國內(nèi)使用的第一PTA結(jié)晶器ASME標準設計要點

苗俊軍 龍杰 肖高輝

(1.二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.二重(德陽)重型裝備有限公司。四川 德陽 618000)

精對苯二甲酸，英文名為Pure terephthalic acid，簡稱PTA，是中國重要的化工原料。隨著PTA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，PTA裝置向大型化發(fā)展，操作工況也越來越苛刻。第一PTA結(jié)晶器是PTA裝置中的關鍵設備，屬于大型、厚壁壓力容器，其操作壓力和操作溫度均比較高，工況極為惡劣，給其設計制造帶來了一定的難度。

本文以我公司承接國內(nèi)某項目的第一PTA結(jié)晶器為例，使用ASME標準體系和材料進行設計制造，論述其設計過程，分析設計要點，并對設備部分結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為后期同類產(chǎn)品的ASME標準設計提供參考。

1 產(chǎn)品設計

1.1 產(chǎn)品主要設計參數(shù)

第一PTA結(jié)晶器主要設計參數(shù)如表1所示，其簡要設計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)簡圖

表1 主要設計參數(shù)

1.2 設計標準選取

本PTA項目建設地為國內(nèi)沿海某省，采用INVISTA最新的工藝包，是國內(nèi)外PTA年產(chǎn)能最大的PTA項目之一。

為方便設備的建造、使用和后期的監(jiān)管，本第一PTA結(jié)晶器優(yōu)先使用國內(nèi)標準進行設計和制造，即TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]和GB/T 150.1～150.4—2011《壓力容器》[2]，筒體、封頭等主要受壓元件材料按項目要求為S30403+Q345R復合板[3]。經(jīng)初步設計計算，設備筒體及封頭所需基材Q345R的厚度大于200 mm，已經(jīng)超過GB/T 150.2—2011《壓力容器》中Q345R的允許厚度(≤200 mm)，因此S30403+Q345R復合板不可用；如將承壓材質(zhì)更換為16Mn鍛件[4]，雖然材質(zhì)能夠滿足設計要求，但設備的整體制造周期和建造成本也會大幅提高。

鑒于這種情況，經(jīng)過綜合考慮，并在業(yè)主及工程公司的同意下，決定采用ASME BPVC.Ⅷ.1-2019[5]標準進行第一PTA結(jié)晶器的設計與制造。

1.3 安全比照和申報

第一PTA結(jié)晶器采用ASME BPVC.Ⅷ.1-2019[5]設計，主體承壓材料為SA-516 GR 70+SA-240 304L復合板[6]，其中基材SA-516 GR 70為受壓材料，覆層SA-240 304L為防腐層，防腐層不記入強度計算。

按國內(nèi)法規(guī)要求，國內(nèi)使用的壓力容器設備若采用國際上廣泛使用的成熟標準進行設計制造時，應提交其產(chǎn)品符合中國安全規(guī)范規(guī)定的壓力容器基本安全要求的申明與其產(chǎn)品符合壓力容器基本安全要求的比照表[7]。所以第一PTA結(jié)晶器設計的第一步應該是按照此要求進行安全比照與申報，并獲得國家質(zhì)檢總局的批準公示。

經(jīng)過基本安全要求對比，ASME BPVC.Ⅷ.1-2019標準的基本技術(shù)規(guī)范參數(shù)符合TSG 21—2016基本安全要求，但主體承壓材料SA-516 GR 70有個別的技術(shù)參數(shù)超出了TSG 21—2016的基本安全要求，詳見表2。因此必須在保證材料性能的前提下，對不符合項技術(shù)指標進行約束。

表2 基本安全對照表中的不符合項[1-3,6]

1.4 設計計算

對第一PTA結(jié)晶器的主要設計計算軟件為Pv Elite，并補充ANSYS WORKBENCH軟件計算。

第一PTA結(jié)晶器的設計計算應嚴格按照ASME BPVC.Ⅷ.1-2019的UG篇進行，在設計計算過程中，一定要考慮到設備工作時的各種工況載荷，例如結(jié)晶器筒體與下橢圓封頭的計算壓力要考慮到設備內(nèi)部工裝狀態(tài)下最大液位的液柱靜壓力；結(jié)晶器所有管口標準法蘭在應用標準中的升溫降壓表[8-9]時應計入管道推力載荷，尤其是管道推力載荷較大的溶液進口法蘭N3和懸浮液出口法蘭N4，如有必要應升級法蘭等級；上橢圓封頭及管口攪拌器口N2在常規(guī)計算完成后，還需采用ASME BPVC.Ⅷ.2與PD5500進行攪拌載荷的應力分析和疲勞分析；設備整體尺寸確定后，還要協(xié)同攪拌機廠商進行容器整體扭振分析，以確保設備工作時整體的穩(wěn)定性。

以結(jié)晶器上橢圓封頭的計算為例，簡要闡述設備的計算過程。

上封頭為標準橢圓厚度封頭，按ASME BPVC.Ⅷ.1-2019 Appendix 1-4(c)計算：

t=PDK/(2SE-0.2P)=173.02 mm

式中，t為上橢圓封頭的計算厚度(mm)；P是設計壓力(MPa)；D是封頭直邊段內(nèi)徑(mm)；K為上橢圓封頭系數(shù)，按ASME BPVC.Ⅷ.1-2019表1-4.1選??；S是上橢圓封頭材質(zhì)設計溫度下的許用應力(MPa)，按ASME II D-2019[10]查詢；E是焊接接頭系數(shù)。

上橢圓封頭計算厚度再加封頭材質(zhì)外側(cè)腐蝕裕量1.5 mm，則上封頭所需的最小厚度為174.52 mm。

上封頭直邊段計算與筒體計算過程一致，按ASME BPVC.Ⅷ.1-2019 UG-27(c)(1)計算：

t=PR/(SE-0.6P)=177.45 mm

式中，t為上橢圓封頭的計算厚度(mm)；P是設計壓力(MPa)；R是封頭直邊段內(nèi)半徑(mm)；S是上橢圓封頭材質(zhì)設計溫度下的許用應力(MPa)，按ASME II D-2019查詢；E是焊接接頭系數(shù)。

上封頭直邊段計算厚度再加上上封頭材質(zhì)外側(cè)腐蝕裕量1.5 mm，則上封頭直邊段所需的最小厚度為178.95 mm。

考慮到上橢圓封頭的載荷、筒體與封頭直邊段的厚度，上橢圓封頭及其直邊成型后最小厚度為186 mm，即上封頭SA-516 GR 70+SA-240 304L復合板最小厚度為186 mm+3 mm。

上封頭為標準橢圓封頭設計溫度下最大允許工作壓力核算，按ASME BPVC.Ⅷ.1-2019 Appendix 1-4(c)計算：

P=2SEt/(KD+0.2t)=7.25 MPa≥6.8 MPa

式中，P為上橢圓封頭設計溫度下允許的最大工作壓力(MPa)；S是上橢圓封頭材質(zhì)設計溫度下的許用應力(MPa)，按ASME II D-2019查詢；E是焊接接頭系數(shù)；t為上橢圓封頭成型后的有效厚度(mm)；K為上橢圓封頭系數(shù)，按ASME BPVC.Ⅷ.1-2019表1-4.1選??；D是封頭直邊段內(nèi)徑(mm)。

上橢圓封頭直邊段設計溫度下最大允許工作壓力核算，按ASME BPVC.Ⅷ.1-2019 UG-27(c)(1)計算：

P=SEt/(R+0.6t)=7.06 MPa≥6.8 MPa

式中，P為上橢圓封頭直邊段的設計溫度下允許的最大工作壓力(MPa)；S是上橢圓封頭直邊段材質(zhì)設計溫度下的許用應力(MPa)，按ASME II D-2019查詢；E是焊接接頭系數(shù)；t為上橢圓封頭直邊段成型后的有效厚度(mm)；R是封頭直邊段內(nèi)半徑(mm)。

上橢圓封頭、接管與法蘭常規(guī)計算完成后，需要對上橢圓封頭及攪拌器口N2進行整體的攪拌載荷的強度及疲勞分析核算，采用軟件為ANSYS WORKBENCH，應力評估方法按照ASME BPVC.Ⅷ.2-2019的分析設計準則，疲勞分析計算依據(jù)PD5500附錄C的設計準則。簡要計算過程為：建模→劃定網(wǎng)格→添加邊界條件及載荷→應力分析→劃定路徑→法蘭偏轉(zhuǎn)角分析→強度/疲勞評判，見圖2。

(a)建模 (b)網(wǎng)格示意

經(jīng)判定，上橢圓封頭的厚度滿足設計要求。

經(jīng)過整體的核算，第一PTA結(jié)晶器的總體設計見圖3。

1.5 主體鋼板技術(shù)要求

第一PTA結(jié)晶器經(jīng)1.3節(jié)核算后，要求筒體、封頭的基材鋼板SA-516 GR 70成型后最小厚度為186 mm，考慮筒體及封頭的復合、卷板、瓜瓣壓制等工序的減薄，確定筒體、封頭基材投料厚度為188 mm。此厚度鋼板屬于厚板系列，市場應用相對較少，材料各項力學性能不易滿足。

SA-516 GR 70鋼板在國內(nèi)制造和應用的比較多，而且此種鋼板也在GB/T 150.2—2011第一號修改單中引入，鋼號為GB/SA 516 GR 70，但本項目第一PTA結(jié)晶器采用的是ASME標準，因此基材鋼板SA-516 GR 70仍需要符合ASME II A-2019的規(guī)定。由于要滿足本文1.3條的要求，鋼板C元素含量比ASME II A-2019要低，這將嚴重影響此厚度下鋼板的性能。為了保證C元素含量調(diào)整后鋼板在此厚度下的各項力學性能，我公司依據(jù)該類型板材的使用經(jīng)驗并參考鋼板制造廠的建議，對材料部分元素，尤其是微合金元素的含量進行了限制和優(yōu)化，詳見表3。同時提出了其他補充技術(shù)要求，如基板供貨狀態(tài)、無損檢測、低溫沖擊韌性、力學性能、晶粒度、金屬夾雜物、模擬焊后熱處理、封頭模擬熱成型等相關要求，確保了鋼板的質(zhì)量。

表3 SA-516 GR 70+SA-240 304L復合板部分采購技術(shù)指標[1-3,6]

經(jīng)改進的鋼板回廠復驗后，各項力學性能均能滿足設計要求。

1.6 部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第一PTA結(jié)晶器在詳細設計過程中，針對前期項目經(jīng)驗對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行了局部的優(yōu)化。

第一PTA結(jié)晶器部分管口，如攪拌器口N2、溶液進口N3與懸浮液出口N4，在操作時受到的管口載荷較大，為了提高此類管口在后期使用的安全性，將原條件中的插入式接管結(jié)構(gòu)優(yōu)化為嵌入式接管對接接頭，降低了接管與筒體或封頭連接處的應力集中系數(shù)，同時嵌入式接管也便于RT檢測，提高了此次連接結(jié)構(gòu)的安全性。

第一PTA結(jié)晶器為攪拌容器，工作時，在攪拌器的攪拌作用下，介質(zhì)會在容器內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)流動，并不斷結(jié)晶出PTA晶體顆粒，由于介質(zhì)本身具有腐蝕酸性，會對設備本體，尤其是容器筒體下部與介質(zhì)進出口接管處造成強烈的腐蝕。因此本項目第一PTA結(jié)晶器下段筒體復合了6 mm厚的SA-240 304L作為抗腐蝕材料，下部管口內(nèi)壁堆焊鎳基材料用于抗腐蝕。為進一步提高溶液進口N3與懸浮液出口N4的安全性，在設計過程中，首先擴大溶液進口N3與懸浮液出口N4接管內(nèi)壁鎳基焊材的堆焊區(qū)域，使其能覆蓋溶液進口N3與懸浮液出口N4的接管與筒體連接的D類焊縫及其周邊100 mm范圍。同時，在符合標準的前提下，盡量加大溶液進口N3與懸浮液出口N4接管的內(nèi)圓角，降低內(nèi)圓角處的應力集中，以提高溶液進口N3與懸浮液出口N4接管的安全性。

2 結(jié)論

國內(nèi)使用的壓力容器設備應盡量優(yōu)先使用國標，若一些因素導致設備必須采用ASME或其他國際上廣泛使用的標準進行設計制造時，本文可以作為同類設備設計的參考，并注意以下事項：

(1)應嚴格按要求提交產(chǎn)品符合中國安全規(guī)范規(guī)定的壓力容器基本安全要求的申明，以及產(chǎn)品與壓力容器基本安全要求的比照表，且要獲得國家質(zhì)檢總局的批復公示。

(2)申報及比照過程中，對于不符合TSG 21—2016基本安全要求的技術(shù)參數(shù)，應在滿足相應標準的前提下進行限定和優(yōu)化，確保符合國內(nèi)法規(guī)要求，同時做好其他相關技術(shù)參數(shù)的調(diào)整。

(3)設計計算過程中，要嚴格把控各項技術(shù)條款，綜合考慮設備各項載荷，嚴格按照相應的標準詳細計算。對于較為特殊的載荷，可利用其它計算方法補充計算，充分保障設備的安全性。

(4)結(jié)構(gòu)設計過程中，設計單位務必要綜合考慮設備工作時的各項因素，對原條件中不合理結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。