氨合成塔電爐電極桿密封改進

馬文亮，文 坤，雷 偉

（云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南開遠 661600）

氨合成塔電爐電極桿密封改進

馬文亮，文 坤，雷 偉

（云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司，云南開遠 661600）

對氨合成塔電爐電極桿泄露問題進行了分析，提出了解決方案，并對解決方案進行了論證，最后對方案的實施過程和實施后的效果進行了闡述。

氨；合成塔；密封；電爐；電極桿

我公司5＃氨合成塔2007年投入使用，該塔采用高壓、卡薩利軸徑向冷激式工藝流程，合成塔的電爐電源為380 V。氨合成塔運行時，電爐在電極桿處常發生合成氣泄漏，甚至引發著火。公司根據事故狀況以及爐體構造，研究了泄漏產生的原因，并多次對該設備進行了改造。本文對研究過程及改進工作進行了總結，旨在為同行提供參考借鑒。

1 電極桿密封情況

5＃合成塔電爐功率為1 200 kW，電壓為0～380 V，三相，電流為0～1 824 A。電爐電極桿共3根，位于合成塔頂部，穿過合成塔小蓋。結構如圖1所示。

電極桿的密封采用椎體壓緊密封，屬于錐面密封。如圖2所示。

電爐安裝時，首先在小蓋上安裝電爐的3根電極桿，然后再連接電極桿與電爐的電阻絲部分。

電極桿下部錐面首先用石棉繩纏緊，涂好硅膠，再套上絕緣的云母套筒（起到電極桿與小蓋絕緣），然后安裝到小蓋的錐孔內，最后固定小蓋與電極桿，上緊電極桿上部壓緊螺母。

在催化劑活性末期，利用電爐補償合成氣的溫度。在運行一段時間后，電極桿與小蓋之間就會發生合成氣泄漏。一般采用再次打緊的方式處理。但電極桿的經常泄漏已經危及合成塔的安全穩定運行，影響正常生產。

圖1 合成塔小蓋結構示意圖Fig.1 Struacture schematic diagram of the small cover for synthesis column

2 漏氣原因分析

電爐電極桿與小蓋間的泄漏是密封失效產生的。經分析，產生密封失效的原因有以下幾個方面。

圖2 密封及安裝結構圖Fig.2 Structure diagram for sealing and mounting

1）電極桿與小蓋之間屬于錐面密封，安裝過程電極桿容易傾斜，同時在上緊壓緊螺母時易發生電極桿轉動，破壞密封填料。

2）電極桿通電發熱，使電極桿膨脹造成密封壓力不夠，產生漏氣。

3）由于合成塔負荷波動，反復上緊電極桿使密封材料壓潰。

4）密封材料壓緊后膨脹性不好。電爐小蓋與上部電極桿因材質不同，隨溫度變化后膨脹量不同，而云母套筒壓縮后彈性恢復較小不足以補償溫度變化產生的間隙，導致上部電極桿錐體部分密封失效。

3 解決方案研究

3.1 O形密封環方案

考慮在小蓋內壁上開環型槽，采用O型圈的密封方式，如圖3所示。該種密封方式的O型環要能夠承受高壓、高溫，材料難找，而且，一旦錐面密封失效，O型環云母帶套筒內層的密封也沒有保證，因此方案不具備可行性

3.2 膨脹蝶環補償方案

此方案的原理是：當電極桿螺栓預緊力產生的彈性變形不能滿足熱膨脹帶來的間隙時，通過蝶形墊片的彈性來消除電極桿的熱變形量，從而保證密封的預緊力。

3.2.1 方案的核算

在計算電極桿上的載荷時，只考慮熱膨脹量和密封墊的密封比壓兩個因素，螺栓、電極桿的自身重量，與螺栓載荷相比太小而忽略不計。電極桿與小蓋的基本參數見表1、表2。

圖3 O型密封環密封改造結構圖Fig.3 O-ring sealing structure

表1 電極桿與小蓋的材質及材料線膨脹系數Tab 1 M aterials and a low coefficients of linear expansion of electrode rod and small cover

表2 電極桿與小蓋熱膨脹實際溫度情況及計算依據

1）金屬材料受熱膨脹分析

電極桿底部連接電阻絲，溫度在500～700℃之間；小蓋底部與合成氣接觸，溫度≤520℃。因電極桿與小蓋的材質不同，且受熱溫度不同，兩種材質的受熱膨脹會有差異。

螺栓伸長量ΔL＝18.6×10-6×328.15×390 ＝2.38mm

法蘭伸長量ΔL＝14.2×10-6×300×315＝1.34mm

所以螺栓相對伸長量為2.38-1.34＝1.04mm

2）電極桿的預緊力分析

補償溫差需要的預緊力為：F1＝E×A×ΔL／L

其中A為螺栓受力面積，A＝π／4×［M-（0.938×螺牙）］2＝π／4×［39-（0.938×3）］2＝1028mm2

3）密封材料的密封比壓

電極桿結構圖如圖4所示。

圖4 電極桿結構圖Fig.4 Structu re d iagram of electrode rods

電極桿斜錐面高度H為：H＝（63-44）／2／tan10°＝53.88mm

斜錐面長度L為：

密封墊的面積S約為：

根據石棉繩的密封比壓Y＝9MPa，計算密封面的正壓力F2

根據力的分解，螺栓上預緊力F0＝F2／sin10°＝8 904 N

4）螺栓強度校核

電極螺栓最終預緊力應滿足熱膨脹補償和密封壓緊力，所以螺栓最終預緊力密封比壓因和熱膨脹力之和，預緊力F為：

預緊力F＝F0＋F1＝651604＋8904＝660508N

根據預緊力對栓螺強度σ進行校核：

所以，此電極螺栓必須要8.8級以上的螺栓（螺栓強度為640MPa）才能滿足要求。對于螺栓等級為10.9或12.9的電極螺栓，其強度上是滿足要求的，其使用的屈服極限分別為72%和61.5%，用12.9級的螺栓是比較安全的。

5）碟簧的選擇

由于電極桿在加熱時，溫度會上升，從而導致預緊力F1損失。為了使螺栓繼續發揮預緊力的作用，在電極桿上端增加碟簧。由于上部仍有較高溫度，選用高溫碟簧。查閱高溫碟簧選型，選擇M52（388 185），其最大承載力為585 kN形式的蝶環。在初始安裝后，當電極桿加熱升溫時，如果保證75%的壓平極限，則碟簧的承載力為355 kN，這足夠保證提供F0的承載力。其單片的回復量為0.86mm，也就是可以存儲0.86 mm的螺栓伸長量。

3.3.2 云母套筒壓潰試驗

云母套筒套在電爐電極桿上起到絕緣作用，同時該套管也承擔著電極桿的密封。每次電極桿漏氣拆開，檢查云母套筒均未發生損壞情況。本次解決密封泄漏方式中增加了彈性蝶環，為了驗證安裝扭矩形成的預緊力是否壓壞云母套筒，對云母套筒進行壓潰試驗。實驗結果見圖5。

圖5 云母套簡壓力實驗曲線圖Fig.5 M ica sleeve pressure test curve

從圖5中看出，最大實驗壓力遠大于電極桿預緊力產生的壓力，在此壓力下，云母套筒仍保持

完好。說明云母套筒可以滿足使用要求。

3.2.3 定位提升螺母

為了保證密封，另一關鍵點是在電極桿的安裝過程中不能有側向偏載和上緊時的相對轉動，以免傷到密封墊。此外，安裝預緊力的精度要求也高，例如，10.9級的螺栓，其屈服余量只有28%，考慮到材料10%的安全極限，所以力矩轉換成載荷的過程中不能有較大誤差，應控制安裝力矩誤差在10%以內。本方案采用定位提升螺母（CLAMP螺母），它是由3部分組成的預緊系統：①內部螺紋套；②）外部轉動套；③花鍵墊圈。內部的螺紋套具與螺栓的螺紋相同，內部螺紋套與花鍵墊圈通過花鍵齒相連接，從而使內部螺紋套只能沿軸向移動。內部的螺紋套與外部轉動套間通過傳導性好的梯形螺紋連接。當轉動外部的轉動套向下時，推動花鍵墊圈向下移動，內部的螺紋套軸向拉伸螺栓做相對運動。從而實現在上緊電極桿過程中防止電極桿發生側向偏載和上緊時相對轉動。

3.2.4 安裝控制

為了滿足電極桿膨脹蝶環補償，增加了CLAMP螺母、蝶環、定位墊片，電極桿在原有基礎上也加長了。螺母和蝶環安裝如圖6所示。首先安裝云母片、定位墊片和碟簧，接著，把CLAMP螺母裝上，安裝驅動器；然后，依次拉伸螺栓，并緊固每顆螺栓；最后，再校驗一次，確保緊固到位，完成電極桿安裝。

4 使用效果

氨合成塔電極桿泄漏解決方案實施后，合成塔電爐在不同電流負荷下均未發生漏氣現象，解決了氨合成塔長期泄漏的情況，保證了氨合成工序安全、穩定、高負荷運行。

圖6 螺母和碟環安裝圖Fig.6 Mounting diagram for nuts and butterfly ring

［1］ 成大先.機械設計手冊：第二卷［M］.北京：化學工業出版社，

［2］ 公司氨合成操作手冊［Z］.

Improvement on Electrode Rod Sealing of Ammonia Converter Furnace

MA Wen-liang，WEN Kun，LEI Wei

（Yunnan Jiehua clean energy Chemical Development Co.，Ltd.，Kaiyuan 661600，China）

The electrode rod leaking problems of the ammonia synthesis tower furnace were analyzed，solutions were proposed to solve leakage，and solutions were demonstrated.The effect during and after implementation of the program was described.

ammonia；synthesis tower；seal；furnace；electrode rods

TQ113.2

A

1004-275X（2015）03-0067-04

12.3969／j.issn.1004-275X.2015.03.019

收稿：2015-02-27

馬文亮（1983-），男，黑龍江望奎人，主要從事化工工藝工作。