类外塔器的设计、制造、检验和管理

程　虎　关永祥　李志昌　王　魁　天津市创举科技有限公司　天津　300130



类外塔器的设计、制造、检验和管理

程虎关永祥李志昌王魁天津市创举科技有限公司天津300130

摘要从安全角度出发，结合规范对这类塔器强度、材料、制造、检验及管理等方面进行分析，提出设计技术管理的要求。

关键词塔器压力差强度失效脆性断裂

*程虎：助理工程师。2011年毕业于长春理工大学过程装备与控制工程专业。从事化工压力容器设计工作。联系电话：(022)58855331,E-mail：cjkj@new-vst.cn。

按照《塔式容器》NB/T 47041-2014的规定，塔式压力容器的“工作压力”为：在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力。由于塔器的工艺特点，塔底部的压力必定高于塔顶。在塔顶压力小于0.1MPa时，塔顶以下至塔底部分的压力却可能达到或超过0.1MPa。如果此塔的介质特性、压力容积之积也符合《 固定式压力容器安全技术监察规程》TSG R0004-2009(以下简称《固容规》)的条件，则该塔潜在的危险程度已达到带类容器的水平。

但由于其工作压力小于0.1MPa，所以按照《固容规》的规定，该类塔器属类外容器，不归其管辖。而从安全角度，经过对这类塔器强度、材料、制造、检验及管理等各方面的分析，得出结论：对其管理方面，设计图纸要提出相当于带类容器的技术要求。

1塔顶与塔底存在压差

塔顶与塔底压力差的存在，使一些类外塔器潜在的危险程度已达到带类容器的水平。

塔器的工艺特点是气相由塔底进入，在通过相当高的塔体到达塔顶的过程中，要穿过塔内件及液相以便进行气液传质，因而存在一个不容忽视的塔顶与塔底之间的压力差。例如，当塔盘层数为100层时，这个压力差约为0.06MPa。所以若塔顶气相压力为0.09MPa时，则塔底气相压力为0.15MPa.由0.15MPa降至0.1MPa约经过83层塔盘，按塔盘间距0.4m计算，气相介质压力为0.15至0.1MPa的塔体长度为33.2m。如果塔径是1.8m，其容积为84.5m3。扣除各层塔盘及其上面的液层体积，有效气相容积约60m3，压力容积之积按压力平均值0.125MPa计算为7500MPa·L。

《固容规》1.3条规定：① 工作压力大于或者等于0.1MPa；② 工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L；③ 盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。这三条同时具备时，便属《固容规》管辖，即属于带类容器。其宗旨就是当介质、压力、压力容积之积达到这个水平，其危害程度就必须予以特殊的对待，材料、制造、检验、管理就应按《固容规》执行。

由于《塔式容器》的3.2条规定：“工作压力：在正常工作情况下，塔式容器顶部可能达到的最高压力。”所以虽然该塔实际工作压力等于或超过0.1MPa的气相容积达60 m3，破坏力即压力容积之积为7500MPa·L,比《固容规》划定2.5MPa·L大3000倍，其潜在的危害程度已达到带类容器的水平，却因为图面标注的“工作压力”小于0.1MPa,而不属于带类容器。

对于这一点，《塔式容器》其实是做了考虑的，为了提高塔器的安全水平，其4.2.1的b)小条规定：“对于工作压力小于0.1MPa的内压塔式容器，设计压力取不小于0.1MPa。”因而使工作压力小于0.1MPa的塔式容器归《压力容器》管辖。而《压力容器》的附录A“标准的符合性声明及修订”指出“本标准所有部分均为协调标准，即按本标准所有部分建造的压力容器可以满足《固容规》的基本安全要求。”

但只属《压力容器》管辖的容器与《固容规》管辖的容器在安全水平的要求上，还是存在差距的。不然就没必要在《压力容器》管辖的容器范围内，再特意划出一部分归《固容规》管辖。二者的区别就在于，《固容规》管辖的容器，更加强了对于压力容器材料、设计、制造、检验以及安全附件等几方面的控制，充分体现了安全为基本要求的理念，以避免失效的发生和规避风险的存在。

2类外塔器问题的分析及处理措施

“工作压力”<0.1MPa而塔顶以下部分工作压力≥0.1MPa时，不带类塔器设计中对强度、材料、制造、检验、管理等问题的分析及处理措施。

作为压力容器设计者，此时要依据《压力容器》和《塔式容器》赋予设计者的权限，对此类塔器在强度、材料、制造、检验、管理等方面做出妥善处理。

《塔式容器》引言中提出“由于没有必要、也不可能囊括适用范围内塔式容器建造中的所有技术细节，因此，在满足法规所规定的基本安全要求的前提下，不应禁止本标准中没有特别提及的技术内容。本标准不能作为具体塔式容器建造的技术手册，亦不能替代培训、工程经验和工程评价。”《压力容器》在引言中提出了相同的内容。所以，设计者有责任以相关法规、标准的宗旨为依据，同时认识到相关法规、标准中的具体条文是最低要求，应从压力容器失效和破坏的原理出发，使此类塔器的设计在强度、材料、制造、检验、管理等方面达到合理。现讨论如下：

2.1　强度方面

《塔式容器》这样规定“工作压力”，一般情况下不会影响塔的强度设计。按《压力容器》和《塔式容器》中“计算压力”的概念，在计算塔体下部壁厚时，计算压力的值应在“设计压力”的基础上，加上塔顶与塔底之间的压力差，这样就可以使塔底部分有一个承受内压的合理厚度。

由于塔体壁厚还要承受风载荷、地震载荷和偏心载荷，在压力较低的情况下，塔体壁厚往往被风载荷、地震载荷和偏心载荷所控制。所以《塔式容器》这样规定工作压力，大多数情况下，不会影响到塔的强度设计，即不会发生强度失效。然而，压力容器的安全问题不仅仅是强度失效，大量的容器失效统计说明，压力容器断裂、爆炸等重大失效事故的主要原因，不是强度失效，而是脆性断裂。

《化工容器设计》举了一个例子：英国做了一个30年的压力容器事故统计，12700台压力容器在10万个容器运行年中，发生了132件破坏事故(其中7件是灾难性的)。在这些事故中，由裂纹引起的事故(即脆性断裂)118件，占89.3%。使用不当引起的事故8件，占6.1%。其余为腐蚀、制造缺陷、蠕变引起的事故，共占4.6%。其中没有强度失效的事故。即便使用不当一项姑且都理解成因操作不当而超压造成强度失效，那也不是设计、制造环节的问题。

同时还需说明，强度失效时，会有一个前期症兆，预警人们采取紧急措施，使事态不至于发展成灾难性事故。而脆性断裂，往往是在其工作应力低于屈服应力甚至低于许用应力的情况下突发的，人们来不及做出反应就已酿成灾难性事故。所以对脆性断裂我们尤其要给以关注。

2.2　材料、制造及检验方面

材料、制造及检验都关系到塔器的脆性断裂。但前以述及，《压力容器》和《塔式容器》在编制过程中，都强调了与《固容规》的协调一致，尤其工作压力<小于0.1MPa的塔器，设计压力取不小于0.1MPa，因而使所有塔器都归《压力容器》管辖。根据前已述及的《压力容器》和《塔式容器》的符合性声明，所以在材料、制造和检验方面也都达到了《固容规》的要求。

2.3　管理方面

在管理方面，此类塔器与《固容规》管辖的压力容器存却在一定差距，即《固容规》对于带类压力容器的安全可靠性要求，尤其是在控制脆性断裂方面，还是高于类外压力容器的。在容器的使用管理方面，带类容器在服役的整个寿命中，国家的技术监督部门除定期检测容器厚度，必要时的耐压试验，以避免强度失效外，更重要的是通过定期的表面无损检测，必要时的超声检测、射线检测、金相检验等措施，能及时发现疲劳裂纹，应力腐蚀裂纹，再热裂纹以及金属组织的韧性降低等引起脆性断裂的隐患，以避免发生灾难性的爆炸事故。因为很多裂纹以及金属组织的韧性降低是在使用一定的时间后才会出现的。

而不带类的压力容器，则没有技术监督部门的这些检测。在相差甚远的这两种管理情况下，带类与不带类压力容器的安全可靠性，就产生了很大的差距。存在这种差距是合理的，它体现了工程技术的经济性原则。但对于本文所讨论的这类塔器，虽不带类，但其危害程度已达到带类容器危害程度。其在使用中可能发生的各种裂纹及金属组织的韧性降低，必须给以严格控制。所以属于下列情况：如壁厚较厚，结构刚性较大的;载荷循环次数虽尚不需进行疲劳分析，但循环次数已接近规定值的；介质对塔壳材质有应力腐蚀倾向的；塔壳材质、制造工艺、及工作温度使塔壳有再热裂纹倾向的；则应在设计图纸的技术要求中提出:在设备服役后定期对可能产生的裂纹做出可靠的检测,以及必要时的金相检测，避免脆性断裂的发生。

“工作压力”<0.1MPa而塔顶以下部分工作压力≥0.1MPa时，不带类塔器的设计问题是有一定的典型意义的，同时也是存在较久的问题，值得重视，做出妥善处理。2005年出版的《化工压力容器设计-方法、问题、和要点》一书中有这样一个例子：“某单位设计的甲醇精馏塔，介质为甲醇和水，工作压力为0.02MPa,设计温度为126.5℃，容积161立方米划为一类容器。因该塔工作压力小于0.1MPa,不属于《固容规》的监察范围，在该单位设计资质换证审查时，被审查组列为划类错误。笔者看到上述通报材料后，感到该甲醇精馏塔的设计者将其划为一类压力容器，即合情，又合理，但是有点不合法。从容积推算塔高要有几十米，塔顶的最大工作压力虽是0.02MPa,但塔中间的介质入口压力一定要远大于0.1MPa,才能实现精馏工艺过程。甲醇是中度危害介质。设计者考虑这些因素相应提高要求，与《固容规》出发点是一致的，但由于塔器的特殊性造成了划类错误。可以对该设备在一系列具体的技术保证措施方面采取相应的措施，但不应划类，避免与技术法规发生正面冲突以维护技术法规的严肃性和可操作性。”

3压力容器设计思路

压力容器设计要做到维护技术法规的严肃性和可操作性与压力容器设计的合理性较好地统一。

关于“工作压力”<0.1MPa而塔顶以下部分工作压力≥0.1MPa的不带类塔器设计中的强度、材料、制造、检验、管理问题，虽然已经得出结论，但这个问题给我们的启示，也是值得提出的。

正如《压力容器》和《塔式容器》的引言所述，任何一个技术法规和技术标准都不可能囊括所有技术细节。因此，在满足法规所规定的基本安全要求的前提下，不应禁止标准中没有特别提及的技术内容。从这里我们可以领悟到，《压力容器》和《塔式容器》赋予设计者根据每台具体设备的特点提出各自不同的技术措施的权力。这是新标准站在更高的角度，更合理地规范压力容器的建造(设计、制造、检验)及使用管理。但同时也对设计者提出了更高的要求。由此，设计者应放弃满足相关法规、标准所列条文即为合格设计的观念，而是要尽可能多地掌握专业基础知识和专业知识，在相关法规、标准不必要也不可能囊括的情况下，按照这些相关法规、标准的宗旨所要求的技术细节，提出合理的技术措施，从而完满地从事压力容器设计，使维护技术法规、标准的严肃性和可操作性与压力容器设计的合理性达到较好地统一。

参考文献

1TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程[S].

2NB/T 47041—2009，塔式容器[S].

3GB 150.1～150.4—2011，压力容器[S].

4华东化工学院，浙江大学。化工容器设计[M].湖北湖北科学技术出版社。1985

5王菲.化工压力容器设计-方法、问题和要点[M]..北京：化学工业出版社。2005.

(收稿日期2014-12-31)