1前言
18万t／a合成氨双层热套卷焊结构氨合成塔外壳是中型化肥厂改造扩建中的关键设备。由东方锅炉(集团)股份有限公司(以下简称东方锅炉)设计、制造的双层热套氨合成塔外壳目前已在湖南岳阳化肥厂稳定投运。
2设计参数与尺寸
氨合成塔外壳是高温、高压设备，其设计参数如下：
设计压力／mpa 31.4
设计温度／℃ 筒体200，底部400
工作介质n2、h2、ch4、nh3、ar
设备内径／mm 1600
腐蚀裕度／mm 1
设备容积／m331.9
密封形式 双锥(设备大开口)
容器类别 三类
氨合成塔外壳顶部采用圆形平盖与端部法兰之间用30个m115×4的大螺栓紧固，双锥密封结构。平盖外径为ø2182mm，厚度δ560mm(外缘h＝501mm)。螺栓圆直径为ø1952mm，材料为20mnmo。端部法兰采用20mnmo锻件，其尺寸为ø2182／ø1600mm，h＝880mm，离端面400mm处均分4个冷气分布接口，端部法兰与长度为l＝14463mm的筒体相接。双层热套筒体由8节厚度δ≥156mm的筒节组成。筒身材料为西德细晶粒低合金高强钢13mnnimo54，筒身与底部球形封头相焊。球形封头采用单层厚度δ145mm的13mnnimo54材料冲压成形，球形封头中心焊有dn360mm的中心接管，四周开有dn150mm卸触媒接口与分流气入口各2个,结构密集紧凑。中心接管与底部“四通”采用大口径0cr18ni9不诱钢透镜垫连接密封。氨合成塔外壳外型示意图见图1所示。
3设计与分析
该氨合成塔外壳的对外连接以及与内件相连接的接口均集中在顶部和底部，中间筒体不作开孔。结构设计要点：顶部的关键是dn1600mm大开口的双锥密封结构，其次是
中部筒体的双层热套结构及底部封头上5个大口径接管的结构处理。现分别加以叙述。
3.1顶部结构设计
首先是螺栓设计。初步考虑m105×4、m115×4和m125×4这3种螺栓直径作对比设计。双锥密封结构螺栓中心圆直径，在gb150中对端部结构推荐有简便公式：db≥d1+1.5d螺。db——螺栓中心直径，mm;d1——双锥密封槽外径，mm;d螺——螺栓公称直径，mm。按简便公式与考虑液压拉伸器操作空间后的螺栓中心圆直径分别计算的结果列于表1。
从表1可以看出，当采用液压拉伸时，按gb150计算的螺栓中心圆直径下限偏小。考虑到m125×4大直径螺栓的攻丝及端部法兰的刚性等问题，本设计最终确定采用30个m115×4的大螺栓连接尺寸。
接着是大开口的密封设计。dn1600mm大开口密封结构是高温、高压容器中密封直径较大的尺寸。决定采用半自紧式双维密封结构以适应高温、高压且有波动工况的需要。由于设备直径达dn1600mm，国内无法解决宽幅面,δ＝1mm薄纯铝板作为软金属覆盖双锥环硬金属面。因此,本设计采用厚度为0.5 mm柔性石墨胶带作为软覆面材料。在密封计算中发现无法正确应用柔性石墨胶带的比压力y，在实际计算书中仍采用了铝板的比压力y作为计算依据。据资料《密封材料手册》介绍，在金属垫片的两侧贴膨胀石墨带后的垫片系数可取m＝2，比压力y＝7～14mpa，gb150中纯铝软垫片的垫片系数m＝4，比压力y＝60.7mpa。本设计以柔性石墨胶带代替退火铝为软垫片，两者密封特性参数有所不同，但计算结果说明以前者代后者是可行的，其依据为下述3个方面：
(1)由于按预紧状态下计算的主螺栓载荷wa较操作状态下计算的主螺栓载荷wp要相差一个数量级，故所需螺栓总载荷绝对
取决于wp，而软垫片比压力y只影响预紧状态下的螺栓载荷wa的数值。
(2)操作状态下主螺栓载荷wp＝f＋fp＋fc，其中起主导作用的载荷为内压引起的总轴向力f。本塔计算3个载荷的比例为f∶fp∶fc＝49.3∶1.26∶1。而轴向力f仅与密封中心圆dg及设计压力p相关。其垫片的密封特性参数对总载荷的影响很小。
(3)由于gb150中没有提供双锥密封所用柔性石墨垫的密封特性参数m,y及ρ，而其它资料提供不统一的数值又不便于列入强度计算书文件。
从以上3方面考虑,强度计算书中仍以铝垫特性参数作为计算依据是可以的。密封面粗糙度为3.2μm，大直径塔器水压试验保压期间均未发现任何渗漏或冒汗现象，说明采用柔性石墨带软垫代替铝垫是成功的，密封面加工只需3.2μm，而无需1.6μm，对大直径密封面的机加工具有一定的意义。因此，建议在gb150中补充柔性石墨胶带的比压力y、垫片系数m及钢对柔性石墨胶带的磨擦角ρ的实际数值，以满足双锥密封计算的需要。
3.2双层热套筒体设计
本氨塔外壳筒体采用西德细晶粒高强度钢板13mnnimo54，筒体设计厚度为δd＝146mm,筒体名义厚度δn≥156mm。由于卷板能力的限制，采用热套工艺解决筒体的制造。筒体为双层热套，单层毛坯厚度δm＝90mm，套合面机加工，以保证套合接触面的良好贴合，内筒内壁面也进行了机加工，以使组合筒身满足设备严格的中心度要求及内件与筒壁内径环隙之均匀。
西德13mnnimo54材料的化学成份与机械性能如表2、表3所示。
筒体全长l＝14463mm，共分为8节，其中6节筒节长度为1900mm。筒节长度可按钢板宽度而定，但不宜过短，否则环缝数增加使成本、工时增加，同时给保证筒体的中心度增加了难度。
双层热套筒体设计的重点是套合过盈量的确定。采用太小的套合过盈量时，筒体套合面不能达到较好的紧贴，使力量的传递不均，局部不贴合处会产生局部的附加弯矩，从而降低内筒的疲劳寿命。过大的过盈量使套合工艺难度增大，套合面接触应力过大，甚至超过材料的屈服强度。本筒体设定的过盈量为δd＝(1‰～2‰)d。采取偏小的过盈量值是总结以往工厂大量热套容器的制造经验而确定的。套合面加工11级精度，粗糙度为12.5μm，一般机床均可满足图纸要求。实践证明，套合面贴合紧密，坡口面目观无任何缝隙，同时止裂焊缝坡口加工后其根部亦无任何缝隙，说明套合工艺满足设计的要求。
本筒体所设定的过盈量在未经消应热处理及经消应热处理后承压时内筒内壁处、外筒内壁处及其组合应力均作了计算。未经消应热处理时：其内筒内壁处套合应力σt内内
30.88mpa(套合残余应力按50mpa计算)。以上应力均小于材料屈服强度σs＝390mpa。过盈套合的应力通过消除应力热处理后可大部分消除掉。东方锅炉以前试验测定，经消应处理后的残余套合应力一般均≤50mpa，该应力对实际使用没有不利影响。
3.3底部球封头设计
底部球封头的设计厚度δd＝70mm。由于筒身名义厚度δn≥156mm，若按等强度设计，则造成很大的厚度差。考虑到底部环缝的焊接要求，球形封头冲压后端部有8%～10%左右的增厚，故采用δ145mm的13mnnimo54厚板整体冲压成形，以便使球形封头与筒体接近等厚连接。富裕的金属量对底封头上5个开孔起到积极的整体补强作用。底封头中心设置了dn360mm的大开孔，内件的中心管将插入孔内组合密封。距离中心线550mm对称布置2个dn150mm卸触媒孔，距离中心线500mm对称布置2个dn150mm分气流入口孔。5个接口与球形封头的焊接均采用全焊透结构，并均作100%ut、mt检查，保证接管焊缝的质量。dn360mm中心孔接管与下部“四通”的连接采用0cr18ni9不锈钢透镜垫密封连接。其直径已超过标准推荐dn10～dn150的直径范围。
4加工制造工艺措施与技术
4.1加工工艺难点
本氨塔属高温、高压、大直径、厚壁、大开孔设备，内件与外壳配合要求高，加工难度大，主要工艺难点有：
(1)塔体总长l＝19260mm，直线度要求≤6mm。
(2)顶部为平盖、双锥密封，底部密集大接管开孔，均为透镜密封形式，机加工难度大。
(3)该设备有m115×4，m80×4，m64×4，m54，m39，m36等盲孔攻丝；m460×6，m265×6，m215×6等螺纹加工。
(4)筒体为双层热套结构，筒节卷制加工精度要求高。
(5)各接口均为可拆卸螺栓联接。底部密集大接管开孔，组装要求高，焊接难度大。
4.2加工工艺措施
4.2.1顶盖
2182mm，h＝560mm，净重13680kg，毛重约20t，其上布置1-ø270，1-ø112，1-ø85，4-ø42／ø48孔、密封形式为透镜密封，主螺栓孔30-ø120，起吊螺栓孔4-m80×4，端面双锥密封槽。
顶盖外型及双锥密封槽用c534立车加工而成。双锥密封槽先用切槽刀具加工出槽，再用成型刀具加工密封面。其密封面粗糙度达1.6～3.2μm，满足设计要求。
中心ø270孔加工采取双向预钻扩孔ø110，再在立车上车成。其余孔采用钻床钻扩。刮密封面，钻床上研磨密封面，以保证孔的垂直度要求及密封面的精度和粗糙度要求。
4.2.2螺纹加工
m80及以上的盲孔攻丝用旋风切丝法加工，螺纹加工精度高，粗糙度好。本产品m80以上螺纹盲孔共有42只，均一次加工成功。m80以下螺纹盲孔攻丝采用内容削丝锥攻丝成。螺纹加工检测采取m115以下螺纹用环塞规检测；m115以上外螺纹用三针法测量；内螺纹用千分尺测量。大螺纹端部应倒角，修整不完整扣，便于装配。
4.2.3双层热套筒体
筒体总长为14463mm，由6节1900mm和2节1531.5mm筒节组成。筒体加工后要求为ø1608×156，采用δ90，13mnnimo54钢板热卷、电渣焊、机加工，热套而成。
4.2.3.1筒体下料卷制
筒体下料卷制必须考虑热卷伸长量，保证内、外筒体卷制后互相配制。为保证塔体直线度要求，筒体内外壁均应考虑加工余量。筒节组对后，环缝焊接收缩，应预放焊接收缩量，保证塔体总长要求。
筒节在大型四辊卷板机上热卷。
纵缝电渣焊是该产品的关键工艺。该焊缝不仅要经过高温的正火校圆还要经历回火以及热套等一系列焊后热处理。因此,保证该焊缝在经历上述热加工后仍具备良好的高温和常温强度以及良好的冲击韧性就成为工艺的重点。考虑上述种种情况,选择了强度级别较高但又添加了对冲击韧性有利元素的h10 mn2 nimo焊丝。该焊丝所焊焊缝在经历上述种种热处理后仍能有良好的综合机械性能。焊接材料选择如表4。
正火校圆。
100%rt，ut，mt。
机加工内外筒，选配内外筒。由于筒节内外壁在5m立车上进行加工，筒节长1950mm，加工后有大小头，故对筒节上、中、下3段面进行测量标记，套合时大头配大头，小头配小头。
外筒上钻4-ø10排气孔。
4.2.3.2热套
热套加热温度确定：经计算，外筒加热温度在t＝500℃时，直径伸长量δd＝101mm；t＝400℃时，δd＝7.95mm；t＝350℃时，δd＝5.8mm。考虑到加热出炉至套合存在温降，确定外筒加热温度为500℃／120min。套合时的最低温度必须大于350℃，方能保证顺利套入。
套合方式：内筒放置在平台上找正，外筒进炉加热起吊，对中套入。为保证热套的顺利进行，套合过程中，外筒温度必须严格监控，外筒顶部装焊吊耳，试吊找正后方可炉加热；底部装焊拉耳，便于出炉找正对中方便。内筒顶部装焊导向块。
套合前，内外筒作好套合对中标记线，保证套合后内外筒纵缝错开30°以上。清除内外筒壁面油污、杂质，保证套合质量。
热套加热温度(500±10)℃，共8节筒节，均顺利套入。套合后用0.1mm塞尺检查两端面，未发现套合间隙；用小锤敲击筒身，也未听到空隙声响，说明套合质量非常好。
4.2.3.3加工环缝组对
环缝坡口及止裂焊缝，见图2。手工焊止裂焊缝和超声波探伤止裂焊缝均未发现流挂夹渣、裂纹等缺陷。合格后，组对筒节，用激光经纬仪找正、对中。环缝焊接采用内壁手工焊，外壁自动焊。焊接规范见表4。
组对焊接后测量筒体同心度在2mm以内，满足设计要求。
筒体是由双层热套的厚壁筒身组合，属机械贴合。焊接过程中由于受热不均匀，内壁筒身的焊接结构拘束度很大，且材料属于低合金高强钢，使焊接工艺难度加大。此外，在焊接过程中内外筒节膨胀程度不同，内外壁之间贴合处易产生挂流、夹渣甚至裂纹。解决上述2个问题是环缝加工组对的工艺关键。经过分析及模拟对比试验，东锅技术人员设计了环缝的坡口以及贴合处的密封止裂焊道的坡口及工艺方案(见图2)。该坡口具有根部应力集中、系数小、清渣容易等优点。同时，规定对坡口根部间隙大于1mm处采用手工氩弧焊先进行1～2遍的密封焊接处理，避免了密封焊接时该处可能出现的挂流和夹渣。正式施焊时，先用ø3.2规格焊条对根部间隙处进行封闭焊接处理，然后焊妥所有焊道。焊接打底焊道时,每条焊道焊完后,要求用小锤均匀地来回击打焊道，打底焊焊接完成后进行100%mt探伤，全部焊接完成，立即进行高温消氢处理，之后对整个焊缝进行100%mt和100%ut探伤检查。事实证明，该方案既保证了整条环缝焊接的易操作性，又避免了上述2个问题的产生，以及密封焊道二次加热(即环缝焊时对止裂焊道粗晶区的不良影响)粗晶区的异变，保证了整条焊缝的综合组织性能达到最佳状态，而且产品密封焊道的焊接一次通过各项检查。
4.2.4球底制造
球底由sø1600×145，13mnnimo54球封头、中心ø360球底接管a、ø149轴向接管d1和d2、ø149径向接管c1和c2及支座组成。其中球底接管a上、下端面要求与封头端面平行,其平行度分别为0.12mm、0.25 mm，孔壁与封头端面垂直，垂直度公差为0.25mm。轴向接管的位置公差±0.42mm。接管与封头焊缝均需100%超探、磁探。
4.2.4.1球封头制造
下料后单面削边。
40mn水压机整体热冲压成型。
车平封头端面(留余量)，车中心孔及轴向孔、镗径向孔。光圆封头外壁，作为以后的加工找正基准。
4.2.4.2球底组焊
工艺流程为：装球底接管与封头手工焊妥超探、磁探焊缝以封头外圆及端面找正，车球底接管下端面及内孔(留精车余量)球底接管预攻m30螺孔，用于装焊定位工装装接管d1、d2(用装焊定位工装定位)手工焊妥超探、磁探装焊接管c1、c2超探装焊支座热处理拆定位工装同一工位上车封头止口及坡口、支座底平面、精车a接管上下端面及内孔。
球底组焊关键：
(1)满足设计提出的球底接管a上下端面、中心孔的位置公差要求。工艺措施为：球底接管粗车留余量，与封头装焊热处理后，精车各面，达到设计要求。
(2)轴向接管d1、d2位置公差保证：采用专门定位工装组焊接管d1、d2，热处理后拆除工装。该工艺方法切实可行，避免了利用大型镗床二次精加工接管内孔，满足了设计要求。
(3)球底接管布置密集，封头壁厚达δ145mm,拘束应力大，焊接空间小，又要求所有接管焊缝100%超探，因此必须合理安排装配、焊接顺序，选用合理的坡口形式，制定合理的焊接规范，严格预热、层间、后热温度。
4.2.4.3下球体接管焊接
由于dn1600的球封上分布了5个大接管：1个中心大接管、2个分流气入口管及2个卸触媒口接管。5个接管均为20mnmo锻件。封头为13mnnimo54,δ145厚，材料本身的焊接性就具备较大难度。另外,由于接管较大，分布较为密集，因此，焊接操作难度相当大。而且卸触媒口接管与封头轴线平行，整个焊接坡口厚度从理论上计算就大于200mm(约240mm)，如此密布的厚壁结构焊接在东方锅炉尚属首次。焊接工艺的关键在于：合理设计焊接坡口，尽量减少熔敷金属量，避免由于很大的结构拘束度产生根部焊道及中心焊道的裂纹、夹渣等缺陷，保证焊接操作较为方便。经过分析论证，设计出了最佳的坡口型式和焊接顺序，即对中心接管和分流气入口接管的焊接采用不对称的双u型坡口，尽量减少焊接工作量和熔敷金属量，先焊接大坡口处至一半后，反面清根，再焊妥小坡口，然后焊完其余焊缝。对触媒口接管的焊接采用非标准环向不对称坡口,避免了上述200mm厚的焊接坡口,整个焊接坡口最大宽度处仅36 mm，焊接顺序同中心接管的焊接。在焊接过程中注意保证焊接的层间温度和预热温度，同时要求尽量均匀击打焊道。产品焊后检查证明该焊接工艺及坡口的选用既避免了根部焊道缺陷的产生，又满足了焊后球封的几何尺寸和接管的直线度等设计要求。
4.2.5总装工艺
(1)筒体与球底及端部法兰同时组装，并用激光经纬仪找正，保证塔体总的同心度要求。
组焊后同心度≤2mm。
(2)2环缝采用局部热处理，避免了各密封面及螺纹进炉加热受到影响。
(3)本氨塔顶盖采用m115×4主螺栓联接、双锥密封、柔性石墨密封垫。组装时编制了专用螺栓上紧程序，规定了液压拉伸器每级上紧压力，经39.1mpa水压试验考验通过，说明顶盖双锥密封可靠，给定的液压拉伸器上紧压力合适。
5结论
(1)采用西德细晶粒高强钢13mnnimo54，双层热套结构，技术上是可行的，并能满足大直径、厚壁、高压高温设备的强度等设计要求，解决了特厚板的供料及特厚板的综合机械性能较低的问题。
(2)端部法兰上均布30个m115×4的螺纹孔，采用旋风切丝专用设备能保证大直径螺纹的精度与粗糙度。
(3)筒体组装的全过程均采用激光经纬仪找正、对中技术，这是保证设备严格的中心度要求的重要手段。
(4)30-m115×4大螺母上紧采用新型的液压拉伸器专用工具，使螺母预紧载荷逐级均匀上紧，是水压试验一次成功及工况下保证密封的有效手段。
(5)dn1600mm大直径双锥环加柔性石墨胶带密封结构在设计与制造方面均达到安全、可靠的预期效果。
(6)底部球封头采用δ145mm，13mnnimo54钢板整体冲压，在底部设置5个大开孔，结构紧凑，设计新颖，制造上满足了设计要求。
(7)底封头与下部1cr5mo的“四通”采用大直径不锈钢透镜垫密封，其对中性好，密封可靠，是较成功的技术组合，其设计直径远超出标准推荐范围，具有探索性价值。
参考文献
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