化工静设备的设计条件

在化工生产中，静设备以容器（以及反应器、塔器等）、换热器等为代表，用来对生产过程中的介质进行处理和操作，包括混合、储存、分离、反应、传热等。

一 设计压力的确定

1 设计压力确定原则

设计压力是指设定的设备顶部所能承受的最高压力（通常指表压）。

设计压力旨在确保设备能够在承受峰值压力时安全可靠地运行，设备底部所承受的压力通常较低，很少出现超过设计压力的情况。相比之下，设备顶部容易受到气体或液体的冲击、震荡或其他突发事件的影响，因此需要更高的设计压力来保证设备的安全性。

实际生产中，一般会将设计压力与设计温度一起作为设计载荷条件，以确保设备能够在正常工作条件下稳定地运行。

设备设计压力确定应满足以下条件

1) 设备的设计压力作为设备和管道强度设计的主要依据，应在满足设备长周期安全生产的基础上，做到既经济又合理。

2) 根据设备正常工作情况下，容器顶部可能达到的最大压力，还应考虑该设备所处的系统附加条件(如系统压力变化、安全阀在系统中相对位置对设计压力的影响等情况)来确定该设备的设计压力。

3) 对承受多种不同工况的设备，如某些反应器要适应吹扫、试压、升温还原、化学反应、催化剂再生等多种化工过程的多种工作条件的变化，则该类设备设计压力应向设备专业说明各阶段工作压力及工作温度相应变化的情况。

4) 低压下蒸汽表面冷凝器按全真空条件设计。

5) 对特殊情况的设备,应根据具体情况,按特殊要求确定其设计压力。 

一些容器条件中的设计压力定为“常压”或ATM是不妥当的，因为人们对常压定义有不同的理解。这里只是一点提示，以下文中仍沿用各规范的规定或描述，读者可以自己判断：

①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：

②HG/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：

③GB150《钢制压力容器》适用范围：

1）0.1MPa(G)≤设计压力≤35MPa（G）

2）真空度大于2kPa（200mmH₂O）

④GB/T4735《钢制焊接常压容器》的适用范围：

1）设计压力低于0.1MPa（G）

2）真空度小于或等于2kPa（200mmH₂O）

设计压力大于35MPa（G）的应按相关规范确定。

设备设计压力确定一览表

2 设备设计压力的示例化解释

① 常压容器设计压力确定

设计压力为常压，用常压加上系统附加条件校核。

这里的常压，也就是大气压力，即表压为零。设备设计需要对系统进行额外的评估和校核，以确保在各种工作条件下的稳定性和可靠性。这些附加条件可能包括温度、湿度、地震、风速、海拔高度等因素，以及液体静压、设备接管强度、附属设施荷载的校核。通过这样的附加条件校核，可以更好地保障设备的运行和安全。

但也有具体规定的设计压力取值：

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②内压容器设计压力确定

1） 未装安全泄放装置

取最高工作压力的1.00~1.1倍。

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V-101设计压力取值：PA1＝（1.00~1.1)PB1

（最高工作压力取值不得小于罐内介质最高液位的静压头+罐顶压力之和）

2) 装有安全阀的装置

取最高工作压力的1.05~1.10倍最高工作压力（当最高工作压力偏高时，取下限，反之取上限），且不低于安全阀开启压力。

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V-101设计压力取值：PA1＝（1.05~1.1)PB1；并且PA1≥PC1

（最高工作压力取值不得小于罐内介质最高液位的静压头+罐顶压力之和）

3) 装有爆破片的装置

不小于最大标定爆破压力〔《爆破片的设置和选用》(HG/T 20570.3－95)]

4) 出口管线上装有安全阀的装置

设计压力取值不得低于安全阀开启压力加上流体从容器至安全阀处的压力降。

工况一：设备在安全阀的上游时

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V101设计压力取值：PA1＝（1.00~1.1)PB1；并且PA1≥PC2+PF1+H。H代表介质是液相时候的静压。

工况二：设备在安全阀的下游时

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V102设计压力取值：PA2＝（1.00~1.1)PB2；并且PA2≥PC2+H。

H代表介质是液相时候的静压。

5) 容器位于泵进口侧无安全泄放装置时

取无安全泄放装置时的设计压力，且0.10MPa(表)外压进行校核。

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V101设计压力取值：PA1＝（1.00~1.1)PB1；并且校核负压0.1MPa，因为防止有泵把容器抽空的情况。

6) 容器位于泵出口侧无安全泄放装置时取泵的关闭压力

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V101设计压力取值：PA1不小于泵出口阀门关闭时的压力（进口压力+出口与进口的压差），因为容器出口阀门误关闭时能够承受泵打的最大压力。

注：如果容器在泵后，切断阀后面最大工作压力为工艺专业给定+附加条件

③ 真空容器的设计压力

1) 无夹套真空容器

设有安全泄放装置：设计外压力取1.25倍最大内外压力差值或0.1MPa(表)进行比较，两者取较小值。

未设有安全泄放装置：按全真空条件设计〔即设计外压力取0. 1MPa(表)〕

2) 夹套内为内压的带套真空容器

容器壁：按外压容器设计，其设计压力取无夹套真空容器规定的压力值，再加夹套内设计压力，且必须校核在夹套试验压力(外压)下的稳定性。

夹套壁：设计内压力按内压容器规定选取。

④ 常温储存下烃类液化气或混合液化石油气

1) 介质为丁烷、丁烯、丁二烯时取0.79MPa；

2) 介质50℃时饱和蒸气压小于1.57MPa(表)时取值1.57MPa(表)；

3) 介质为液态丙烷或介质50℃时饱和蒸气压大于1.57MPa且小于1.62MPa(表)时取值1.77MPa(表)

4) 介质为液态丙烯或介质50℃时饱和蒸气压大于1.62MPa且小于1.94MPa(表)时取值2.16MPa(表)

⑤ 其他工况设计压力确定

1) 低压蒸气表面冷凝器按全真空设计

低压下的蒸气表面冷凝器按全真空条件设计。

2) ≥100方的液化石油气储存类容器

容积大于或等于100m³的盛装液化石油气的储存类压力容器，由设备设计者和工艺系统设计人员协商来确定设计温度，但不低于400℃，根据设计温度及介质的对应饱和蒸气压来确定最大工作压力和设计压力。

二 设备设计温度的确定

设备的设计温度系指正常工作过程中,与用以确定设备设计压力的最高压力相对应的设备材料达到的温度。

工艺专业经传热计算或参考同类装置相同设备的操作条件，确定该设备的工作温度，同时还要考虑容器内部介质在工作过程中可能出现的最高温度。

1 设计温度的选取

1）容器内介质用蒸汽直接加热（如加热盘管）或被内置加热元件（如电热元件）间接加热时，设计温度取受热介质的最高工作温度。

2）容器内介质间接加热或冷却时，设计温度根据下表选取。

3）容器壁与介质直接接触且有外保温时，设计温度根据下表。

4）安装在室外且为液体介质，器壁不保温，壁温受环境温度影响可能小于等于-20°C时，其最低工作温度应考虑建厂地区环境温度的影响。

2 其他情况

1）设备内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件(如加热盘管、电热元件等)间接加热时，设计温度取正常工作过程中介质的最高温度。

2）设备器壁两侧与不同温度介质直接接触，并有可能出现只与单一介质接触时，应按较高介质温度确定设计温度;但当任一介质温度低于-20℃时，则应按较低介质温度确定最低设计温度。

3）壳体的材料温度仅由大气环境气温条件所确定的设备，其最低设计温度可按该地区气象资料，取历年来“月平均最低气温”的最低值。

三 设计条件中的介质组分、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。

四 公称直径和高径比

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。

五 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。

六 设备的管口

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，设备专业习惯上使用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 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。

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。

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。

七 管壳式换热器的问题

 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。

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 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。

4 换热管排列形式

在确定换热管的排列形式时，介质流向应当取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。

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。