大型氨合成塔压力外壳结构设计优化

大型氨合成塔压力外壳结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 优化 王明锋1 　赵斌义2 (11 上海惠生化工工程有限公司 ,上海 ,201203 ;21 中国石化集团宁波工程有限公司 ,浙江宁波 ,315103) 　　摘要　从筒体、封头、端盖、密封形式等方面详细论述了大型氨合成塔的压力外壳设计特点 ,着重介绍了无 深环焊缝多层包扎筒体的结构特点 ,并指出无深环焊缝多层包扎式筒体是以后氨合成塔外壳结构的发展方 向。 关键词　多层包扎 　氨合成塔 　设计结构 　优化 收稿日期 :2009202217。 作者简介 :王明锋 ,男 ,汉族 ,1973 年出生 ,工程师 ,甘肃靖远 人 ,1997 年毕业于西北大学化工机械专业 ,从事压力容器、工业炉 的设计和管理工作。联系电话 : 02125855678928617 ; E2mail :wang2 mingfeng @wison1com。 1 　概述 氨合成塔是合成氨装置中关键设备之一 ,其 承压外壳造价高达数千万元 ,因此对合成塔外壳 的优化设计显得格外重要。本文以某 300 kt/ a 合 成氨装置扩产 50 %项目的卡萨丽型氨合成塔为 例 ,论述大型氨合成塔承压外壳的设计优化。 上部封头采用可拆平盖通过螺栓、双锥环垫 与上端部相连。筒体采用多层包扎结构 ,筒体与 下封头之间采用一过渡件相连 ,裙座与过渡件对 接 ,简要结构形式见图 1 ,设计参数见表 1。 图 1 　氨合成塔承压外壳结构 表 1 　氨合成塔承压外壳设计参数 设计压力/ MPa 设计温度/ ℃ 出口温度/ ℃ 规格/ mm 2415 200 500 DN2200 2 　材料 氨合成塔的操作介质为氢、氮、氨、甲烷、氩气 等气体 ,为了满足抗氢腐蚀与高温力学性能的要 求 ,多层包扎筒体的内筒、上端部、平盖、过渡件均 采用 1125Cr2015Mo 钢。下部封头及下部气体出 口管件、上部气体入口管件处 ,由于温度较高 (该 区域设计温度 500 ℃左右) ,因此这些零件的材料 选用 2125Cr21Mo。该材料在设计温度下长期使用 后会产生回火脆化 ,使钢的韧性显著下降 ,脆性转 变温度升高。随着母材回火脆性的增加 ,合成塔 在开停车过程中发生脆性破坏的可能性也随之增 加。2125Cr - 1Mo 钢的回火脆化敏感性与其化学 成分和金相组织状况有关 ,工程设计中常用 J 系 数和 X 系数作为回火脆化敏感性的衡量指标 ,回 火脆化敏感性系数越大 ,材料的回火脆化敏感性 也就越高。在制造过程中降低和控制钢材的脆性 系数是提高合成塔抗回火脆化能力的主要手段。 步冷脆化法是评定材料回火脆化敏感性的主 要方法 ,YB5485 标准中对 2125Cr21Mo 钢回火脆化 性能也有明确的规定。在本合成塔的技术要求中 规定 : VTr54 + 3ΔTr54 ≤24 ℃或 VTr54 + 215ΔTr54 ≤10 ℃,其中 : V 为冲击功 ,J ; VTr54 为 V = 54J 时 的冲击试验温度 , ℃;ΔTr54 为步冷试验前后 V = 2009 年 6 月 第 32 卷第 3 期 Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry Jun12009 Vol132 No13 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 54J 时的冲击试验温度差。 多层筒体除内筒外的多层层板不接触氢介 质 ,不必考虑氢腐蚀的问题 ,只考虑材料具有高的 强度和良好的综合性能 ,可以选择较为经济合理 的材料有 Q345R 和 SA724Gr1B 等。 3 　平盖 由于氨合成塔整体式内件的安装要求 ,上部 端盖设计成可拆平盖结构。平盖材料采用 1125Cr2015Mo2Si 锻件 ,双锥垫采用 1125Cr2015Mo2 Si 锻件 ,主螺栓采用高强度调质钢 40CrNiMoA。 主螺栓材料选择的适当与否直接会影响到平盖的 厚度 ,通过在设计中与传统采用的 25Cr2MoVA 材 料做对比设计发现 ,由于 25Cr2MoVA 在设计温度 下与 40CrNiMoA 相比 ,其许用应力值低 64MPa ,因 此所需的螺栓面积 ( 即螺栓直径 ) 远大于 40CrNiMoA ,最终的结果就是平盖螺栓中心圆直径 大、力 臂 长 , 导 致 平 盖 直 径 及 厚 度 比 采 用 40CrNiMoA 的大很多。 在高压设备设计时 ,高压大直径螺栓材料应 优先选择 40CrNiMoA ,如此可降低平盖或者法兰 厚度约五分之一 , 直径也会相应减小很多。 40CrNiMoA 冲击韧性优于 25Cr2MoVA 材料 ,因此 , 主螺栓选择 40CrNiMoA 安全可靠并可大大降低平 盖锻件的厚度以及外径尺寸。 3 　筒体 筒体结构一般有 4 种形式可供选择 : ①锻焊 式 ,即可由数个锻制筒节组焊制成 ,其结构优点是 无纵缝 ,缺点是有深环焊缝 ,成本高 ,筒体厚度大 , 20 世纪 70 年代以前使用较多 ; ②单层板卷焊式 , 即由厚板卷制而成 ,其结构优点是制造工期短 ,缺 点是带有深纵、环焊缝。由于大型氨合成塔的筒 体厚度一般很厚 ,国内会受到卷板机能力制约 ,国 外机加工能力强而多采用此种结构形式 ; ③带有 深环焊缝的多层包扎式 ,即由多个多层包扎的筒 节组焊而成。内筒材料选用 Cr2Mo 钢 ,层板材料 选用高强度低合金钢 ,可以做到筒体厚度较小 ,与 锻焊式、单层板卷焊式相比厚度减小约 20 mm。 其结构缺点是带有深环焊缝 ,加工周期较长。20 世纪 80 年代以来国内氨合成塔外壳普遍采用该 结构形式 ; ④无深环焊缝多层包扎式 ,即内筒先与 上端部及下部过渡件、下部封头等件组焊 ,并热处 理后使用特殊工具将预制好的开口筒节一层层包 扎上去 ,最后制成整体筒体 ,做到无深环焊缝。其 结构优点是筒体厚度小 ,无深环焊缝 ,安全可靠性 高 ,并可以做到只漏不爆[1 ] 。第一层层板纵缝、环 缝对接时会对内筒造成热影响 ,为了消除由于焊 接对内筒的热影响 ,采用内筒与第一层层板之间 加盲层的方法。同理 ,层板与 Cr2Mo 钢锻件端部 的连接处 ,堆焊 INCONEL 材料 ,如图 2 所示。采 用堆焊 INCONEL 过渡层并预先热处理的方法后 很好地解决了 Cr2Mo 钢与碳钢焊后需要进行热处 理的问题。这种方法在带有深环焊缝多层包扎结 构中普遍采用 ,在 ASME 及其它国外规范中也是 允许使用的安全可靠的方法[2 ] 。 图 2 　筒体与端部连接结构 比较以上 4 种筒体结构 ,无深环焊缝多层包 扎结构形式可以做到只漏不爆安全可靠 ,制造周 期比带有深环焊缝的多层包扎结构相比要短。锻 制筒体成本最高 ,厚板其次 ,多层包扎结构成本最 低[3 ] 。无深环焊缝多层包扎结构由于其诸多的优 点将是以后我国大型高压设备的发展方向[4 ] 。 4 　密封 氨合成塔中的主要组分有氢气、氮气和氨 ,且 为高压、高温、临氢环境工况 ,密封结构设计是氨 合成塔设计的重要组成部分。 411 　上端平盖的密封 由于内件的安装要求 ,上端平盖需要设计成 带有双锥环垫的可拆结构。 双锥面密封是一种半自紧式密封 ,在双锥密 封环的两个密封面上放置 015～1 mm 厚的柔性石 墨 ,或者铝及其它软金属 ,靠主螺栓压紧 ,使垫片 产生塑性变形以达到密封 ,这是双锥密封的强制 性质。当介质压力上升时 ,介质进入双锥环与端 盖的环形间隙中使双锥环有少许径向扩张 ,使筒 781第 3 期 王明锋等 1 大型氨合成塔压力外壳结构设计优化 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条 体端部及端盖与密封面紧密接触而达到径向自紧 作用 ,这时双锥密封又具有自紧作用 ,因此它是半 自紧式密封。 双锥环密封的优点 : ①结构简单 ,制造容易 , 加工精度要求不是很高 ,因而生产周期较短 ; ②由 于双锥环的径向自紧作用 ,故在压力和温度波动 下 ,密封性能仍然良好 ,可用在压力、温度和直径 较大的条件 ; ③由于锥面较大 (30°左右) ,不易被 嵌住 ,因此装拆方便 ; ④双锥环密封在螺栓上紧的 时候应特别注意 ,预紧力过大会使双锥环失稳变 形 ,预紧力过小起不到预紧的作用。 双锥垫密封传统上是包覆一层退火铝 ,经长 期工程实践 ,其密封不是很理想。有些氨厂在技 术改造中已经使用包覆柔性石墨代替了退火铝 , 取得了很好的效果。柔性石墨的流动性好 ,抗高 温、密封性能比退火铝要好 ,因此 ,平盖双锥垫密 封采用双锥环包覆柔性石墨结构。 412 　下部出口及接管的密封 氨合成塔出口及接管的密封设计也是高压设 备设计中不可缺少的组成部分 ,接管密封与高压 容器密封一样 ,要求密封可靠、制造容易、结构简 单、安装维护方便和节省材料等。此外 ,高压管道 密封还有特殊之处 ,如 : ①高压管道除了承受内压 外 ,往往还承受其他来自外部连接管道的附加载 荷或弯曲载荷 ,如管道推力、管线热膨胀引起的附 加弯矩、管道安装位置的误差而带来的附加弯矩 等 ; ②管道拆装次数较多 ,要求管道的密封结构便 于安装和拆卸 ,密封元件要具有多次重复使用的 特点。合成塔底部出口由于温度较高易发生泄 漏 ,因此接口连接采用无垫片法兰密封焊接结构 , 见图 3 所示。 图 3 　下部出口及管道的密封结构 5 　结束语 大型氨合成塔承压壳体的筒体采用无深环焊 缝的多层包扎结构 ,安全可行、成本低、工期短 ,是 以后氨合成塔压力外壳结构技术的发展方向。高 压螺栓采用 40CrNiMoA 材料可有效降低平盖厚 度 ,双锥环垫及接管法兰密封焊结构是目前氨合 成塔外壳的主要密封形式。 参考文献 1 　朱孝钦 ,吴京生 ,陈国理. 整体多层夹紧式高压容器研制及应 用. 石油化工设备 ,1999 ,28 (4) 2 　无　隽. <3200mm 氨合成塔多层包扎筒体制造特点. 化学工业 与工程技术 ,2005 ,26 (5) 3 　赵斌义. 无深环焊缝多层包扎容器的结构特点. 石油化工设备 技术 ,2008 ,29 (2) 4 　杨俊岭 ,赵斌义. 多层包扎压力容器设计探讨. 大氮肥 ,2008 ,31 (6) OPTIMIZATION OF PRESSURED SHELL STRUCTURE DESIGN FOR LARGE SCALE AMMONIA CONVERTER Wang Mingfeng ( Shanghai Wison Biochemical Engineering Company , Ltd1 , Shanghai ,201203) Zhao Binyi ( SINOPEC Ningbo Engineering Company , Ltd1 , Ningbo ,315103) Abstract 　This paper describes design characteristics of pressured shell of large ammonia con2 verter , from the aspects of cylinder , head , end cover and sealing structures , etc. , The features of non2girth joint design with weld2shrunk multiple layered structure of cylinder are emphasized1It′s concluded that the non2girth joint with weld2shrunk multiple layered structure will be a developing trend of the shell structure of ammonia converter. Key words :Weld2shrunk multiple layered , ammonia converter , structural design , optimization 881 2009 年 　第 32 卷 Administrator 线条 Administrator 线条 Administrator 线条