濃硝酸儲罐計算壓力的確定

劉 旭， 熊 軍， 吳忠全

(1.四川瀘天化弘圖工程設計有限公司 四川瀘州 646300；2.四川瀘天化股份有限公司 四川瀘州 646300)

某公司硝酸車間濃硝酸庫區屬于重大危險源區域，庫區現有5臺容積為200 m3的濃硝酸儲罐和10臺容積為100 m3的濃硝酸儲槽?，F有的濃硝酸存儲地點和充裝方式已無法滿足新的濃硝酸庫區標準規范要求，需要對其進行環保風險整改，整改后需要新增設5臺容積為200 m3的濃硝酸儲罐。原濃硝酸儲罐設計參數：設計壓力和工作壓力均為常壓，工作溫度為常溫，設計溫度為40 ℃，存儲介質為質量分數98%濃硝酸，充裝系數為0.9[1]。新增設的5臺濃硝酸儲罐外形尺寸與原儲罐保持一致，按照我國現行行業標準并參照原參數重新設計。為了重新校核計算元件厚度，需要先確定計算壓力。

1 濃硝酸儲罐簡介

1.1 設備概況

濃硝酸儲罐為臥式容器，其外形尺寸見圖1。設備內直徑為3 800 mm，殼體壁厚為16 mm，設備總長為18 512 mm，全容積為202 m3。設備殼體與封頭材料均選用牌號為1060的高純鋁。設備放置在間距為1 500 mm的11個土建基礎上。

1.2 充裝流程簡介

硝酸車間1#、3#濃硝酸生產裝置生產的98%濃硝酸，由裝置界區的濃硝酸泵送至濃硝酸儲罐儲存。充裝時，濃硝酸充裝泵將濃硝酸儲罐內的濃硝酸輸送至濃硝酸高位槽計量，再由高位槽送至濃硝酸充裝臂，由充裝臂送至槽車充裝。

噴射泵利用循環酸泵加壓循環酸槽內的脫鹽水(或酸性水)作為工作流體產生的真空，吸收濃硝酸儲罐和槽車充裝時產生的NOx氣體成為酸性水。待酸性水質量分數大于25%后，送往硝酸車間Ⅲ硝裝置開工酸槽作為吸收劑使用，少量不能完全吸收的NOx氣體可引入硝酸車間至I硝尾氣吸收裝置進行處理，達標后排放。

從上述工藝流程可知，濃硝酸儲罐在進行充裝作業時，會因NOx氣體被吸收而產生真空，工作壓力最低為-0.01 MPa(表壓)。

2 介質特性

濃硝酸為無色有刺激性氣味的液體。質量分數為86%～98%的硝酸因易揮發，遇潮濕空氣形成白霧，被稱作“發煙硝酸”。硝酸是強氧化性酸，既具有強酸的腐蝕性，又具有強氧化性。由文獻[1]中的表4.0.4可知，硝酸屬于中度危害介質。

3 材料選用

濃硝酸儲罐是存儲98%濃硝酸的容器，由于硝酸具有很強的腐蝕性，可迅速腐蝕多數金屬和有機材料，因此對于儲罐材料的選擇要求很高。經生產實踐發現，在較稀的硝酸中，不銹鋼的耐腐蝕性優于鋁；在稍高于室溫的濃硝酸中，鋁的耐腐蝕性優于不銹鋼[2]。濃硝酸儲罐選用牌號為1060的高純鋁材料，該材料適于儲存50 ℃以下的濃硝酸，濃硝酸會在其表面形成一層氧化膜起到防腐作用。

由文獻[3]中表4-1可知，牌號為1060的鋁板在設計溫度下的許用應力只有15 MPa，與其他鋼材相比，在設計溫度下的許用應力非常低。因此需要正確確定計算壓力，如果計算壓力選取不當，則在確定元件厚度時會造成較大誤差。元件厚度選取過大，會造成材料浪費；元件厚度選取過小，會給設備安全生產留下隱患。

4 計算壓力與設計壓力的差異

4.1 概念不同

(1)計算壓力是指在相應的設計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當元件所承受的液柱靜壓力小于5%設計壓力時，可忽略不計。

(2)設計壓力是指設定容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。

4.2 性質不同

設計壓力是整臺設備的載荷條件，而計算壓力是具體受壓元件的計算參數。設計壓力雖然是反映容器受壓狀況的重要指標，但不能全部、準確地反映容器各部位的實際受力狀況，其僅是設計載荷之一。而容器在實際生產運行中，受到的不僅是設計壓力一項載荷。根據文獻[4]中第4.3.2條可知，容器在工作或安裝過程中會受到多項載荷的影響，因此設計時應全面分析并考慮多項載荷以及各項載荷的組合對容器各元件的作用，將作用于各元件上具體的載荷作為計算壓力以確定元件厚度。設計壓力與計算壓力在具體數值上存在不一致的可能性。

4.3 建立基礎不同

設計壓力是以容器正常工作情況下其頂部的工作壓力為基礎的，其數值不小于工作壓力。計算壓力則是以設計壓力為基礎，但不僅限于設計壓力。

4.4 用途不同

容器(多腔容器除外)在一種工況下，設計壓力只有1個，是容器材料選擇、結構設計、類別劃分以及各受壓元件計算壓力、容器耐壓試驗壓力、氣密性試驗壓力確定的依據。而計算壓力僅用于各元件的強度計算，且不是唯一的，不同元件應根據其自身受到的載荷來確定其計算壓力[5]。

5 濃硝酸儲罐計算壓力的確定

5.1 原設計參數分析

濃硝酸儲罐原設計壓力和工作壓力均為常壓，工作溫度為常溫，設計溫度為40 ℃。

根據文獻[4]中“壓力”的定義可知，標準中所規定的壓力均為表壓力。文獻[6]的3.0.1條中的“表壓力”是指壓力容器內部壓力與環境大氣壓力的差值。因此，濃硝酸儲罐原設計壓力和工作壓力均為0 MPa(表壓)。設備屬于文獻[7]中的范圍，應按照該標準進行設計。根據文獻[7]中1.1條的釋義，由于設計壓力較低，無論何種情況計算壓力均應計入液柱靜壓力。

20 ℃時，98%濃硝酸的密度為1 500.8 kg/m3，同樣的溫度條件下進行水壓試驗時，水的密度是1 000 kg/m3。兩者取數值大者，因此按98%濃硝酸密度來計算液柱靜壓力。按容器全充滿介質的情況計算液柱靜壓力，見式(1)。

P液=ρgh

(1)

式中：P液——液柱靜壓力，Pa；

ρ——介質密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h——液柱高度，m。

則P液=1 500.8×9.8×3.8=55 890(Pa)≈0.056(MPa)。

5.2 實際工況分析

濃硝酸儲罐在進行充裝作業時，會因NOx氣體被吸收而產生真空，容器頂部會有-0.01 MPa的低表壓力。未進行充裝作業時，容器頂部表壓力為0 MPa。因此該設備正常工作時，應該有兩種工況。

5.3 計算壓力的確定

5.3.1 確定思路

為指導設計者正確理解計算壓力與設計壓力的聯系與區別，僅討論介質對設備產生的作用力，不討論支座對設備的作用力等其他載荷。

根據文獻[4]中第4.3.5條“對有不同工況的容器，應按最苛刻的工況設計，必要時還需考慮不同工況的組合”的要求，進行設備設計時，應先按上述兩種工況分別進行計算壓力的確定，計算出元件厚度，然后將數值大的作為元件的最終計算厚度。

5.3.2 錯誤設計方法

(1)部分設計者將液柱靜壓力作為計算壓力，用來確定濃硝酸儲罐元件的厚度，沒有與設備實際工況相結合，考慮不全面。個別設計者認為設計壓力與工作壓力為0 MPa(表壓)，無需進行設計計算，未按文獻[7]中相關要求進行設計計算，隨意確定元件厚度，此設計方法是錯誤的。

(2)部分設計者采用壓力容器計算軟件SW6-2011進行設計計算時，將工作壓力-0.01 MPa(表壓)作為設計壓力，認為這就是設備最苛刻的工況，并且在計算筒體、封頭時，將液柱靜壓力0.056 MPa計入，認為遵守了“由于設計壓力較低，無論何種情況計算壓力均應計入液柱靜壓力”的規范要求。分析計算結果發現，軟件經過正、負壓數值的代數疊加后，確定的計算壓力為0.056-0.01=0.046(MPa)。該設計方法在表面上是按設備的實際工況輸入參數，實際則是將前文分析得出的兩種工況混淆，也是不正確的。

5.3.3 正確設計方法

分別考慮上述兩種工況，首先設備在進行充裝作業時，頂部最低工作壓力為-0.01 MPa(表壓)，此時設備頂部并沒有液柱靜壓力，因此應該把壓力值-0.01 MPa作為計算壓力進行元件厚度計算，包括開孔補強計算；其次設備未進行充裝作業時，頂部最低工作壓力為0 MPa(表壓)，底部最大液柱靜壓力為0.056 MPa(表壓)，將液柱靜壓力作為計算壓力進行元件厚度計算，包括開孔補強計算；最后將兩種工況下分別計算得出的元件計算厚度數值大的作為最終計算厚度。

6 結語

設計壓力與計算壓力是兩個不同的概念，既有聯系又有區別。不能隨意將設計壓力等同于計算壓力，也不能隨意將不同工況進行組合，應該結合設備實際工況加以分析，并在正確理解兩者的聯系與區別的基礎上確定正確的計算壓力，從而設計出合格的壓力容器產品。