一個易被忽視的對高壓氣罐選材的影響因素

賴寒（林德工程（杭州）有限公司，浙江杭州 310013）

一個易被忽視的對高壓氣罐選材的影響因素

賴寒（林德工程（杭州）有限公司，浙江杭州 310013）

本文介紹了空分裝置中高壓氣體緩沖罐的功能及選材時的易被忽略的因素。考慮到高壓氣罐在極短時間內需將大量的高壓氣體經閥門節流后送入產品管網，滿足下游供應商對于管網壓力波動的要求，短時間內的快速釋壓，導致氣體溫度急劇降低，形成高壓低溫環境，普通常溫材料無法滿足其低溫要求，這是在材料選擇時容易被忽視的一個重要因素。工程設計上應考慮周全，謹慎選材，以避免安全事故的發生。

空分裝置；高壓氣罐；絕熱膨脹；低溫材料；材料選擇

1 高壓緩沖系統的功能介紹

由于在煤化工行業，空分裝置屬于公用工程，通常要求在一套空分停車時，管網壓力波動較小，以確保管網供氣的穩定性。由于常規后備系統中的液體泵、汽化器長期處于備用狀態，當需要啟動時，還需等待一段時間，后備系統才會響應滿負荷的需求，這就要求后備系統應當配置快速響應系統，通常采用的是高壓氣體緩沖系統，如圖1后備系統方案所示。

圖1 后備系統方案

主要工藝描述：

1.1 常規后備系統

僅配置高壓離心泵、水浴式汽化器以及相應的閥門、儀表系統。

當一套空分停車后，后備系統應立即自動啟動。處于冷備的離心泵應進行加載至滿負荷，然后液體通過水浴式汽化器，變成符合產品要求的氣體，送入總管。由于整個后備系統從響應到滿負荷需要一定的時間，會造成管網壓力持續降低，甚至可能低于下游裝置的設定值，引起跳車等危害。

1.2 快速響應系統

除了（1）中的配置外，額外增加一套高壓緩沖系統，包括超高壓活塞泵、空浴式汽化器、高壓緩沖罐以及相應的閥門、儀表系統。

為了彌補常規后備系統的響應時間帶來的管網壓力波動，快速響應系統在一套空分停車后快速動作。高壓緩沖罐的閥門自動打開，高壓氣體在極短時間內被節流至管網壓力，維持壓力波動在較小的范圍內，滿足工藝要求。

由于對高壓氣體罐有快速釋壓的要求，這就對其選材提出了嚴格要求。

2 高壓氣體罐材料選擇

氣罐材料的選擇主要以工作壓力、工作溫度為依據。

2.1 工作壓力

工作壓力的高低，決定了緩沖罐體積的大小。工作壓力高，體積小；工作壓力低，體積大。同時材料壁厚也不同，最終應經過經濟性比較，選取一個合適的工作壓力。

2.2 工作溫度

工作溫度對于材料的選擇更為關鍵。尤其是北方的冬季，環境溫度比較低，甚至低于材料的許用溫度。在設計選材時應考慮各種溫度工況，進行細致的比較研究，選擇可靠性、可行性高的低溫材料。以某一實際項目中的緩沖罐為例。

當地大氣條件以及緩沖罐的工作參數如表1所示：

表1 靜置緩沖罐工作壓力及大氣條件

2.2.1 常規選材：從表1可以看出，靜置緩沖罐處于的環境溫度在-10-40之間，如果工程設計按照此溫度區間設計、選材，常溫材料即可滿足要求，即Q345R，許用溫度為≥-20℃。但是此時并沒有考慮到可能存在的低溫環境，這個因素也是最容易被忽視的。

2.2.2 低溫材料：高壓氣體在一瞬間釋放壓力，由于泄壓非常快，可以近似的認為此過程為絕熱膨脹。從熱力學可知，壓力降低，氣體體積膨脹，本身溫度急劇降低。在設計時選取了幾個靜置起始溫度點，經泄壓計算得到表2的膨脹后氣體溫度。

表2 緩沖罐動態工作參數

3 低溫材料選擇

由于緩沖罐長期處于靜置狀態，罐內外溫度一致。從表2可以看出，當氣體快速釋壓至6.0MpaG后，釋壓完后氣溫降為-32度，甚至低至-57度。常規材料不能滿足其低溫要求，否則會出現罐體脆性破例，出現漏氣、爆炸等嚴重危害。按照GB150-2011標準，16MnDR可以用于≥-40℃，09MnNIDR可以用于≥-70℃的低溫環境。在實際的設計中應綜合考慮大氣溫度和釋壓后可能出現的最低溫度進行合理的材料選擇。

4 接管及管道材料

由于氣體溫度較低，還應注意罐體接管及下游管道材料的選擇。

5 結語

高壓氣體罐是維持管網壓力穩定、生產穩定運行的重要保障措施，在設計、選材上應考慮周全，不但要考慮靜態情況下的設計運行條件，更應該從動態運行的各種極端工況下加以考慮設計；不但要保證功能上的穩定性，更要從材料的可靠性上面面俱到，從而保證裝置的安全可靠性。