化工静设备设计条件常见问题

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作为化工生产过程中的混合、储存、分离、反应、传热设备，以容器（包括反应器、塔器等）、换热器等为主的静设备投资占比较大，它们单体的可靠性和安全性对于整个化工装置的安全稳定运行至关重要。

设计、制造是决定化工设备质量的两个主要环节，其中又以设计为基础。在详细设计阶段，设备专业主要根据工艺、管道等专业提出的设计条件进行设计，而条件的准确、完整与否，直接决定着设计成品的质量，并影响项目进度。


文中根据以往的项目经验，以容器、管壳式换热器为例，介绍了静设备设计条件中常见的漏项及一些不准确、不合理的地方，供相关设计人员参考，以期提高设计条件质量。



一、设计参数的问题



1.1 设计压力为“常压”时的争议



设计压力是指设定的设备顶部最高压力（通常指表压），与设计温度一起作为设计载荷条件。一些容器条件中的设计压力定为“常压”或ATM并不妥当，容易引起误解。因为工艺和设备两个专业常用标准中“常压容器”的定义并不一致，两个专业设计人员的理解通常也不同。



在HG/T 20570-95《工艺系统工程设计技术规定》中，“常压容器”指设计压力为-2kPa（含）至0.1MPa范围内的设备。而HG/T 20580-2020《钢制化工容器设计基础规范》（报批稿）中，“常压容器”则是指与环境大气直接相连通或工作压力（表压）为零的容器。



1.2 条件中应明确介质组分、含量



设备的主体材料主要根据工艺包资料或工程经验确定，设备专业需要对此进行确认，必要时在设计文件对材料、制造、检验等提出附加技术要求。而介质的腐蚀性是影响设备选材的主要因素之一，生产过程中的原料、中间产物、杂质等都应考虑，所以条件中应明确介质的所有组分及其含量。



例如，某氨罐介质为液体无水氨，但纵使是优等品，相关标准仍允许其有不超过0.1%的水分。而使用温度高于-5℃的液体氨，在含水量不高于0.2%，且有可能受空气污染的情况下，对于碳钢或低合金钢是存在应力腐蚀倾向的，设备可能出无征兆的低应力脆断，危险性较大，设计时需提出一系列特殊要求。若对此认识不足，认为99.9%的氨是纯介质，≤0.1%的微量水分无需考虑，而未在设计条件中提供介质组分和含量，可能导致设计不当。



1.3 公称直径、高径比的确定



在满足化工工艺、设备布置等要求的基础上，非标容器、换热器直径应尽量按GB/T 9019-2015《压力容器公称直径》选取。以便于设计时选用标准规格的封头、容器法兰（及垫片）、支座（不包括裙座）等零部件或其他附件，而无需再进行专门的设计和计算，既可以减小工作量，又可以保证设计质量



1.4 储罐最高液位的确定



在石化储罐设计条件中，工艺专业通常依据SH/T3007-2014《石油化工储运系统罐区设计规范》确定储罐的最高液位，并据此给定所需的罐壁高度。对于常用的固定顶储罐罐壁高度与最高液位的高度差，SH/T 3007考虑了消防泡沫发生器与罐顶的距离、泡沫混合液层厚度、液体膨胀高度及10~15min储罐最大进液量折算高度，但未考虑地震晃动波高。



事实上，油罐抗震设计要求固定顶设计液位到罐壁上沿的距离应大于液面晃动波高，以避免罐顶受到冲击。当然，晃动波高与建罐地点、储罐直径等都有关系，准确的数值需要计算确定。



二、设备管口的问题



2.1 管法兰标准



设备上的管口主要分为工艺、仪表管口，设计中也就常遇到不同标准管法兰的配对问题，设备专业x i惯上使用HG系列，配管专业多采用SH系列，而仪表专业主要用ASME B16.5法兰



事实上，在法兰公称直径DN、压力等级PN等对应的情况下，不同标准的法兰能否配对，主要是看螺栓中心圆直径、螺栓规格和数量、螺栓孔直径、密封面型式和尺寸、垫片尺寸等是否统一。所以，设计条件中应指定设备管口配对法兰标准号、DN、PN及其类型、密封面型式。



2.2顶部管口法兰螺栓圆布置



设备顶部的阀门、仪表安装口，其法兰螺栓圆的“对中”或“跨中”布置（相对于南北或东西轴线），应考虑配管、操作等的需要，如安全阀所接管道的走向，阀杆操作的便利性等，这点容易被忽视。



2.3液体进口内伸管的破虹吸口



如果液体进料口内伸管需要在适当位置开设小孔以作破虹吸之用，工艺专业应在设备条件中明确指出，若条件中没有要求，设备专业不应开此小孔。而进气口、出料口的内伸管一般不需要此破虹吸口。工艺专业在设备图纸会签时应注意检查这个问题。



2.4设备管口与管道不带法兰对接



为保证密封效果，高温高压设备的管口及一般设备上的大直径管口，与管道的连接一般采用焊接连接，而不使用法兰连接。这是因为用于高温的法兰接头制造成本较高且密封性能并不十分理想。对于此类管口，设计条件中应给定所对接管道的规格，并要求内径或外径对齐、设备管口的接管端部带焊接坡口。



三、管壳式换热器的问题



3.1 换热面积



换热器的换热面积，为参与换热的换热管外表面积，计算时应扣除伸入管板内部等不参与换热的长度，这一点在设计条件中常被忽视。常见的中低压管壳式换热器单块管板厚度多在50~200mm之间。



3.2 金属壁温



管壳式换热器壳侧、管侧的金属壁温，分别指沿壳程筒体、换热管轴向长度的金属温度平均值，其对壳程筒体、换热管轴向力，换热管与管板之间的拉脱力影响较大，是换热器强度计算中重要参数，直接影响着设计的可靠性和经济性，需要在设计条件中给定准确值，不可随意估取。



3.3 管束防冲板



GB/T151-2014《热交换器》规定了换热器壳程进口处需要设置防冲板的若干情形，此举主要是为了防止流体对管束造成冲蚀或引起振动。防冲板的面积不能小于进口通道的投影面积，且为了保证流通面积，防冲板需与壳体内壁有一定的距离。若进口管直径较大，防冲板的设置会严重限制布管数量。这点在换热器工艺计算时就应考虑，必要时应增大换热器公称直径。



3.4 换热管排列形式



在确定换热管的排列形式时，介质流向取的是应当是流体绕过第一块折流板后的流向，即GB/T 151中的“流向垂直于折流板缺口”，而仅根据壳程进口的方向来判断是不准确的。以卧式换热器为例，如果只考虑与进口方向的关系，那么不论折流板缺口是水平还是垂直布置，均不影响排列形式的确定，这显然与事实不符。



3.5排净口



换热器壳程的最高、最低点应设置排气、排液口，以避免形成死区导致介质残留，这点在设计条件中也偶尔被忽略。对于立式固定管板换热器，如果管板较厚，排净口通常开设在管板上，如果管板较薄，排净口应紧贴管板。对于卧式固定管板换热器，左右两侧最高、最低应均应有排净口，其中壳程进出口可兼作排净口。

化工静态设备设计过程中常见的问题主要包括设计参数的问题、设备管口的问题和管壳式换热器的问题。

设计参数问题包括：
- 设计压力“常压”的定义不统一，需要明确具体数值。
- 必须明确设备介质组分及含量，以准确选材。
- 公称直径和高径比应尽量按照标准选择，方便设计和制造。
- 储罐最高液位的确定需考虑地震晃动波高等因素。

设备管口问题涉及：
- 需要明确指定管口配对法兰的标准、尺寸和型式。
- 设备顶部管口的法兰螺栓圆布置应考虑实际操作需求。
- 设备进口内伸管若需破虹吸口，需工艺专业在设计条件中明确。
- 高温高压和大直径管口通常采用焊接连接，而非法兰连接。

管壳式换热器问题包括：
- 换热面积的计算需扣除不参与换热的部分。
- 换热器金属壁温是强度计算中的重要参数，需准确给出。
- 壳程进口处可能需要设置防冲板，以防冲蚀和振动。
- 换热管排列形式取决于折流板后的流向，而非仅仅壳程进口方向。
- 需在壳程最高、最低点设置排气、排液口，避免介质残留。

这些问题如果在设计阶段被忽视，可能影响设计质量和项目进度，因此在设计条件中应予以明确和准确描述。
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