甲醇高壓分離器設計探討

張建

（西安核設備有限公司，陜西 西安 710021）

在化工行業中，最常見的是在高壓有腐蝕狀態下工作的各類壓力容器，為保證設備安全可靠的運行，對該類設備進行合理的材料選擇、結構設計、主要零部件設計及采取合理的安全可靠性措施是至關重要的。甲醇高壓分離器是雙醋工程中甲醇合成后實現粗甲醇與合成氣分離的主要設備，以下為某公司設計制造的甲醇高壓分離器為例，就該類型設備從設計的角度作以簡要介紹。

1 設備概述

分離器的工作原理是，介質由右側中上部的合成氣和粗甲醇進口進入分離器，經翅片式進口裝置均勻分布至整個容器截面，介質中的合成氣向上經絲網除沫器除去液滴，通過上部合成氣出口回收，介質中的粗甲醇向下經防渦板，通過粗甲醇出口回收，達到分離目的。

為了實現分離器有效地分離合成氣和粗甲醇，同時，結構合理，使用方便，該設備在結構設計時，除考慮筒體、封頭、裙座、人孔、吊耳及進出口接管等件外，為保證介質進入容器后均勻分布至整個容器截面，在介質進口處設置了翅片式進口裝置；為除去合成氣中的液滴，在相應出口設置了絲網除沫器；為防止出口處粗甲醇發生渦流，在相應出口設置了防渦板；方便用戶操作，設備內設置內梯以及設備外部的梯子平臺。甲醇高壓分離器設計條件見表1。

表1 設計參數

該設備整體結構屬于立式容器，其結構主要由球型封頭、筒體、裙座等組成詳見圖1。

圖1 甲醇高壓分離器結構簡圖

2 設計中幾個關鍵問題的解決方案

2.1 材料選擇

（1）筒體及封頭材料的選擇。該設備工作介質有腐蝕性，材料必須選擇防腐蝕的材料，滿足此要求的材料有不銹鋼、抗氫鋼、不銹鋼復合板。不銹鋼耐腐蝕性能好，但相對碳鋼其應力低，計算厚度大，材料價格較高；抗氫鋼相對不銹鋼價格低，但容易造成腐蝕，對介質有污染；復合鋼板既有強度高又具有耐蝕性好的優點，其價格及性能也優于不銹鋼，可以保證設備內介質的潔凈度。通過對材料性能和經濟性能進行綜合分析，筒體及封頭的材料選用壓力容器常用的Q345R正火鋼板復合S30403，是最經濟合理的。

（2）接管及法蘭材料的選擇。接管及法蘭選材主要考慮到該設備接管壁厚較厚，板材卷制不易成形；采購厚度較大、長度較小的鋼管也不經濟；用不銹鋼鍛件成本較大；綜合考慮經濟性、加工性等因素，對公稱直徑≥200的接管及法蘭（包括DN600的人孔接管，人孔法蘭及法蘭蓋）選用碳鋼鍛件堆焊不銹鋼S30403，公稱直徑＜DN200的接管及法蘭選用S30403鍛件。

（3）其他件材料的選擇。容器內部主要部件有翅片式進口裝置、絲網除沫器、防渦板、內梯及相配套的支撐件等因與介質接觸，全部采用不銹鋼S30403。

容器外部主要部件有裙座、梯子平臺、吊耳等，外部零部件與介質不接觸也沒有特殊要求，除銘牌及接地板外，板材均選用了Q345R鋼板，管材均選用了20鋼管。

2.2 結構設計

從甲醇高壓分離器的工作原理及技術參數考慮，為了設備的安全可靠運行以及經濟合理性，在結構設計中按相關標準進行了常規設計外，重點考慮了翅片式進口裝置、焊接接頭型式，非標人孔以及相關附件的設計。

（1）翅片式進口裝置的設計。翅片式進口裝置。其結構見圖2。翅片式進口裝置中關鍵件是由36片翅片對稱均勻的焊接于兩塊夾角11°的長條板上，此焊接件通過螺栓與其底部的梯形板及焊接于筒體上的支撐板活連接，翅片實現介質的均勻分布，兩塊夾角11度的長條板固定了翅片的位置，下面的梯形板起到支撐的作用，同時阻止了介質通過兩塊夾角11度的長條板向下的流動，相應的支撐板及筋板對其進行了必要的支撐及固定。為便于翅片式進口裝置進行安裝及拆卸，翅片與梯形板的連接采用活連接方式。

圖2 翅片式進口裝置結構裝置

（2）焊接接頭的設計。高壓厚壁壓力容器焊接量比較大，焊接結構的設計和制造至關重要，設計中除按相關標準對不同壁厚的焊接接頭選用了相應的焊接結構外，重點考慮了以下問題：

第一，對接焊接接頭焊縫。為避免異種鋼焊接及節約不銹鋼焊材，先對焊接接頭內表面的復合層（堆焊層）進行剝離，再進行碳鋼對接焊接，對接焊接完成及檢測合格后打磨光滑，最后進行復合層（堆焊層的焊接(其結構見圖3)。圖中封頭厚度與筒體厚度相差教大，為了保證焊接質量，焊接前對筒體的延長部分進行削邊。除筒體與封頭外，筒體相互之間的縱環焊縫、人孔筒節與人孔法蘭之間的焊接采取相同的焊接結構及剝離方式。

圖3 封頭與筒體焊縫結構

第二，焊接接頭端部的設計。設備中公稱直徑≥DN200的接管及法蘭材料選用了碳鋼鍛件堆焊不銹鋼S30403，設備中部分大直徑接管的對接焊接接頭需要與現場的管道焊接，為了避免碳鋼焊接后需要進行的焊后熱處理，同時，避免異種鋼焊接，此類接頭均設計成堆焊端面的結構，其結構見圖4。

圖4 接管坡口結構

（3）非標人孔的設計。該設備主要內件翅片式進口裝置，絲網除沫器直徑較大，所以設置了較大的DN600的人孔。人孔標準中無9.5MPa DN600的標準人孔，需要參照相關人孔標準設計非標人孔。通過對人孔接管的補強計算，人孔接管的厚度為100mm，人孔接管采用碳鋼鍛件內表面堆焊4 mm不銹鋼，人孔法蘭、法蘭蓋及之間連接件參照相應壓力的法蘭標準設計，密封面采用不銹鋼堆焊。其余轉臂、手柄、連接板、套管等零部件參照人孔相關標準進行了設計。

人孔接管厚度較厚（100mm），與法蘭焊接時，采用U型坡口，一般對焊法蘭端部采用V型坡口對接焊縫，U型坡口更好地保證接管與法蘭焊接質量。設備本體上有梯子平臺等附件，在熱處理前，設備本體上的支撐件及墊板等應完成焊接，梯子及平臺通過螺栓與焊接在設備上的支撐件進行連接，連接件孔為長圓孔，避免現場制作的梯子平臺與已焊接的支撐件因誤差造成裝配困難。

除上述各主要非標零部件外，絲網除沫器、裙座、吊耳等標準件按照相應標準進行合理選取。

2.3 安全可靠性措施

（1）強度及結構。材復合板的強度主要由基層的Q345R來承壓，設備及焊縫的安全可靠性也是由基層的Q345R來保障，強度計算過程中，未計入復合層，通過強度計算精確得出基層材料厚度及基層Q345R焊縫坡口結構，保證設備及焊縫是安全可靠。為防止相互焊接時，不銹鋼復合層或堆焊層破壞，焊接時要求焊縫部位的復合層或堆焊層剝離，并磨平基層焊縫，再進行焊接，最后再焊接剝離部分。

（2）安全可靠性檢測。設計時按照壓力容器相關標準對設備進行以下檢測要求：A、B類焊縫：無損檢測比例及方法為100%RT+20%UT，評定標準及級別為NB/T47013.2-2015Ⅱ級+NB/T47013.3-2015Ⅰ級合格。C、D類焊縫：無損檢測比例及方法為100%PT，評定標準及級別為NB/T47013.5-2015Ⅰ級合格。堆焊件：堆焊前的基層材料表面及堆焊的過渡層和面層應分別進行100%PT，評定標準及級別為NB/T47013.5-2015Ⅰ級合格。

（3）焊后熱處理及表面處理。焊后通過熱處理消除和降低焊接過程中產生的應力，避免焊接結構產生裂紋，恢復材料力學性能。制造完畢后，設備的碳鋼表面除銹去污后涂C06-1鐵紅醇酸底漆兩道，以防止設備外面受到腐蝕。

（4）安全可靠性試驗。耐壓試驗。制造完成后該設備進行11.87MPa的耐壓試驗。試驗時緩慢升壓至11.87MPa壓力后，保壓30min，然后降壓到9.5MPa，保壓30min，試驗過程中無滲漏，無可見的變形和異常聲響為合格。氣密性試驗。耐壓試驗合格后該設備進行9.5MPa的氣密性試驗。試驗時緩慢升壓至9.5MPa壓力后，保壓30min，試驗過程中無滲漏為合格。

3 結語

經過嚴謹的設計計算、標準規范的選取及可靠的無損檢測，使該設備的安全可靠性得到保證。經過多次生產實踐的考驗，高壓有腐蝕狀態下工作的各類壓力容器的結構也不斷改進，使得其結構也更趨于合理。通過本文探討，為以后同類產品的設計提供參考，使同類產品設計結構更經濟合理，運行使用更安全可靠。