尿素合成塔结构及技术要求

图6-27尿素合成塔的结构示意图

6.3.1结构及技术要求

尿素(Urea)的分子式为CO(NH 2)2，分子量为60.06。尿素为最主要的氮肥。尿素是一种中性速效肥料，含氮量在46﹪（质量）以上，综合肥效高，易贮藏，运输，正因为尿素作为肥料具有诸多优点，目前全世界尿素产量占氮肥总产量的1/3以上，跃居首位，且具有继续上升的趋势。尿素在工业上的用途也很广泛，尿素产量10﹪的以上用作工业原料，主要工业用途是作为高聚物合成原料。尿素合成塔是尿素生产装置中的关键设备之一，它在尿素生产流程中占有重要的地位。可以说尿素工业的发展与尿素合成塔的设计制造技术的发展是紧密相连的。

由于尿素反应介质的强腐蚀性，虽然1870年就提出了氨基甲酸胺脱水法合成尿素的工艺，但一直到二十世纪五十多年以后才实现工业化。直到廿十世纪五十年代，荷兰斯太米卡邦研究出在尿素合成反应器中加入氧气的办法，使不锈钢得到连续钝化，才使尿素合成塔内筒采用比较廉价的奥氏体CrNiMo 不锈钢。目前，尿素合成塔内筒所用的材料越来越多，其中有316L 型不锈钢，铬-钼-氮双相不锈钢等，但目前大量使用的还是以316L 和25-22-2铬镍钼氮型为主的奥氏体不锈钢为主。

一九七五年以后，我国从国外开始引进13套年产48~52万吨的大型尿素生产装置，尿素合成塔的内径为φ2100mm~φ2800mm 不等，从一九八三年开始，我国也开始自行设计和制造大型尿素合成塔，并对原有的中小型尿素合成塔进行改造，目前我国制造的尿素合成塔规格十分繁多，而且操作压力不同工艺也不尽相同，在工作压力上主要有21Mpa 和16Mpa 两种系列，操作温度均小于200℃。

目前，我国生产的尿素合成塔的最大直径已达φ2800mm ，高度36000mm ，容积达200m 3，生产能力达到1740吨/天。

本节简要介绍φ1850mm 尿素合成塔的制造过程。

该设备工作压力15.5Mpa ，设计压力：16.7Mpa ；操作温度188℃，设计温度：210℃，水压试验压力21.71Mpa 。

6.3.1.1总体结构

尿素合成塔的如图6-27所示，

主要包括：人孔、上封头、筒体、

下封头、物料接管等。

⑴封头结构

高压容器封头常采用的结构有：半球形封头、球曲封头或半椭圆形封头。

从受力观点看，半球形封头最好，球曲其次，椭圆封头在高压容器中较少使用。

半球形封头或球曲封头的成形工艺，根据各制造厂工艺工装设备条件不同而不同。有分瓣冲压成形后拼接成半球，

也有单层板拼焊后整体冲压成半球，还有多层球封头已在石油化工压力容器制造中得到推广使用。

多层球封头有两种形式：一种是采用薄板重叠后冲压成形，另一种是采用逐层冲压成形后叠合焊接包扎至所需厚度的方法成为多层球封头。如采用逐层重复冲压成形工艺，则可大大减少厚板冲压所需的大吨位水压机。同时，薄板的质量比厚板优良，所有焊缝可以互相错开，不用消除应力热处理，虽较费工，但总的成本相当，而且安全可靠性可以大大提高。是今后发展的方向之一。我国在1976年就制成过φ1400mm内径的高压乙烯球形贮罐，操作压力20Mpa，采用2层钢板叠合冲压成形的，在国内某化工厂使用至今未发生任何问题。

单层厚板制造的球封头，若采用分瓣冲压成形后组焊的工艺，拼装的工作量大，焊后可能产生的变形，影响了球封头内外表面的圆球度，需要机械加工，否则不利于内表面的不锈钢衬里（带极堆焊或爆炸衬里、机械衬里），一般采用整体冲压成形。

本设备采用拼接后采用整体冲压成形的半球形封头，材料选择16MnR。封头厚度105mm，成型后对封头内壁进行堆焊耐腐蚀层。

⑵高压筒体结构型式的选择

尿素合成塔的高压筒体是提供尿素生成必要的空间，是该设备的主体。它承受着高压、高温和强腐蚀介质的作用。

尿素合成塔筒体由普通钢外层和不锈钢内层组成。其组合型式可以是多种多样的，主要有以下几种类型：

①单层外壳，松衬不锈钢衬里层。

②单层外壳、爆炸衬里不锈钢层。

③热套多层壳体，热套内层不锈钢衬里层或松衬不锈钢衬里层

④多层包扎焊接壳体，松衬不锈钢内层。

⑤以不锈钢作为内筒外层直接包扎焊接炭钢多层层板。

等等。但经过多年的实践和比较，目前用的最多的，最可靠的结构型式是以不锈钢作为内筒外层直接包扎焊接碳钢多层层板及内筒热套不锈钢衬里后再

进行多层包扎焊接的筒体结构。

以不锈钢衬里作为内筒的多层包扎焊接式筒体的优点是制造工艺简单、衬里层与外壳碳钢层的贴紧度高、在操作压力下不锈钢内筒由多层包扎产生的压应力与内压引起的拉应力相互抵消，使内筒应力大大降低，甚至为压应力，降低了产生应力腐蚀的可能性。而这一特点在松衬内筒的尿素合成塔中是无法得到的。其次，内筒的不锈钢衬里纵焊缝可以在塔外制作，并进行X光射线探伤和内外侧着色探伤，有缺陷时返修方便且彻底，可充分保证主焊缝的质量。这是确保尿素合成塔避免过早腐蚀泄漏的有力措施。

为了保证不锈钢衬里层外壁在焊接外层碳钢时免受污染和产生低碳马氏体，位于不锈钢和层板之间设置一层过渡层（通常叫盲板）。

本设备筒体采用以不锈钢衬里作为内筒的多层包扎焊接式筒体。

⑶技术标准

尿素合成塔的的制造出符合GB9842—2004外，还应符合GB150、ASMEII 的有关规定及要求。其中对耐尿素腐蚀的材料验收和复验的要求如下：耐尿素腐蚀的材料必须按专业标准如GB9842尿素合成塔技术条件、用户提供的工程标准进行采购和验收及复验。这类材料采购之前应编制详细的材料采购说明书，提出采购的材料品种、规格、数量、质量标准、质量证明书的类别、供货状态等等要求。材料到厂后即按采购说明书的规定进行百分之百或抽查复验，如复验不符合采购说明书的要求，可以要求供方一起复验，或请第三方仲裁复验。

不锈钢材料到厂后至复验内容举例，全部内容参考相关标准和规定。

ⅰ按炉批号复验化学成份；

ⅱ逐件测定铁素体含量；

ⅲ经晶间腐蚀倾向性试验后的试件应按有关规定进行选择性腐蚀检查及金相检查，试验方法按HG/T3174或工程标准的规定。

ⅳ焊接材料应按炉（批）号复验焊条、焊丝、焊带及焊剂等焊接材料的熔敷金属的化学成份、铁素体含量、晶间腐蚀倾向试验、选择性腐蚀检查及金相

检查。

图6-28下封头示意图图6-29上封头示意图