煤化工壓力容器設計應注意的要點范文

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摘要：壓力容器設計人員，在具備一定的設計能力、掌握基本標準規范的同時，還需熟悉設備選材、采購、制造、安裝、檢維修的過程及要求，以保證設計圖紙滿足制造及安裝要求，準確、完整、無漏項。結合多個煤化工項目壓力容器設計的實際案例，討論設計人員在設計過程中應注意的問題。

關鍵詞：煤化工；設計圖紙；壓力容器化工

壓力容器主要根據工藝專業提供的設備附圖和工藝設備參數開展設計，依據設備圖紙、規范和合同附件投入制造。壓力容器設計在設計前期審查工藝條件是非常重要的一環，工藝條件表及附圖根據已知的工藝包確定，設計人員應熟悉壓力容器標準規范和標準釋義，取得壓力容器培訓合格證后進行壓力容器設計，審核人員應取得設計審批員證。作為靜設備設計人員要提高自已水平，除了掌握常用基本標準規范外，還應對最新標準和舊標準進行對照，通讀相應標準的釋義；了解壓力容器采購、制造、安裝及吊裝的整個過程，以及項目各階段設備專業的設計內容及深度。知道常規設計和應力分析（包括疲勞分析）設計和制造的區別和聯系；熟悉材料的選擇及制造標準；對于特殊材料應編制相關材料采購規定及制造技術規定，并充分了解材料制造廠家和壓力容器制造廠家的資質和能力；對于專利設備，應組織專利廠商進行技術交流，了解工藝參數、內部結構、選材、殼體計算等數據。設計圖紙應符合化工機械制圖要求，準確、完整、無漏項，滿足強度剛度穩定性、經濟性和進度等。

1各設計階段圖紙的內容

近年由于大型煤化工項目的興起，裝置設備向大型化發展，設備體積、直徑和高度越來越大，材料及制造廠的機械設備也趨于大型化，材料及制造標準發生相應變化，因此設備圖紙的設計內容增加了新內容。國內大型工程公司在開展設計的同時越來越多地承擔項目的總體設計和工程總承包，設計內容深入到材料的采購、設備的制造、安裝及吊裝等，設計較之前考慮的因素更多。建設項目設計周期中設備專業涉及的階段包括可研報告、基礎設計和詳細設計階段，各階段工作內容應包括：（1）可研報告階段：設備部分說明，部分重點設備的工程圖，圖中重點填寫設計數據表、設備裝配圖、節點圖、主要受壓元件的材料和材料標準、設備總重等。（2）基礎設計階段：所有長周期設備招投標的設備工程圖，列出國產和國外、關鍵設備和大件吊裝設備的分交表。（3）詳細設計階段：設備設計圖紙應滿足可制造、安裝和檢維修要求，設計應進行強度、剛度和穩定性計算，包括殼體一次薄膜應力計算、開孔補強計算、主要受壓元件等計算外，作為需應力分析或疲勞分析容器，還應建模進行應力分析或疲勞分析，立式容器和塔器還應考慮壁厚滿足吊裝時局部應力不大于相應的材料許用應力；塔設備的安裝應考慮設計基礎模板設計等；設計圖紙時還應考慮涂漆、保溫防火問題；大型球罐的設計中，作為總承包單位（負責設計）應確定球罐分瓣的規格和尺寸；在大型儲罐的設計中，應確定頂板采用結構型式（如帶筋拱頂或網殼）和罐體安裝方案，應確定采用變點法還是定點法設計罐體，并進行罐底的局部應力分析，對于可維修性主要審查換熱器是否考慮管束可拆裝型式；設備的人孔的布置和數量是否滿足相關規范要求。對于安全性審查主要是設備檢維修安裝平臺的設置及保護圈等內容[1]。

2具體設計問題案例

2.1疲勞設備設計問題

煤化工裝置變壓吸附器，在工作時壓力處于脈動變化，除了按照應力分析進行設計外，還需進行疲勞分析。對主要受壓元件，以及引起設備殼體應力分布發生突變的非受壓元件，應建模進行應力分析[2]。由于吸附器在工作時壓力處于脈動變化，設計理論和規則設計不同，除在材料、制造和檢驗都有嚴格的規定外，其設計結構應盡量避免在筒體上焊接造成應力集中的零部件（如保溫圈、補強圈、接管等），在接管和筒體角焊縫處應圓滑過渡，以避免造成局部應力集中。國內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生了裂紋，經對照JB4732—2005標準，反復仔細分析發現：計算書沒有考慮因焊接保溫圈在筒體引起的局部薄膜應力、彎曲應力和峰值應力。即應力分析報告模型中沒有保溫圈，忽略了筒體保溫圈處峰值應力的影響，認為保溫圈為非受壓元件，沒有進行建模分析局部應力。原圖中保溫圈與筒體上部為連續焊，下部為間斷焊，且為角焊結構，保溫圈與筒體角焊且圖紙沒有要求圓滑過渡，也沒有注圓角半徑。從裂紋情況分析，裂紋從保溫圈的間隙發生，裂紋位于筒體而不是在焊縫上，根據JB4732標準4.2節，從應力分析的角度，在筒體上焊接保溫圈，和在筒體上焊接法蘭一樣，在筒體保溫圈處發生了截面變化，會產生非常大的峰值應力，在壓力恒定的工況下，對整體應力作用不明顯，但是在周期性的交變應力作用下，在一定的疲勞循環下，結構材料會發生疲勞失效。根據JB4732—2005，重新對保溫圈筒體進行建模分析，從應力分析圖可知：保溫圈間隙處其應力性質應是高應力低循環疲勞，在保溫圈間隙處的實際的應力循環數（3882次）小于設計要求的應力循環數（450000次），原設計吸附器使用壽命15年，每年30000次，而實際開車時間到裂紋產生設備已運行3年，故裂紋產生的原因是因為保溫圈處應力幅較大，在交變載荷作用下而產生的疲勞裂紋，是設計結構不合理造成的[3]。

2.2細高塔塔頂撓度問題

根據NB/T47041—2014，當塔設備H/D＞15、H＞30m時，應考慮橫風向風振、垂直地震力和高振型的影響，除了在塔頂應設計防擾流裝置外，還應在設計技術要求中對塔和裙座連接處的焊縫進行100%超聲檢測和100%磁粉檢測。這是設計時容易忽視的地方。某煤制烯烴施工現場突發大風，烯烴分離裝置內異丁烯脫除塔塔身發生較大的搖擺，塔頂部擺動幅度粗略目測在1000mm，另外檢查發現塔筒體和裙座的連接焊縫局部有裂紋，為壁免出現設備傾倒事故，和此設備有關的裝置停車，對此臺設備進行檢測維修。異丁烯脫除塔主要技術參數如下：設計壓力1.0MPa，設計溫度100℃，主體材料Q345R，設備直徑為2000mm，切線/總高71970/78770mm，壁厚12/16/24/34mm，裙座錐型，基本風壓580N/m2，高徑比39.39。異丁烯脫除塔高徑比為39.39，H＞30m，露天放置的直立設備，受到許多機械載荷的作用。如自重、內壓、介質重量、風載荷（尤其為橫向風載）、地震載荷（包括垂直地震載荷）等，設計時應考慮這些載荷的共同作用對設備的強度、剛度和穩定性的影響。根據塔晃動情況分析，利用現場經緯儀復測該塔的撓度不滿足NB/T47041—2014規范要求，另外，塔的筒體與裙座的連接焊縫局部有裂紋，這應是設計時忽視了細高塔容易產生卡門渦街原理誘發的橫向振動現象。經分析，并查閱相關資料，當設備直徑為2000mm，設備塔頂的最大允許撓度為78000/200=360mm，而實際運行塔頂撓度為1000mm，很明顯塔頂撓度超標，但NB/T47041—2014標準中沒有塔頂最大撓度的數值。經審圖發現設計圖紙沒有要求塔的筒體與裙座的連接焊縫進行超聲和磁粉檢測，設備頂部也沒有設置防擾流裝置[4]。為避免塔體筒體與裙座連接焊縫處局部應力過大而產生裂紋，工廠領導、原設計單位和項目部討論決定：對筒體和裙座的連接焊縫進行100%磁粉檢測和100%超聲檢測，檢測結果I級合格，對局部已產生裂紋刨掉并重新焊接與檢測；對設備塔頂新增加螺旋擾流裝置。梯子、平臺和外部擾流件都能起到擾亂卡門渦街的作用。在塔器設備上部占塔高1/3的范圍內螺旋條破渦器，目前該設備已開車兩年多，沒有再發生塔頂大幅度晃動。

2.3設計裝配圖上主材的材料標準和供貨狀態

在大型煤化工裝置中，接觸到很多高溫、高壓設備，設備材料特殊（如15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R等），處于氫腐蝕和硫化氫腐蝕工況。這些材料如超過標準GB713相應材料的化學成份和力學性能等要求，應單獨寫材料采購技術要求，如沒有特殊要求，應注明材料標準GB713—2014，寫明材料為抗氫鋼。因為非抗氫鋼化學成份、J和X系數不一樣，其價格也不一樣。還應寫明材料供貨狀態（正火+回火），因GB150表2的強度指標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器設備的主要參數如下：設計壓力21MPa，設計溫度460℃，設備直徑4.7m，工藝介質為煤和氫氣。根據耐爾遜曲線，設備基層殼體材料采用SA336F22V，考慮設備氫氣和硫化氫腐蝕，設備內壁堆焊309+347復合層。煤液化反應器為AXEN公司的專利設備，由于其工藝對設備要求較嚴，對SA336F22V材料的化學成份、沖擊功、X、J系數等比ASME相關規范要嚴，AXEN公司單獨編寫了材料的技術要求和制造技術要求。某煤制氫裝置變換爐設備，設計壓力3.9MPa，設計溫度485℃，工藝介質為氫氣和二氧化碳等，設備尺寸3600mm×9700mm，主材筒體是SA387GR11cl2+321。考慮變換爐處于高溫及中壓，設備處于氫腐蝕和硫化氫腐蝕工況，材料從歐洲進口，設計單位編寫了板材SA387GR11cl2的采購技術要求，相比材料標準由于增加了制造中高溫拉伸試驗等要求，并要求設備制造完成后設備進行整體熱處理，設計單位又編寫了設備制造技術規格書，保證了材料和設備制造的質量。

2.4塔設備的一次灌漿、基礎模板和防火涂料問題

在設計直立裙式支座設備時，除了考慮強度、剛度和穩定性要求外，還應考慮現場安裝。直立設備的地腳螺栓應一次灌漿預埋，為保證塔能順利安裝到位，施工基礎時應提前預埋基礎模板，故設計塔時應考慮設計塔基礎模板圖，此模板在制造廠和塔基礎環同時加工螺栓孔，以保證現場安裝對中定位。某天然氣制氫項目施工現場，在檢查變換爐設備基礎尺寸時，發現此設備土建基礎預埋螺栓中心圓和設備螺孔中心圓對不上，土建預埋螺栓中心圓直徑比設備裙座螺孔中心圓直徑大100mm。調查原因為設計院設備專業沒有出基礎地腳螺栓模板圖，施工單位土建專業測量設備螺孔不準造成。解決方案：此設備為立式裙座設備，設備重35.610t，直徑為3642mm，總高不超過10m，即屬于矮胖型設備。根據計算風載彎矩小于設備重量產生力矩，現場為六級震區，計算可不考慮地震載荷。由于預埋螺栓中心圓比設備螺栓中心圓略大些，在每一個土建預埋螺栓處重新作一個螺栓座，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（查圖裙座為一般結構碳鋼），且為連續焊接。根據建筑防火規范，塔設備設計應考慮防火問題，這也是目前有的設計單位設計塔時容易忽視的地方。塔設備設計裙座時應根據直徑的大小，選擇內外防火涂料，設計時應在裙座內外壁設計固定件，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備安裝合格后進行。

3圖紙設計

主要考慮要素設計時首先應滿足工藝提供的附圖和工藝參數，進行必要的主要受壓元件計算，滿足強度、剛度及穩定性要求，填寫裝配圖設計數據表，畫上必須的節點圖，滿足設計相應的規范外，其他在設計過程中容易忽視、錯誤、漏項，需引起注意的方面總結如下：

（1）大型塔設備大型塔設備（設備直徑≥4.4m，設備長度≥70m，重量≥200t）設計應考慮設備分段、現場組對吊裝、一次灌漿，塔設備圖紙中是否有模板圖。大型塔設備是否考慮了設備防火問題（耐火時間1.5~2h）。

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

（3）換熱設備換熱器設備應考慮拆裝管束（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置吊環，管束是否設置軌道便于吊車抽芯。

（4）大件吊裝設備對于需大件吊裝設備（重量大于100t），是否進行了吊耳計算（包括主吊耳和溜尾吊耳）。是否計算吊耳處筒體的局部應力。

（5）超大型設備對于在現場組焊廠房制造的超大型設備（只能成片運輸），應考慮設置設備整體吊裝、分段吊裝、空中組對焊接等問題，設備基礎需考慮盛水工況。如在基礎附近進行現場組對，現場地面是否硬化，是否有筒節組對空間。

（6）其他應考慮的問題①選擇設備管法蘭時，應考慮較高設計溫度下材料強度降低，法蘭壓力等級不夠問題。②設備裝配圖上，應標明主材（鍛件、板材和焊材）的材料標準和供貨狀態。③對于重要材料和設備有高于規范等的特殊要求，設計單位應編制材料采購要求和制造技術規定等。④注意橢圓形封頭加工減薄量及最小厚度問題。⑤對于由專業廠家提供的大型儲罐網殼及內浮盤外購件的設備圖紙，應重點審查。

參考文獻

[1][2]JB4732—1995，鋼制壓力容器——分析設計標準（2005年確認）[S].

[3]譚立平.煤化工吸附器筒體裂紋分析[J].神華科技，2017（1）：70-72.NB/T47041—2014，塔式容器[S].

[4]GB150—2011，壓力容器[S].

作者：譚立平；尹甜 單位：中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司