關(guān)于氯氣緩沖罐設(shè)計(jì)的探討

賀智惠

（天津冠杰石化工程有限公司，天津 300270）

本容器的介質(zhì)是氯氣，氯是一種帶刺激性臭味的劇毒氣體。按照HG20660《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類》規(guī)定，氯屬于高度危害的化學(xué)介質(zhì)。按GB5138-5139《工業(yè)用氯》要求氯＞99.6%（體積），水分含量＜0.05%（重量）。按1999版容規(guī)，高度危害介質(zhì)容器的PV值大于0.2MPa.m3，容器類別即劃為三類。按TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，本容器類別為II類。所以對(duì)氯氣緩沖罐的設(shè)計(jì)需要慎重和精心。

1 氯氣緩沖罐的設(shè)計(jì)條件

用戶提出的設(shè)計(jì)條件：容器直徑為Φ1000mm。體積為1.8m3。工作溫度為30℃，工作壓力為0.8Mpa，使用地為滄州。

2 壓力和溫度的選取

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

設(shè)計(jì)壓力：氯的臨界壓力是7.61MPa,臨界溫度是144℃，設(shè)備無(wú)保溫。雖不是儲(chǔ)存容器，但作為液化氣體的緩沖罐，設(shè)計(jì)參數(shù)選擇參照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》表3-4的要求。容器的工作壓力來(lái)自泵出口。按用戶給定的工作溫度30℃，查《壓力容器設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》附錄表9，其對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓為0.86Mpa；選取設(shè)計(jì)溫度40℃，其對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓為1.1 Mpa。在這樣的工作壓力及設(shè)計(jì)壓力下，介質(zhì)狀態(tài)均為液體。

2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

由于此種介質(zhì)的腐蝕性極強(qiáng)，所以腐蝕裕量選取較大，按4mm計(jì)。技術(shù)參數(shù)為：容器類別II，設(shè)計(jì)壓力 1.1Mpa，設(shè)計(jì)溫度 40°C，工作溫度 30°C，腐蝕裕量 4mm，焊接接頭系數(shù)，規(guī)格DN1000×10×1850mm，容積1.8m3，保冷無(wú)，基本風(fēng)壓 400N/m2，地震設(shè)防烈度7(0.1g)第一組，使用年限 10a。

3 殼體材料的選用

由于氯離子在不銹鋼材料中易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，這樣該容器的材料就不能選用不銹鋼材質(zhì)。針對(duì)這種介質(zhì)的特性，保證容器的安全使用，殼體選用了碳素鋼Q245R，該材質(zhì)應(yīng)符合GB713-2008標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規(guī)定。按HG/T20581-2011中6.2.1.1的要求，介質(zhì)高度危害，鋼板需逐張進(jìn)行超聲波檢測(cè)；按GB150.2-2011中表3的規(guī)定，容器封頭所用12mm厚鋼板需要逐張進(jìn)行超聲波檢測(cè)；因此本容器殼體（包括封頭）所用Q245R鋼板要求逐張進(jìn)行超聲波檢測(cè)，按JB/T4730.3 II 級(jí)合格。法蘭鍛件選用20#鍛件，符合NB/T47008-2010《壓力容器用碳素鋼和合金鋼鍛件》中III級(jí)鍛件的要求。

4 緩沖罐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4.1 該緩沖罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖1）

4.2 為保證安全使用，設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題

a結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，減少約束；

b盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化，以減小局部高應(yīng)力；

c容器的支座墊板與殼體同材質(zhì)；

d接管與殼體間焊縫型式采用接管內(nèi)伸，與接管平齊相比有利于減小應(yīng)力集中。

4.3 在結(jié)構(gòu)型式上具體采取了以下幾項(xiàng)措施

a殼體的AB類焊接接頭采用了全焊透的焊接型式，開(kāi)單面坡口見(jiàn)圖2所示，要求背面清理焊根后方可進(jìn)行焊接。

b開(kāi)孔接管與殼體的焊接接頭：為避免結(jié)構(gòu)形式的突然變化，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度，接管采用了適當(dāng)增加壁厚的形式，取消了以補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)方式。

c除排污口外，其它接管與殼體間焊縫型式采用接管內(nèi)伸型式，見(jiàn)圖3所示。

d由于介質(zhì)為高度危害，按《固容規(guī)》3.17（2）款要求，接管法蘭選用了HG/T20592-2009的高頸對(duì)焊法蘭;法蘭密封面選用了凸凹面形式；墊片選用了HG/T20610-2009帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的金屬纏繞墊片。連接螺栓選用了HG/T20613-2009全螺紋高強(qiáng)度螺柱，配套螺母為GB/T6175.Ⅱ級(jí)六角螺母。

e為了減少泄露點(diǎn)，該設(shè)備沒(méi)有設(shè)置人孔，要求最后一道環(huán)縫采用氬弧焊打底焊接，并要求在焊接最后一道環(huán)縫之前對(duì)內(nèi)部所有焊縫進(jìn)行100%表面磁粉檢測(cè)，按JB/T4730.4I級(jí)合格，在最后一道環(huán)縫焊接之后對(duì)此焊縫也要求進(jìn)行100%表面磁粉檢測(cè)，按JB/T4730.4I級(jí)合格。

f從安全方面考慮，當(dāng)介質(zhì)為液化氣體，容器需設(shè)置安全閥口。安全閥選用全啟式氯氣專用安全閥。密封面為凸凹。并要求安全閥開(kāi)啟后應(yīng)設(shè)置專用的管道將流出介質(zhì)引到專用的密閉容器中。

5 強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

本容器的設(shè)計(jì)計(jì)算采用了SW6-2011 v-1.0軟件進(jìn)行了計(jì)算。

計(jì)算包括：

a強(qiáng)度校核：筒體強(qiáng)度校核，封頭強(qiáng)度校核；

b開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核；

c最高允許工作壓力的確定和強(qiáng)度校核（包括設(shè)備本體及零部件）。

最高允許工作壓力的確定步驟如下：

根據(jù)殼體的有效厚度，按GB150.3-2011式3-6算出筒體的最大允許工作壓力；

根據(jù)封頭的有效厚度，按GB150.3-2011式5-3算出封頭的最大允許工作壓力；

查HG/T20592-2009中法蘭材料在設(shè)計(jì)溫度下的最大允許工作壓力。

選以上三者中最小值，作為最大允許工作壓力，去校核設(shè)備殼體封頭接管支座的強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求后，就可以確定此值為最大允許工作壓力。若不滿足強(qiáng)度要求，需要逐步降低此值，只有求出滿足強(qiáng)度要求的值，才可以最為最大允許工作壓力。

d安全閥計(jì)算；

e由于本容器設(shè)置了安全閥，安全閥的整定壓力需要兩次設(shè)定：氣密試驗(yàn)時(shí)一次，使用單位根據(jù)實(shí)際操作壓力再進(jìn)行設(shè)置一次。

以上計(jì)算均符合GB150.1～4-2011和《壓力容器》和TSGR0001-2009《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程要求》。

6 本容器的檢驗(yàn)和試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求

由于容器介質(zhì)為高度危害，焊縫系數(shù)取1，檢試驗(yàn)要求如下：

6.1 焊接接頭的檢驗(yàn)要求

表面質(zhì)量要求

a焊接接頭內(nèi)外表面不得有裂紋、未焊透、未熔合、表面氣孔、弧坑、咬邊，未填滿和肉眼可見(jiàn)的夾渣等缺陷；

b焊縫與母材應(yīng)道圓滑過(guò)渡；

c角焊接的外形應(yīng)當(dāng)凹形圓滑過(guò)渡。

6.2 無(wú)損檢測(cè)及其他要求

a容器A.B類焊接接頭進(jìn)行100%射線探傷。按JB/T4730.2Ⅱ級(jí)合格；

b容器與開(kāi)孔接管的D類焊縫進(jìn)行100%磁粉探傷。按JB/T4730.4.I級(jí)合格；

c本容器需按NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》制備產(chǎn)品焊接試件，產(chǎn)品焊接試件按照與設(shè)備相同的熱處理工藝進(jìn)行熱處理,熱處理后做力學(xué)性能檢驗(yàn)，（包括硬度檢測(cè)）各項(xiàng)性能均應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)要求；

d設(shè)備熱處理后做硬度檢測(cè)，任何部位的硬度值HV(10)≤220（單個(gè)值），且熱處理后不得在受壓元件上施焊；

e按GB150.4-2011中8.2.2.3款要求，本容器制造檢驗(yàn)完畢需要消除應(yīng)力熱處理。

6.3 壓力試驗(yàn)

按1.25倍的最高允許工作壓力即1.63Mpa進(jìn)行水壓試驗(yàn)。同時(shí)需要校核水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力，并滿足符合GB150.1～4-2011的要求。

6.4 泄漏試驗(yàn)

由于介質(zhì)易爆、高度危害；按《固容規(guī)》和GB150規(guī)定應(yīng)進(jìn)行泄露試驗(yàn)，所以圖紙要求水壓試驗(yàn)合格后，應(yīng)按設(shè)計(jì)壓力1.1Mpa進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)時(shí)，安全閥的整定壓力可定為1.2Mpa。

7 本容器內(nèi)外表面處理的設(shè)計(jì)要求

由于這種介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的活潑性，遇水產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕性的鹽酸和次氯酸，所以要求水壓試驗(yàn)后清除水漬，保證內(nèi)部的干燥。

8 其它設(shè)計(jì)要求

考慮到該容器介質(zhì)的高度危險(xiǎn)性，為保證容器的安全使用，對(duì)使用單位提出了以下幾點(diǎn)要求。

8.1 安全閥的排出口應(yīng)按GB150.1-2001附錄B中“B.3.10”的相關(guān)要求設(shè)置導(dǎo)出口。

8.2 壓力表與容器之間，應(yīng)當(dāng)設(shè)置三通旋塞閥，并且不得連接其他用途的任何配件或接管。由于介質(zhì)的腐蝕性，在壓力表與容器之間應(yīng)當(dāng)裝設(shè)隔離介質(zhì)的緩沖裝置。

8.3 使用單位可根據(jù)工作壓力來(lái)確定安全閥的整定壓力，整定壓力最大不得超過(guò)設(shè)計(jì)壓力1.1Mpa。

8.4 氯本身無(wú)燃燒性和爆炸性，但氯能助燃，因此在檢修介質(zhì)為氯的容器時(shí)，一定要采用堿水溶液清洗后才可動(dòng)火。以免引起中毒和傷亡事故。

總之，針對(duì)氯氣介質(zhì)的高度危害性和強(qiáng)腐蝕性，為保證容器的安全可靠運(yùn)行，萬(wàn)無(wú)一失。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須特別重視和慎重對(duì)待設(shè)計(jì)工作，做到了設(shè)計(jì)工藝數(shù)據(jù)選用正確、材料選用正確、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，檢驗(yàn)試驗(yàn)要求齊全，從而保證了容器使用的安全可靠，同時(shí)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)計(jì)文件均符合《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《壓力容器》等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程。設(shè)計(jì)質(zhì)量得到了用戶的好評(píng)。