一个易被忽视的对高压气罐选材的影响因素

1 高压缓冲系统的功能介绍

由于在煤化工行业, 空分装置属于公用工程, 通常要求在一套空分停车时, 管网压力波动较小, 以确保管网供气的稳定性。由于常规后备系统中的液体泵、汽化器长期处于备用状态, 当需要启动时, 还需等待一段时间, 后备系统才会响应满负荷的需求, 这就要求后备系统应当配置快速响应系统, 通常采用的是高压气体缓冲系统, 如图1后备系统方案所示。

主要工艺描述:

1.1 常规后备系统

仅配置高压离心泵、水浴式汽化器以及相应的阀门、仪表系统。

当一套空分停车后, 后备系统应立即自动启动。处于冷备的离心泵应进行加载至满负荷, 然后液体通过水浴式汽化器, 变成符合产品要求的气体, 送入总管。由于整个后备系统从响应到满负荷需要一定的时间, 会造成管网压力持续降低, 甚至可能低于下游装置的设定值, 引起跳车等危害。

1.2 快速响应系统

除了 (1) 中的配置外, 额外增加一套高压缓冲系统, 包括超高压活塞泵、空浴式汽化器、高压缓冲罐以及相应的阀门、仪表系统。

为了弥补常规后备系统的响应时间带来的管网压力波动, 快速响应系统在一套空分停车后快速动作。高压缓冲罐的阀门自动打开, 高压气体在极短时间内被节流至管网压力, 维持压力波动在较小的范围内, 满足工艺要求。

由于对高压气体罐有快速释压的要求, 这就对其选材提出了严格要求。

2 高压气体罐材料选择

气罐材料的选择主要以工作压力、工作温度为依据。

2.1 工作压力

工作压力的高低, 决定了缓冲罐体积的大小。工作压力高, 体积小;工作压力低, 体积大。同时材料壁厚也不同, 最终应经过经济性比较, 选取一个合适的工作压力。

2.2 工作温度

工作温度对于材料的选择更为关键。尤其是北方的冬季, 环境温度比较低, 甚至低于材料的许用温度。在设计选材时应考虑各种温度工况, 进行细致的比较研究, 选择可靠性、可行性高的低温材料。以某一实际项目中的缓冲罐为例。

当地大气条件以及缓冲罐的工作参数如表1所示:

2.2.1 常规选材:

从表1可以看出, 静置缓冲罐处于的环境温度在-10-40之间, 如果工程设计按照此温度区间设计、选材, 常温材料即可满足要求, 即Q345R, 许用温度为≥-20℃。但是此时并没有考虑到可能存在的低温环境, 这个因素也是最容易被忽视的。

2.2.2 低温材料:

高压气体在一瞬间释放压力, 由于泄压非常快, 可以近似的认为此过程为绝热膨胀。从热力学可知, 压力降低, 气体体积膨胀, 本身温度急剧降低。在设计时选取了几个静置起始温度点, 经泄压计算得到表2的膨胀后气体温度。

3 低温材料选择

由于缓冲罐长期处于静置状态, 罐内外温度一致。从表2可以看出, 当气体快速释压至6.0Mpa G后, 释压完后气温降为-32度, 甚至低至-57度。常规材料不能满足其低温要求, 否则会出现罐体脆性破例, 出现漏气、爆炸等严重危害。按照GB150-2011标准, 16Mn DR可以用于≥-40℃, 09Mn NIDR可以用于≥-70℃的低温环境。在实际的设计中应综合考虑大气温度和释压后可能出现的最低温度进行合理的材料选择。

4 接管及管道材料

由于气体温度较低, 还应注意罐体接管及下游管道材料的选择。

5 结语

高压气体罐是维持管网压力稳定、生产稳定运行的重要保障措施, 在设计、选材上应考虑周全, 不但要考虑静态情况下的设计运行条件, 更应该从动态运行的各种极端工况下加以考虑设计;不但要保证功能上的稳定性, 更要从材料的可靠性上面面俱到, 从而保证装置的安全可靠性。

摘要：本文介绍了空分装置中高压气体缓冲罐的功能及选材时的易被忽略的因素。考虑到高压气罐在极短时间内需将大量的高压气体经阀门节流后送入产品管网, 满足下游供应商对于管网压力波动的要求, 短时间内的快速释压, 导致气体温度急剧降低, 形成高压低温环境, 普通常温材料无法满足其低温要求, 这是在材料选择时容易被忽视的一个重要因素。工程设计上应考虑周全, 谨慎选材, 以避免安全事故的发生。

关键词：空分装置,高压气罐,绝热膨胀,低温材料,材料选择