我公司曾為某化工廠設計了一套醋酸仲丁酯生產裝置。由工藝需要，裝置內設置一臺起到脫碳作用的鈦材高塔設備，塔內分多段布置填料和浮閥塔盤，物料從塔體下部進入，在塔體內部進行傳質和傳熱，塔內介質復雜，腐蝕性強，存多種有毒物質和爆炸危險介質，工作溫度高、工作壓力高、工況復雜、塔體高且高徑比大，是該生產裝置中的核心設備，也是高危設備。

1、設計參數與選材

1.1設計參數見表1。

1.2選材

該塔器內部存在多種復雜的介質環境，其中醋酸仲丁酯和醋酸對于不銹鋼材料有較強腐蝕作用，而工業純鈦對于醋酸仲丁酯和醋酸有較好的耐蝕性，且材料密度小、機械強度大，故比強度高。從主材的經濟性、實用性、安全性和可靠性等方面綜合考慮，工業純鈦中的TA2具備良好的綜合力學性能和工藝性能，能較好滿足本工況下對機械強度和腐蝕要求，所以本塔器設備筒體、封頭、接管等主材選擇工業純鈦TA2，工業純鈦的使用狀態為退火狀態，厚度δ＞25mm板材逐張超聲檢測，試驗方法按GB/T5193-2020《鈦及鈦合金加工產品超聲檢驗方法》中A級合格。鈦材價格貴，為經濟合理地使用鈦材，在不與腐蝕介質接觸的部位，盡量考慮不用鈦制零件，本塔器裙座過渡段的連接法蘭尺寸大，厚度厚、質量重、若采用純鈦結構，在經濟上極不合理，本設備針對性地設計了TA2+16MnⅡ鍛件的鋼制活套法蘭結構，在達到經濟效果的同時，結構強度得到加強。同時，由于鈦與鋼之間的連接需采用機械方法，若某些節點設計困難或使節點結構復雜化時，應根據材料費用、制造費用和工期要求等綜合考慮，必要時仍選用全鈦材，如本塔器上的起重吊耳結構小，重量不大，故設計了TA2全鈦材結構的吊耳。

2、強度計算與結構設計

2.1強度計算脫碳塔外形尺寸如圖1所示。以GB150.1~150.4-2011《壓力容器》、JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》和NB/T47041-2014《塔式容器》為強度計算依據，對設備筒體、裙座、封頭、設備法蘭和開孔補強等進行計算，進而確定各個部件的厚度。2.2結構設計2.2.1裙座設計本塔器類別為自支撐立式金屬制高塔式容器，整體高度超過50米，塔體直徑最大處為φ1800mm，最小處φ為1200mm，整體高徑比約為27，設備整體載荷大、彎矩大、塔身撓度大，設計圓錐形裙座可以減小混凝土基礎頂面的壓應力，增加裙座筒體斷面慣性矩，結合現場實際布置條件，設計4.9°半錐頂角裙座，滿足小于15°結構適用的要求且通過計算驗證。裙座材料不與介質接觸，且承受了整個塔設備最大的彎矩載荷，設計選用價格相對低、強度好、塑性和焊接性能良好的低合金鋼Q345R，由于塔體下封頭與裙座殼所用金屬材料不同，裙座筒體上部設置一段與塔釜封頭材料TA2相同的鈦鋼筒體作過渡段，在全鈦設備上，若鐵等其他金屬溶于鈦焊縫中，則會形成硬而脆的金屬間化合物，極大地降低焊縫塑性，除爆炸焊接和釬焊外，鈦不能直接熔焊在鋼上，故鈦材設備的支承結構設計有其本身的特殊性，本塔器在裙座過渡段與下部Q345R筒體的連接處上，設計了一套鋼制活套法蘭結構，通過模擬活套設備法蘭來計算強度，再結合連接螺栓的尺寸、錐形筒體傾斜角對緊固螺栓時用液壓拉伸器作業空間的影響等因素，最終設計形成了2片直徑φ2250，厚度225mm，總重量約為5噸的設備活套大法蘭組合，如圖2所示。大大節約了鈦材的用量，同時也使高鈦塔器裙座材料的安全性和可靠性增加，保證了經濟效果并滿足使用要求。

2.2.2筒體設計

塔器壁厚是由壓力、溫度、風載荷、地震載荷等綜合影響，由于風或地震載荷引起的彎矩隨塔高自上而下遞增，從等強度及結構設計的合理性考慮，將塔體厚度分為自上而下逐段遞增的筒體段，在同時兼顧保證強度和結構設計的前提下，應結合鋼板標準規格，盡量取鋼板標準寬度的整數倍，從而減少制作加工中廢料的產生量，再結合計算數據，反復調整和試算，最終將塔體劃分為7段，鈦材鋼板厚度從10mm過渡到20mm，經濟效果顯著。

2.2.3人孔設計

本設備的人孔處在一個沒有突然壓力升降和溫度劇烈變化，也沒有載荷頻繁變化相對穩定的環境狀態，設計采用襯層結構，如圖3所示,介質壓力由外殼材料承受，鈦材只承受介質腐蝕，設備內襯鈦比襯其他金屬材料困難得多，襯其他金屬時，可采用直接熔焊法，但襯鈦絕對不允許采用這種方法，因為襯層在設備內焊接時，鈦和外殼材料有互溶的可能，鐵金屬等溶于鈦焊縫中，形成硬而脆的金屬間化合物，嚴重減低焊縫塑性和耐腐蝕性能；鈦襯里設計除了考慮一般襯里設備的特點，如：絕對避免腐蝕介質與外殼材料有任何接觸的可能；外殼上應設置檢漏孔，檢查襯里層的焊縫質量；外殼內表面應磨平、磨光、圓滑過渡等，還應注意嚴格防止其他材料的互溶；鈦襯里在鋼殼上固定不能用塞焊或條焊，可采用爆炸焊接，或者機械固定和釬焊聯合使用。本設備上的人孔法蘭蓋襯層采用機械連接加銀釬焊的做法，如圖4所示,用鈦螺釘把襯層固定在鋼殼上，螺釘擰入后，用氬弧焊將螺釘焊死。注意要考慮熱影響會造成螺釘自身變形，為留有足夠變形空間，所以采用16mm左右的長螺釘固定。再延襯層一周環焊一圈銀釬焊，該設計能有效防止異種金屬污染鈦襯層，又能解決需將鈦襯層牢靠地固定在基材上。脫碳塔上的人孔均由此方案設計，節約了近3噸鈦材消耗。

3、制造、檢驗與驗收要求

本設備根據TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》和GB/T150.1~150.4-2011《壓力容器》對設備制造、檢驗與驗收提出了相應要求。設備施焊前，鈦材焊接接頭的焊接工藝評定滿足JB/T4745-2002附錄B的規定，鈦材的焊接規程按JB/T4745-2002附錄E的規定。

對DN≥250mm的接管與接管、接管與管件、接管與法蘭對焊環之間的對接接頭的檢測要求與本設備A類和B類焊接接頭相同。對DN＜250mm的接管與接管、接管與管件、接管與法蘭對焊環之間的對接接頭進行需100%滲透(PT)檢測，符合NB/T47013.5-2015中PT-Ⅰ級為合格。吊耳與殼體間的焊接接頭、下封頭與裙座過渡段筒體之間焊接接頭應進行100%滲透(PT)檢測，符合NB/T47013.5-2015中PT-Ⅰ級為合格設備制造完成后,進行水壓試驗,試驗合格后,需進行氣密性試驗，氣密性試驗合格后,設備鈦表面應進行鐵污染試驗和酸洗處理。酸洗后必須用清潔自來水沖洗干凈。

4、結語

目前該設備已投入使用，結構穩定可靠，經濟效益顯著，圖5為該設備裙座實物圖。

參考文獻

[1]GB150.1~150.4-2011，壓力容器[S].

[2]TSG21-2016，固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

[3]JB/T4745-2002，鈦制焊接容器[S].

[4]NB/T47041-2014，塔式容器[S].

[5]HG20652-1998，塔器設計技術規定[S].

[6]HG/T20584-2011，鋼制化工容器制造技術要求[S].

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