甲醇合成塔

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对甲醇合成塔选材的认识
1、介质对反应管材料的要求
由于一般的管壳式甲醇合成塔的管程介质是合成气，合成气会在一定的条件下与反应管中的的镍（Ni）反应生成羰基化合物，会导致催化剂失活，所以在设备设计的选材时，反应管应选具有含镍量较低的双相不锈钢，如ASME SA-789M标准中的S31803、S31500材料，其对应的国产双相钢材料为00Cr18Ni5Mo3N、 00Cr18Ni5Mo3Si2，在以前5万吨、8万吨和10万顿合成塔中也有所应用，近几年来由于甲醇项目的广泛开工，选用进口管材的比较多，但其供货周期较长。
国产管材的也较为普遍。在我公司进行某项目25万吨合成塔设计时，依据华东理工大学的合成工艺条件，选用直径为44mm，壁厚为2mm，管长为7米的S31803管子。
2、壳体材料的选择
在壳体材料选择方面，在10万吨及其10万吨以下的甲醇合成塔绝大多数是以13MnNiMoNbR为壳程筒体和加强段材料，在20万吨、25万吨和30万吨的大甲醇工程中基本上是以20MnMoNi55为壳体材料，这主要是二者的物理参数线膨胀系数与双相钢的匹配性不同，20MnMoNi55较13MnNiMoNiR的线膨胀系数要更接近于双相钢管材（线膨胀系数比较见下表），所以较大的甲醇合成塔中在设计选材时应优先选择20MnMoNi55作为壳体材料，因此在大多数合成塔设计时选择了以20MnMoNi55为加强段和壳程筒体材料，以减小由于管、壳程的温差产生的轴向热应力。
表：热膨胀系数α的对比表：
温度（℃）
                100        200        300
热膨胀系数α（10-6mm/℃）
        S31803
        13.00        13.50        14.00
        13MnNiMoNiR
        11.53        12.25        12.90
        20MnMoNi55
        12.7        13.20        13.60
三、壳侧结构的设计
由于在操作工况下，管内为放热反应，壳程侧为一锅炉水自循环系统，将管内反应产生的热量移走，所以锅炉水的循环越快，反应热移出越及时，越有利于合成温度的操作和控制，同时在沿列管轴向方向上温度梯度就越小，管、壳体的温差就越小，其管、壳体的轴向应力也就越小，设备也趋于安全、可靠。而为了保证壳侧锅炉水的循环效率，就必须对壳侧内支持板的数量和通水面积和通水孔的数量及分布形式有一定的要求。在国内某25万吨的合成塔设计中我们依据工艺条件布置了4300多根反应管，布置了500多个Φ44的通水孔，其通水面积基本上达到了6％，在通水孔的布置上既要考虑沿周边和六个半径方向上分布合理，尽量适当靠近设备中心轴线，这样不会出现循环死区，使得设备中心部位的反应管中的反应热也能迅速的移走，有利于同一截面上温度趋于相等。
另外，由于壳侧内支持板对反应管起到支撑作用，但过多数量的支持板存在会增加壳侧锅炉水的循环阻力，不利于壳侧锅炉水的循环，然而支持板的多少，也能是随意确定的，而是根据计算结果来确定，确切的讲是由管、壳程的平均壁温决定的。在国内众多的合成塔中大多数都是三块，然而也有个别的合成塔中为四块、甚至五块，这既增大了锅炉水循环的阻力，又增加了反应管的支撑刚性，所以在合成塔设计过程中，要根据管、壳程的平均壁温合理的设计支持板数量以及通水孔的数量和分布位置。
锅炉水质的要求
四、绝热层催化剂的装填高度对设备的影响
由于合成塔的产能是在一定的合成压力下，以催化剂的装填量为依据计算出来的，在管壳式绝热均温型的合成塔中，基本上都是在合成塔上管板之上装填一定高度的催化剂，在初始开车经过还原反应之后，催化剂下沉，但在管板之上还保持有一定的高度，同样也在进行着合成反应，其反应热是靠较低温度的入塔气来将反应热带走，如果绝热层过高，反应放出的热量就越多，入塔气不能及时带走较多的反应热，会使的管板以上绝热层部分的温度过高，加之双相钢适用的温度范围不能过高，所以会容易造成管与管板焊接接头“过烧”而产生泄漏，导致合成塔失效。所以确定合适的绝热层高度，对合成塔的安全运行亦很重要。
为了对绝热层和反应管内的温度进行控制，在合成塔上封头上设置两个管程内测温口，每一个测温口内装一个热电偶套管，每个套管中插入3个或4个热电偶，用于测定绝热层和反应管内不同高度处的热点温度，以更为准确的进行塔内温度的控制。
五、管板的选材及结构设计
由于甲醇合成塔属于较大型的化工过程设备，其管板的选材可有两种型式：一种是两面为对接式的整体锻件（如图1所示），材料可选20MnMo锻件；另一种是选用板材，与加强段为镶嵌式结构（如图2所示），可选与壳体材料相同的20MnMoNi55板材。而对接式锻件多用于设备尺寸较小、其优点是自动焊施焊方便，对焊缝可进行射线拍片检查。而对于设备尺寸较大、管板相对较薄的合成塔而言，从经济性上考虑，应选用板材作为管板，可显著的节约成本，而且管板与加强段之间为双面单边 “U”形坡口，全焊透结构，可对焊缝进行100％的超声波检测，保证焊缝的质量。


                     图1                                     图2

六、加强段及其与接管连接结构的设计
在壳侧靠近上下管板的区域隔开有六个壳侧锅炉进水口和蒸汽出口，为了整体补强的需要，可将壳体部分分为三段，其中中间一段按壳程内压进行计算其厚度，在靠近上下管板部分的壳体可取与管箱壳体厚度相同。一是考虑靠增加壳体壁厚进行整体补强，二是考虑为了承载管板与壳体之间存在的横向剪应力和弯矩的作用，消除局部应力，使得加强度对管板起到有效的支撑加强作用。
由于甲醇合成塔加强段的壁厚相对较大，若采用插入式接管，要保证全焊透结构，其焊接坡口较深，焊缝填充金属较大，相应的焊接残余应力也较大。为了改善这一不理因素，接管与加强段的连接采用了安放式结构（如图3所示）。为保证全焊透结构，接管锻件在粗加工时内径尺寸应留有一定的加工余量，待与加强段组焊后再镗孔至设计所需的尺寸以去除焊缝根部未熔透部分，确保焊根处全焊透。对于在其它部位的接管可采用插入式结构（如图4所示）。


图3                                       图4
七、几点加工制造要求
由于甲醇合成反应器筒体、封头、加强段和管板均为中厚板、厚板材料，封头材料为15CrMoR属Cr－Mo钢，壳体材料20MnMoNi55为Rm大于540MPa的高强钢，反应管材料为S31803双相不锈钢，所以材料强度级别高，加工制造工艺复杂。为保证设备的制造质量，从原材料采购、进厂复验到生产组织、过程控制等环节应严格把关，要重点做好下列几个关键点：一是管板堆焊要采取有效的防变形措施，控制过渡层的稀释率，确保面层的成份和组织；二是管板钻孔孔桥尺寸要保证在可控制的偏差范围之内，管板周边孔要进行精加工；三是封头成形形状要规则，热成形应附带焊接试板；四是筒体成形的园度、直线度控制以及加强段与筒体、管子的组装；五是管板与加强段镶嵌式焊接要保证全焊透，焊缝要避免夹杂、气孔、未融合等缺陷；六是管与管板接头的焊接和胀接以及密封性检查；七是要按照工艺规范严格控制焊前预热、焊后消氢以及焊缝层间温度；八是要制定合适的整体热处理和局部热处理的工艺规范，确保消除焊接残余应力的效果；九是要选择合理的无损检测方法、检测范围、比例和无损检测时机，如焊前坡口100％磁粉检查，设备热处理后和水压试验后对A、B类焊缝应进行超声波抽检等；十是耐压试验、气密试验和氨渗漏试验的的要求等。
总之，为了向用户提供质量优良、安全可靠的甲醇合成塔，在设计阶段不仅要合理选材和优化设计结构，而且还要针对该设备的材料控制、加工制造、焊接、热处理、无损检测以及总体组装等环节的提出具体要求，确保产品加工制造的工艺性和质量的可靠性。

天山雪莲

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youlong1008

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姚文高

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姚文高

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