压力容器的设计探讨

内容摘要:在设计条件一定的前提下,根据GB150-1998《钢制压力容器》的有关规定,在保证压力容器安全运行的条件下,选择一种最佳设计方案,降低设备造价,以取得最佳的经济效益。本文对压力容器材料的应力状况及容器的工作状况进行了分析、论述,阐述了设计中应注意的问题及相应的解决方法。

关键词:压力容器;设计

中图分类号:TL351+.6 文献标识码:A

为了提高竞争力,在一些项目新建以及改扩建过程中,企业应充分利用各种有效措施,在满足要求的基础上,尽最大努力减少支出,降低项目的建设成本。下面对行业中常用的压力容器的选材进行论述,目的就是在条件允许的情况下,用价格较低的材料代替一些价格高的传统材料,降低设备的材料成本和制造成本,进而降低整个工程项目的费用支出,最终达到增强企业竞争实力的目的。

一、液氯计量槽

液氯计量槽的作用是储存液态氯(质量分数95%以上)供各生产部门使用。液氯在设备内的正常操作温度低于50℃,在进行该设备设计时,根据《压力容器安全技术监察规程》-1999中的相关规定,取50℃时的饱和蒸汽压1.57MPa作为该设备的设计压力;设计温度为50℃。但在该容器的正常工作过程中,其工作压力仅为1.0MPa,且为饱和蒸汽压,而此时容器内温度为30℃左右,不属于低温范畴,容器材质可不按低温压力容器要求选取。当容器内的温度≤-20℃时,分别以-20℃、-30℃和-40℃为操作温度对容器壳体的一次薄膜拉应力进行分析计算(设备直径取2200mm,壳体壁厚取18mm,材质为16MnR)。

当操作温度为-20℃时,由公式δ=pD/(2S)(δ为筒体材料在相应温度下的一次薄膜应力,MPa;p为液氯在相应温度下的饱和蒸汽压,MPa;D为筒体内径,mm;S为筒体壁厚,mm)计算此时壳体一次薄膜应力为17.2MPa;当操作温度为-30℃时,同样方法计算壳体一次薄膜应力为13.5MPa;当操作温度为-40℃时,壳体一次薄膜应力为10.9MPa。

由此计算结果可以看出,在低温状态下,容器壳体一次薄膜应力值远低于一般的压力容器用材料(16MnR等)在常温条件下的许用应力值(170MPa),根据HG20585-1998《钢制低温压力容器技术规定》的要求,当设备壳体一次总体薄膜(拉)应力不高于材料标准常温屈服点的1/6、且不大于50MPa的工况条件时,即为低温低应力工况。而通过以上分析计算,该设备在低温状态时壳体的薄膜拉应力不仅小于50MPa,且小于壳体材料16MnR标准常温屈服点的1/6(壳体材料16MnR厚度6-16mm时标准常温屈服点的1/6为57.56MPa,16-36mm时标准常温屈服点的1/6(即54.17MPa),该设备为低温低应力工况下的低温压力容器。

因此,该设备的筒体材料可以用16MnR代替价格比较高的低温用钢16MnDR,从而降低了材料费用的支出。

二、氯气液化器

氯气液化器是行业里经常用到的低温压力容器,属于低温换热化工设备。该设备壳程介质为冷却盐水,操作温度为-33℃,操作压力为0.3MPa,壳程筒体内径为600mm,壁厚经计算取12mm,壳程主要受压元件材质设计选择16MnR。

由公式δ=pD/(2S)计算此时壳体一次薄膜应力为7.5MPa,远低于一般的压力容器用材料(16MnR等)在常温条件下的许用应力值(170MPa),同时小于壳体材料16MnR标准常温屈服点的1/6(57.56MPa),且小于50MPa。该设备管程介质为液氯、氯气,其操作温度为-33℃,操作压力约为0.22MPa,管程筒体内径为600mm,由公式δ=pD/(2S)计算此时壳体一次薄膜应力为5.5MPa,壳体一次薄膜应力值也远低于一般的压力容器用材料(16MnR等)在常温条件下的许用应力值(170MPa),同时壳体一次薄膜应力也小于壳体材料16MnR标准常温屈服点的1/6(即57.56MPa),且小于50MPa。因此该设备为低温低应力工况下的低温压力容器。

三、液氨贮罐

液氨贮罐在氯碱和石化行业中是用来贮存液态氨的典型贮存容器。按规范要求,其设计压力取50℃时的饱和蒸汽压2.16MPa,但其通常为常压容器。该设备筒体内径为2000mm,壁厚经计算取12mm,设备主要受压元件材质设计选择16MnR。

液氨在-20℃时对应的饱和蒸汽压仅为0.09MPa,由公式δ=pD/(2S)计算此时壳体一次薄膜应力为5.625MPa;而液氨在-30℃时其对应的饱和蒸汽压仅为0.02MPa,由公式δ=pD/(2S)计算此时壳体一次薄膜应力为1.25MPa。

壳体一次薄膜应力值远低于一般的压力容器用材料(16MnR等)在常温条件下的许用应力值(170MPa),同时壳体一次薄膜应力值也小于壳体材料16MnR标准常温屈服点的1/6(即57.56MPa),且小于50MPa。

四、注意事项

正确分析设计条件及该设备的工作状况。由于工程所在地点不同,而全国各地的气候条件千差万别,设计时应充分考虑工程所在地的环境。如同样一个设备,相同的工艺生产条件,在海南省境内不需要保温设施,而在黑龙江省则需要可靠的保温设施。

调整后的设计温度不高于-20℃时,压力容器选材(包括其焊接接头的冲击试验温度)、设计、制造、检验要求均按调整后的设计温度来确定。当调整后的设计温度低于0℃而高于-20℃时,压力容器选材及其焊接接头除进行低温冲击试验(取试验温度等于设计温度)外,其余不必遵守低温压力容器的规定。

当调整后的冲击试验温度高于或等于0℃时,受压元件的设计、选材、结构、制造检验等均不必遵守低温压力容器的规定。在以上低温容器的设计过程中,材料选用非低温用钢16MnR即可满足标准规范的要求,既降低了设备的制造成本,又经济合理地达到了设备的使用要求。

综上所述,对压力容器的设计,在正确分析设计条件及工作条件的前提下,既要符合设计规范,又要经济合理,以达到设备正常操作条件的要求。同时,摆正安全与经济的关系,降低设备的造价,以取得最佳的经济效益。

参考文献:

[1]GB150-1998.钢制压力容器[S]

[2]JB/T4746-2002.钢制压力容器用封头[S]