高壓筒體鼓包化學(xué)工程論文

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1氨合成塔高壓筒體結(jié)構(gòu)特點

氨的合成研究較深，發(fā)展較早，已經(jīng)具有近七十年歷史的典型高壓催化反應(yīng)。在氨廠所有設(shè)備中，氨合成塔是合成氨生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，被稱為合成氨廠的心臟，合成氨的生產(chǎn)是由氫氣和氮氣發(fā)生催化反應(yīng)來完成進行氨合成的設(shè)備，整個合成過程是在高溫、高壓下進行的，目前，工業(yè)上氨合成是在10.5Mpa-32.0Mpa的壓力進行，由于氨成反應(yīng)熱較大。在450℃時每生成1mol氨可放出54.5kj的反應(yīng)熱，或相當(dāng)于產(chǎn)生低壓飽和蒸汽的1.44t/tNH3的熱量；由于熱回收設(shè)備存在溫差損失，反應(yīng)熱不能完全回收，通常僅能回收反應(yīng)熱的50%～90%。為防止高溫、高壓環(huán)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(nèi)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(dāng)作是厚壁圓筒模型來看待。內(nèi)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?qū)ΨQ載荷，為此，立體問題適用于高壓容器的圓筒應(yīng)力。在進行高壓筒體的應(yīng)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(yīng)力重點是特指筒體上除封頭端外面的部分。在工程應(yīng)用上一般能夠認為這部分筒體的應(yīng)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(jié)果表明，塑性較好的材料做成的厚壁容器，從承受壓力到發(fā)生爆破。

2內(nèi)襯筒體鼓包原因

氨合成塔是在高溫高壓下反應(yīng)介質(zhì)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(wěn)定的碳化物能夠反應(yīng)生成反應(yīng)，生成甲烷，（FeC＋2H2→CH4＋3Fe）可能在非金屬夾雜處發(fā)生聚集，使鋼的韌性和強度發(fā)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(fā)生脫碳現(xiàn)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(fā)生都是經(jīng)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(yīng)該注意到，此時的延性下降是可逆的。當(dāng)氫蝕繼續(xù)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(fā)生急劇下降。氫和碳化物的反應(yīng)可能表現(xiàn)為脫碳，也可能表現(xiàn)為氫蝕。脫碳僅僅會造成表面硬度的下降。氫蝕則會造成內(nèi)部脫碳以及開裂。在氫蝕發(fā)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(fā)生氫蝕的起始溫度，當(dāng)溫度低于起始溫度時，氫蝕的反應(yīng)速度極慢，以至于度過氫蝕孕育期的時間將超過設(shè)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(xiàn)象、材料本身存在過熱情況以及設(shè)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(jié)而言，并未出現(xiàn)裂紋，在高溫高壓氫腐蝕環(huán)境中，母材較焊接接頭發(fā)生氫腐蝕的損傷小。當(dāng)筒體縱縫中的裂紋慣出后，內(nèi)筒高壓介質(zhì)進入內(nèi)筒與第一層層板的貼合間隙后形成壓力腔，此時內(nèi)筒也受局部外壓作用，由于層板厚抗變形能力遠大于內(nèi)筒，在局部外壓作用下，使內(nèi)筒在該部位發(fā)生向內(nèi)變形，產(chǎn)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(fā)生在合成塔內(nèi)。為此，實際生產(chǎn)中判斷筒體是否鼓包，一般是在更換觸媒時發(fā)現(xiàn)的。一旦發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(jīng)發(fā)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(xiàn)象，如果鼓包處的外殼的顏色已經(jīng)變?yōu)榧t棕色，那么說明筒體已經(jīng)發(fā)生現(xiàn)過熱現(xiàn)象。在經(jīng)過一段時間的自然冷卻后。相關(guān)技術(shù)人員進入爐內(nèi)進行查看時，要仔細觀察鼓包附近測溫點是否出現(xiàn)了裂縫。同時，應(yīng)對查閱氨合成塔運行以來半個月的相應(yīng)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(xiàn)鼓包情況，都是在整個系統(tǒng)的各類參數(shù)變化都極不平穩(wěn)的情況下出現(xiàn)的。經(jīng)分析，我們能夠判斷出，高壓筒體發(fā)生鼓包的原因是由于氨合成塔運行時間較短，生產(chǎn)流程中的各項參數(shù)波動值很大，塔內(nèi)的壓力、溫度波動氛圍超過臨界值，化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)生鼓包。

4高壓筒體鼓包現(xiàn)場的檢測及處理

鼓包的原因判斷清楚后，最關(guān)鍵問題在于判斷材質(zhì)的損壞程度。當(dāng)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(yīng)力強度完全已經(jīng)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(yīng)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(tài)之中。進入到屈服階段的材質(zhì)，如果再進一步發(fā)生變形依然能夠受到金屬的限制。如果塑性區(qū)擴展到整個截面并使之發(fā)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(fā)生破壞。只有發(fā)生爆破是會出現(xiàn)真正破壞叫做爆破失效。根據(jù)《壓力容器定期檢驗規(guī)則》“使用過程中產(chǎn)生的鼓包，應(yīng)當(dāng)查明原因，判斷其穩(wěn)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(xù)擴展的：定為4級或5級”的規(guī)定。經(jīng)仔細的檢測對鼓包設(shè)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(xiàn)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(dāng)控制產(chǎn)量，確保氨合成塔平穩(wěn)運行。五是要制定出明確的應(yīng)急預(yù)案，一旦再次發(fā)生鼓包不穩(wěn)定的情況，現(xiàn)場操作人員要立即停產(chǎn)，泄壓降溫，同時進行詳細的檢測。

5結(jié)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(xùn)，對待此類情況應(yīng)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(shù)的平穩(wěn)，對于異常波動要及早發(fā)現(xiàn)，及早處理。