整體多層包扎氨合成塔制造過程的質量控制

中圖分類號 TQ053.5 文獻標志碼 B 文章編號 0254-6094（2025）04-0689-05

氨合成塔是合成氨裝置中的核心設備。在工藝流程中，合成氣壓縮機循環段送出的入塔氣經熱氣氣換熱器預熱后進入氨合成塔，在催化劑作用下發生氨合成反應，反應氣氨體積含量達到設計要求后出氨合成塔，經廢熱鍋爐回收部分熱量后再進入熱氣氣換熱器，預熱合成氣壓縮機送來的入塔氣。氨合成塔長期在高溫、高壓的苛刻工況下運行，同時由于材料和結構的特殊性，制造要求高，難度大，需要嚴格控制各工序的制造工藝流程和檢驗方案，確保氨合成塔的整體制造質量。

1氨合成塔主要結構特點及設計條件

本氨合成塔為立式整體多層包扎結構的合成塔，外殼上部為平蓋與法蘭螺栓連接的雙錐環密封結構，筒體部分為整體多層包扎結構，底部由支撐環與球形封頭組件組成，接管與底部球形封頭的焊接結構為對接結構，支座為可拆式的筒式支撐，設備的結構如圖1所示。

本氨合成塔的內筒、筒體端部、支撐環選用1.25Cr-0.5Mo 材料，底部封頭及接管由于溫度較高選用2.25Cr-1Mo材料，層板不與介質接觸，選擇了較為經濟適用的Q345R材料。主要設計條件如下：

設備內徑 2400mm

工作介質 合成氣 （N₂，H₂，NH₃，CH₄，Ar）

設計壓力 16.2MPa

工作壓力 15.0MPa

設計溫度 300/460（底部） C

工作溫度 小于280/440（底部） °C

焊接接頭系數內筒及下封頭1.0，層板0.95

耐壓試驗壓力（液壓） 24.6MPa （立式）24.8MPa （臥式）

圖1氨合成塔的結構

2 制造過程中的難點及質量控制

2.1 材料

氨合成塔的工作介質為 N₂，H₂，NH₃ ） CH₄ 及Ar等，在制造焊接過程或者氫環境服役過程中氫原子擴散可能產生氫脆，在高溫臨氫環境存在高溫氫腐蝕的可能性，在高溫氮環境可能產生滲氮。厚壁結構在熱處理、高溫服役時可能產生再熱裂紋。為了應對以上失效風險，氨合成塔選材按照Nelson曲線并在其基礎上增加 14～28^°C 的安全裕度，選擇強度較低的耐高溫氫腐蝕的 Cr-Mo 鋼材料，同時提出了下列附加技術要求：

a.化學成分（成品分析）。 C?0.15% ， P? 0.007% S?0.007% Cu?0.20% Ni?0.20% As? 0.010% Sn?0.010% Sb?0.003% H?0.0002% ，0?0.0025%，N?0.0080%，P+Sn?0.012% X系數（ 10P+5Sb+4Sn+As）/100?15 （ P，Sb，Sn，As 用ppm表示），J系數（ Si+Mn ） （P+Sn）×10⁴?150/ 100 （1.25Cr-0.5Mo/2.25Cr-1Mo） （以百分比含量代人計算）。

b.非金屬夾雜物按GB/T10561方法B檢驗，其A、B、C、D類細系、粗系均不大于1.5級，DS類不大于1.5級， A+C?2.0?2.0?2.0?A+B+C+D+DS? 4.5級。母材的實際晶粒度不大于6級。

c.材料及其焊接接頭進行室溫拉伸試驗和設計溫度下的高溫拉伸試驗，補充最大模擬熱處理態、鋼板以及焊接接頭1/2厚度處、鍛件中間近表面位置處取樣。 1.25Cr-0.5Mo/2.25Cr-1Mc 材料及其焊接接頭分別做 -20/-30^°C 的沖擊試驗，KV₂?55 J（單個值不小于48J）。

d.2.25Cr-1Mo材料及其焊接接頭進行步冷試驗 Δ_：VTr55+2.5ΔvTr55?10% 門

e.焊縫、熱影響區及母材的硬度在交貨態及最小模擬熱處理態下不大于225HBW。

材料回廠后應對材料質量證明書進行審核，并按相關標準和技術協議進行材料復驗。在技術協議中規定材料的質量證明書需滿足EN10204.3.1一致性的要求，還需對材料質量證明書供應值和復驗值進行對比，對數值偏差較大的重新試驗，確認材料滿足要求后方可投入使用。

2.2 焊接

氨合成塔焊接的難點主要體現在Cr-Mo鋼的焊接及層板與筒體端部和支撐環的焊接結構上。

Cr-Mo鋼淬硬傾向大，屬于裂紋敏感性材料[1]，容易在焊縫和熱影響區附近形成淬硬組織和冷裂紋，擴散氫的存在還容易導致氫脆，產生氫致裂紋和延遲裂紋。為減少以上失效風險，結構上避免急劇變化，使用對接全焊透結構，焊接時使用低氫焊材，焊前進行預熱，預熱溫度不低于200^°C ，預熱應持續至消氫處理或消除應力熱處理，過程中應嚴格控制預熱溫度，層間溫度控制在 200～250%2.25Cr1MΩ 鋼焊后應立即進行消除應力熱處理，為了保證熱處理后的硬度滿足設計要求，焊接后應做整體爐內熱處理。

為避免層板與筒體端部和支撐環焊接后的熱處理，先在筒體端部和支撐環與層板對接的焊接坡口表面堆焊 6mm 的E5015隔離層，結構如圖2所示。隔離層分兩道焊接，每道至少 ?3mm ，焊接前預熱至 200^°C 以上，堆焊后進行整體消除應力熱處理。隔離層焊縫應單獨模擬產品按對接焊縫評定，評定用焊接試件先堆焊隔離層且熱處理后再進行連接焊縫的焊接，力學性能等要求應滿足材料的相關要求。

圖2 筒體與筒體端部的焊接結構

2.3 無損檢測

Cr-Mo鋼材料可焊性較差，焊后易產生延遲裂紋，要求Cr-Mo鋼材料的無損檢測至少在焊接完成24h后進行。對于層板焊接的無損檢測，標準中僅對最外層層板做了要求，但中間層板的焊接質量同樣決定包扎筒體的整體質量，對中間層板的焊接接頭也應提出較高的無損檢測要求。主要無損檢測要求見表1。由于焊縫較多，且同條焊縫需檢測的項目和檢測的時間不一致，因此可在檢驗時按照焊縫排版圖編制焊縫無損檢測一覽表，標明每條焊縫編號、檢測項目及檢測時間，檢查時對照一覽表避免漏探的情況發生。

表1主要無損檢測要求

2.4 整體多層包扎

整體多層包扎結構利用液壓機械手將層板逐層包扎在內筒上，縱、環焊縫彼此均勻錯開，綜合了現有多層壓力容器結構形式的優點，制造工藝簡單，質量易保證，有更高的安全性能，制造中不需要大型設備，適于現場組裝[2]。另外，經對比，整體多層包扎結構制造周期短、成本低，將是以后我國大型高壓設備的發展方向[3]。為保證整體多層包扎的質量，應從內筒、層板、包扎過程及包扎檢查等方面進行質量控制。

2.4.1 內筒

圖3內支撐環裝置

由于內筒直徑較大，壁厚較薄，長度較長，筒體在卷制和組焊過程中容易變形，造成圓度和棱角度超標，影響層板包扎質量，也使內筒與氨塔內件之間的環隙不均勻，影響介質在環隙中的流動，產生額外的阻力。

為了保證內筒的圓度和棱角度，板材卷制前應進行壓頭，板材端頭的直邊長度應盡量小，壓制后利用內樣板檢查，不允許有未成圓弧的直邊。

內筒環縫組焊前，在每個筒節距端部距離約200～300mm 位置增加了兩個內支撐環裝置（圖3），保證環縫焊接接頭的對口錯邊量、棱角度滿足技術要求，保證內筒在后續焊接、熱處理及包扎等過程中不產生變形。內筒組焊完成，檢驗合格后進行整體熱處理，熱處理后將內筒焊縫打磨至與母材齊平，并進行噴砂處理。

2.4.2 層板

為改善筒體受力狀態、獲得良好的筒體幾何圓度，每層層板的縱向和環向焊接接頭應互相錯開，均勻分布[4]。制造前進行了層板的焊縫布置設計，保證相鄰層層板環向焊接接頭間距不小于200mm ，任意隔層層板環向焊接接頭間距不小于100mm ，層板縱向焊接接頭均勻布置如圖4所示。

層板縱向焊縫焊后冷卻的橫向收縮變形有利于層板之間的貼合，制造時層板經夾緊后縱向接頭實際間隙控制在 10～14mm ，高于標準HG3129規定的 6～14mm ，增大了焊縫橫向變形收縮量，可獲得更好的層板貼合效果。

層板下料前，對層板進行測厚并標記，制造時采用厚度相同或相近的板材用于同一層層板的包扎，保證了同層層板厚度的均勻性。各層層板周向下料尺寸根據前一層層板的外圓周長及層板縱縫間隙來確定，只允許為負偏差，且不大于 3mm 。

奇數段筒節層板縱向焊接接頭布置圖

圖4層板縱向焊接接頭布置圖

層板寬度根據環縫錯開的要求確定，每層層板留一節配長下料，環向接頭的間隙控制在 6～ 8mm 之間。

2.4.3 包扎過程

為了保證層板的夾緊質量，包扎前，對層板的內外表面進行噴砂除銹處理，去除可能影響層板貼合、焊接的雜物。

按焊縫布置圖對設備包扎層進行預劃線，劃出奇數、偶數層板的縱縫方位。

利用層板工藝孔將層板拉開并吊裝放置于被包扎筒體上，采用行車吊鉤或包扎機鋼絲繩將層板拉緊，將包扎機機械手手指放置于層板工藝孔內，利用液壓系統的包扎壓力進行層板夾緊。夾緊過程中，反復用銅錘錘擊振動使層板產生位移，促進夾緊層板和消除層板間隙。

液壓系統的包扎壓力要在一定范圍內才能使設備獲得較好的整體性能，包扎壓力太小，層板之間難以保證緊密接觸，可能出現間隙或相對滑移導致應力分布的不均勻，包扎壓力太大層板屈服的話會導致容器承載能力下降[5]。目前國內制造廠根據包扎試驗、液壓系統的能力和實際包扎經驗來確定包扎壓力，本氨塔的包扎壓力最初選用 16.5MPa ，最終根據試包扎結果調整為17 MPa 。

2.4.4 包扎檢查

每段層板夾緊后在端面用塞尺檢查層板的貼緊度（圖5）。在實際檢測過程中此間隙值控制在 0.00～0.10mm 之間，不允許出現徑向間隙大于或等于 0.25mm 的情況。

圖5 層板間隙檢查

采用敲擊檢查層板貼合率的方法來實現對層板松動面積的控制[，如圖6所示。在層板包扎完成焊接前，在層面表面上劃分方格，將整個層板分成若干個等面積區域，安排經驗豐富的專項檢驗人員通過敲擊聽聲辨別方式檢測。敲擊時先敲層板端部徑向間隙較小處的方格，分辨貼合緊密的聲音，再對照敲擊其他區域的方格，對檢查不合格的方格數進行記錄，并適當增加包扎油壓再次進行夾緊，同時用銅錘錘擊振動使層板產生位移，進一步減少松動面積。層板縱、環焊縫焊接完成后再進行一次松動面積的檢查，層板貼合率要求不小于 85% 。

圖6松動面積檢查

2.5 直連接管的尺寸控制

氨合成塔出口與底部廢熱鍋爐通過金屬Q環直接焊接連接。為了保證氨合成塔與廢熱鍋爐的組裝工作順利進行，應嚴格控制氨合成塔出口接管部分的尺寸精度。氨塔底部出口接管法蘭密封面應在消除應力熱處理之后機加工，接管組件偏離設備中軸線的偏差應不大于 0.5mm ，同時保證上下兩法蘭的螺栓孔的方位完全一致。根據以往項目經驗，安裝過程中上下兩片金屬Q環的定位非常困難，通過設計定位槽的方法可保證其定位尺寸，結構如圖7所示。氨塔支座為可拆式的筒式支撐，還應保證支座筒體與氨塔筒體的垂直度，出廠前進行支座的預組裝，支座底部增加厚度預留二次精加工余量[]，支座底板與筒體的垂直度偏差控制在 ±1mm 。

圖7底部接管連接結構

3結束語

氨合成塔作為合成氨裝置中的核心設備，其制造有一定的難度，為保證產品最終制造質量，在制造過程中需要對材料、焊接、無損檢測、包扎、直連尺寸等制造難點提出更高的技術要求并采取相關質量控制措施：能存在的失效風險并對材料提出附加技術要求如限制有害元素含量，控制材料的雜質含量和晶粒度，提出回火脆化敏感性系數要求及步冷試驗等要求確保其材料滿足質量要求。

b.通過合理的焊接接頭形式設計，選擇合理的焊接方法和焊后熱處理制度保證Cr-Mo鋼的焊接質量。通過在筒體端部和支撐環焊接坡口表面堆焊隔離層的方法，避免層板與筒體端部和支撐環焊接后的熱處理。

c.根據Cr-Mo的特性規定了無損檢測的時機和范圍。對中間層板焊接接頭的無損檢測提出高于標準的技術要求進一步保證包扎筒體焊接的質量。檢驗時按照焊縫排版圖編制焊縫無損檢測一覽表，可避免漏探的情況發生。

d.通過設置內支撐環裝置等措施保證內筒質量，通過層板縱環焊縫的布置設計及優化縱向接頭間隙獲得了更好的層板貼合效果，改善筒體受力狀態，通過合理的包扎工藝和包扎后層板端部層間間隙及層板松動面積的檢測保證多層包扎的整體質量。

e.提出法蘭密封面及支座底部二次機加工的要求保證其垂直度，通過設計定位槽的方法方便氨合成塔與底部廢熱鍋爐的定位和安裝。

本氨合成塔的成功制造證明這些要求和措施對控制制造質量是有利的。

參考文獻

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a.根據工況、介質選擇正確的材料，分析可（收稿日期：2024-08-19，修回日期：2025-06-17）