淺談兩腔壓力容器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

楊林　曹鳳玲

摘 要：壓力容器中有很多兩腔壓力容器，典型的有換熱容器和夾套容器。換熱容器有殼程和管程兩個(gè)腔，夾套容器有內(nèi)筒和夾套兩個(gè)腔。由于兩腔的工作壓力、工作溫度、介質(zhì)和容積等不同，而且兩腔又組合在一起形成一個(gè)有機(jī)的整體，所以，對(duì)此類容器類別的劃分、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、腐蝕裕量的取法，水壓試驗(yàn)壓力的確定，制造規(guī)范的選擇與單腔壓力容器不盡相同。

關(guān)鍵詞：壓力容器；兩腔；設(shè)計(jì)；參數(shù)

一、兩腔壓力容器的類別劃分：

兩腔壓力容器類別的劃分，首先按TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第1.3條的要求，必須同時(shí)具備三個(gè)條件，才需按容規(guī)監(jiān)檢。按各腔的工作壓力、內(nèi)直徑、容積和介質(zhì)分別確定各腔是否需要?jiǎng)濐?。其中的工作壓力是指正常工作情況下，壓力容器各腔頂部可能出現(xiàn)的最高壓力，而不是其他部位元件的工作壓力。先按各腔的條件確定其類別，再按類別高的腔作為該容器的類別。劃分兩腔壓力容器類別時(shí)要注意：

1.按工作壓力來判斷是否屬容規(guī)監(jiān)管，然后按設(shè)計(jì)壓力劃類；

2.不應(yīng)把兩腔的設(shè)計(jì)條件匹配劃類；

3.用作判別容器類別的容積是指該壓力容器腔的幾何容積，即由設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注的尺寸計(jì)算，不考慮制造公差并予圓整，一般需要扣除永久連接在壓力容器內(nèi)部的內(nèi)件的體積。例如，管殼式換熱器的管程容積要包含各換熱管內(nèi)徑所占據(jù)的空間，而其殼程容積需扣除換熱管管束所占據(jù)的體積；

4.多種介質(zhì)混合存在時(shí)，應(yīng)以危害性最大的組份確定介質(zhì)的特性。

二、兩腔壓力容器的設(shè)計(jì)壓力和各受壓元件的計(jì)算壓力：

分別按兩腔各自的工作壓力確定其設(shè)計(jì)壓力，再按各自的設(shè)計(jì)壓力，并考慮各種工況的影響，確定各受壓元件計(jì)算壓力。

1.換熱容器：殼程設(shè)計(jì)壓力按殼程的工作壓力確定；管程設(shè)計(jì)壓力按管程的工作壓力確定。殼程的圓筒計(jì)算壓力取殼程設(shè)計(jì)壓力。管程的管箱圓筒、管箱封頭計(jì)算壓力取管程設(shè)計(jì)壓力。兩側(cè)受壓的元件，如管板，計(jì)算壓力的確定要考慮各種工況。正常操作工況，開、停車工況及水壓試驗(yàn)工況。若能保證殼程壓力和管程壓力在任柯情況下都能同時(shí)作用，可用管、殼程的設(shè)計(jì)壓差作為管板的計(jì)算壓力。還應(yīng)考慮在水壓試驗(yàn)過程中可能出現(xiàn)的最大壓差；若不能保證同時(shí)作用，則不能用設(shè)計(jì)壓差作為計(jì)算壓力；若管、殼程設(shè)計(jì)壓力之一為負(fù)壓時(shí)，應(yīng)按壓差的絕對(duì)值之和作為計(jì)算壓力。

2.夾套容器：內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力按內(nèi)筒工作壓力確定，夾套設(shè)計(jì)壓力按夾套工作壓力確定。夾套圓筒的計(jì)算壓力通常就是夾套腔的設(shè)計(jì)壓力，并且還應(yīng)考慮其液柱靜壓力，這一點(diǎn)容易被忽視。

三、兩腔壓力容器的設(shè)計(jì)溫度：

1.換熱器：換熱器應(yīng)分別列出管、殼程的工作溫度和設(shè)計(jì)溫度。由于化工工藝的需要，換熱器涉及管、殼程進(jìn)、出口介質(zhì)4個(gè)溫度。這4個(gè)溫度是確定管、殼程設(shè)計(jì)溫度和各受壓元件設(shè)計(jì)溫度的依據(jù)。換熱器管程設(shè)計(jì)溫度指管箱圓筒和管箱封頭及換熱管的設(shè)計(jì)溫度。對(duì)于介質(zhì)溫度高于0℃者，常用管程進(jìn)、出口介質(zhì)溫度中的較大值作為設(shè)計(jì)溫度；對(duì)于介質(zhì)溫度低于0℃者，取管程進(jìn)、出口介質(zhì)溫度中的較小值。換熱器殼程設(shè)計(jì)溫度指殼程筒體的設(shè)計(jì)溫度。它根據(jù)殼程筒體的金屬溫度確定，對(duì)于溫度高于0℃者，其值不得低于金屬可能達(dá)到的最高溫度；對(duì)于低于O℃者，其值不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低金屬溫度。管板的設(shè)計(jì)溫度，因?yàn)樯婕皻?、管程進(jìn)、出口介質(zhì)的4個(gè)溫度，常按溫度較惡劣一側(cè)介質(zhì)溫度來確定。在計(jì)算換熱器熱應(yīng)力時(shí)，需確定沿殼程圓筒長(zhǎng)度平均的金屬溫度和沿?fù)Q熱管長(zhǎng)度平均的金屬溫度。這兩個(gè)溫度的確定，涉及介質(zhì)溫度、容器的環(huán)境溫度、保溫情況、介質(zhì)的物性參數(shù)，介質(zhì)的流動(dòng)情況等諸多因素。

2.夾套容器：夾套設(shè)計(jì)溫度指夾套圓筒的設(shè)計(jì)溫度，其值不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高度；對(duì)于0℃以下的情況，不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。在工程上，常用夾套進(jìn)、出口介質(zhì)溫度中的較大值作為夾套圓筒的設(shè)計(jì)溫度；對(duì)于介質(zhì)溫度低于0℃以下的情況，取夾套進(jìn)、出口介質(zhì)溫度中的較小值。內(nèi)筒設(shè)計(jì)溫度，指被夾套所包圍的筒體的設(shè)計(jì)溫度?？紤]到開、 停車工況，以?shī)A套和內(nèi)筒進(jìn)、出口介質(zhì)溫度中的較大值作為內(nèi)筒體的設(shè)計(jì)溫度；對(duì)于上述4個(gè)介質(zhì)溫度中有低于0℃者，取最小值。

四、兩腔壓力容的腐蝕裕量：

一側(cè)接觸介質(zhì)的受壓元件，如換熱器的殼程圓筒、管箱圓筒、管箱封頭，夾套容器的夾套圓筒、夾套封頭等，其腐蝕裕量與單腔壓力容器取法一樣。兩側(cè)接觸介質(zhì)的受壓元件，如，換熱器的管板，被夾套包圍的圓筒，封頭等，應(yīng)根據(jù)兩側(cè)不同的介質(zhì)選取不同的腐蝕裕量，兩者疊加作為總的腐蝕裕量。

對(duì)換熱管這個(gè)兩側(cè)接觸介質(zhì)的受壓元件，不考慮其腐蝕裕量，否則會(huì)影響傳熱效果，只能通過選擇換熱管材質(zhì)來解決其腐蝕問題。

五、兩腔壓力容的水壓試驗(yàn)壓力：

1.換熱容器：一般情況下，管、殼程可按各自的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料分別確定水壓試獫壓力。而對(duì)于固定管板換熱器殼程設(shè)計(jì)壓力低于管程設(shè)計(jì)壓力時(shí)，為了檢査換熱管與 管板連接接頭的質(zhì)量，有可能碰到下列4種情況。

①管程和殼程均是正壓，且殼程試驗(yàn)壓力比管程試驗(yàn)壓力高時(shí)，根據(jù)單腔壓力容器水壓試驗(yàn)壓力確定的原則，按各自的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、材料分別確定殼、管程水壓試驗(yàn)壓力。

②管程是和殼程均是正壓，且殼程試驗(yàn)壓力比管程試驗(yàn)壓力低時(shí)，將殼程試驗(yàn)壓力提高到管程水壓試驗(yàn)壓力值的水平。采用此法時(shí)，許多設(shè)計(jì)人員也注意到了當(dāng)殼程試驗(yàn)壓力提高后，要對(duì)殼程圓筒在水壓試驗(yàn)情況下的周向應(yīng)力進(jìn)行校核，但對(duì)其他受壓元件的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等問題卻往往忽視。如殼程管法蘭的壓力等級(jí)選擇是否恰當(dāng)，管板強(qiáng)度是否足夠，殼程開孔補(bǔ)強(qiáng)是否滿足要求以及殼程圓筒與管板連接的結(jié)構(gòu)是否合適等。有時(shí)這些問題很可能會(huì)成為安全隱患，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該給予足夠的重視，下面分別討論。

a.管法蘭的壓力等級(jí)問題。殼程水莊試驗(yàn)壓力提高后，尤其是當(dāng)該壓力提高得較大時(shí)，如果殼程管法蘭的壓力等級(jí)扔按殼程正常操作工況時(shí)選取，在試壓時(shí)，管法蘭的受力情況比正常操作工況時(shí)惡劣，故有可能對(duì)今后正常操作造成不利彰響。為了確保安全使用，應(yīng)根據(jù)HG /T20592-2009《鋼制管法蘭技術(shù)條件》的要求選擇壓力等級(jí)。

b.水壓試驗(yàn)時(shí)管板的強(qiáng)度問題。GB/T150—2011僅規(guī)定了壓力試驗(yàn)時(shí)，要校核圓筒的周向應(yīng)力，對(duì)于其他受壓元件，諸如法蘭和管板等，并未提出要求，按正常情況確定的壓力試驗(yàn)值試壓，這些受壓元件是安全可靠的。但是，此時(shí)的殼程試驗(yàn)壓力提高到了管程試驗(yàn)壓力的水平，為了確保安全可靠，對(duì)管板還應(yīng)進(jìn)行校核。校核時(shí)，以管程設(shè)計(jì)壓力作為殼程設(shè)計(jì)壓力，并令管程設(shè)計(jì)壓力為零，且無溫差的情況，計(jì)算模型可按不帶法蘭的固定管板進(jìn)行。

c.水壓試驗(yàn)時(shí)殼程開孔補(bǔ)強(qiáng)問題。水壓試驗(yàn)時(shí)，開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算仍按GB /T150—2011中的進(jìn)行。

d.殼程圓筒與管板連接的結(jié)構(gòu)形式。因采用管程設(shè)計(jì)壓力處理殼程水壓試驗(yàn)問題，所以，應(yīng)根據(jù)管程的設(shè)計(jì)壓力按照GB /T151—2014附錄I選擇殼程圓筒與管板連接的結(jié)構(gòu)形式，例如，殼程設(shè)計(jì)壓力原本不到4.0MPa，管程設(shè)計(jì)壓力大于 4.0MPa，如因采用管程設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行殼程水壓試驗(yàn)，應(yīng)按附錄I圖I.I中的（d）或（e）的結(jié)構(gòu)形式，即圖1所示。因管板具有凸肩，并與圓筒對(duì)接連接，管板應(yīng)采用鍛件。

2.重沸器：重沸器的特點(diǎn)是，殼程空間遠(yuǎn)大于管程空間，管板往往采用U 形管式、浮頭式、填料涵式，即非固定管板式，如圖2所示，此時(shí)殼程設(shè)計(jì)壓力經(jīng)常低于管程設(shè)計(jì)壓力，如果也采用提高殼程試驗(yàn)壓力到管程試驗(yàn)壓力值，以使檢査換熱管與管板的連接處是否泄漏，可能不是一種合理的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于殼程采用有色金屬制作的壓力容器這一問題更為突出。

可以采用氨滲漏方法。但這種方法對(duì)于殼程空間遠(yuǎn)大于管程空間且殼程為常壓的有色金屬制容器可能仍不合理，這時(shí)應(yīng)轉(zhuǎn)向通過制造工藝來解決問題。

3.夾套容器：夾套容器的夾套水壓試驗(yàn)壓力只要按夾套的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和材料就可確定。內(nèi)筒由于被夾套包圍，如遇到帶有夾套的真空容器等情況，則有些難度，此時(shí)的原則是：

1.內(nèi)筒的水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)根據(jù)內(nèi)筒設(shè)計(jì)壓力確定。

2.夾套水壓試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)夾套部分在泄漏試驗(yàn)壓力下材料的強(qiáng)度、密封結(jié)構(gòu)和焊縫的嚴(yán)密性。被夾套包圍的內(nèi)筒體部分是通過內(nèi)筒水圧試驗(yàn)來檢驗(yàn)上述問題的。

3.對(duì)于正確設(shè)計(jì)并制造的外壓容器（包括真空容器），由于與內(nèi)壓容器所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力不同（是壓縮應(yīng)力），即使可能存在種種漏檢缺陷，只要缺陷不致引起滲漏，在外壓力作用下還趨于閉合，不會(huì)降低外壓容器的臨界壓力。所以外壓容器，除特殊情況外，是通過內(nèi)壓試驗(yàn)的方法達(dá)到檢査各類缺陷是否滲漏的目的。

六、兩腔壓力容器的制造技術(shù)要求：

兩腔壓力容器的制造技術(shù)要求，可按各腔的設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)特性、容積、設(shè)計(jì)壓力與容積的乘積、該容器的用途等的不同，區(qū)別對(duì)待。也可根據(jù)容器的重要性和安全性提高制造技術(shù)要求，按較高腔的類別提出相應(yīng)的制造技術(shù)要求。兩腔壓力容器類別的劃分要嚴(yán)格按照TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求進(jìn)行，而在確定兩腔壓力容器的制造技術(shù)要求時(shí)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)提高要求，可不受劃類的限制。

參考文獻(xiàn)：

[1]TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

[2]GB/T150.1～GB/T150.4-2011《壓力容器》

[3]GB/T151-2014《熱交換器》

[4]HG/T20580～20585-2011

[5]王非. 《化工壓力容器設(shè)計(jì)：方法、問題和要點(diǎn) 第二版》.化學(xué)工業(yè)出版社，2009年1月.