适用于高压合成氨装置的空冷器换热管强度设计研究

刘 丹

（烟台市经济技术开发区，山东 烟台 264006）

摘  要：针对高压合成氨装置空冷器换热管在高压、高温及循环载荷环境下易发生强度失效的问题，系统分析了其工作条件与失效机理，提出了一种综合考虑机械强度、传热效率、耐腐蚀性能和经济性的多准则材料评价模型。通过建立换热管壁厚与管束布置的优化方法，设计了对接焊接的结构和预应力管板技术，并引入Ramberg-Osgowd本构方程修正传统强度计算方法。结合有限元分析和高压温度循环实验验证了设计方法的有效性，实际工程应用表明，优化设计后的空冷器振动幅值降低40%，热应力波动减小31%，维修频率降低显著，大幅提高了设备的可靠性和经济性。

关键词：高压合成氨;空冷器;换热管;强度设计;弹塑性计算

0 引言

空气冷却器简称空冷器，以空气作为冷却剂，可用作冷却器，也可用作冷凝器。空冷器主要由管束、支架和风机组成。空气冷却器热流体在管内流动，空气在管束外吹过。合成氨工艺是化工生产的重要基础工艺，随着现代合成氨装置向大型化、高效化方向发展，工艺压力已普遍达到高压环境下，空冷器换热管长期承受复杂载荷和温度波动，并面临氨介质腐蚀，安全可靠运行挑战突出。传统压力容器设计标准对高压及材料弹塑性行为考虑不足，计算误差显著。同时，现有方法对应力腐蚀开裂和热疲劳考虑不足，存在安全隐患。本文从材料选择、结构优化和强度计算3方面建立适用于高压合成氨装置空冷器换热管的设计方法，旨在提高设备的安全性、可靠性和经济性。

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