浅谈压力容器设备管口许用载荷问题

张驰群

（中国寰球工程公司)

压力容器

浅谈压力容器设备管口许用载荷问题

张驰群*

（中国寰球工程公司)

论述了设定压力容器设备管口许用载荷数值的必要性及原则。对于一般的压力容器，根据以往的工程实践经验，推荐了接管许用载荷，包括力和弯矩系列数值，并对设备管口载荷引起的壳体局部应力的核算问题进行了讨论。

压力容器 接管 许用载荷 法兰 应力

0 前言

近年来，随着石化装置规模的大型化，大口径、操作条件苛刻及走向复杂的压力管线逐渐增多。这些管线作用在与其连接的压力容器设备接管上的载荷，包括力、弯矩及扭矩，对设备本体及其接管产生的影响越来越受到压力容器设计者的重视。本文从几个方面来分析和探讨在压力容器设计时，如何考虑压力管道对设备本体及接管产生的载荷作用，以及如何设定较为合理的设备管口许用载荷数值，以保证压力容器设计的经济性、安全性及合理性。本文提到的设备管口许用载荷，均指所有与管线相连接的接管及其补强板、接管所在处的壳体能够承受来自管线直接作用的力和弯矩数值。

1 设备管口许用载荷确定的必要性及原则

设备管口许用载荷的确定，主要涉及负责压力容器设计的设备专业和负责压力管道设计的管道专业。设备专业作为管道专业的上游专业，一般先行开展工程设计，然后将初步的工程图作为设计输入条件提供给管道专业。管道专业根据设备图纸，结合设备布置图、工艺管线压力等级划分及管道走向布置图等，提出设备管口的实际载荷条件，反馈给设备专业，以便进行设备管口载荷的最终核算。从设备专业的角度考虑，作为先行开展设计的上游专业，如果选择较大的设备管口许用载荷进行设计，而将来若管道实际载荷较小，就会造成设备壳体厚度及相关接管壁厚的设计裕量较大，造成材料浪费。如果设定较小的设备管口许用载荷，而将来若管道实际载荷比设定的管口许用载荷增加较多，设备专业就需要重新进行与管口载荷相关的应力校核计算。这样，一方面增加了设计工作量，甚至可能造成设计返工，另一方面又可能为了满足过大的管口载荷条件而不得不增加设备壳体厚度及接管壁厚等。如果设备主材已经订货，还会对工程项目的费用及进度产生一定的影响。所以，在设备专业开始进行工程设计时，一般在初步（基础）设计阶段，就需要确定设备管口许用载荷数值，以便保证工程设计的安全性、经济性和合理性。

对设备管口许用载荷的确定原则，国内外一些工程公司及设计院编制了相关的工程技术规定，有些还积累了一定的工程实践数据。大体上，设备管口许用载荷基本与设备壳体直径、壁厚及接管的压力等级等几个因素相关。美国Stone&Webster公司的项目规定中确定设备管口许用载荷（力及弯矩数值）的原则值得借鉴参考，该公司对于设备管口许用载荷（力及弯矩）推荐参照下述公式确定（力及弯矩示例见图1）：

式中FL，Fφ，FA——力，kgf；1 kgf=9.8 N；

ML，Mφ，MT——弯距，kgf·m；1 kgf·m=9.8 N·m；

D——设备公称直径，in；1 in=25.4 mm；

图1 设备管口载荷

b——系数，按接管法兰压力等级从表1中选取。

表1 接管法兰压力等级与b值选取对照表

任何工程公司或设计院关于设备管口许用载荷的设计技术规定和工程实践数据均无法适用于各类石化装置。即使同一类型工艺装置，对于不同的厂区占地，不同的设备布置，不同的工艺管线压力等级划分及管道走向，设备管口所受的力和弯矩数值都可能不同。工程设计人员最终均需要根据管道的实际载荷条件进行壳体及接管局部应力核算，来保证设备本体与接管连接处的安全。

2 设备管口许用载荷推荐数值

尽管任何工程设计规定和工程实践数据均无法确定一整套设备管口载荷数据使其应用于各类石化装置，但工程设计人员仍需要一系列设备管口许用载荷数据来指导工程设计，最大程度促进工程设计的安全性、经济性和合理性。经过多个项目的工程设计实践，并参照TCM公司设计规定，笔者推荐，对一般压力容器设备管口许用载荷可参照表2并结合如下要求进行选取。除设计文件特殊规定或管道专业明确提出设备管口载荷具体数值外，对于壳体半径R=1000 mm、壳体有效厚度t=10 mm的设备，对其接管尺寸介于DN150与DN600之间的设备管口，所有与管道相连的接管及其补强板、接管所在处的壳体都应保证能够承受表2所列的力和弯矩(力和弯矩及其方向示例见图1)。对于不同直径和壁厚的压力容器设备，应对表1所列数值乘以系数k进行修正，进而确定管口许用载荷数值。k的取值如下：

式中t——壳体有效厚度，mm；

R——壳体内半径，mm。

表2 碳钢设备管口许用载荷参照表

对于设备主体材质为不锈钢的压力容器设备，管口许用载荷一般应在表2所列出的力和弯矩数值的基础上降至75%来考虑选择管口许用载荷数值。对于高压设备，管口许用载荷数值可相应提高。笔者建议，除设计文件特殊规定或管道专业提出设备管口载荷条件外，可参照表3选取设备管口许用载荷数值。表3中数值同样基于壳体半径R=1000 mm、壳体有效厚度t=10 mm的设备上接管尺寸介于DN150与DN600之间的设备管口，对于不同直径和壁厚的压力容器设备，仍按表2的修正原则确定管口许用载荷数值。

表3 不锈钢设备管口许用载荷参照表

总之，压力容器设备管口许用载荷的确定需要有一个基本原则，且需要根据具体项目的情况进行具体分析。许用载荷数值的确定，既要考虑设备本体及接管等的承受能力，也要考虑管道实际载荷作用的影响，要在设备和管道两个专业间找到一个相对合理的平衡基准线（管口许用载荷数据系列）。这样，才能实现设备和管道整体设计的合理性、经济性和安全性，使两个专业都节约设计工作量、减少设计返工。

3 设备壳体局部应力核算的时机和范围

在初步（基础）设计阶段，如果不考虑管道作用在压力容器设备管口上的载荷，不进行壳体及接管的局部应力计算，或将局部应力计算工作留到详细设计阶段进行，很可能会在详细设计阶段造成设计返工，甚至对已经订货的设备主材规格产生影响，进而影响项目费用和工期。如果在此阶段对全部设备管口处的管道载荷均进行壳体局部应力设计计算，又将给设备专业带来很大的设计工作量。因此，对设备壳体及接管局部应力设计计算的时机和范围，本文有如下观点供工程设计者参考。

首先，在初步 (基础)设计阶段，工程设计者应会同管道专业初步辨识哪些管线可能对设备管口产生较大的外载荷作用，哪些管线可能产生较小的外载荷作用，可以忽略其对设备本体及接管安全的影响而不需要核算。根据工程设计实践，笔者认为，在初步（基础）设计阶段，除了管道专业提出特殊要求外，从减少设计工作量角度出发，应从设备设计温度和管口尺寸两个方面来确定压力容器设备上需要进行局部应力设计核算的接管范围，具体确定原则如下：

（1）图2中Ⅰ类和Ⅱ类区域内对应的设备管口一般可不做壳体及接管的局部应力核算；

图2 壳体及接管的局部应力核算分区图

（2）图2中Ⅲ类区域（含Ⅲ类区域与Ⅰ、Ⅱ类区域的分界线）对应的设备管口一般应做壳体及接管的局部应力核算。核算时可参照本文表2和表3来选取设备管口的许用载荷数值。

根据工程实践经验，在初步（基础）设计阶段，除了特殊情况及特殊要求外，对于设计温度介于-46～200℃之间，且管口尺寸小于DN400的大部分设备管口，均不必进行壳体及接管局部应力的设计计算，这样可减少很多设计工作量，同时也不至于后续详细设计阶段造成大范围设计返工。

在详细施工图设计阶段，对于上述提到的免除与管口载荷相关的壳体及接管局部应力核算的管口，需要根据管道专业提出的管口具体载荷条件进行设计核算，若管道专业未提出具体载荷条件，可参照本文表2和表3中所列载荷数据进行与管口载荷相关的壳体及接管局部应力的设计计算。

4 结束语

（1）本文主要探讨了压力容器设备管口许用载荷问题，论述了与设备管口许用载荷相关联的几个因素，包括设备壳体直径、壳体壁厚及接管的压力等级，建议了设备管口许用载荷的确定原则。

（2）结合工程设计经验，对一般压力容器设备管口许用载荷，推荐了一系列具体的力和弯矩数值，供工程设计人员在进行壳体局部应力计算时参考借鉴。

（3）考虑到与接管载荷相关设计的经济性、安全性及合理性，从减少设计工作量及防止后期设计返工两个角度出发，建议了壳体局部应力核算的范围及时机。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.压力容器（第一部分：通用要求）：GB 150.1—2011[S].

[2]中华人民共和国工业和信息化部.钢制管法兰、垫片、紧固件：HG/T 20592～20635—2009[S].

化工装备行业进入深度调整期

2017年，化工装备全行业经济运行将会延续下行态势，行业利润增长率还会有较大回落，企业亏损面及亏损额会有较大的增加，化工装备制造行业已经进入了深度调整时期。行业企业必须练好内功，优化结构，提升品质，并积极 “走出去”发展。

目前是化工装备行业发展的低谷期，这种态势可能在很长一段时期都存在。2016年化工装备制造业的主营业务收入降幅同比加大，利润总额大幅下降，下降幅度达到2015年的2倍，固定资产投资增长更是明显下降，亏损企业数量和亏损额度明显增加。目前，化工装备市场需求明显不足，行业经济运行依旧处在弱势企稳之中，下行风险和压力依然很大。

现阶段，制约化工装备制造行业发展的问题集中表现在四个方面：一是产能结构性过剩，高端产能不足、低端产能严重过剩并存；二是同质化竞争严重；三是自主创新能力不强；四是国际产能合作欠佳。

对那些因资金链、长期亏损、市场份额等问题无法正常经营的企业，应鼓励其关停或市场退出，以淘汰落后产能。同时，鼓励有实力的大企业与生产低端产品、劳动密集型产品的中小企业进行产业联盟或并购重组，将这些中小企业纳入大企业的产品生产体系，使中小企业成为大企业的零部件或配件的供应商，形成稳定的 “二重结构”。同时，企业还要做好产品质量管理，倡导“工匠精神”，以增强竞争力。

为了促进化工装备制造业的升级发展，政府部门也有新动作。响应国家简政放权的精神，国家质检总局特种设备安全监察局目前正在研究制定行政许可改革方案，总体思路是尽量减少行政许可项目，采取取消部分项目、合并项目、减少分级等措施，切实为企业减负。

“走出去”开展国际产能合作也受到重视。当前业内企业要抓住我国石化行业对 “一带一路”沿线国家加大油气资源开发、石化项目投资等海外基础设施建设的机遇，进一步提升装备制造业的国际竞争力;同时要引导企业从向海外销售产品，逐步转变为与国际知名企业联合生产，再过渡到在海外建厂实现本土化生产，通过 “三步走”战略来实施国际产能合作。

(钱松)

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）

*张驰群，男，1976年生，硕士，高级工程师。北京市，100012。