白建濤，車 達(dá)

（惠生工程（中國）有限公司，上海 201210）

引言

隨著化工行業(yè)的飛速發(fā)展，化工裝置的規(guī)模越來越大，相應(yīng)的設(shè)備規(guī)格尺寸也越來越大。由于運輸限制，這些超高、超寬的大型超限設(shè)備大多采用在設(shè)備制造廠分段或分片制造，到安裝現(xiàn)場組焊，組焊完成后，進(jìn)行現(xiàn)場的無損檢測和耐壓試驗。對于這些大型超限設(shè)備，現(xiàn)場進(jìn)行耐壓試驗方案不同，也會得到不同的壁厚設(shè)計結(jié)果。筆者根據(jù)某項目大型關(guān)鍵設(shè)備——丙烷丙烯分離塔的結(jié)構(gòu)特點，對比了各種耐壓試驗方案優(yōu)缺點，對耐壓試驗方案進(jìn)行了比選。

1 壓力容器耐壓試驗的目的及分類

壓力容器耐壓試驗是壓力容器建造過程中的最終檢驗環(huán)節(jié)，其目的在于全面綜合檢驗產(chǎn)品的整體強度和密封性能，對容器選材、設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)以及制造質(zhì)量進(jìn)行綜合性檢查[1-2]。耐壓試驗是確保壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，是壓力容器驗收的重要依據(jù)。壓力容器通過耐壓試驗過程中的短期超壓，有可能降低局部區(qū)域的峰值應(yīng)力，使應(yīng)力分布更均勻，還可以鈍化裂紋尖端，使裂紋產(chǎn)生閉合效應(yīng)，使壓力容器在正常工作工況下的運行更安全。

耐壓試驗根據(jù)試驗介質(zhì)的不同，分為三類，即液壓試驗、氣壓試驗和氣液組合試驗[3]，液壓試驗根據(jù)設(shè)備的位置狀態(tài)分為臥置液壓試驗和立置液壓試驗。由于液體的可壓縮比非常小，液壓試驗時，一旦設(shè)備發(fā)生液體泄漏，會很快地釋放能量，使得容器的壓力大幅度下降，造成的安全事故相對較小。氣壓試驗的試驗介質(zhì)通常為空氣，空氣的可壓縮性大，氣壓試驗過程中，一旦容器發(fā)生泄漏或爆炸，氣體很快能釋放積聚的能量，產(chǎn)生爆炸沖擊波，造成的破壞極大。考慮到耐壓試驗過程的安全性，耐壓試驗一般優(yōu)先選用液壓試驗。由于基礎(chǔ)承載能力受限等客觀原因不能進(jìn)行液壓試驗，而進(jìn)行氣壓試驗耗時又過長，氣液組合試驗是一種替代耐壓試驗方案。

2 丙烷丙烯分離塔結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)

某項目丙烯丙烷分離塔為立式裙座支撐的塔器，用于分離丙烷和丙烯的精餾塔。丙烯丙烷分離塔結(jié)構(gòu)主要包括筒體、封頭、裙座、塔盤、塔頂?shù)踔?、梯子平臺、人孔及其他接管和法蘭等。該設(shè)備筒體內(nèi)徑為Φ9 600 mm，兩封頭切線間距離為87 500 mm，塔總高為100 255 mm，容積為6 573 m3，塔盤數(shù)量為215 層。設(shè)備筒體、封頭材料及裙座筒體材料采用Q345R 板材。該設(shè)備設(shè)計依據(jù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB/T 150—2011《壓力容器》及NB/T 47041—2014《塔式容器》。

該設(shè)備的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)表

根據(jù)丙烯丙烷分離塔的結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)可以看出，該設(shè)備為低壓、超高、大直徑塔。

3 不同耐壓試驗方案的比選

3.1 臥置液壓試驗方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.3—2011 中式（1）初步計算丙烯丙烷分離塔圓筒的計算厚度：

式中：δ 為圓筒的計算厚度，mm；Pc為計算壓力，考慮到塔釜液位的液柱靜壓力0.015 MPa，計算壓力=設(shè)計壓力+液柱靜壓力=0.95+0.015=0.965 MPa；Di為圓筒內(nèi)直徑，9 600 mm；[σ]t為設(shè)計溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力，184.2 MPa；Φ 為焊接接頭系數(shù)，1.0。

代入數(shù)據(jù)計算得δ=25.21 mm。

考慮到腐蝕裕量和鋼板負(fù)偏差，筒體的開孔補強等，圓筒壁厚可以取32 mm，上下封頭及裙座筒體厚度都取34 mm。按此厚度是利用SW6 計算軟件進(jìn)行初步試算。

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.1—2011 式（5）得出立置液壓試驗壓力為1.17 MPa，考慮到立式容器采用臥置進(jìn)行液壓試驗時，試驗壓力應(yīng)計入立置實驗時的液柱靜壓力[2]，計入液柱靜壓力后的臥置水壓試驗壓力為2.05 MPa。

從試算結(jié)果可以得到，圓筒和封頭的最大許用內(nèi)壓是1.10 MPa，內(nèi)壓校核合格，考慮地震、風(fēng)和偏心載荷的σA1為軸向最大組合拉應(yīng)力及σA2為軸向最大組合應(yīng)力，均計算合格；σA3為液壓試驗時軸向最大組合拉應(yīng)力，σA4為液壓試驗時軸向最大組合壓應(yīng)力，都校核合格。但經(jīng)計算得到，筒體和下封頭連接處截面由液壓試驗引起的周向應(yīng)力為343.75 MPa，而許用值為0.9 倍的屈服極限即為，0.9×325=292.5 MPa，校核結(jié)果不合格。

從試算結(jié)果來看，由于設(shè)備較高，為全面檢測設(shè)備的綜合性能，臥置液壓試驗需要考慮立置液壓試驗液柱靜壓力，導(dǎo)致臥置水壓試壓壓力校大，計算結(jié)果不合格。需要增加設(shè)備壁厚，筒體，封頭和裙座壁厚增加到40 mm，才能計算合格過。此方案設(shè)備殼體凈質(zhì)量約為1 105 t。

3.2 立置液壓試驗方案

如丙烷丙烯分離塔采用立置液壓試驗方案，設(shè)備筒體可以分段選取不同的壁厚，既能滿足設(shè)備安全運行，又可以節(jié)約材料成本。由于SW6 軟件只能考慮校核臥置液壓試驗的周向應(yīng)力σ，如考慮立置水壓試驗，可以采用Pvdesk top 軟件進(jìn)行計算。

塔器的壁厚分段位置還要綜合考慮設(shè)備塔盤接開孔接管的位置，筒體的分段方案為：筒體1～筒體6長度為12 200、12 100、12 000、41 000、6 900、3 200 mm。

經(jīng)計算，最終壁厚設(shè)計方案為：筒體1～筒體6 壁厚為40、38、36、34、60、32 mm，底部封頭壁厚為40 mm，頂部封頭壁厚為32 mm，裙座壁厚為44 mm。該方案設(shè)備殼體凈質(zhì)量約為995 t。

3.3 氣壓試驗方案

如塔器殼體壁厚采用32 mm，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150.1—2011 式（6）得出氣壓試驗壓力為1.05 MPa。采用Pvdesktop 軟件按氣壓試驗方案進(jìn)行計算，壁厚設(shè)計方案為：筒體1～筒體6 壁厚為36、34、32、32、60、32 mm，底部封頭壁厚為36 mm，頂部封頭壁厚為32 mm，裙座壁厚為38mm。該方案設(shè)備殼體凈質(zhì)量約為931 t。

3.4 氣液組合試驗方案

如塔器采用氣液組合方案，其試驗壓力與氣壓試驗相同，為1.05 MPa。氣液組合試驗充水高度按距離下封頭切線20 m 考慮，通過Pvdesk top 軟件計算，壁厚設(shè)計方案為：筒體1～筒體6 壁厚為38、34、32、32、60、32 mm，底部封頭壁厚為38 mm，頂部封頭壁厚為32 mm，裙座壁厚為38 mm。該方案設(shè)備殼體凈質(zhì)量約為935 t。

4 結(jié)論

綜合考慮丙烯丙烷分離塔的耐壓試驗方案的優(yōu)缺點，得出氣壓試驗方案設(shè)備殼體凈質(zhì)量最小，設(shè)備成本最低，但安全性最差；臥置液壓試驗方案設(shè)備殼體凈質(zhì)量最大，設(shè)備成本最高，相對來說最安全。氣液組合試驗是一個折中的方案。

但大型設(shè)備現(xiàn)場耐壓方案應(yīng)綜合考慮安全性、基礎(chǔ)承載能力、設(shè)備特點（如結(jié)構(gòu)原因不能將殘液排凈，容器又不允許殘液存在）、現(xiàn)場取水或排水的條件、現(xiàn)場氣源、經(jīng)濟(jì)性、吊裝和運輸?shù)染C合情況。大型設(shè)備耐壓試驗方案如采用液壓試驗，對基礎(chǔ)承載能力要求高，用水量巨大，進(jìn)水和排水時間長，需要找尋排水地點。大型設(shè)備耐壓試驗方案如采用氣壓試驗，由于其體積巨大，一旦試驗失敗，產(chǎn)生的危害性極大，需要氣壓試驗單位的安全管理部門制定應(yīng)急預(yù)案[1]，試驗時撤走無關(guān)人員，并派人現(xiàn)場監(jiān)督試驗過程。氣液組合試驗充分發(fā)揮了各方案的優(yōu)點，對該設(shè)備來說，是一個較好的耐壓試驗方案。

丙烯丙烷塔的耐壓試驗方案經(jīng)充分技術(shù)交流后，最終選用的氣液組合試驗方案，目前該設(shè)備運行良好。