淺談兩腔壓力容器設計要點

楊林　曹鳳玲

摘 要：壓力容器中有很多兩腔壓力容器，典型的有換熱容器和夾套容器。換熱容器有殼程和管程兩個腔，夾套容器有內筒和夾套兩個腔。由于兩腔的工作壓力、工作溫度、介質和容積等不同，而且兩腔又組合在一起形成一個有機的整體，所以，對此類容器類別的劃分、設計壓力、設計溫度、腐蝕裕量的取法，水壓試驗壓力的確定，制造規范的選擇與單腔壓力容器不盡相同。

關鍵詞：壓力容器；兩腔；設計；參數

一、兩腔壓力容器的類別劃分：

兩腔壓力容器類別的劃分，首先按TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》第1.3條的要求，必須同時具備三個條件，才需按容規監檢。按各腔的工作壓力、內直徑、容積和介質分別確定各腔是否需要劃類。其中的工作壓力是指正常工作情況下，壓力容器各腔頂部可能出現的最高壓力，而不是其他部位元件的工作壓力。先按各腔的條件確定其類別，再按類別高的腔作為該容器的類別。劃分兩腔壓力容器類別時要注意：

1.按工作壓力來判斷是否屬容規監管，然后按設計壓力劃類；

2.不應把兩腔的設計條件匹配劃類；

3.用作判別容器類別的容積是指該壓力容器腔的幾何容積，即由設計圖樣標注的尺寸計算，不考慮制造公差并予圓整，一般需要扣除永久連接在壓力容器內部的內件的體積。例如，管殼式換熱器的管程容積要包含各換熱管內徑所占據的空間，而其殼程容積需扣除換熱管管束所占據的體積；

4.多種介質混合存在時，應以危害性最大的組份確定介質的特性。

二、兩腔壓力容器的設計壓力和各受壓元件的計算壓力：

分別按兩腔各自的工作壓力確定其設計壓力，再按各自的設計壓力，并考慮各種工況的影響，確定各受壓元件計算壓力。

1.換熱容器：殼程設計壓力按殼程的工作壓力確定；管程設計壓力按管程的工作壓力確定。殼程的圓筒計算壓力取殼程設計壓力。管程的管箱圓筒、管箱封頭計算壓力取管程設計壓力。兩側受壓的元件，如管板，計算壓力的確定要考慮各種工況。正常操作工況，開、停車工況及水壓試驗工況。若能保證殼程壓力和管程壓力在任柯情況下都能同時作用，可用管、殼程的設計壓差作為管板的計算壓力。還應考慮在水壓試驗過程中可能出現的最大壓差；若不能保證同時作用，則不能用設計壓差作為計算壓力；若管、殼程設計壓力之一為負壓時，應按壓差的絕對值之和作為計算壓力。

2.夾套容器：內筒設計壓力按內筒工作壓力確定，夾套設計壓力按夾套工作壓力確定。夾套圓筒的計算壓力通常就是夾套腔的設計壓力，并且還應考慮其液柱靜壓力，這一點容易被忽視。

三、兩腔壓力容器的設計溫度：

1.換熱器：換熱器應分別列出管、殼程的工作溫度和設計溫度。由于化工工藝的需要，換熱器涉及管、殼程進、出口介質4個溫度。這4個溫度是確定管、殼程設計溫度和各受壓元件設計溫度的依據。換熱器管程設計溫度指管箱圓筒和管箱封頭及換熱管的設計溫度。對于介質溫度高于0℃者，常用管程進、出口介質溫度中的較大值作為設計溫度；對于介質溫度低于0℃者，取管程進、出口介質溫度中的較小值。換熱器殼程設計溫度指殼程筒體的設計溫度。它根據殼程筒體的金屬溫度確定，對于溫度高于0℃者，其值不得低于金屬可能達到的最高溫度；對于低于O℃者，其值不得高于元件金屬可能達到的最低金屬溫度。管板的設計溫度，因為涉及殼、管程進、出口介質的4個溫度，常按溫度較惡劣一側介質溫度來確定。在計算換熱器熱應力時，需確定沿殼程圓筒長度平均的金屬溫度和沿換熱管長度平均的金屬溫度。這兩個溫度的確定，涉及介質溫度、容器的環境溫度、保溫情況、介質的物性參數，介質的流動情況等諸多因素。

2.夾套容器：夾套設計溫度指夾套圓筒的設計溫度，其值不得低于元件金屬可能達到的最高度；對于0℃以下的情況，不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。在工程上，常用夾套進、出口介質溫度中的較大值作為夾套圓筒的設計溫度；對于介質溫度低于0℃以下的情況，取夾套進、出口介質溫度中的較小值。內筒設計溫度，指被夾套所包圍的筒體的設計溫度?？紤]到開、 停車工況，以夾套和內筒進、出口介質溫度中的較大值作為內筒體的設計溫度；對于上述4個介質溫度中有低于0℃者，取最小值。

四、兩腔壓力容的腐蝕裕量：

一側接觸介質的受壓元件，如換熱器的殼程圓筒、管箱圓筒、管箱封頭，夾套容器的夾套圓筒、夾套封頭等，其腐蝕裕量與單腔壓力容器取法一樣。兩側接觸介質的受壓元件，如，換熱器的管板，被夾套包圍的圓筒，封頭等，應根據兩側不同的介質選取不同的腐蝕裕量，兩者疊加作為總的腐蝕裕量。

對換熱管這個兩側接觸介質的受壓元件，不考慮其腐蝕裕量，否則會影響傳熱效果，只能通過選擇換熱管材質來解決其腐蝕問題。

五、兩腔壓力容的水壓試驗壓力：

1.換熱容器：一般情況下，管、殼程可按各自的設計壓力、設計溫度、材料分別確定水壓試獫壓力。而對于固定管板換熱器殼程設計壓力低于管程設計壓力時，為了檢査換熱管與 管板連接接頭的質量，有可能碰到下列4種情況。

①管程和殼程均是正壓，且殼程試驗壓力比管程試驗壓力高時，根據單腔壓力容器水壓試驗壓力確定的原則，按各自的設計壓力、設計溫度、材料分別確定殼、管程水壓試驗壓力。

②管程是和殼程均是正壓，且殼程試驗壓力比管程試驗壓力低時，將殼程試驗壓力提高到管程水壓試驗壓力值的水平。采用此法時，許多設計人員也注意到了當殼程試驗壓力提高后，要對殼程圓筒在水壓試驗情況下的周向應力進行校核，但對其他受壓元件的強度和結構等問題卻往往忽視。如殼程管法蘭的壓力等級選擇是否恰當，管板強度是否足夠，殼程開孔補強是否滿足要求以及殼程圓筒與管板連接的結構是否合適等。有時這些問題很可能會成為安全隱患，設計時，應該給予足夠的重視，下面分別討論。

a.管法蘭的壓力等級問題。殼程水莊試驗壓力提高后，尤其是當該壓力提高得較大時，如果殼程管法蘭的壓力等級扔按殼程正常操作工況時選取，在試壓時，管法蘭的受力情況比正常操作工況時惡劣，故有可能對今后正常操作造成不利彰響。為了確保安全使用，應根據HG /T20592-2009《鋼制管法蘭技術條件》的要求選擇壓力等級。

b.水壓試驗時管板的強度問題。GB/T150—2011僅規定了壓力試驗時，要校核圓筒的周向應力，對于其他受壓元件，諸如法蘭和管板等，并未提出要求，按正常情況確定的壓力試驗值試壓，這些受壓元件是安全可靠的。但是，此時的殼程試驗壓力提高到了管程試驗壓力的水平，為了確保安全可靠，對管板還應進行校核。校核時，以管程設計壓力作為殼程設計壓力，并令管程設計壓力為零，且無溫差的情況，計算模型可按不帶法蘭的固定管板進行。

c.水壓試驗時殼程開孔補強問題。水壓試驗時，開孔補強的計算仍按GB /T150—2011中的進行。

d.殼程圓筒與管板連接的結構形式。因采用管程設計壓力處理殼程水壓試驗問題，所以，應根據管程的設計壓力按照GB /T151—2014附錄I選擇殼程圓筒與管板連接的結構形式，例如，殼程設計壓力原本不到4.0MPa，管程設計壓力大于 4.0MPa，如因采用管程設計壓力進行殼程水壓試驗，應按附錄I圖I.I中的（d）或（e）的結構形式，即圖1所示。因管板具有凸肩，并與圓筒對接連接，管板應采用鍛件。

2.重沸器：重沸器的特點是，殼程空間遠大于管程空間，管板往往采用U 形管式、浮頭式、填料涵式，即非固定管板式，如圖2所示，此時殼程設計壓力經常低于管程設計壓力，如果也采用提高殼程試驗壓力到管程試驗壓力值，以使檢査換熱管與管板的連接處是否泄漏，可能不是一種合理的設計方案，對于殼程采用有色金屬制作的壓力容器這一問題更為突出。

可以采用氨滲漏方法。但這種方法對于殼程空間遠大于管程空間且殼程為常壓的有色金屬制容器可能仍不合理，這時應轉向通過制造工藝來解決問題。

3.夾套容器：夾套容器的夾套水壓試驗壓力只要按夾套的設計壓力、設計溫度和材料就可確定。內筒由于被夾套包圍，如遇到帶有夾套的真空容器等情況，則有些難度，此時的原則是：

1.內筒的水壓試驗壓力應根據內筒設計壓力確定。

2.夾套水壓試驗的目的是檢驗夾套部分在泄漏試驗壓力下材料的強度、密封結構和焊縫的嚴密性。被夾套包圍的內筒體部分是通過內筒水圧試驗來檢驗上述問題的。

3.對于正確設計并制造的外壓容器（包括真空容器），由于與內壓容器所產生的拉伸應力不同（是壓縮應力），即使可能存在種種漏檢缺陷，只要缺陷不致引起滲漏，在外壓力作用下還趨于閉合，不會降低外壓容器的臨界壓力。所以外壓容器，除特殊情況外，是通過內壓試驗的方法達到檢査各類缺陷是否滲漏的目的。

六、兩腔壓力容器的制造技術要求：

兩腔壓力容器的制造技術要求，可按各腔的設計壓力、介質特性、容積、設計壓力與容積的乘積、該容器的用途等的不同，區別對待。也可根據容器的重要性和安全性提高制造技術要求，按較高腔的類別提出相應的制造技術要求。兩腔壓力容器類別的劃分要嚴格按照TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》的要求進行，而在確定兩腔壓力容器的制造技術要求時，可以根據設計者的經驗提高要求，可不受劃類的限制。

參考文獻：

[1]TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》

[2]GB/T150.1～GB/T150.4-2011《壓力容器》

[3]GB/T151-2014《熱交換器》

[4]HG/T20580～20585-2011

[5]王非. 《化工壓力容器設計：方法、問題和要點 第二版》.化學工業出版社，2009年1月.