化工靜設備設計條件常見問題

發布時間：

2024-03-06 09:39

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

設計、制造是決定化工設備質量的兩個主要環節，其中又以設計為基礎。在詳細設計階段，設備專業主要根據工藝、管道等專業提出的設計條件進行設計，而條件的準確、完整與否，直接決定著設計成品的質量，并影響項目進度。

一、設計參數的問題

1.1 設計壓力為“常壓”時的爭議

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

在HG/T 20570-95《工藝系統工程設計技術規定》中，“常壓容器”指設計壓力為-2kPa（含）至0.1MPa范圍內的設備。而HG/T 20580-2020《鋼制化工容器設計基礎規范》（報批稿）中，“常壓容器”則是指與環境大氣直接相連通或工作壓力（表壓）為零的容器。

1.2 條件中應明確介質組分、含量

設備的主體材料主要根據工藝包資料或工程經驗確定，設備專業需要對此進行確認，必要時在設計文件對材料、制造、檢驗等提出附加技術要求。而介質的腐蝕性是影響設備選材的主要因素之一，生產過程中的原料、中間產物、雜質等都應考慮，所以條件中應明確介質的所有組分及其含量。

例如，某氨罐介質為液體無水氨，但縱使是優等品，相關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力腐蝕傾向的，設備可能出無征兆的低應力脆斷，危險性較大，設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，≤0.1%的微量水分無需考慮，而未在設計條件中提供介質組分和含量，可能導致設計不當。

1.3 公稱直徑、高徑比的確定

在滿足化工工藝、設備布置等要求的基礎上，非標容器、換熱器直徑應盡量按GB/T 9019-2015《壓力容器公稱直徑》選取。以便于設計時選用標準規格的封頭、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計和計算，既可以減小工作量，又可以保證設計質量

1.4 儲罐最高液位的確定

在石化儲罐設計條件中，工藝專業通常依據SH/T3007-2014《石油化工儲運系統罐區設計規范》確定儲罐的最高液位，并據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考慮了消防泡沫發生器與罐頂的距離、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，油罐抗震設計要求固定頂設計液位到罐壁上沿的距離應大于液面晃動波高，以避免罐頂受到沖擊。當然，晃動波高與建罐地點、儲罐直徑等都有關系，準確的數值需要計算確定。

二、設備管口的問題

2.1 管法蘭標準

設備上的管口主要分為工藝、儀表管口，設計中也就常遇到不同標準管法蘭的配對問題，設備專業習慣上使用HG系列，配管專業多采用SH系列，而儀表專業主要用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、螺栓規格和數量、螺栓孔直徑、密封面型式和尺寸、墊片尺寸等是否統一。所以，設計條件中應指定設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液體進口內伸管的破虹吸口

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

2.4設備管口與管道不帶法蘭對接

為保證密封效果，高溫高壓設備的管口及一般設備上的大直徑管口，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，設計條件中應給定所對接管道的規格，并要求內徑或外徑對齊、設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，計算時應扣除伸入管板內部等不參與換熱的長度，這一點在設計條件中常被忽視。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、管側的金屬壁溫，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，直接影響著設計的可靠性和經濟性，需要在設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》規定了換熱器殼進口處需要設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，防沖板需與殼體內壁有一定的距離。若進口管直徑較大，防沖板的設置會嚴重限制布管數量。這點在換熱器工藝計算時就應考慮，必要時應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，介質流向取地應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、最低點應設置排氣、排液口，以避免形成死區導致介質殘留，這點在設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，排凈口通常開設在管板上，如果管板較薄，排凈口應緊貼管板。對于臥式固定管板換熱器，左右兩側最高、最低應有排凈口，其中殼進出口可兼作排凈口。

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