浅谈两腔压力容器设计要点

杨林　曹凤玲

摘 要：压力容器中有很多两腔压力容器，典型的有换热容器和夹套容器。换热容器有壳程和管程两个腔，夹套容器有内筒和夹套两个腔。由于两腔的工作压力、工作温度、介质和容积等不同，而且两腔又组合在一起形成一个有机的整体，所以，对此类容器类别的划分、设计压力、设计温度、腐蚀裕量的取法，水压试验压力的确定，制造规范的选择与单腔压力容器不尽相同。

关键词：压力容器；两腔；设计；参数

一、两腔压力容器的类别划分：

两腔压力容器类别的划分，首先按TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第1.3条的要求，必须同时具备三个条件，才需按容规监检。按各腔的工作压力、内直径、容积和介质分别确定各腔是否需要划类。其中的工作压力是指正常工作情况下，压力容器各腔顶部可能出现的最高压力，而不是其他部位元件的工作压力。先按各腔的条件确定其类别，再按类别高的腔作为该容器的类别。划分两腔压力容器类别时要注意：

1.按工作压力来判断是否属容规监管，然后按设计压力划类；

2.不应把两腔的设计条件匹配划类；

3.用作判别容器类别的容积是指该压力容器腔的几何容积，即由设计图样标注的尺寸计算，不考虑制造公差并予圆整，一般需要扣除永久连接在压力容器内部的内件的体积。例如，管壳式换热器的管程容积要包含各换热管内径所占据的空间，而其壳程容积需扣除换热管管束所占据的体积；

4.多种介质混合存在时，应以危害性最大的组份确定介质的特性。

二、两腔压力容器的设计压力和各受压元件的计算压力：

分别按两腔各自的工作压力确定其设计压力，再按各自的设計压力，并考虑各种工况的影响，确定各受压元件计算压力。

1.换热容器：壳程设计压力按壳程的工作压力确定；管程设计压力按管程的工作压力确定。壳程的圆筒计算压力取壳程设计压力。管程的管箱圆筒、管箱封头计算压力取管程设计压力。两侧受压的元件，如管板，计算压力的确定要考虑各种工况。正常操作工况，开、停车工况及水压试验工况。若能保证壳程压力和管程压力在任柯情况下都能同时作用，可用管、壳程的设计压差作为管板的计算压力。还应考虑在水压试验过程中可能出现的最大压差；若不能保证同时作用，则不能用设计压差作为计算压力；若管、壳程设计压力之一为负压时，应按压差的绝对值之和作为计算压力。

2.夹套容器：内筒设计压力按内筒工作压力确定，夹套设计压力按夹套工作压力确定。夹套圆筒的计算压力通常就是夹套腔的设计压力，并且还应考虑其液柱静压力，这一点容易被忽视。

三、两腔压力容器的设计温度：

1.换热器：换热器应分别列出管、壳程的工作温度和设计温度。由于化工工艺的需要，换热器涉及管、壳程进、出口介质4个温度。这4个温度是确定管、壳程设计温度和各受压元件设计温度的依据。换热器管程设计温度指管箱圆筒和管箱封头及换热管的设计温度。对于介质温度高于0℃者，常用管程进、出口介质温度中的较大值作为设计温度；对于介质温度低于0℃者，取管程进、出口介质温度中的较小值。换热器壳程设计温度指壳程筒体的设计温度。它根据壳程筒体的金属温度确定，对于温度高于0℃者，其值不得低于金属可能达到的最高温度；对于低于O℃者，其值不得高于元件金属可能达到的最低金属温度。管板的设计温度，因为涉及壳、管程进、出口介质的4个温度，常按温度较恶劣一侧介质温度来确定。在计算换热器热应力时，需确定沿壳程圆筒长度平均的金属温度和沿换热管长度平均的金属温度。这两个温度的确定，涉及介质温度、容器的环境温度、保温情况、介质的物性参数，介质的流动情况等诸多因素。

2.夹套容器：夹套设计温度指夹套圆筒的设计温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高度；对于0℃以下的情况，不得高于元件金属可能达到的最低温度。在工程上，常用夹套进、出口介质温度中的较大值作为夹套圆筒的设计温度；对于介质温度低于0℃以下的情况，取夹套进、出口介质温度中的较小值。内筒设计温度，指被夹套所包围的筒体的设计温度。考虑到开、 停车工况，以夹套和内筒进、出口介质温度中的较大值作为内筒体的设计温度；对于上述4个介质温度中有低于0℃者，取最小值。

四、两腔压力容的腐蚀裕量：

一侧接触介质的受压元件，如换热器的壳程圆筒、管箱圆筒、管箱封头，夹套容器的夹套圆筒、夹套封头等，其腐蚀裕量与单腔压力容器取法一样。两侧接触介质的受压元件，如，换热器的管板，被夹套包围的圆筒，封头等，应根据两侧不同的介质选取不同的腐蚀裕量，两者叠加作为总的腐蚀裕量。

对换热管这个两侧接触介质的受压元件，不考虑其腐蚀裕量，否则会影响传热效果，只能通过选择换热管材质来解决其腐蚀问题。

五、两腔压力容的水压试验压力：

1.换热容器：一般情况下，管、壳程可按各自的设计压力、设计温度、材料分别确定水压试猃压力。而对于固定管板换热器壳程设计压力低于管程设计压力时，为了检査换热管与 管板连接接头的质量，有可能碰到下列4种情况。

①管程和壳程均是正压，且壳程试验压力比管程试验压力高时，根据单腔压力容器水压试验压力确定的原则，按各自的设计压力、设计温度、材料分别确定壳、管程水压试验压力。

②管程是和壳程均是正压，且壳程试验压力比管程试验压力低时，将壳程试验压力提高到管程水压试验压力值的水平。采用此法时，许多设计人员也注意到了当壳程试验压力提高后，要对壳程圆筒在水压试验情况下的周向应力进行校核，但对其他受压元件的强度和结构等问题却往往忽视。如壳程管法兰的压力等级选择是否恰当，管板强度是否足够，壳程开孔补强是否满足要求以及壳程圆筒与管板连接的结构是否合适等。有时这些问题很可能会成为安全隐患，设计时，应该给予足够的重视，下面分别讨论。

a.管法兰的压力等级问题。壳程水庄试验压力提高后，尤其是当该压力提高得较大时，如果壳程管法兰的压力等级扔按壳程正常操作工况时选取，在试压时，管法兰的受力情况比正常操作工况时恶劣，故有可能对今后正常操作造成不利彰响。为了确保安全使用，应根据HG /T20592-2009《钢制管法兰技术条件》的要求选择压力等级。

b.水压试验时管板的强度问题。GB/T150—2011仅规定了压力试验时，要校核圆筒的周向应力，对于其他受压元件，诸如法兰和管板等，并未提出要求，按正常情况确定的压力试验值试压，这些受压元件是安全可靠的。但是，此时的壳程试验压力提高到了管程试验压力的水平，为了确保安全可靠，对管板还应进行校核。校核时，以管程设计压力作为壳程设计压力，并令管程设计压力为零，且无温差的情况，计算模型可按不带法兰的固定管板进行。

c.水压试验时壳程开孔补强问题。水压试验时，开孔补强的计算仍按GB /T150—2011中的进行。

d.壳程圆筒与管板连接的结构形式。因采用管程设计压力处理壳程水压试验问题，所以，应根据管程的设计压力按照GB /T151—2014附录I选择壳程圆筒与管板连接的结构形式，例如，壳程设计压力原本不到4.0MPa，管程设计压力大于 4.0MPa，如因采用管程设计压力进行壳程水压试验，应按附录I图I.I中的（d）或（e）的结构形式，即图1所示。因管板具有凸肩，并与圆筒对接连接，管板应采用锻件。

2.重沸器：重沸器的特点是，壳程空间远大于管程空间，管板往往采用U 形管式、浮头式、填料涵式，即非固定管板式，如图2所示，此时壳程设计压力经常低于管程设计压力，如果也采用提高壳程试验压力到管程试验压力值，以使检査换热管与管板的连接处是否泄漏，可能不是一种合理的设计方案，对于壳程采用有色金属制作的压力容器这一问题更为突出。

可以采用氨渗漏方法。但这种方法对于壳程空间远大于管程空间且壳程为常压的有色金属制容器可能仍不合理，这时应转向通过制造工艺来解决问题。

3.夹套容器：夹套容器的夹套水压试验压力只要按夹套的设计压力、设计温度和材料就可确定。内筒由于被夹套包围，如遇到带有夹套的真空容器等情况，则有些难度，此时的原则是：

1.内筒的水压试验压力应根据内筒设计压力确定。

2.夹套水压试验的目的是检验夹套部分在泄漏试验压力下材料的强度、密封结构和焊缝的严密性。被夹套包围的内筒体部分是通过内筒水圧试验来检验上述问题的。

3.对于正确设计并制造的外压容器（包括真空容器），由于与内压容器所產生的拉伸应力不同（是压缩应力），即使可能存在种种漏检缺陷，只要缺陷不致引起渗漏，在外压力作用下还趋于闭合，不会降低外压容器的临界压力。所以外压容器，除特殊情况外，是通过内压试验的方法达到检査各类缺陷是否渗漏的目的。

六、两腔压力容器的制造技术要求：

两腔压力容器的制造技术要求，可按各腔的设计压力、介质特性、容积、设计压力与容积的乘积、该容器的用途等的不同，区别对待。也可根据容器的重要性和安全性提高制造技术要求，按较高腔的类别提出相应的制造技术要求。两腔压力容器类别的划分要严格按照TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求进行，而在确定两腔压力容器的制造技术要求时，可以根据设计者的经验提高要求，可不受划类的限制。

参考文献：

[1]TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》

[2]GB/T150.1～GB/T150.4-2011《压力容器》

[3]GB/T151-2014《热交换器》

[4]HG/T20580～20585-2011

[5]王非. 《化工压力容器设计：方法、问题和要点 第二版》.化学工业出版社，2009年1月.