賴寒（林德工程（杭州）有限公司，浙江杭州 310013）

一個(gè)易被忽視的對(duì)高壓氣罐選材的影響因素

賴寒（林德工程（杭州）有限公司，浙江杭州 310013）

本文介紹了空分裝置中高壓氣體緩沖罐的功能及選材時(shí)的易被忽略的因素?？紤]到高壓氣罐在極短時(shí)間內(nèi)需將大量的高壓氣體經(jīng)閥門節(jié)流后送入產(chǎn)品管網(wǎng)，滿足下游供應(yīng)商對(duì)于管網(wǎng)壓力波動(dòng)的要求，短時(shí)間內(nèi)的快速釋壓，導(dǎo)致氣體溫度急劇降低，形成高壓低溫環(huán)境，普通常溫材料無法滿足其低溫要求，這是在材料選擇時(shí)容易被忽視的一個(gè)重要因素。工程設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮周全，謹(jǐn)慎選材，以避免安全事故的發(fā)生。

空分裝置；高壓氣罐；絕熱膨脹；低溫材料；材料選擇

1 高壓緩沖系統(tǒng)的功能介紹

由于在煤化工行業(yè)，空分裝置屬于公用工程，通常要求在一套空分停車時(shí)，管網(wǎng)壓力波動(dòng)較小，以確保管網(wǎng)供氣的穩(wěn)定性。由于常規(guī)后備系統(tǒng)中的液體泵、汽化器長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，當(dāng)需要啟動(dòng)時(shí)，還需等待一段時(shí)間，后備系統(tǒng)才會(huì)響應(yīng)滿負(fù)荷的需求，這就要求后備系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)配置快速響應(yīng)系統(tǒng)，通常采用的是高壓氣體緩沖系統(tǒng)，如圖1后備系統(tǒng)方案所示。

圖1 后備系統(tǒng)方案

主要工藝描述：

1.1 常規(guī)后備系統(tǒng)

僅配置高壓離心泵、水浴式汽化器以及相應(yīng)的閥門、儀表系統(tǒng)。

當(dāng)一套空分停車后，后備系統(tǒng)應(yīng)立即自動(dòng)啟動(dòng)。處于冷備的離心泵應(yīng)進(jìn)行加載至滿負(fù)荷，然后液體通過水浴式汽化器，變成符合產(chǎn)品要求的氣體，送入總管。由于整個(gè)后備系統(tǒng)從響應(yīng)到滿負(fù)荷需要一定的時(shí)間，會(huì)造成管網(wǎng)壓力持續(xù)降低，甚至可能低于下游裝置的設(shè)定值，引起跳車等危害。

1.2 快速響應(yīng)系統(tǒng)

除了（1）中的配置外，額外增加一套高壓緩沖系統(tǒng)，包括超高壓活塞泵、空浴式汽化器、高壓緩沖罐以及相應(yīng)的閥門、儀表系統(tǒng)。

為了彌補(bǔ)常規(guī)后備系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間帶來的管網(wǎng)壓力波動(dòng)，快速響應(yīng)系統(tǒng)在一套空分停車后快速動(dòng)作。高壓緩沖罐的閥門自動(dòng)打開，高壓氣體在極短時(shí)間內(nèi)被節(jié)流至管網(wǎng)壓力，維持壓力波動(dòng)在較小的范圍內(nèi)，滿足工藝要求。

由于對(duì)高壓氣體罐有快速釋壓的要求，這就對(duì)其選材提出了嚴(yán)格要求。

2 高壓氣體罐材料選擇

氣罐材料的選擇主要以工作壓力、工作溫度為依據(jù)。

2.1 工作壓力

工作壓力的高低，決定了緩沖罐體積的大小。工作壓力高，體積小；工作壓力低，體積大。同時(shí)材料壁厚也不同，最終應(yīng)經(jīng)過經(jīng)濟(jì)性比較，選取一個(gè)合適的工作壓力。

2.2 工作溫度

工作溫度對(duì)于材料的選擇更為關(guān)鍵。尤其是北方的冬季，環(huán)境溫度比較低，甚至低于材料的許用溫度。在設(shè)計(jì)選材時(shí)應(yīng)考慮各種溫度工況，進(jìn)行細(xì)致的比較研究，選擇可靠性、可行性高的低溫材料。以某一實(shí)際項(xiàng)目中的緩沖罐為例。

當(dāng)?shù)卮髿鈼l件以及緩沖罐的工作參數(shù)如表1所示：

表1 靜置緩沖罐工作壓力及大氣條件

2.2.1 常規(guī)選材：從表1可以看出，靜置緩沖罐處于的環(huán)境溫度在-10-40之間，如果工程設(shè)計(jì)按照此溫度區(qū)間設(shè)計(jì)、選材，常溫材料即可滿足要求，即Q345R，許用溫度為≥-20℃。但是此時(shí)并沒有考慮到可能存在的低溫環(huán)境，這個(gè)因素也是最容易被忽視的。

2.2.2 低溫材料：高壓氣體在一瞬間釋放壓力，由于泄壓非?？?，可以近似的認(rèn)為此過程為絕熱膨脹。從熱力學(xué)可知，壓力降低，氣體體積膨脹，本身溫度急劇降低。在設(shè)計(jì)時(shí)選取了幾個(gè)靜置起始溫度點(diǎn)，經(jīng)泄壓計(jì)算得到表2的膨脹后氣體溫度。

表2 緩沖罐動(dòng)態(tài)工作參數(shù)

3 低溫材料選擇

由于緩沖罐長(zhǎng)期處于靜置狀態(tài)，罐內(nèi)外溫度一致。從表2可以看出，當(dāng)氣體快速釋壓至6.0MpaG后，釋壓完后氣溫降為-32度，甚至低至-57度。常規(guī)材料不能滿足其低溫要求，否則會(huì)出現(xiàn)罐體脆性破例，出現(xiàn)漏氣、爆炸等嚴(yán)重危害。按照GB150-2011標(biāo)準(zhǔn)，16MnDR可以用于≥-40℃，09MnNIDR可以用于≥-70℃的低溫環(huán)境。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮大氣溫度和釋壓后可能出現(xiàn)的最低溫度進(jìn)行合理的材料選擇。

4 接管及管道材料

由于氣體溫度較低，還應(yīng)注意罐體接管及下游管道材料的選擇。

5 結(jié)語

高壓氣體罐是維持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定、生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障措施，在設(shè)計(jì)、選材上應(yīng)考慮周全，不但要考慮靜態(tài)情況下的設(shè)計(jì)運(yùn)行條件，更應(yīng)該從動(dòng)態(tài)運(yùn)行的各種極端工況下加以考慮設(shè)計(jì)；不但要保證功能上的穩(wěn)定性，更要從材料的可靠性上面面俱到，從而保證裝置的安全可靠性。