合成氨高溫高壓管道設計淺談

岳凡

【摘 要】氨作為當前化工行業重要的材料，可以應用在化肥、基本有機化工等多個領域當中，為我國化工行業的發展提供了重要幫助。而在氨合成的過程中，需要應用良好的高溫高壓管道。合理的對高溫高壓管道進行設計，不僅能夠提升合成氨的效率，而且增加了生產的安全性，對合成氨工業具有重要意義。

【Abstract】As an important material of chemical industry， ammonia can be used in many fields such as chemical fertilizer， basic organic chemical industry and so on. It has provided important help for the development of chemical industry in our country. In the process of ammonia synthesis， a good high temperature and high pressure pipeline is needed. Reasonable design of high temperature and high pressure pipeline can not only improve the efficiency of synthetic ammonia， but also increase the safety of production. It is of great significance to the ammonia industry.

【關鍵詞】合成氨；高溫高壓管道；應力

【Keywords】 synthetic ammonia； high temperature and high pressure pipeline； stress

【中圖分類號】TQ113.25 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0168-02

1 引言

社會的進步與經濟的增長推動了合成氨工業的發展，使合成氨的生產效率逐漸提升，由之前每套設備生產效率的11t/年，提升到當前生產效率的26t/年，生產效率提升了一倍以上，從而要求設備內具有更大的管徑。

2 合成氨工藝介紹

合成氨的過程中，溫度與壓力是兩個重要指標，如在400℃，壓強達到200MPa，無需加入催化劑，可以正常的合成氨。但實際當中，想要達到這一壓力指標，往往需要較大的動力，從而消耗更多的材料，導致成本的提升。所以，在我國合成氨工藝中，通常應用20～500MP的壓力。同時，從理想的角度而言，生產環境的溫度越低，氨合成的越順利，但溫度過低，會減弱反應速率，并且，當溫度在500℃時，鐵觸媒具有最大的活性，所以，我國合成氨工業中通常選擇400～500℃的溫度。合成氨的過程中，可以利用天然氣、無煙煤作為主要原料，其中國外大多以天然氣合成氨，而在我國主要以無煙煤合成氨，氨合成時主要按照以下流程合成的：

造氣→半水煤氣脫硫→壓縮機1，2工段→變換→變換氣脫硫→壓縮機3段→脫硫→壓縮機4，5工段→銅洗→壓縮機6段→氨合成→產品NH3[1]。

3 高溫高壓管道的設計

在上述氨合成工藝介紹中闡述了我國合成氨環境溫度為500℃，壓力為20～500MP，所以，對管道材料實際應用時，應保證其達到這一要求。在對高壓高溫設計時，不僅要按照一般管道設計的要求，同時，還要結合合成氨工藝的特點進行設計，使管道在安全的情況下，只需要投入最低的成本，并且，達到熱應力的基礎上，確保管道的長度最短，彎頭的數量最低。通常情況下，結合設備的布置，通過關系重心偏移法對管道的走向進行設計。之后，根據管道的配置，安裝管道支吊架，并通過相應的分析系統，分析整個管道的應力。最后，以分析的結果為基礎，對管道走向與支吊架進行調整，使整個高溫高壓管道符合合成氨工藝的要求，并降低生產工藝中的安全隱患。

4 管道應力分析內容

4.1靜動分析

我廠對管道進行應力分析時，使用的為CAESARⅡ軟件，該軟件對管道分析的過程中，主要由靜態分析與動態分析兩個內容構成。在靜態分析當中，主要從下列幾個角度分析的：

一是分析在工作壓力下，管道所有的一次應力，避免管道出現形變的問題；二是分析熱脹冷縮情況下，管道的二次應力，避免管道出現疲勞損壞；三是分析管口的作用力，確保合成設備順利工作；四是分析支吊架的作用力，為支吊架在整個管道系統中發揮出重要的作用打下良好基礎；五是分析法蘭的作用力，避免出現法蘭泄露問題。

在動態分析中，主要從下列幾個角度分析的：一是分析振動頻率，避免整個管道出現共振；二是分析強迫振動響應，控制管道振動與應力；三是分析壓縮泵氣液柱頻率，避免產生共振；四是分析壓縮泵壓力脈動，確保壓力脈動參數在規定的范圍內；五是地震分析；六是分析安全閥，避免出現泄露問題。

4.2 一次應力與二次應力分析

所謂的一次應力，指的是管道使用過程中，在外界各種力的作用下，管道出現的應力，其在管道當中具有重要的意義，能夠使外界荷載達到平衡，外界荷載越大，應力也會越高。在一次應力中，不存在自限性，當外界荷載增加到一定程度后，使塑性區達到最大范圍時，就算外界荷載停止增長，管道內部依然會出現塑性流動，直到管道損壞為止。所以，對合成氨高溫高壓管道設計時，應保證一次應力達到合成要求的基礎上，留出少量裕量，提高整個管道的安全性。二次引力指的是管道內部產生的應力，不會參與到外界力的平衡，而是符合管道內約束條件所需要的應力。這一應力中，存在自限性，通過局部屈服的作用，達到形變要求，抑制了形變的擴張。所以，對高溫高壓管道設計時，應調節管道的走向，提升管道的柔性，降低管道二次應力。

5 高溫高壓管道應力分析

5.1 基本參數

我廠某產量為26萬t合成氨設備運營的過程中，壓力P為25MPa，溫度T為450℃，管道尺寸φ為426*46.78，管道材料選擇時，以10MoWVNb材料為主。選擇保溫材料時，以巖棉為主，厚度為50mm，保溫時，應保證整個保溫厚度在150mm以上。

5.2 模型的建立

在模型建立的過程中，為了方便分析，將法蘭看作普通管道。建立完模型后，應科學的錄入邊界條件。通常情況下，邊界條件由以下兩個方面構成，一是管段初始熱位移，本次研究的管道，由1#廢熱回收器到2#廢熱回收器之間，1#段通常與塔底相連，并且其支座為彈簧支座，運行的過程中，會出現一定的位移，所以1#的邊界條件為：Y軸上-10mm，其他軸向上均為0mm；2#段為穩固段。二是支吊架的放置。根據管道鋪設的環境，結合管道的走向，能夠在30點與60點兩個位置上，安放支吊架。所以，將分析分為兩種情況，情況1：30點安放支吊架；情況2：60點安放支吊架。

5.3 分析結果

首先對管道應力的極限值進行分析，分析結果如表1所示。通過表1的觀察可以發現，兩種情況下，一、二次應力均在規定范圍內。

其次對支吊架選型進行分析，分析結果如表2所示。針對這一分析結果，結合《變力彈簧支吊架》HG/T20644—1998中的規定，30節點應選擇TD-17的彈簧，60節點選擇TD-18的彈簧，才會在管道中發揮最大的作用。

6 總結

綜上所述，高溫高壓管道作為合成氨當中的重要組成部分，合理的對其進行設計，可以為提高合成氨的效率與安全性提供幫助，推動我國合成氨工業進一步發展。所以，在合成氨工業發展的過程中，應根據該研究中的內容來對高溫高壓管道進行設計。但本文是以我廠合成氨設備為例進行研究的，具有一定的局限性，想要確保整個合成氨領域更好的發展，還應加強合成氨高溫高壓管道設計研究的力度。

【參考文獻】

【1】孫煥青，袁本旺，王兵槐.高壓抽注凝汽式汽輪機主蒸汽管道的應力分析[J].化肥設計，2016（1）：25-28.endprint