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煤化工压力容器设计应注意的要点

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摘要:压力容器设计人员,在具备一定的设计能力、掌握基本标准规范的同时,还需熟悉设备选材、采购、制造、安装、检维修的过程及要求,以保证设计图纸满足制造及安装要求,准确、完整、无漏项。结合多个煤化工项目压力容器设计的实际案例,讨论设计人员在设计过程中应注意的问题。

关键词:煤化工;设计图纸;压力容器化工

压力容器主要根据工艺专业提供的设备附图和工艺设备参数开展设计,依据设备图纸、规范和合同附件投入制造。压力容器设计在设计前期审查工艺条件是非常重要的一环,工艺条件表及附图根据已知的工艺包确定,设计人员应熟悉压力容器标准规范和标准释义,取得压力容器培训合格证后进行压力容器设计,审核人员应取得设计审批员证。作为静设备设计人员要提高自已水平,除了掌握常用基本标准规范外,还应对最新标准和旧标准进行对照,通读相应标准的释义;了解压力容器采购、制造、安装及吊装的整个过程,以及项目各阶段设备专业的设计内容及深度。知道常规设计和应力分析(包括疲劳分析)设计和制造的区别和联系;熟悉材料的选择及制造标准;对于特殊材料应编制相关材料采购规定及制造技术规定,并充分了解材料制造厂家和压力容器制造厂家的资质和能力;对于专利设备,应组织专利厂商进行技术交流,了解工艺参数、内部结构、选材、壳体计算等数据。设计图纸应符合化工机械制图要求,准确、完整、无漏项,满足强度刚度稳定性、经济性和进度等。

1各设计阶段图纸的内容

近年由于大型煤化工项目的兴起,装置设备向大型化发展,设备体积、直径和高度越来越大,材料及制造厂的机械设备也趋于大型化,材料及制造标准发生相应变化,因此设备图纸的设计内容增加了新内容。国内大型工程公司在开展设计的同时越来越多地承担项目的总体设计和工程总承包,设计内容深入到材料的采购、设备的制造、安装及吊装等,设计较之前考虑的因素更多。建设项目设计周期中设备专业涉及的阶段包括可研报告、基础设计和详细设计阶段,各阶段工作内容应包括:(1)可研报告阶段:设备部分说明,部分重点设备的工程图,图中重点填写设计数据表、设备装配图、节点图、主要受压元件的材料和材料标准、设备总重等。(2)基础设计阶段:所有长周期设备招投标的设备工程图,列出国产和国外、关键设备和大件吊装设备的分交表。(3)详细设计阶段:设备设计图纸应满足可制造、安装和检维修要求,设计应进行强度、刚度和稳定性计算,包括壳体一次薄膜应力计算、开孔补强计算、主要受压元件等计算外,作为需应力分析或疲劳分析容器,还应建模进行应力分析或疲劳分析,立式容器和塔器还应考虑壁厚满足吊装时局部应力不大于相应的材料许用应力;塔设备的安装应考虑设计基础模板设计等;设计图纸时还应考虑涂漆、保温防火问题;大型球罐的设计中,作为总承包单位(负责设计)应确定球罐分瓣的规格和尺寸;在大型储罐的设计中,应确定顶板采用结构型式(如带筋拱顶或网壳)和罐体安装方案,应确定采用变点法还是定点法设计罐体,并进行罐底的局部应力分析,对于可维修性主要审查换热器是否考虑管束可拆装型式;设备的人孔的布置和数量是否满足相关规范要求。对于安全性审查主要是设备检维修安装平台的设置及保护圈等内容[1]。

2具体设计问题案例

2.1疲劳设备设计问题

煤化工装置变压吸附器,在工作时压力处于脉动变化,除了按照应力分析进行设计外,还需进行疲劳分析。对主要受压元件,以及引起设备壳体应力分布发生突变的非受压元件,应建模进行应力分析[2]。由于吸附器在工作时压力处于脉动变化,设计理论和规则设计不同,除在材料、制造和检验都有严格的规定外,其设计结构应尽量避免在筒体上焊接造成应力集中的零部件(如保温圈、补强圈、接管等),在接管和筒体角焊缝处应圆滑过渡,以避免造成局部应力集中。国内某煤化工装置的吸附器投入使用3年后,在筒体的保温圈间隙附近产生了裂纹,经对照JB4732—2005标准,反复仔细分析发现:计算书没有考虑因焊接保温圈在筒体引起的局部薄膜应力、弯曲应力和峰值应力。即应力分析报告模型中没有保温圈,忽略了筒体保温圈处峰值应力的影响,认为保温圈为非受压元件,没有进行建模分析局部应力。原图中保温圈与筒体上部为连续焊,下部为间断焊,且为角焊结构,保温圈与筒体角焊且图纸没有要求圆滑过渡,也没有注圆角半径。从裂纹情况分析,裂纹从保温圈的间隙发生,裂纹位于筒体而不是在焊缝上,根据JB4732标准4.2节,从应力分析的角度,在筒体上焊接保温圈,和在筒体上焊接法兰一样,在筒体保温圈处发生了截面变化,会产生非常大的峰值应力,在压力恒定的工况下,对整体应力作用不明显,但是在周期性的交变应力作用下,在一定的疲劳循环下,结构材料会发生疲劳失效。根据JB4732—2005,重新对保温圈筒体进行建模分析,从应力分析图可知:保温圈间隙处其应力性质应是高应力低循环疲劳,在保温圈间隙处的实际的应力循环数(3882次)小于设计要求的应力循环数(450000次),原设计吸附器使用寿命15年,每年30000次,而实际开车时间到裂纹产生设备已运行3年,故裂纹产生的原因是因为保温圈处应力幅较大,在交变载荷作用下而产生的疲劳裂纹,是设计结构不合理造成的[3]。

2.2细高塔塔顶挠度问题

根据NB/T47041—2014,当塔设备H/D>15、H>30m时,应考虑横风向风振、垂直地震力和高振型的影响,除了在塔顶应设计防扰流装置外,还应在设计技术要求中对塔和裙座连接处的焊缝进行100%超声检测和100%磁粉检测。这是设计时容易忽视的地方。某煤制烯烃施工现场突发大风,烯烃分离装置内异丁烯脱除塔塔身发生较大的摇摆,塔顶部摆动幅度粗略目测在1000mm,另外检查发现塔筒体和裙座的连接焊缝局部有裂纹,为壁免出现设备倾倒事故,和此设备有关的装置停车,对此台设备进行检测维修。异丁烯脱除塔主要技术参数如下:设计压力1.0MPa,设计温度100℃,主体材料Q345R,设备直径为2000mm,切线/总高71970/78770mm,壁厚12/16/24/34mm,裙座锥型,基本风压580N/m2,高径比39.39。异丁烯脱除塔高径比为39.39,H>30m,露天放置的直立设备,受到许多机械载荷的作用。如自重、内压、介质重量、风载荷(尤其为横向风载)、地震载荷(包括垂直地震载荷)等,设计时应考虑这些载荷的共同作用对设备的强度、刚度和稳定性的影响。根据塔晃动情况分析,利用现场经纬仪复测该塔的挠度不满足NB/T47041—2014规范要求,另外,塔的筒体与裙座的连接焊缝局部有裂纹,这应是设计时忽视了细高塔容易产生卡门涡街原理诱发的横向振动现象。经分析,并查阅相关资料,当设备直径为2000mm,设备塔顶的最大允许挠度为78000/200=360mm,而实际运行塔顶挠度为1000mm,很明显塔顶挠度超标,但NB/T47041—2014标准中没有塔顶最大挠度的数值。经审图发现设计图纸没有要求塔的筒体与裙座的连接焊缝进行超声和磁粉检测,设备顶部也没有设置防扰流装置[4]。为避免塔体筒体与裙座连接焊缝处局部应力过大而产生裂纹,工厂领导、原设计单位和项目部讨论决定:对筒体和裙座的连接焊缝进行100%磁粉检测和100%超声检测,检测结果I级合格,对局部已产生裂纹刨掉并重新焊接与检测;对设备塔顶新增加螺旋扰流装置。梯子、平台和外部扰流件都能起到扰乱卡门涡街的作用。在塔器设备上部占塔高1/3的范围内螺旋条破涡器,目前该设备已开车两年多,没有再发生塔顶大幅度晃动。

2.3设计装配图上主材的材料标准和供货状态

在大型煤化工装置中,接触到很多高温、高压设备,设备材料特殊(如15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R等),处于氢腐蚀和硫化氢腐蚀工况。这些材料如超过标准GB713相应材料的化学成份和力学性能等要求,应单独写材料采购技术要求,如没有特殊要求,应注明材料标准GB713—2014,写明材料为抗氢钢。因为非抗氢钢化学成份、J和X系数不一样,其价格也不一样。还应写明材料供货状态(正火+回火),因GB150表2的强度指标是在热处理后获得的[5]。某大型煤直接液化装置的煤直接液化反应器设备的主要参数如下:设计压力21MPa,设计温度460℃,设备直径4.7m,工艺介质为煤和氢气。根据耐尔逊曲线,设备基层壳体材料采用SA336F22V,考虑设备氢气和硫化氢腐蚀,设备内壁堆焊309+347复合层。煤液化反应器为AXEN公司的专利设备,由于其工艺对设备要求较严,对SA336F22V材料的化学成份、冲击功、X、J系数等比ASME相关规范要严,AXEN公司单独编写了材料的技术要求和制造技术要求。某煤制氢装置变换炉设备,设计压力3.9MPa,设计温度485℃,工艺介质为氢气和二氧化碳等,设备尺寸3600mm×9700mm,主材筒体是SA387GR11cl2+321。考虑变换炉处于高温及中压,设备处于氢腐蚀和硫化氢腐蚀工况,材料从欧洲进口,设计单位编写了板材SA387GR11cl2的采购技术要求,相比材料标准由于增加了制造中高温拉伸试验等要求,并要求设备制造完成后设备进行整体热处理,设计单位又编写了设备制造技术规格书,保证了材料和设备制造的质量。

2.4塔设备的一次灌浆、基础模板和防火涂料问题

在设计直立裙式支座设备时,除了考虑强度、刚度和稳定性要求外,还应考虑现场安装。直立设备的地脚螺栓应一次灌浆预埋,为保证塔能顺利安装到位,施工基础时应提前预埋基础模板,故设计塔时应考虑设计塔基础模板图,此模板在制造厂和塔基础环同时加工螺栓孔,以保证现场安装对中定位。某天然气制氢项目施工现场,在检查变换炉设备基础尺寸时,发现此设备土建基础预埋螺栓中心圆和设备螺孔中心圆对不上,土建预埋螺栓中心圆直径比设备裙座螺孔中心圆直径大100mm。调查原因为设计院设备专业没有出基础地脚螺栓模板图,施工单位土建专业测量设备螺孔不准造成。解决方案:此设备为立式裙座设备,设备重35.610t,直径为3642mm,总高不超过10m,即属于矮胖型设备。根据计算风载弯矩小于设备重量产生力矩,现场为六级震区,计算可不考虑地震载荷。由于预埋螺栓中心圆比设备螺栓中心圆略大些,在每一个土建预埋螺栓处重新作一个螺栓座,螺栓座上面支承板略宽些,底部筋板为梯形筋,板厚跟以前一样厚,焊脚高度为0.75倍板厚,焊条为J422(查图裙座为一般结构碳钢),且为连续焊接。根据建筑防火规范,塔设备设计应考虑防火问题,这也是目前有的设计单位设计塔时容易忽视的地方。塔设备设计裙座时应根据直径的大小,选择内外防火涂料,设计时应在裙座内外壁设计固定件,固定防火层材料,防火层材料的耐火极限(1.5~2h),防火层材料施工在设备安装合格后进行。

3图纸设计

主要考虑要素设计时首先应满足工艺提供的附图和工艺参数,进行必要的主要受压元件计算,满足强度、刚度及稳定性要求,填写装配图设计数据表,画上必须的节点图,满足设计相应的规范外,其他在设计过程中容易忽视、错误、漏项,需引起注意的方面总结如下:

(1)大型塔设备大型塔设备(设备直径≥4.4m,设备长度≥70m,重量≥200t)设计应考虑设备分段、现场组对吊装、一次灌浆,塔设备图纸中是否有模板图。大型塔设备是否考虑了设备防火问题(耐火时间1.5~2h)。

(2)疲劳设备疲劳设备应建模并进行应力分析和疲劳分析,A、B类焊缝磨平,建议进行热处理。疲劳设备壳体上是否有产生应力突变的部位(如筒体上焊接保温圈、接管和平台垫板等),应力突变的部位是否建模进行应力分析。

(3)换热设备换热器设备应考虑拆装管束(主要是U型管束及浮头换热器)。U型换热器抽芯是否考虑在管板上设置吊环,管束是否设置轨道便于吊车抽芯。

(4)大件吊装设备对于需大件吊装设备(重量大于100t),是否进行了吊耳计算(包括主吊耳和溜尾吊耳)。是否计算吊耳处筒体的局部应力。

(5)超大型设备对于在现场组焊厂房制造的超大型设备(只能成片运输),应考虑设置设备整体吊装、分段吊装、空中组对焊接等问题,设备基础需考虑盛水工况。如在基础附近进行现场组对,现场地面是否硬化,是否有筒节组对空间。

(6)其他应考虑的问题①选择设备管法兰时,应考虑较高设计温度下材料强度降低,法兰压力等级不够问题。②设备装配图上,应标明主材(锻件、板材和焊材)的材料标准和供货状态。③对于重要材料和设备有高于规范等的特殊要求,设计单位应编制材料采购要求和制造技术规定等。④注意椭圆形封头加工减薄量及最小厚度问题。⑤对于由专业厂家提供的大型储罐网壳及内浮盘外购件的设备图纸,应重点审查。

参考文献

[1][2]JB4732—1995,钢制压力容器——分析设计标准(2005年确认)[S].

[3]谭立平.煤化工吸附器筒体裂纹分析[J].神华科技,2017(1):70-72.NB/T47041—2014,塔式容器[S].

[4]GB150—2011,压力容器[S].

作者:谭立平;尹甜 单位:中国神华煤制油化工有限公司北京工程分公司

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