我公司曾为某化工厂设计了一套醋酸仲丁酯生产装置。由工艺需要，装置内设置一台起到脱碳作用的钛材高塔设备，塔内分多段布置填料和浮阀塔盘，物料从塔体下部进入，在塔体内部进行传质和传热，塔内介质复杂，腐蚀性强，存多种有毒物质和爆炸危险介质，工作温度高、工作压力高、工况复杂、塔体高且高径比大，是该生产装置中的核心设备，也是高危设备。
1、设计参数与选材
1.1设计参数见表1。
1.2选材
该塔器内部存在多种复杂的介质环境，其中醋酸仲丁酯和醋酸对于不锈钢材料有较强腐蚀作用，而工业纯钛对于醋酸仲丁酯和醋酸有较好的耐蚀性，且材料密度小、机械强度大，故比强度高。从主材的经济性、实用性、安全性和可靠性等方面综合考虑，工业纯钛中的TA2具备良好的综合力学性能和工艺性能，能较好满足本工况下对机械强度和腐蚀要求，所以本塔器设备筒体、封头、接管等主材选择工业纯钛TA2，工业纯钛的使用状态为退火状态，厚度δ＞25mm板材逐张超声检测，试验方法按GB/T5193-2020《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中A级合格。钛材价格贵，为经济合理地使用钛材，在不与腐蚀介质接触的部位，尽量考虑不用钛制零件，本塔器裙座过渡段的连接法兰尺寸大，厚度厚、质量重、若采用纯钛结构，在经济上极不合理，本设备针对性地设计了TA2+16MnⅡ锻件的钢制活套法兰结构，在达到经济效果的同时，结构强度得到加强。同时，由于钛与钢之间的连接需采用机械方法，若某些节点设计困难或使节点结构复杂化时，应根据材料费用、制造费用和工期要求等综合考虑，必要时仍选用全钛材，如本塔器上的起重吊耳结构小，重量不大，故设计了TA2全钛材结构的吊耳。
2、强度计算与结构设计
2.1强度计算脱碳塔外形尺寸如图1所示。以GB150.1~150.4-2011《压力容器》、JB/T4745-2002《钛制焊接容器》和NB/T47041-2014《塔式容器》为强度计算依据，对设备筒体、裙座、封头、设备法兰和开孔补强等进行计算，进而确定各个部件的厚度。2.2结构设计2.2.1裙座设计本塔器类别为自支撑立式金属制高塔式容器，整体高度超过50米，塔体直径最大处为φ1800mm，最小处φ为1200mm，整体高径比约为27，设备整体载荷大、弯矩大、塔身挠度大，设计圆锥形裙座可以减小混凝土基础顶面的压应力，增加裙座筒体断面惯性矩，结合现场实际布置条件，设计4.9°半锥顶角裙座，满足小于15°结构适用的要求且通过计算验证。裙座材料不与介质接触，且承受了整个塔设备最大的弯矩载荷，设计选用价格相对低、强度好、塑性和焊接性能良好的低合金钢Q345R，由于塔体下封头与裙座壳所用金属材料不同，裙座筒体上部设置一段与塔釜封头材料TA2相同的钛钢筒体作过渡段，在全钛设备上，若铁等其他金属溶于钛焊缝中，则会形成硬而脆的金属间化合物，极大地降低焊缝塑性，除爆炸焊接和钎焊外，钛不能直接熔焊在钢上，故钛材设备的支承结构设计有其本身的特殊性，本塔器在裙座过渡段与下部Q345R筒体的连接处上，设计了一套钢制活套法兰结构，通过模拟活套设备法兰来计算强度，再结合连接螺栓的尺寸、锥形筒体倾斜角对紧固螺栓时用液压拉伸器作业空间的影响等因素，最终设计形成了2片直径φ2250，厚度225mm，总重量约为5吨的设备活套大法兰组合，如图2所示。大大节约了钛材的用量，同时也使高钛塔器裙座材料的安全性和可靠性增加，保证了经济效果并满足使用要求。
2.2.2筒体设计
塔器壁厚是由压力、温度、风载荷、地震载荷等综合影响，由于风或地震载荷引起的弯矩随塔高自上而下递增，从等强度及结构设计的合理性考虑，将塔体厚度分为自上而下逐段递增的筒体段，在同时兼顾保证强度和结构设计的前提下，应结合钢板标准规格，尽量取钢板标准宽度的整数倍，从而减少制作加工中废料的产生量，再结合计算数据，反复调整和试算，最终将塔体划分为7段，钛材钢板厚度从10mm过渡到20mm，经济效果显著。
2.2.3人孔设计
本设备的人孔处在一个没有突然压力升降和温度剧烈变化，也没有载荷频繁变化相对稳定的环境状态，设计采用衬层结构，如图3所示,介质压力由外壳材料承受，钛材只承受介质腐蚀，设备内衬钛比衬其他金属材料困难得多，衬其他金属时，可采用直接熔焊法，但衬钛绝对不允许采用这种方法，因为衬层在设备内焊接时，钛和外壳材料有互溶的可能，铁金属等溶于钛焊缝中，形成硬而脆的金属间化合物，严重减低焊缝塑性和耐腐蚀性能；钛衬里设计除了考虑一般衬里设备的特点，如：绝对避免腐蚀介质与外壳材料有任何接触的可能；外壳上应设置检漏孔，检查衬里层的焊缝质量；外壳内表面应磨平、磨光、圆滑过渡等，还应注意严格防止其他材料的互溶；钛衬里在钢壳上固定不能用塞焊或条焊，可采用爆炸焊接，或者机械固定和钎焊联合使用。本设备上的人孔法兰盖衬层采用机械连接加银钎焊的做法，如图4所示,用钛螺钉把衬层固定在钢壳上，螺钉拧入后，用氩弧焊将螺钉焊死。注意要考虑热影响会造成螺钉自身变形，为留有足够变形空间，所以采用16mm左右的长螺钉固定。再延衬层一周环焊一圈银钎焊，该设计能有效防止异种金属污染钛衬层，又能解决需将钛衬层牢靠地固定在基材上。脱碳塔上的人孔均由此方案设计，节约了近3吨钛材消耗。
3、制造、检验与验收要求
本设备根据TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》和GB/T150.1~150.4-2011《压力容器》对设备制造、检验与验收提出了相应要求。设备施焊前，钛材焊接接头的焊接工艺评定满足JB/T4745-2002附录B的规定，钛材的焊接规程按JB/T4745-2002附录E的规定。
对DN≥250mm的接管与接管、接管与管件、接管与法兰对焊环之间的对接接头的检测要求与本设备A类和B类焊接接头相同。对DN＜250mm的接管与接管、接管与管件、接管与法兰对焊环之间的对接接头进行需100%渗透(PT)检测，符合NB/T47013.5-2015中PT-Ⅰ级为合格。吊耳与壳体间的焊接接头、下封头与裙座过渡段筒体之间焊接接头应进行100%渗透(PT)检测，符合NB/T47013.5-2015中PT-Ⅰ级为合格设备制造完成后,进行水压试验,试验合格后,需进行气密性试验，气密性试验合格后,设备钛表面应进行铁污染试验和酸洗处理。酸洗后必须用清洁自来水冲洗干净。
4、结语
目前该设备已投入使用，结构稳定可靠，经济效益显著，图5为该设备裙座实物图。
参考文献
[1]GB150.1~150.4-2011，压力容器[S].
[2]TSG21-2016，固定式压力容器安全技术监察规程[S].
[3]JB/T4745-2002，钛制焊接容器[S].
[4]NB/T47041-2014，塔式容器[S].
[5]HG20652-1998，塔器设计技术规定[S].
[6]HG/T20584-2011，钢制化工容器制造技术要求[S].
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