氨合成塔外壳选型采购过程中的几个技术问题

(兖矿鲁南化肥厂，山东 滕州 277527)

氨合成塔是合成氨厂的心脏，合成塔外壳的采购是在合成塔内件型式确定后，由合成工艺包或内件供应商提供外壳设备条件图和技术要求，业主或总承包商进行招标采购。而化工工程设计公司通常不对氨合成塔外壳做施工图纸的设计，一般由制造厂完成整体设计和制造工作。由于合成塔操作压力和温度都较高，使用环境较为恶劣，材料存在氢损伤和回火脆化等问题，一旦发生破坏，容器内储存的巨大能量瞬间释放，并伴随有毒介质的扩散，将会导致灾难性事故发生。因此业主在合成塔外壳采购时必须对影响合成塔制造质量、购置成本、安全性、可维护性等相关因素进行充分研究，对制造商提出必要的、严格的技术要求，并强化采购质量的监督控制，保证设备的订货质量。

1 壳体结构型式的选择

1.1 合成塔结构型式

现在主要有单层厚板卷焊式、多层热套式、多层包扎式、整体多层夹紧式等。

(1)单层厚板卷焊结构

该结构类型的壳体制造时先将单层厚板卷制，然后焊接纵缝，最后再通过深环焊缝将各筒节及封头组焊，组成完整的壳体[1]，具有加工工序少、机械化程度高，整体结构简单等优点，特别是能够对设备进行整体热处理，对改善材料应力分布非常有利。单层壳体的环、纵焊缝在制造和使用过程中便于检验、检测，在长期使用过程中若材料出现氢脆、氢腐蚀、焊接应力裂纹、回火脆化等缺陷时，便于实施修复处理。同时由于整体采用耐热Cr-Mo系特厚板钢，对材料采购质量控制、卷制、组对、焊接、热处理等加工工艺要求较高，应力沿壁厚分布的不均匀性是该型设备的固有问题。现在国内大型化工机械制造厂如大连金重、哈锅、一重、东方锅炉厂等均具有制造能力。淮化、鲁南化工等企业就采用了此种结构。

(2)多层热套结构

多层热套结构采用双层或多层厚板(25～80 mm)，卷焊成直径不同但可过盈配合的筒体，然后将外层筒节加热到计算的温度进行套合，最后将各筒节通过环焊缝连接。热套结构规避了特厚板的质量问题，预应力的存在优化了厚筒的应力分布，组焊后的壳体可进行整体热处理，以消除套合应力和深环焊缝的焊接残余应力。但其加工难点在于套合面机械加工量大，卷圆和套合工艺精度要求高，难度大[2]。东方锅炉(集团)有限公司为岳阳化肥厂180 kt/a合成氨装置制造的氨合成塔外壳便采用了此种结构。

(3)多层包扎式结构

制造时先完成单节内筒制造，再在其外部用薄板多层包扎成单节筒节，最后再将各筒节及封头组对焊接成完整的壳体[3]。由于制造此种结构的壳体不需要大型专业设备，制造设备较简单；由于仅内层壳体板采用耐热Cr-Mo系钢板，包扎层板采用了薄板，材料质量能得到保证，选材有较大的灵活性；设备制造费用可大大降低，价格优势非常明显。另外从安全性考虑，一是多层包扎结构由于层间紧配合的作用，在不增加壁厚的情况下，提高了厚壁圆筒的强度，改善了单层结构的周向受力。二是由于采用多层板，即使某一层钢板出现裂缝，裂纹也只能在该层层板中扩展，不会扩展到其他层板，具有相互支撑的“自救”作用。

但此种结构存在环焊缝结构复杂，无法进行整体热处理的问题。仅依靠单层壳体的端部堆焊INCONEL82合金的方法来避开整体热处理，层板间隙的存在使焊缝产生的应力集中难以彻底消除。另外层板间隙还导致深环焊缝缺陷的准确检测存在困难，后期使用过程中出现问题时修复难度较大。南化机为南化公司300 kt/a合成氨装置制造的φ2 330 mm托普索塔和华鲁恒生φ3 200 mm氨塔便采用了此种结构型式。

(4)整体多层夹紧式

制造时先将预先卷制好的内层筒体进行整体热处理，然后再在内筒上逐层(错开纵、环焊缝)包扎，直到设计厚度。此种结构的壳体除具有多层包扎式外壳所具有的优点外，还避开了深环焊缝的问题，另外由于采用了机械手工装，包扎力为切向力，有更高的层板夹紧度，焊接后壳体受力状态更好[4]。其筒体与封头的焊接结构借鉴了多层包扎的处理方式，预先进行了堆焊处理，但同样也会存在焊接残余应力无法彻底消除和后期检测维修困难的问题。目前仅有长沙化机、云南大为等少数厂家具有此类设备的生产制造能力，湖南大乘制造的φ1 400 mm氨塔便采用了此种结构。

1.2 各种结构特点分析

对于氨成塔外壳，从设备的适用性和安全性来考虑，以上各种结构型式均能满足使用要求，也都有较多良好的使用案例，制造商大都具有丰富的制造经验。

多层热套结构多为受高质量特厚板采购困难和卷板能量受限时采用，现在进口高质量特厚板的采购已不成问题，大型卷板机械也普遍采用，且加工质量控制难度极大，又无明显的价格优势，已逐步退出市场。

而多层包扎和整体多层夹紧结构由于用材上的灵活性，其报价一般为单层卷板焊接结构的70%～75%，具有明显的价格优势，安全性也有独特的优势，特别是整体多层包扎完全避开了深环焊缝的问题。

但是以上两种包扎结构型式安全方面也存在潜在问题，具体如下。

(1)多层壳体上接管开孔结构虽然大部分被ASME锅炉和压力容器规范的多层容器部分所采纳，但实际制造施工质量控制难度较大。

(2)多层或整体包扎的层板间贴合度虽然有规范要求，但国内至今仍然靠锤击和塞尺检查(国外靠TUV的复检作为最终的质量保证)，缺乏更加科学有效的检验方法，无法保证包扎质量。对于多层包扎设备、多层包扎压力容器壳体环焊缝两侧的筒节层板贴合不良，出现的结构不连续现象，深环焊缝部位是应力集中和最为薄弱的部位，会在焊接缺陷处萌生疲劳微裂纹[5]。

(3)多层包扎容器层与层之间接触部分存在热阻，所以多层壳体和单层部件结合的部位温度分布复杂，加之氨合成操作过程中平面温差和轴向温差的存在，其热应力也就变得复杂。多层的内外壁面温差与相同半径的单层壳体温差比较，最大达到3倍，因而存在较大的温差应力。当层板之间存在间隙时，多层之间的接触热阻会更明显。研究还表明，开停车时温度和压力的升降，会导致壳体部分产生瞬间应力，并在接头部位产生附加不连续应力。

(4)因各层错开纵环焊缝，这将给筒壁焊缝的在役定期质量检查带来“难以确定”的困难[6]。

总体来看，“厚板卷焊技术”仍被公认具有较好的“安全性与经济性”综合效果，单层“厚板卷焊”技术在当今世界上仍占主导地位，虽然该型式结构设备对材料、制造技术要求较高，特别是大型锻件、厚板和焊缝的缺陷控制困难较大[6]，但随着冶炼技术的发展进步，进口Cr-Mo特厚板的质量已能满足设计要求，国内卷板能力最大已达到260 mm，自动埋弧焊(SAW)和窄间隙(TIG)等先进高效的焊接技术也已在大型制造厂普遍采用，国内已完全具备该型设备的制造能力。因此尽管其造价较高，若考虑到操作条件下的临氢环境及耐热Cr-Mo系钢板回火脆性对安全性和可靠性的要求，以及使用过程中检测和维修的便利性，在资金允许的条件下，建议优先选用单层卷板焊接结构。注意要求采购宽幅板，保证每节筒节只有一道纵焊缝。另外整体多层包扎式也可作为候选方式。

2 材料的选择要求

氨合成塔的操作压力一般在10～32 MPa，操作温度在200～450 ℃(分热壁塔和冷壁塔)，设计温度260～510 ℃，氢分压8～11 MPa。根据以上的操作条件，氨合成塔外壳材料的选择除考虑高温状态下的机械性能外，还应重点考虑氢损伤。

由于早期对临氢状态下钢材的氢腐蚀问题认识不足，我国上世纪70～80年代曾采用16Mn，15MnVR制造合成塔外壳[7]。使用过程中很多钢材出现了脱碳和龟裂、焊缝出现裂纹等问题，甚至出现过多起爆炸事故[8]。

后期的合成塔外壳又多选用Mn-Mo钢，通过降低碳含量，并加入强碳化物形成元素固定碳，提高钢的抗氢性能。如国产18MnMoNbR，进口美国标准SA302Gr.B，德国13MnNiMo54等。虽然具有一定抗氢(Mn-0.5Mo)能力，但仍不能完全符合API 941中Nelson曲线的要求。另外作为高强钢，其焊接性能也较差。

随着人们对设备损伤认识的深入以及冶炼技术的不断提高，目前合成氨装置普遍使用的钢材为Cr-Mo钢系中的1.25Cr0.5Mo(具体牌号为钢板SA387Gr11Cl2，锻件 SA336 Gr.F11Cl3)，2.25Cr1Mo(具体牌号为钢板SA387Gr22Cl2，锻件SA336 Gr.F22Cl3)。根据G.A.Nelson曲线，1.25Cr0.5Mo钢在11 MPa氢分压下，其抗氢使用极限为680 ℃，而2.25Cr1Mo具有更优的抗氢性能，抗氢使用极限为900 ℃。根据氨合成塔的温度分布特点，一般200～400 ℃部位采用1.25Cr0.5Mo钢，而超过400 ℃的部位则采用2.25Cr1Mo。另外一般认为不锈钢能耐氢腐蚀，因此也有一些厂家采用内壁堆焊不锈钢，形成双金属结构，进一步解决氢腐蚀的问题。

由于氨合成塔的操作温度处在低合金钢出现回火脆化温度范围(400～600 ℃)内，长期在此温度下运行，会导致冲击韧性降低，脆性转变温度升高。另外还要考虑极端低温(承压)工况下的安全，所以必须提出一些特殊的约定，来避免回火脆化和低温脆断事故发生。具体有以下。

(1)对硫、磷元素的含量提出较ASMEⅡ SA387-SA387M更严的限制要求(ASME通用要求较低，≤0.035%)，一般不应大于0.015%。

(2)预测材料脆化敏感性系数

J=(Si+Mn)×(P+Sn)×1 000≤150

注：Si、Mn，P和Sn分别为实测熔炼分析和成品分析的质量百分比。

预测焊缝金属脆化敏感性的关联系数

X=(10P+5Sb+4Sn+As)/100≤15

注：Si、Mn，P和Sn分别为实测熔炼分析和成品分析值，为10-6数量级。

回火脆性敏感性试验(步冷试验)

回火脆化指标 VTr54+1.5△VTr54≤38 ℃[9]

(3)材料和试件焊后模拟热处理(SPWHT)低温冲击功试验 -20 ℃ AKv≥54J

国外钢板供货商主要有法国阿塞罗，德国迪林根Dillinger，日本神钢。目前国内舞阳钢厂等也可按照ASME标准生产SA387钢板，国产钢板价格约为进口价格的2/3，钢板的各项性能指标也接近于进口钢板。

材料的要求一般由工艺包提供商提出，工程设计公司在此基础上进行细化，制造商根据技术协议的要求制定《材料采购规程》，业主应对该文件进行审查，避免供应商降低采购标准。

3 局部结构设计要求

针对不同结构和材料的合成塔外壳，除要求制造商在设计过程中进行常规设计计算外，对关键部位还应重点考虑。

(1)焊接唇形密封虽然是最为可靠的密封结构型式，但由于安装和维修困难，不建议选用。较为成熟、习用的上封头是全直径双锥面密封，但由于GB150规定最大直径为2 000 mm，大直径塔尺寸超过了GB150-1998中的规定，制造商多参考国外进口氨合成塔的双锥面密封结构，在尺寸上进行适当调整，或在GB150-1998的基础上进行放大设计。无论采用哪种设计方法，均应要求制造商进行必要的应力计算，保证垫片的强度和密封能力。

(2)支撑锻件、支座、吊耳、主要接管与锻件连接等易产生应力集中的部位，要求制造商在设计时建立力学模型，进行应力分析计算，提供应力分析报告并附应力分析网络图。

(3)壳体的接管设计要充分考虑外部管道系统作用产生的力和力矩。合成气出气口管与废锅采用直连结构的，应充分考虑设备、管道热膨胀对接管产生的附加载荷和弯曲载荷，要求制造商根据废锅设计方提供的接管应力负荷，对合成塔出气口接管进行强度校核和应力分析计算[10]。

(4)对于多层包扎或整体多层夹紧结构的合成塔外壳，避免将支座焊接在层板壳体部分，应焊接在锻件或底部球封头处，同时支座结构不能影响下球壳环焊缝的检测。

鉴于氨合成塔外壳工况条件和设备结构的特殊性， 在采购订货中选择合理的壳体型式，并与制造商在技术要求方面进行详细的约定是非常必要的。本文介绍其中的几个关键问题，其他如材料检验、制造工艺、检验检测等方面的要求，还要根据具体情况，双方进行合理的约定，以保证设备的整体质量和安全运行。

参考文献：

[1]黄国昌，郑智勇，梁关正.单层板焊结构20万吨/年氨合成塔外壳设计制造[J].压力容器，2002，19(1)：19～22.

[2]梁关正，樊树斌，曾琛. 18万吨双层热套氨合成塔外壳的设计与制造[J].东风电气评论，2001，15(4)：218～224.

[3]刘福华，陈建俊. 300 kt/a氨合成塔外壳的设计[J]. 化学工业与工程技术，2000，21(1)：15～18.

[4] 钱佩刚，许劲辉. DN1 400×15 000氨合成塔高压外壳的开发[J] .小氮肥设计技术，2003，24(1)：16～18.

[5]宋明大. 多层包扎尿素合成塔检验与剩余寿命评估方法研究[D] .济南：山东大学，2008.

[6]朱国辉，陈志平，郑传祥，等.“钢复合材料压力容器技术”典型代表———扁平绕带式压力容器的发展分析[J].化工装备技术，2000，21(1)：1～8.

[7]河北化工设计院. 氨合成塔[M].北京：石油化学工业出版社，1977：321～330.

[8]王威强，李爱菊，刘燕，等. 层板包扎氨合成塔的安全评定[C]//《第六届全国压力容器学术会议压力容器先进技术精选集》，2005：707～712.

[9]杨海林，落义英，杨秀芹. Cr-Mo 钢的回火脆性及其评价[J] .宽厚板，2001，7(4)：9～12.

[10]王明峰，赵斌义. 大型氨合成塔压力外壳结构设计优化[J] .大氮肥，2009，32(3)：186～188.