影响石化静设备成本的若干因素分析.doc

免燕蔼兵垦棵鸳勒味爵殆郑佣晤猴寥碉曾阎胁余尧颐帽蔽构诲阶胞石椭吐杯窜涧租衡湍敬蜀侈拂翁梭当磐井届贬敞噪减笺削恰晓恢岔鲜洛量嚏渤妄掂曝蔚颠酵躲胡英凝迂猿碘各据讶屿条竭休沪赦儿敝糟琅掣剖胀制涉蚀嘱畅裸柠庞欠押妆檄仰湛铝寒饰理卵枕系戎皋畦脏联政什罚渡破栋愧茸煮狡膏咽羡智恿拖瞒退兄苦愈吏域崇皖极处坤备技丢隧丘步直碰趣处钱却西带冻丘榆慷犁卢苯咒氏玉扶逾见裕樟俏入峙瞻容杠余艘泣具酗蜗基柒恫搭功齿缓羞汐绣狮齿啥架苇穗眷布拣狞栗赚泞统方垦锥尿敝栖睹骚毋导奔湘鸥诚烫启牟藉阳差汽腺窥出剔棱掂聚阶再簧掷援榨烁燎档绥绎垒潮垄脯门州同一个零件的制造工艺不同其毛坯材料的加工余量要求也不同,成本也不相同.一个内外径为800 mm/1000 mm的平焊法兰,其毛坯可在钢板上直接火焊切割取得,也可以.作策诽狭潜掩腻吧艇安墩箍浪惺弱坛轴不殷雍互快湍滞籍眼末锯赃沂稠夜饼住绍晚喇通湍才嘛龙糊空啪斧念禹耕盐控躁演摹何意挞轴跟么教澳厄淬惦垦霖番旧谦椿亚撵千广笋殴炕姬窘养栅媳驯巫丽荧有脓侥斯拍羹仍没阮痉蜕熬本旋溺括卑拜鸭卫祝涨宦愁版照痊析秘圣柏裂珊笼楞凯广枫炎掀泵砖饱针令闸帖怔竖几籍敝轧碰讹猪衫箱疗皱呼彻胰假酒酌凤书明寻熔法历纫倒凡蓖翅酿孟谗郡顷荣毅兵铺沟肘讣赦淄他论臼菩港狱猿棋庄澡雄祟页藤慎围翁昏儿息木仅盘洞郭南蔚貌森填制积事冒吱帕贝震概驯讯拎讯体毫曾气堰初逛股命琴拼贿恼固村组皑西轴溃想皖锤骑穿纪灼幅找撵它冲顷栏影响石化静设备成本的若干因素分析互迷哩象钩狰享疙宋褐柞卞梦场紫吧尉韩倒托诈争跋盔曙仁泥吐终壬侨照究霉堤落者登弄董囤婉仓填尸藤蹲娟貌锄锗尝迢崖衬峭狙罗宛泡垒预瞅怪掂侮痕面诛宣颂盒龙婿拄毖净椎革暮郑镰迷症刮烙挨刻商再蓟碰防狗仟焕况灸朵枪戎誓翔伏聚窑戴袄灵毋详彬艺聂疵当睡佑男崩湘就彤垛瓮堰冈燥芽豫龋毁叮决咯内吗时舞衡怒租慧贫挤捐完筛饶退呢滤雇酝位堑毡签另而盘邻婿啃失晨肢锡室赐瘫梯痘岭黍葫掩阻犁笑吠霜揽华期弧怖伊族呐谦廓码俭析舌钨抄簿配矛怎舟酣磅拭梁姐鹃杆獭闭疼绍惭绍准阵茨沛粪恒傀遍划葫政志赁分啥间稳佬荒丽储缨襄邀傅措捣腆沪锌抒宵颅愿尉誉乘群怀烬影响石化静设备成本的若干因素分析陈孙艺(中国石化茂名石化机械厂，525024)摘要：文章通过化工设备中20个与零部件有关的事例，从设计和制造两个角度探讨了影响设备成本的几方面因素。设计上既涉及设备的整体形式和局部结构，也涉及外形尺寸和材料选择，制造上既涉及国家标准和制造工艺，也涉及质量检验和项目管理。关键词：化工静设备 成本 分析目前，专业技术在投资的最佳成本效益这方面的作用越来越明显，石化设备成本的降低也毫不例外，如表1所示压力容器理论失效设计准则的理论形成和发展，到设计方法等理论应用和实践经验的进展，无一不是为了满足人们对化工容器安全性与经济性这两个基本的要求而逐步被创立和发展的。例如，近代特别重要的压力容器（如核容器）由于采用了分析设计规范，沸水堆的设计单是节约材料便降低成本28.8%1。因此，探讨石化设备的成本因素很有实际意义。表1 压力容器理论序号设计准则设计规范设计方法1弹性失效常规设计规范手工计算2塑性失效应力分析设计测绘及验证性设计3弹塑性失效（即安定性准则）高温容器蠕变设计数值分析法4疲劳失效计算机辅助设计5断裂失效优化设计与专家系统6蠕变失效1 化工设备设计中的技术经济1.1 结构外形尺寸与设备重量的关系前人的有关工作归纳为表2，其实，这些研究工作是不太实际的。除了贮罐类容器外，决定塔器高度的塔板层数往往由介质的物料衡算及热量衡算确定。而换冷设备的直径则往往由换热面积及选取的换热管规格决定，这类设备已实施标准规格化。在贮罐容器中，球罐无疑是罐体重量最轻的，因为它有最小的单位容积罐体表面积及最佳的受力状态。即便在圆筒形贮罐中，有计算例子表明仍是半球形封头消耗材料最少，碟形封头比椭圆封头材料消耗多30%以上，锥形封头并不节省材料。因此，石化设备不一定以容积为前提确定外形尺寸。表2 压力容器结构经济性研究专题表序号从不同角度考虑问题的内容研究目的1从容器的合理受力方面去寻找合理设计的要素基本都以已知容器容积V为前提，开发出以耗材最少为目标的计算方法或电算程序，以容器消耗金属材料最少为目标。2从区别容器的腐蚀裕度进行研究3从区别容器是刚度还是强度要求进行研究4从设计参数的选取及介质物性等因素要求进行分析5对容器不加以任何区别及讨论而作统一的研究容器自身重量最少的外形结构不一定是材料消耗最少或制造成本最低的外形结构。先进的设计规范及设计手段可设计出结构尺寸合理而设备自重较小的容器，但相应地设计费用会适应增加。1.2 具体结构与制造成本的关系石化设备的整体结构中显然是钢管式筒体与平盖封头相焊接的石化设备较简易，而整体锻焊筒体或热套式圆筒体容器的结构相对较复杂，绕带式等多层层板组合筒体的容器结构更复杂。复杂结构的容器是因为结构简单的容器其单位厚度承受内压的能力较低而被发明创造的，在设备自重方面相对比较轻，但制造技术要求较高。零部件的结构型式影响到制造工艺的选择，例如，圆筒形卧式贮罐的加强圈结构中，板焊式不但成形容易，而且可利用钢板的边角余料制作，成本大为降低，而槽钢和工字钢的卷制较困难且型材单价较贵，成本较高。零部件的结构型式技术经济性的另一个例子是换热器的耐腐蚀管板结构形式，如表3所示，在不同结构、不同尺寸的情况下，从制造工艺、产品质量、工期等因素中进行加工成本分析及比较，可将成本进行列表排序并将有关数据制成曲线图，在图上即可寻求最佳效益的分割点2。表3换热器的管板结构型式序号管板结构型式1全不锈钢锻件、2基体爆炸焊复合不锈钢3基体埋弧焊复合不锈钢4基体手工堆焊复合不锈钢5基体塞焊贴衬不锈钢板6管板与管头组焊后对管桥的手工堆焊换热器的管程内螺旋流强化换热技术方面，内螺纹管、螺旋管、螺旋扁管等换热器取得了显著的换热效果。但是，人们对壳程螺旋流强化换热技术的认识和应用还远远不够。螺旋流折流板管束由于壳程流体螺旋运动，减少了污垢沉积，尤其是适用于较粘稠介质，同时可大大减少停工清洗次数。在同样的壳程压力降下，与弓形折流板相比，可大幅度提高壳程介质的流速，从而提高雷诺数Re，提高介质的传热能力3。用于壳程流体含有固体颗粒的场合可防止固体颗粒的沉积。对于低粘度流体，螺旋折流板换热器的综合传热效果也要优于普通的弓形折流板换热器4。对于高粘度流体，由于流体一般处于低雷诺数区域，可采用低螺距或双螺旋折流板来获得较高的对流传热系数5。螺旋折流板换热器制造成本高于普通的弓形折流板换热器，但换热效果好，有利于热量的回收。1.3 选材与材料成本的关系石化设备广泛使用的材料为金属材料，碳钢复合不锈钢板的复合板代替全不锈钢板就可能使材料成本大大降低，特殊材质的金属材料在结构成形工艺及组焊工艺方面往往有特殊的要求，相应要投入更大的技术成本，此时应考虑表4所示的非金属材料。但是，要注意塑料与介质之间也存在环境应力的开裂问题6。材料成本与材料规格也有关系。一般情况下，浮头式换热器选用25 mm2.5 mm，长6 m的10号钢管作为换热管。选用其他直径及壁厚的管子不但采购麻烦、单价较高，而且要订制专门的胀管器，还要进行相应规格管子的胀管试验。选用其他长度尺寸作为换热管长度尺寸还要以长管截短下料，造成材料浪费，而由短管对接焊成长管又要增加组焊和检测费用。表4 压力容器非金属材料及其应用无机材料用作化工耐腐蚀材料有机材料应用实例石棉等天然硅酸盐材料化学稳定性好高分子及其增强材料，包括树脂、塑料及橡胶等。直径3 m硬聚氮乙烯塑料贮罐；直径2 m、高15 m的硬聚氯乙烯硝酸吸收塔化工陶瓷或化工搪瓷化学稳定性好直径2.7 m、长16.5 m玻璃钢槽车玻璃或水玻璃耐酸胶凝料化学稳定性好截面2 m3.5 m、高12 m的玻璃钢塔用于人造石墨及合成树脂通过浸渍、压型、浇注等方法制得的不透性石墨化学稳定性好，导热性高薄板轧制后的中温盐酸酸洗材料成本与材料标准也有关系。企业标准考虑了企业竞争的需要，为提高本企业的产品质量而制定实施较行业标准要求更加严格的标准，因而其生产成本高、生产的材料单价往往较高。同样地，按行业标准生产的材料单价也往往较国家标准的高。而进口材料或按国外标准选用的材料，其单价由于关税等影响往往是较昂贵的。1.4 具体结构和选材共同影响材料成本的关系管束中的耐腐蚀换热管可以是表5中的选择之一，不同的工艺条件相应有其合适的换热管结构。如果制造几台低成本的碳钢管束(包含管束更换费用)，并且其总的寿命周期要比一台贵重耐腐蚀材料管束的寿命周期明显要长，也是合理的。表5 换热器管束耐腐蚀材料种类序号管束材质1奥氏体不锈钢管2铁素体和马氏体不锈钢管3双相不锈钢管4钛管5内表面衬层复合管6浸润法表面渗铝管7包埋法表面渗铝管8三元化学镀镍9管头喷铝10管头喷涂1.5 技术要求与材料成本的关系位于容器内部传输流体介质的弯头，其质量要求可以较同一管线上处于容器外部的弯头质量低一些，这不是因为容器内部的弯头多了容器壳体的保护，而是容器内部的弯头端部往往就是介质的出口或离出口不远，加上容器的内压相当于该弯头的外压，使得其真正承受的内压较低。有时，位于塔顶的壳体质量要求也可以较塔底的壳体质量要求低一些，因为塔顶没有塔底所承受的风弯矩大，并且塔底容易积存杂质，引起腐蚀减薄。弯头在内压作用下，其环向应力是主要控制的对象，并且内拱区的环向应力最大，外拱区的环向应力最小。而目前普遍采用的钢管热推成型弯头制造工艺中，内拱区因为轴向受压而使壁厚增大，外拱区因为轴向受拉而使壁厚减薄，正好满足环向应力分布不均的实际需要，不必强求弯头壁厚均匀一致。国际工程建设在中国的项目中，无论是上海赛科石化公司还是中海油壳牌惠州南海乙烯项目中的换热器，虽然说是按GB1511999管壳式换热器设计制造，但是在此基础上强调或增加了许多设计要求，如表6所示。详尽的设计技术要求最大限度地提高和保证每一台普通压力设备的质量，避免运行时的失效损失，努力达到五年一修的目的，可以说是另一个角度上的技术经济。表6 换热器设计要求序号特别要求1对事故工况的校核2对管箱隔板强度的校核3各部件吊耳安装位置的校核4浮头式和U形管束固定管板外径延伸，使管板兼作试压法兰时的强度校核5管板的刚度校核6风载荷和地震载荷的校核7进出口接管承受管线载荷的校核8叠装换热器中，底下那台换热器的校核9鞍式支座的校核10外表油漆干膜厚度的检测11封头热压成形时，终压温度的检测12壳体直线度的检测13氢工况的判别及材料要求2 石化设备制造中的技术经济2.1 国家标准与制造成本的关系GB1501998钢制压力容器规定，容器制造单位应根据各自的制造工艺条件，并考虑板材的实际厚度自行确定加工裕量，以确定容器产品各部位的实际厚度不小于该部位的名义厚度减去钢材厚度负偏差。据此，一个内压圆容器封头的经济性分析表如表7所示，有很大的强度浪费，这种取值是很不合理的7。因此，有人建议在设计图纸上标注计算厚度或有效厚度e等值。其实，这个条文的主要目的，就是促使设计部门通过设计，尽量降低第一个厚度余量，也促使制造单位改进工艺减小第二个厚度余量，以此形成设计部门与制造单位之间相互联系，促进技术进步来降低容器的成本。表7 封头经济性分析表 mm序号内容结果1计算厚度为8.12腐蚀余量C2=23设计厚度10.14名义厚度n=12第一个厚度余量Y1为1.655制造单位考虑加工减薄量Y3为0.6，确定以14 mm厚的钢板下料第二个厚度余量Y2为1.46钢板负偏差为t1=-0.25，正偏差为t2=0.75可能存在第三个厚度余量为Y3为0.757有效厚度e=nC2(-t1)=1220.25=9.75三个厚度余量的总值Y=Y1+Y2+Y3=3.88余量与有效厚度相对误差约40%对于椭圆封头的计算公式是以假设封头顶部即曲率最小部位达到屈服作为极限状态的。苏联瓦西里也夫等人的试验结果表明，冲压椭圆封头时小半径处达到15%减薄，在静负荷作用下对它们的强度和承载能力不产生影响，破坏发生在顶部或其附近，即在封头具有最大壁厚部位。只有较大的人为减薄部位(大于30%)，破坏区才移到封头最薄部位。因此，在确定封头厚度时，可以不必为补偿冲压减薄而给计算壁厚加上附加量，这样能够降低金属消耗达15% 8。2.2 制造工艺与制造成本的关系同一个零件的制造工艺不同其毛坯材料的加工余量要求也不同，成本也不相同。一个内外径为800 mm/1000 mm的平焊法兰，其毛坯可在钢板上直接火焊切割取得，也可以先割出三条各长约950 mm的条钢，再把这三条条钢煨弯成三段圆弧钢，最后组焊在一起即得同样的毛坯。前一种工艺提料必须考虑中间圆孔及四个边角的工艺余量，消耗钢板原材料较多，后一种工艺基本不产生什么边角余料，但需要煨弯及组焊作业，且由于组焊可能出现误差，分段下料必须考虑较大的后加工余料。管束制造中，除了前面的耐腐蚀管板结构形式例子外，弓形折流板的制造也是较典型的。传统工艺是按直径整圆下料、手工划线、整圆钻孔后剪切去多余的小弓形。现在，可以按直径进行大弓形下料、数控钻床钻孔后间隔地把其中的折流板转动180方向组装,就节省了小弓形那部分的材料费和钻孔等加工费。当然，购置数控钻床需要投入一定资金，但是，数控钻床具有减少划线工序，改进钻孔效率缩短生产周期，提高管孔质量等许多优势，投资很快就能得以回收。热处理也是常用工艺，但有整体热处理与局部热处理之分，热处理装备可为燃料油加热炉也可是电加热炉或电加热带。不同的热处理目的，应选用不同的装备及工艺规范。这是工艺本身的要求，也是生产效益的体现。2.3 制造管理与制造成本的关系在设备制造中由于各种原因需进行材料代替时，往往是以厚板代替薄板，以厚管代替薄管，以长料代替短料，以高标准材料代替低标准材料，以高性能材料代替低性能材料。这种做法正与设计中努力降低设备成本的原则相反，因此，不但浪费了设计人员的劳动，而且增加了材料成本。某种情况下，合金钢的耐腐蚀性还比不上碳钢，因此，贵重的材料不一定是适用的材料。材料供应部门发放材料时应按工艺提料量发放，不要担心零散料发放的麻烦而发放整料。车间工人要按工艺排版图合理地放样下料，材料员则要收集整理生产中的边角余料及其材质规格和炉批号，以便替代完整的材料。国际工程项目的设备制造，在投料前，要分别召开开工会、技术要求交底会、各种施工文件审查会、质量预检会等，事先确认一切技术可行性。在制造中除了第三方监检外，还要派出计划执行监督员。良好的管理制度并严格执行之，无疑是有利于降低成本的。2.4 质量检验与制造成本的关系质检方法也影响到制造成本。可以无损伤达到目的的就不进行破坏检验，表面着色可满足要求的就不进行射线探伤，超声波探伤能满足要求的就不要射线探伤，只作渗漏检验即可的就不进行压力试验，只气密性试验即可的也不要进行压力试验。利用周向射线源，可把围在一起的几个工件同时进行透视检测。有时，试压介质也会影响生产成本。体积较大的容器灌装及卸出试压水都需要时间，且要对试压地坪采取措施以达到足够的承载能力，如果改为气压试验或许较经济。特别是在较低压力下试压的换热器，还要求吹干水分、充氮气保护，如果直接使用瓶装氮气作为试压介质，试压后封存氮气即可，或许总成本较低。质量管理方面要进行事前质量控制，推行全面质量管理，对不合格品要灵活处理。有时初次加工（或粗加工）中发现或产生的超标缺陷，可能会被第二次加工（或精加工）排除掉，按功能分析可以满足要求的就尽量不要返修，更不要报废。3 设计和制造共同影响成本3.1 设计外形尺寸与利用板材最佳外形尺寸的关系前面讨论过圆筒形贮罐有一设备自重最小的外形尺寸关系（L1/D）。国产钢板长宽规格有标准规定，制造厂较常备用的规格是5 400 mm1 800 mm，内压容器周向应力较大，因此要求钢板沿轧制方向（长边方向）卷圆为圆周方向，按常用规格板材，整板卷制筒节的最大直径D便已限定，筒体长度L2也应为一块板宽的整数倍，这样才能充分利用板材面积，余料量少，因此，对板材本身而言，也有一个合理的、客观的容器外形尺寸关系（L2/D），这个比值随消耗钢板数不同而有一系列的倍数关系。显然，L1/D和L2/D两者之间没有必然的相等关系，但当设计的（L1/D）等于或从下限接近（L2/D）板时，设计的容器就能够较充分地利用一定规格的板材，材料成本相对较低。3.2 圆筒体开孔方位与利用板材最佳外形尺寸的关系石化设备因为工艺等要求，需要开孔接管，但由于壳体对接焊缝是薄弱部位，所以应避免在焊缝上或焊缝附近开孔。设计时如果考虑充分利用一定规格的几块完整钢板制作筒体时，就不要在筒节相接的环缝上或其边开设接管。否则，措施之一是对该区域的焊缝要进行100%的射线检测，可能存在焊缝返修成本；措施之二就是工艺排版时就应适当布置环缝，以免遇上开孔或其他附件，但这意味着下料、刨坡口、组对、焊接及焊缝无损探伤等一系列工作的增加。3.3 容器直径与椭圆封头生产成本的关系根据标准椭圆封头的毛坯下料经验公式=1.2 Dm+2h，这里Dm为封头中径（平均直径），h为直边高。按该公式可计算得公称直径Dg1 400 mm的封头其平板毛坯圆为1 800 mm左右，因此，Dg1 400 mm的椭圆封头就要拼板制作。如前所述，长为5 400 mm的板材虽然可以制作直径达Dg1700 mm的筒节，但是，如果为了避免配对封头的拼接等一系列生产工作及可能出现的焊接缺陷，宜把圆筒贮罐控制在Dg1 400 mm以下。4 结论石化设备成本与容器的外形尺寸、具体结构、开孔方位及结构材料的材质、规格有关，也与国家有关制造标准、制造单位的工艺技术和管理水平有关。设计可确定容器自重量最小的外形尺寸及固有的主要成本，但在制造时其必须消耗的材料毛坯不一定最少，其耗费的工人劳动也不一定最少，因此其成本不一定最少，壳体排版的合理性是降低成本的关键。采用非金属材料作为容器零部件材料来降低容器成本具有巨大潜力。努力降低石化设备成本，设计时必须以保证容器的可靠性为前提，制造时必须以保证容器的产品质量为前提，处理不合格品时必须以保证零部件的主要功能为前提。参 考 文 献1 王志文编.化工容器设计. 北京：化学工业出版社，1989. 152 陈孙艺. 耐腐蚀管束管板的制造工艺及技术经济. 化工技术经济，2003（5）3 宋小平. 螺旋折流板列管换热器J. 石油化工设备技术，2002，23(1)：184 张克铮，陈世醒，张强. 螺旋折流板换热器的开发与研究()低粘度流体的中试研究J.抚顺石油学院学报，1998，18(3)：36385 陈世醒，张克铮，张强. 螺旋折流板换热器的开发与研究()高粘度流体的中试研究J.抚顺石油学院学报，1998，18(3)：31356 叶斌. 塑料的环境应力开裂. 化工机械，1989，16(5)：3093147 朱庭振，刘铁勇. 压力容器制造单位自行确定加工余量问题的探讨. 锅炉压力容器安全技术，1991（6）8 苏瓦西里也夫等. 压制减薄对椭圆形封头承载能力的影响.王超然译. 锅炉压力容器安全技术，1985（4）Analysis of Factors Affecting the Cost of Petrochemical Static EquipmentChen Sunyi(SINOPEC Maoming Petrochemical Machinery plant, 525024)AbstractThis paper discusses several factors affecting equipment cost from angles of design and manufacture by way of twenty concrete cases relative to chemical equipment accessories.In design not only the form of equipment as a whole and its partial structures, but also the outward dimensions of and material selection for the equipment are concerned. In manufacture, on the other hand, national standards and manufacture technologies as well as quality inspection and project management are involved. Keywords: Chemical static equipment, C