@1200衬钛尿塔的现状与对策（化工论文）

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1、尿素合成塔的现状与对策1.1前言:尿素合成塔是尿素合成装置的核心设备，不仅体积庞大、投资昂贵，而但工作条件苛刻，属高温、高压、强腐蚀性介质反应容器。最早使用的合成塔是带冷却夹套的管式反应器，它虽有调温灵活，便于控制反应和生产强度大等优点。但因造价昂贵、阻力人、操作稳定性差等缺点，故逐渐改用塔式的反应器。合成塔是具有较大高径比的容器，为了防止塔内“返混”以提高合成塔的生产效率，在塔内设置了若干块筛板，这种塔目前为国内外尿素工厂广泛采用。为了降低造价、安装费用和便于维护、操作，国外有的工厂采用卧式合成塔⑴。1.2尿素合成塔的现状我国采用过的合成塔基本上分两类:一是套

2、筒式，仅套筒与反应物料接触，而塔壁则用液氨保护。这种塔的结构能较可靠地解决腐蚀问题，但由于塔内容积利用率低（一般为80%左右），不锈钢耗用量高，而被淘汰，另一种是衬里式合成塔，耐腐蚀不锈钢直接衬在塔内壁上，紧贴而达90%以上，衬里材料用00Crl7Nil4Mo2不锈钢或考高锯锚不锈钢，其厚度不得小于5mmo这种尿塔容积利用率高达95%,不锈钢用量较少，操作方便。曲于优点突出，故衬里式球塔为国内外工厂广泛采用⑵。现国内制造的尿素合成塔90%以上采用的是多层包扎的结构。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

3、受力状况，被普遍认为是一种非常安全的结构形式而被广泛采用。出于载荷的轴对称性，且高压容器的轴向尺寸一般远人于直径，在工程应用上可以认为筒体的应力、应变分量沿轴向的各截面是不变的，即与z轴无关。因而,可以看成平面问题，利用Lame公式进行计算⑶。但是，一般尿素合成塔的内径与每筒节的高度相当,Lame公式屮轴向尺寸远大于直径这一前提条件不再满足。所以在进行筒体的应力应变分析时，环焊缝、封头端部分筒体的应力、应变分量沿轴向（z向）的各截面不再是恒定不变的,Lame公式己经不完全适合尿素合成塔的计算。另外,Lame公式假设多层包扎的层板之间是紧配合的，并按照单层厚壁容器

4、计算。但是,在实际制造过程屮，层板间的间隙是不可避免的。GBPT9842—2004《尿索合成塔技术条件》屮允许任一端部不贴合不大于lmm的最大径向间隙存在。多层板Z间的间隙容易使深环焊缝部位产生应力集屮，在蒸汽环境屮会发生应力腐蚀。对尿索合成塔应力状况进行计算和有限元分析，研究深环焊缝发生应力腐蚀的应力来源，对于采取措施、预防事故的发生具有指导意义。1.3尿素合成塔应力计算1.3.1尿素合成塔基本结构参数计算选取尿素合成塔内径，操作压力，操作温度，外壁实测温度。尿素合成塔由多层板筒节和上、下封头组成。多层结构出衬里层、盲板层、内筒和n层包扎层板构成。1.3.2筒

5、节中部层板理论应力计算1.3.2.1层板Z间没有间隙的情况对于层板间无间隙的理想悄况，由于层板间紧配合的作用，多层板结构可视为单层结构，深环焊缝部位受力状况与筒节中间多层板部位相同，可利用Lame公式对多层包扎容器进行设计计算周向应力轴向应力径向应力(1)(2)(3)1.3.2.2层板之间存在间隙的情况在尿素合成塔实际制造过程中，由于各层板厚度不同、层板表面粗糙、包扎时产生的偏差以及其他方而的原因，尿素合成塔会不可避免地存在层板间隙。当层板间存在间隙时,各层层板在内压的作用下，由内向外逐层贴合，齐层板的受力状况与单层容器明显不同,P.G.Pimshtein通过推

6、导给出相应计算公式［41575'576轴向应力为2“(4)周向应力和径向应力分别为6=其中+涨+i（Q）妇（0）2r_/i+厂［+i巧(0,_1)2(1—“2)(0£_1)1°2)召r.沐吩一乔丽Rip九；唸巧（硏j）j=frj式（1）〜式⑹中p尿索合成塔内压力;丿尿素合成塔内径;/；尿素合成塔外径；U材料的泊松比；E材料弹性模量；色第i层与i+1层板Z间的间隙;P壁厚范围内的任意半径；k层板数；r层板贴合到第j层时的半径。A+i=—Pj=-P=~ririri各层板假设为相同材料,将数据代入式（1）〜式（6）进行计算。结果对比可明显看出层板之间存在间隙的情况下，

7、各层板的应力状态与单层容器明显不同。内侧层板比单层同厚度厚壁容器应力值高，而外侧层板比单层同厚度厚壁容器应力值低，这一现象已经被实测证实14,576o已有研究表明，多层容器层板与封头连接的边缘处轴向应力明显提高。间隙的存在将使预应力值降低，这进一步影响到筒体整体的强度，特别是当存在周期性载荷时，其影响更为显著⑸o如果层间间隙较大，当尿素合成塔运行时外侧未贴合的层板不受力，相当于壁厚减薄。间隙引起的焊缝处高应力能促进疲劳裂纹的产生和扩展，最终导致整个设备的失效。在开车情况下尿素合成塔多层板存在温度梯度，且各层板厚度和材质不同，在层板Z间存在间隙的悄况下，各层板及环

8、焊缝焊趾部位的受力状况比