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1氨合成塔高壓筒體結構特點

氨的合成研究較深，發展較早，已經具有近七十年歷史的典型高壓催化反應。在氨廠所有設備中，氨合成塔是合成氨生產過程中的關鍵設備，被稱為合成氨廠的心臟，合成氨的生產是由氫氣和氮氣發生催化反應來完成進行氨合成的設備，整個合成過程是在高溫、高壓下進行的，目前，工業上氨合成是在10.5Mpa-32.0Mpa的壓力進行，由于氨成反應熱較大。在450℃時每生成1mol氨可放出54.5kj的反應熱，或相當于產生低壓飽和蒸汽的1.44t/tNH3的熱量；由于熱回收設備存在溫差損失，反應熱不能完全回收，通常僅能回收反應熱的50%～90%。為防止高溫、高壓環境以及氫氣對鋼材的快速腐蝕，氨合成塔通常都是由耐高壓的封頭、耐高溫的內件及維持合適溫度條件的換熱器等組成。高壓容器的筒體能夠當作是厚壁圓筒模型來看待。內壓作用的情況下，除了有對有封頭的軸向有載荷作用，也有對筒體有沿軸向對稱載荷，為此，立體問題適用于高壓容器的圓筒應力。在進行高壓筒體的應力分析時，因為載荷具有一定的軸對稱性，同時高壓容器的軸向尺寸往往是大于直徑的，所以應力重點是特指筒體上除封頭端外面的部分。在工程應用上一般能夠認為這部分筒體的應力分量沿軸向是不變的，可看成平面問題。高壓容器的筒體通常是厚壁圓筒，大量的厚壁容器鼓包結果表明，塑性較好的材料做成的厚壁容器，從承受壓力到發生爆破。

2內襯筒體鼓包原因

氨合成塔是在高溫高壓下反應介質為H2和N2中運行的，塔體筒體材料為16MnR時，在高溫高壓條件，氫和低合金鋼種不穩定的碳化物能夠反應生成反應，生成甲烷，（FeC＋2H2→CH4＋3Fe）可能在非金屬夾雜處發生聚集，使鋼的韌性和強度發生劣化，嚴重的會使晶間斷裂，造成鋼材的表面脫碳。氫腐蝕會隨著溫度和壓強的增加而增高。在高壓氫中250℃以上就有可能發生脫碳現象，實際證明，溫度對其的影響大于壓強的影響，壓強增大主要會使氫蝕的作用加速。氫蝕一旦發生都是經過一定的孕育和性能變化過程的。在孕育階段，僅僅是延展性有所下降，筒體本身的機械性能并沒有更加明顯的變化，我們還應該注意到，此時的延性下降是可逆的。當氫蝕繼續加深的時候，鋼體的脫碳將變得更加明顯，高壓甲烷將逐漸擴展成為裂紋，此時就會造成不可逆的變化。一旦鋼材中的碳已耗盡，筒體的機械性能會發生急劇下降。氫和碳化物的反應可能表現為脫碳，也可能表現為氫蝕。脫碳僅僅會造成表面硬度的下降。氫蝕則會造成內部脫碳以及開裂。在氫蝕發展到嚴重階段時，材料的外觀就可能直接觀察到破損的跡象。在一定的氫分壓作用下，鋼中的滲碳體受氫破壞存在著一個最低溫度，即鋼材發生氫蝕的起始溫度，當溫度低于起始溫度時，氫蝕的反應速度極慢，以至于度過氫蝕孕育期的時間將超過設備的正常使用壽命。筒材料在長期承受高溫高壓過程中存在超溫現象、材料本身存在過熱情況以及設備在制造過程中存在的缺陷，過熱必然造成材料性下降。對于筒節而言，并未出現裂紋，在高溫高壓氫腐蝕環境中，母材較焊接接頭發生氫腐蝕的損傷小。當筒體縱縫中的裂紋慣出后，內筒高壓介質進入內筒與第一層層板的貼合間隙后形成壓力腔，此時內筒也受局部外壓作用，由于層板厚抗變形能力遠大于內筒，在局部外壓作用下，使內筒在該部位發生向內變形，產生鼓包。

3高壓筒體鼓包檢查情況及原因分析

由于合成塔有外保溫層，而鼓包大多發生在合成塔內。為此，實際生產中判斷筒體是否鼓包，一般是在更換觸媒時發現的。一旦發現氨合成塔高壓筒體鼓包后，要立即采取緊急措施，并對塔體進行全面檢查。首先應該測量筒體外殼厚度以及硬度，看筒體外殼在高溫材料是否已經發生明顯下降。其次是采用磁粉、超聲波測溫儀來進行詳細的測定合成塔的損壞程度。通常情況下，鼓包部位都可能伴有過熱現象，如果鼓包處的外殼的顏色已經變為紅棕色，那么說明筒體已經發生現過熱現象。在經過一段時間的自然冷卻后。相關技術人員進入爐內進行查看時，要仔細觀察鼓包附近測溫點是否出現了裂縫。同時，應對查閱氨合成塔運行以來半個月的相應操作記錄，仔細核對合成塔的壓力、溫度是否存在很大的波動，一般出現鼓包情況，都是在整個系統的各類參數變化都極不平穩的情況下出現的。經分析，我們能夠判斷出，高壓筒體發生鼓包的原因是由于氨合成塔運行時間較短，生產流程中的各項參數波動值很大，塔內的壓力、溫度波動氛圍超過臨界值，化學反應脫碳等綜合原因造成了高溫高壓氣體穿過絕熱層到達塔殼，過壓造成高壓筒體部分產生鼓包。

4高壓筒體鼓包現場的檢測及處理

鼓包的原因判斷清楚后，最關鍵問題在于判斷材質的損壞程度。當對鼓包進行測量、測厚、超探等檢驗。判斷鼓包為彈性失效、塑性失效還是爆破失效。如果器壁上最大點的應力強度完全已經達到材料的屈服強度，此時容器可能要喪失正常的工作能力，我們將這失效稱為彈性失效。如果器壁上應力最大點的材料進入到了屈服階段，然而還沒有致使整個容器的破壞，另外的其他部分金屬依然在彈性狀態之中。進入到屈服階段的材質，如果再進一步發生變形依然能夠受到金屬的限制。如果塑性區擴展到整個截面并使之發生屈服，此時的容器要失去正常的工作能力。我們將這種失效稱為塑性失效。如果材料屈服后再進一步變形，不是立即發生破壞。只有發生爆破是會出現真正破壞叫做爆破失效。根據《壓力容器定期檢驗規則》“使用過程中產生的鼓包，應當查明原因，判斷其穩定狀況，如果能查清鼓包的起因并且確定其不再擴展，而且不影響壓力容器安全使用的：可以定為3級；無法查明原因時或者雖查明原因但仍會繼續擴展的：定為4級或5級”的規定。經仔細的檢測對鼓包設備安全等級評定為4級，提出以下處理意見：一是對鼓包處的裂紋進行及時的返修，采取修磨成相對弧型狀，同時盡量減少間隙。二是要對鼓包的邊緣勾畫出具體位置輪廓，隨時判別鼓包的周圍是否有擴展現象。三是對鼓包位置的最高處用鋼絲垂線保持2mm間隙，隨時測量鼓包位置的高度是否有增高。四是按時進行壁溫測量并適當控制產量，確保氨合成塔平穩運行。五是要制定出明確的應急預案，一旦再次發生鼓包不穩定的情況，現場操作人員要立即停產，泄壓降溫，同時進行詳細的檢測。

5結語

通過對氨合成塔高壓筒體鼓包原因的分析，能夠做出更加客觀、積極、正確的處理，此外，還能夠從鼓包事故中要吸取教訓，對待此類情況應注意三點，一是要注意控制間隙。二是要定期檢測和巡檢；三是要確保氨合成塔各項參數的平穩，對于異常波動要及早發現，及早處理。