紀(jì)民舉 金 偉 許慧萍

（上?；ぱ芯吭?

在化工、石油、冶金、電力及其他行業(yè)中，常產(chǎn)生含塵氣體。由于工藝上的要求，或回收能量、達(dá)標(biāo)排放的要求，都需要對這些含塵氣體進(jìn)行除塵凈化。一些含塵氣體在不同的工藝條件下具有一定的壓力、溫度和腐蝕性等特點(diǎn)，因此相應(yīng)的除塵凈化設(shè)備往往需要按照壓力容器標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計[1-3]。

壓力容器是石油、化工、冶金、電力、能源等部門廣泛應(yīng)用的承壓設(shè)備，多數(shù)壓力容器的操作工況和使用介質(zhì)常具有高溫、高壓、易燃、易腐蝕和有毒等特點(diǎn)，與人的安全息息相關(guān)[4]。壓力容器的設(shè)計專業(yè)性很強(qiáng)，要求設(shè)計人員必須全面正確地理解有關(guān)現(xiàn)行國家法令、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，從而達(dá)到正確合理地運(yùn)用。

本文就壓力容器技術(shù)在除塵凈化設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了討論，特別是就壓力容器設(shè)計過程中的重要問題——強(qiáng)度校核、高溫磨損工況、最高允許工作壓力的確定、腐蝕裕量的選取等進(jìn)行了研究，以便在工程設(shè)計時合理選擇壓力容器的結(jié)構(gòu)尺寸，使設(shè)備既滿足生產(chǎn)工藝的要求，安全可靠地運(yùn)行，同時也使設(shè)備設(shè)計得經(jīng)濟(jì)合理，降低制造成本和運(yùn)行成本。

1 壓力容器強(qiáng)度計算

這里所講的壓力容器強(qiáng)度計算，主要是指壓力容器承受載荷所需的壁厚δ和設(shè)備開孔所需的開孔補(bǔ)強(qiáng)面積A等的計算。

設(shè)計溫度下圓筒的計算厚度：

凸形封頭的計算厚度：

式中 δ、δh——圓筒、凸形封頭的計算厚度，mm；

pc——計算壓力，MPa；

Di——筒體 （凸形封頭）的內(nèi)徑，mm；

［σ］t——設(shè)計溫度下圓筒或封頭材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)。

由上述公式計算得到的厚度稱為計算厚度，設(shè)計時還必須考慮腐蝕余量。計算厚度與腐蝕裕量之和為設(shè)計厚度。由于鋼材有厚度負(fù)偏差，且鋼材是按一定規(guī)格厚度生產(chǎn)的，所以設(shè)計厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后應(yīng)向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度 （稱為名義厚度），這也就是設(shè)備的加工厚度。

開孔補(bǔ)強(qiáng)所需的補(bǔ)強(qiáng)面積通常采用等面積法計算。等面積法就是補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積應(yīng)大于或等于開孔所削弱的面積。所需的補(bǔ)強(qiáng)面積計算公式為：

式中A——開孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；

d——接管中面直徑，mm；

δ1——開孔處的計算厚度，mm；

δet——接管有效厚度，mm；

fr——強(qiáng)度削弱系數(shù)。

對于壓力容器設(shè)備的壁厚，開孔補(bǔ)強(qiáng)必須滿足工藝載荷的要求，保證設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。同時，壓力容器主要結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計要經(jīng)濟(jì)合理。合理地選擇壓力容器的結(jié)構(gòu)尺寸 （如設(shè)備的內(nèi)徑、壁厚等），可降低殼體的質(zhì)量，從而達(dá)到降低設(shè)備造價的目的。

2 高溫磨損工況下壓力容器的設(shè)計

在石油、化工、電力、能源等領(lǐng)域，許多工藝條件中都有高溫甚至有大顆粒高速磨損的工況[5]。所謂高溫，通常是指壁溫超過容器材料的蠕變起始溫度。在高溫下壓力容器材料因蠕變會產(chǎn)生形狀和尺寸的緩慢變化。材料在高溫的作用下，其持久強(qiáng)度較短時抗拉強(qiáng)度低得多。此外，容器內(nèi)部的介質(zhì)對材料的腐蝕作用（例如氧化）也會因高溫而加劇。

因此，在設(shè)計時要根據(jù)工藝參數(shù) （包括介質(zhì)成分的物性等）來確定設(shè)計參數(shù)，合理正確地選擇材料，然后對容器進(jìn)行強(qiáng)度校核計算和應(yīng)力分析。高溫壓力容器的應(yīng)力分析比較復(fù)雜，求理論解相當(dāng)困難，在實(shí)際的工程應(yīng)用中一般采用有限元法進(jìn)行分析。壓力容器在使用期間一般允許其形狀和尺寸有一定的變化容限，因此選擇材料的主要依據(jù)是高溫持久強(qiáng)度和耐腐蝕性。當(dāng)然，在工藝上要采取必要的防護(hù)措施，如在設(shè)備內(nèi)壁澆鑄隔熱保溫層和防腐耐磨層襯里等，以確保設(shè)備在高溫、磨損、腐蝕等惡劣工況下長期安全可靠運(yùn)行。

3 最高允許工作壓力的確定

除塵凈化設(shè)備用壓力容器在工程中，為保證設(shè)備在操作狀態(tài)下安全可靠地運(yùn)行，特別是在較高壓力的工況下，設(shè)備上一般應(yīng)裝設(shè)超壓泄放裝置 （安全閥或者爆破片裝置）。裝設(shè)有安全閥或者爆破片等超壓泄放裝置的壓力容器，如果設(shè)計時提出氣密性試驗(yàn)要求，則應(yīng)當(dāng)給出該壓力容器的最高允許工作壓力。在實(shí)際的容器設(shè)計中，有些設(shè)計者往往會把容器的最高允許工作壓力和設(shè)計壓力搞混。那么設(shè)計中如何確定最高允許工作壓力，這是一個很重要的問題。

最高允許工作壓力是指在相應(yīng)溫度下，容器頂部所允許承受的最大壓力。該壓力是根據(jù)容器各受壓元件的有效厚度，考慮了該元件承受的所有載荷而計算得到的，且取最小值。最高允許工作壓力不同于最高工作壓力，最高允許工作壓力是根據(jù)有效壁厚反推得到的容器允許承受的最大壓力值，一般超過設(shè)計壓力，但是最高工作壓力不允許超過設(shè)計壓力。在確定容器的最高允許工作壓力時，應(yīng)考慮到容器中包含的所有受壓元件的設(shè)計條件和結(jié)構(gòu)尺寸，原則上依據(jù)各受壓元件的有效厚度計算得到。

容器的最高允許工作壓力可按下式確定：

式中 P1、P2、P3、P4等分別為容器圓筒、封頭、法蘭、開孔補(bǔ)強(qiáng)等受壓元件，依據(jù)各自的設(shè)計條件、結(jié)構(gòu)尺寸計算所得的相應(yīng)于該元件的最高允許工作壓力。

4 腐蝕裕量的確定

容器殼體壁厚的腐蝕裕量，嚴(yán)格地說，應(yīng)由材料的腐蝕速度及設(shè)備的使用壽命來決定。但對多數(shù)的工藝過程來說，一般都難以給出材料確切的腐蝕速度，而是由設(shè)備設(shè)計人員籠統(tǒng)地給出腐蝕裕量，這樣對設(shè)備的成本及安全都有很大的誤差。在實(shí)際的工程設(shè)計中，除工藝系統(tǒng)專業(yè)或工程設(shè)計文件中另有規(guī)定外，建議參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定腐蝕速度，并以此來確定容器的腐蝕裕量。表1所示為石油化工設(shè)備常用的腐蝕裕量。

表1 石油化工設(shè)備的腐蝕裕量

對于接管的腐蝕裕量，建議取與筒體的腐蝕裕量相同。對于小直徑或薄壁接管，則應(yīng)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)措施，如改用厚壁管等。

5 除塵凈化設(shè)備工程應(yīng)用實(shí)例

5.1 HGSD型天然氣預(yù)處理裝置的設(shè)計

下面以 “西氣東輸”工程中某油氣田采氣凈化廠采用的天然氣除塵凈化裝置為例，論述除塵凈化設(shè)備用壓力容器的有關(guān)設(shè)計問題。該設(shè)備為上?；ぱ芯吭涸O(shè)計的HGSD型天然氣凈化預(yù)處理裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HGSD型天然氣除塵凈化裝置結(jié)構(gòu)

相關(guān)的工藝條件：氣體介質(zhì)為已脫硫天然氣，易燃易爆，氣體密度0.6982 kg/m3，處理氣量10.0萬Nm3/h，操作壓力1.0～1.45 MPa，操作溫度-15～50℃，進(jìn)口粉塵粒度分布如表2所示。

表2 進(jìn)口粉塵粒度分布

根據(jù)工藝條件確定設(shè)計參數(shù)，設(shè)計壓力為1.6 MPa，設(shè)計溫度為-15～50℃，設(shè)備材料采用低合金鋼Q345R，焊接接頭系數(shù)為1。從表2可以看出，粉塵粒度大于10 μm的顆粒約占61.5%?？紤]到磨損腐蝕程度為輕微腐蝕，取腐蝕裕量為2 mm。設(shè)備上封頭開設(shè)大開孔，為公稱尺寸DN450的人孔，開孔補(bǔ)強(qiáng)采用厚壁管鍛件 (?500×25)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。設(shè)備裝設(shè)有安全閥，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時應(yīng)給出設(shè)備最高允許工作壓力，因此要對容器圓筒、封頭、法蘭、開孔補(bǔ)強(qiáng)等受壓元件計算最高允許工作壓力。也就是說，要依據(jù)各受壓元件的設(shè)計條件和結(jié)構(gòu)尺寸計算其相應(yīng)的最高允許工作壓力，取其中的最小值作為該設(shè)備的最高允許工作壓力。

設(shè)計參數(shù)確定以后，代入前面所述的計算公式，即可對設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校核計算，直至滿足壓力容器的設(shè)計要求。在滿足工藝要求的條件下，設(shè)備不同內(nèi)徑時各重要參數(shù)的計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同內(nèi)徑時設(shè)備參數(shù)的計算結(jié)果

從表3可以看出，設(shè)備在不同內(nèi)徑尺寸條件下，選取的設(shè)計參數(shù)均達(dá)到了壓力容器的設(shè)計要求。但設(shè)備的設(shè)計在滿足工藝的條件 （處理介質(zhì)氣量）下，還應(yīng)盡可能做到經(jīng)濟(jì)合理。表3中對符合設(shè)計要求的三種規(guī)格的設(shè)備進(jìn)行了比較分析，內(nèi)徑1800 mm設(shè)備考慮工藝條件的裕量系數(shù)較大，滿足了工藝要求，但設(shè)備的制造成本較大；內(nèi)徑1400 mm設(shè)備盡管大幅度降低了制造成本，但對工藝條件參數(shù)要求很嚴(yán)苛，裕量系數(shù)太小，很難滿足實(shí)際的使用要求；而內(nèi)徑1600 mm設(shè)備能很好地兼顧工藝條件和設(shè)備成本的要求，最為經(jīng)濟(jì)合理。因此，經(jīng)比較最終將1600 mm設(shè)備確定為設(shè)計的最佳方案進(jìn)行了設(shè)計、制造和檢驗(yàn)。目前該設(shè)備已經(jīng)投運(yùn)三年多，從實(shí)際運(yùn)行情況看，運(yùn)行安全可靠，滿足工藝除塵凈化要求，效果良好。

5.2 旋風(fēng)分離器的設(shè)計

以山西某煤化工項(xiàng)目中的旋風(fēng)分離器設(shè)計為例。該項(xiàng)目以煤為原料，在氣化爐中原料與氧氣、水蒸氣進(jìn)行高溫氣化反應(yīng)，產(chǎn)生含有氫氣、一氧化碳等的原料氣，供后續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品合成。除塵凈化設(shè)備旋風(fēng)分離器負(fù)責(zé)將氣化爐出口煤氣中細(xì)小的煤粉顆粒分離出來，并通過返料輔助系統(tǒng)將煤粉顆粒返送回氣化爐內(nèi)進(jìn)行二次反應(yīng)，以提高氣化爐的工作效率，提高C轉(zhuǎn)化率。因此，旋風(fēng)分離器的正常工作，對氣化爐的高效運(yùn)行非常關(guān)鍵。

根據(jù)氣化爐反應(yīng)器的工況，旋風(fēng)分離器工作環(huán)境具有高溫、帶壓、沖刷、腐蝕等特點(diǎn)[5-6]，其入口粉塵含量受原料帶粉、原料粒度、固定C、氣化爐的反應(yīng)強(qiáng)度、壓力、溫度等多種因素的影響。因此，旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，要與耐溫、耐沖刷和耐溫度升降的要求相適應(yīng)。我們采用了具有耐溫耐壓耐磨隔熱襯里的高效旋風(fēng)分離器對氣化爐反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)行除塵凈化，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高溫帶壓耐磨隔熱襯里旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)

相關(guān)工藝參數(shù)：固體顆粒為煤粉，粒徑在0～8 mm之間，經(jīng)氣化爐反應(yīng)后排出粗煤氣，煤氣流量40000 Nm3/h，中間夾帶未反應(yīng)完全的粉煤灰 （粒徑經(jīng)測約為150 μm）以及較大顆粒的原料粉煤?；旌蠚怏w進(jìn)入到一級旋風(fēng)分離器時其溫度約為850℃，工作壓力為0.6 MPa。

根據(jù)工藝條件，高溫 （約為850℃）、腐蝕性（含有硫化氫）混合氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器時其平均氣流速度為16～18 m/s?？紤]到這樣的惡劣條件，旋風(fēng)分離器內(nèi)表面采用了一定厚度的隔熱耐磨材料,并保持內(nèi)表面平整光滑。取設(shè)備的設(shè)計溫度為350℃ （壁溫），設(shè)計壓力為1.0 MPa。經(jīng)過工藝傳熱校核計算，這樣厚度的隔熱耐磨層可以滿足設(shè)計條件的要求。

由于旋風(fēng)分離器特殊的進(jìn)口形狀，不宜直接按照壓力容器規(guī)范中常用的方法來設(shè)計，而是采用了有限元分析設(shè)計的方法[7]，這里不再具體詳述。而對旋風(fēng)分離器的筒體、錐體、灰斗結(jié)構(gòu)等仍可按照常規(guī)壓力容器規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度校核計算。

在設(shè)計中對一些重要的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計算、選取。由于煤粉顆粒度較大，氣流速度高，而且含有硫化氫，考慮了其磨損腐蝕程度，取腐蝕裕量為3 mm。設(shè)備材料受壓元件采用Q345R(正火)板材，確保材質(zhì)碳當(dāng)量CE≤0.45%，焊接接頭系數(shù)為1。設(shè)備上沒有開孔，不考慮補(bǔ)強(qiáng)計算。設(shè)備本體不裝設(shè)安全閥，故設(shè)計時可不給出設(shè)備最高允許工作壓力。設(shè)備按350℃ （壁溫）進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計，操作中應(yīng)隨時監(jiān)測壁溫。設(shè)備外表面涂耐高溫 (350℃)變色漆，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部襯里損壞引起局部殼體超溫現(xiàn)象，應(yīng)立即采取降溫或停止操作的有效措施，以保證設(shè)備的安全。

特別需要指出的是，由于旋風(fēng)分離器的出口管位置的特殊性，出口管的高溫氣流速度很高，若采用耐磨襯里則很容易被沖刷掉，并造成循環(huán)系統(tǒng)的堵塞。因此，出口管材料宜采用耐磨耐高溫的高合金鋼材料。我們采用了抗腐蝕和耐磨性能優(yōu)良、富含鉻鎳的特種高合金鋼進(jìn)口材料，該材料可承受800℃以上的高溫，使用效果良好。

確定設(shè)計參數(shù)后，代入前述的計算公式，即可對設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校核計算，直至滿足壓力容器的設(shè)計要求。設(shè)備的重要參數(shù)的計算結(jié)果如表4所示。

表4 設(shè)備參數(shù)的計算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計要求，該設(shè)備應(yīng)在正確的操作狀態(tài)下運(yùn)行，嚴(yán)格按照規(guī)定的操作程序進(jìn)行開車停車，以保證設(shè)備的耐受性。設(shè)備投入運(yùn)行后，從實(shí)際測得的結(jié)果來看，設(shè)備運(yùn)行壓力為0.4～0.6 MPa，設(shè)備壁溫為150～200℃，均小于設(shè)計參數(shù)值，符合設(shè)計要求，因而保證了設(shè)備的正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語

本文介紹了壓力容器技術(shù)在除塵凈化設(shè)備中的應(yīng)用。除塵凈化設(shè)備在壓力容器中占的比重越來越大，這就要求設(shè)計者要嚴(yán)格按照壓力容器的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。本文從實(shí)際工程設(shè)計中遇到的一些典型問題入手，并以應(yīng)用實(shí)例來具體論述壓力容器技術(shù)在除塵凈化設(shè)備中的應(yīng)用，如何解決一些實(shí)際的工程技術(shù)問題。在進(jìn)行除塵凈化設(shè)備設(shè)計時，既要考慮設(shè)備的經(jīng)濟(jì)合理性，也要考慮設(shè)備的安全可靠性。

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