浅谈整体多层包扎式尿素合成塔应用前景

2015-10-21 17:15张瀚麟
建筑工程技术与设计 2015年28期
关键词:焊缝不锈钢尿素

张瀚麟

摘要:阐述了尿素合成塔的发展历程和技术进展,对采用整体包扎时尿素合成塔制造工序较少应力分布均匀等特点进行了论述,并对其特点进行了说明。

关键词:整体多层包扎式 尿素合成塔

尿素合成塔是尿素合成装置中的核心設备,它在尿素生产中占有举足轻重的地位,可以说尿素工业乃至现代氮肥行业的发展与尿素合成塔的制造技术是紧密相关的。自20世纪60年代我国引进第一套尿素合成装置以来,从无到有,从小到大,历经50年发展,2014年我国尿素产能达到3千余万吨,国内有数百套装置采用各种工艺在运行,成就是引人瞩目的。自2003年我国自南非引进Φ2100mm整体多层包扎式尿素合成塔以来,该结构形式已逐渐成为多层式尿素合成塔发展的主要研究方向。

1、尿素合成塔的技术进展。

19世纪30年代由德国化学家弗里德里希.维勒首次合成尿素,揭开了人类合成有机物的序幕。19世纪70年代提出氨基甲酸铵脱水合成尿素工艺。当时曾选用银质、铜质衬里合成塔,均因造价高、寿命短而被人们废弃。直到20世纪50年代由荷兰化学家太米卡邦提出在合成塔中加入氧气使奥氏体不锈钢能够持续钝化,抵御合成物料的强腐蚀作用,才使CrNiMo奥氏体不锈钢成为尿素合成塔内衬的主要材料,并且使尿素合成进入工业化阶段。国内在用装置采用的尿素合成塔从结构上大体可分为多层结构和单层结构两类。多层结构根据衬里和层板制造工艺的不同又可分为多层包扎式、热套式、整体多层包扎式等结构,较多采用的为多层包扎式。

2、各结构形式尿素合成塔特点。

单层式

该型尿素合成塔由单层厚板卷制而成,然后有筒体内壁撑紧衬里。该型设备具有结构简单、生产效率高等特点,但是对制造企业卷板能力及热处理能力要求较高。

多层包扎式

该型尿素合成塔由数层壁厚较薄的钢板由外力包扎在内筒上形成筒节,各筒节再进行组对,而后与封头连接。该型设备优点是制造工艺简单、衬里层与外壳碳钢层的贴紧度高、在操作压力下不锈钢内筒由多层包扎产生的压应力与内压引起的拉应力相互抵消,使内筒应力大大降低,极大地降低了产生应力腐蚀的可能性。然而,各筒节组对时因内径误差而引起的错便是不可避免的,并且筒节组对时产生的深环焊缝(见图1)无法进行热处理,较难进行无损检测。都对设备的整体安全性能带来隐患。

图1 多层包扎式深环焊缝结构

热套式

该型尿素合成塔有热套多层壳体,热套内层不锈钢衬里层或松衬不锈钢衬里层两种制造工艺。该型设备继承了多层包扎式的结构特点,并且提高了衬里纵缝的焊接质量和衬里与内筒的贴合度。

整体多层包扎式

该型尿素合成塔内筒和外层层板均采用整板制造,由专用工装夹紧,制造工序少,材料利用率高,焊接及检测工作量小。由于采用整板夹紧包扎,相邻层板间纵环焊缝间距较大,既有多层包扎式尿素合成塔的优点,又避免了多层包扎式筒节间的深环焊缝。

3、整体多层包扎式尿素合成塔应用前景探究。

尿素合成反应是一种短时急剧放热反应,目前工业生产中,大多数工艺参数为:设计压力21.56MPa设计温度198℃,上述工艺参数在多层包扎压力容器使用范围之内。我国自20世纪80年代开展整体多层包扎式压力容器研究,自20世纪90年代开始应用于合成氨生产。近年整体多层包扎式压力容器应用于尿素生产逐步得到业内认可,早在1976年德国AEIC公司制造的整体包扎式尿素合成塔就已投入到工业生产。2007年云南大为化工装备制造有限公司制造的Φ2680mm整体多层包扎式尿素合成塔无论是制造检验还是生产使用,反馈结果都令人满意。国内外众多设备使用经验表明,整体多层包扎结构是一种安全可靠的结构。以往的尿素合成塔爆炸事故,给我们造成了巨大的损失,但是对爆炸原因的分析,至今仍是众说纷坛。笔者认为以往的山东某化肥厂尿素合成塔爆炸事故,应是由于应力腐蚀引起深环焊缝及层板开裂,从而爆炸。而整体多层包扎结构纵环焊缝交错布置,不存在深环焊缝(见图2),可以避免因深环焊缝焊接缺陷或使用中产生缺陷造成的爆炸事故。从力学角度来看由于尿素合成反应放热,合成塔吸热,壁温由内而外依次降低,内层筒体为压应力,外层层板为拉应力。有温差引起的应力方向恰好与包扎时产生的预紧力方向相反,二力合成,再者,没有深环焊缝的应力集中,整体应力分布更为均匀。可以更好的避免应力腐蚀裂纹的产生。

图2 整体多层包扎式纵环焊缝布置示意图

4、结语

随着尿素生产向大型化发展,尿素合成工艺在不断改进,尿素合成塔的尺寸和结构形式也在不断地变化,但总体结构变化不大。尿素合成塔作为尿素生产中唯一要求耐高压,较高温度,较强腐蚀的大型高压压力容器,它的运行状况企业效益息息相关。采用整体多层包扎式结构的尿素合成塔无论从制造还是生产使用上来看都是经济、安全、高效的。是值得我们应用的。

参考文献

1 郑津洋、董其武、桑芝富 过程设备设计 第二版 北京 化学工业出版社

2陈林、黄玉梅、孙国良 多层整体包扎尿素合成塔制造与检验 石油化工设备 2012,15(8)

3 杨小刚 赵颖 高芳 高压容器多层包扎筒体的研制 石油和化工设备 2015,15(9)

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