合成氨高温高压管道设计浅谈

岳凡

【摘 要】氨作为当前化工行业重要的材料，可以应用在化肥、基本有机化工等多个领域当中，为我国化工行业的发展提供了重要帮助。而在氨合成的过程中，需要应用良好的高温高压管道。合理的对高温高压管道进行设计，不仅能够提升合成氨的效率，而且增加了生产的安全性，对合成氨工业具有重要意义。

【Abstract】As an important material of chemical industry， ammonia can be used in many fields such as chemical fertilizer， basic organic chemical industry and so on. It has provided important help for the development of chemical industry in our country. In the process of ammonia synthesis， a good high temperature and high pressure pipeline is needed. Reasonable design of high temperature and high pressure pipeline can not only improve the efficiency of synthetic ammonia， but also increase the safety of production. It is of great significance to the ammonia industry.

【關键词】合成氨；高温高压管道；应力

【Keywords】 synthetic ammonia； high temperature and high pressure pipeline； stress

【中图分类号】TQ113.25 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0168-02

1 引言

社会的进步与经济的增长推动了合成氨工业的发展，使合成氨的生产效率逐渐提升，由之前每套设备生产效率的11t/年，提升到当前生产效率的26t/年，生产效率提升了一倍以上，从而要求设备内具有更大的管径。

2 合成氨工艺介绍

合成氨的过程中，温度与压力是两个重要指标，如在400℃，压强达到200MPa，无需加入催化剂，可以正常的合成氨。但实际当中，想要达到这一压力指标，往往需要较大的动力，从而消耗更多的材料，导致成本的提升。所以，在我国合成氨工艺中，通常应用20～500MP的压力。同时，从理想的角度而言，生产环境的温度越低，氨合成的越顺利，但温度过低，会减弱反应速率，并且，当温度在500℃时，铁触媒具有最大的活性，所以，我国合成氨工业中通常选择400～500℃的温度。合成氨的过程中，可以利用天然气、无烟煤作为主要原料，其中国外大多以天然气合成氨，而在我国主要以无烟煤合成氨，氨合成时主要按照以下流程合成的：

造气→半水煤气脱硫→压缩机1，2工段→变换→变换气脱硫→压缩机3段→脱硫→压缩机4，5工段→铜洗→压缩机6段→氨合成→产品NH3[1]。

3 高温高压管道的设计

在上述氨合成工艺介绍中阐述了我国合成氨环境温度为500℃，压力为20～500MP，所以，对管道材料实际应用时，应保证其达到这一要求。在对高压高温设计时，不仅要按照一般管道设计的要求，同时，还要结合合成氨工艺的特点进行设计，使管道在安全的情况下，只需要投入最低的成本，并且，达到热应力的基础上，确保管道的长度最短，弯头的数量最低。通常情况下，结合设备的布置，通过关系重心偏移法对管道的走向进行设计。之后，根据管道的配置，安装管道支吊架，并通过相应的分析系统，分析整个管道的应力。最后，以分析的结果为基础，对管道走向与支吊架进行调整，使整个高温高压管道符合合成氨工艺的要求，并降低生产工艺中的安全隐患。

4 管道应力分析内容

4.1静动分析

我厂对管道进行应力分析时，使用的为CAESARⅡ软件，该软件对管道分析的过程中，主要由静态分析与动态分析两个内容构成。在静态分析当中，主要从下列几个角度分析的：

一是分析在工作压力下，管道所有的一次应力，避免管道出现形变的问题；二是分析热胀冷缩情况下，管道的二次应力，避免管道出现疲劳损坏；三是分析管口的作用力，确保合成设备顺利工作；四是分析支吊架的作用力，为支吊架在整个管道系统中发挥出重要的作用打下良好基础；五是分析法兰的作用力，避免出现法兰泄露问题。

在动态分析中，主要从下列几个角度分析的：一是分析振动频率，避免整个管道出现共振；二是分析强迫振动响应，控制管道振动与应力；三是分析压缩泵气液柱频率，避免产生共振；四是分析压缩泵压力脉动，确保压力脉动参数在规定的范围内；五是地震分析；六是分析安全阀，避免出现泄露问题。

4.2 一次应力与二次应力分析

所谓的一次应力，指的是管道使用过程中，在外界各种力的作用下，管道出现的应力，其在管道当中具有重要的意义，能够使外界荷载达到平衡，外界荷载越大，应力也会越高。在一次应力中，不存在自限性，当外界荷载增加到一定程度后，使塑性区达到最大范围时，就算外界荷载停止增长，管道内部依然会出现塑性流动，直到管道损坏为止。所以，对合成氨高温高压管道设计时，应保证一次应力达到合成要求的基础上，留出少量裕量，提高整个管道的安全性。二次引力指的是管道内部产生的应力，不会参与到外界力的平衡，而是符合管道内约束条件所需要的应力。这一应力中，存在自限性，通过局部屈服的作用，达到形变要求，抑制了形变的扩张。所以，对高温高压管道设计时，应调节管道的走向，提升管道的柔性，降低管道二次应力。

5 高温高压管道应力分析

5.1 基本参数

我厂某产量为26万t合成氨设备运营的过程中，压力P为25MPa，温度T为450℃，管道尺寸φ为426*46.78，管道材料选择时，以10MoWVNb材料为主。选择保温材料时，以岩棉为主，厚度为50mm，保温时，应保证整个保温厚度在150mm以上。

5.2 模型的建立

在模型建立的过程中，为了方便分析，将法兰看作普通管道。建立完模型后，应科学的录入边界条件。通常情况下，边界条件由以下两个方面构成，一是管段初始热位移，本次研究的管道，由1#废热回收器到2#废热回收器之间，1#段通常与塔底相连，并且其支座为弹簧支座，运行的过程中，会出现一定的位移，所以1#的边界条件为：Y轴上-10mm，其他轴向上均为0mm；2#段为稳固段。二是支吊架的放置。根据管道铺设的环境，结合管道的走向，能够在30点与60点两个位置上，安放支吊架。所以，将分析分为两种情况，情况1：30点安放支吊架；情况2：60点安放支吊架。

5.3 分析结果

首先对管道应力的极限值进行分析，分析结果如表1所示。通过表1的观察可以发现，两种情况下，一、二次应力均在规定范围内。

其次对支吊架选型进行分析，分析结果如表2所示。针对这一分析结果，结合《变力弹簧支吊架》HG/T20644—1998中的规定，30节点应选择TD-17的弹簧，60节点选择TD-18的弹簧，才会在管道中发挥最大的作用。

6 总结

综上所述，高温高压管道作为合成氨当中的重要组成部分，合理的对其进行设计，可以为提高合成氨的效率与安全性提供帮助，推动我国合成氨工业进一步发展。所以，在合成氨工业发展的过程中，应根据该研究中的内容来对高温高压管道进行设计。但本文是以我厂合成氨设备为例进行研究的，具有一定的局限性，想要确保整个合成氨领域更好的发展，还应加强合成氨高温高压管道设计研究的力度。

【参考文献】

【1】孙焕青，袁本旺，王兵槐.高压抽注凝汽式汽轮机主蒸汽管道的应力分析[J].化肥设计，2016（1）：25-28.endprint