浅释低温压力容器设计的几项规定VIP

第18卷 第5期森 林 工 程Vol118 No15 2002年9月FOREST ENGINEERINGSep. 2002 浅释低温压力容器设计的几项规定 梁 萌 (大庆石化一公司化工一厂) 摘 要 本文仅就碳钢和低合金钢按常规设计的压力容器壳体,设计其低温界限为 - 20。 关键词 低温界限;设计温度;降低应力工况;组合使用 分类号 TB301 Abstract This paper studied that the limit of low temperature is less than - 20for the high-pressure container shell of the simple steel and the low alloyed steel according to routine design. Key words Low temperature limit ; Determination of designing temperature ; Determination of decreasing stress conditions; Combined use 收稿日期: 2002年4月3日 责任编辑:刘美爽 1 低温界限 压力容器所发生的破裂,总体上可分为两大 类:一类为塑性破裂,另一类为脆性破裂。低温压 力容器的破坏属于后一类,即受压元件在拉应力的 作用下,其应力水平在低于材料的屈服强度,或低 于许用应力的情况下突然发生破裂,这一现象被称 为低应力脆断。基于这一破裂现象发生的前后,均 没有或只有局部极小的塑性变形,而没有整体屈服 迹象,目前世界各国,凡按常规设计的压力容器规 范,对受压元件的低应力脆断,都做出了相应的规 定和给出了各自的低温界限,见表1。 表1 不同国家规定的低温界限 国 名规范名称低温界限/ 美 国SSME1 - 20,和设计温度 - 20,在设计、选材、制造等方面是截然不同 的。所以,设计温度的确定是低温压力容器设计中 一项至关重要的因素。确定低温压力容器的设计温 度,不能像设计一般压力容器那样,只是依据其操 作温度简单增加或减去一定的温度的方法,去确定 低温压力容器的设计温度。而应从设备在相应低温 下与压力的组合工况,和是否受环境影响、介质的 状态及有无保温或保冷等方面,去做工具体问题分 析。 在工程上,通常采用以下几种方法来确定可处 于低温下工作的压力容器的设计温度。 (1)通过计算。当受压元件两侧有热量传递过 程时,可根据传热计算求得在相应的温度下,沿受 压元件厚度方向的平均金属温度。计算方法可采用 G B15189钢制管壳式换热器附录G所给出的 公式计算。但是,由于很多介质和传热系数K值 和给热系数a值难以查出,在工程计算中,多采取 经验值代入。尽管这样比起不计算精确得多。 (2)当受压元件与工作介质直接接触,并有外保 冷或保温设施时,可取介质的最低温度或介质的工作 温度减去510 做为该受压元件的设计温度。 (3)当受压元件可能受环境温度控制时,即在 寒冷地区,受压容器置于露天或无采暖的厂房内 (为事故停车所特设的容器及意外降温,和停车后 的自然温者除外 ) , 受压元件的设计温度应从以下 几方面考虑确定: 对盛装液体,且物料的充装量 占容器容积1/ 4以上,且无保温设施的贮存力容器, 由于液体的热容量较气体大,至使受压元件的金属 温度要略高于冬季空气调节外计算温度,所以需把 冬季空气调节室外计算温度上升1 方可做为该受 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 压元件的设计温度。 对盛装压缩气体,且无保温 设施的贮存压力容器,由于气体的热容量小,受压 元件的金属温度接近于冬季空气调节室外计算温度, 所以取冬季空气调节室外计算温度下降2 做为该 受压元件的设计温度是足够安全的。 对于工艺参 数不清或不全的情况,可依相同的工况,并正在运 行的设备,采用实测办法来确定其设计温度。 3 当受压元件处在降低应力工况下,应以其工况温度差值做 为设计温度 设计温度一经确定 3 ,便可依 - 20 这一压 力容器的低温界限,判定压力是否应按低温选材、 设计、制造等。对于设计温度 - 20的压力容 器的受压元件,原则上均应考虑其低温脆断因素而 按低温度设计,但在不同的工况下也有例外。如, 当受压元件处在低温降应力和低温低应力工况时就 可完全不按低温要求选材、设计、制造等。或仅考 虑低温脆断因素,只对材料做低温冲击试验。 3 降低应力工况的确定 低温降应力和低温低应力的工况,是依据压力 容器处于 - 20时,受压元件的实际应力水平 而确定。是对低温压力容器受压元件的一种特殊处 理方法。对于这一方法的使用,国外不少压力容器 规范,标准中都有不同的规定:美国ASME1 (1987年冬季补遗) 图UCS661规定,当设计抗 拉应力为许用抗拉应力的60 %时,最低设计金属 温度可下降22。 英国BS 5500规定,载荷引起的薄膜应力不大 于2/ 3的时为降应力工况,此时设计温度可 取比最低金属温度上升10。 日本JIS B 8243规定,低温下的工作压力低于 设计压力的40 %时为低应力工况,西德ADF规范 (1982)的W10规定,当许用应力降低至正常情况 的75 %50 %时,使用温度可下降50 左右。 我国G B15098中规定,压力容器受压元件设 计温度 - 20 时其拉伸薄膜应力 钢材标准常 温屈服点的1/ 2 ,且不大于50 MPa为低温低应力工 况。此时若将设计温度加50 后,高于- 20 则 可不按低温设计。 G B15090所规定的低温低应力工况,在力学 理论概念上较为明确,做为国家标准在其理论上有 着重要的指导意义。但是受压元件应力的产生,实 际上又并非都有是受一次总体薄膜拉应力所控制, 而一般都会受到二个以上的应载荷。如果按 G B15098中所定义的低温低应力工况就需把每个 受压元件都进行低温下的应力核算,比较系琐。为 此, HG J98做为对G B15098的补充,提出受压 元件的一次总体薄膜拉应力,在介于材料标准常温 屈服点的30 %至大于1/ 6时,为降应力工况。这是 由于在化工容器的设计中确实存在着,一些受压元 件应力水平虽然较低,但未低至材料标准常温屈服 点的1/ 6的水平。如果这一类的压力容器均按低温 去选材、设计、制造是很经济的。 在设计中,对于工作压力仅由介质在相应温度 下的饱和蒸气压所确定,且受压元件的一次总体薄 膜拉应力,仅由压力而引起的这类低温低压力容 器,可将使用温度下工作压力在 其最高设计压力 的50 %时,做为降应力工况。也可将使用温度下 的工作压力 其最高设计压力的30 %时,做为低 应力工况。 采用这两种方法,在工程设计中实为直观而简 便。针对我国当前低温用钢品种较少、供应困难、 配套不全的情况,应用降低应力工况,去处理和解 决一部分低温低压力容器的用钢,对缓解低温用钢 短缺,降低设备的造价有着极其重要的经济效益, 同时对设计也有了一个较为宽松的裕度。 计算一次总体薄膜拉应力,对于不同结构的设 备,还应该有不同的考虑。见下表2。 表2 不同结构设备的总体薄膜拉应力 容器类别一次总体薄膜拉应力/ MPa 立式圆筒式 =P ( Di+te ) / (2te) 卧式容器筒体 3 3 =P ( Di+te ) / (2te ) ; =PRi(2te)+Mi/(R2ite) 球形壳体 =P ( Di+te ) / (4te) 塔壳体3 3 =P ( Di+te ) / (2te ) ; =PDi / ( 4te)+ 3112Qi/ ( Dite)+ 1127M2/ D2ite 固定管板换 热器筒体 3 3 =P ( Di+te ) / (2te) =Es at ( T t-Te) -as ( T t-Te) AtEt+ 01785 ( D2i-ntd2)ps+nt ( d - 2st) 2p t / (A sEs+AtEt) 注:3 3 两式比较取其大者。符号说明:P为设计压力MPa ; te为有效厚度mm;Di为容器内径mm;Ri为容器内半径mm;M1 为轴向最大弯矩Nmm;Q为重量kg;M2为风弯矩或地震矩中较 大者Nmm;Ps为壳程设计压力MPa ;Pt为管程设计压力MPa ;Es 为设计温度下壳体材料弹性模量MPa ;Et为设计温度下管程材料 弹性模量MPa ;As为壳体截面积mm2;At为换热管截面积mm2;T0 为安装时的温度 ;Ts为壳体壁温度 ;Tt为换热管壁温度 ; as为壳体线膨胀系数1/;at为换热管线膨胀系数1/;nt为换 热管根系;d为换热管外径mm;St为换热管壁厚。 (下转第58页) 04森 林 工 程 第18卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. w w w . b z f x w . c o m 311 处理好综合布线的各线路的总体安排 智能化建筑中由于存在大量的线路,虽然在各 施工图纸中标注十分明确,但在实际工程施工中存 在着大量线路空间交叉问题。根据施工规范,对于 不同电压、不同系统、不同电流的线路,不能放置 在同一根管路内;消防系统不同防火分区线路也不 可以位于同一根管路内;强电、弱电的管线应保持 一定的间距,防止干扰;各线路要有各自的接地系 统等等。所以,工程施工中往往造成大量线路汇集 一起。所以,必须在项目技术人员的总体组织下, 合理安排施工中各线路中走向和安装工作。 312 处理好综合布线与土建、安装等工作的施工 关系。 智能化建筑的综合布线工作,是以结构部分为 依托的。除在相应控制室之外,线路需要敷设在墙 体、楼板和基础内部,因此,专业协调工作显得格 外重要。 (1)在土建施工时,要预留洞口安装小型工艺 设备和元配件,需要预埋角钢支架铺放线路。这些 工作需要综合布线的安装人员提供和提醒土建施工 人员进行预留孔洞和预埋角钢等工作; (2)很多线路的接地系统是以基础钢筋相连接 的。因此,在基础施工中要在钢筋上焊接综合布线 的接地连线和测量相应接地电阻; (3)大量综合布线的线路通过楼板进入房间 时,由于线数较多、截面大,有时需要变更设计将 预制钢筋混凝土楼板变更为现浇混凝土楼板,将线 路合理通过楼板等等。 (4)消防系统的烟感和温感探头一般外露在吊 顶的防火矿棉板表面,矿棉板需要钻孔安装探头, 以及部分消防喷淋管道需要由龙骨支撑和固定的。 不难看出,智能化建筑施工中,更需要工种的配合 与协作施工,否则,会造成浪费了大量的人力和物 力进行凿除墙体和地面来留设线槽、洞口,不仅影 响了工程的进度,有的甚至较大程度损害了建筑物 结构的整体性和耐久性,给建筑物留下工程质量隐 患。所以,智能化建筑施工对于工种的衔接协作要 求更高,尤其当前对智能化建筑的综合布线尚无完 整系统的施工规范,可操作性强,这也为施工现场 的科学的管理和控制提出了新的课题。 313 抓好智能化建筑安装的调试和验收 施工企业完成全部工程量,标志综合布线工作 也安装完毕。但工程建设并没有结束,需要技术人 员对综合布线进行认真检查和调试:消防系统进行 烟感、温感报警和消防连动;有线电视测试、楼宇 对讲系统测试、闭路电视监控系统测试、广播音响 测试、计算机网络系统等测试,经过试运行合格 后,进行项目的报验,由相应质量监督站、消防局 等对工程中的建筑质量、消防系统对工程质量进行 验收。现阶段,对于有线电视测试、楼宇对讲系统 测试、闭路电视监控系统测试、广播音响测试、计 算机网络系统一般由建设单位、监理单位、设计单 位、使用单位进行验收。 验收合格交付使用前,一般由技术人员对使用 单位的工作人员进行义务培训,使工作人员能够按 照要求进行操作和简单的维修。施工单位按照合同 的约定及质量管理条例的要求,在保修期内定期对 智能系统进行必要的的保养和维护,以保证智能化 建筑充分发挥其“智能”的使用功能。 (上接第40页) 4 降低应力工况与冲击试验温度的组合使用 低温降应力工况和低温低应力工况,与冲击试 验温度组合使用,可称为低温低压力容器设计中的 又一低界限。 通常,低温压力容器的受压元件的冲击试验温 度,取其最低设计温度值。但在降低应力工况下就 不同了,应取其工况温度差做为冲击试验温度。 属降应力工况时,将原设计温度升高20 与 原设计温度的差值,做为工况温度差值。如果工况 温度 0 便可不做低温冲试验,也