氨合成塔电炉电极杆密封改进

马文亮，文 坤，雷 伟

（云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南开远 661600）

氨合成塔电炉电极杆密封改进

马文亮，文 坤，雷 伟

（云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司，云南开远 661600）

对氨合成塔电炉电极杆泄露问题进行了分析，提出了解决方案，并对解决方案进行了论证，最后对方案的实施过程和实施后的效果进行了阐述。

氨；合成塔；密封；电炉；电极杆

我公司5＃氨合成塔2007年投入使用，该塔采用高压、卡萨利轴径向冷激式工艺流程，合成塔的电炉电源为380 V。氨合成塔运行时，电炉在电极杆处常发生合成气泄漏，甚至引发着火。公司根据事故状况以及炉体构造，研究了泄漏产生的原因，并多次对该设备进行了改造。本文对研究过程及改进工作进行了总结，旨在为同行提供参考借鉴。

1 电极杆密封情况

5＃合成塔电炉功率为1 200 kW，电压为0～380 V，三相，电流为0～1 824 A。电炉电极杆共3根，位于合成塔顶部，穿过合成塔小盖。结构如图1所示。

电极杆的密封采用椎体压紧密封，属于锥面密封。如图2所示。

电炉安装时，首先在小盖上安装电炉的3根电极杆，然后再连接电极杆与电炉的电阻丝部分。

电极杆下部锥面首先用石棉绳缠紧，涂好硅胶，再套上绝缘的云母套筒（起到电极杆与小盖绝缘），然后安装到小盖的锥孔内，最后固定小盖与电极杆，上紧电极杆上部压紧螺母。

在催化剂活性末期，利用电炉补偿合成气的温度。在运行一段时间后，电极杆与小盖之间就会发生合成气泄漏。一般采用再次打紧的方式处理。但电极杆的经常泄漏已经危及合成塔的安全稳定运行，影响正常生产。

图1 合成塔小盖结构示意图Fig.1 Struacture schematic diagram of the small cover for synthesis column

2 漏气原因分析

电炉电极杆与小盖间的泄漏是密封失效产生的。经分析，产生密封失效的原因有以下几个方面。

图2 密封及安装结构图Fig.2 Structure diagram for sealing and mounting

1）电极杆与小盖之间属于锥面密封，安装过程电极杆容易倾斜，同时在上紧压紧螺母时易发生电极杆转动，破坏密封填料。

2）电极杆通电发热，使电极杆膨胀造成密封压力不够，产生漏气。

3）由于合成塔负荷波动，反复上紧电极杆使密封材料压溃。

4）密封材料压紧后膨胀性不好。电炉小盖与上部电极杆因材质不同，随温度变化后膨胀量不同，而云母套筒压缩后弹性恢复较小不足以补偿温度变化产生的间隙，导致上部电极杆锥体部分密封失效。

3 解决方案研究

3.1 O形密封环方案

考虑在小盖内壁上开环型槽，采用O型圈的密封方式，如图3所示。该种密封方式的O型环要能够承受高压、高温，材料难找，而且，一旦锥面密封失效，O型环云母带套筒内层的密封也没有保证，因此方案不具备可行性

3.2 膨胀蝶环补偿方案

此方案的原理是：当电极杆螺栓预紧力产生的弹性变形不能满足热膨胀带来的间隙时，通过蝶形垫片的弹性来消除电极杆的热变形量，从而保证密封的预紧力。

3.2.1 方案的核算

在计算电极杆上的载荷时，只考虑热膨胀量和密封垫的密封比压两个因素，螺栓、电极杆的自身重量，与螺栓载荷相比太小而忽略不计。电极杆与小盖的基本参数见表1、表2。

图3 O型密封环密封改造结构图Fig.3 O-ring sealing structure

表1 电极杆与小盖的材质及材料线膨胀系数Tab 1 M aterials and a low coefficients of linear expansion of electrode rod and small cover

表2 电极杆与小盖热膨胀实际温度情况及计算依据

1）金属材料受热膨胀分析

电极杆底部连接电阻丝，温度在500～700℃之间；小盖底部与合成气接触，温度≤520℃。因电极杆与小盖的材质不同，且受热温度不同，两种材质的受热膨胀会有差异。

螺栓伸长量ΔL＝18.6×10-6×328.15×390 ＝2.38mm

法兰伸长量ΔL＝14.2×10-6×300×315＝1.34mm

所以螺栓相对伸长量为2.38-1.34＝1.04mm

2）电极杆的预紧力分析

补偿温差需要的预紧力为：F1＝E×A×ΔL／L

其中A为螺栓受力面积，A＝π／4×［M-（0.938×螺牙）］2＝π／4×［39-（0.938×3）］2＝1028mm2

3）密封材料的密封比压

电极杆结构图如图4所示。

图4 电极杆结构图Fig.4 Structu re d iagram of electrode rods

电极杆斜锥面高度H为：H＝（63-44）／2／tan10°＝53.88mm

斜锥面长度L为：

密封垫的面积S约为：

根据石棉绳的密封比压Y＝9MPa，计算密封面的正压力F2

根据力的分解，螺栓上预紧力F0＝F2／sin10°＝8 904 N

4）螺栓强度校核

电极螺栓最终预紧力应满足热膨胀补偿和密封压紧力，所以螺栓最终预紧力密封比压因和热膨胀力之和，预紧力F为：

预紧力F＝F0＋F1＝651604＋8904＝660508N

根据预紧力对栓螺强度σ进行校核：

所以，此电极螺栓必须要8.8级以上的螺栓（螺栓强度为640MPa）才能满足要求。对于螺栓等级为10.9或12.9的电极螺栓，其强度上是满足要求的，其使用的屈服极限分别为72%和61.5%，用12.9级的螺栓是比较安全的。

5）碟簧的选择

由于电极杆在加热时，温度会上升，从而导致预紧力F1损失。为了使螺栓继续发挥预紧力的作用，在电极杆上端增加碟簧。由于上部仍有较高温度，选用高温碟簧。查阅高温碟簧选型，选择M52（388 185），其最大承载力为585 kN形式的蝶环。在初始安装后，当电极杆加热升温时，如果保证75%的压平极限，则碟簧的承载力为355 kN，这足够保证提供F0的承载力。其单片的回复量为0.86mm，也就是可以存储0.86 mm的螺栓伸长量。

3.3.2 云母套筒压溃试验

云母套筒套在电炉电极杆上起到绝缘作用，同时该套管也承担着电极杆的密封。每次电极杆漏气拆开，检查云母套筒均未发生损坏情况。本次解决密封泄漏方式中增加了弹性蝶环，为了验证安装扭矩形成的预紧力是否压坏云母套筒，对云母套筒进行压溃试验。实验结果见图5。

图5 云母套简压力实验曲线图Fig.5 M ica sleeve pressure test curve

从图5中看出，最大实验压力远大于电极杆预紧力产生的压力，在此压力下，云母套筒仍保持

完好。说明云母套筒可以满足使用要求。

3.2.3 定位提升螺母

为了保证密封，另一关键点是在电极杆的安装过程中不能有侧向偏载和上紧时的相对转动，以免伤到密封垫。此外，安装预紧力的精度要求也高，例如，10.9级的螺栓，其屈服余量只有28%，考虑到材料10%的安全极限，所以力矩转换成载荷的过程中不能有较大误差，应控制安装力矩误差在10%以内。本方案采用定位提升螺母（CLAMP螺母），它是由3部分组成的预紧系统：①内部螺纹套；②）外部转动套；③花键垫圈。内部的螺纹套具与螺栓的螺纹相同，内部螺纹套与花键垫圈通过花键齿相连接，从而使内部螺纹套只能沿轴向移动。内部的螺纹套与外部转动套间通过传导性好的梯形螺纹连接。当转动外部的转动套向下时，推动花键垫圈向下移动，内部的螺纹套轴向拉伸螺栓做相对运动。从而实现在上紧电极杆过程中防止电极杆发生侧向偏载和上紧时相对转动。

3.2.4 安装控制

为了满足电极杆膨胀蝶环补偿，增加了CLAMP螺母、蝶环、定位垫片，电极杆在原有基础上也加长了。螺母和蝶环安装如图6所示。首先安装云母片、定位垫片和碟簧，接着，把CLAMP螺母装上，安装驱动器；然后，依次拉伸螺栓，并紧固每颗螺栓；最后，再校验一次，确保紧固到位，完成电极杆安装。

4 使用效果

氨合成塔电极杆泄漏解决方案实施后，合成塔电炉在不同电流负荷下均未发生漏气现象，解决了氨合成塔长期泄漏的情况，保证了氨合成工序安全、稳定、高负荷运行。

图6 螺母和碟环安装图Fig.6 Mounting diagram for nuts and butterfly ring

［1］ 成大先.机械设计手册：第二卷［M］.北京：化学工业出版社，

［2］ 公司氨合成操作手册［Z］.

Improvement on Electrode Rod Sealing of Ammonia Converter Furnace

MA Wen-liang，WEN Kun，LEI Wei

（Yunnan Jiehua clean energy Chemical Development Co.，Ltd.，Kaiyuan 661600，China）

The electrode rod leaking problems of the ammonia synthesis tower furnace were analyzed，solutions were proposed to solve leakage，and solutions were demonstrated.The effect during and after implementation of the program was described.

ammonia；synthesis tower；seal；furnace；electrode rods

TQ113.2

A

1004-275X（2015）03-0067-04

12.3969／j.issn.1004-275X.2015.03.019

收稿：2015-02-27

马文亮（1983-），男，黑龙江望奎人，主要从事化工工艺工作。