低温塔设备的设计与制造分析

王生麟

摘 要：在煤化工行业中，低温甲醇洗技术以其优异的酸性气体选择性、吸收性以及运行稳定性等特点得到广泛应用。低温吸收塔作为低温甲醇洗装置重要设备之一，本文主要探讨低温吸收塔设计与制造过程中的技术要点。

关键词：低温甲醇洗；低温吸收塔；设计；制造

低温甲醇洗是一种基于物理吸收的气体净化方法，以工业甲醇为吸收剂（溶剂）。该法用低温甲醇可同时或分段脱除气体中的硫化氢、硫氧化碳和二氧化碳等酸性气体及水汽等，能达到很高的净化度。甲醇对一氧化碳和氢气的溶解度相当小，且在低温下甲醇的蒸汽压很小，溶剂损失量很小。从1954年第一套低温甲醇洗装置面世至今，在世界范围内投入生产使用的低温甲醇洗设备已达近百套。以神华宁煤煤制油项目为例，低温甲醇洗装置低温吸收塔高73755mm，直径4500mm，净质量为66t，09MnNiDR材质，要求在-40℃的低温下工作，因此对塔器材料、结构设计和制造工艺、检验验收都有严格的规定。

1 设备材料

低温设备所用的钢材一方面要符合压力容器对于钢材强度，稳定性，加工性能和焊接性能等的基本要求，另一方面根据工作环境的温度特点，必须具备相对较低的韧脆转变温度，以及理想的低温韧性。除此之外，一般要求所用钢材在使用温度下的低温冲击吸收功要大大超过设计规定值。

低温塔的筒体和封头部分采用09MnNiDR板材，对于技术条件的要求是：（1）满足材料标准规定的化学成分和力学性能；（2）S≤0.008%，P≤0.02%，C≤0.12%，Ni≤1%；（3）逐张进行的-70℃低温夏比（V型缺口）冲击试验的冲击功值取设计验收值的1.5倍；（4）使用状态为正火加回火状态；（5）材料进厂后复验机构低温冲击功值的最低值为60J。

2 塔结构与制造

低温塔设计过程中要求结构简单化，省去不必要的约束防止产生性状突变，削弱局部应力。插入式接管端部打磨（或机加工）成圆角，凸出的焊肉应打磨至与设备内表面平齐，外侧的角焊缝应平滑过渡。

2.1 筒节与封头

为了避免产生残余应力，在筒体、封头的成型过程中应防止包括刻划、打钢印、锤击在内的操作；尽量选择记号笔来对筒节、封头板料号料进行划线，材料标记转移采用绘图记录方法，板料切割后预制坡口，并将坡口表面打磨光亮，达到无损的要求；下料过程中要注意控制筒节板料的两条对角线长度差。筒节的成型过程中宜选取多次成型，这样可以有效避免残余应力，滚制成型后组焊。在保证椭圆度的基础上，对筒节进行二次划基准线，满足直线度要求。封头则选择整体热压成型，封头坯料可以拼接，同时带母材和焊接性能检测试板，并随后进行正火加回火处理，以保证材料的力学性能。

2.2 塔体

低温吸收塔分4段制造，需要对不同塔段的所有件进行组焊，且经检验质量过关，接下来用工装支撑圈固定各段口，将四心位置对应标记，分段整体进行热处理，以免在此过程中出现变形，有利于在现场将其组对。

为确保塔体的直线度和长度公差，在对多个筒节进行组焊时，除了要保证各段的直线度、椭圆度公差合格，应对两端面及坡口采取同时加工。接下来分四部分分别组焊，每一部分都要兼顾接管法兰组件和内外附件。为满足塔盘的平面度公差要求，必须精确以筒节端口加工线为塔盘支承件的基准划线，然后组对。其他部分如降液板等要保证连接尺寸的精准。对塔体的对接接头表面进行打磨到与母材齐平，接管端部焊后应打磨成圆角，这样就可以降低局部高应力，防止结构形状出现突变。

在焊接低温用钢的过程中要注意防止焊缝金属及热影响区形成粗晶组织，使得钢材的韧性下降。要做到这一点对焊接线能量的控制十分重要，即在焊接工艺规定的范围内选择较小的焊接线能量，多层多道施焊防止焊道温度过高，多道焊时应注意控制层间温度。

在对低温容器进行焊接时切忌在母材的非焊缝区内引弧，焊接接头切忌出现弧坑、焊缝成形异常等焊接缺陷，防止未焊透、未熔合、裂纹、气孔及咬边等瑕疵。另一方面还要注意尽可能减小余高，避免出现凸形角焊缝。该塔组对检测过关后按焊接工艺要求、预热完成后开始施焊，焊毕进行消氢处理。焊接时严格执行焊接工艺规程，尽量采用小的焊接规范，焊条电弧焊采用短弧焊，直焊进不摆动，降低焊接线能量，确保焊接接头的低温韧性，焊接过程中要保证层间温度应低于100℃，可以选择远红外线测温仪控温。焊后焊缝磨平，削弱局部应力。

2.3 热处理

对塔体组焊后要注意进行热处理，降低接头部分的焊接残余应力，避免在低溢条件下脆断的可能性。该塔分四段入炉热处理，有三道环缝需用履带加热进行局部热处理，热处理温度设置在600±20℃，恒温时间保持在2.5h，温度达到400℃后以低于75℃/h的速度升温，降温时速度则应控制在100℃/h。

目前国内09MnNiDR的生产厂家主要有：重钢、武钢、舞阳钢厂，因舞阳钢厂的钢板厚度及低温冲击功高于其他厂家，故选择舞阳钢厂作为09MnNiDR的供货单位。随着科学技术的不断进步和生产的需求，对低温塔设备的设计与制造要求越来越高，为了保证塔设备的各种性能满足生产需要，对设备材料的冶炼、热处理等工艺技术要求更加严格，通过制造检验证明，该工艺方案科学合理，未发现壁厚减薄，低温裂纹等问题，可以满足煤化工的生产要求。

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