刘 旭， 熊 军， 吴忠全

(1.四川泸天化弘图工程设计有限公司 四川泸州 646300；2.四川泸天化股份有限公司 四川泸州 646300)

某公司硝酸车间浓硝酸库区属于重大危险源区域，库区现有5台容积为200 m3的浓硝酸储罐和10台容积为100 m3的浓硝酸储槽。现有的浓硝酸存储地点和充装方式已无法满足新的浓硝酸库区标准规范要求，需要对其进行环保风险整改，整改后需要新增设5台容积为200 m3的浓硝酸储罐。原浓硝酸储罐设计参数：设计压力和工作压力均为常压，工作温度为常温，设计温度为40 ℃，存储介质为质量分数98%浓硝酸，充装系数为0.9[1]。新增设的5台浓硝酸储罐外形尺寸与原储罐保持一致，按照我国现行行业标准并参照原参数重新设计。为了重新校核计算元件厚度，需要先确定计算压力。

1 浓硝酸储罐简介

1.1 设备概况

浓硝酸储罐为卧式容器，其外形尺寸见图1。设备内直径为3 800 mm，壳体壁厚为16 mm，设备总长为18 512 mm，全容积为202 m3。设备壳体与封头材料均选用牌号为1060的高纯铝。设备放置在间距为1 500 mm的11个土建基础上。

1.2 充装流程简介

硝酸车间1#、3#浓硝酸生产装置生产的98%浓硝酸，由装置界区的浓硝酸泵送至浓硝酸储罐储存。充装时，浓硝酸充装泵将浓硝酸储罐内的浓硝酸输送至浓硝酸高位槽计量，再由高位槽送至浓硝酸充装臂，由充装臂送至槽车充装。

喷射泵利用循环酸泵加压循环酸槽内的脱盐水(或酸性水)作为工作流体产生的真空，吸收浓硝酸储罐和槽车充装时产生的NOx气体成为酸性水。待酸性水质量分数大于25%后，送往硝酸车间Ⅲ硝装置开工酸槽作为吸收剂使用，少量不能完全吸收的NOx气体可引入硝酸车间至I硝尾气吸收装置进行处理，达标后排放。

从上述工艺流程可知，浓硝酸储罐在进行充装作业时，会因NOx气体被吸收而产生真空，工作压力最低为-0.01 MPa(表压)。

2 介质特性

浓硝酸为无色有刺激性气味的液体。质量分数为86%～98%的硝酸因易挥发，遇潮湿空气形成白雾，被称作“发烟硝酸”。硝酸是强氧化性酸，既具有强酸的腐蚀性，又具有强氧化性。由文献[1]中的表4.0.4可知，硝酸属于中度危害介质。

3 材料选用

浓硝酸储罐是存储98%浓硝酸的容器，由于硝酸具有很强的腐蚀性，可迅速腐蚀多数金属和有机材料，因此对于储罐材料的选择要求很高。经生产实践发现，在较稀的硝酸中，不锈钢的耐腐蚀性优于铝；在稍高于室温的浓硝酸中，铝的耐腐蚀性优于不锈钢[2]。浓硝酸储罐选用牌号为1060的高纯铝材料，该材料适于储存50 ℃以下的浓硝酸，浓硝酸会在其表面形成一层氧化膜起到防腐作用。

由文献[3]中表4-1可知，牌号为1060的铝板在设计温度下的许用应力只有15 MPa，与其他钢材相比，在设计温度下的许用应力非常低。因此需要正确确定计算压力，如果计算压力选取不当，则在确定元件厚度时会造成较大误差。元件厚度选取过大，会造成材料浪费；元件厚度选取过小，会给设备安全生产留下隐患。

4 计算压力与设计压力的差异

4.1 概念不同

(1)计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。

(2)设计压力是指设定容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。

4.2 性质不同

设计压力是整台设备的载荷条件，而计算压力是具体受压元件的计算参数。设计压力虽然是反映容器受压状况的重要指标，但不能全部、准确地反映容器各部位的实际受力状况，其仅是设计载荷之一。而容器在实际生产运行中，受到的不仅是设计压力一项载荷。根据文献[4]中第4.3.2条可知，容器在工作或安装过程中会受到多项载荷的影响，因此设计时应全面分析并考虑多项载荷以及各项载荷的组合对容器各元件的作用，将作用于各元件上具体的载荷作为计算压力以确定元件厚度。设计压力与计算压力在具体数值上存在不一致的可能性。

4.3 建立基础不同

设计压力是以容器正常工作情况下其顶部的工作压力为基础的，其数值不小于工作压力。计算压力则是以设计压力为基础，但不仅限于设计压力。

4.4 用途不同

容器(多腔容器除外)在一种工况下，设计压力只有1个，是容器材料选择、结构设计、类别划分以及各受压元件计算压力、容器耐压试验压力、气密性试验压力确定的依据。而计算压力仅用于各元件的强度计算，且不是唯一的，不同元件应根据其自身受到的载荷来确定其计算压力[5]。

5 浓硝酸储罐计算压力的确定

5.1 原设计参数分析

浓硝酸储罐原设计压力和工作压力均为常压，工作温度为常温，设计温度为40 ℃。

根据文献[4]中“压力”的定义可知，标准中所规定的压力均为表压力。文献[6]的3.0.1条中的“表压力”是指压力容器内部压力与环境大气压力的差值。因此，浓硝酸储罐原设计压力和工作压力均为0 MPa(表压)。设备属于文献[7]中的范围，应按照该标准进行设计。根据文献[7]中1.1条的释义，由于设计压力较低，无论何种情况计算压力均应计入液柱静压力。

20 ℃时，98%浓硝酸的密度为1 500.8 kg/m3，同样的温度条件下进行水压试验时，水的密度是1 000 kg/m3。两者取数值大者，因此按98%浓硝酸密度来计算液柱静压力。按容器全充满介质的情况计算液柱静压力，见式(1)。

P液=ρgh

(1)

式中：P液——液柱静压力，Pa；

ρ——介质密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h——液柱高度，m。

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

5.2 实际工况分析

浓硝酸储罐在进行充装作业时，会因NOx气体被吸收而产生真空，容器顶部会有-0.01 MPa的低表压力。未进行充装作业时，容器顶部表压力为0 MPa。因此该设备正常工作时，应该有两种工况。

5.3 计算压力的确定

5.3.1 确定思路

为指导设计者正确理解计算压力与设计压力的联系与区别，仅讨论介质对设备产生的作用力，不讨论支座对设备的作用力等其他载荷。

根据文献[4]中第4.3.5条“对有不同工况的容器，应按最苛刻的工况设计，必要时还需考虑不同工况的组合”的要求，进行设备设计时，应先按上述两种工况分别进行计算压力的确定，计算出元件厚度，然后将数值大的作为元件的最终计算厚度。

5.3.2 错误设计方法

(1)部分设计者将液柱静压力作为计算压力，用来确定浓硝酸储罐元件的厚度，没有与设备实际工况相结合，考虑不全面。个别设计者认为设计压力与工作压力为0 MPa(表压)，无需进行设计计算，未按文献[7]中相关要求进行设计计算，随意确定元件厚度，此设计方法是错误的。

(2)部分设计者采用压力容器计算软件SW6-2011进行设计计算时，将工作压力-0.01 MPa(表压)作为设计压力，认为这就是设备最苛刻的工况，并且在计算筒体、封头时，将液柱静压力0.056 MPa计入，认为遵守了“由于设计压力较低，无论何种情况计算压力均应计入液柱静压力”的规范要求。分析计算结果发现，软件经过正、负压数值的代数叠加后，确定的计算压力为0.056-0.01=0.046(MPa)。该设计方法在表面上是按设备的实际工况输入参数，实际则是将前文分析得出的两种工况混淆，也是不正确的。

5.3.3 正确设计方法

分别考虑上述两种工况，首先设备在进行充装作业时，顶部最低工作压力为-0.01 MPa(表压)，此时设备顶部并没有液柱静压力，因此应该把压力值-0.01 MPa作为计算压力进行元件厚度计算，包括开孔补强计算；其次设备未进行充装作业时，顶部最低工作压力为0 MPa(表压)，底部最大液柱静压力为0.056 MPa(表压)，将液柱静压力作为计算压力进行元件厚度计算，包括开孔补强计算；最后将两种工况下分别计算得出的元件计算厚度数值大的作为最终计算厚度。

6 结语

设计压力与计算压力是两个不同的概念，既有联系又有区别。不能随意将设计压力等同于计算压力，也不能随意将不同工况进行组合，应该结合设备实际工况加以分析，并在正确理解两者的联系与区别的基础上确定正确的计算压力，从而设计出合格的压力容器产品。