淺談壓力容器設(shè)備管口許用載荷問(wèn)題

張馳群

（中國(guó)寰球工程公司)

壓力容器

淺談壓力容器設(shè)備管口許用載荷問(wèn)題

張馳群*

（中國(guó)寰球工程公司)

論述了設(shè)定壓力容器設(shè)備管口許用載荷數(shù)值的必要性及原則。對(duì)于一般的壓力容器，根據(jù)以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，推薦了接管許用載荷，包括力和彎矩系列數(shù)值，并對(duì)設(shè)備管口載荷引起的殼體局部應(yīng)力的核算問(wèn)題進(jìn)行了討論。

壓力容器 接管 許用載荷 法蘭 應(yīng)力

0 前言

近年來(lái)，隨著石化裝置規(guī)模的大型化，大口徑、操作條件苛刻及走向復(fù)雜的壓力管線逐漸增多。這些管線作用在與其連接的壓力容器設(shè)備接管上的載荷，包括力、彎矩及扭矩，對(duì)設(shè)備本體及其接管產(chǎn)生的影響越來(lái)越受到壓力容器設(shè)計(jì)者的重視。本文從幾個(gè)方面來(lái)分析和探討在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，如何考慮壓力管道對(duì)設(shè)備本體及接管產(chǎn)生的載荷作用，以及如何設(shè)定較為合理的設(shè)備管口許用載荷數(shù)值，以保證壓力容器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、安全性及合理性。本文提到的設(shè)備管口許用載荷，均指所有與管線相連接的接管及其補(bǔ)強(qiáng)板、接管所在處的殼體能夠承受來(lái)自管線直接作用的力和彎矩?cái)?shù)值。

1 設(shè)備管口許用載荷確定的必要性及原則

設(shè)備管口許用載荷的確定，主要涉及負(fù)責(zé)壓力容器設(shè)計(jì)的設(shè)備專業(yè)和負(fù)責(zé)壓力管道設(shè)計(jì)的管道專業(yè)。設(shè)備專業(yè)作為管道專業(yè)的上游專業(yè)，一般先行開(kāi)展工程設(shè)計(jì)，然后將初步的工程圖作為設(shè)計(jì)輸入條件提供給管道專業(yè)。管道專業(yè)根據(jù)設(shè)備圖紙，結(jié)合設(shè)備布置圖、工藝管線壓力等級(jí)劃分及管道走向布置圖等，提出設(shè)備管口的實(shí)際載荷條件，反饋給設(shè)備專業(yè)，以便進(jìn)行設(shè)備管口載荷的最終核算。從設(shè)備專業(yè)的角度考慮，作為先行開(kāi)展設(shè)計(jì)的上游專業(yè)，如果選擇較大的設(shè)備管口許用載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，而將來(lái)若管道實(shí)際載荷較小，就會(huì)造成設(shè)備殼體厚度及相關(guān)接管壁厚的設(shè)計(jì)裕量較大，造成材料浪費(fèi)。如果設(shè)定較小的設(shè)備管口許用載荷，而將來(lái)若管道實(shí)際載荷比設(shè)定的管口許用載荷增加較多，設(shè)備專業(yè)就需要重新進(jìn)行與管口載荷相關(guān)的應(yīng)力校核計(jì)算。這樣，一方面增加了設(shè)計(jì)工作量，甚至可能造成設(shè)計(jì)返工，另一方面又可能為了滿足過(guò)大的管口載荷條件而不得不增加設(shè)備殼體厚度及接管壁厚等。如果設(shè)備主材已經(jīng)訂貨，還會(huì)對(duì)工程項(xiàng)目的費(fèi)用及進(jìn)度產(chǎn)生一定的影響。所以，在設(shè)備專業(yè)開(kāi)始進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般在初步（基礎(chǔ)）設(shè)計(jì)階段，就需要確定設(shè)備管口許用載荷數(shù)值，以便保證工程設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性。

對(duì)設(shè)備管口許用載荷的確定原則，國(guó)內(nèi)外一些工程公司及設(shè)計(jì)院編制了相關(guān)的工程技術(shù)規(guī)定，有些還積累了一定的工程實(shí)踐數(shù)據(jù)。大體上，設(shè)備管口許用載荷基本與設(shè)備殼體直徑、壁厚及接管的壓力等級(jí)等幾個(gè)因素相關(guān)。美國(guó)Stone&Webster公司的項(xiàng)目規(guī)定中確定設(shè)備管口許用載荷（力及彎矩?cái)?shù)值）的原則值得借鑒參考，該公司對(duì)于設(shè)備管口許用載荷（力及彎矩）推薦參照下述公式確定（力及彎矩示例見(jiàn)圖1）：

式中FL，F(xiàn)φ，F(xiàn)A——力，kgf；1 kgf=9.8 N；

ML，Mφ，MT——彎距，kgf·m；1 kgf·m=9.8 N·m；

D——設(shè)備公稱直徑，in；1 in=25.4 mm；

圖1 設(shè)備管口載荷

b——系數(shù)，按接管法蘭壓力等級(jí)從表1中選取。

表1 接管法蘭壓力等級(jí)與b值選取對(duì)照表

任何工程公司或設(shè)計(jì)院關(guān)于設(shè)備管口許用載荷的設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定和工程實(shí)踐數(shù)據(jù)均無(wú)法適用于各類石化裝置。即使同一類型工藝裝置，對(duì)于不同的廠區(qū)占地，不同的設(shè)備布置，不同的工藝管線壓力等級(jí)劃分及管道走向，設(shè)備管口所受的力和彎矩?cái)?shù)值都可能不同。工程設(shè)計(jì)人員最終均需要根據(jù)管道的實(shí)際載荷條件進(jìn)行殼體及接管局部應(yīng)力核算，來(lái)保證設(shè)備本體與接管連接處的安全。

2 設(shè)備管口許用載荷推薦數(shù)值

盡管任何工程設(shè)計(jì)規(guī)定和工程實(shí)踐數(shù)據(jù)均無(wú)法確定一整套設(shè)備管口載荷數(shù)據(jù)使其應(yīng)用于各類石化裝置，但工程設(shè)計(jì)人員仍需要一系列設(shè)備管口許用載荷數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，最大程度促進(jìn)工程設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性。經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，并參照TCM公司設(shè)計(jì)規(guī)定，筆者推薦，對(duì)一般壓力容器設(shè)備管口許用載荷可參照表2并結(jié)合如下要求進(jìn)行選取。除設(shè)計(jì)文件特殊規(guī)定或管道專業(yè)明確提出設(shè)備管口載荷具體數(shù)值外，對(duì)于殼體半徑R=1000 mm、殼體有效厚度t=10 mm的設(shè)備，對(duì)其接管尺寸介于DN150與DN600之間的設(shè)備管口，所有與管道相連的接管及其補(bǔ)強(qiáng)板、接管所在處的殼體都應(yīng)保證能夠承受表2所列的力和彎矩(力和彎矩及其方向示例見(jiàn)圖1)。對(duì)于不同直徑和壁厚的壓力容器設(shè)備，應(yīng)對(duì)表1所列數(shù)值乘以系數(shù)k進(jìn)行修正，進(jìn)而確定管口許用載荷數(shù)值。k的取值如下：

式中t——?dú)んw有效厚度，mm；

R——?dú)んw內(nèi)半徑，mm。

表2 碳鋼設(shè)備管口許用載荷參照表

對(duì)于設(shè)備主體材質(zhì)為不銹鋼的壓力容器設(shè)備，管口許用載荷一般應(yīng)在表2所列出的力和彎矩?cái)?shù)值的基礎(chǔ)上降至75%來(lái)考慮選擇管口許用載荷數(shù)值。對(duì)于高壓設(shè)備，管口許用載荷數(shù)值可相應(yīng)提高。筆者建議，除設(shè)計(jì)文件特殊規(guī)定或管道專業(yè)提出設(shè)備管口載荷條件外，可參照表3選取設(shè)備管口許用載荷數(shù)值。表3中數(shù)值同樣基于殼體半徑R=1000 mm、殼體有效厚度t=10 mm的設(shè)備上接管尺寸介于DN150與DN600之間的設(shè)備管口，對(duì)于不同直徑和壁厚的壓力容器設(shè)備，仍按表2的修正原則確定管口許用載荷數(shù)值。

表3 不銹鋼設(shè)備管口許用載荷參照表

總之，壓力容器設(shè)備管口許用載荷的確定需要有一個(gè)基本原則，且需要根據(jù)具體項(xiàng)目的情況進(jìn)行具體分析。許用載荷數(shù)值的確定，既要考慮設(shè)備本體及接管等的承受能力，也要考慮管道實(shí)際載荷作用的影響，要在設(shè)備和管道兩個(gè)專業(yè)間找到一個(gè)相對(duì)合理的平衡基準(zhǔn)線（管口許用載荷數(shù)據(jù)系列）。這樣，才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備和管道整體設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，使兩個(gè)專業(yè)都節(jié)約設(shè)計(jì)工作量、減少設(shè)計(jì)返工。

3 設(shè)備殼體局部應(yīng)力核算的時(shí)機(jī)和范圍

在初步（基礎(chǔ)）設(shè)計(jì)階段，如果不考慮管道作用在壓力容器設(shè)備管口上的載荷，不進(jìn)行殼體及接管的局部應(yīng)力計(jì)算，或?qū)⒕植繎?yīng)力計(jì)算工作留到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，很可能會(huì)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段造成設(shè)計(jì)返工，甚至對(duì)已經(jīng)訂貨的設(shè)備主材規(guī)格產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響項(xiàng)目費(fèi)用和工期。如果在此階段對(duì)全部設(shè)備管口處的管道載荷均進(jìn)行殼體局部應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算，又將給設(shè)備專業(yè)帶來(lái)很大的設(shè)計(jì)工作量。因此，對(duì)設(shè)備殼體及接管局部應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)機(jī)和范圍，本文有如下觀點(diǎn)供工程設(shè)計(jì)者參考。

首先，在初步 (基礎(chǔ))設(shè)計(jì)階段，工程設(shè)計(jì)者應(yīng)會(huì)同管道專業(yè)初步辨識(shí)哪些管線可能對(duì)設(shè)備管口產(chǎn)生較大的外載荷作用，哪些管線可能產(chǎn)生較小的外載荷作用，可以忽略其對(duì)設(shè)備本體及接管安全的影響而不需要核算。根據(jù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，筆者認(rèn)為，在初步（基礎(chǔ)）設(shè)計(jì)階段，除了管道專業(yè)提出特殊要求外，從減少設(shè)計(jì)工作量角度出發(fā)，應(yīng)從設(shè)備設(shè)計(jì)溫度和管口尺寸兩個(gè)方面來(lái)確定壓力容器設(shè)備上需要進(jìn)行局部應(yīng)力設(shè)計(jì)核算的接管范圍，具體確定原則如下：

（1）圖2中Ⅰ類和Ⅱ類區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)的設(shè)備管口一般可不做殼體及接管的局部應(yīng)力核算；

圖2 殼體及接管的局部應(yīng)力核算分區(qū)圖

（2）圖2中Ⅲ類區(qū)域（含Ⅲ類區(qū)域與Ⅰ、Ⅱ類區(qū)域的分界線）對(duì)應(yīng)的設(shè)備管口一般應(yīng)做殼體及接管的局部應(yīng)力核算。核算時(shí)可參照本文表2和表3來(lái)選取設(shè)備管口的許用載荷數(shù)值。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在初步（基礎(chǔ)）設(shè)計(jì)階段，除了特殊情況及特殊要求外，對(duì)于設(shè)計(jì)溫度介于-46～200℃之間，且管口尺寸小于DN400的大部分設(shè)備管口，均不必進(jìn)行殼體及接管局部應(yīng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算，這樣可減少很多設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)也不至于后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段造成大范圍設(shè)計(jì)返工。

在詳細(xì)施工圖設(shè)計(jì)階段，對(duì)于上述提到的免除與管口載荷相關(guān)的殼體及接管局部應(yīng)力核算的管口，需要根據(jù)管道專業(yè)提出的管口具體載荷條件進(jìn)行設(shè)計(jì)核算，若管道專業(yè)未提出具體載荷條件，可參照本文表2和表3中所列載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行與管口載荷相關(guān)的殼體及接管局部應(yīng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文主要探討了壓力容器設(shè)備管口許用載荷問(wèn)題，論述了與設(shè)備管口許用載荷相關(guān)聯(lián)的幾個(gè)因素，包括設(shè)備殼體直徑、殼體壁厚及接管的壓力等級(jí)，建議了設(shè)備管口許用載荷的確定原則。

（2）結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一般壓力容器設(shè)備管口許用載荷，推薦了一系列具體的力和彎矩?cái)?shù)值，供工程設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行殼體局部應(yīng)力計(jì)算時(shí)參考借鑒。

（3）考慮到與接管載荷相關(guān)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、安全性及合理性，從減少設(shè)計(jì)工作量及防止后期設(shè)計(jì)返工兩個(gè)角度出發(fā)，建議了殼體局部應(yīng)力核算的范圍及時(shí)機(jī)。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).壓力容器（第一部分：通用要求）：GB 150.1—2011[S].

[2]中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.鋼制管法蘭、墊片、緊固件：HG/T 20592～20635—2009[S].

化工裝備行業(yè)進(jìn)入深度調(diào)整期

2017年，化工裝備全行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行將會(huì)延續(xù)下行態(tài)勢(shì)，行業(yè)利潤(rùn)增長(zhǎng)率還會(huì)有較大回落，企業(yè)虧損面及虧損額會(huì)有較大的增加，化工裝備制造行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了深度調(diào)整時(shí)期。行業(yè)企業(yè)必須練好內(nèi)功，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升品質(zhì)，并積極 “走出去”發(fā)展。

目前是化工裝備行業(yè)發(fā)展的低谷期，這種態(tài)勢(shì)可能在很長(zhǎng)一段時(shí)期都存在。2016年化工裝備制造業(yè)的主營(yíng)業(yè)務(wù)收入降幅同比加大，利潤(rùn)總額大幅下降，下降幅度達(dá)到2015年的2倍，固定資產(chǎn)投資增長(zhǎng)更是明顯下降，虧損企業(yè)數(shù)量和虧損額度明顯增加。目前，化工裝備市場(chǎng)需求明顯不足，行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行依舊處在弱勢(shì)企穩(wěn)之中，下行風(fēng)險(xiǎn)和壓力依然很大。

現(xiàn)階段，制約化工裝備制造行業(yè)發(fā)展的問(wèn)題集中表現(xiàn)在四個(gè)方面：一是產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過(guò)剩，高端產(chǎn)能不足、低端產(chǎn)能嚴(yán)重過(guò)剩并存；二是同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重；三是自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)；四是國(guó)際產(chǎn)能合作欠佳。

對(duì)那些因資金鏈、長(zhǎng)期虧損、市場(chǎng)份額等問(wèn)題無(wú)法正常經(jīng)營(yíng)的企業(yè)，應(yīng)鼓勵(lì)其關(guān)停或市場(chǎng)退出，以淘汰落后產(chǎn)能。同時(shí)，鼓勵(lì)有實(shí)力的大企業(yè)與生產(chǎn)低端產(chǎn)品、勞動(dòng)密集型產(chǎn)品的中小企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟或并購(gòu)重組，將這些中小企業(yè)納入大企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)體系，使中小企業(yè)成為大企業(yè)的零部件或配件的供應(yīng)商，形成穩(wěn)定的 “二重結(jié)構(gòu)”。同時(shí)，企業(yè)還要做好產(chǎn)品質(zhì)量管理，倡導(dǎo)“工匠精神”，以增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。

為了促進(jìn)化工裝備制造業(yè)的升級(jí)發(fā)展，政府部門也有新動(dòng)作。響應(yīng)國(guó)家簡(jiǎn)政放權(quán)的精神，國(guó)家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局目前正在研究制定行政許可改革方案，總體思路是盡量減少行政許可項(xiàng)目，采取取消部分項(xiàng)目、合并項(xiàng)目、減少分級(jí)等措施，切實(shí)為企業(yè)減負(fù)。

“走出去”開(kāi)展國(guó)際產(chǎn)能合作也受到重視。當(dāng)前業(yè)內(nèi)企業(yè)要抓住我國(guó)石化行業(yè)對(duì) “一帶一路”沿線國(guó)家加大油氣資源開(kāi)發(fā)、石化項(xiàng)目投資等海外基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的機(jī)遇，進(jìn)一步提升裝備制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力;同時(shí)要引導(dǎo)企業(yè)從向海外銷售產(chǎn)品，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榕c國(guó)際知名企業(yè)聯(lián)合生產(chǎn)，再過(guò)渡到在海外建廠實(shí)現(xiàn)本土化生產(chǎn)，通過(guò) “三步走”戰(zhàn)略來(lái)實(shí)施國(guó)際產(chǎn)能合作。

(錢松)

Discussion on Piping Nozzle Allowable Loads of Pressure Vessel Equipment

Zhang Chiqun

The necessity and principle of setting the piping nozzle allowable load value are discussed.For general pressure vessel equipment,according to past engineering experience,the allowable load of the nozzle is recommended,including force and moment series values.The local stress of the housing is caused by the piping nozzle load,and the calculation problem is discussed.

Pressure vessel;Connecting pipe;Allowable load;Flange;Stress

TQ 050.2

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.011

2016-09-23）

*張馳群，男，1976年生，碩士，高級(jí)工程師。北京市，100012。