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(diǎn)

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?dú)獍l(fā)生催化反應(yīng)來完成進(jìn)行氨合成的設(shè)備，整個(gè)合成過程是在高溫、高壓下進(jìn)行的，目前，工業(yè)上氨合成是在10.5Mpa-32.0Mpa的壓力進(jìn)行，由于氨成反應(yīng)熱較大。在450℃時(shí)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(duì)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(duì)有封頭的軸向有載荷作用，也有對(duì)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(jìn)行高壓筒體的應(yīng)力分析時(shí)，因?yàn)檩d荷具有一定的軸對(duì)稱性，同時(shí)高壓容器的軸向尺寸往往是大于直徑的，所以應(yīng)力重點(diǎn)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(rèn)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(yùn)行的，塔體筒體材料為16MnR時(shí)，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(qiáng)度發(fā)生劣化，嚴(yán)重的會(huì)使晶間斷裂，造成鋼材的表面脫碳。氫腐蝕會(huì)隨著溫度和壓強(qiáng)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(shí)際證明，溫度對(duì)其的影響大于壓強(qiáng)的影響，壓強(qiáng)增大主要會(huì)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(jī)械性能并沒有更加明顯的變化，我們還應(yīng)該注意到，此時(shí)的延性下降是可逆的。當(dāng)氫蝕繼續(xù)加深的時(shí)候，鋼體的脫碳將變得更加明顯，高壓甲烷將逐漸擴(kuò)展成為裂紋，此時(shí)就會(huì)造成不可逆的變化。一旦鋼材中的碳已耗盡，筒體的機(jī)械性能會(huì)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(huì)造成表面硬度的下降。氫蝕則會(huì)造成內(nèi)部脫碳以及開裂。在氫蝕發(fā)展到嚴(yán)重階段時(shí)，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(gè)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(shí)，氫蝕的反應(yīng)速度極慢，以至于度過氫蝕孕育期的時(shí)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(duì)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(jìn)入內(nèi)筒與第一層層板的貼合間隙后形成壓力腔，此時(shí)內(nèi)筒也受局部外壓作用，由于層板厚抗變形能力遠(yuǎn)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(shí)際生產(chǎn)中判斷筒體是否鼓包，一般是在更換觸媒時(shí)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(duì)塔體進(jìn)行全面檢查。首先應(yīng)該測(cè)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(cè)溫儀來進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)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(shí)間的自然冷卻后。相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)行查看時(shí)，要仔細(xì)觀察鼓包附近測(cè)溫點(diǎn)是否出現(xiàn)了裂縫。同時(shí)，應(yīng)對(duì)查閱氨合成塔運(yùn)行以來半個(gè)月的相應(yīng)操作記錄，仔細(xì)核對(duì)合成塔的壓力、溫度是否存在很大的波動(dòng)，一般出現(xiàn)鼓包情況，都是在整個(gè)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(yùn)行時(shí)間較短，生產(chǎn)流程中的各項(xiàng)參數(shù)波動(dòng)值很大，塔內(nèi)的壓力、溫度波動(dòng)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(dá)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(chǎng)的檢測(cè)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(duì)鼓包進(jìn)行測(cè)量、測(cè)厚、超探等檢驗(yàn)。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(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度完全已經(jīng)達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，此時(shí)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(diǎn)的材料進(jìn)入到了屈服階段，然而還沒有致使整個(gè)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(jìn)入到屈服階段的材質(zhì)，如果再進(jìn)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(kuò)展到整個(gè)截面并使之發(fā)生屈服，此時(shí)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(jìn)一步變形，不是立即發(fā)生破壞。只有發(fā)生爆破是會(huì)出現(xiàn)真正破壞叫做爆破失效。根據(jù)《壓力容器定期檢驗(yàn)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(kuò)展，而且不影響壓力容器安全使用的：可以定為3級(jí)；無法查明原因時(shí)或者雖查明原因但仍會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展的：定為4級(jí)或5級(jí)”的規(guī)定。經(jīng)仔細(xì)的檢測(cè)對(duì)鼓包設(shè)備安全等級(jí)評(píng)定為4級(jí)，提出以下處理意見：一是對(duì)鼓包處的裂紋進(jìn)行及時(shí)的返修，采取修磨成相對(duì)弧型狀，同時(shí)盡量減少間隙。二是要對(duì)鼓包的邊緣勾畫出具體位置輪廓，隨時(shí)判別鼓包的周圍是否有擴(kuò)展現(xiàn)象。三是對(duì)鼓包位置的最高處用鋼絲垂線保持2mm間隙，隨時(shí)測(cè)量鼓包位置的高度是否有增高。四是按時(shí)進(jìn)行壁溫測(cè)量并適當(dāng)控制產(chǎn)量，確保氨合成塔平穩(wěn)運(yùn)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(chǎng)操作人員要立即停產(chǎn)，泄壓降溫，同時(shí)進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)。

5結(jié)語

通過對(duì)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(duì)待此類情況應(yīng)注意三點(diǎn)，一是要注意控制間隙。二是要定期檢測(cè)和巡檢；三是要確保氨合成塔各項(xiàng)參數(shù)的平穩(wěn)，對(duì)于異常波動(dòng)要及早發(fā)現(xiàn)，及早處理。