高压筒体鼓包化学工程论文

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1氨合成塔高压筒体结构特点

氨的合成研究较深，发展较早，已经具有近七十年历史的典型高压催化反应。在氨厂所有设备中，氨合成塔是合成氨生产过程中的关键设备，被称为合成氨厂的心脏，合成氨的生产是由氢气和氮气发生催化反应来完成进行氨合成的设备，整个合成过程是在高温、高压下进行的，目前，工业上氨合成是在10.5Mpa-32.0Mpa的压力进行，由于氨成反应热较大。在450℃时每生成1mol氨可放出54.5kj的反应热，或相当于产生低压饱和蒸汽的1.44t/tNH3的热量；由于热回收设备存在温差损失，反应热不能完全回收，通常仅能回收反应热的50%～90%。为防止高温、高压环境以及氢气对钢材的快速腐蚀，氨合成塔通常都是由耐高压的封头、耐高温的内件及维持合适温度条件的换热器等组成。高压容器的筒体能够当作是厚壁圆筒模型来看待。内压作用的情况下，除了有对有封头的轴向有载荷作用，也有对筒体有沿轴向对称载荷，为此，立体问题适用于高压容器的圆筒应力。在进行高压筒体的应力分析时，因为载荷具有一定的轴对称性，同时高压容器的轴向尺寸往往是大于直径的，所以应力重点是特指筒体上除封头端外面的部分。在工程应用上一般能够认为这部分筒体的应力分量沿轴向是不变的，可看成平面问题。高压容器的筒体通常是厚壁圆筒，大量的厚壁容器鼓包结果表明，塑性较好的材料做成的厚壁容器，从承受压力到发生爆破。

2内衬筒体鼓包原因

氨合成塔是在高温高压下反应介质为H2和N2中运行的，塔体筒体材料为16MnR时，在高温高压条件，氢和低合金钢种不稳定的碳化物能够反应生成反应，生成甲烷，（FeC＋2H2→CH4＋3Fe）可能在非金属夹杂处发生聚集，使钢的韧性和强度发生劣化，严重的会使晶间断裂，造成钢材的表面脱碳。氢腐蚀会随着温度和压强的增加而增高。在高压氢中250℃以上就有可能发生脱碳现象，实际证明，温度对其的影响大于压强的影响，压强增大主要会使氢蚀的作用加速。氢蚀一旦发生都是经过一定的孕育和性能变化过程的。在孕育阶段，仅仅是延展性有所下降，筒体本身的机械性能并没有更加明显的变化，我们还应该注意到，此时的延性下降是可逆的。当氢蚀继续加深的时候，钢体的脱碳将变得更加明显，高压甲烷将逐渐扩展成为裂纹，此时就会造成不可逆的变化。一旦钢材中的碳已耗尽，筒体的机械性能会发生急剧下降。氢和碳化物的反应可能表现为脱碳，也可能表现为氢蚀。脱碳仅仅会造成表面硬度的下降。氢蚀则会造成内部脱碳以及开裂。在氢蚀发展到严重阶段时，材料的外观就可能直接观察到破损的迹象。在一定的氢分压作用下，钢中的渗碳体受氢破坏存在着一个最低温度，即钢材发生氢蚀的起始温度，当温度低于起始温度时，氢蚀的反应速度极慢，以至于度过氢蚀孕育期的时间将超过设备的正常使用寿命。筒材料在长期承受高温高压过程中存在超温现象、材料本身存在过热情况以及设备在制造过程中存在的缺陷，过热必然造成材料性下降。对于筒节而言，并未出现裂纹，在高温高压氢腐蚀环境中，母材较焊接接头发生氢腐蚀的损伤小。当筒体纵缝中的裂纹惯出后，内筒高压介质进入内筒与第一层层板的贴合间隙后形成压力腔，此时内筒也受局部外压作用，由于层板厚抗变形能力远大于内筒，在局部外压作用下，使内筒在该部位发生向内变形，产生鼓包。

3高压筒体鼓包检查情况及原因分析

由于合成塔有外保温层，而鼓包大多发生在合成塔内。为此，实际生产中判断筒体是否鼓包，一般是在更换触媒时发现的。一旦发现氨合成塔高压筒体鼓包后，要立即采取紧急措施，并对塔体进行全面检查。首先应该测量筒体外壳厚度以及硬度，看筒体外壳在高温材料是否已经发生明显下降。其次是采用磁粉、超声波测温仪来进行详细的测定合成塔的损坏程度。通常情况下，鼓包部位都可能伴有过热现象，如果鼓包处的外壳的颜色已经变为红棕色，那么说明筒体已经发生现过热现象。在经过一段时间的自然冷却后。相关技术人员进入炉内进行查看时，要仔细观察鼓包附近测温点是否出现了裂缝。同时，应对查阅氨合成塔运行以来半个月的相应操作记录，仔细核对合成塔的压力、温度是否存在很大的波动，一般出现鼓包情况，都是在整个系统的各类参数变化都极不平稳的情况下出现的。经分析，我们能够判断出，高压筒体发生鼓包的原因是由于氨合成塔运行时间较短，生产流程中的各项参数波动值很大，塔内的压力、温度波动氛围超过临界值，化学反应脱碳等综合原因造成了高温高压气体穿过绝热层到达塔壳，过压造成高压筒体部分产生鼓包。

4高压筒体鼓包现场的检测及处理

鼓包的原因判断清楚后，最关键问题在于判断材质的损坏程度。当对鼓包进行测量、测厚、超探等检验。判断鼓包为弹性失效、塑性失效还是爆破失效。如果器壁上最大点的应力强度完全已经达到材料的屈服强度，此时容器可能要丧失正常的工作能力，我们将这失效称为弹性失效。如果器壁上应力最大点的材料进入到了屈服阶段，然而还没有致使整个容器的破坏，另外的其他部分金属依然在弹性状态之中。进入到屈服阶段的材质，如果再进一步发生变形依然能够受到金属的限制。如果塑性区扩展到整个截面并使之发生屈服，此时的容器要失去正常的工作能力。我们将这种失效称为塑性失效。如果材料屈服后再进一步变形，不是立即发生破坏。只有发生爆破是会出现真正破坏叫做爆破失效。根据《压力容器定期检验规则》“使用过程中产生的鼓包，应当查明原因，判断其稳定状况，如果能查清鼓包的起因并且确定其不再扩展，而且不影响压力容器安全使用的：可以定为3级；无法查明原因时或者虽查明原因但仍会继续扩展的：定为4级或5级”的规定。经仔细的检测对鼓包设备安全等级评定为4级，提出以下处理意见：一是对鼓包处的裂纹进行及时的返修，采取修磨成相对弧型状，同时尽量减少间隙。二是要对鼓包的边缘勾画出具体位置轮廓，随时判别鼓包的周围是否有扩展现象。三是对鼓包位置的最高处用钢丝垂线保持2mm间隙，随时测量鼓包位置的高度是否有增高。四是按时进行壁温测量并适当控制产量，确保氨合成塔平稳运行。五是要制定出明确的应急预案，一旦再次发生鼓包不稳定的情况，现场操作人员要立即停产，泄压降温，同时进行详细的检测。

5结语

通过对氨合成塔高压筒体鼓包原因的分析，能够做出更加客观、积极、正确的处理，此外，还能够从鼓包事故中要吸取教训，对待此类情况应注意三点，一是要注意控制间隙。二是要定期检测和巡检；三是要确保氨合成塔各项参数的平稳，对于异常波动要及早发现，及早处理。