整体锻焊式氨合成塔主要设备材料的选择及论证

整体锻焊式氨合成塔主要设备材料的选择及论证1.1氨合成塔材料的选择原则在氨合成塔设计过程中，选择材料是重要的一环。材料选择的正确与否，将直接影响到设备的成本、订货、材料消耗量以及设备能否长期安全运行等。通常选材时应当考虑以下几个方面：1．材料的资源符合国情、价格便宜、容易获得；2．使用安全，具有良好的综合机械性能。即强度高、塑性和抗断性好，以及有较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性；3．制造和加工性能良好；4．具有良好的抗氢、氮腐蚀的能力。由于氨合成塔的制造方法不同，各个组成部分工作条件不同，因而对材料的要求也不相同，例如对层板包扎式的内筒主要要求是：组织严密、质量好、强度高、延伸率大、冲击韧性好、可焊性好以及耐腐蚀等，而对层板则首先要求机械性能高及焊接性能良好。一般对筒体和内件以及废热锅炉用材还有如下具体要求：1．宜用电炉、平炉或氧气顶吹转炉冶炼的镇静钢；2．有良好的可焊性；3．除了要求在使用温度下有较高强度外，还应有良好的塑性(内筒的材料通常要比层板或钢带有更好的塑性)，一般要求内筒、层板及钢带，单层筒体；同时还须有良好的冲击韧性和较低的缺口敏感性；4．和介质直接接触的材料（如内筒和单层容器等），还必须具有抗氢、氮、氨腐蚀的性能；5．热稳定性好。1.2外筒材料的选择与论证1.2.1筒体材料的选择与论证整体锻焊式筒体常用材料有Q235-B，16Mn，Cr-Mo-V钢，SAE3230，SAE6130，AOS1135E等。本设计氨合成塔外筒的材料选择16Mn锻造用钢。由查机械设计手册（第一卷）第3篇可知16Mn的许用应力及机械性能如表4-1和表4-2。表4-116Mn的许用应力钢号锻件标准公称厚度mm常温强度指标/MPa在下列温度（℃）下的许用应力/MPa≤2010015020025030035040042545047516MnJB4726≤300450275150150147135129116110104936643表4-216Mn的力学性能公称厚度/mm热处理状态回火温度/℃/MPa/MPas/%AkV/J冲击实验温度/℃HB≤300N，N+T≥600450~600≥275≥20≥310121~17816Mn属普通低合金钢，具有良好的综合机械性能，塑性和焊接性能良好，冲击韧性较好，一般在热轧或正火状态下使用，强度比Q235钢高约20%~30%，耐大气耐腐蚀性能提高了20%~38%。锻造工艺性能及其它性能：始锻温度1220℃，终锻温度800℃，锻后900℃正火再冷却（空冷、砂冷或炉冷，可视尺寸不同而定），无回火脆性。焊接要求：焊接性尚属良好，锻件焊前应预热100~150℃。焊后，电弧焊需600~650℃回火，电渣焊焊后需900~930℃正火，600~650℃回火消除应力。焊条：手工焊焊条用结502、结506、结507；自动焊焊丝用H10Mn2、H10MnSiA、焊剂431；电渣焊焊丝用H08MnMoA，焊剂431，360。1.2.2端部法兰材料的选择与论证端部法兰常用材料为有16Mn，20MnMo，15MnMoV，18MnMoNb，14MnMoVB，15CrMo，14CrMnMoVB，12Cr3MoA等。本设计端部法兰材料选用16Mn锻造用钢。1.2.3底部封头材料的选择与论证封头常用材料为16Mn，20MnMo，15MnMoV，18MnMoNb，15CrMo等。本设计底部封头的材料选用16Mn锻造用钢。1.2.5主螺栓、主螺母及密封件材料的选择与论证通常螺栓与螺母应采用不同材料或同种材料但不同的热处理条件，使其具有不同的硬度，螺栓材料硬度应比螺母高30HB以上。本设计主螺栓的材料选用30CrMoA，主螺母的材料选用40MnB。电加热器端盖与顶盖间平垫密封平垫片材料常用退火铝、退火紫铜或10号钢，本设计选用退火铝。外筒与顶部封头间双锥密封双锥环可选用20、25、35、16Mn、20MnMo、15CrMo及0Cr18Ni9等材料，本设计选用16Mn。1.3内件材料选择及论证1.3.1内件用材的基本要求触媒筐部分处于高温下操作，选材时既要考虑到介质的腐蚀又要注意金属材料在高温时的一些特性。例如：碳钢在≥420℃时，会出现显著的蠕变。当温度愈高，作用的应力愈大时，蜕变的速度愈快。因蠕变而破坏的材料，其应力远远低于常温下的机械强度。因此在温度超过420℃选用碳钢；超过470℃选用耐热低合金钢；超过550℃选用奥氏体不锈钢，对不锈钢还必须考虑蠕变的影响。目前我国大、中型的氨合成塔内件一般采用1Cr18Ni9Ti，其抗氢腐蚀性能较好，但对抗氨化作用来说必须控制钢中钛含量的上限。一般控制在Ti>5×C%<0.7%刷的范围内。且因触媒筐操作温度正常时是在550℃以下，可不考虑其蠕变。1Cr18Ni9Ti钢虽然作为氨合成塔的内件材料有很多优点，但其价格昂贵，比碳钢价格高十几倍。为节省贵重钢材，我国许多小型氨合成塔内件在操作温度较低的部位，如底部换热器的外壳，底板，挡板等处，常采用含碳量较低的碳钢材料如10号钢等。对于三套管、双套管触媒筐下设列管换热器时，一般温度范围为：触媒筐内表面420~510℃冷管380~420℃多孔板400~500℃分气盒300~500℃换热器上管板300~480℃换热器管子250~480℃换热器下管板140~220℃内连接件100~500℃1.3.2内件各零部件材料的选择及论证表4-3内件各零部件材料零部件名称可使用的材料本设计选用的材料触媒筐外壳低碳钢、微碳纯铁、Cr5Mo、1Cr18Ni9、06WNb、10MoWNb、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti冷管碳钢、10、20CrMoA、Cr5Mo、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、SAE6120等1Cr18Ni9Ti中心管10、15CrMo、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti触媒筐盖及法兰SAE6120、20CrMoA、35CrMo、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti多孔板SAE6120、20CrMoA、ZG1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti分气盒低碳钢、微碳纯铁、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti列管换热器上管板1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti下管板10、15、20、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti管子08、10、20、25、Cr5Mo、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti折流板Q235-A、10、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等1Cr18Ni9Ti换热器外壳低碳钢、10、15、1Cr18Ni9Ti10托盘ZG15、ZG25、20CrMo、35CrMo、1Cr18Ni9Ti等35CrMo紧固件螺栓碳钢、35CrMo、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等1Cr17螺母1Cr17、1Cr18Ni9Ti等1Cr17铁丝网Q235-A、1Cr18Ni9Ti、镀锌铁丝等Q235-A耐火球10、Q235-AQ235-A1Cr18Ni9Ti机械强度，高温性能，塑性都较好，且有以下特点：1．有加工硬化现象，材料冷加工后，其机械强度提高而塑性和韧性显著降低，带来加工困难，不易冷卷，剪切和切削加工。2．熔点较碳钢低，而电阻率较碳钢大，有利于焊接。但导热性差，其导热系数仅为碳钢的1/4，热膨胀系数又很大，约为碳钢的1.5倍。这就给焊接带来了困难：由于导热性差，焊接时易造成局部过热倾向严重，而且由于冷却缓慢，易析出碳化物。1Cr18Ni9Ti中的Ti含量容易烧损，此外，由于热膨胀系数大而导热性差，在焊接时易变形或造成较大的焊后内应力。焊后变形的矫正相当困难，而且有可能产生裂缝。3．1Cr18Ni9Ti中的Cr、Ti元素极易在高温下与空气中的氧、氮作用，因而焊接时还要保护液体金属，使其不受空气中的氧、氮的作用，为减轻上述倾向，1Cr18Ni9Ti的焊接，如用手工焊，则最好用反接直流电焊，直流电孤较稳定，而正极的温度高于负极，用反接极（焊条接正极，焊件接负极）焊接时，可减轻被焊金属过热，并缩小焊接的热影响区。为防止焊缝金属被氧化，氮化和氢化，焊接时还常采用惰性气体保护焊，最常用的是氩气保护。修复不锈钢内件时应先加热到600~650℃，再进行焊接。4．在结构上应尽量采用对接焊缝和等厚焊，使焊接两边的金属受热均匀，以防止合金元素过烧。同时尽量采用挠性结构，即拐弯处不用直角，而用一个圆弧过渡，使焊接收缩时可以改变半径的大小来达到变形的目的，由此减少焊缝的内应力，因此，过渡圆弧不可过小，一般略3倍壁厚。1.3.3内件焊接材料的选择焊条或焊丝一般的是采用和母材相似的材料。1Cr18Ni9Ti之间采用TA1Nb-2，TA1-2或奥302焊条等；1Cr18Ni9Ti与碳钢之间用TA3-7焊条焊接；16Mn与碳钢之间用T507焊条。1.3.4保温铁皮材料的选择触媒筐和换热器的外壳保温铁皮通常是用1~2毫米不锈钢板或10号钢板。铁皮太薄，焊接困难，使用中易开裂从而引起外壳壁温升高。由于此处与进塔冷气接触，温度较低可用普通碳钢以节省不锈钢材。本设计选用Q235-A。1.3.5保温层材料的选择氨合成塔内件的保温起着减少合成氨反应的热损耗，以及保护外筒免受高温等作用，因此，保温材料性能好坏对氨合成塔正常操作及提高氨产量起着一定的作用，同时保温层的厚薄也直接的影响到触媒的装填量。因而也将影响到氨的产量。一般对保温材料的要求：1．导热系数小；2．耐高温；3．施工方便。我国在氨合成塔内件中，常使用的保温材料有石棉布，玻璃棉，有碱或无碱超细玻璃棉，也曾用过耐热混凝土（主要用于分气盒保温）。比较新的保温材料有高硅氧玻璃纤维，这种保温材料导热系数低（0.03~0.04千卡/米·小时·度）。它可以缩小保温层厚度，原用石棉布保温厚度为22毫米，而采用高硅氧玻璃纤维只