類外塔器的設計、制造、檢驗和管理

程　虎　關永祥　李志昌　王　魁　天津市創舉科技有限公司　天津　300130

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類外塔器的設計、制造、檢驗和管理

程虎關永祥李志昌王魁天津市創舉科技有限公司天津300130

摘要從安全角度出發，結合規范對這類塔器強度、材料、制造、檢驗及管理等方面進行分析，提出設計技術管理的要求。

關鍵詞塔器壓力差強度失效脆性斷裂

*程虎：助理工程師。2011年畢業于長春理工大學過程裝備與控制工程專業。從事化工壓力容器設計工作。聯系電話：(022)58855331,E-mail：cjkj@new-vst.cn。

按照《塔式容器》NB/T 47041-2014的規定，塔式壓力容器的“工作壓力”為：在正常工作情況下，其頂部可能達到的最高壓力。由于塔器的工藝特點，塔底部的壓力必定高于塔頂。在塔頂壓力小于0.1MPa時，塔頂以下至塔底部分的壓力卻可能達到或超過0.1MPa。如果此塔的介質特性、壓力容積之積也符合《 固定式壓力容器安全技術監察規程》TSG R0004-2009(以下簡稱《固容規》)的條件，則該塔潛在的危險程度已達到帶類容器的水平。

但由于其工作壓力小于0.1MPa，所以按照《固容規》的規定，該類塔器屬類外容器，不歸其管轄。而從安全角度，經過對這類塔器強度、材料、制造、檢驗及管理等各方面的分析，得出結論：對其管理方面，設計圖紙要提出相當于帶類容器的技術要求。

1塔頂與塔底存在壓差

塔頂與塔底壓力差的存在，使一些類外塔器潛在的危險程度已達到帶類容器的水平。

塔器的工藝特點是氣相由塔底進入，在通過相當高的塔體到達塔頂的過程中，要穿過塔內件及液相以便進行氣液傳質，因而存在一個不容忽視的塔頂與塔底之間的壓力差。例如，當塔盤層數為100層時，這個壓力差約為0.06MPa。所以若塔頂氣相壓力為0.09MPa時，則塔底氣相壓力為0.15MPa.由0.15MPa降至0.1MPa約經過83層塔盤，按塔盤間距0.4m計算，氣相介質壓力為0.15至0.1MPa的塔體長度為33.2m。如果塔徑是1.8m，其容積為84.5m3。扣除各層塔盤及其上面的液層體積，有效氣相容積約60m3，壓力容積之積按壓力平均值0.125MPa計算為7500MPa·L。

《固容規》1.3條規定：① 工作壓力大于或者等于0.1MPa；② 工作壓力與容積的乘積大于或者等于2.5MPa·L；③ 盛裝介質為氣體、液化氣體以及介質最高工作溫度高于或者等于其標準沸點的液體。這三條同時具備時，便屬《固容規》管轄，即屬于帶類容器。其宗旨就是當介質、壓力、壓力容積之積達到這個水平，其危害程度就必須予以特殊的對待，材料、制造、檢驗、管理就應按《固容規》執行。

由于《塔式容器》的3.2條規定：“工作壓力：在正常工作情況下，塔式容器頂部可能達到的最高壓力。”所以雖然該塔實際工作壓力等于或超過0.1MPa的氣相容積達60 m3，破壞力即壓力容積之積為7500MPa·L,比《固容規》劃定2.5MPa·L大3000倍，其潛在的危害程度已達到帶類容器的水平，卻因為圖面標注的“工作壓力”小于0.1MPa,而不屬于帶類容器。

對于這一點，《塔式容器》其實是做了考慮的，為了提高塔器的安全水平，其4.2.1的b)小條規定：“對于工作壓力小于0.1MPa的內壓塔式容器，設計壓力取不小于0.1MPa。”因而使工作壓力小于0.1MPa的塔式容器歸《壓力容器》管轄。而《壓力容器》的附錄A“標準的符合性聲明及修訂”指出“本標準所有部分均為協調標準，即按本標準所有部分建造的壓力容器可以滿足《固容規》的基本安全要求。”

但只屬《壓力容器》管轄的容器與《固容規》管轄的容器在安全水平的要求上，還是存在差距的。不然就沒必要在《壓力容器》管轄的容器范圍內，再特意劃出一部分歸《固容規》管轄。二者的區別就在于，《固容規》管轄的容器，更加強了對于壓力容器材料、設計、制造、檢驗以及安全附件等幾方面的控制，充分體現了安全為基本要求的理念，以避免失效的發生和規避風險的存在。

2類外塔器問題的分析及處理措施

“工作壓力”<0.1MPa而塔頂以下部分工作壓力≥0.1MPa時，不帶類塔器設計中對強度、材料、制造、檢驗、管理等問題的分析及處理措施。

作為壓力容器設計者，此時要依據《壓力容器》和《塔式容器》賦予設計者的權限，對此類塔器在強度、材料、制造、檢驗、管理等方面做出妥善處理。

《塔式容器》引言中提出“由于沒有必要、也不可能囊括適用范圍內塔式容器建造中的所有技術細節，因此，在滿足法規所規定的基本安全要求的前提下，不應禁止本標準中沒有特別提及的技術內容。本標準不能作為具體塔式容器建造的技術手冊，亦不能替代培訓、工程經驗和工程評價。”《壓力容器》在引言中提出了相同的內容。所以，設計者有責任以相關法規、標準的宗旨為依據，同時認識到相關法規、標準中的具體條文是最低要求，應從壓力容器失效和破壞的原理出發，使此類塔器的設計在強度、材料、制造、檢驗、管理等方面達到合理。現討論如下：

2.1　強度方面

《塔式容器》這樣規定“工作壓力”，一般情況下不會影響塔的強度設計。按《壓力容器》和《塔式容器》中“計算壓力”的概念，在計算塔體下部壁厚時，計算壓力的值應在“設計壓力”的基礎上，加上塔頂與塔底之間的壓力差，這樣就可以使塔底部分有一個承受內壓的合理厚度。

由于塔體壁厚還要承受風載荷、地震載荷和偏心載荷，在壓力較低的情況下，塔體壁厚往往被風載荷、地震載荷和偏心載荷所控制。所以《塔式容器》這樣規定工作壓力，大多數情況下，不會影響到塔的強度設計，即不會發生強度失效。然而，壓力容器的安全問題不僅僅是強度失效，大量的容器失效統計說明，壓力容器斷裂、爆炸等重大失效事故的主要原因，不是強度失效，而是脆性斷裂。

《化工容器設計》舉了一個例子：英國做了一個30年的壓力容器事故統計，12700臺壓力容器在10萬個容器運行年中，發生了132件破壞事故(其中7件是災難性的)。在這些事故中，由裂紋引起的事故(即脆性斷裂)118件，占89.3%。使用不當引起的事故8件，占6.1%。其余為腐蝕、制造缺陷、蠕變引起的事故，共占4.6%。其中沒有強度失效的事故。即便使用不當一項姑且都理解成因操作不當而超壓造成強度失效，那也不是設計、制造環節的問題。

同時還需說明，強度失效時，會有一個前期癥兆，預警人們采取緊急措施，使事態不至于發展成災難性事故。而脆性斷裂，往往是在其工作應力低于屈服應力甚至低于許用應力的情況下突發的，人們來不及做出反應就已釀成災難性事故。所以對脆性斷裂我們尤其要給以關注。

2.2　材料、制造及檢驗方面

材料、制造及檢驗都關系到塔器的脆性斷裂。但前以述及，《壓力容器》和《塔式容器》在編制過程中，都強調了與《固容規》的協調一致，尤其工作壓力<小于0.1MPa的塔器，設計壓力取不小于0.1MPa，因而使所有塔器都歸《壓力容器》管轄。根據前已述及的《壓力容器》和《塔式容器》的符合性聲明，所以在材料、制造和檢驗方面也都達到了《固容規》的要求。

2.3　管理方面

在管理方面，此類塔器與《固容規》管轄的壓力容器存卻在一定差距，即《固容規》對于帶類壓力容器的安全可靠性要求，尤其是在控制脆性斷裂方面，還是高于類外壓力容器的。在容器的使用管理方面，帶類容器在服役的整個壽命中，國家的技術監督部門除定期檢測容器厚度，必要時的耐壓試驗，以避免強度失效外，更重要的是通過定期的表面無損檢測，必要時的超聲檢測、射線檢測、金相檢驗等措施，能及時發現疲勞裂紋，應力腐蝕裂紋，再熱裂紋以及金屬組織的韌性降低等引起脆性斷裂的隱患，以避免發生災難性的爆炸事故。因為很多裂紋以及金屬組織的韌性降低是在使用一定的時間后才會出現的。

而不帶類的壓力容器，則沒有技術監督部門的這些檢測。在相差甚遠的這兩種管理情況下，帶類與不帶類壓力容器的安全可靠性，就產生了很大的差距。存在這種差距是合理的，它體現了工程技術的經濟性原則。但對于本文所討論的這類塔器，雖不帶類，但其危害程度已達到帶類容器危害程度。其在使用中可能發生的各種裂紋及金屬組織的韌性降低，必須給以嚴格控制。所以屬于下列情況：如壁厚較厚，結構剛性較大的;載荷循環次數雖尚不需進行疲勞分析，但循環次數已接近規定值的；介質對塔殼材質有應力腐蝕傾向的；塔殼材質、制造工藝、及工作溫度使塔殼有再熱裂紋傾向的；則應在設計圖紙的技術要求中提出:在設備服役后定期對可能產生的裂紋做出可靠的檢測,以及必要時的金相檢測，避免脆性斷裂的發生。

“工作壓力”<0.1MPa而塔頂以下部分工作壓力≥0.1MPa時，不帶類塔器的設計問題是有一定的典型意義的，同時也是存在較久的問題，值得重視，做出妥善處理。2005年出版的《化工壓力容器設計-方法、問題、和要點》一書中有這樣一個例子：“某單位設計的甲醇精餾塔，介質為甲醇和水，工作壓力為0.02MPa,設計溫度為126.5℃，容積161立方米劃為一類容器。因該塔工作壓力小于0.1MPa,不屬于《固容規》的監察范圍，在該單位設計資質換證審查時，被審查組列為劃類錯誤。筆者看到上述通報材料后，感到該甲醇精餾塔的設計者將其劃為一類壓力容器，即合情，又合理，但是有點不合法。從容積推算塔高要有幾十米，塔頂的最大工作壓力雖是0.02MPa,但塔中間的介質入口壓力一定要遠大于0.1MPa,才能實現精餾工藝過程。甲醇是中度危害介質。設計者考慮這些因素相應提高要求，與《固容規》出發點是一致的，但由于塔器的特殊性造成了劃類錯誤。可以對該設備在一系列具體的技術保證措施方面采取相應的措施，但不應劃類，避免與技術法規發生正面沖突以維護技術法規的嚴肅性和可操作性。”

3壓力容器設計思路

壓力容器設計要做到維護技術法規的嚴肅性和可操作性與壓力容器設計的合理性較好地統一。

關于“工作壓力”<0.1MPa而塔頂以下部分工作壓力≥0.1MPa的不帶類塔器設計中的強度、材料、制造、檢驗、管理問題，雖然已經得出結論，但這個問題給我們的啟示，也是值得提出的。

正如《壓力容器》和《塔式容器》的引言所述，任何一個技術法規和技術標準都不可能囊括所有技術細節。因此，在滿足法規所規定的基本安全要求的前提下，不應禁止標準中沒有特別提及的技術內容。從這里我們可以領悟到，《壓力容器》和《塔式容器》賦予設計者根據每臺具體設備的特點提出各自不同的技術措施的權力。這是新標準站在更高的角度，更合理地規范壓力容器的建造(設計、制造、檢驗)及使用管理。但同時也對設計者提出了更高的要求。由此，設計者應放棄滿足相關法規、標準所列條文即為合格設計的觀念，而是要盡可能多地掌握專業基礎知識和專業知識，在相關法規、標準不必要也不可能囊括的情況下，按照這些相關法規、標準的宗旨所要求的技術細節，提出合理的技術措施，從而完滿地從事壓力容器設計，使維護技術法規、標準的嚴肅性和可操作性與壓力容器設計的合理性達到較好地統一。

參考文獻

1TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

2NB/T 47041—2009，塔式容器[S].

3GB 150.1～150.4—2011，壓力容器[S].

4華東化工學院，浙江大學。化工容器設計[M].湖北湖北科學技術出版社。1985

5王菲.化工壓力容器設計-方法、問題和要點[M]..北京：化學工業出版社。2005.

(收稿日期2014-12-31)