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热冲压成形，球形封头中心焊有DN350mm的中心接管，四周开有DN187mm卸触煤接口和DN125气体入口各2个，结构密集紧凑。球底接管与废热回收器进气口相
e1e2f1～h1～c1～～b1～连，采用大口径0Cr18Ni9不锈钢透镜垫密封。氨合成塔外壳外型示意图见图2.1
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所示。
图2.1 多层直接冷激式氨合成塔
2.3 设计与分析
该氨合成塔外壳对外连接的接口以及与内件相连接的接口均集中在顶部或底部，中间筒体不开孔。因此结构设计要点：顶部的关键是DN1600mm的大开口双锥密封结构，其次是中部筒体的四层热套结构以及底部封头上5个大口径接管的结构处理。现分别做如下说明。
2.3.1 四层热套筒体设计 1筒体厚度计算
氨塔外壳筒体设计温度达到280℃，介质含有氢气，根据HG20581-1998《钢制化工容器材料规定》及GB150中的相关计算 ，若筒体材料全部采用14Cr1MoR，则由厚度计算公式??PcDi及设计任务书给定参数和GB150中查到的相关t2[?]??Pc数据可计算得筒体厚度211mm。而国内传统常用射线无损检测厚度只能达到200mm，因此为解决射线无损检测厚度局限性问题，必须减薄筒体总厚度。因此除内筒外，中外筒选用国产低合金高强度钢13MnNiMoNbR，这种材料许用应力高达190Mpa。通过内中外筒不同厚度组合反复计算，并考虑卷板能力及材料采购方便，降低制造成本，确定筒体采用四层不机加工热套筒体结构。筒体内筒材质采用12Cr2-MoL，厚度45mm；中一、中二、外筒材质采用13MnNiMoNbR，厚度都为38mm。筒体名义厚度最终确定为δn=45+3?38=159mm。为了保证焊接质量，对筒体材料作了相应要求： 12Cr2-MoL板材应符合GB150第四章关于材料的规定，13MnNiMoNbR板材应符合GB6654-1996的规定，使用状态：正火+回火。并逐张进行超声波探伤检查，符合JBT4730-2005Ⅱ级要求。 13MnNiMoNbR板材硬度HB≤200.
2筒体长度计算
法兰内圆柱体积：
V1??R2?H?3.14?16002?780?6.27?109mm3
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球形封头体积：
34?R34?3.14?1600V2???5.14?109mm3
33筒体全长L?V?V1?V2?8639mm，取L=8639mm
?R2因此筒体全长共分为4节，为了保证塔内件放入塔体内后塔内件和筒体套合面达到较好的紧贴效果，单层圆筒同一截面的最大内径与最小内径之差要不大于2mm，单层圆筒的直线度公差为1mm。单层圆筒纵焊缝套合表面均需修磨工，不需保留焊缝余高、错边、咬边，并使其圆度和筒身一致，用样板检查，应符合GB150-1998中的10.7.1.3条规定。单层圆筒应进行消除应力热处理。
2.3.2 顶部结构设计
螺栓设计。初步考虑M125×4、M140×4这2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≥D2+1.5dB。Db―—主螺栓中心圆直径，mm；D2 -----双锥密封槽外径，mm；dB -----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2.1。
表2.1 不同螺栓直径的螺栓中心圆直径 螺栓公称直径 螺栓个数/个 简便公式 M125×4 32 2030 M140×4
从表1可以看出，用M125×4比用M140×4需增加8个螺栓，为了减少大直径螺栓的攻丝工作量及端部法兰的刚性等问题，则本设计最终确定采用24个M140×4的大螺栓连接尺寸。螺栓材料采用国产低合金高强度钢40CrNiMoA，是目前列入GB150中的强度最高的螺栓用钢。
大开口的密封设计。因为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。则本设计决定采用半自紧式双锥密封结构以适应高温、高压
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中心圆直径Db 考虑液压拉伸器操作空间 2050 24 2050 2050 南华大学机械工程学院毕业
且有波动工况的需要。又由于设备直径达DN1600mm，国内无法解决宽幅面，而δ=1mm薄纯铝板可作为软金属覆盖双锥环硬金属面，因此，本设计采用增加铝垫厚度来弥补铝垫拼接接头的问题，铝垫厚度由原来的1.0mm增至2.0mm。
2.3.3 顶盖设计
顶盖是氨合成塔的重要部件之一，很多塔外的接口都开在顶盖上，DN1600大开孔密封面也是在顶盖上，因而顶盖结构设计及材料选择极为重要。根据设计任务书给定直径DN1600、设计压力31.4MPa、设计温度280℃完全符合GB150附录G双锥密封环密封规定的适用范围，DN1600mm大开口密封采用半自紧式双锥密封结构，顶盖结构按GB150附录G设计。国内常用在顶盖材料的碳素钢和低合金锻件有35、20MnMo、1Cr5Mo、20MnMoNb等，根据设计条件HG20581-1998《钢制化工容器材料规定》查图6-1碳素钢及珠光体耐热钢在氢气中加的使用限制，35、20MnMo、20MnMoNb都不合适，若使用，则与介质接触的部分必须堆焊0Cr18Ni9不锈钢，这样提高制造难度、制造质量不容易保证、增加制造成本并延长了制造周期，而且经过强度计算所需厚度远远超过GB150规定范围。故该顶盖材质应采用1Cr5MoIV锻件，经过强度计算顶盖计算厚度472mm，考虑厚度附加量和制造等各方面的原因，顶盖名义厚度最终定为480mm。根据GB150表4-1对1Cr5Mo锻件厚度规定1Cr5Mo厚度应≤500mm，此处已经超过GB150规定厚度，许用应力还是按GB150表4-1 500mm厚时许用应力选取。锻件化学成分和力学性能见下表2.2、表2.3。
表2 1Cr5Mo锻件的化学成分 钢号 化学成分% C Si Mn Mo Cr ≤0.50
≤0.60 1Cr5Mo ≤0.15 P S Ni ≤ 0.45-0.65 4.00-6.00 0.030 0.020 0.50 Cu 0.25 表2.3 1Cr5Mo锻件的力学性能
钢号 热处回火拉伸试验 理状温σb σs δ5 态 度℃ MPa MPa ≥ MPa ≥ 第 19 页 共 70 页
冲击试验 试验AKV, 温度 J ℃ ≥ 硬度试验 HB
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1Cr5Mo Q+T 680 590-760 390 18 20 34 174-229
2.3.4 底部球形封头设计
底部球封头由于与介质接触且设计温度也为280℃，球封头材质应必须选用与筒体相同的珠光体耐热钢12Cr2-MoL，12Cr2-MoL板材要求与筒体要求相同。球封头计算厚度按GB150第五章中计算公式??PcDi 计算可得??84.21mm,考t4?????Pc虑球封头厚度附加量、冲压减薄量及开孔补强的要求，球封头名义厚度最终定为δn=108mm。筒体名义厚度为δn=159mm，筒体与封头对接处厚度相差51mm，若将球封头名义厚度增加至筒体名义厚度159mm，则必须在本次设计中采用加强箍结构，有效解决筒体与球封头不等厚问题。此种结构具有结构合理，使用安全，制造简单，成本低廉等优点。具体结构见图2.2。根据设计条件球底封头需开5个大口径接管：底封头中心设置了DN350mm的大开孔，内件的中心管将插入孔内组合密封；距离中心线600mm对称布置2个DN180mm卸触煤口；与球封头中心线成35℃布置2个DN125mm冷激管口。5个接口与球形封头的焊接均采用全焊透结构，焊缝均作100%UT、MT检查。为了保证接管焊缝的质量，将球封头加工如下图2.3对接坡口，更有利于无损检测。由于UT要求表面粗糙度达到3.2μm，在本次设计中5个接管内孔均有二次加工量，均需二次加工来达到UT所需表面粗糙度3.2μm要求。在开孔补强计算中，DN350mm中心孔接管与其他四孔均符合GB150标准规定的联合补强条件，在开孔补强计算时应进行联合开孔补强校核。详见强度计算书。由于球底底部DN350mm开孔是热气出口，球底开孔处与球底接管一起采用堆焊0Cr18Ni9不锈钢。
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