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

關(guān)鍵詞：煤化工；設(shè)計圖紙；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)開展設(shè)計，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)計在設(shè)計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)計人員應(yīng)熟悉壓力容器標準規(guī)范和標準釋義，取得壓力容器培訓(xùn)合格證后進行壓力容器設(shè)計，審核人員應(yīng)取得設(shè)計審批員證。作為靜設(shè)備設(shè)計人員要提高自已水平，除了掌握常用基本標準規(guī)范外，還應(yīng)對最新標準和舊標準進行對照，通讀相應(yīng)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(shè)備專業(yè)的設(shè)計內(nèi)容及深度。知道常規(guī)設(shè)計和應(yīng)力分析（包括疲勞分析）設(shè)計和制造的區(qū)別和聯(lián)系；熟悉材料的選擇及制造標準；對于特殊材料應(yīng)編制相關(guān)材料采購規(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；對于專利設(shè)備，應(yīng)組織專利廠商進行技術(shù)交流，了解工藝參數(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、選材、殼體計算等數(shù)據(jù)。設(shè)計圖紙應(yīng)符合化工機械制圖要求，準確、完整、無漏項，滿足強度剛度穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和進度等。

1各設(shè)計階段圖紙的內(nèi)容

近年由于大型煤化工項目的興起，裝置設(shè)備向大型化發(fā)展，設(shè)備體積、直徑和高度越來越大，材料及制造廠的機械設(shè)備也趨于大型化，材料及制造標準發(fā)生相應(yīng)變化，因此設(shè)備圖紙的設(shè)計內(nèi)容增加了新內(nèi)容。國內(nèi)大型工程公司在開展設(shè)計的同時越來越多地承擔(dān)項目的總體設(shè)計和工程總承包，設(shè)計內(nèi)容深入到材料的采購、設(shè)備的制造、安裝及吊裝等，設(shè)計較之前考慮的因素更多。建設(shè)項目設(shè)計周期中設(shè)備專業(yè)涉及的階段包括可研報告、基礎(chǔ)設(shè)計和詳細設(shè)計階段，各階段工作內(nèi)容應(yīng)包括：（1）可研報告階段：設(shè)備部分說明，部分重點設(shè)備的工程圖，圖中重點填寫設(shè)計數(shù)據(jù)表、設(shè)備裝配圖、節(jié)點圖、主要受壓元件的材料和材料標準、設(shè)備總重等。（2）基礎(chǔ)設(shè)計階段：所有長周期設(shè)備招投標的設(shè)備工程圖，列出國產(chǎn)和國外、關(guān)鍵設(shè)備和大件吊裝設(shè)備的分交表。（3）詳細設(shè)計階段：設(shè)備設(shè)計圖紙應(yīng)滿足可制造、安裝和檢維修要求，設(shè)計應(yīng)進行強度、剛度和穩(wěn)定性計算，包括殼體一次薄膜應(yīng)力計算、開孔補強計算、主要受壓元件等計算外，作為需應(yīng)力分析或疲勞分析容器，還應(yīng)建模進行應(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)計基礎(chǔ)模板設(shè)計等；設(shè)計圖紙時還應(yīng)考慮涂漆、保溫防火問題；大型球罐的設(shè)計中，作為總承包單位（負責(zé)設(shè)計）應(yīng)確定球罐分瓣的規(guī)格和尺寸；在大型儲罐的設(shè)計中，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)確定采用變點法還是定點法設(shè)計罐體，并進行罐底的局部應(yīng)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(shè)備的人孔的布置和數(shù)量是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。對于安全性審查主要是設(shè)備檢維修安裝平臺的設(shè)置及保護圈等內(nèi)容[1]。

2具體設(shè)計問題案例

2.1疲勞設(shè)備設(shè)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(yīng)力分析進行設(shè)計外，還需進行疲勞分析。對主要受壓元件，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)建模進行應(yīng)力分析[2]。由于吸附器在工作時壓力處于脈動變化，設(shè)計理論和規(guī)則設(shè)計不同，除在材料、制造和檢驗都有嚴格的規(guī)定外，其設(shè)計結(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、補強圈、接管等），在接管和筒體角焊縫處應(yīng)圓滑過渡，以避免造成局部應(yīng)力集中。國內(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)對照JB4732—2005標準，反復(fù)仔細分析發(fā)現(xiàn)：計算書沒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)力分析報告模型中沒有保溫圈，忽略了筒體保溫圈處峰值應(yīng)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(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(fā)生，裂紋位于筒體而不是在焊縫上，根據(jù)JB4732標準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，會產(chǎn)生非常大的峰值應(yīng)力，在壓力恒定的工況下，對整體應(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)材料會發(fā)生疲勞失效。根據(jù)JB4732—2005，重新對保溫圈筒體進行建模分析，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際的應(yīng)力循環(huán)數(shù)（3882次）小于設(shè)計要求的應(yīng)力循環(huán)數(shù)（450000次），原設(shè)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(chǎn)生設(shè)備已運行3年，故裂紋產(chǎn)生的原因是因為保溫圈處應(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)計結(jié)構(gòu)不合理造成的[3]。

2.2細高塔塔頂撓度問題

根據(jù)NB/T47041—2014，當(dāng)塔設(shè)備H/D＞15、H＞30m時，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)計防擾流裝置外，還應(yīng)在設(shè)計技術(shù)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(shè)計時容易忽視的地方。某煤制烯烴施工現(xiàn)場突發(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，塔頂部擺動幅度粗略目測在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，對此臺設(shè)備進行檢測維修。異丁烯脫除塔主要技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)計壓力1.0MPa，設(shè)計溫度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)計時應(yīng)考慮這些載荷的共同作用對設(shè)備的強度、剛度和穩(wěn)定性的影響。根據(jù)塔晃動情況分析，利用現(xiàn)場經(jīng)緯儀復(fù)測該塔的撓度不滿足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)計時忽視了細高塔容易產(chǎn)生卡門渦街原理誘發(fā)的橫向振動現(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(shù)值。經(jīng)審圖發(fā)現(xiàn)設(shè)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(shè)備頂部也沒有設(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)力過大而產(chǎn)生裂紋，工廠領(lǐng)導(dǎo)、原設(shè)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(jié)果I級合格，對局部已產(chǎn)生裂紋刨掉并重新焊接與檢測；對設(shè)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(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)備已開車兩年多，沒有再發(fā)生塔頂大幅度晃動。

2.3設(shè)計裝配圖上主材的材料標準和供貨狀態(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。這些材料如超過標準GB713相應(yīng)材料的化學(xué)成份和力學(xué)性能等要求，應(yīng)單獨寫材料采購技術(shù)要求，如沒有特殊要求，應(yīng)注明材料標準GB713—2014，寫明材料為抗氫鋼。因為非抗氫鋼化學(xué)成份、J和X系數(shù)不一樣，其價格也不一樣。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(yīng)器設(shè)備的主要參數(shù)如下：設(shè)計壓力21MPa，設(shè)計溫度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，由于其工藝對設(shè)備要求較嚴，對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，AXEN公司單獨編寫了材料的技術(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)計壓力3.9MPa，設(shè)計溫度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。考慮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，材料從歐洲進口，設(shè)計單位編寫了板材SA387GR11cl2的采購技術(shù)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(shè)備制造完成后設(shè)備進行整體熱處理，設(shè)計單位又編寫了設(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)模板和防火涂料問題

在設(shè)計直立裙式支座設(shè)備時，除了考慮強度、剛度和穩(wěn)定性要求外，還應(yīng)考慮現(xiàn)場安裝。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)時應(yīng)提前預(yù)埋基礎(chǔ)模板，故設(shè)計塔時應(yīng)考慮設(shè)計塔基礎(chǔ)模板圖，此模板在制造廠和塔基礎(chǔ)環(huán)同時加工螺栓孔，以保證現(xiàn)場安裝對中定位。某天然氣制氫項目施工現(xiàn)場，在檢查變換爐設(shè)備基礎(chǔ)尺寸時，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)查原因為設(shè)計院設(shè)備專業(yè)沒有出基礎(chǔ)地腳螺栓模板圖，施工單位土建專業(yè)測量設(shè)備螺孔不準造成。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10m，即屬于矮胖型設(shè)備。根據(jù)計算風(fēng)載彎矩小于設(shè)備重量產(chǎn)生力矩，現(xiàn)場為六級震區(qū)，計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，在每一個土建預(yù)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(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)計應(yīng)考慮防火問題，這也是目前有的設(shè)計單位設(shè)計塔時容易忽視的地方。塔設(shè)備設(shè)計裙座時應(yīng)根據(jù)直徑的大小，選擇內(nèi)外防火涂料，設(shè)計時應(yīng)在裙座內(nèi)外壁設(shè)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(shè)備安裝合格后進行。

3圖紙設(shè)計

主要考慮要素設(shè)計時首先應(yīng)滿足工藝提供的附圖和工藝參數(shù)，進行必要的主要受壓元件計算，滿足強度、剛度及穩(wěn)定性要求，填寫裝配圖設(shè)計數(shù)據(jù)表，畫上必須的節(jié)點圖，滿足設(shè)計相應(yīng)的規(guī)范外，其他在設(shè)計過程中容易忽視、錯誤、漏項，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)備長度≥70m，重量≥200t）設(shè)計應(yīng)考慮設(shè)備分段、現(xiàn)場組對吊裝、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)備防火問題（耐火時間1.5~2h）。

（2）疲勞設(shè)備疲勞設(shè)備應(yīng)建模并進行應(yīng)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(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、接管和平臺墊板等），應(yīng)力突變的部位是否建模進行應(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)備對于需大件吊裝設(shè)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(yīng)力。

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

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

參考文獻

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[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