關于氯氣緩沖罐設計的探討

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《壓力容器中化學介質毒性危害和爆炸危險程度分類》規(guī)定，氯屬于高度危害的化學介質。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監(jiān)察規(guī)程》，本容器類別為II類。所以對氯氣緩沖罐的設計需要慎重和精心。

1 氯氣緩沖罐的設計條件

用戶提出的設計條件：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 設計參數(shù)的選取

設計壓力：氯的臨界壓力是7.61MPa,臨界溫度是144℃，設備無保溫。雖不是儲存容器，但作為液化氣體的緩沖罐，設計參數(shù)選擇參照《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》表3-4的要求。容器的工作壓力來自泵出口。按用戶給定的工作溫度30℃，查《壓力容器設計指導手冊》附錄表9，其對應的飽和蒸氣壓為0.86Mpa；選取設計溫度40℃，其對應的飽和蒸氣壓為1.1 Mpa。在這樣的工作壓力及設計壓力下，介質狀態(tài)均為液體。

2.2 設計技術參數(shù)

由于此種介質的腐蝕性極強，所以腐蝕裕量選取較大，按4mm計。技術參數(shù)為：容器類別II，設計壓力 1.1Mpa，設計溫度 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，基本風壓 400N/m2，地震設防烈度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)生應力腐蝕，這樣該容器的材料就不能選用不銹鋼材質。針對這種介質的特性，保證容器的安全使用，殼體選用了碳素鋼Q245R，該材質應符合GB713-2008標準《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，介質高度危害，鋼板需逐張進行超聲波檢測；按GB150.2-2011中表3的規(guī)定，容器封頭所用12mm厚鋼板需要逐張進行超聲波檢測；因此本容器殼體（包括封頭）所用Q245R鋼板要求逐張進行超聲波檢測，按JB/T4730.3 II 級合格。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級鍛件的要求。

4 緩沖罐結構的設計

4.1 該緩沖罐的結構簡圖（見圖1）

4.2 為保證安全使用，設計考慮的問題

a結構應盡量簡單，減少約束；

b盡量避免結構形狀的突然變化，以減小局部高應力；

c容器的支座墊板與殼體同材質；

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力集中。

4.3 在結構型式上具體采取了以下幾項措施

a殼體的AB類焊接接頭采用了全焊透的焊接型式，開單面坡口見圖2所示，要求背面清理焊根后方可進行焊接。

b開孔接管與殼體的焊接接頭：為避免結構形式的突然變化，同時保證結構應力強度，接管采用了適當增加壁厚的形式，取消了以補強圈進行加強的結構方式。

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，見圖3所示。

d由于介質為高度危害，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)加強環(huán)的金屬纏繞墊片。連接螺栓選用了HG/T20613-2009全螺紋高強度螺柱，配套螺母為GB/T6175.Ⅱ級六角螺母。

e為了減少泄露點，該設備沒有設置人孔，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)縫之前對內(nèi)部所有焊縫進行100%表面磁粉檢測，按JB/T4730.4I級合格，在最后一道環(huán)縫焊接之后對此焊縫也要求進行100%表面磁粉檢測，按JB/T4730.4I級合格。

f從安全方面考慮，當介質為液化氣體，容器需設置安全閥口。安全閥選用全啟式氯氣專用安全閥。密封面為凸凹。并要求安全閥開啟后應設置專用的管道將流出介質引到專用的密閉容器中。

5 強度設計計算

本容器的設計計算采用了SW6-2011 v-1.0軟件進行了計算。

計算包括：

a強度校核：筒體強度校核，封頭強度校核；

b開孔補強校核；

c最高允許工作壓力的確定和強度校核（包括設備本體及零部件）。

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中法蘭材料在設計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，去校核設備殼體封頭接管支座的強度，滿足強度要求后，就可以確定此值為最大允許工作壓力。若不滿足強度要求，需要逐步降低此值，只有求出滿足強度要求的值，才可以最為最大允許工作壓力。

d安全閥計算；

e由于本容器設置了安全閥，安全閥的整定壓力需要兩次設定：氣密試驗時一次，使用單位根據(jù)實際操作壓力再進行設置一次。

以上計算均符合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 本容器的檢驗和試驗的設計要求

由于容器介質為高度危害，焊縫系數(shù)取1，檢試驗要求如下：

6.1 焊接接頭的檢驗要求

表面質量要求

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，未填滿和肉眼可見的夾渣等缺陷；

b焊縫與母材應道圓滑過渡；

c角焊接的外形應當凹形圓滑過渡。

6.2 無損檢測及其他要求

a容器A.B類焊接接頭進行100%射線探傷。按JB/T4730.2Ⅱ級合格；

b容器與開孔接管的D類焊縫進行100%磁粉探傷。按JB/T4730.4.I級合格；

c本容器需按NB/T47016-2011《承壓設備產(chǎn)品焊接試件的力學性能檢驗》制備產(chǎn)品焊接試件，產(chǎn)品焊接試件按照與設備相同的熱處理工藝進行熱處理,熱處理后做力學性能檢驗，（包括硬度檢測）各項性能均應符合該標準要求；

d設備熱處理后做硬度檢測，任何部位的硬度值HV(10)≤220（單個值），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，本容器制造檢驗完畢需要消除應力熱處理。

6.3 壓力試驗

按1.25倍的最高允許工作壓力即1.63Mpa進行水壓試驗。同時需要校核水壓試驗時應力，并滿足符合GB150.1～4-2011的要求。

6.4 泄漏試驗

由于介質易爆、高度危害；按《固容規(guī)》和GB150規(guī)定應進行泄露試驗，所以圖紙要求水壓試驗合格后，應按設計壓力1.1Mpa進行氣密性試驗。氣密性試驗時，安全閥的整定壓力可定為1.2Mpa。

7 本容器內(nèi)外表面處理的設計要求

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

8 其它設計要求

考慮到該容器介質的高度危險性，為保證容器的安全使用，對使用單位提出了以下幾點要求。

8.1 安全閥的排出口應按GB150.1-2001附錄B中“B.3.10”的相關要求設置導出口。

8.2 壓力表與容器之間，應當設置三通旋塞閥，并且不得連接其他用途的任何配件或接管。由于介質的腐蝕性，在壓力表與容器之間應當裝設隔離介質的緩沖裝置。

8.3 使用單位可根據(jù)工作壓力來確定安全閥的整定壓力，整定壓力最大不得超過設計壓力1.1Mpa。

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

總之，針對氯氣介質的高度危害性和強腐蝕性，為保證容器的安全可靠運行，萬無一失。在整個設計過程中，必須特別重視和慎重對待設計工作，做到了設計工藝數(shù)據(jù)選用正確、材料選用正確、結構設計合理，檢驗試驗要求齊全，從而保證了容器使用的安全可靠，同時設計經(jīng)濟合理。設計文件均符合《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》和《壓力容器》等相關技術標準規(guī)程。設計質量得到了用戶的好評。