丙烯丙烷分離塔耐壓試驗方案比選

白建濤

（惠生工程（中國）有限公司，上海 201210）

隨著化工行業(yè)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，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，組焊完成后進行現(xiàn)場無損檢測和耐壓試驗。對于大型超限設(shè)備，耐壓試驗方案不同會得到不同的壁厚設(shè)計結(jié)果。

根據(jù)某丙烷脫氫項目大型關(guān)鍵設(shè)備—丙烷丙烯分離塔的設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點，進行了不同耐壓試驗方案下的壁厚計算，對比各種耐壓試驗方案優(yōu)缺點，對耐壓試驗方案進行了比選。

1 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)量進行綜合性檢查［1］。

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)不同分為3類［2］。

（1）液壓試驗；

（2）氣壓試驗；

（3）氣液組合試驗。

塔器耐壓試驗一般采用液壓試驗，對于不適宜進行液壓試驗的塔器，可采用氣壓試驗或氣液組合壓力試驗［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，會很快釋放能量，使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)承載能力受限等原因不能進行液壓試驗，而進行氣壓試驗耗時又過長，氣液組合試驗是1種替代耐壓試驗方案。壓力容器設(shè)計人員必須根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、塔器本身情況、制造及安裝現(xiàn)場等綜合情況，并與業(yè)主及項目各參與方及時溝通，最終確定耐壓試驗方案［4］。

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是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、人孔及其它接管和法蘭等。

該設(shè)備筒體內(nèi)徑為Φ9 600 mm，2 封頭切線間距離87 500 mm，塔高100 255 mm，容積6 573 m3，塔盤數(shù)量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TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB/T150-2011《壓力容器》及NB/T47041-2014《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、大直徑、超高塔。

3 不同耐壓試驗方案的比選

3.1 臥置液壓試驗方案

初步計算丙烯丙烷分離塔圓筒的計算厚度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T150.3-2011的式3-1得出：

式中δ—圓筒的計算厚度，mm；Pc—計算壓力，考慮到塔釜液位液柱靜壓力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—圓筒內(nèi)直徑，9 600 mm；[σ]t—設(shè)計溫度下圓筒材料許用應(yīng)力，184.2 MPa；Φ—焊接接頭系數(shù)，1.0。

考慮到腐蝕裕量和鋼板負偏差，筒體開孔補強等因素，圓筒壁厚、上下封頭及裙座筒體壁厚取32 mm。按此厚度是利用SW6 計算軟件進行初步試算。

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T150.1-2011 式（5），計算得出立置液壓試驗壓力為1.17 MPa。考慮到立式容器如采用臥置進行液壓試驗時，試驗壓力應(yīng)計入立置試驗時的液柱靜壓力，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—軸向最大組合拉應(yīng)力及σA2—軸向最大組合應(yīng)力計算合格。σA3—液壓試驗時軸向最大組合拉應(yīng)力σA4—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=0.9×325=292.5 MPa，校核結(jié)果不合格。

由于設(shè)備筒體高度較高，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。由于臥置水壓試壓壓力校大，使得計算結(jié)果為不合格，需要增加設(shè)備壁厚，筒體，封頭和裙座壁厚增加到40 mm，才能計算通過。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。計算采用了Pvdesk top 軟件進行了設(shè)備結(jié)構(gòu)計算，該軟件既能考慮臥置水壓試驗，又能設(shè)置立置水壓試驗的充水位置。

塔器的壁厚分段位置還要考慮設(shè)備塔盤接開孔接管的位置，筒體的分段方案為：筒體1 的長度為12 200 mm，筒體2 的長度為12 100 mm，筒體3的長度為12 000 mm，筒體4 的長度為41 000 mm，筒體5的長度為6 900 mm（考慮此部位為軸式吊耳位置），筒體6的長度為3 200 mm。

經(jīng)計算，最終壁厚設(shè)計方案為：筒體1 壁厚為40 mm，筒體2壁厚為38 mm，筒體3壁厚為36 mm，筒體4 壁厚為34 mm，筒體5 壁厚為60 mm，筒體6壁厚為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

如果塔器殼體壁厚采用的是32 mm，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T150.1-2011 中的式（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行計算，壁厚設(shè)計方案為：筒體1 的壁厚為36 mm，筒體2 的壁厚為34 mm，筒體3 的壁厚為32 mm，筒體4的壁厚為32 mm，筒體5 的壁厚為60 mm，筒體6 的壁厚為32 mm，底部封頭的壁厚為36 mm，頂部封頭的壁厚為32 mm，裙座的壁厚為38 mm。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。氣液組合試驗充水高度按距離下封頭切線為20 m 考慮，通過Pvdesk top 軟件計算，得出的壁厚設(shè)計方案為：筒體1 的壁厚為38 mm，筒體2 的壁厚為34 mm，筒體3 的壁厚為32 mm，筒體4 的壁厚為32 mm，筒體5 的壁厚為60 mm，筒體6的壁厚為32 mm，底部封頭的壁厚為38 mm，頂部封頭的壁厚為32 mm，裙座的壁厚為38 mm。該方案設(shè)備殼體凈質(zhì)量約為935 t。

4 結(jié)束語

綜合考慮丙烷丙烯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；氣液組合試驗是折中方案。

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［5］，試驗時撤走無關(guān)人員，并派人現(xiàn)場監(jiān)督試驗過程。經(jīng)業(yè)主與項目各參與方進行技術(shù)交流后，最終選用的氣液組合試驗方案，目前該項目已開車成功，設(shè)備運行良好。