氨合成塔外殼選型采購過程中的幾個技術問題

(兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527)

氨合成塔是合成氨廠的心臟，合成塔外殼的采購是在合成塔內件型式確定后，由合成工藝包或內件供應商提供外殼設備條件圖和技術要求，業主或總承包商進行招標采購。而化工工程設計公司通常不對氨合成塔外殼做施工圖紙的設計，一般由制造廠完成整體設計和制造工作。由于合成塔操作壓力和溫度都較高，使用環境較為惡劣，材料存在氫損傷和回火脆化等問題，一旦發生破壞，容器內儲存的巨大能量瞬間釋放，并伴隨有毒介質的擴散，將會導致災難性事故發生。因此業主在合成塔外殼采購時必須對影響合成塔制造質量、購置成本、安全性、可維護性等相關因素進行充分研究，對制造商提出必要的、嚴格的技術要求，并強化采購質量的監督控制，保證設備的訂貨質量。

1 殼體結構型式的選擇

1.1 合成塔結構型式

現在主要有單層厚板卷焊式、多層熱套式、多層包扎式、整體多層夾緊式等。

(1)單層厚板卷焊結構

該結構類型的殼體制造時先將單層厚板卷制，然后焊接縱縫，最后再通過深環焊縫將各筒節及封頭組焊，組成完整的殼體[1]，具有加工工序少、機械化程度高，整體結構簡單等優點，特別是能夠對設備進行整體熱處理，對改善材料應力分布非常有利。單層殼體的環、縱焊縫在制造和使用過程中便于檢驗、檢測，在長期使用過程中若材料出現氫脆、氫腐蝕、焊接應力裂紋、回火脆化等缺陷時，便于實施修復處理。同時由于整體采用耐熱Cr-Mo系特厚板鋼，對材料采購質量控制、卷制、組對、焊接、熱處理等加工工藝要求較高，應力沿壁厚分布的不均勻性是該型設備的固有問題。現在國內大型化工機械制造廠如大連金重、哈鍋、一重、東方鍋爐廠等均具有制造能力。淮化、魯南化工等企業就采用了此種結構。

(2)多層熱套結構

多層熱套結構采用雙層或多層厚板(25～80 mm)，卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒體，然后將外層筒節加熱到計算的溫度進行套合，最后將各筒節通過環焊縫連接。熱套結構規避了特厚板的質量問題，預應力的存在優化了厚筒的應力分布，組焊后的殼體可進行整體熱處理，以消除套合應力和深環焊縫的焊接殘余應力。但其加工難點在于套合面機械加工量大，卷圓和套合工藝精度要求高，難度大[2]。東方鍋爐(集團)有限公司為岳陽化肥廠180 kt/a合成氨裝置制造的氨合成塔外殼便采用了此種結構。

(3)多層包扎式結構

制造時先完成單節內筒制造，再在其外部用薄板多層包扎成單節筒節，最后再將各筒節及封頭組對焊接成完整的殼體[3]。由于制造此種結構的殼體不需要大型專業設備，制造設備較簡單；由于僅內層殼體板采用耐熱Cr-Mo系鋼板，包扎層板采用了薄板，材料質量能得到保證，選材有較大的靈活性；設備制造費用可大大降低，價格優勢非常明顯。另外從安全性考慮，一是多層包扎結構由于層間緊配合的作用，在不增加壁厚的情況下，提高了厚壁圓筒的強度，改善了單層結構的周向受力。二是由于采用多層板，即使某一層鋼板出現裂縫，裂紋也只能在該層層板中擴展，不會擴展到其他層板，具有相互支撐的“自救”作用。

但此種結構存在環焊縫結構復雜，無法進行整體熱處理的問題。僅依靠單層殼體的端部堆焊INCONEL82合金的方法來避開整體熱處理，層板間隙的存在使焊縫產生的應力集中難以徹底消除。另外層板間隙還導致深環焊縫缺陷的準確檢測存在困難，后期使用過程中出現問題時修復難度較大。南化機為南化公司300 kt/a合成氨裝置制造的φ2 330 mm托普索塔和華魯恒生φ3 200 mm氨塔便采用了此種結構型式。

(4)整體多層夾緊式

制造時先將預先卷制好的內層筒體進行整體熱處理，然后再在內筒上逐層(錯開縱、環焊縫)包扎，直到設計厚度。此種結構的殼體除具有多層包扎式外殼所具有的優點外，還避開了深環焊縫的問題，另外由于采用了機械手工裝，包扎力為切向力，有更高的層板夾緊度，焊接后殼體受力狀態更好[4]。其筒體與封頭的焊接結構借鑒了多層包扎的處理方式，預先進行了堆焊處理，但同樣也會存在焊接殘余應力無法徹底消除和后期檢測維修困難的問題。目前僅有長沙化機、云南大為等少數廠家具有此類設備的生產制造能力，湖南大乘制造的φ1 400 mm氨塔便采用了此種結構。

1.2 各種結構特點分析

對于氨成塔外殼，從設備的適用性和安全性來考慮，以上各種結構型式均能滿足使用要求，也都有較多良好的使用案例，制造商大都具有豐富的制造經驗。

多層熱套結構多為受高質量特厚板采購困難和卷板能量受限時采用，現在進口高質量特厚板的采購已不成問題，大型卷板機械也普遍采用，且加工質量控制難度極大，又無明顯的價格優勢，已逐步退出市場。

而多層包扎和整體多層夾緊結構由于用材上的靈活性，其報價一般為單層卷板焊接結構的70%～75%，具有明顯的價格優勢，安全性也有獨特的優勢，特別是整體多層包扎完全避開了深環焊縫的問題。

但是以上兩種包扎結構型式安全方面也存在潛在問題，具體如下。

(1)多層殼體上接管開孔結構雖然大部分被ASME鍋爐和壓力容器規范的多層容器部分所采納，但實際制造施工質量控制難度較大。

(2)多層或整體包扎的層板間貼合度雖然有規范要求，但國內至今仍然靠錘擊和塞尺檢查(國外靠TUV的復檢作為最終的質量保證)，缺乏更加科學有效的檢驗方法，無法保證包扎質量。對于多層包扎設備、多層包扎壓力容器殼體環焊縫兩側的筒節層板貼合不良，出現的結構不連續現象，深環焊縫部位是應力集中和最為薄弱的部位，會在焊接缺陷處萌生疲勞微裂紋[5]。

(3)多層包扎容器層與層之間接觸部分存在熱阻，所以多層殼體和單層部件結合的部位溫度分布復雜，加之氨合成操作過程中平面溫差和軸向溫差的存在，其熱應力也就變得復雜。多層的內外壁面溫差與相同半徑的單層殼體溫差比較，最大達到3倍，因而存在較大的溫差應力。當層板之間存在間隙時，多層之間的接觸熱阻會更明顯。研究還表明，開停車時溫度和壓力的升降，會導致殼體部分產生瞬間應力，并在接頭部位產生附加不連續應力。

(4)因各層錯開縱環焊縫，這將給筒壁焊縫的在役定期質量檢查帶來“難以確定”的困難[6]。

總體來看，“厚板卷焊技術”仍被公認具有較好的“安全性與經濟性”綜合效果，單層“厚板卷焊”技術在當今世界上仍占主導地位，雖然該型式結構設備對材料、制造技術要求較高，特別是大型鍛件、厚板和焊縫的缺陷控制困難較大[6]，但隨著冶煉技術的發展進步，進口Cr-Mo特厚板的質量已能滿足設計要求，國內卷板能力最大已達到260 mm，自動埋弧焊(SAW)和窄間隙(TIG)等先進高效的焊接技術也已在大型制造廠普遍采用，國內已完全具備該型設備的制造能力。因此盡管其造價較高，若考慮到操作條件下的臨氫環境及耐熱Cr-Mo系鋼板回火脆性對安全性和可靠性的要求，以及使用過程中檢測和維修的便利性，在資金允許的條件下，建議優先選用單層卷板焊接結構。注意要求采購寬幅板，保證每節筒節只有一道縱焊縫。另外整體多層包扎式也可作為候選方式。

2 材料的選擇要求

氨合成塔的操作壓力一般在10～32 MPa，操作溫度在200～450 ℃(分熱壁塔和冷壁塔)，設計溫度260～510 ℃，氫分壓8～11 MPa。根據以上的操作條件，氨合成塔外殼材料的選擇除考慮高溫狀態下的機械性能外，還應重點考慮氫損傷。

由于早期對臨氫狀態下鋼材的氫腐蝕問題認識不足，我國上世紀70～80年代曾采用16Mn，15MnVR制造合成塔外殼[7]。使用過程中很多鋼材出現了脫碳和龜裂、焊縫出現裂紋等問題，甚至出現過多起爆炸事故[8]。

后期的合成塔外殼又多選用Mn-Mo鋼，通過降低碳含量，并加入強碳化物形成元素固定碳，提高鋼的抗氫性能。如國產18MnMoNbR，進口美國標準SA302Gr.B，德國13MnNiMo54等。雖然具有一定抗氫(Mn-0.5Mo)能力，但仍不能完全符合API 941中Nelson曲線的要求。另外作為高強鋼，其焊接性能也較差。

隨著人們對設備損傷認識的深入以及冶煉技術的不斷提高，目前合成氨裝置普遍使用的鋼材為Cr-Mo鋼系中的1.25Cr0.5Mo(具體牌號為鋼板SA387Gr11Cl2，鍛件 SA336 Gr.F11Cl3)，2.25Cr1Mo(具體牌號為鋼板SA387Gr22Cl2，鍛件SA336 Gr.F22Cl3)。根據G.A.Nelson曲線，1.25Cr0.5Mo鋼在11 MPa氫分壓下，其抗氫使用極限為680 ℃，而2.25Cr1Mo具有更優的抗氫性能，抗氫使用極限為900 ℃。根據氨合成塔的溫度分布特點，一般200～400 ℃部位采用1.25Cr0.5Mo鋼，而超過400 ℃的部位則采用2.25Cr1Mo。另外一般認為不銹鋼能耐氫腐蝕，因此也有一些廠家采用內壁堆焊不銹鋼，形成雙金屬結構，進一步解決氫腐蝕的問題。

由于氨合成塔的操作溫度處在低合金鋼出現回火脆化溫度范圍(400～600 ℃)內，長期在此溫度下運行，會導致沖擊韌性降低，脆性轉變溫度升高。另外還要考慮極端低溫(承壓)工況下的安全，所以必須提出一些特殊的約定，來避免回火脆化和低溫脆斷事故發生。具體有以下。

(1)對硫、磷元素的含量提出較ASMEⅡ SA387-SA387M更嚴的限制要求(ASME通用要求較低，≤0.035%)，一般不應大于0.015%。

(2)預測材料脆化敏感性系數

J=(Si+Mn)×(P+Sn)×1 000≤150

注：Si、Mn，P和Sn分別為實測熔煉分析和成品分析的質量百分比。

預測焊縫金屬脆化敏感性的關聯系數

X=(10P+5Sb+4Sn+As)/100≤15

注：Si、Mn，P和Sn分別為實測熔煉分析和成品分析值，為10-6數量級。

回火脆性敏感性試驗(步冷試驗)

回火脆化指標 VTr54+1.5△VTr54≤38 ℃[9]

(3)材料和試件焊后模擬熱處理(SPWHT)低溫沖擊功試驗 -20 ℃ AKv≥54J

國外鋼板供貨商主要有法國阿塞羅，德國迪林根Dillinger，日本神鋼。目前國內舞陽鋼廠等也可按照ASME標準生產SA387鋼板，國產鋼板價格約為進口價格的2/3，鋼板的各項性能指標也接近于進口鋼板。

材料的要求一般由工藝包提供商提出，工程設計公司在此基礎上進行細化，制造商根據技術協議的要求制定《材料采購規程》，業主應對該文件進行審查，避免供應商降低采購標準。

3 局部結構設計要求

針對不同結構和材料的合成塔外殼，除要求制造商在設計過程中進行常規設計計算外，對關鍵部位還應重點考慮。

(1)焊接唇形密封雖然是最為可靠的密封結構型式，但由于安裝和維修困難，不建議選用。較為成熟、習用的上封頭是全直徑雙錐面密封，但由于GB150規定最大直徑為2 000 mm，大直徑塔尺寸超過了GB150-1998中的規定，制造商多參考國外進口氨合成塔的雙錐面密封結構，在尺寸上進行適當調整，或在GB150-1998的基礎上進行放大設計。無論采用哪種設計方法，均應要求制造商進行必要的應力計算，保證墊片的強度和密封能力。

(2)支撐鍛件、支座、吊耳、主要接管與鍛件連接等易產生應力集中的部位，要求制造商在設計時建立力學模型，進行應力分析計算，提供應力分析報告并附應力分析網絡圖。

(3)殼體的接管設計要充分考慮外部管道系統作用產生的力和力矩。合成氣出氣口管與廢鍋采用直連結構的，應充分考慮設備、管道熱膨脹對接管產生的附加載荷和彎曲載荷，要求制造商根據廢鍋設計方提供的接管應力負荷，對合成塔出氣口接管進行強度校核和應力分析計算[10]。

(4)對于多層包扎或整體多層夾緊結構的合成塔外殼，避免將支座焊接在層板殼體部分，應焊接在鍛件或底部球封頭處，同時支座結構不能影響下球殼環焊縫的檢測。

鑒于氨合成塔外殼工況條件和設備結構的特殊性， 在采購訂貨中選擇合理的殼體型式，并與制造商在技術要求方面進行詳細的約定是非常必要的。本文介紹其中的幾個關鍵問題，其他如材料檢驗、制造工藝、檢驗檢測等方面的要求，還要根據具體情況，雙方進行合理的約定，以保證設備的整體質量和安全運行。

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