孟瑞炯
(貴州東華工程股份有限公司,貴州 貴陽 550002)
我公司曾為某化工廠設(shè)計了一套醋酸仲丁酯生產(chǎn)裝置。由工藝需要,裝置內(nèi)設(shè)置一臺起到脫碳作用的鈦材高塔設(shè)備,塔內(nèi)分多段布置填料和浮閥塔盤,物料從塔體下部進入,在塔體內(nèi)部進行傳質(zhì)和傳熱,塔內(nèi)介質(zhì)復(fù)雜,腐蝕性強,存多種有毒物質(zhì)和爆炸危險介質(zhì),工作溫度高、工作壓力高、工況復(fù)雜、塔體高且高徑比大,是該生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備,也是高危設(shè)備。
表1 脫碳鈦塔設(shè)計參數(shù)
該塔器內(nèi)部存在多種復(fù)雜的介質(zhì)環(huán)境,其中醋酸仲丁酯和醋酸對于不銹鋼材料有較強腐蝕作用,而工業(yè)純鈦對于醋酸仲丁酯和醋酸有較好的耐蝕性,且材料密度小、機械強度大,故比強度高。從主材的經(jīng)濟性、實用性、安全性和可靠性等方面綜合考慮,工業(yè)純鈦中的TA2具備良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能,能較好滿足本工況下對機械強度和腐蝕要求,所以本塔器設(shè)備筒體、封頭、接管等主材選擇工業(yè)純鈦TA2,工業(yè)純鈦的使用狀態(tài)為退火狀態(tài),厚度δ>25mm板材逐張超聲檢測,試驗方法按GB/T 5193-2020《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品超聲檢驗方法》中A級合格。
鈦材價格貴,為經(jīng)濟合理地使用鈦材,在不與腐蝕介質(zhì)接觸的部位,盡量考慮不用鈦制零件,本塔器裙座過渡段的連接法蘭尺寸大,厚度厚、質(zhì)量重、若采用純鈦結(jié)構(gòu),在經(jīng)濟上極不合理,本設(shè)備針對性地設(shè)計了TA2+16MnⅡ鍛件的鋼制活套法蘭結(jié)構(gòu),在達到經(jīng)濟效果的同時,結(jié)構(gòu)強度得到加強。同時,由于鈦與鋼之間的連接需采用機械方法,若某些節(jié)點設(shè)計困難或使節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜化時,應(yīng)根據(jù)材料費用、制造費用和工期要求等綜合考慮,必要時仍選用全鈦材,如本塔器上的起重吊耳結(jié)構(gòu)小,重量不大,故設(shè)計了TA2全鈦材結(jié)構(gòu)的吊耳。
脫碳塔外形尺寸如圖1所示。以GB 150.1~150.4-2011《壓力容器》、JB/T 4745-2002《鈦制焊接容器》和NB/T 47041-2014《塔式容器》為強度計算依據(jù),對設(shè)備筒體、裙座、封頭、設(shè)備法蘭和開孔補強等進行計算,進而確定各個部件的厚度。
圖1
2.2.1 裙座設(shè)計
本塔器類別為自支撐立式金屬制高塔式容器,整體高度超過50米,塔體直徑最大處為φ1800mm,最小處φ為1200mm,整體高徑比約為27,設(shè)備整體載荷大、彎矩大、塔身撓度大,設(shè)計圓錐形裙座可以減小混凝土基礎(chǔ)頂面的壓應(yīng)力,增加裙座筒體斷面慣性矩,結(jié)合現(xiàn)場實際布置條件,設(shè)計4.9°半錐頂角裙座,滿足小于15°結(jié)構(gòu)適用的要求且通過計算驗證。
裙座材料不與介質(zhì)接觸,且承受了整個塔設(shè)備最大的彎矩載荷,設(shè)計選用價格相對低、強度好、塑性和焊接性能良好的低合金鋼Q345R,由于塔體下封頭與裙座殼所用金屬材料不同,裙座筒體上部設(shè)置一段與塔釜封頭材料TA2相同的鈦鋼筒體作過渡段,在全鈦設(shè)備上,若鐵等其他金屬溶于鈦焊縫中,則會形成硬而脆的金屬間化合物,極大地降低焊縫塑性,除爆炸焊接和釬焊外,鈦不能直接熔焊在鋼上,故鈦材設(shè)備的支承結(jié)構(gòu)設(shè)計有其本身的特殊性,本塔器在裙座過渡段與下部Q345R筒體的連接處上,設(shè)計了一套鋼制活套法蘭結(jié)構(gòu),通過模擬活套設(shè)備法蘭來計算強度,再結(jié)合連接螺栓的尺寸、錐形筒體傾斜角對緊固螺栓時用液壓拉伸器作業(yè)空間的影響等因素,最終設(shè)計形成了2片直徑φ2250,厚度225mm,總重量約為5噸的設(shè)備活套大法蘭組合,如圖2所示。大大節(jié)約了鈦材的用量,同時也使高鈦塔器裙座材料的安全性和可靠性增加,保證了經(jīng)濟效果并滿足使用要求。
圖2
2.2.2 筒體設(shè)計
塔器壁厚是由壓力、溫度、風(fēng)載荷、地震載荷等綜合影響,由于風(fēng)或地震載荷引起的彎矩隨塔高自上而下遞增,從等強度及結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性考慮,將塔體厚度分為自上而下逐段遞增的筒體段,在同時兼顧保證強度和結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提下,應(yīng)結(jié)合鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格,盡量取鋼板標(biāo)準(zhǔn)寬度的整數(shù)倍,從而減少制作加工中廢料的產(chǎn)生量,再結(jié)合計算數(shù)據(jù),反復(fù)調(diào)整和試算,最終將塔體劃分為7段,鈦材鋼板厚度從10mm過渡到20mm,經(jīng)濟效果顯著。
2.2.3 人孔設(shè)計
本設(shè)備的人孔處在一個沒有突然壓力升降和溫度劇烈變化,也沒有載荷頻繁變化相對穩(wěn)定的環(huán)境狀態(tài),設(shè)計采用襯層結(jié)構(gòu),如圖3所示,介質(zhì)壓力由外殼材料承受,鈦材只承受介質(zhì)腐蝕,設(shè)備內(nèi)襯鈦比襯其他金屬材料困難得多,襯其他金屬時,可采用直接熔焊法,但襯鈦絕對不允許采用這種方法,因為襯層在設(shè)備內(nèi)焊接時,鈦和外殼材料有互溶的可能,鐵金屬等溶于鈦焊縫中,形成硬而脆的金屬間化合物,嚴重減低焊縫塑性和耐腐蝕性能;鈦襯里設(shè)計除了考慮一般襯里設(shè)備的特點,如:絕對避免腐蝕介質(zhì)與外殼材料有任何接觸的可能;外殼上應(yīng)設(shè)置檢漏孔,檢查襯里層的焊縫質(zhì)量;外殼內(nèi)表面應(yīng)磨平、磨光、圓滑過渡等,還應(yīng)注意嚴格防止其他材料的互溶;鈦襯里在鋼殼上固定不能用塞焊或條焊,可采用爆炸焊接,或者機械固定和釬焊聯(lián)合使用。
圖3
本設(shè)備上的人孔法蘭蓋襯層采用機械連接加銀釬焊的做法,如圖4所示,用鈦螺釘把襯層固定在鋼殼上,螺釘擰入后,用氬弧焊將螺釘焊死。注意要考慮熱影響會造成螺釘自身變形,為留有足夠變形空間,所以采用16mm左右的長螺釘固定。再延襯層一周環(huán)焊一圈銀釬焊,該設(shè)計能有效防止異種金屬污染鈦襯層,又能解決需將鈦襯層牢靠地固定在基材上。脫碳塔上的人孔均由此方案設(shè)計,節(jié)約了近3噸鈦材消耗。
圖4
本設(shè)備根據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和GB/T 150.1~150.4-2011《壓力容器》對設(shè)備制造、檢驗與驗收提出了相應(yīng)要求。設(shè)備施焊前,鈦材焊接接頭的焊接工藝評定滿足JB/T 4745-2002附錄B的規(guī)定,鈦材的焊接規(guī)程按JB/T 4745-2002附錄E的規(guī)定。
對DN≥250mm的接管與接管、接管與管件、接管與法蘭對焊環(huán)之間的對接接頭的檢測要求與本設(shè)備A類和B類焊接接頭相同。對DN<250mm的接管與接管、接管與管件、接管與法蘭對焊環(huán)之間的對接接頭進行需100%滲透(PT)檢測,符合NB/T 47013.5-2015中PT-Ⅰ級為合格。吊耳與殼體間的焊接接頭、下封頭與裙座過渡段筒體之間焊接接頭應(yīng)進行100%滲透(PT)檢測,符合NB/T 47013.5-2015 中PT-Ⅰ級為合格
設(shè)備制造完成后,進行水壓試驗,試驗合格后,需進行氣密性試驗,氣密性試驗合格后,設(shè)備鈦表面應(yīng)進行鐵污染試驗和酸洗處理。酸洗后必須用清潔自來水沖洗干凈。
目前該設(shè)備已投入使用,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠,經(jīng)濟效益顯著,圖5為該設(shè)備裙座實物圖。
圖5