丙烯丙烷分离塔耐压试验方案比选

白建涛

（惠生工程（中国）有限公司，上海 201210）

随着化工行业飞速发展，化工装置的规模越来越大，相应的设备规格尺寸也越来越大。由于运输限制，超高、超宽的大型超限设备大多采用在设备制造厂分段或分片制造，到安装现场组焊，组焊完成后进行现场无损检测和耐压试验。对于大型超限设备，耐压试验方案不同会得到不同的壁厚设计结果。

根据某丙烷脱氢项目大型关键设备—丙烷丙烯分离塔的设计参数和结构特点，进行了不同耐压试验方案下的壁厚计算，对比各种耐压试验方案优缺点，对耐压试验方案进行了比选。

1 耐压试验的目的及分类

压力容器耐压试验是压力容器建造过程中的最终检验环节，其目的在于全面综合检验产品的整体强度和密封性能，对容器选材、设计计算、结构以及制造质量进行综合性检查［1］。

耐压试验是确保压力容器产品质量的重要手段，是压力容器验收的重要依据。压力容器通过耐压试验过程中的短期超压，有可能降低局部区域的峰值应力，使应力分布更均匀，还可以钝化裂纹尖端，使裂纹产生闭合效应，使压力容器在正常工作工况下的运行更安全。

耐压试验根据试验介质不同分为3类［2］。

（1）液压试验；

（2）气压试验；

（3）气液组合试验。

塔器耐压试验一般采用液压试验，对于不适宜进行液压试验的塔器，可采用气压试验或气液组合压力试验［3］。液压试验根据设备的位置状态分为卧置液压试验和立置液压试验，由于液体的可压缩比非常小，液压试验时，一旦设备发生液体泄漏，会很快释放能量，使容器的压力大幅度下降，造成的安全事故相对较小。气压试验的试验介质通常为空气，空气的可压缩性大，气压试验过程中，一旦容器发生泄漏或爆炸，气体很快能释放积聚的能量，产生爆炸冲击波，造成的破坏极大。

考虑到耐压试验过程的安全性，耐压试验一般优先选用液压试验。由于基础承载能力受限等原因不能进行液压试验，而进行气压试验耗时又过长，气液组合试验是1种替代耐压试验方案。压力容器设计人员必须根据国家标准、塔器本身情况、制造及安装现场等综合情况，并与业主及项目各参与方及时沟通，最终确定耐压试验方案［4］。

2 丙烷丙烯分离塔结构和设计参数

某项目丙烯丙烷分离塔是立式裙座支撑的塔器，用于分离丙烷和丙烯的精馏塔。丙烯丙烷分离塔结构主要包括筒体、封头、裙座、塔盘、塔顶吊柱、梯子平台、人孔及其它接管和法兰等。

该设备筒体内径为Φ9 600 mm，2 封头切线间距离87 500 mm，塔高100 255 mm，容积6 573 m3，塔盘数量215层。设备筒体、封头材料及裙座筒体材料采用Q345R 板材。该设备设计依据的规范和标准为TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB/T150-2011《压力容器》及NB/T47041-2014《塔式容器》。该设备的设计参数见表1。

表1 设计参数表

根据丙烯丙烷分离塔的结构和设计参数可以看出，该设备为低压、大直径、超高塔。

3 不同耐压试验方案的比选

3.1 卧置液压试验方案

初步计算丙烯丙烷分离塔圆筒的计算厚度，根据标准GB/T150.3-2011的式3-1得出：

式中δ—圆筒的计算厚度，mm；Pc—计算压力，考虑到塔釜液位液柱静压力0.015 MPa，计算压力=设计压力+液柱静压力=0.95+0.015=0.965 MPa；Di—圆筒内直径，9 600 mm；[σ]t—设计温度下圆筒材料许用应力，184.2 MPa；Φ—焊接接头系数，1.0。

考虑到腐蚀裕量和钢板负偏差，筒体开孔补强等因素，圆筒壁厚、上下封头及裙座筒体壁厚取32 mm。按此厚度是利用SW6 计算软件进行初步试算。

按标准GB/T150.1-2011 式（5），计算得出立置液压试验压力为1.17 MPa。考虑到立式容器如采用卧置进行液压试验时，试验压力应计入立置试验时的液柱静压力，计入液柱静压力后的卧置水压试验压力为2.05 MPa。

从试算结果可以得到，圆筒和封头的最大许用内压是1.10 MPa，内压校核合格，考虑地震、风和偏心载荷的σA1—轴向最大组合拉应力及σA2—轴向最大组合应力计算合格。σA3—液压试验时轴向最大组合拉应力σA4—液压试验时轴向最大组合压应力都校核合格。

但经计算得到，筒体和下封头连接处截面由液压试验引起的周向应力为343.75 MPa，而许用值为0.9 倍的屈服极限=0.9×325=292.5 MPa，校核结果不合格。

由于设备筒体高度较高，为全面检测设备的综合性能，卧置液压试验需要考虑立置液压试验液柱静压力。由于卧置水压试压压力校大，使得计算结果为不合格，需要增加设备壁厚，筒体，封头和裙座壁厚增加到40 mm，才能计算通过。此方案设备壳体净质量约为1 105 t。

3.2 立置液压试验方案

如丙烷丙烯分离塔采用立置液压试验方案，设备筒体可以分段选取不同的壁厚，既能满足设备安全运行，又可以节约材料成本。计算采用了Pvdesk top 软件进行了设备结构计算，该软件既能考虑卧置水压试验，又能设置立置水压试验的充水位置。

塔器的壁厚分段位置还要考虑设备塔盘接开孔接管的位置，筒体的分段方案为：筒体1 的长度为12 200 mm，筒体2 的长度为12 100 mm，筒体3的长度为12 000 mm，筒体4 的长度为41 000 mm，筒体5的长度为6 900 mm（考虑此部位为轴式吊耳位置），筒体6的长度为3 200 mm。

经计算，最终壁厚设计方案为：筒体1 壁厚为40 mm，筒体2壁厚为38 mm，筒体3壁厚为36 mm，筒体4 壁厚为34 mm，筒体5 壁厚为60 mm，筒体6壁厚为32 mm，底部封头壁厚为40 mm，顶部封头壁厚为32 mm，裙座壁厚为44 mm。该方案设备壳体净质量约为995 t。

3.3 气压试验方案

如果塔器壳体壁厚采用的是32 mm，按照标准GB/T150.1-2011 中的式（6）得出气压试验压力为1.05 MPa。

采用Pvdesktop 软件按气压试验方案进行计算，壁厚设计方案为：筒体1 的壁厚为36 mm，筒体2 的壁厚为34 mm，筒体3 的壁厚为32 mm，筒体4的壁厚为32 mm，筒体5 的壁厚为60 mm，筒体6 的壁厚为32 mm，底部封头的壁厚为36 mm，顶部封头的壁厚为32 mm，裙座的壁厚为38 mm。该方案设备壳体净质量约为931 t。

3.4 气液组合试验方案

如塔器采用气液组合方案，其试验压力与气压试验相同。气液组合试验充水高度按距离下封头切线为20 m 考虑，通过Pvdesk top 软件计算，得出的壁厚设计方案为：筒体1 的壁厚为38 mm，筒体2 的壁厚为34 mm，筒体3 的壁厚为32 mm，筒体4 的壁厚为32 mm，筒体5 的壁厚为60 mm，筒体6的壁厚为32 mm，底部封头的壁厚为38 mm，顶部封头的壁厚为32 mm，裙座的壁厚为38 mm。该方案设备壳体净质量约为935 t。

4 结束语

综合考虑丙烷丙烯分离塔的耐压试验方案的优缺点，得出气压试验方案设备壳体净质量最小，设备成本最低，但安全性最差；卧置液压试验方案设备壳体净质量最大，设备成本最高，相对来说最安全；气液组合试验是折中方案。

大型设备现场耐压方案应综合考虑安全性、基础承载能力、设备特点（如结构原因不能将残液排净，容器又不允许残液存在）、现场取水或排水的条件、现场气源、经济性、吊装和运输等综合情况。大型设备耐压试验方案如采用液压试验，对基础承载能力要求高，用水量巨大，进水和排水时间长，需要找寻排水地点。大型设备耐压试验方案如采用气压试验，由于其体积巨大，一旦试验失败，产生的危害性极大，需要气压试验单位的安全管理部门制定应急预案［5］，试验时撤走无关人员，并派人现场监督试验过程。经业主与项目各参与方进行技术交流后，最终选用的气液组合试验方案，目前该项目已开车成功，设备运行良好。