氨合成塔外殼選型采購(gòu)過(guò)程中的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題

(兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527)

氨合成塔是合成氨廠的心臟，合成塔外殼的采購(gòu)是在合成塔內(nèi)件型式確定后，由合成工藝包或內(nèi)件供應(yīng)商提供外殼設(shè)備條件圖和技術(shù)要求，業(yè)主或總承包商進(jìn)行招標(biāo)采購(gòu)。而化工工程設(shè)計(jì)公司通常不對(duì)氨合成塔外殼做施工圖紙的設(shè)計(jì)，一般由制造廠完成整體設(shè)計(jì)和制造工作。由于合成塔操作壓力和溫度都較高，使用環(huán)境較為惡劣，材料存在氫損傷和回火脆化等問(wèn)題，一旦發(fā)生破壞，容器內(nèi)儲(chǔ)存的巨大能量瞬間釋放，并伴隨有毒介質(zhì)的擴(kuò)散，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性事故發(fā)生。因此業(yè)主在合成塔外殼采購(gòu)時(shí)必須對(duì)影響合成塔制造質(zhì)量、購(gòu)置成本、安全性、可維護(hù)性等相關(guān)因素進(jìn)行充分研究，對(duì)制造商提出必要的、嚴(yán)格的技術(shù)要求，并強(qiáng)化采購(gòu)質(zhì)量的監(jiān)督控制，保證設(shè)備的訂貨質(zhì)量。

1 殼體結(jié)構(gòu)型式的選擇

1.1 合成塔結(jié)構(gòu)型式

現(xiàn)在主要有單層厚板卷焊式、多層熱套式、多層包扎式、整體多層夾緊式等。

(1)單層厚板卷焊結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)類型的殼體制造時(shí)先將單層厚板卷制，然后焊接縱縫，最后再通過(guò)深環(huán)焊縫將各筒節(jié)及封頭組焊，組成完整的殼體[1]，具有加工工序少、機(jī)械化程度高，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別是能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行整體熱處理，對(duì)改善材料應(yīng)力分布非常有利。單層殼體的環(huán)、縱焊縫在制造和使用過(guò)程中便于檢驗(yàn)、檢測(cè)，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中若材料出現(xiàn)氫脆、氫腐蝕、焊接應(yīng)力裂紋、回火脆化等缺陷時(shí)，便于實(shí)施修復(fù)處理。同時(shí)由于整體采用耐熱Cr-Mo系特厚板鋼，對(duì)材料采購(gòu)質(zhì)量控制、卷制、組對(duì)、焊接、熱處理等加工工藝要求較高，應(yīng)力沿壁厚分布的不均勻性是該型設(shè)備的固有問(wèn)題?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)大型化工機(jī)械制造廠如大連金重、哈鍋、一重、東方鍋爐廠等均具有制造能力。淮化、魯南化工等企業(yè)就采用了此種結(jié)構(gòu)。

(2)多層熱套結(jié)構(gòu)

多層熱套結(jié)構(gòu)采用雙層或多層厚板(25～80 mm)，卷焊成直徑不同但可過(guò)盈配合的筒體，然后將外層筒節(jié)加熱到計(jì)算的溫度進(jìn)行套合，最后將各筒節(jié)通過(guò)環(huán)焊縫連接。熱套結(jié)構(gòu)規(guī)避了特厚板的質(zhì)量問(wèn)題，預(yù)應(yīng)力的存在優(yōu)化了厚筒的應(yīng)力分布，組焊后的殼體可進(jìn)行整體熱處理，以消除套合應(yīng)力和深環(huán)焊縫的焊接殘余應(yīng)力。但其加工難點(diǎn)在于套合面機(jī)械加工量大，卷圓和套合工藝精度要求高，難度大[2]。東方鍋爐(集團(tuán))有限公司為岳陽(yáng)化肥廠180 kt/a合成氨裝置制造的氨合成塔外殼便采用了此種結(jié)構(gòu)。

(3)多層包扎式結(jié)構(gòu)

制造時(shí)先完成單節(jié)內(nèi)筒制造，再在其外部用薄板多層包扎成單節(jié)筒節(jié)，最后再將各筒節(jié)及封頭組對(duì)焊接成完整的殼體[3]。由于制造此種結(jié)構(gòu)的殼體不需要大型專業(yè)設(shè)備，制造設(shè)備較簡(jiǎn)單；由于僅內(nèi)層殼體板采用耐熱Cr-Mo系鋼板，包扎層板采用了薄板，材料質(zhì)量能得到保證，選材有較大的靈活性；設(shè)備制造費(fèi)用可大大降低，價(jià)格優(yōu)勢(shì)非常明顯。另外從安全性考慮，一是多層包扎結(jié)構(gòu)由于層間緊配合的作用，在不增加壁厚的情況下，提高了厚壁圓筒的強(qiáng)度，改善了單層結(jié)構(gòu)的周向受力。二是由于采用多層板，即使某一層鋼板出現(xiàn)裂縫，裂紋也只能在該層層板中擴(kuò)展，不會(huì)擴(kuò)展到其他層板，具有相互支撐的“自救”作用。

但此種結(jié)構(gòu)存在環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行整體熱處理的問(wèn)題。僅依靠單層殼體的端部堆焊INCONEL82合金的方法來(lái)避開(kāi)整體熱處理，層板間隙的存在使焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力集中難以徹底消除。另外層板間隙還導(dǎo)致深環(huán)焊縫缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)存在困難，后期使用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)修復(fù)難度較大。南化機(jī)為南化公司300 kt/a合成氨裝置制造的φ2 330 mm托普索塔和華魯恒生φ3 200 mm氨塔便采用了此種結(jié)構(gòu)型式。

(4)整體多層夾緊式

制造時(shí)先將預(yù)先卷制好的內(nèi)層筒體進(jìn)行整體熱處理，然后再在內(nèi)筒上逐層(錯(cuò)開(kāi)縱、環(huán)焊縫)包扎，直到設(shè)計(jì)厚度。此種結(jié)構(gòu)的殼體除具有多層包扎式外殼所具有的優(yōu)點(diǎn)外，還避開(kāi)了深環(huán)焊縫的問(wèn)題，另外由于采用了機(jī)械手工裝，包扎力為切向力，有更高的層板夾緊度，焊接后殼體受力狀態(tài)更好[4]。其筒體與封頭的焊接結(jié)構(gòu)借鑒了多層包扎的處理方式，預(yù)先進(jìn)行了堆焊處理，但同樣也會(huì)存在焊接殘余應(yīng)力無(wú)法徹底消除和后期檢測(cè)維修困難的問(wèn)題。目前僅有長(zhǎng)沙化機(jī)、云南大為等少數(shù)廠家具有此類設(shè)備的生產(chǎn)制造能力，湖南大乘制造的φ1 400 mm氨塔便采用了此種結(jié)構(gòu)。

1.2 各種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

對(duì)于氨成塔外殼，從設(shè)備的適用性和安全性來(lái)考慮，以上各種結(jié)構(gòu)型式均能滿足使用要求，也都有較多良好的使用案例，制造商大都具有豐富的制造經(jīng)驗(yàn)。

多層熱套結(jié)構(gòu)多為受高質(zhì)量特厚板采購(gòu)困難和卷板能量受限時(shí)采用，現(xiàn)在進(jìn)口高質(zhì)量特厚板的采購(gòu)已不成問(wèn)題，大型卷板機(jī)械也普遍采用，且加工質(zhì)量控制難度極大，又無(wú)明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，已逐步退出市場(chǎng)。

而多層包扎和整體多層夾緊結(jié)構(gòu)由于用材上的靈活性，其報(bào)價(jià)一般為單層卷板焊接結(jié)構(gòu)的70%～75%，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，安全性也有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，特別是整體多層包扎完全避開(kāi)了深環(huán)焊縫的問(wèn)題。

但是以上兩種包扎結(jié)構(gòu)型式安全方面也存在潛在問(wèn)題，具體如下。

(1)多層殼體上接管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)雖然大部分被ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范的多層容器部分所采納，但實(shí)際制造施工質(zhì)量控制難度較大。

(2)多層或整體包扎的層板間貼合度雖然有規(guī)范要求，但國(guó)內(nèi)至今仍然靠錘擊和塞尺檢查(國(guó)外靠TUV的復(fù)檢作為最終的質(zhì)量保證)，缺乏更加科學(xué)有效的檢驗(yàn)方法，無(wú)法保證包扎質(zhì)量。對(duì)于多層包扎設(shè)備、多層包扎壓力容器殼體環(huán)焊縫兩側(cè)的筒節(jié)層板貼合不良，出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)不連續(xù)現(xiàn)象，深環(huán)焊縫部位是應(yīng)力集中和最為薄弱的部位，會(huì)在焊接缺陷處萌生疲勞微裂紋[5]。

(3)多層包扎容器層與層之間接觸部分存在熱阻，所以多層殼體和單層部件結(jié)合的部位溫度分布復(fù)雜，加之氨合成操作過(guò)程中平面溫差和軸向溫差的存在，其熱應(yīng)力也就變得復(fù)雜。多層的內(nèi)外壁面溫差與相同半徑的單層殼體溫差比較，最大達(dá)到3倍，因而存在較大的溫差應(yīng)力。當(dāng)層板之間存在間隙時(shí)，多層之間的接觸熱阻會(huì)更明顯。研究還表明，開(kāi)停車時(shí)溫度和壓力的升降，會(huì)導(dǎo)致殼體部分產(chǎn)生瞬間應(yīng)力，并在接頭部位產(chǎn)生附加不連續(xù)應(yīng)力。

(4)因各層錯(cuò)開(kāi)縱環(huán)焊縫，這將給筒壁焊縫的在役定期質(zhì)量檢查帶來(lái)“難以確定”的困難[6]。

總體來(lái)看，“厚板卷焊技術(shù)”仍被公認(rèn)具有較好的“安全性與經(jīng)濟(jì)性”綜合效果，單層“厚板卷焊”技術(shù)在當(dāng)今世界上仍占主導(dǎo)地位，雖然該型式結(jié)構(gòu)設(shè)備對(duì)材料、制造技術(shù)要求較高，特別是大型鍛件、厚板和焊縫的缺陷控制困難較大[6]，但隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，進(jìn)口Cr-Mo特厚板的質(zhì)量已能滿足設(shè)計(jì)要求，國(guó)內(nèi)卷板能力最大已達(dá)到260 mm，自動(dòng)埋弧焊(SAW)和窄間隙(TIG)等先進(jìn)高效的焊接技術(shù)也已在大型制造廠普遍采用，國(guó)內(nèi)已完全具備該型設(shè)備的制造能力。因此盡管其造價(jià)較高，若考慮到操作條件下的臨氫環(huán)境及耐熱Cr-Mo系鋼板回火脆性對(duì)安全性和可靠性的要求，以及使用過(guò)程中檢測(cè)和維修的便利性，在資金允許的條件下，建議優(yōu)先選用單層卷板焊接結(jié)構(gòu)。注意要求采購(gòu)寬幅板，保證每節(jié)筒節(jié)只有一道縱焊縫。另外整體多層包扎式也可作為候選方式。

2 材料的選擇要求

氨合成塔的操作壓力一般在10～32 MPa，操作溫度在200～450 ℃(分熱壁塔和冷壁塔)，設(shè)計(jì)溫度260～510 ℃，氫分壓8～11 MPa。根據(jù)以上的操作條件，氨合成塔外殼材料的選擇除考慮高溫狀態(tài)下的機(jī)械性能外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮氫損傷。

由于早期對(duì)臨氫狀態(tài)下鋼材的氫腐蝕問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足，我國(guó)上世紀(jì)70～80年代曾采用16Mn，15MnVR制造合成塔外殼[7]。使用過(guò)程中很多鋼材出現(xiàn)了脫碳和龜裂、焊縫出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題，甚至出現(xiàn)過(guò)多起爆炸事故[8]。

后期的合成塔外殼又多選用Mn-Mo鋼，通過(guò)降低碳含量，并加入強(qiáng)碳化物形成元素固定碳，提高鋼的抗氫性能。如國(guó)產(chǎn)18MnMoNbR，進(jìn)口美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SA302Gr.B，德國(guó)13MnNiMo54等。雖然具有一定抗氫(Mn-0.5Mo)能力，但仍不能完全符合API 941中Nelson曲線的要求。另外作為高強(qiáng)鋼，其焊接性能也較差。

隨著人們對(duì)設(shè)備損傷認(rèn)識(shí)的深入以及冶煉技術(shù)的不斷提高，目前合成氨裝置普遍使用的鋼材為Cr-Mo鋼系中的1.25Cr0.5Mo(具體牌號(hào)為鋼板SA387Gr11Cl2，鍛件 SA336 Gr.F11Cl3)，2.25Cr1Mo(具體牌號(hào)為鋼板SA387Gr22Cl2，鍛件SA336 Gr.F22Cl3)。根據(jù)G.A.Nelson曲線，1.25Cr0.5Mo鋼在11 MPa氫分壓下，其抗氫使用極限為680 ℃，而2.25Cr1Mo具有更優(yōu)的抗氫性能，抗氫使用極限為900 ℃。根據(jù)氨合成塔的溫度分布特點(diǎn)，一般200～400 ℃部位采用1.25Cr0.5Mo鋼，而超過(guò)400 ℃的部位則采用2.25Cr1Mo。另外一般認(rèn)為不銹鋼能耐氫腐蝕，因此也有一些廠家采用內(nèi)壁堆焊不銹鋼，形成雙金屬結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步解決氫腐蝕的問(wèn)題。

由于氨合成塔的操作溫度處在低合金鋼出現(xiàn)回火脆化溫度范圍(400～600 ℃)內(nèi)，長(zhǎng)期在此溫度下運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。另外還要考慮極端低溫(承壓)工況下的安全，所以必須提出一些特殊的約定，來(lái)避免回火脆化和低溫脆斷事故發(fā)生。具體有以下。

(1)對(duì)硫、磷元素的含量提出較ASMEⅡ SA387-SA387M更嚴(yán)的限制要求(ASME通用要求較低，≤0.035%)，一般不應(yīng)大于0.015%。

(2)預(yù)測(cè)材料脆化敏感性系數(shù)

J=(Si+Mn)×(P+Sn)×1 000≤150

注：Si、Mn，P和Sn分別為實(shí)測(cè)熔煉分析和成品分析的質(zhì)量百分比。

預(yù)測(cè)焊縫金屬脆化敏感性的關(guān)聯(lián)系數(shù)

X=(10P+5Sb+4Sn+As)/100≤15

注：Si、Mn，P和Sn分別為實(shí)測(cè)熔煉分析和成品分析值，為10-6數(shù)量級(jí)。

回火脆性敏感性試驗(yàn)(步冷試驗(yàn))

回火脆化指標(biāo) VTr54+1.5△VTr54≤38 ℃[9]

(3)材料和試件焊后模擬熱處理(SPWHT)低溫沖擊功試驗(yàn) -20 ℃ AKv≥54J

國(guó)外鋼板供貨商主要有法國(guó)阿塞羅，德國(guó)迪林根Dillinger，日本神鋼。目前國(guó)內(nèi)舞陽(yáng)鋼廠等也可按照ASME標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)SA387鋼板，國(guó)產(chǎn)鋼板價(jià)格約為進(jìn)口價(jià)格的2/3，鋼板的各項(xiàng)性能指標(biāo)也接近于進(jìn)口鋼板。

材料的要求一般由工藝包提供商提出，工程設(shè)計(jì)公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化，制造商根據(jù)技術(shù)協(xié)議的要求制定《材料采購(gòu)規(guī)程》，業(yè)主應(yīng)對(duì)該文件進(jìn)行審查，避免供應(yīng)商降低采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

3 局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

針對(duì)不同結(jié)構(gòu)和材料的合成塔外殼，除要求制造商在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算外，對(duì)關(guān)鍵部位還應(yīng)重點(diǎn)考慮。

(1)焊接唇形密封雖然是最為可靠的密封結(jié)構(gòu)型式，但由于安裝和維修困難，不建議選用。較為成熟、習(xí)用的上封頭是全直徑雙錐面密封，但由于GB150規(guī)定最大直徑為2 000 mm，大直徑塔尺寸超過(guò)了GB150-1998中的規(guī)定，制造商多參考國(guó)外進(jìn)口氨合成塔的雙錐面密封結(jié)構(gòu)，在尺寸上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，或在GB150-1998的基礎(chǔ)上進(jìn)行放大設(shè)計(jì)。無(wú)論采用哪種設(shè)計(jì)方法，均應(yīng)要求制造商進(jìn)行必要的應(yīng)力計(jì)算，保證墊片的強(qiáng)度和密封能力。

(2)支撐鍛件、支座、吊耳、主要接管與鍛件連接等易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，要求制造商在設(shè)計(jì)時(shí)建立力學(xué)模型，進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算，提供應(yīng)力分析報(bào)告并附應(yīng)力分析網(wǎng)絡(luò)圖。

(3)殼體的接管設(shè)計(jì)要充分考慮外部管道系統(tǒng)作用產(chǎn)生的力和力矩。合成氣出氣口管與廢鍋采用直連結(jié)構(gòu)的，應(yīng)充分考慮設(shè)備、管道熱膨脹對(duì)接管產(chǎn)生的附加載荷和彎曲載荷，要求制造商根據(jù)廢鍋設(shè)計(jì)方提供的接管應(yīng)力負(fù)荷，對(duì)合成塔出氣口接管進(jìn)行強(qiáng)度校核和應(yīng)力分析計(jì)算[10]。

(4)對(duì)于多層包扎或整體多層夾緊結(jié)構(gòu)的合成塔外殼，避免將支座焊接在層板殼體部分，應(yīng)焊接在鍛件或底部球封頭處，同時(shí)支座結(jié)構(gòu)不能影響下球殼環(huán)焊縫的檢測(cè)。

鑒于氨合成塔外殼工況條件和設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性， 在采購(gòu)訂貨中選擇合理的殼體型式，并與制造商在技術(shù)要求方面進(jìn)行詳細(xì)的約定是非常必要的。本文介紹其中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，其他如材料檢驗(yàn)、制造工藝、檢驗(yàn)檢測(cè)等方面的要求，還要根據(jù)具體情況，雙方進(jìn)行合理的約定，以保證設(shè)備的整體質(zhì)量和安全運(yùn)行。

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