氨合成塔外殼的設計

楊 恒

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

氨合成塔外殼的設計

楊 恒*

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

以某項目合成氨裝置中氨合成塔外殼的設計為例，介紹材料選擇、結構計算方法及部分密封件結構的確定。

氨合成塔外殼 大開口的密封設計 筒體端部

氨合成塔是氨合成裝置的關鍵設備。本設計為300kt/a氨合成裝置中的氨合成塔，采用的是卡薩利技術。該塔的內件由國外專利商提供，外殼由本公司設計。

1 計參數與結構概述

1.1 設計參數

氨合成塔外殼是高溫、高壓設備，其設計參數見表1。

表1 設計參數

注：筒體、支撐環、雙錐環為300；下封頭、下封頭出口接管為480；開車氣體進口焊接端為540(12.0MPa)或300(16.0MPa)；開車氣體進口其余部分為460(12.0MPa)或300(16.0MPa)。

1.2 結構概述

氨合成塔外殼上部為平蓋與法蘭螺栓連接的雙錐環密封結構。中部為單層鋼板直接卷制成型的筒體。下部為用于支撐塔內件的支撐環與球形封頭焊接而成。設備支座采用八個耳式支座的剛性環形式。外形見圖1。

圖1 氨合成塔外形

2 材料選擇、結構設計與分析

2.1 材料選擇

按照HG/T 20581-2011標準中的規定，當化工壓力容器設計溫度大于等于200℃且與氫氣相接觸時為氫腐蝕環境。鑒于合成塔外殼的操作、設計條件，其材料在設計溫度下應具有較高的強度和較好的抗氫腐蝕性能。在各種Cr-Mo鋼中1.25Cr-0.5Mo和2.25Cr-1Mo的強度、韌性、合金含量、焊接性能、熱處理要求及回火脆性等理化指標均能得到兼顧，且具有良好的抗氫腐蝕的性能。為了降低投資及提升國內鋼材生產廠家能力，在保證鋼板及鍛件的化學成分和力學性能的情況下，本設備優先選用國產材料。

(1)由于相關國內標準對鍛件厚度小于500的限制，按照表1的設計條件，結合Neslon曲線，平蓋選用ASME材料SA336 F11 Cl3，其要求如下：① 鍛件符合ASME中SA-336/SA-336M的規定；化學成分應滿足表2的要求；且應經正火+回火熱處理(一般正火溫度不得超過968℃，最低回火溫度720℃；熱加工和熱成形過程不能代替正火處理)；② 回火脆化敏感性系數應滿足：

表2 SA336 F11 CL3鍛件化學成分%

J系數 =(Si+Mn)·(P+Sn)×104≤100

X系數=(10P+5Sb+4Sn+As)÷100 ≤15 ppm

(2)設備筒體、筒體端部、下部支撐環按表1的設計條件，計算出氫分壓值，并按照Neslon曲線選擇1.25Cr-0.5Mo，即筒體為14Cr1MoR鋼板、端部及下部支撐環為14Cr1Mo鍛件，其要求如下：① 14Cr1MoR鋼板應符合GB713-2014的要求，且應逐張進行100%UT，其合格等級不得低于NB/T 47013.3-201中II級；14Cr1Mo鍛件應符合NB/T 47008-2010的要求；二者均以正火+回火狀態供貨，回火溫度應不得低于650℃。其中C≤0.15%，S≤0.007%，P≤0.007%，Cu≤0.20%。鋼板與鍛件的力學性能見表3；② 回火脆化敏感性系數應滿足：

J系數 =(Si+Mn)·(P+Sn)×104≤100

X系數=(10P+5Sb+4Sn+As)÷100 ≤15 ppm

(3)本設備下封頭及其接管鍛件按表1的設計條件，計算出氫分壓值，并按照Neslon曲線選擇2.25Cr-1Mo，即板材為12Cr1Mo1R、鍛件為12Cr2Mo1，其要求如下：① 12Cr2Mo1R鋼板應符合GB 713-2014的要求，且逐張進行100%UT，其合格等級不得低于NB/T 47013.3-2015中的II級；12Cr2Mo1鍛件應符合NB/T 47008-2010的要求，且機加工后應逐件進行100%MT，滿足NB/T 47013.5-2015中Ⅰ級要求為合格；二者均以正火+回火狀態供貨，回火溫度應不得低于680℃。其中S≤0.007%，P≤0.007%；鋼板與鍛件的力學性能見表3；② 回火脆化敏感性系數應滿足：

J系數 =(Si+Mn)·(P+Sn)×104≤80

X系數=(10P+5Sb+4Sn+As)÷100 ≤15 ppm

(4)其他部件：① 支座為非受壓部件，故主材采用15CrMoR鋼板，墊板選用與筒體相同的材料，即14Cr1MoR鋼板；② 雙錐環采用15CrMo鍛件，滿足NB/T 47008-2010的要求，以正火+回火狀態供貨，且應進行UT和MT。

表3 主要材料力學性能表

2.2 結構設計與分析

該氨合成塔外殼的對外連接以及與內件相連接的接口均集中在筒體端部和底封頭，中間筒體不作開孔。結構設計要點是頂部DN2400mm大開口

的雙錐密封結構。

2.2.1 主螺栓設計

初步考慮M105×4、M110×4這2種螺栓直徑作對比設計。雙錐密封結構螺栓中心圓直徑，在GB 150中對端部結構推薦有簡便公式：

Db≥D2+1.5dB

并應考慮液壓拉伸器操作空間le：

Db≥n·le/π

式中，Db為螺栓中心直徑，mm;D2為雙錐密封槽外徑，mm;dB為螺栓公稱直徑，mm。按簡便公式以后的螺栓中心圓直徑分別計算的結果見表4。

表4 不同直徑螺栓的螺栓圓直徑

比較表4的Db值，并考慮到M110×4大直徑螺栓的攻絲及端部法蘭的剛性等問題，本設計最終確定采用40個M105×4的大螺栓連接尺寸。

2.2.2 筒體端部和平蓋的設計

(1)筒體端部：因為本設備采用的是半自緊式雙維密封結構，所以筒體端部采用單獨鍛造再與筒體相焊的結構形式。由于這種結構的受力主要來自于軸向載荷F，根據GB 150.1～150.4-2011的規定對于此類法蘭的計算一般采用如下方法：把端部法蘭沿縱向剖開，所受的軸向載荷在縱向截面上構成彎矩，引起沿端部法蘭周向分布的彎曲應力，此彎曲應力限制在材料的許用應力以下為滿足。對于筒體端部有開孔的情況，還應考慮開孔對筒體端部截面抗彎截面系數的影響。

(2)平蓋：平蓋的計算方法，常用的有兩種：① 用彈性理論的小撓度薄板進行推導的計算方法，即以最大彎曲應力作為失效條件來計算板的厚度；② 根據材料力學，將平蓋簡化為以直徑斷面為截面的方法，計算縱向斷面的彎曲應力，以該彎曲應力來校核板厚，并校核周向危險截面處由彎曲應力和剪切應力構成的當量應力。

根據GB 150.1～150.4-2011規定，對于雙錐密封的平蓋，采用方法①確定平蓋厚度，并用方法②校核周向危險截面處的當量應力。對于平蓋有開孔的結構，在計算平蓋厚度時還應根據GB 150.1～150.4-2011中的規定，考慮開孔削弱對平蓋厚度的影響。

2.2.3筒體和下封頭的設計

對于筒體：

P≤0.4[σ]t·φ

式中，P為設計壓力；[σ]t為設計溫度下材料的許用應力；φ為焊接接頭系數。所以根據GB 150-2011，本設備筒體適合按常規設計進行計算。筒體名義厚度δn=150mm(<160mm)，所以采用結構成熟，制造工藝簡單，生產效率高的單層卷焊結構。

對于封頭：

P≤0.6[σ]t·φ

根據GB 150.1～150.4-2011，本設備封頭適合按常規設計進行計算。因本封頭操作壓力、溫度都比較高，按直徑劃分又屬于中型設備，封頭上開孔較大，所以本封頭要求采用整板沖壓成型的結構。

2.2.4 大開孔的密封設計

DN2400的大開口密封結構是高溫、高壓容器中密封直徑較大的尺寸。決定采用半自緊式雙錐密封結構以適應高溫、高壓且有波動工況的需要。由于設備直徑達DN2400mm，如果采用δ=1mm薄純鋁板作為軟金屬覆蓋雙錐環硬金屬面，不僅價格昂貴，并且國內制作比較困難。因此,本設計采用厚度為0.4mm柔性石墨帶作為軟覆面材料。在密封計算中發現無法正確應用柔性石墨帶的比壓力y，在實際計算書中仍采用了鋁板的比壓力y作為計算依據。據資料《密封材料手冊》介紹，在金屬墊片的兩側貼膨脹石墨帶后的墊片系數可取m=2，比壓力y=7～14MPa，GB 150中純鋁軟墊片的墊片系數m=4，比壓力y=60.7MPa。本設計以柔性石墨帶代替退火鋁為軟墊片，兩者密封特性參數雖有所不同，但計算結果說明前者代替后者是可行的。原因如下：

(1)由于按預緊狀態下計算的主螺栓載荷Wa較操作狀態下計算的主螺栓載荷Wp要小得多，所以所需螺栓總載荷取決于Wp，因此墊片密封比壓y只影響預緊狀態下的載荷。

(2)操作狀態下主螺栓載荷Wp=F(73492416 N)+Fp(1611884 N)+Fc(1703666 N)，其中起主導作用的載荷為內壓引起的總軸向力F。而軸向力F僅與密封中心圓Dg及設計壓力Pc相關，因此墊片的密封特性參數對總載荷的影響很小。

(3)GB 150中沒有提供雙錐密封所用柔性石墨帶的密封特性參數m,y及ρ。

3 制造要求

(1)設備正式施焊之前,必須按NB/T 47014-2011進行焊接工藝評定。焊接工藝評定試板的力學性能、檢驗項目、試樣數量、位置應滿足相應規定的要求；同時熱處理應符合下述要求：所有Cr-Mo鋼焊接接頭，焊前應預熱，接管對接或角接焊接接頭應進行中間消除應力的熱處理(ISR)，殼體和封頭的縱、環向焊接接頭應進行350℃～400℃及2小時的消氫(DHT)處理，最后進行最終熱處理(PWHT)，其熱處理次數和工藝由制造廠決定，規定最終熱處理溫度為690±14℃。

(2)焊接：采用經過評定合格的焊接材料和焊接工藝對產品進行焊接。筒體和封頭上的所有承壓焊接接頭應采用全焊透結構。所有與Cr-Mo鋼基體相連接的零件(接管、支持板、吊耳等)均應在最終熱處理之前焊接完畢。最終熱處理之后不許再在本體上施焊或引弧。在焊接過程中，焊接坡口(或堆焊層焊道)及兩側1T范圍內(一般為100mm)的母材應始終維持不低于預熱溫度，且不高于允許的最高層間溫度，直至進行焊后熱處理。所有臨時性連接件最終熱處理前均應去掉并經磁粉檢測合格，作出記號，以備熱處理后再檢查。

(3)制造過程中的檢驗要求按表5進行。

表5 制造過程中的檢驗要求

4 結語

(1)選擇合適的雙錐環，指出彎曲應力σm對確定雙錐環的結構尺寸，計算主螺栓載荷以確定合理的主螺栓尺寸和材料具有重要意義。

(2)通過對預緊狀態和操作狀態下主螺栓載荷主要影響因素的分析比較證明：對于DN2400的設備采用方便易得的柔性石墨帶作為雙錐密封結構的軟密封面完全能滿足操作要求。但若標準中列入柔性石墨帶墊片特性，則能計算出更準確的主螺栓載荷，對合理確定主螺栓尺寸和材料更有意義。

1 GB 150.1～GB 150.4-2011,壓力容器 [S].

2 GB 713-2014,鍋爐和壓力容器用鋼板 [S].

3 NB/T 47008-20107,承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件 [S].

4 ASME Ⅱ A篇, 鐵基材料[S].

2016-08-20)

*楊恒:助理工程師。2011年畢業于天津大學化工學院過程裝備與控制工程專業。主要從事壓力容器設計工作。 聯系電話：(0551)63692604，E-mail: yangheng@chinaecec.com。