煤化工壓力容器設(shè)計(jì)應(yīng)注意的要點(diǎn)范文

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摘要：壓力容器設(shè)計(jì)人員，在具備一定的設(shè)計(jì)能力、掌握基本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時(shí)，還需熟悉設(shè)備選材、采購(gòu)、制造、安裝、檢維修的過(guò)程及要求，以保證設(shè)計(jì)圖紙滿足制造及安裝要求，準(zhǔn)確、完整、無(wú)漏項(xiàng)。結(jié)合多個(gè)煤化工項(xiàng)目壓力容器設(shè)計(jì)的實(shí)際案例，討論設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：煤化工；設(shè)計(jì)圖紙；壓力容器化工

壓力容器主要根據(jù)工藝專業(yè)提供的設(shè)備附圖和工藝設(shè)備參數(shù)開(kāi)展設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)備圖紙、規(guī)范和合同附件投入制造。壓力容器設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)前期審查工藝條件是非常重要的一環(huán)，工藝條件表及附圖根據(jù)已知的工藝包確定，設(shè)計(jì)人員應(yīng)熟悉壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)釋義，取得壓力容器培訓(xùn)合格證后進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)，審核人員應(yīng)取得設(shè)計(jì)審批員證。作為靜設(shè)備設(shè)計(jì)人員要提高自已水平，除了掌握常用基本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外，還應(yīng)對(duì)最新標(biāo)準(zhǔn)和舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照，通讀相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的釋義；了解壓力容器采購(gòu)、制造、安裝及吊裝的整個(gè)過(guò)程，以及項(xiàng)目各階段設(shè)備專業(yè)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及深度。知道常規(guī)設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析（包括疲勞分析）設(shè)計(jì)和制造的區(qū)別和聯(lián)系；熟悉材料的選擇及制造標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于特殊材料應(yīng)編制相關(guān)材料采購(gòu)規(guī)定及制造技術(shù)規(guī)定，并充分了解材料制造廠家和壓力容器制造廠家的資質(zhì)和能力；對(duì)于專利設(shè)備，應(yīng)組織專利廠商進(jìn)行技術(shù)交流，了解工藝參數(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、選材、殼體計(jì)算等數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)符合化工機(jī)械制圖要求，準(zhǔn)確、完整、無(wú)漏項(xiàng)，滿足強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和進(jìn)度等。

1各設(shè)計(jì)階段圖紙的內(nèi)容

近年由于大型煤化工項(xiàng)目的興起，裝置設(shè)備向大型化發(fā)展，設(shè)備體積、直徑和高度越來(lái)越大，材料及制造廠的機(jī)械設(shè)備也趨于大型化，材料及制造標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生相應(yīng)變化，因此設(shè)備圖紙的設(shè)計(jì)內(nèi)容增加了新內(nèi)容。國(guó)內(nèi)大型工程公司在開(kāi)展設(shè)計(jì)的同時(shí)越來(lái)越多地承擔(dān)項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)和工程總承包，設(shè)計(jì)內(nèi)容深入到材料的采購(gòu)、設(shè)備的制造、安裝及吊裝等，設(shè)計(jì)較之前考慮的因素更多。建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)周期中設(shè)備專業(yè)涉及的階段包括可研報(bào)告、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，各階段工作內(nèi)容應(yīng)包括：（1）可研報(bào)告階段：設(shè)備部分說(shuō)明，部分重點(diǎn)設(shè)備的工程圖，圖中重點(diǎn)填寫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表、設(shè)備裝配圖、節(jié)點(diǎn)圖、主要受壓元件的材料和材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備總重等。（2）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段：所有長(zhǎng)周期設(shè)備招投標(biāo)的設(shè)備工程圖，列出國(guó)產(chǎn)和國(guó)外、關(guān)鍵設(shè)備和大件吊裝設(shè)備的分交表。（3）詳細(xì)設(shè)計(jì)階段：設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)滿足可制造、安裝和檢維修要求，設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算，包括殼體一次薄膜應(yīng)力計(jì)算、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算、主要受壓元件等計(jì)算外，作為需應(yīng)力分析或疲勞分析容器，還應(yīng)建模進(jìn)行應(yīng)力分析或疲勞分析，立式容器和塔器還應(yīng)考慮壁厚滿足吊裝時(shí)局部應(yīng)力不大于相應(yīng)的材料許用應(yīng)力；塔設(shè)備的安裝應(yīng)考慮設(shè)計(jì)基礎(chǔ)模板設(shè)計(jì)等；設(shè)計(jì)圖紙時(shí)還應(yīng)考慮涂漆、保溫防火問(wèn)題；大型球罐的設(shè)計(jì)中，作為總承包單位（負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)）應(yīng)確定球罐分瓣的規(guī)格和尺寸；在大型儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定頂板采用結(jié)構(gòu)型式（如帶筋拱頂或網(wǎng)殼）和罐體安裝方案，應(yīng)確定采用變點(diǎn)法還是定點(diǎn)法設(shè)計(jì)罐體，并進(jìn)行罐底的局部應(yīng)力分析，對(duì)于可維修性主要審查換熱器是否考慮管束可拆裝型式；設(shè)備的人孔的布置和數(shù)量是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。對(duì)于安全性審查主要是設(shè)備檢維修安裝平臺(tái)的設(shè)置及保護(hù)圈等內(nèi)容[1]。

2具體設(shè)計(jì)問(wèn)題案例

2.1疲勞設(shè)備設(shè)計(jì)問(wèn)題

煤化工裝置變壓吸附器，在工作時(shí)壓力處于脈動(dòng)變化，除了按照應(yīng)力分析進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需進(jìn)行疲勞分析。對(duì)主要受壓元件，以及引起設(shè)備殼體應(yīng)力分布發(fā)生突變的非受壓元件，應(yīng)建模進(jìn)行應(yīng)力分析[2]。由于吸附器在工作時(shí)壓力處于脈動(dòng)變化，設(shè)計(jì)理論和規(guī)則設(shè)計(jì)不同，除在材料、制造和檢驗(yàn)都有嚴(yán)格的規(guī)定外，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免在筒體上焊接造成應(yīng)力集中的零部件（如保溫圈、補(bǔ)強(qiáng)圈、接管等），在接管和筒體角焊縫處應(yīng)圓滑過(guò)渡，以避免造成局部應(yīng)力集中。國(guó)內(nèi)某煤化工裝置的吸附器投入使用3年后，在筒體的保溫圈間隙附近產(chǎn)生了裂紋，經(jīng)對(duì)照J(rèn)B4732—2005標(biāo)準(zhǔn)，反復(fù)仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)：計(jì)算書沒(méi)有考慮因焊接保溫圈在筒體引起的局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力。即應(yīng)力分析報(bào)告模型中沒(méi)有保溫圈，忽略了筒體保溫圈處峰值應(yīng)力的影響，認(rèn)為保溫圈為非受壓元件，沒(méi)有進(jìn)行建模分析局部應(yīng)力。原圖中保溫圈與筒體上部為連續(xù)焊，下部為間斷焊，且為角焊結(jié)構(gòu)，保溫圈與筒體角焊且圖紙沒(méi)有要求圓滑過(guò)渡，也沒(méi)有注圓角半徑。從裂紋情況分析，裂紋從保溫圈的間隙發(fā)生，裂紋位于筒體而不是在焊縫上，根據(jù)JB4732標(biāo)準(zhǔn)4.2節(jié)，從應(yīng)力分析的角度，在筒體上焊接保溫圈，和在筒體上焊接法蘭一樣，在筒體保溫圈處發(fā)生了截面變化，會(huì)產(chǎn)生非常大的峰值應(yīng)力，在壓力恒定的工況下，對(duì)整體應(yīng)力作用不明顯，但是在周期性的交變應(yīng)力作用下，在一定的疲勞循環(huán)下，結(jié)構(gòu)材料會(huì)發(fā)生疲勞失效。根據(jù)JB4732—2005，重新對(duì)保溫圈筒體進(jìn)行建模分析，從應(yīng)力分析圖可知：保溫圈間隙處其應(yīng)力性質(zhì)應(yīng)是高應(yīng)力低循環(huán)疲勞，在保溫圈間隙處的實(shí)際的應(yīng)力循環(huán)數(shù)（3882次）小于設(shè)計(jì)要求的應(yīng)力循環(huán)數(shù)（450000次），原設(shè)計(jì)吸附器使用壽命15年，每年30000次，而實(shí)際開(kāi)車時(shí)間到裂紋產(chǎn)生設(shè)備已運(yùn)行3年，故裂紋產(chǎn)生的原因是因?yàn)楸厝μ帒?yīng)力幅較大，在交變載荷作用下而產(chǎn)生的疲勞裂紋，是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理造成的[3]。

2.2細(xì)高塔塔頂撓度問(wèn)題

根據(jù)NB/T47041—2014，當(dāng)塔設(shè)備H/D＞15、H＞30m時(shí)，應(yīng)考慮橫風(fēng)向風(fēng)振、垂直地震力和高振型的影響，除了在塔頂應(yīng)設(shè)計(jì)防擾流裝置外，還應(yīng)在設(shè)計(jì)技術(shù)要求中對(duì)塔和裙座連接處的焊縫進(jìn)行100%超聲檢測(cè)和100%磁粉檢測(cè)。這是設(shè)計(jì)時(shí)容易忽視的地方。某煤制烯烴施工現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)大風(fēng)，烯烴分離裝置內(nèi)異丁烯脫除塔塔身發(fā)生較大的搖擺，塔頂部擺動(dòng)幅度粗略目測(cè)在1000mm，另外檢查發(fā)現(xiàn)塔筒體和裙座的連接焊縫局部有裂紋，為壁免出現(xiàn)設(shè)備傾倒事故，和此設(shè)備有關(guān)的裝置停車，對(duì)此臺(tái)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)維修。異丁烯脫除塔主要技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，設(shè)計(jì)溫度100℃，主體材料Q345R，設(shè)備直徑為2000mm，切線/總高71970/78770mm，壁厚12/16/24/34mm，裙座錐型，基本風(fēng)壓580N/m2，高徑比39.39。異丁烯脫除塔高徑比為39.39，H＞30m，露天放置的直立設(shè)備，受到許多機(jī)械載荷的作用。如自重、內(nèi)壓、介質(zhì)重量、風(fēng)載荷（尤其為橫向風(fēng)載）、地震載荷（包括垂直地震載荷）等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這些載荷的共同作用對(duì)設(shè)備的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的影響。根據(jù)塔晃動(dòng)情況分析，利用現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)緯儀復(fù)測(cè)該塔的撓度不滿足NB/T47041—2014規(guī)范要求，另外，塔的筒體與裙座的連接焊縫局部有裂紋，這應(yīng)是設(shè)計(jì)時(shí)忽視了細(xì)高塔容易產(chǎn)生卡門渦街原理誘發(fā)的橫向振動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)分析，并查閱相關(guān)資料，當(dāng)設(shè)備直徑為2000mm，設(shè)備塔頂?shù)淖畲笤试S撓度為78000/200=360mm，而實(shí)際運(yùn)行塔頂撓度為1000mm，很明顯塔頂撓度超標(biāo)，但NB/T47041—2014標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有塔頂最大撓度的數(shù)值。經(jīng)審圖發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙沒(méi)有要求塔的筒體與裙座的連接焊縫進(jìn)行超聲和磁粉檢測(cè)，設(shè)備頂部也沒(méi)有設(shè)置防擾流裝置[4]。為避免塔體筒體與裙座連接焊縫處局部應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂紋，工廠領(lǐng)導(dǎo)、原設(shè)計(jì)單位和項(xiàng)目部討論決定：對(duì)筒體和裙座的連接焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)和100%超聲檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果I級(jí)合格，對(duì)局部已產(chǎn)生裂紋刨掉并重新焊接與檢測(cè)；對(duì)設(shè)備塔頂新增加螺旋擾流裝置。梯子、平臺(tái)和外部擾流件都能起到擾亂卡門渦街的作用。在塔器設(shè)備上部占塔高1/3的范圍內(nèi)螺旋條破渦器，目前該設(shè)備已開(kāi)車兩年多，沒(méi)有再發(fā)生塔頂大幅度晃動(dòng)。

2.3設(shè)計(jì)裝配圖上主材的材料標(biāo)準(zhǔn)和供貨狀態(tài)

在大型煤化工裝置中，接觸到很多高溫、高壓設(shè)備，設(shè)備材料特殊（如15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R等），處于氫腐蝕和硫化氫腐蝕工況。這些材料如超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)GB713相應(yīng)材料的化學(xué)成份和力學(xué)性能等要求，應(yīng)單獨(dú)寫材料采購(gòu)技術(shù)要求，如沒(méi)有特殊要求，應(yīng)注明材料標(biāo)準(zhǔn)GB713—2014，寫明材料為抗氫鋼。因?yàn)榉强箽滗摶瘜W(xué)成份、J和X系數(shù)不一樣，其價(jià)格也不一樣。還應(yīng)寫明材料供貨狀態(tài)（正火+回火），因GB150表2的強(qiáng)度指標(biāo)是在熱處理后獲得的[5]。某大型煤直接液化裝置的煤直接液化反應(yīng)器設(shè)備的主要參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力21MPa，設(shè)計(jì)溫度460℃，設(shè)備直徑4.7m，工藝介質(zhì)為煤和氫氣。根據(jù)耐爾遜曲線，設(shè)備基層殼體材料采用SA336F22V，考慮設(shè)備氫氣和硫化氫腐蝕，設(shè)備內(nèi)壁堆焊309+347復(fù)合層。煤液化反應(yīng)器為AXEN公司的專利設(shè)備，由于其工藝對(duì)設(shè)備要求較嚴(yán)，對(duì)SA336F22V材料的化學(xué)成份、沖擊功、X、J系數(shù)等比ASME相關(guān)規(guī)范要嚴(yán)，AXEN公司單獨(dú)編寫了材料的技術(shù)要求和制造技術(shù)要求。某煤制氫裝置變換爐設(shè)備，設(shè)計(jì)壓力3.9MPa，設(shè)計(jì)溫度485℃，工藝介質(zhì)為氫氣和二氧化碳等，設(shè)備尺寸3600mm×9700mm，主材筒體是SA387GR11cl2+321?？紤]變換爐處于高溫及中壓，設(shè)備處于氫腐蝕和硫化氫腐蝕工況，材料從歐洲進(jìn)口，設(shè)計(jì)單位編寫了板材SA387GR11cl2的采購(gòu)技術(shù)要求，相比材料標(biāo)準(zhǔn)由于增加了制造中高溫拉伸試驗(yàn)等要求，并要求設(shè)備制造完成后設(shè)備進(jìn)行整體熱處理，設(shè)計(jì)單位又編寫了設(shè)備制造技術(shù)規(guī)格書，保證了材料和設(shè)備制造的質(zhì)量。

2.4塔設(shè)備的一次灌漿、基礎(chǔ)模板和防火涂料問(wèn)題

在設(shè)計(jì)直立裙式支座設(shè)備時(shí)，除了考慮強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求外，還應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝。直立設(shè)備的地腳螺栓應(yīng)一次灌漿預(yù)埋，為保證塔能順利安裝到位，施工基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)提前預(yù)埋基礎(chǔ)模板，故設(shè)計(jì)塔時(shí)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)塔基礎(chǔ)模板圖，此模板在制造廠和塔基礎(chǔ)環(huán)同時(shí)加工螺栓孔，以保證現(xiàn)場(chǎng)安裝對(duì)中定位。某天然氣制氫項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)，在檢查變換爐設(shè)備基礎(chǔ)尺寸時(shí)，發(fā)現(xiàn)此設(shè)備土建基礎(chǔ)預(yù)埋螺栓中心圓和設(shè)備螺孔中心圓對(duì)不上，土建預(yù)埋螺栓中心圓直徑比設(shè)備裙座螺孔中心圓直徑大100mm。調(diào)查原因?yàn)樵O(shè)計(jì)院設(shè)備專業(yè)沒(méi)有出基礎(chǔ)地腳螺栓模板圖，施工單位土建專業(yè)測(cè)量設(shè)備螺孔不準(zhǔn)造成。解決方案：此設(shè)備為立式裙座設(shè)備，設(shè)備重35.610t，直徑為3642mm，總高不超過(guò)10m，即屬于矮胖型設(shè)備。根據(jù)計(jì)算風(fēng)載彎矩小于設(shè)備重量產(chǎn)生力矩，現(xiàn)場(chǎng)為六級(jí)震區(qū)，計(jì)算可不考慮地震載荷。由于預(yù)埋螺栓中心圓比設(shè)備螺栓中心圓略大些，在每一個(gè)土建預(yù)埋螺栓處重新作一個(gè)螺栓座，螺栓座上面支承板略寬些，底部筋板為梯形筋，板厚跟以前一樣厚，焊腳高度為0.75倍板厚，焊條為J422（查圖裙座為一般結(jié)構(gòu)碳鋼），且為連續(xù)焊接。根據(jù)建筑防火規(guī)范，塔設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)考慮防火問(wèn)題，這也是目前有的設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)塔時(shí)容易忽視的地方。塔設(shè)備設(shè)計(jì)裙座時(shí)應(yīng)根據(jù)直徑的大小，選擇內(nèi)外防火涂料，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在裙座內(nèi)外壁設(shè)計(jì)固定件，固定防火層材料，防火層材料的耐火極限（1.5~2h），防火層材料施工在設(shè)備安裝合格后進(jìn)行。

3圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

主要考慮要素設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)滿足工藝提供的附圖和工藝參數(shù)，進(jìn)行必要的主要受壓元件計(jì)算，滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性要求，填寫裝配圖設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表，畫上必須的節(jié)點(diǎn)圖，滿足設(shè)計(jì)相應(yīng)的規(guī)范外，其他在設(shè)計(jì)過(guò)程中容易忽視、錯(cuò)誤、漏項(xiàng)，需引起注意的方面總結(jié)如下：

（1）大型塔設(shè)備大型塔設(shè)備（設(shè)備直徑≥4.4m，設(shè)備長(zhǎng)度≥70m，重量≥200t）設(shè)計(jì)應(yīng)考慮設(shè)備分段、現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)吊裝、一次灌漿，塔設(shè)備圖紙中是否有模板圖。大型塔設(shè)備是否考慮了設(shè)備防火問(wèn)題（耐火時(shí)間1.5~2h）。

（2）疲勞設(shè)備疲勞設(shè)備應(yīng)建模并進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞分析，A、B類焊縫磨平，建議進(jìn)行熱處理。疲勞設(shè)備殼體上是否有產(chǎn)生應(yīng)力突變的部位（如筒體上焊接保溫圈、接管和平臺(tái)墊板等），應(yīng)力突變的部位是否建模進(jìn)行應(yīng)力分析。

（3）換熱設(shè)備換熱器設(shè)備應(yīng)考慮拆裝管束（主要是U型管束及浮頭換熱器）。U型換熱器抽芯是否考慮在管板上設(shè)置吊環(huán)，管束是否設(shè)置軌道便于吊車抽芯。

（4）大件吊裝設(shè)備對(duì)于需大件吊裝設(shè)備（重量大于100t），是否進(jìn)行了吊耳計(jì)算（包括主吊耳和溜尾吊耳）。是否計(jì)算吊耳處筒體的局部應(yīng)力。

（5）超大型設(shè)備對(duì)于在現(xiàn)場(chǎng)組焊廠房制造的超大型設(shè)備（只能成片運(yùn)輸），應(yīng)考慮設(shè)置設(shè)備整體吊裝、分段吊裝、空中組對(duì)焊接等問(wèn)題，設(shè)備基礎(chǔ)需考慮盛水工況。如在基礎(chǔ)附近進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)，現(xiàn)場(chǎng)地面是否硬化，是否有筒節(jié)組對(duì)空間。

（6）其他應(yīng)考慮的問(wèn)題①選擇設(shè)備管法蘭時(shí)，應(yīng)考慮較高設(shè)計(jì)溫度下材料強(qiáng)度降低，法蘭壓力等級(jí)不夠問(wèn)題。②設(shè)備裝配圖上，應(yīng)標(biāo)明主材（鍛件、板材和焊材）的材料標(biāo)準(zhǔn)和供貨狀態(tài)。③對(duì)于重要材料和設(shè)備有高于規(guī)范等的特殊要求，設(shè)計(jì)單位應(yīng)編制材料采購(gòu)要求和制造技術(shù)規(guī)定等。④注意橢圓形封頭加工減薄量及最小厚度問(wèn)題。⑤對(duì)于由專業(yè)廠家提供的大型儲(chǔ)罐網(wǎng)殼及內(nèi)浮盤外購(gòu)件的設(shè)備圖紙，應(yīng)重點(diǎn)審查。

參考文獻(xiàn)

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作者：譚立平；尹甜 單位：中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司