分氣缸設計壽命與相關問題的討論

李崇勇 關慶賀 張 光

(中國石油遼陽石油化纖公司機械廠 遼陽 111003)

在備臺制造分氣缸進行施工圖工藝審圖時，發現設計壽命及相關問題，對此進行了討論，并給出了合理的建議。這是一臺安裝在室內的兩鞍座臥式容器，由φ325×8×4000mm 圓筒與橢圓形封頭組成，圓筒上方開設一DN150（φ159×5mm 接管）蒸汽進口，按需開設DN100（φ108×5mm 接管）、DN80（φ89×5mm 接管）、DN50（φ57×4mm 接管）等多個蒸汽出口，一DN25（φ32×3.5mm 接管）壓力表接口，一DN25（φ32×3.5mm 接管）安全閥接口，圓筒下方開設一DN25（φ32×3.5mm 接管）排放口，技術特性見表1。

表1 技術特性

分氣缸屬于分離容器，作為蒸汽的緩沖與分配用途，《固容規》[1]將其正式化為管轄范圍，監管其設計、選材、制造、檢驗以及使用管理與定期檢驗等符合安全要求。

1 設計壽命

施工圖沒有給出設計使用年限（設計壽命），只給出腐蝕裕量3mm，焊接接頭系數1.0，并要求B 類接頭100%RT-I 合格。

設計壽命應根據失效模式與工程經驗合理確定[1]。分氣缸的失效模式主要為強度失效與腐蝕失效，鑒于強度失效的設計與制造控制應符合GB 150[2]及JB/T 4731[3]的規定，而強度失效控制需要腐蝕裕量，這里僅討論以腐蝕失效控制確定設計壽命。

分氣缸的腐蝕失效主要是內表面的水蒸氣均勻腐蝕、蒸汽進口處的內壁沖蝕以及外表面的大氣腐蝕與保溫層下腐蝕。對于蒸汽進口處的沖蝕控制，建議設計在進口接管的對面設置防沖板；而外表面的大氣腐蝕及保溫層下腐蝕的控制，則按施工圖要求外表面按GB 8923 中Sa2.5 級除銹后，按SH 3022 涂兩遍防銹底漆，然后按SH 3010 進行保溫施工，并要求用戶使用時定期檢查保持保溫層和涂漆完好。

對于內表面水蒸氣均勻腐蝕的控制則需要根據設計壽命和腐蝕速率來合理確定腐蝕裕量?？梢姡g裕量與設計壽命是相輔相成相互制約的，設計壽命通過對腐蝕失效的控制來實現，而腐蝕失效的控制又需要通過合理確定腐蝕裕量來保證。所以，一般容器的設計壽命需要根據工程經驗來確定，并通過對失效模式的控制來保證。而工程經驗則取決于安全性與經濟性的協調統一，即合于使用的結構與選材以及介質對結構材料腐蝕速率的合理確定等，最有參考價值的是備臺設備的實際使用年限。

這臺分氣缸系1993 年制造并使用，到制造備臺更換時運行20 年。GB 150 規定：水蒸氣的碳素鋼容器，腐蝕裕量不小于1mm。查《腐蝕數據手冊》[4]，水蒸氣對碳素鋼的腐蝕率＜0.05mm/年，若按設計壽命20 年計算，腐蝕裕量則＜1mm。但從分氣缸測厚數據上看，20 年的壁厚腐蝕量要大于1mm，接近2mm。可見，原設計的腐蝕裕量3mm 偏大，使壁厚富有余量。但壁厚余量大的真正原因是圓筒選用無縫鋼管：其一無縫鋼管的A 類對接接頭的焊接接頭系數為1.0，使得計算壁厚值較?。黄涠摴軜藴室幎é?25 鋼管的最小可供厚度較大（7.5mm），使得設計選用φ325×8。鑒于分氣缸圓筒φ325×8 的內徑接近300mm，設計沒有開設檢查孔（使用中無法進行內部檢驗），而施工圖的數據表中焊接接頭系數為1.0，技術要求提出“B 類接頭100%RT-I 合格”，但沒有注明計算厚度及要求使用時的定期檢驗應重點測厚。

有關設計標準[5，6]根據容器的重要性與經濟性、應用裝置及工程經驗等規定：一般容器的設計壽命不少于10 年。所以，考慮此分氣缸的安全性與經濟性，加之使用中不能進行內部檢驗以及可能存在冷凝水等因素，設計壽命定為15 年，而腐蝕裕量取為2mm 較為合理。并在施工圖中注明“計算厚度”及要求“使用時的定期檢驗應重點測厚”，以合理控制使用壽命。

2 安全附件

分氣缸施工圖開設有安全閥和壓力表管口，但運行中安全閥一直沒有起跳，用戶要求去掉安全閥管口，保留壓力表管口。

據了解，這臺分氣缸的蒸汽是由石化公司的動力廠供應，在動力廠的蒸汽出口已經安裝了減壓閥，并在減壓閥的后面安裝了安全閥和壓力表，而施工圖的設計壓力和設計溫度就是取蒸汽出口處的低壓過熱蒸汽的壓力與溫度。

根據《固容規》中8.2 安全附件裝設要求：（1）本規程適用范圍內的壓力容器，應當根據設計要求裝設超壓泄放裝置（安全閥或爆破片裝置），壓力源來自容器外部，并且得到可靠控制時，超壓泄放裝置可以不直接安裝在壓力容器上；（4）壓力容器工作壓力低于壓力源壓力時，在通向壓力容器進口的管道上應當裝設減壓閥，如因介質條件減壓閥無法保證可靠工作時，可用調節閥代替減壓閥，在減壓閥或調節閥的低壓側，應當裝設安全閥和壓力表。這臺分氣缸可以不裝設安全閥而去掉安全閥管口，鑒于分氣缸圓筒選用φ325×8mm 鋼管，設計壓力與溫度選取蒸汽出口處的低壓過熱蒸汽的壓力與溫度未嘗不可。

保留壓力表管口并安裝壓力表是必要的，以便分氣缸運行時監控，滿足分氣缸的安全使用要求。可見，容器的設計壽命不僅需要建造（設計與制造）控制失效模式的可靠性，而且更需要在使用中避免超出設計條件使用發生失效，而安全附件則起到了控制失效發生條件的作用，保障容器設計壽命的實現。所以，安全附件應合理設置，以支持容器的設計使用壽命。

3 開孔補強

分氣缸圓筒上方開設一DN150（φ159×5mm接管）蒸汽進口，其管口接管中心線距離封頭與圓筒的對接環縫200mm，然后按距離蒸汽進口中心線400mm 開設蒸汽出口DN100（φ108×5mm 接管）、依次中心間距300mm 按需開設DN80（φ89×5mm接管）、DN50（φ57×4mm 接管）等多個蒸汽出口，最后開設DN25（φ32×3.5mm 接管）壓力表接口距離圓筒與封頭的對接環縫100mm。

原設計采用整體補強，即利用圓筒鋼管的多余厚度進行開孔補強。經計算校核，不論是按GB 150—1989 版的鋼管許用應力，還是按GB 150—2011 版鋼管的許用應力，計算結果都能保證δe＞2δ（fr=1 時，推導過程略），而無需另外補強，即圓筒的鋼管厚度滿足所有開孔的整體補強要求。

值得討論的是，對于接管外徑≤89mm 的圓筒開孔，若按GB 150.3 中6.1.3 的開孔不另行補強規定，雖然，設計壓力＜2.5MPa，兩相鄰開孔中心的間距大于兩孔直徑之和。但按GB 150.3 中6.1.3d）接管壁厚要求（表6-1 接管壁厚的腐蝕裕量為1mm），由于原設計的腐蝕裕量為3mm，DN80（φ89×5mm 接管）、DN50（φ57×4mm 接管）、DN25（φ32×3.5mm 接管）就不符合要求，需要或相應增加壁厚或進行開孔補強計算。但從分氣缸實際使用看，所選接管的開孔補強還是滿足要求，這也說明原設計的腐蝕裕量偏大。

容器的開孔補強是規則設計GB 150.3 的5 章設計計算中之一，也是強度失效控制的重要措施之一，同樣支持著容器的設計壽命。

4 試驗壓力

表2 圓筒、接管液壓試驗壓力計算數據

表3 封頭液壓試驗壓力計算數據

表4 管法蘭液壓試驗壓力計算數據

耐壓試驗是在容器制造后投運前以短時超壓試驗全面考證容器建造（設計與制造）的可靠性（整體強度及密封性能等質量水平），以保證使用時的本質安全，這也是對設計壽命的支持。鑒于耐壓試驗安全性，在能達到試驗目的的前提下，應合理選擇耐壓試驗種類和試驗壓力。

5 結語

合理確定設計壽命體現設計水平，而確定設計壽命需要失效模式的控制和工程經驗的積累。一般以工程經驗確定設計壽命，再以失效模式控制來保障設計壽命。

1）腐蝕裕量與設計壽命相輔相成相互制約，設計壽命通過對腐蝕失效的控制來實現，而腐蝕失效的控制又需要合理確定腐蝕裕量來保證，合理的結構選材及確定腐蝕裕量是對腐蝕失效的控制。

2）設計壽命不僅需要建造控制失效風險的可靠性，而且更需要使用避免超出設計條件失效發生的可能性，安全附件則起到了控制異常失效發生條件的作用，保障容器的設計壽命。所以，安全附件應合理設置，以支持容器的設計使用壽命。

3）開孔補強是對強度失效控制之一，而耐壓試驗則是對建造的可靠性控制，都支持容器的設計使用壽命。所以，設計應引起重視。

[1] TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術監察規程及釋義[S].

[2] GB 150—2011 壓力容器及釋義[S].

[3] JB/T 4731—2005 鋼制臥式容器[S].

[4] 左景伊.腐蝕數據與選材手冊[M].北京:化學工業出版社,1995

[5] HG/T 20580—2011 鋼制化工容器設計基礎規定[S].

[6] SH/T 3074—2007 石油化工鋼制壓力容器[S].