鈦材高塔器設(shè)備的設(shè)計

孟瑞炯

（貴州東華工程股份有限公司，貴州 貴陽 550002）

我公司曾為某化工廠設(shè)計了一套醋酸仲丁酯生產(chǎn)裝置。由工藝需要，裝置內(nèi)設(shè)置一臺起到脫碳作用的鈦材高塔設(shè)備，塔內(nèi)分多段布置填料和浮閥塔盤，物料從塔體下部進入，在塔體內(nèi)部進行傳質(zhì)和傳熱，塔內(nèi)介質(zhì)復(fù)雜，腐蝕性強，存多種有毒物質(zhì)和爆炸危險介質(zhì)，工作溫度高、工作壓力高、工況復(fù)雜、塔體高且高徑比大，是該生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備，也是高危設(shè)備。

1 設(shè)計參數(shù)與選材

1.1 設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 脫碳鈦塔設(shè)計參數(shù)

1.2 選材

該塔器內(nèi)部存在多種復(fù)雜的介質(zhì)環(huán)境，其中醋酸仲丁酯和醋酸對于不銹鋼材料有較強腐蝕作用，而工業(yè)純鈦對于醋酸仲丁酯和醋酸有較好的耐蝕性，且材料密度小、機械強度大，故比強度高。從主材的經(jīng)濟性、實用性、安全性和可靠性等方面綜合考慮，工業(yè)純鈦中的TA2具備良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，能較好滿足本工況下對機械強度和腐蝕要求，所以本塔器設(shè)備筒體、封頭、接管等主材選擇工業(yè)純鈦TA2，工業(yè)純鈦的使用狀態(tài)為退火狀態(tài)，厚度δ＞25mm板材逐張超聲檢測，試驗方法按GB/T 5193-2020《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品超聲檢驗方法》中A級合格。

鈦材價格貴，為經(jīng)濟合理地使用鈦材，在不與腐蝕介質(zhì)接觸的部位，盡量考慮不用鈦制零件，本塔器裙座過渡段的連接法蘭尺寸大，厚度厚、質(zhì)量重、若采用純鈦結(jié)構(gòu)，在經(jīng)濟上極不合理，本設(shè)備針對性地設(shè)計了TA2+16MnⅡ鍛件的鋼制活套法蘭結(jié)構(gòu)，在達到經(jīng)濟效果的同時，結(jié)構(gòu)強度得到加強。同時，由于鈦與鋼之間的連接需采用機械方法，若某些節(jié)點設(shè)計困難或使節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜化時，應(yīng)根據(jù)材料費用、制造費用和工期要求等綜合考慮，必要時仍選用全鈦材，如本塔器上的起重吊耳結(jié)構(gòu)小，重量不大，故設(shè)計了TA2全鈦材結(jié)構(gòu)的吊耳。

2 強度計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 強度計算

脫碳塔外形尺寸如圖1所示。以GB 150.1～150.4-2011《壓力容器》、JB/T 4745-2002《鈦制焊接容器》和NB/T 47041-2014《塔式容器》為強度計算依據(jù)，對設(shè)備筒體、裙座、封頭、設(shè)備法蘭和開孔補強等進行計算，進而確定各個部件的厚度。

圖1

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 裙座設(shè)計

本塔器類別為自支撐立式金屬制高塔式容器，整體高度超過50米，塔體直徑最大處為φ1800mm，最小處φ為1200mm，整體高徑比約為27，設(shè)備整體載荷大、彎矩大、塔身撓度大，設(shè)計圓錐形裙座可以減小混凝土基礎(chǔ)頂面的壓應(yīng)力，增加裙座筒體斷面慣性矩，結(jié)合現(xiàn)場實際布置條件，設(shè)計4.9°半錐頂角裙座，滿足小于15°結(jié)構(gòu)適用的要求且通過計算驗證。

裙座材料不與介質(zhì)接觸，且承受了整個塔設(shè)備最大的彎矩載荷，設(shè)計選用價格相對低、強度好、塑性和焊接性能良好的低合金鋼Q345R，由于塔體下封頭與裙座殼所用金屬材料不同，裙座筒體上部設(shè)置一段與塔釜封頭材料TA2相同的鈦鋼筒體作過渡段，在全鈦設(shè)備上，若鐵等其他金屬溶于鈦焊縫中，則會形成硬而脆的金屬間化合物，極大地降低焊縫塑性，除爆炸焊接和釬焊外，鈦不能直接熔焊在鋼上，故鈦材設(shè)備的支承結(jié)構(gòu)設(shè)計有其本身的特殊性，本塔器在裙座過渡段與下部Q345R筒體的連接處上，設(shè)計了一套鋼制活套法蘭結(jié)構(gòu)，通過模擬活套設(shè)備法蘭來計算強度，再結(jié)合連接螺栓的尺寸、錐形筒體傾斜角對緊固螺栓時用液壓拉伸器作業(yè)空間的影響等因素，最終設(shè)計形成了2片直徑φ2250，厚度225mm，總重量約為5噸的設(shè)備活套大法蘭組合，如圖2所示。大大節(jié)約了鈦材的用量，同時也使高鈦塔器裙座材料的安全性和可靠性增加，保證了經(jīng)濟效果并滿足使用要求。

圖2

2.2.2 筒體設(shè)計

塔器壁厚是由壓力、溫度、風(fēng)載荷、地震載荷等綜合影響，由于風(fēng)或地震載荷引起的彎矩隨塔高自上而下遞增，從等強度及結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性考慮，將塔體厚度分為自上而下逐段遞增的筒體段，在同時兼顧保證強度和結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提下，應(yīng)結(jié)合鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，盡量取鋼板標(biāo)準(zhǔn)寬度的整數(shù)倍，從而減少制作加工中廢料的產(chǎn)生量，再結(jié)合計算數(shù)據(jù)，反復(fù)調(diào)整和試算，最終將塔體劃分為7段，鈦材鋼板厚度從10mm過渡到20mm，經(jīng)濟效果顯著。

2.2.3 人孔設(shè)計

本設(shè)備的人孔處在一個沒有突然壓力升降和溫度劇烈變化，也沒有載荷頻繁變化相對穩(wěn)定的環(huán)境狀態(tài)，設(shè)計采用襯層結(jié)構(gòu)，如圖3所示,介質(zhì)壓力由外殼材料承受，鈦材只承受介質(zhì)腐蝕，設(shè)備內(nèi)襯鈦比襯其他金屬材料困難得多，襯其他金屬時，可采用直接熔焊法，但襯鈦絕對不允許采用這種方法，因為襯層在設(shè)備內(nèi)焊接時，鈦和外殼材料有互溶的可能，鐵金屬等溶于鈦焊縫中，形成硬而脆的金屬間化合物，嚴重減低焊縫塑性和耐腐蝕性能；鈦襯里設(shè)計除了考慮一般襯里設(shè)備的特點，如：絕對避免腐蝕介質(zhì)與外殼材料有任何接觸的可能；外殼上應(yīng)設(shè)置檢漏孔，檢查襯里層的焊縫質(zhì)量；外殼內(nèi)表面應(yīng)磨平、磨光、圓滑過渡等，還應(yīng)注意嚴格防止其他材料的互溶；鈦襯里在鋼殼上固定不能用塞焊或條焊，可采用爆炸焊接，或者機械固定和釬焊聯(lián)合使用。

圖3

本設(shè)備上的人孔法蘭蓋襯層采用機械連接加銀釬焊的做法，如圖4所示,用鈦螺釘把襯層固定在鋼殼上，螺釘擰入后，用氬弧焊將螺釘焊死。注意要考慮熱影響會造成螺釘自身變形，為留有足夠變形空間，所以采用16mm左右的長螺釘固定。再延襯層一周環(huán)焊一圈銀釬焊，該設(shè)計能有效防止異種金屬污染鈦襯層，又能解決需將鈦襯層牢靠地固定在基材上。脫碳塔上的人孔均由此方案設(shè)計，節(jié)約了近3噸鈦材消耗。

圖4

3 制造、檢驗與驗收要求

本設(shè)備根據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和GB/T 150.1～150.4-2011《壓力容器》對設(shè)備制造、檢驗與驗收提出了相應(yīng)要求。設(shè)備施焊前，鈦材焊接接頭的焊接工藝評定滿足JB/T 4745-2002附錄B的規(guī)定，鈦材的焊接規(guī)程按JB/T 4745-2002附錄E的規(guī)定。

對DN≥250mm的接管與接管、接管與管件、接管與法蘭對焊環(huán)之間的對接接頭的檢測要求與本設(shè)備A類和B類焊接接頭相同。對DN＜250mm的接管與接管、接管與管件、接管與法蘭對焊環(huán)之間的對接接頭進行需100%滲透(PT)檢測，符合NB/T 47013.5-2015中PT-Ⅰ級為合格。吊耳與殼體間的焊接接頭、下封頭與裙座過渡段筒體之間焊接接頭應(yīng)進行100%滲透(PT)檢測，符合NB/T 47013.5-2015 中PT-Ⅰ級為合格

設(shè)備制造完成后,進行水壓試驗,試驗合格后,需進行氣密性試驗，氣密性試驗合格后,設(shè)備鈦表面應(yīng)進行鐵污染試驗和酸洗處理。酸洗后必須用清潔自來水沖洗干凈。

4 結(jié)語

目前該設(shè)備已投入使用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益顯著，圖5為該設(shè)備裙座實物圖。

圖5