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尿素合成塔是尿素装置的核心设备，本设计是30kt/a三胺及配套尿素工程中的尿素合成塔。该塔的内件由内件制造厂提供，外壳由我公司设计。原料二氧化碳和氨的反应主要在该塔内进行。本设备设计压力高（22MPa）、设计温度高（200℃），并存在严重的甲铵腐蚀。下面就我在尿素合成塔的设计过程中的一些体会总结如下：
1.设计参数与尺寸
2.材料选择、结构设计与分析
2.1 筒体结构的确定
尿素合成塔筒体由碳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。
本尿素合成塔设备压力高，为三类压力容器。如果采用单层板结构，经过计算需要钢板比較厚（138mm，16MnR板材），由于国内轧机能力问题，对于厚板往往会出现轧制不均匀而造成各向不同性现象，同时由于设备厚径比较大，在卷制过程中钢板纵向纤维拉伸较大，对材料的韧性要求比较高。另外，由于本设备壳体上接管不多，不容易造成焊接泄漏，因此，本设备就采用了以不锈钢衬里作为内筒的多层包扎焊接式筒体的结构。
2.2 筒体材料的选取
由于本设备介质的腐蚀性比较强，内层材料选用的尿素级不锈钢316L mod的材料，盲板层跟层板采用的16MnR板材。
2.3 封头型式的选取
尿素合成塔上下封头可以采用整体锻件加工而成，也可以采用厚板冲压成形。从受力的均匀性及成型各个方面来讲，球形封头比椭圆形封头均优越，同时考虑到直径较小，为减少焊缝，上下封头采用整板冲压后带极堆焊内防腐蚀层的球形封头。从节约材料和改善受力状况考虑，与其他高压容器一样，绝大多数采用半球形封头、球曲或半椭圆形封头。从受力观点看，半球形封头最好，球曲其次，椭圆形封头在高压容器中较少使用。本尿素合成塔经计算后的封头厚度达到δ=102mm，此厚度的封头成型较难。综上考虑，我们上下封头采用了厚板冲压成形的半球形封头。
2.4 封头材料的选取
由于介质腐蚀性比较强，内层材料选用的尿素级不锈钢316L mod，同时该设备压力高经过计算需要钢板比较厚，这就要求材料的许用应力、冲击功韧性都比较高，因此选用了各项机械性能都比较好的德国牌号19Mn6的材料。
2.5 顶部人孔密封结构和密封垫片
尿素合成塔的人孔密封结构部分虽非浸没于尿素熔融液中，但因其保温效果不好，往往有冷凝液滞留，加上密封垫与密封座合面之间的微小间隙，缺氧现象严重，得不到连续钝化作用，容易遭到腐蚀。经常发生腐蚀而泄漏。密封面一旦发生腐蚀，现场修理十分麻烦。
密封结构的可靠性主要与密封座材料的耐蚀性和垫片结构型式有关。该合成塔采用的镶环结构，是在粗加工的槽上镶上一环状不锈钢板或锻件。镶环一般是用整圈锻件或整圈钢板加工出来的。锻件和钢板均经过固溶处理、表里的耐腐蚀性基本一致，可以重复加工而不降低其耐蚀性能。
本尿素合成塔的人孔直径φ600，操作压力为22Mpa。为了尽量缩小密封结构尺寸，降低造价，密封元件采用了齿形垫片。这种密封垫两侧覆盖0.5mm的石棉垫。石棉垫要求氯离子的含量氯含量≤100mg/t，因为氯离子会造成奥氏体不锈钢的应力腐蚀。这种密封垫实际上与密封座面的接触是齿形尖端，这些同心圆的齿峰把整个密封面分割成7～8道环形腔，而很薄的石棉垫则填入此环形腔中，增加了液体泄漏的阻力，提高了密封的可靠性，这种密封垫的制造和检修都很方便。在检修时只要更换两侧的石棉垫，齿形垫可以重复使用多次。同时，这种齿形垫可以采用与衬里材料同样的板材制作。因此本尿素合成塔齿形垫片选用了316L mod+聚四氟乙烯的材料。
2.6接管的补强结构
壳体上的接管采用的是整锻件补强的结构。因为根据GB150规定壳体壁厚δ>38mm，设计压力≥6.4 MPa的接管需采用整锻件补强。
3.制造和检验的要求
（1）本设备用于主要受压原件的钢板必须按《压力容器安全技术监察规程》的规定进行复验，所有受压零部件所用的钢板应为细晶粒钢，晶粒度等级不小于6级，用于制造封头的钢板按JB/T4730-2005《压力容器无损检测》逐张进行超声波探伤Ⅱ级合格。用于制造凸缘、人孔盖的锻件应符合JB4726-2000及图样规定，超声波探伤方法应按JB/T4730-2005《压力容器无损检测》的规定。316L Mod应符合“尿素级奥氏体不锈钢材料技术要求”的要求。
（2）19Mn6钢板应参照GB6654-1996《压力容器用钢板》的规定。板材应以正火状态供货，并按JB/T4730.3-2005规定进行超声波检测，质量等级不低于II级。
（3）多层包扎筒体的内筒和层板的纵，环焊缝应分别相互错开。相邻层板环焊缝的间距不小于100mm；层板的相邻两纵向焊缝应均匀错开，且任意两层的纵向焊缝也不得重合。相邻两筒节或任意两筒节同一轴线上的检漏孔周向公差小于9mm。
（4）多层筒体上的检漏孔与通气孔之间不得串气，通气孔在现场安装时，不得堵塞。
（5）本设备A，B类焊接接头应进行100%射线检测，内筒（不锈钢衬里）的纵向焊接接头符合JB/T4730.2-2005中I级为合格，其余以符合JB/T4730.2-2005中II级为合格。不锈钢衬里焊缝在水压试验前后均应进行100%渗透检测。接管、护板、及内件的角接接头均应进行100%渗透检测。筒体的环向焊接接头（B类）均应进行20%超声复检，符合JB/T4730.2-2005中I级为合格，其外壳面进行100%磁粉检测，人孔接管与封头的焊接接头外表面进行100%磁粉检测，接管与筒体或封头及接管与接管的焊接接头进行100%渗透检测。
（6）衬里焊接接头应至少在盲层和底层进行两次渗透检测。
（7）衬里层、堆焊层、内筒焊接接头及与介质接触的接管应按HG/T3173-2002《尿素级超低碳铬镍钼奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向试验》做晶间腐蚀倾向试验。经晶间腐蚀试验后，必须进行选择性腐蚀检查及金相检查。
（8）封头冲压成型且堆焊层层堆焊后一起作整体消除应力热处理。
（9）水压试验用水的氯离子含量不得超过25mg/L，水温不得低于15℃。
（10）水压试验合格后，衬里焊接接头表面应进行100%渗透检测，检验合格后，再以充入100%氦气法进行氦渗漏试验。
1.设计参数与尺寸
2.材料选择、结构设计与分析
2.1 筒体结构的确定
尿素合成塔筒体由碳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。
本尿素合成塔设备压力高，为三类压力容器。如果采用单层板结构，经过计算需要钢板比較厚（138mm，16MnR板材），由于国内轧机能力问题，对于厚板往往会出现轧制不均匀而造成各向不同性现象，同时由于设备厚径比较大，在卷制过程中钢板纵向纤维拉伸较大，对材料的韧性要求比较高。另外，由于本设备壳体上接管不多，不容易造成焊接泄漏，因此，本设备就采用了以不锈钢衬里作为内筒的多层包扎焊接式筒体的结构。
2.2 筒体材料的选取
由于本设备介质的腐蚀性比较强，内层材料选用的尿素级不锈钢316L mod的材料，盲板层跟层板采用的16MnR板材。
2.3 封头型式的选取
尿素合成塔上下封头可以采用整体锻件加工而成，也可以采用厚板冲压成形。从受力的均匀性及成型各个方面来讲，球形封头比椭圆形封头均优越，同时考虑到直径较小，为减少焊缝，上下封头采用整板冲压后带极堆焊内防腐蚀层的球形封头。从节约材料和改善受力状况考虑，与其他高压容器一样，绝大多数采用半球形封头、球曲或半椭圆形封头。从受力观点看，半球形封头最好，球曲其次，椭圆形封头在高压容器中较少使用。本尿素合成塔经计算后的封头厚度达到δ=102mm，此厚度的封头成型较难。综上考虑，我们上下封头采用了厚板冲压成形的半球形封头。
2.4 封头材料的选取
由于介质腐蚀性比较强，内层材料选用的尿素级不锈钢316L mod，同时该设备压力高经过计算需要钢板比较厚，这就要求材料的许用应力、冲击功韧性都比较高，因此选用了各项机械性能都比较好的德国牌号19Mn6的材料。
2.5 顶部人孔密封结构和密封垫片
尿素合成塔的人孔密封结构部分虽非浸没于尿素熔融液中，但因其保温效果不好，往往有冷凝液滞留，加上密封垫与密封座合面之间的微小间隙，缺氧现象严重，得不到连续钝化作用，容易遭到腐蚀。经常发生腐蚀而泄漏。密封面一旦发生腐蚀，现场修理十分麻烦。
密封结构的可靠性主要与密封座材料的耐蚀性和垫片结构型式有关。该合成塔采用的镶环结构，是在粗加工的槽上镶上一环状不锈钢板或锻件。镶环一般是用整圈锻件或整圈钢板加工出来的。锻件和钢板均经过固溶处理、表里的耐腐蚀性基本一致，可以重复加工而不降低其耐蚀性能。
本尿素合成塔的人孔直径φ600，操作压力为22Mpa。为了尽量缩小密封结构尺寸，降低造价，密封元件采用了齿形垫片。这种密封垫两侧覆盖0.5mm的石棉垫。石棉垫要求氯离子的含量氯含量≤100mg/t，因为氯离子会造成奥氏体不锈钢的应力腐蚀。这种密封垫实际上与密封座面的接触是齿形尖端，这些同心圆的齿峰把整个密封面分割成7～8道环形腔，而很薄的石棉垫则填入此环形腔中，增加了液体泄漏的阻力，提高了密封的可靠性，这种密封垫的制造和检修都很方便。在检修时只要更换两侧的石棉垫，齿形垫可以重复使用多次。同时，这种齿形垫可以采用与衬里材料同样的板材制作。因此本尿素合成塔齿形垫片选用了316L mod+聚四氟乙烯的材料。
2.6接管的补强结构
壳体上的接管采用的是整锻件补强的结构。因为根据GB150规定壳体壁厚δ>38mm，设计压力≥6.4 MPa的接管需采用整锻件补强。
3.制造和检验的要求
（1）本设备用于主要受压原件的钢板必须按《压力容器安全技术监察规程》的规定进行复验，所有受压零部件所用的钢板应为细晶粒钢，晶粒度等级不小于6级，用于制造封头的钢板按JB/T4730-2005《压力容器无损检测》逐张进行超声波探伤Ⅱ级合格。用于制造凸缘、人孔盖的锻件应符合JB4726-2000及图样规定，超声波探伤方法应按JB/T4730-2005《压力容器无损检测》的规定。316L Mod应符合“尿素级奥氏体不锈钢材料技术要求”的要求。
（2）19Mn6钢板应参照GB6654-1996《压力容器用钢板》的规定。板材应以正火状态供货，并按JB/T4730.3-2005规定进行超声波检测，质量等级不低于II级。
（3）多层包扎筒体的内筒和层板的纵，环焊缝应分别相互错开。相邻层板环焊缝的间距不小于100mm；层板的相邻两纵向焊缝应均匀错开，且任意两层的纵向焊缝也不得重合。相邻两筒节或任意两筒节同一轴线上的检漏孔周向公差小于9mm。
（4）多层筒体上的检漏孔与通气孔之间不得串气，通气孔在现场安装时，不得堵塞。
（5）本设备A，B类焊接接头应进行100%射线检测，内筒（不锈钢衬里）的纵向焊接接头符合JB/T4730.2-2005中I级为合格，其余以符合JB/T4730.2-2005中II级为合格。不锈钢衬里焊缝在水压试验前后均应进行100%渗透检测。接管、护板、及内件的角接接头均应进行100%渗透检测。筒体的环向焊接接头（B类）均应进行20%超声复检，符合JB/T4730.2-2005中I级为合格，其外壳面进行100%磁粉检测，人孔接管与封头的焊接接头外表面进行100%磁粉检测，接管与筒体或封头及接管与接管的焊接接头进行100%渗透检测。
（6）衬里焊接接头应至少在盲层和底层进行两次渗透检测。
（7）衬里层、堆焊层、内筒焊接接头及与介质接触的接管应按HG/T3173-2002《尿素级超低碳铬镍钼奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向试验》做晶间腐蚀倾向试验。经晶间腐蚀试验后，必须进行选择性腐蚀检查及金相检查。
（8）封头冲压成型且堆焊层层堆焊后一起作整体消除应力热处理。
（9）水压试验用水的氯离子含量不得超过25mg/L，水温不得低于15℃。
（10）水压试验合格后，衬里焊接接头表面应进行100%渗透检测，检验合格后，再以充入100%氦气法进行氦渗漏试验。