劉 旭， 熊 軍， 吳忠全

(1.四川瀘天化弘圖工程設(shè)計(jì)有限公司 四川瀘州 646300；2.四川瀘天化股份有限公司 四川瀘州 646300)

某公司硝酸車間濃硝酸庫區(qū)屬于重大危險(xiǎn)源區(qū)域，庫區(qū)現(xiàn)有5臺(tái)容積為200 m3的濃硝酸儲(chǔ)罐和10臺(tái)容積為100 m3的濃硝酸儲(chǔ)槽?，F(xiàn)有的濃硝酸存儲(chǔ)地點(diǎn)和充裝方式已無法滿足新的濃硝酸庫區(qū)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，需要對其進(jìn)行環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)整改，整改后需要新增設(shè)5臺(tái)容積為200 m3的濃硝酸儲(chǔ)罐。原濃硝酸儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)壓力和工作壓力均為常壓，工作溫度為常溫，設(shè)計(jì)溫度為40 ℃，存儲(chǔ)介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%濃硝酸，充裝系數(shù)為0.9[1]。新增設(shè)的5臺(tái)濃硝酸儲(chǔ)罐外形尺寸與原儲(chǔ)罐保持一致，按照我國現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并參照原參數(shù)重新設(shè)計(jì)。為了重新校核計(jì)算元件厚度，需要先確定計(jì)算壓力。

1 濃硝酸儲(chǔ)罐簡介

1.1 設(shè)備概況

濃硝酸儲(chǔ)罐為臥式容器，其外形尺寸見圖1。設(shè)備內(nèi)直徑為3 800 mm，殼體壁厚為16 mm，設(shè)備總長為18 512 mm，全容積為202 m3。設(shè)備殼體與封頭材料均選用牌號為1060的高純鋁。設(shè)備放置在間距為1 500 mm的11個(gè)土建基礎(chǔ)上。

1.2 充裝流程簡介

硝酸車間1#、3#濃硝酸生產(chǎn)裝置生產(chǎn)的98%濃硝酸，由裝置界區(qū)的濃硝酸泵送至濃硝酸儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。充裝時(shí)，濃硝酸充裝泵將濃硝酸儲(chǔ)罐內(nèi)的濃硝酸輸送至濃硝酸高位槽計(jì)量，再由高位槽送至濃硝酸充裝臂，由充裝臂送至槽車充裝。

噴射泵利用循環(huán)酸泵加壓循環(huán)酸槽內(nèi)的脫鹽水(或酸性水)作為工作流體產(chǎn)生的真空，吸收濃硝酸儲(chǔ)罐和槽車充裝時(shí)產(chǎn)生的NOx氣體成為酸性水。待酸性水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%后，送往硝酸車間Ⅲ硝裝置開工酸槽作為吸收劑使用，少量不能完全吸收的NOx氣體可引入硝酸車間至I硝尾氣吸收裝置進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)后排放。

從上述工藝流程可知，濃硝酸儲(chǔ)罐在進(jìn)行充裝作業(yè)時(shí)，會(huì)因NOx氣體被吸收而產(chǎn)生真空，工作壓力最低為-0.01 MPa(表壓)。

2 介質(zhì)特性

濃硝酸為無色有刺激性氣味的液體。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86%～98%的硝酸因易揮發(fā)，遇潮濕空氣形成白霧，被稱作“發(fā)煙硝酸”。硝酸是強(qiáng)氧化性酸，既具有強(qiáng)酸的腐蝕性，又具有強(qiáng)氧化性。由文獻(xiàn)[1]中的表4.0.4可知，硝酸屬于中度危害介質(zhì)。

3 材料選用

濃硝酸儲(chǔ)罐是存儲(chǔ)98%濃硝酸的容器，由于硝酸具有很強(qiáng)的腐蝕性，可迅速腐蝕多數(shù)金屬和有機(jī)材料，因此對于儲(chǔ)罐材料的選擇要求很高。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在較稀的硝酸中，不銹鋼的耐腐蝕性優(yōu)于鋁；在稍高于室溫的濃硝酸中，鋁的耐腐蝕性優(yōu)于不銹鋼[2]。濃硝酸儲(chǔ)罐選用牌號為1060的高純鋁材料，該材料適于儲(chǔ)存50 ℃以下的濃硝酸，濃硝酸會(huì)在其表面形成一層氧化膜起到防腐作用。

由文獻(xiàn)[3]中表4-1可知，牌號為1060的鋁板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力只有15 MPa，與其他鋼材相比，在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力非常低。因此需要正確確定計(jì)算壓力，如果計(jì)算壓力選取不當(dāng)，則在確定元件厚度時(shí)會(huì)造成較大誤差。元件厚度選取過大，會(huì)造成材料浪費(fèi)；元件厚度選取過小，會(huì)給設(shè)備安全生產(chǎn)留下隱患。

4 計(jì)算壓力與設(shè)計(jì)壓力的差異

4.1 概念不同

(1)計(jì)算壓力是指在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。

(2)設(shè)計(jì)壓力是指設(shè)定容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于工作壓力。

4.2 性質(zhì)不同

設(shè)計(jì)壓力是整臺(tái)設(shè)備的載荷條件，而計(jì)算壓力是具體受壓元件的計(jì)算參數(shù)。設(shè)計(jì)壓力雖然是反映容器受壓狀況的重要指標(biāo)，但不能全部、準(zhǔn)確地反映容器各部位的實(shí)際受力狀況，其僅是設(shè)計(jì)載荷之一。而容器在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，受到的不僅是設(shè)計(jì)壓力一項(xiàng)載荷。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中第4.3.2條可知，容器在工作或安裝過程中會(huì)受到多項(xiàng)載荷的影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面分析并考慮多項(xiàng)載荷以及各項(xiàng)載荷的組合對容器各元件的作用，將作用于各元件上具體的載荷作為計(jì)算壓力以確定元件厚度。設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力在具體數(shù)值上存在不一致的可能性。

4.3 建立基礎(chǔ)不同

設(shè)計(jì)壓力是以容器正常工作情況下其頂部的工作壓力為基礎(chǔ)的，其數(shù)值不小于工作壓力。計(jì)算壓力則是以設(shè)計(jì)壓力為基礎(chǔ)，但不僅限于設(shè)計(jì)壓力。

4.4 用途不同

容器(多腔容器除外)在一種工況下，設(shè)計(jì)壓力只有1個(gè)，是容器材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、類別劃分以及各受壓元件計(jì)算壓力、容器耐壓試驗(yàn)壓力、氣密性試驗(yàn)壓力確定的依據(jù)。而計(jì)算壓力僅用于各元件的強(qiáng)度計(jì)算，且不是唯一的，不同元件應(yīng)根據(jù)其自身受到的載荷來確定其計(jì)算壓力[5]。

5 濃硝酸儲(chǔ)罐計(jì)算壓力的確定

5.1 原設(shè)計(jì)參數(shù)分析

濃硝酸儲(chǔ)罐原設(shè)計(jì)壓力和工作壓力均為常壓，工作溫度為常溫，設(shè)計(jì)溫度為40 ℃。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中“壓力”的定義可知，標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的壓力均為表壓力。文獻(xiàn)[6]的3.0.1條中的“表壓力”是指壓力容器內(nèi)部壓力與環(huán)境大氣壓力的差值。因此，濃硝酸儲(chǔ)罐原設(shè)計(jì)壓力和工作壓力均為0 MPa(表壓)。設(shè)備屬于文獻(xiàn)[7]中的范圍，應(yīng)按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中1.1條的釋義，由于設(shè)計(jì)壓力較低，無論何種情況計(jì)算壓力均應(yīng)計(jì)入液柱靜壓力。

20 ℃時(shí)，98%濃硝酸的密度為1 500.8 kg/m3，同樣的溫度條件下進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，水的密度是1 000 kg/m3。兩者取數(shù)值大者，因此按98%濃硝酸密度來計(jì)算液柱靜壓力。按容器全充滿介質(zhì)的情況計(jì)算液柱靜壓力，見式(1)。

P液=ρgh

(1)

式中：P液——液柱靜壓力，Pa；

ρ——介質(zhì)密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h——液柱高度，m。

則P液=1 500.8×9.8×3.8=55 890(Pa)≈0.056(MPa)。

5.2 實(shí)際工況分析

濃硝酸儲(chǔ)罐在進(jìn)行充裝作業(yè)時(shí)，會(huì)因NOx氣體被吸收而產(chǎn)生真空，容器頂部會(huì)有-0.01 MPa的低表壓力。未進(jìn)行充裝作業(yè)時(shí)，容器頂部表壓力為0 MPa。因此該設(shè)備正常工作時(shí)，應(yīng)該有兩種工況。

5.3 計(jì)算壓力的確定

5.3.1 確定思路

為指導(dǎo)設(shè)計(jì)者正確理解計(jì)算壓力與設(shè)計(jì)壓力的聯(lián)系與區(qū)別，僅討論介質(zhì)對設(shè)備產(chǎn)生的作用力，不討論支座對設(shè)備的作用力等其他載荷。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中第4.3.5條“對有不同工況的容器，應(yīng)按最苛刻的工況設(shè)計(jì)，必要時(shí)還需考慮不同工況的組合”的要求，進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先按上述兩種工況分別進(jìn)行計(jì)算壓力的確定，計(jì)算出元件厚度，然后將數(shù)值大的作為元件的最終計(jì)算厚度。

5.3.2 錯(cuò)誤設(shè)計(jì)方法

(1)部分設(shè)計(jì)者將液柱靜壓力作為計(jì)算壓力，用來確定濃硝酸儲(chǔ)罐元件的厚度，沒有與設(shè)備實(shí)際工況相結(jié)合，考慮不全面。個(gè)別設(shè)計(jì)者認(rèn)為設(shè)計(jì)壓力與工作壓力為0 MPa(表壓)，無需進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，未按文獻(xiàn)[7]中相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，隨意確定元件厚度，此設(shè)計(jì)方法是錯(cuò)誤的。

(2)部分設(shè)計(jì)者采用壓力容器計(jì)算軟件SW6-2011進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，將工作壓力-0.01 MPa(表壓)作為設(shè)計(jì)壓力，認(rèn)為這就是設(shè)備最苛刻的工況，并且在計(jì)算筒體、封頭時(shí)，將液柱靜壓力0.056 MPa計(jì)入，認(rèn)為遵守了“由于設(shè)計(jì)壓力較低，無論何種情況計(jì)算壓力均應(yīng)計(jì)入液柱靜壓力”的規(guī)范要求。分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軟件經(jīng)過正、負(fù)壓數(shù)值的代數(shù)疊加后，確定的計(jì)算壓力為0.056-0.01=0.046(MPa)。該設(shè)計(jì)方法在表面上是按設(shè)備的實(shí)際工況輸入?yún)?shù)，實(shí)際則是將前文分析得出的兩種工況混淆，也是不正確的。

5.3.3 正確設(shè)計(jì)方法

分別考慮上述兩種工況，首先設(shè)備在進(jìn)行充裝作業(yè)時(shí)，頂部最低工作壓力為-0.01 MPa(表壓)，此時(shí)設(shè)備頂部并沒有液柱靜壓力，因此應(yīng)該把壓力值-0.01 MPa作為計(jì)算壓力進(jìn)行元件厚度計(jì)算，包括開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算；其次設(shè)備未進(jìn)行充裝作業(yè)時(shí)，頂部最低工作壓力為0 MPa(表壓)，底部最大液柱靜壓力為0.056 MPa(表壓)，將液柱靜壓力作為計(jì)算壓力進(jìn)行元件厚度計(jì)算，包括開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算；最后將兩種工況下分別計(jì)算得出的元件計(jì)算厚度數(shù)值大的作為最終計(jì)算厚度。

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力是兩個(gè)不同的概念，既有聯(lián)系又有區(qū)別。不能隨意將設(shè)計(jì)壓力等同于計(jì)算壓力，也不能隨意將不同工況進(jìn)行組合，應(yīng)該結(jié)合設(shè)備實(shí)際工況加以分析，并在正確理解兩者的聯(lián)系與區(qū)別的基礎(chǔ)上確定正確的計(jì)算壓力，從而設(shè)計(jì)出合格的壓力容器產(chǎn)品。