氨合成塔结构设计优化邸锦红

氨合成塔结构设计优化邸锦红

邸锦红

身份证号码：13010319800213xxxx

摘要：从筒体、封头、端盖密封形式等方面详细论述了氨合成塔的结构设计特点；着重介绍了无深环焊缝多层包扎筒体的结构特点。

关键词：氨合成塔；多层包扎；设计结构；优化

引言

氨合成塔是合成氨系统的关键设备。其使用条件要求高，既要承受高温和氢腐蚀，还要承受介质阻力降产生的压差，因此结构复杂。加之近几年较大直径氨合成系统的开发研究，对氨合成塔的强度设计提出了更高的要求。本文旨在通过Υ1400氨合成塔的设计，对主要零部件的强度设计进行了一些探讨。

1主要设计参数

2材料

氨合成塔的操作介质为氢、氮、甲烷、氩气等，为了满足抗氢腐蚀与高温力学性能的要求，多层包扎壳体的内筒、筒体端部、平台以及过渡件均选用1.25Cr-0.5Mo材料。下部球形封头以及气体出口管件处，由于温度较高（该处设计温度480℃左右），因此这两处选用2.25Cr-1Mo材料。随着母材回火脆性的增加，合成塔在开停车过程中发生脆性破坏的可能性也随之增加。2.25Cr-1Mo材料的回火脆化敏感性与其化学成分和金相组织状况有关，工程中常用J系数和X系数作为回火脆化敏感性的衡量指标，回火脆化敏感性系数越大，材料的回火脆化敏感性也就越高。在制造过程中降低和控制钢材的脆性系数是提高合成塔抗回火脆化能力的主要手段。步冷脆化法是评定材料回火脆化敏感性的主要方法，标准中对2.25Cr-1Mo材料回火脆化性能有明确的规定。在本合成塔的技术要求中规定：vTr54+2.5ΔvTr54≤10℃。多层筒体除内筒外的多层层板不接触氢介质，不必考虑氢腐蚀的问题，只考虑材料具有高的强度和良好的综合性能，所以选择了较为经济合理的材料Q345R。

3平盖

由于氨合成塔整体式内件的安装要求，上部端盖设计成可拆平盖结构。平盖材料采用1.25Cr-0.5Mo-Si锻件，双锥垫采用1.25Cr-0.5Mo-Si锻件，主螺栓采用高强度调质钢40CrNiMoA。主螺栓材料选择的适当与否直接会影响到平盖的厚度，通过在设计中与传统采用的25Cr2MoVA材料做对比设计发现，由于25Cr2MoVA在设计温度下与40CrNiMoA相比，其许用应力值低64MPa，因此所需的螺栓面积（即螺栓直径）远大于40CrNiMoA，最终的结果就是平盖螺栓中心圆直径大、力臂长，导致平盖直径及厚度比采用40CrNiMoA的大很多。

在高压设备设计时，高压大直径螺栓材料应优先选择40CrNiMoA，如此可降低平盖或者法兰厚度约五分之一，直径也会相应减小很多。40CrNiMoA冲击韧性优于25Cr2MoVA材料，因此，主螺栓选择40CrNiMoA安全可靠并可大大降低平盖锻件的厚度以及外径尺寸。

4筒体

筒体结构一般有4种形式可供选择：①锻焊式，即可由数个锻制筒节组焊制成，其结构优点是无纵缝，缺点是有深环焊缝，成本高，筒体厚度大，20世纪70年代以前使用较多；②单层板卷焊式，即由厚板卷制而成，其结构优点是制造工期短，缺点是带有深纵、环焊缝。由于大型氨合成塔的筒体厚度一般很厚，国内会受到卷板机能力制约，国外机加工能力强而多采用此种结构形式；③带有深环焊缝的多层包扎式，即由多个多层包扎的筒节组焊而成。内筒材料选用Cr-Mo钢，层板材料选用高强度低合金钢，可以做到筒体厚度较小，与锻焊式、单层板卷焊式相比厚度减小约20mm。其结构缺点是带有深环焊缝，加工周期较长。20世纪80年代以来国内氨合成塔外壳普遍采用该结构形式；④无深环焊缝多层包扎式，即内筒先与上端部及下部过渡件、下部封头等件组焊，并热处理后使用特殊工具将预制好的开口筒节一层层包扎上去，最后制成整体筒体，做到无深环焊缝。其结构优点是筒体厚度小，无深环焊缝，安全可靠性高，并可以做到只漏不爆。第一层层板纵缝、环缝对接时会对内筒造成热影响，为了消除由于焊接对内筒的热影响，采用内筒与第一层层板之间加盲层的方法。同理，层板与Cr-Mo钢锻件端部的连接处，堆焊INCONEL材料，如图2所示。采用堆焊INCONEL过渡层并预先热处理的方法后很好地解决了Cr-Mo钢与碳钢焊后需要进行热处理的问题。这种方法在带有深环焊缝多层包扎结构中普遍采用，在ASME及其它国外规范中也是允许使用的安全可靠的方法。

图2筒体与端部连接结构

比较以上4种筒体结构，无深环焊缝多层包扎结构形式可以做到只漏不爆安全可靠，制造周期比带有深环焊缝的多层包扎结构相比要短。锻制筒体成本最高，厚板其次，多层包扎结构成本最低。无深环焊缝多层包扎结构由于其诸多的优点将是以后我国大型高压设备的发展方向。

5密封

氨合成塔中的主要组分有氢气、氮气和氨气，且为高压、高温、临氢环境工况，密封结构设计是氨合成塔设计的重要组成部分。

5.1端平盖的密封

由于内件的安装要求，上端平盖需要设计成带有双锥环垫的可拆结构，如图3所示。

图3 双锥环密封结构

双锥面密封是一种半自紧密封形式，在双锥密封环的两个密封面上放置0.5~1mm厚的柔性石墨，或者铝及其软金属，靠主螺栓压紧，使垫片产生塑性变形以达到密封，这是双锥密封的强制性质。当介质压力上升时，介质进入双锥环与端盖的环形间隙中使双锥环有少许径向扩张，使筒体端部及端盖与密封面紧密接触而达到径向自紧作用，这时双锥密封又具有自紧作用，因此它是半自紧式密封。双锥环密封的优点：

（1）结构简单，制造容易，加工精度要求不是很高，因而生产周期较短。

（2）由于双锥环的径向自紧作用，故在压力和温度波动下，密封性能仍然良好，可用在压力、温度和直径较大的条件。

（3）由于锥面较大（30°左右），不易被嵌住，因此装拆方便。

（4）双锥环密封在螺栓上紧的时候应特别注意，预紧力过大会使双锥环失稳变形，预紧力过小起不到预紧作用。

双锥面密封传统上是包覆一层退火铝，经长期工程实践，其密封不是很理想。据了解，很多合成氨厂在技术改造中已经使用包覆柔性石墨代替了退火铝，取得了很好的效果。柔性石墨的流动性好，密封性能比退火铝要好，因此，平盖双锥垫密封采用双锥环包覆柔性石墨结构。

5.2 下部出口及接管的密封

氨合成塔出口及接管的密封设计也是高压设备设计中不可缺少的组成部分，接管密封与高压容器密封一样，要求密封可靠，制造容易，结构简单，安装维护方便和节省材料等。此外，高压管道密封还有特殊之处：

（1）高压管道除了承受内压外，往往还承受其他来自外部连接管道的附加载荷或弯曲载荷，如管道推力、管线热膨胀引起的附加弯矩，管道安装位置的误差而带来的附加弯矩等。

（2）管道拆装次数较多，要求管道的密封结构便于安装和拆卸，密封元件要具有多次重复使用的特点。合成塔底部出口由于温度较高易发生泄漏，因此接口采用无垫片法兰密封焊结构，如图4。

图4 下部出口及管道的密封结构

结语

大型氨合成塔承压壳体的筒体采用无深环焊缝的多层包扎结构，安全可行、成本低、工期短，是以后氨合成塔压力外壳结构技术的发展方向。高压螺栓采用40CrNiMoA材料可有效降低平盖厚度，双锥环垫及接管法兰密封焊结构是目前氨合成塔外壳的主要密封形式。

参考文献：

[1]NB/T47041—2014，塔式容器[S].

[2]杨俊岭，赵斌义.多层包扎压力容器设计探讨.大氮肥，2008，31（6）.

[3]朱孝钦，吴京生，陈国理.整体多层夹紧式高压容器研制及应用.石油化工设备，1999，28（4）.