戶操作，設(shè)備內(nèi)設(shè)置內(nèi)梯以及設(shè)備外部的梯子平臺。甲醇高壓分離器設(shè)計條件見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)

該設(shè)備整體結(jié)構(gòu)屬于立式容器，其結(jié)構(gòu)主要由球型封頭、筒體、裙座等組成詳見圖1。

圖1 甲醇高壓分離器結(jié)構(gòu)簡圖

2 設(shè)計中幾個關(guān)鍵問題的解決方案

2.1 材料選擇

（1）筒體及封頭材料的選擇。該設(shè)備工作介質(zhì)有腐蝕性，材料必須選擇防腐蝕的材料，滿足此要求的材料有不銹鋼、抗氫鋼、不銹鋼復(fù)合板。不銹鋼耐腐蝕性能好，但相對碳鋼其應(yīng)力低，計算厚度大，材料價格較高；抗氫鋼相對不銹鋼價格低，但容易造成腐蝕，對介質(zhì)有污染；復(fù)合鋼板既有強度高又具有耐蝕性好的優(yōu)點，其價格及性能也優(yōu)于不銹鋼，可以保證設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的潔凈度。通過對材料性能和經(jīng)濟性能進行綜合分析，筒體及封頭的材料選用壓力容器常用的Q345R正火鋼板復(fù)合S30403，是最經(jīng)濟合理的。

（2）接管及法蘭材料的選擇。接管及法蘭選材主要考慮到該設(shè)備接管壁厚較厚，板材卷制不易成形；采購厚度較大、長度較小的鋼管也不經(jīng)濟；用不銹鋼鍛件成本較大；綜合考慮經(jīng)濟性、加工性等因素，對公稱直徑≥200的接管及法蘭（包括DN600的人孔接管，人孔法蘭及法蘭蓋）選用碳鋼鍛件堆焊不銹鋼S30403，公稱直徑＜DN200的接管及法蘭選用S30403鍛件。

（3）其他件材料的選擇。容器內(nèi)部主要部件有翅片式進口裝置、絲網(wǎng)除沫器、防渦板、內(nèi)梯及相配套的支撐件等因與介質(zhì)接觸，全部采用不銹鋼S30403。

容器外部主要部件有裙座、梯子平臺、吊耳等，外部零部件與介質(zhì)不接觸也沒有特殊要求，除銘牌及接地板外，板材均選用了Q345R鋼板，管材均選用了20鋼管。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

從甲醇高壓分離器的工作原理及技術(shù)參數(shù)考慮，為了設(shè)備的安全可靠運行以及經(jīng)濟合理性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中按相關(guān)標(biāo)準進行了常規(guī)設(shè)計外，重點考慮了翅片式進口裝置、焊接接頭型式，非標(biāo)人孔以及相關(guān)附件的設(shè)計。

（1）翅片式進口裝置的設(shè)計。翅片式進口裝置。其結(jié)構(gòu)見圖2。翅片式進口裝置中關(guān)鍵件是由36片翅片對稱均勻的焊接于兩塊夾角11°的長條板上，此焊接件通過螺栓與其底部的梯形板及焊接于筒體上的支撐板活連接，翅片實現(xiàn)介質(zhì)的均勻分布，兩塊夾角11度的長條板固定了翅片的位置，下面的梯形板起到支撐的作用，同時阻止了介質(zhì)通過兩塊夾角11度的長條板向下的流動，相應(yīng)的支撐板及筋板對其進行了必要的支撐及固定。為便于翅片式進口裝置進行安裝及拆卸，翅片與梯形板的連接采用活連接方式。

圖2 翅片式進口裝置結(jié)構(gòu)裝置

（2）焊接接頭的設(shè)計。高壓厚壁壓力容器焊接量比較大，焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造至關(guān)重要，設(shè)計中除按相關(guān)標(biāo)準對不同壁厚的焊接接頭選用了相應(yīng)的焊接結(jié)構(gòu)外，重點考慮了以下問題：

第一，對接焊接接頭焊縫。為避免異種鋼焊接及節(jié)約不銹鋼焊材，先對焊接接頭內(nèi)表面的復(fù)合層（堆焊層）進行剝離，再進行碳鋼對接焊接，對接焊接完成及檢測合格后打磨光滑，最后進行復(fù)合層（堆焊層的焊接(其結(jié)構(gòu)見圖3)。圖中封頭厚度與筒體厚度相差教大，為了保證焊接質(zhì)量，焊接前對筒體的延長部分進行削邊。除筒體與封頭外，筒體相互之間的縱環(huán)焊縫、人孔筒節(jié)與人孔法蘭之間的焊接采取相同的焊接結(jié)構(gòu)及剝離方式。

圖3 封頭與筒體焊縫結(jié)構(gòu)

第二，焊接接頭端部的設(shè)計。設(shè)備中公稱直徑≥DN200的接管及法蘭材料選用了碳鋼鍛件堆焊不銹鋼S30403，設(shè)備中部分大直徑接管的對接焊接接頭需要與現(xiàn)場的管道焊接，為了避免碳鋼焊接后需要進行的焊后熱處理，同時，避免異種鋼焊接，此類接頭均設(shè)計成堆焊端面的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 接管坡口結(jié)構(gòu)

（3）非標(biāo)人孔的設(shè)計。該設(shè)備主要內(nèi)件翅片式進口裝置，絲網(wǎng)除沫器直徑較大，所以設(shè)置了較大的DN600的人孔。人孔標(biāo)準中無9.5MPa DN600的標(biāo)準人孔，需要參照相關(guān)人孔標(biāo)準設(shè)計非標(biāo)人孔。通過對人孔接管的補強計算，人孔接管的厚度為100mm，人孔接管采用碳鋼鍛件內(nèi)表面堆焊4 mm不銹鋼，人孔法蘭、法蘭蓋及之間連接件參照相應(yīng)壓力的法蘭標(biāo)準設(shè)計，密封面采用不銹鋼堆焊。其余轉(zhuǎn)臂、手柄、連接板、套管等零部件參照人孔相關(guān)標(biāo)準進行了設(shè)計。

人孔接管厚度較厚（100mm），與法蘭焊接時，采用U型坡口，一般對焊法蘭端部采用V型坡口對接焊縫，U型坡口更好地保證接管與法蘭焊接質(zhì)量。設(shè)備本體上有梯子平臺等附件，在熱處理前，設(shè)備本體上的支撐件及墊板等應(yīng)完成焊接，梯子及平臺通過螺栓與焊接在設(shè)備上的支撐件進行連接，連接件孔為長圓孔，避免現(xiàn)場制作的梯子平臺與已焊接的支撐件因誤差造成裝配困難。

除上述各主要非標(biāo)零部件外，絲網(wǎng)除沫器、裙座、吊耳等標(biāo)準件按照相應(yīng)標(biāo)準進行合理選取。

2.3 安全可靠性措施

（1）強度及結(jié)構(gòu)。材復(fù)合板的強度主要由基層的Q345R來承壓，設(shè)備及焊縫的安全可靠性也是由基層的Q345R來保障，強度計算過程中，未計入復(fù)合層，通過強度計算精確得出基層材料厚度及基層Q345R焊縫坡口結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備及焊縫是安全可靠。為防止相互焊接時，不銹鋼復(fù)合層或堆焊層破壞，焊接時要求焊縫部位的復(fù)合層或堆焊層剝離，并磨平基層焊縫，再進行焊接，最后再焊接剝離部分。

（2）安全可靠性檢測。設(shè)計時按照壓力容器相關(guān)標(biāo)準對設(shè)備進行以下檢測要求：A、B類焊縫：無損檢測比例及方法為100%RT+20%UT，評定標(biāo)準及級別為NB/T47013.2-2015Ⅱ級+NB/T47013.3-2015Ⅰ級合格。C、D類焊縫：無損檢測比例及方法為100%PT，評定標(biāo)準及級別為NB/T47013.5-2015Ⅰ級合格。堆焊件：堆焊前的基層材料表面及堆焊的過渡層和面層應(yīng)分別進行100%PT，評定標(biāo)準及級別為NB/T47013.5-2015Ⅰ級合格。

（3）焊后熱處理及表面處理。焊后通過熱處理消除和降低焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，避免焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，恢復(fù)材料力學(xué)性能。制造完畢后，設(shè)備的碳鋼表面除銹去污后涂C06-1鐵紅醇酸底漆兩道，以防止設(shè)備外面受到腐蝕。

（4）安全可靠性試驗。耐壓試驗。制造完成后該設(shè)備進行11.87MPa的耐壓試驗。試驗時緩慢升壓至11.87MPa壓力后，保壓30min，然后降壓到9.5MPa，保壓30min，試驗過程中無滲漏，無可見的變形和異常聲響為合格。氣密性試驗。耐壓試驗合格后該設(shè)備進行9.5MPa的氣密性試驗。試驗時緩慢升壓至9.5MPa壓力后，保壓30min，試驗過程中無滲漏為合格。

3 結(jié)語

經(jīng)過嚴謹?shù)脑O(shè)計計算、標(biāo)準規(guī)范的選取及可靠的無損檢測，使該設(shè)備的安全可靠性得到保證。經(jīng)過多次生產(chǎn)實踐的考驗，高壓有腐蝕狀態(tài)下工作的各類壓力容器的結(jié)構(gòu)也不斷改進，使得其結(jié)構(gòu)也更趨于合理。通過本文探討，為以后同類產(chǎn)品的設(shè)計提供參考，使同類產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟合理，運行使用更安全可靠。