淺談壓力容器設備管口許用載荷問題

張馳群

（中國寰球工程公司)

壓力容器

淺談壓力容器設備管口許用載荷問題

張馳群*

（中國寰球工程公司)

論述了設定壓力容器設備管口許用載荷數值的必要性及原則。對于一般的壓力容器，根據以往的工程實踐經驗，推薦了接管許用載荷，包括力和彎矩系列數值，并對設備管口載荷引起的殼體局部應力的核算問題進行了討論。

壓力容器 接管 許用載荷 法蘭 應力

0 前言

近年來，隨著石化裝置規模的大型化，大口徑、操作條件苛刻及走向復雜的壓力管線逐漸增多。這些管線作用在與其連接的壓力容器設備接管上的載荷，包括力、彎矩及扭矩，對設備本體及其接管產生的影響越來越受到壓力容器設計者的重視。本文從幾個方面來分析和探討在壓力容器設計時，如何考慮壓力管道對設備本體及接管產生的載荷作用，以及如何設定較為合理的設備管口許用載荷數值，以保證壓力容器設計的經濟性、安全性及合理性。本文提到的設備管口許用載荷，均指所有與管線相連接的接管及其補強板、接管所在處的殼體能夠承受來自管線直接作用的力和彎矩數值。

1 設備管口許用載荷確定的必要性及原則

設備管口許用載荷的確定，主要涉及負責壓力容器設計的設備專業和負責壓力管道設計的管道專業。設備專業作為管道專業的上游專業，一般先行開展工程設計，然后將初步的工程圖作為設計輸入條件提供給管道專業。管道專業根據設備圖紙，結合設備布置圖、工藝管線壓力等級劃分及管道走向布置圖等，提出設備管口的實際載荷條件，反饋給設備專業，以便進行設備管口載荷的最終核算。從設備專業的角度考慮，作為先行開展設計的上游專業，如果選擇較大的設備管口許用載荷進行設計，而將來若管道實際載荷較小，就會造成設備殼體厚度及相關接管壁厚的設計裕量較大，造成材料浪費。如果設定較小的設備管口許用載荷，而將來若管道實際載荷比設定的管口許用載荷增加較多，設備專業就需要重新進行與管口載荷相關的應力校核計算。這樣，一方面增加了設計工作量，甚至可能造成設計返工，另一方面又可能為了滿足過大的管口載荷條件而不得不增加設備殼體厚度及接管壁厚等。如果設備主材已經訂貨，還會對工程項目的費用及進度產生一定的影響。所以，在設備專業開始進行工程設計時，一般在初步（基礎）設計階段，就需要確定設備管口許用載荷數值，以便保證工程設計的安全性、經濟性和合理性。

對設備管口許用載荷的確定原則，國內外一些工程公司及設計院編制了相關的工程技術規定，有些還積累了一定的工程實踐數據。大體上，設備管口許用載荷基本與設備殼體直徑、壁厚及接管的壓力等級等幾個因素相關。美國Stone&Webster公司的項目規定中確定設備管口許用載荷（力及彎矩數值）的原則值得借鑒參考，該公司對于設備管口許用載荷（力及彎矩）推薦參照下述公式確定（力及彎矩示例見圖1）：

式中FL，Fφ，FA——力，kgf；1 kgf=9.8 N；

ML，Mφ，MT——彎距，kgf·m；1 kgf·m=9.8 N·m；

D——設備公稱直徑，in；1 in=25.4 mm；

圖1 設備管口載荷

b——系數，按接管法蘭壓力等級從表1中選取。

表1 接管法蘭壓力等級與b值選取對照表

任何工程公司或設計院關于設備管口許用載荷的設計技術規定和工程實踐數據均無法適用于各類石化裝置。即使同一類型工藝裝置，對于不同的廠區占地，不同的設備布置，不同的工藝管線壓力等級劃分及管道走向，設備管口所受的力和彎矩數值都可能不同。工程設計人員最終均需要根據管道的實際載荷條件進行殼體及接管局部應力核算，來保證設備本體與接管連接處的安全。

2 設備管口許用載荷推薦數值

盡管任何工程設計規定和工程實踐數據均無法確定一整套設備管口載荷數據使其應用于各類石化裝置，但工程設計人員仍需要一系列設備管口許用載荷數據來指導工程設計，最大程度促進工程設計的安全性、經濟性和合理性。經過多個項目的工程設計實踐，并參照TCM公司設計規定，筆者推薦，對一般壓力容器設備管口許用載荷可參照表2并結合如下要求進行選取。除設計文件特殊規定或管道專業明確提出設備管口載荷具體數值外，對于殼體半徑R=1000 mm、殼體有效厚度t=10 mm的設備，對其接管尺寸介于DN150與DN600之間的設備管口，所有與管道相連的接管及其補強板、接管所在處的殼體都應保證能夠承受表2所列的力和彎矩(力和彎矩及其方向示例見圖1)。對于不同直徑和壁厚的壓力容器設備，應對表1所列數值乘以系數k進行修正，進而確定管口許用載荷數值。k的取值如下：

式中t——殼體有效厚度，mm；

R——殼體內半徑，mm。

表2 碳鋼設備管口許用載荷參照表

對于設備主體材質為不銹鋼的壓力容器設備，管口許用載荷一般應在表2所列出的力和彎矩數值的基礎上降至75%來考慮選擇管口許用載荷數值。對于高壓設備，管口許用載荷數值可相應提高。筆者建議，除設計文件特殊規定或管道專業提出設備管口載荷條件外，可參照表3選取設備管口許用載荷數值。表3中數值同樣基于殼體半徑R=1000 mm、殼體有效厚度t=10 mm的設備上接管尺寸介于DN150與DN600之間的設備管口，對于不同直徑和壁厚的壓力容器設備，仍按表2的修正原則確定管口許用載荷數值。

表3 不銹鋼設備管口許用載荷參照表

總之，壓力容器設備管口許用載荷的確定需要有一個基本原則，且需要根據具體項目的情況進行具體分析。許用載荷數值的確定，既要考慮設備本體及接管等的承受能力，也要考慮管道實際載荷作用的影響，要在設備和管道兩個專業間找到一個相對合理的平衡基準線（管口許用載荷數據系列）。這樣，才能實現設備和管道整體設計的合理性、經濟性和安全性，使兩個專業都節約設計工作量、減少設計返工。

3 設備殼體局部應力核算的時機和范圍

在初步（基礎）設計階段，如果不考慮管道作用在壓力容器設備管口上的載荷，不進行殼體及接管的局部應力計算，或將局部應力計算工作留到詳細設計階段進行，很可能會在詳細設計階段造成設計返工，甚至對已經訂貨的設備主材規格產生影響，進而影響項目費用和工期。如果在此階段對全部設備管口處的管道載荷均進行殼體局部應力設計計算，又將給設備專業帶來很大的設計工作量。因此，對設備殼體及接管局部應力設計計算的時機和范圍，本文有如下觀點供工程設計者參考。

首先，在初步 (基礎)設計階段，工程設計者應會同管道專業初步辨識哪些管線可能對設備管口產生較大的外載荷作用，哪些管線可能產生較小的外載荷作用，可以忽略其對設備本體及接管安全的影響而不需要核算。根據工程設計實踐，筆者認為，在初步（基礎）設計階段，除了管道專業提出特殊要求外，從減少設計工作量角度出發，應從設備設計溫度和管口尺寸兩個方面來確定壓力容器設備上需要進行局部應力設計核算的接管范圍，具體確定原則如下：

（1）圖2中Ⅰ類和Ⅱ類區域內對應的設備管口一般可不做殼體及接管的局部應力核算；

圖2 殼體及接管的局部應力核算分區圖

（2）圖2中Ⅲ類區域（含Ⅲ類區域與Ⅰ、Ⅱ類區域的分界線）對應的設備管口一般應做殼體及接管的局部應力核算。核算時可參照本文表2和表3來選取設備管口的許用載荷數值。

根據工程實踐經驗，在初步（基礎）設計階段，除了特殊情況及特殊要求外，對于設計溫度介于-46～200℃之間，且管口尺寸小于DN400的大部分設備管口，均不必進行殼體及接管局部應力的設計計算，這樣可減少很多設計工作量，同時也不至于后續詳細設計階段造成大范圍設計返工。

在詳細施工圖設計階段，對于上述提到的免除與管口載荷相關的殼體及接管局部應力核算的管口，需要根據管道專業提出的管口具體載荷條件進行設計核算，若管道專業未提出具體載荷條件，可參照本文表2和表3中所列載荷數據進行與管口載荷相關的殼體及接管局部應力的設計計算。

4 結束語

（1）本文主要探討了壓力容器設備管口許用載荷問題，論述了與設備管口許用載荷相關聯的幾個因素，包括設備殼體直徑、殼體壁厚及接管的壓力等級，建議了設備管口許用載荷的確定原則。

（2）結合工程設計經驗，對一般壓力容器設備管口許用載荷，推薦了一系列具體的力和彎矩數值，供工程設計人員在進行殼體局部應力計算時參考借鑒。

（3）考慮到與接管載荷相關設計的經濟性、安全性及合理性，從減少設計工作量及防止后期設計返工兩個角度出發，建議了殼體局部應力核算的范圍及時機。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.壓力容器（第一部分：通用要求）：GB 150.1—2011[S].

[2]中華人民共和國工業和信息化部.鋼制管法蘭、墊片、緊固件：HG/T 20592～20635—2009[S].

化工裝備行業進入深度調整期

2017年，化工裝備全行業經濟運行將會延續下行態勢，行業利潤增長率還會有較大回落，企業虧損面及虧損額會有較大的增加，化工裝備制造行業已經進入了深度調整時期。行業企業必須練好內功，優化結構，提升品質，并積極 “走出去”發展。

目前是化工裝備行業發展的低谷期，這種態勢可能在很長一段時期都存在。2016年化工裝備制造業的主營業務收入降幅同比加大，利潤總額大幅下降，下降幅度達到2015年的2倍，固定資產投資增長更是明顯下降，虧損企業數量和虧損額度明顯增加。目前，化工裝備市場需求明顯不足，行業經濟運行依舊處在弱勢企穩之中，下行風險和壓力依然很大。

現階段，制約化工裝備制造行業發展的問題集中表現在四個方面：一是產能結構性過剩，高端產能不足、低端產能嚴重過剩并存；二是同質化競爭嚴重；三是自主創新能力不強；四是國際產能合作欠佳。

對那些因資金鏈、長期虧損、市場份額等問題無法正常經營的企業，應鼓勵其關停或市場退出，以淘汰落后產能。同時，鼓勵有實力的大企業與生產低端產品、勞動密集型產品的中小企業進行產業聯盟或并購重組，將這些中小企業納入大企業的產品生產體系，使中小企業成為大企業的零部件或配件的供應商，形成穩定的 “二重結構”。同時，企業還要做好產品質量管理，倡導“工匠精神”，以增強競爭力。

為了促進化工裝備制造業的升級發展，政府部門也有新動作。響應國家簡政放權的精神，國家質檢總局特種設備安全監察局目前正在研究制定行政許可改革方案，總體思路是盡量減少行政許可項目，采取取消部分項目、合并項目、減少分級等措施，切實為企業減負。

“走出去”開展國際產能合作也受到重視。當前業內企業要抓住我國石化行業對 “一帶一路”沿線國家加大油氣資源開發、石化項目投資等海外基礎設施建設的機遇，進一步提升裝備制造業的國際競爭力;同時要引導企業從向海外銷售產品，逐步轉變為與國際知名企業聯合生產，再過渡到在海外建廠實現本土化生產，通過 “三步走”戰略來實施國際產能合作。

(錢松)

Discussion on Piping Nozzle Allowable Loads of Pressure Vessel Equipment

Zhang Chiqun

The necessity and principle of setting the piping nozzle allowable load value are discussed.For general pressure vessel equipment,according to past engineering experience,the allowable load of the nozzle is recommended,including force and moment series values.The local stress of the housing is caused by the piping nozzle load,and the calculation problem is discussed.

Pressure vessel;Connecting pipe;Allowable load;Flange;Stress

TQ 050.2

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.011

2016-09-23）

*張馳群，男，1976年生，碩士，高級工程師。北京市，100012。