化工靜設(shè)備設(shè)計條件常見問題

發(fā)布時間：

2024-03-06 09:39

作為化工生產(chǎn)過程中的混合、儲存、分離、反應(yīng)、傳熱設(shè)備，以容器（包括反應(yīng)器、塔器等）、換熱器等為主的靜設(shè)備投資占比較大，它們單體的可靠性和安全性對于整個化工裝置的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

設(shè)計、制造是決定化工設(shè)備質(zhì)量的兩個主要環(huán)節(jié)，其中又以設(shè)計為基礎(chǔ)。在詳細設(shè)計階段，設(shè)備專業(yè)主要根據(jù)工藝、管道等專業(yè)提出的設(shè)計條件進行設(shè)計，而條件的準確、完整與否，直接決定著設(shè)計成品的質(zhì)量，并影響項目進度。

一、設(shè)計參數(shù)的問題

1.1 設(shè)計壓力為“常壓”時的爭議

設(shè)計壓力是指設(shè)定的設(shè)備頂部最高壓力（通常指表壓），與設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件。一些容器條件中的設(shè)計壓力定為“常壓”或ATM并不妥當，容易引起誤解。因為工藝和設(shè)備兩個專業(yè)常用標準中“常壓容器”的定義并不一致，兩個專業(yè)設(shè)計人員的理解通常也不同。

在HG/T 20570-95《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中，“常壓容器”指設(shè)計壓力為-2kPa（含）至0.1MPa范圍內(nèi)的設(shè)備。而HG/T 20580-2020《鋼制化工容器設(shè)計基礎(chǔ)規(guī)范》（報批稿）中，“常壓容器”則是指與環(huán)境大氣直接相連通或工作壓力（表壓）為零的容器。

1.2 條件中應(yīng)明確介質(zhì)組分、含量

設(shè)備的主體材料主要根據(jù)工藝包資料或工程經(jīng)驗確定，設(shè)備專業(yè)需要對此進行確認，必要時在設(shè)計文件對材料、制造、檢驗等提出附加技術(shù)要求。而介質(zhì)的腐蝕性是影響設(shè)備選材的主要因素之一，生產(chǎn)過程中的原料、中間產(chǎn)物、雜質(zhì)等都應(yīng)考慮，所以條件中應(yīng)明確介質(zhì)的所有組分及其含量。

例如，某氨罐介質(zhì)為液體無水氨，但縱使是優(yōu)等品，相關(guān)標準仍允許其有不超過0.1%的水分。而使用溫度高于-5℃的液體氨，在含水量不高于0.2%，且有可能受空氣污染的情況下，對于碳鋼或低合金鋼是存在應(yīng)力腐蝕傾向的，設(shè)備可能出無征兆的低應(yīng)力脆斷，危險性較大，設(shè)計時需提出一系列特殊要求。若對此認識不足，認為99.9%的氨是純介質(zhì)，≤0.1%的微量水分無需考慮，而未在設(shè)計條件中提供介質(zhì)組分和含量，可能導致設(shè)計不當。

1.3 公稱直徑、高徑比的確定

在滿足化工工藝、設(shè)備布置等要求的基礎(chǔ)上，非標容器、換熱器直徑應(yīng)盡量按GB/T 9019-2015《壓力容器公稱直徑》選取。以便于設(shè)計時選用標準規(guī)格的封頭、容器法蘭（及墊片）、支座（不包括裙座）等零部件或其他附件，而無需再進行專門的設(shè)計和計算，既可以減小工作量，又可以保證設(shè)計質(zhì)量

1.4 儲罐最高液位的確定

在石化儲罐設(shè)計條件中，工藝專業(yè)通常依據(jù)SH/T3007-2014《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》確定儲罐的最高液位，并據(jù)此給定所需的罐壁高度。對于常用的固定頂儲罐罐壁高度與最高液位的高度差，SH/T 3007考慮了消防泡沫發(fā)生器與罐頂?shù)木嚯x、泡沫混合液層厚度、液體膨脹高度及10~15min儲罐最大進液量折算高度，但未考慮地震晃動波高。

事實上，油罐抗震設(shè)計要求固定頂設(shè)計液位到罐壁上沿的距離應(yīng)大于液面晃動波高，以避免罐頂受到?jīng)_擊。當然，晃動波高與建罐地點、儲罐直徑等都有關(guān)系，準確的數(shù)值需要計算確定。

二、設(shè)備管口的問題

2.1 管法蘭標準

設(shè)備上的管口主要分為工藝、儀表管口，設(shè)計中也就常遇到不同標準管法蘭的配對問題，設(shè)備專業(yè)習慣上使用HG系列，配管專業(yè)多采用SH系列，而儀表專業(yè)主要用ASME B16.5法蘭。事實上，在法蘭公稱直徑DN、壓力等級PN等對應(yīng)的情況下，不同標準的法蘭能否配對，主要是看螺栓中心圓直徑、螺栓規(guī)格和數(shù)量、螺栓孔直徑、密封面型式和尺寸、墊片尺寸等是否統(tǒng)一。所以，設(shè)計條件中應(yīng)指定設(shè)備管口配對法蘭標準號、DN、PN及其類型、密封面型式。

2.2頂部管口法蘭螺栓圓布置

設(shè)備頂部的閥門、儀表安裝口，其法蘭螺栓圓的“對中”或“跨中”布置（相對于南北或東西軸線），應(yīng)考慮配管、操作等的需要，如安全閥所接管道的走向，閥桿操作的便利性等，這點容易被忽視。

2.3液體進口內(nèi)伸管的破虹吸口

如果液體進料口內(nèi)伸管需要在適當位置開設(shè)小孔以作破虹吸之用，工藝專業(yè)應(yīng)在設(shè)備條件中明確指出，若條件中沒有要求，設(shè)備專業(yè)不應(yīng)開此小孔。而進氣口、出料口的內(nèi)伸管一般不需要破虹吸口。工藝專業(yè)在設(shè)備圖紙上應(yīng)注意檢查這個問題。

2.4設(shè)備管口與管道不帶法蘭對接

為保證密封效果，高溫高壓設(shè)備的管口及一般設(shè)備上的大直徑管口，與管道的連接一般采用焊接連接，而不使用法蘭連接。這是因為用于高溫的法蘭接頭制造成本較高且密封性能并不十分理想。對于此類管口，設(shè)計條件中應(yīng)給定所對接管道的規(guī)格，并要求內(nèi)徑或外徑對齊、設(shè)備管口的接管端部帶焊接坡口。

三、管殼式換熱器的問題

3.1 換熱面積

換熱器的換熱面積，為參與換熱的換熱管外表面積，計算時應(yīng)扣除伸入管板內(nèi)部等不參與換熱的長度，這一點在設(shè)計條件中常被忽視。常見的中低壓管殼式換熱器單塊管板厚度多在50~200mm之間。

3.2 金屬壁溫

管殼式換熱器殼側(cè)、管側(cè)的金屬壁溫，分別指沿殼程筒體、換熱管軸向長度的金屬溫度平均值，其對殼程筒體、換熱管軸向力，換熱管與管板之間的拉脫力影響較大，是換熱器強度計算中重要參數(shù)，直接影響著設(shè)計的可靠性和經(jīng)濟性，需要在設(shè)計條件中給定準確值，不可隨意估取。

3.3 管束防沖板

GB/T151-2014《熱交換器》規(guī)定了換熱器殼進口處需要設(shè)置防沖板的若干情形，此舉主要是為了防止流體對管束造成沖蝕或引起振動。防沖板的面積不能小于進口通道的投影面積，且為了保證流通面積，防沖板需與殼體內(nèi)壁有一定的距離。若進口管直徑較大，防沖板的設(shè)置會嚴重限制布管數(shù)量。這點在換熱器工藝計算時就應(yīng)考慮，必要時應(yīng)增大換熱器公稱直徑。

3.4 換熱管排列形式

在確定換熱管的排列形式時，介質(zhì)流向取地應(yīng)當是流體繞過第一塊折流板后的流向，即GB/T 151中的“流向垂直于折流板缺口”，而僅根據(jù)殼程進口的方向來判斷是不準確的。以臥式換熱器為例，如果只考慮與進口方向的關(guān)系，那么不論折流板缺口是水平還是垂直布置，均不影響排列形式的確定，這顯然與事實不符。

3.5排凈口

換熱器殼的最高、最低點應(yīng)設(shè)置排氣、排液口，以避免形成死區(qū)導致介質(zhì)殘留，這點在設(shè)計條件中也偶爾被忽略。對于立式固定管板換熱器，如果管板較厚，排凈口通常開設(shè)在管板上，如果管板較薄，排凈口應(yīng)緊貼管板。對于臥式固定管板換熱器，左右兩側(cè)最高、最低應(yīng)有排凈口，其中殼進出口可兼作排凈口。

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