低温低应力工况压力容器的设计

第3 期 2 0 0 7年 3月 氯 碱 工 业 Ch l o r - Al k a l i I n d u s t r y N o 3 Ma r ， 2 0 07 低 温低 应力 工况 压力 容器 的设计 刘岩峰 ，苏德光 ， 孟丽 ( 葫芦岛锦化化工工程设计有限公司， 辽宁 葫芦岛 1 2 5 0 0 1 ) 关键词】低温压力容器； 液氯计量槽； 氯气液化器； 液氨贮罐 摘要】对低温低应力工况下的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 。 为低温压力容器的设计提供了有益的参考。 中图分类号】T Q1 1 4 1 5 文献标识码】B 文章编号】1 0 0 8 1 3 3 X( 2 0 0 7 ) 0 3 0 0 4 4- 0 2 为了提高竞争力 ， 在一些项 目新建以及 改扩建 过程 中， 氯碱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 。下面对氯碱行业 中一些常用的低温压力容 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。 1 液氯计量槽 液氯计量 槽 的作 用是储 存 液态 氯 ( 质 量分 数 9 5 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 5 0 ， 在进行该设备设计 时， 根据 压力容器安全技术监察规程一1 9 9 9中的相关规 定 ， 取 5 0时的饱和蒸汽压 1 5 7 MP a作为该设备 的设计压力 ； 设计温度为 5 0。但在该容器的正常 工作过程中， 其工作压力仅为 1 0 b l P a ， 且为饱和蒸 汽压 ， 而此时容器内温度为 3 0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 一 2 0时 ， 分别以 一 2 0、 一 3 0 和 一 4 0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 2 2 0 0 m m ， 壳体壁厚 取 1 8 m m， 材质为 1 6 b l n R) 。当操作 温度为 一 2 0 时， 由公式6= p D ( 2 S ) ( 6为筒体材料在相应温度 下的一次薄膜应力 ， b l P a ； P为液氯在相应温度下的 饱和蒸汽压， b l P a ； D为筒体内径， ln n ； S为筒体壁 厚， ln n ) 计算此时壳体一次薄膜应力为 l 7 2 b l P a ； 当操作温度为 一 3 0时， 同样方法计算壳体一次薄 膜应力为 l 3 5 b l P a ； 当操作温度为 一 4 0时， 壳体 一 次薄膜应力为 1 0 9 b l P a 。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( 1 6 b l n R等) 在常温条件下 的许用 应力 值 ( 1 7 0 b l P a ) ， 根 据 H G 2 0 5 8 51 9 9 8 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 5 0 b l P a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 5 0 b l P a ， 且小 于壳体材料 1 6 b l n R标准常温屈服点的 1 6 ( 壳体材 料 1 6 b l n R厚度 61 6 mm时标准常温屈服点 的 1 6 为 5 7 5 6 MP a ， l 6 3 6 l n n时标准常温屈服点的 1 6 ( 即 5 4 1 7 MP a ) ， 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 1 6 b l n R代替价格 比较 高的低温用钢 1 6 b l n D R， 从而 降低了材料费用的支出。2 0 0 3年 4月， 葫芦岛锦化 化工工程设计有限公司为广州乳源 2 5万 t a离子 膜烧碱工程和江苏天成氯碱股份有 限公司 4万 t a 离子膜烧碱 聚氯乙烯工程设计的液氯计量槽材料 为 1 6 b l n D R ； 而 2 0 0 5 年为四川一烧碱工程和河北冀 衡化学股份有限公司 4万 t a离子膜烧碱工程所设 计的液氯计量槽材料则用 1 6 b l n R代替了 1 6 b l n D R。 2 氯气液化器 氯气液化器是氯碱行业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 作者简介】刘岩峰( 1 9 7 4一 ) 。 男， 工程师， 1 9 9 6年毕业于辽宁工学院材料工程系塑性成型专业， 现在葫芦岛锦化化 工工程设计有限公司从事设计工作。 【 收稿日期】 2 0 0 6 1 0 1 7 4 4 维普资讯 第 3期 刘岩峰等 ： 低温低应力工况压力容器的设计 却盐水， 操作温度为 一 3 3 c I= ， 操作压力为 0 ， 3 M P a ， 壳程筒体 内径为 6 O O ra i n ， 壁厚经计算取 1 2 m m， 壳 程主要受压元件材质设计选择 1 6 M n R 。由公式 ： p D ( 2 S ) 计算此时壳体一次薄膜应力为7 5 MP a ， 远 低于一般的压力容器用材料 ( 1 6 Mn R等) 在常温条 件下的许用应力值 ( 1 7 0 MP a ) ， 同时小于壳体材料 1 6 Mn R标准常温屈服点 的 1 6( 5 7 5 6 MP a ) ， 且 小 于5 0 M P a 。该设备管程介质为液氯、 氯气， 其操作 温度为 一 3 3 c I = ， 操作压力约为 0 2 2 MP a ， 管程简体 内径为 6 O O mm， 由公式 艿= p D ( 2 S ) 计算此时壳体 一 次薄膜应力为 5 5 M P a ， 壳体一次薄膜应力值也 远低于一般的压力容器用材料( 1 6 M n R等) 在常温 条件下的许用应力值( 1 7 0 M P a ) ， 同时壳体一次薄 膜应力也小于壳体材料 1 6 M n R标准常温屈服点的 1 6 ( 即5 7 ， 5 6 M P a ) ， 且小于5 0 M P a 。因此该设备 为低温低应力工况下的低温压力容器。2 0 0 5年， 葫 芦岛锦化化工工程设计有限公 司在为四川一烧碱工 程设 计 该 设 备 时用 1 6 Mn R 代 替 了起 初 要 求 的 1 6 Mn D R， 为该企业节省了费用。 3 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 5 0 c I = 时的饱 和蒸 汽压 2 ， 1 6 M P a ， 但其通 常为常压 容 器。 该设备简体内径为2 0 0 0 m m， 壁厚经计算取 1 2 m m， 设备主要受 压元件材质设 计选 择 1 6 Mn R。液 氨在 一 2 0 c I = 时对应的饱 和蒸 汽压仅 为 0 0 9 MP a ， 由公式 艿 = p D ( 2 S ) 计算此时壳体一次薄膜应力为 5 6 2 5 MP a ； 而液氨在 一 3 0 c I = 时其对应 的饱和蒸汽 压仅为 0 0 2 MP a ， 由公式 艿= p D ( 2 S ) 计算此时壳 体一次薄膜应力 为 1 2 5 MP a 。壳体一次薄膜应力 值远低于一般 的压力容器用材料 ( 1 6 Mn R等 ) 在常 温条件下的许用应力值( 1 7 0 M P a ) ， 同时壳体一次 薄膜应力值也小于壳体材料 1 6 M n R标准常温屈服 点的 1 6 ( 即5 7 5 6 M P a ) ， 且小于5 0 M P a 。因此该 设备同样为低温低应力工况下的低温压力容器。 2 0 0 6年， 葫芦岛锦化化工工程设计有限公司在为四 川一烧碱工程设计该设备时用 1 6 Mn R代替 了以前 常用 的 1 6 Mn D R。 4 注意事项 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 设备设计温度不低于 一 4 6 cI = 时， 低温低应 力工况压力容器的设计温度按表 1 调整。调整后 的 设计温度等于设计温度 与温度调整值 之和。 表 1 低温低应力工况压力容器的温度调整情况 应力比8 8 设计温度调整值 A T C 0 7 5 0 O 6 0 0 0 4 5 0 0 3 7 5 0 3 8 0 0 3 0 0 0 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 ( 3 ) 设备设计温度低于 一 4 6但不低于 一1 0 0 c I= 时， 仅当容器壳体或其他受压元件的一次总体薄 膜应力降至小于或等于钢材标准常温屈服点的1 6 ， 且不大 于 5 0 MP a时， 设计温度调整值 可取 5 0 c I = 。 ( 4 ) 设备设计温度低于 一 1 0 0时， 设计温度 调整值为 0 。 ( 5 ) 调整后 的设计温度不高于 一2 0 c I = 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 。 ( 6 ) 当调整后的设计温度低于 0而高于 一2 0 c I = 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 。 ( 7 ) 当调整后的冲击试验温度 高于或等于 0 c I = 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