大型钛钢复合板精馏塔的设计.pdf

.144-2023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备大型钛钢复合板精馏塔的设计史聿丹，吴丕杰，刘鸿彦，张志惠（南京宝色股份公司，江苏南京2 1110 0）摘要】精馏塔是化工领域中的重要设备，本文以某PTA项目中的一台精馏塔为例，对精馏塔的设计、制造、检验等方面进行了详细介绍，提出了设计中需要注意的点，为以后的同类型设备提供一定的参考意义。【关键词】钛钢复合板；精馅塔；焊接；无损检测精馏塔是石油化工等生产中常用的重要设备，它使气液或液液两相间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。随着我国石油化工和炼油等行业的发展，强腐蚀介质的场合越来越多，对材质的要求越来越高，耐蚀性材料有色金属及其复合板设备运用越来越广泛。本文以某PTA项目中的一台精馏塔为例，对精馏塔在设计过程中遇到的问题进行阐述，希望为以后的同类型设备提供一定的参考意义。1主要参数及选材精馏塔工作介质为：醋酸、水等；设计压力为1.4 MPa/FV；设计温度：245 1.4 MP a/10 0 C F V。基本风压为50 0 N/m；抗震烈度为7 度；基本地震加速度为0.10 g；设计地震分组为第一组；场地土类型为IV类，地面粗糙度类别为A。设备结构尺寸示意图见图1。PTA装置中介质腐蚀性较强，钛材能够较好的满足耐蚀性要求。由于钛材价格昂贵且不适用于制造大型压力容器，采用钛钢复合板制造压力容器能够大幅降低设备成本。TA1强度较低，韧性较好，爆炸完成后残余应力小，复合板贴合强度更高 1，故主要受压元件材料选用为TA1+Q345R。选用钛钢复合板时，覆层不计入强度，仅考虑基层强度，因此必须对基层用Q345R提出碳当量、硬度、冲击试验、超声试验等要求，以保证基层钢板的力学性能。为保证覆层钛材与基层钢板紧密结合，钛钢复合板应采用爆炸复合，符合NB/T47002.3-2019B1级的规定，以消除应力退火状态供货，供货时复合板剪切强度应18 0 MPa。由于设备制造过程中的筒体卷制、封头成形、4+54min(3+50)1价4700min(4+52)5215354元0085597400min(4+56)04+54min(3+50)图1精馏塔结构尺寸示意图焊后热处理等制造工序会导致复合板剪切强度降低，为保证设备安全，设备制造完成后，还应保证复合板的剪切强度不得低于14 0 MPa。2设备主要结构设计作者简介：史聿丹（19 8 8-），女，江苏宜兴人，本科，工程师，长期从事压力容器设计工作。-145-史聿丹等大型钛钢复反精馏塔的设计第11期2.1钛钢复合板T字焊接接头结构复合板纵、环焊缝焊接接头处的T形接头结构详见图2,在T形接头处通常采用一个单独带有圆弧转角的T字形盖板。为了便于焊接时背面通氩气保护及盖板搭接接头的检漏，每条纵向、环向焊接接头的垫板上应至少钻2 个6的检漏孔，而且检漏孔的位置应尽量靠近纵向焊缝的高低点及环向焊接接头的两端。为了能及时检出泄露点同时减少焊接时保护背面的氩气消耗量，各个衬里筒节间的检漏通道是互不相通的。因此，T形盖板下面的垫板在与另一个衬里筒节纵向焊接接头连接时应用银钎焊封死 2 。2.2接管法兰因工艺管口载荷较大，为保障接管与壳体连接处的安全，接管采用厚壁锻管整体补强的结构。接管内壁采用钛衬里结构，应保证钛衬里与接管内部紧密贴合。由于接管壳体与衬里材质不同，热膨胀产生的应力也不同，应力叠加后易导致接管和壳体衬里处产生破坏，因此接管衬里和壳体衬里的连接结构应保证其交接处有足够的挠性并避免连接处焊接接头出现较大应力，壳体和接管的连接处应采用翻边结构保持圆滑过渡。为检查设备运行时钛衬层是否泄漏，同时作为接管与衬里间气体的出口，在每一个接管衬里背面应设置两个直径为6 mm的检漏孔，分别位于接管法兰颈部及附近壳体的最低点。接管法兰的衬里翻边结构及检漏孔结构详见图3。法兰的密封面型式设计是影响法兰密封的关键。精馏塔采用长高颈整体锻件法兰，法兰密封面选用钛钢复合板，详细结构型式详见附图4。法兰密封面复合板基层与法兰锻件直接焊接牢固，接管内部的钛衬里与密封面复合板覆层采用带垫板的全焊透角接接头焊接。这种密封面型式大大的增加了法兰密封的安全性。由于法兰密封面容环埠缝环向钛贴条端部号检游孔钛复盖板8=3 mm（90 6 0)钛贴条6 0 3环焊缝纵焊缝钛复益板纵爆缝283垫板8585AA环向钛贴条钛复层环向垫板（钛垫戒钢垫）钛复层图2 T字焊接接头结构355100%RT3100%PT62550455图3 接管法兰衬里翻边及检漏结构图易产生泄漏，法兰螺栓孔也应采用衬钛结构避免法兰碳钢部分的快速腐蚀，确保设备的使用安全。146-2023年第2 6 卷维修改造石油和化工设备钛钢复合板图4法兰密封面结构图2.3塔内件对于直径较大的塔器，板式塔造价较为经济，因此精馏塔按板式塔设计。TA2强度较高，耐蚀性较好，故塔内件材料选用TA2。塔盘设计时，应考虑塔径、塔盘间距、液流型式、降液管等因素，设计者应根据具体情况确定尺寸。塔盘是由气液接触元件、塔盘板、受液盘、溢流堰、降液管、塔盘支撑圈和紧固件等部分组成。精馏塔直径较大，为便于安装、检修、清洗，将塔盘分成数块，从人孔送入塔内。塔盘上应设置一定数量的紧固件，将分块的塔盘连接起来，固定在支撑圈上 3 。3制造钛材焊接应在空气洁净、无尘、无烟的环境中进行。钛覆层在高温下极易氧化，因此钛的焊接必须在惰性气体保护下进行。焊接常用的是氩弧焊，而且对氩气纯度要求很高，钛焊接要求氩气纯度不低于99.99%。常温下铁在钛中的溶解度仅为0.0 5%0.10%，钛和钢不能直接熔焊，在衬钛层和钛钢复合板覆层焊接时，应绝对避免钢层熔入钛焊缝，因此常采用盖板搭接焊型式。因焊接温度不同，钛表面的氧化因形成不同化合价的氧化铁，氧化膜的颜色也不同。钛焊接后可以用焊接接头表面的颜色来检验氩气的保护效果。银白色或淡黄色表示焊缝保护良好，各种灰焊缝说明焊缝严重氧化，需进行返修。钛材在制造过程中若受到铁污染，铁与钛会产生电偶腐蚀，导致钛产生阴极析氢，发生氢脆。因此钛材焊接前必须进行焊接环境的菲绕啉测试，且精馏塔制造完成后还应对设备进行铁离子污染试验。设备酸洗处理和铁离子污染试验结束后，还应对精馏塔进行阳极化处理。阳极化处理可以清除钛材表面的铁离子污染，使钛材表面生成致密的预钝化膜，提高钛材耐蚀性。4检验4.1无损检测根据标准要求,精馏塔的A、B 类焊接接头应进行全部射线检测。精馏塔直径较大，壁厚较厚，亦可进行衍射时差法超声检测。若采用衍射时差法超声检测，还应附加进行脉冲反射法超声检测和磁粉检测。因设备直径较大，封头由成形的瓣片和顶圆板拼接制成。封头成形后，为保证封头质量，过渡段及直边段区域应进行超声检测，保证复合板的贴合率。同时，封头过渡段和直边段区域的内表面需进行渗透检测，同区域基层外表面应进行磁粉检测，以保证封头内外表面的质量。精馏塔内部有6 5 层塔盘内件，塔盘支撑圈需要直接焊接在覆层上。内件直接与覆层焊接对覆层要求较高，为防止复合板覆层在焊接及内件承载过程产生分层剥离的现象，焊接内件之前，应对内件覆盖的区域及其周边10 0 mm宽度范围内复合板进行超声检测，不允许有不贴合。焊接内件及设备进行热气循环后还应对该区域进行超声复测，不允许有不贴合。为保证钛衬里的密封性，钛接管、衬管、贴条和盖板的对接接头以及衬管与翻边的对接接头应全焊透并进行全部射线和渗透检测。4.2焊后热处理精馏塔壁厚较厚，按GB/T150.4-20114表5规定应进行焊后热处理。热处理前钛表面应清理干净，并进行铁离子污染试验。热处理炉应是电加热炉或燃气炉，微氧化气氛，热处理温度为540土2 5，升温或降温速度不大于10 0/h。热处理后，设备A、B 类和D类焊接接头应进行超声和磁粉检测。4.3气压试验精馏塔设备直径较大，重量较重，设备净重（下转13 9页）收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 7 修回日期：2 0 2 3-10-10(上接14 6 页）收稿日期：2 0 2 3-0 6-17 修回日期：2 0 2 3-10-10139-第11期李睿等轴流压缩机入口过滤器改造可调裕度变高，不需要降低负荷并转电动原理用电/发电的临界区运行，因此可以提高风机负荷，进而优化了各个机组负荷水平，四机组电动发电机由2 0 19 年末用电约50 0 kw状态转为发电状态，最高发电功率高达2 59 8 kW，大幅度降低能耗，每年节约费用2 17 1万元。（5）主风机效率的提高，提高了催化装置反再系统压力，提高了装置处理量，可为装置节约吨油费用降低成本8 7 0 万元/年。4结论2020年二催化将主风机入口卷帘式空气过滤器更换为板框式空气过滤器BLKQ-4500，过滤器入口初始差压由原来2 0 0 Pa降低至50 Pa，现场杂音明显降低，由原来12 0 分贝降低至50 分贝。连续阴雨天气、大风环境并没有出现风量下降及差压升高的现象。空气过滤器四面进风，不受风向的影响，具有压降小、效率高、耗能少、无噪音、整为6 4 1吨，充满水后重量为2 8 0 0 吨，重量过重厂房内基础无法承受，耐压试验采用气压试验。气压试验前所有钛焊缝进行表面检测并进行钛焊缝的致密性试验及氨泄漏试验。气压时应制定紧急预案，现场做好安全措施，派人进行现场监督，并撤走无关人员。试验步骤及要求符合GB/T150.4-20114中11.4.10 的要求。4.4热气循环试验气压试验合格后，精馏塔应进行热气循环试验。热气循环的主要目的是与其后的无损检测、泄漏试验组合实施考核复合板设备在压力、温度载荷共同作用下的热态模拟，以检验覆层或衬里的强度和密封性 5。热气循环后应进行氢泄漏试验、表面检测及超声检测。5结束语随着化工行业的发展，钛钢复合板设备的使体结构采用不锈钢材质，使用寿命长，维护方便安全，延长大修周期，有效阻止颗粒物及粉尘进入机内，为风机长周期运行提供了保障，实现装置3 0 年来首次连续运行四年提供了保障。参考文献1艾克利.催化主风机入口过滤器改造 J.炼油技术与工程,2 0 14,4 4(0 2):3 0.2戴风涛,李汉涛,栾进国等.催化主风机入口过滤器改造 .设备管理与维修,2 0 0 8,No.289(11):32.3张冕.自洁式过滤器故障分析与操作维护策略 J.化工设计通讯,2 0 18,4 4(0 8):12 1.4吴杰,杨海霞,王淑玲.高效空气过滤器的设计选型及应用.石化技术,2 0 0 1(0 1):4 5.5张江维,韩坤阳,马琴.空压机入口三级压差升高的原因分析及处理 J.化学工程与装备,2 0 13(11):113.6王欣,陆磐谷,曹学仁.轴流风机空气过滤器的优化 .石油化工设备技术,2 0 0 1(0 5):14.用越来越广泛，合理的选材、结构及检验变得尤为重要，是大型钛钢复合板精馏塔设计的关键。我公司多次设计制造钛钢复合板精馏塔，在PTA领域的影响进一步加深，在客户中口碑良好。本文以PTA项目中的一台精馏塔为例，对精馏塔在设计过程中遇到的问题进行阐述，希望为以后的同类型设备提供一定的参考意义。参考文献1陈襄颐，郑宝山.大型钛钢复合板压力容器的设计 .化工设备与管道，2 0 10，4 7（4）：1-3.2 JB/T4745-2002,钛制焊接容器 S.3路秀林，王者相.化工设备设计全书-塔设备 M.北京：化学工业出版社，2 0 0 4.4 GB/T150.14-2011,压力容器 S.5李世玉.压力容器设计工程师培训教程 M.北京：新华出版社，2 0 19.