28m3臥式液氨儲罐設(shè)計.doc

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1、 2.8m3臥式液氨儲罐的設(shè)計 學 生：xxxxxxx 指導教師：xxxxxxx 一、題目來源 題目來源：實際生產(chǎn) 二、研究的目的和意義 儲罐是一種用于儲存液體或氣體的密封容器，主要用于存儲或盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)的設(shè)備，在化工、石油、能源、冶金、消防、輕工、環(huán)保、制藥、食品、城市燃氣等行業(yè)得到了廣泛的應用，儲存介質(zhì)涵蓋了(丙烷、丁烷、丙烯、乙烯、液化石油氣、液氨等)液化氣體、氧氣、氮氣、天然氣和城市煤氣等氣體，在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著不可替代的作用。其種類很多，大體上有：滾塑儲罐，玻璃鋼儲罐，陶瓷儲罐、橡膠儲罐、焊接塑料

2、儲罐等。就儲罐的性價比來講，現(xiàn)在以滾塑儲罐最為優(yōu)越，滾塑儲罐又可以分鋼襯塑儲罐，全塑儲罐兩大系，分別包括立式，臥式，運輸，攪拌等多個品種。而臥式液化氣儲罐是目前中、小型液化氣站儲存和運輸液化氣的主要容器之一，在石油化工行業(yè)中應用廣泛并占有相當大的比例。 臥式儲罐的容積一般都小于100m3 ，通常用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)或加油站。年來隨著制造工藝的提高其容積有逐漸增大的趨勢。隨著容積的增大，儲罐在設(shè)計和使用中的安全可靠性就變得極為重要。然而我國臥式儲罐設(shè)計制造技術(shù)的還遠落后于世界先進水平，制造較困難，加工費用高，且焊接、檢驗技術(shù)要求高。所以研究臥式儲罐設(shè)計及其焊接工藝對我國石油化工等行業(yè)有著極其重要的意義

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9、 隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展以及國家原油戰(zhàn)略儲備庫項目的實施，儲罐的大型化將成為發(fā)展的必然趨勢。目前世界上已建成的大型儲罐數(shù)量逐年增加，如早在1967年在委內(nèi)瑞拉就建成了16的浮頂儲罐，1971年日本建成了20的浮頂儲罐，而世界產(chǎn)油大國之一的沙特阿拉伯也已成功建造了20廳的浮頂儲罐。 國內(nèi)大型儲罐發(fā)展從20世紀70年代開始，1975年，國內(nèi)首臺5浮頂儲罐在上海陳山碼頭建成。繼后，在石化企業(yè)、港口、油田、管道系統(tǒng)建造數(shù)十臺5浮頂儲罐。20世紀80年代中后期，國內(nèi)開始建造10的大型浮頂儲罐，迄今為止，已經(jīng)先后在秦皇島、大慶、儀征、鐵嶺、黃島、舟山、大連、山東、蘭州、上海、鎮(zhèn)海、燕山、湛江等地建造了

10、80余座10浮頂儲罐。到目前為止，國內(nèi)建成并投入使用的最大容積的大型浮頂儲罐是中國石化集團公司建造的油罐15。 4.2．儲罐大型化的優(yōu)點 節(jié)省鋼材，減少投資。儲罐容積越大，單一位容積所需要的鋼材量越少。相同的容積， 由大罐組成要比小罐組成節(jié)省大投資。 占地面積小，因為罐和罐之間要有一定的距離，所以在相同的容積情況下，用幾臺大 罐比一群小罐的占地面積要節(jié)省的多。 便于操作管理并且節(jié)省管線及配件。幾臺大罐與一群小罐相比，庫區(qū)管理要簡單的多，在檢修、維護、保衛(wèi)等方面都比較方便。 4.3．臥式液氨儲罐的簡介 臥式儲罐的容積一般都小于100m3 ，通常用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)或加油站。臥式儲罐環(huán)向焊

11、縫采用搭接，縱向焊縫采用對接。圈板交互排列，取單數(shù)，使端蓋直徑相同。臥式儲罐的端蓋分為平端蓋和碟形端蓋，平端蓋臥式儲罐可承受 40kPa 內(nèi)壓，碟形端蓋臥式儲罐可承受 0.2Mpa 內(nèi)壓。地下臥式儲罐必須設(shè)置加強環(huán)，加強還用角鋼煨制而成。 氨是生產(chǎn)含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液態(tài)的形式從合成氨工廠送到這些肥料廠。這就需要設(shè)置液氨貯存設(shè)施，以確保原料供應，為化肥廠連續(xù)生產(chǎn)創(chuàng)造必要條件。氨在常壓下，冷卻到-33.4就液化。故常壓下液氨需要 在低于-33.4貯存，而在常溫下應在壓力容器內(nèi)貯存。 按照不同地區(qū)的氣溫和貯存條件的變化，液氨的貯存原則上可在-33—43內(nèi)，以控制其相應汽化壓力確定

12、工藝方案。一般采用壓縮、低溫或兩者結(jié)合的方法，因此有三種貯存工藝，即加壓常溫、加壓低溫和常壓低溫。國內(nèi)通常將液氨的這二種貯存工藝稱為常溫中壓、降溫低壓和低溫常壓。 液氨儲罐的設(shè)計溫度為40，對應的設(shè)計壓力為1.6MPa;而降溫低壓工藝是利用制冷系統(tǒng)將液氨適當冷凍貯存，相應降低了貯存設(shè)備的設(shè)計壓力以減薄其壁，從而降低儲罐的投資;至于低溫常壓工藝，則是將液氨冷凍至不高于它的沸點(低于-33，視當?shù)卮髿鈮憾?，使得液氨對應的氣相壓力與大氣壓力相同或相近，從而可以采用常壓容器盛裝貯存，以最大限度降低儲罐投資。 上述三種液氨貯存工藝對制造液氨儲罐的鋼材用量有很大影響，隨著儲罐的工作溫度降低，儲罐單

13、位鋼材用量可貯存的液氨量顯著增大。常溫儲罐每噸鋼材用量可貯存液氨2.07t;若溫度降到0，則每噸鋼材用量可貯存液氨10t.儲罐容量可達250 —4000t液氨;若貯存在－33，則每噸鋼材用量可貯存40t液氨，儲罐容量可達4500t以上。 4.4．現(xiàn)階段研究狀況 儲罐在石油化工行業(yè)中有著廣泛的應用，而且近年來隨著制造工藝的提高其容積有逐漸增大的趨勢。隨著容積的增大，儲罐在設(shè)計和使用中的安全可靠性就變得極為重要。 目前儲罐及其部件的設(shè)計可以參照壓力容器的設(shè)計規(guī)范，其分為基于彈性失效準則的規(guī)則設(shè)計(Design by Rule)和基于塑性失效準則的“分析設(shè)計”(Design by Analys

14、is)其中分析設(shè)計法是工程與力學緊密結(jié)合的產(chǎn)物，它不僅能解決壓力容器常規(guī)設(shè)計所不能解決的問題，而且代表了近代設(shè)計的先進水平。 為了確保儲罐在生產(chǎn)中的安全，工廠都會定期對儲罐進行檢修，其中包括外觀檢修，打開人孔進行檢查，做理化檢驗，無損檢測等等。但是隨著儲罐的使用，儲罐的結(jié)構(gòu)、壁厚等參數(shù)都發(fā)生了變化，儲罐在這種變化下還能不能滿足上作的要求，這就需要我們對儲罐的現(xiàn)狀進行分析，做出判斷?，F(xiàn)在最常用的分析就是應力分析，其目的就是求出結(jié)構(gòu)在承受載荷以后結(jié)構(gòu)內(nèi)應力分布情況，找出最大應力點或求出當量應力值，然后對此進行評定，當應力值在許用范圍以內(nèi)時，結(jié)構(gòu)滿足要求，可以安全生產(chǎn)。當應力值超出許用應力時，儲罐

15、是危罐，應該立即停止使用或者采取合適的方法來補救。 常用的應力分析的方法有兩種:一種是解析的方法，分為精確解，近似解;另一種是數(shù)值的方法，分為有限差分法，有限元法等。精確解法在解決彈性問題時通常已經(jīng)知道結(jié)構(gòu)的形狀與幾何尺寸、材料常數(shù)、彈性模量、泊松比、屈服極限、內(nèi)壓力、表面力、體積力、溫度載荷、結(jié)構(gòu)的約束情況等。 由于有限元法是采用有限個有限大小的單元節(jié)點處相連所組合成的離散體代替連續(xù)的彈性體，這就是使用有限元法具有很強的適應性，即可以適應各種復雜的結(jié)構(gòu)、載荷及邊界條件，也可以計算由不同材料組合成的結(jié)構(gòu)。近年來許多功能較強的有限元軟件的不斷涌現(xiàn)，前后處理功能的不斷改進，可以輸入比以前更少的

16、信息便可以自動生成網(wǎng)格及載荷移置，ANSYS,NASTRAN理出圖象輸出，高溫蠕變分析、極大地方便了設(shè)計者。等軟件還有等效線性化后處理功能，并將結(jié)果整有限元法口前不僅用于彈塑性分析，還可以用于大變形與屈曲分析，斷裂分析等。用有限元法與數(shù)學規(guī)劃法相結(jié)合還進行了不同載荷作用下的極限分析與安全性分析。有限元法作為一種有效的應力分析方法正在成為壓力容器應力分析的首要方法。 五、研究內(nèi)容、需重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路 5.1.主要研究內(nèi)容： (1) 臥式儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由老師提供的數(shù)據(jù)和參數(shù)，來設(shè)計壓力容器，其中具體內(nèi)容有：選材，必要的計算，焊接工藝參數(shù)的確定，焊接工藝卡的生成等。 (2)

17、經(jīng)濟性分析 由所選材料、焊接方法、儲罐結(jié)構(gòu)對容器的價格進行評估，并選擇出較經(jīng)濟的設(shè)計方案。 5.2.重點研究的關(guān)鍵問題： 臥式承壓儲罐是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的設(shè)備，也是容易發(fā)生災難性事故的特殊設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理而導致的事故占有較大的比例，所以正確合理的壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計是才能使安全使用。焊縫的焊接質(zhì)量也對容器的強度有很大的影響，特別是中、高壓壓力容器或有危害性的容器，焊縫的質(zhì)量不過關(guān)，可能會發(fā)生泄露、爆炸等危險事故。所以要合理設(shè)計焊縫位置和焊接工藝，并從分析容器所受應力來進行可靠性設(shè)計。 故需要解決的關(guān)鍵問題主要有:儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計、應用ANSYS軟件進行應力分析等。 六、完成畢業(yè)設(shè)

18、計所必須具備的工作條件及解決的辦法 6.1 具備的條件 以前所學到的理論知識、所用的課本、搜集到的資料、老師提供的參考資料等， Auto CAD二維工程圖軟件，還有計算機，圖書館，網(wǎng)絡(luò)資源等。 6.2 解決辦法 在圖書館查閱化工容器設(shè)計的、設(shè)計手冊和雜志等相關(guān)書籍，借助網(wǎng)絡(luò)資源，在學校圖書館網(wǎng)站和一些化工機械論壇上查閱下載必要的資料，并在老師的指導，認真思考、歸納總結(jié)，逐步解決在設(shè)計過程中遇到的理論性困難問題，及時補充學習缺乏的知識。在空閑時間多上機學習并熟練掌握上述的各種繪圖軟件和分析軟件。 七．工作的主要階段、進度與時間安排 1、搜集資料

19、 第 4 周 2、翻譯和開題報告 第 5-6 周 3、臥式儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計 第 7-8 周 4、焊接工藝設(shè)計 第 9 周 5、容器失效分析 第10-11周 6、經(jīng)濟性分析 第 12 周 7、撰寫論文 第13-14周 8、報于指導老師審查，修改 第 15

20、 周 9、準備答辯 第 16 周 八．指導教師審查意見 2.8m3臥式液氨儲罐的設(shè)計 學 生：xxxxxxxxxx 指導教師：xxxxxxxxxx 【摘要】 本文首先介紹了壓力容器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對液氨儲罐作了簡單的介紹。接著對液氨儲罐的進行了詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計, 并運用Auto CAD、Pro/Engineer軟件分別繪制了儲罐裝配圖和三維圖。并利用ANSYS分析軟件對儲罐進行了應力分析，針對最大應力分布區(qū)域進行補強設(shè)計，有效地解決了用定量計算方法進行應

21、力分析困難的缺點。還從價格評估的角度對液氨儲罐作了經(jīng)濟性分析，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性。最后從焊接缺陷出發(fā)對儲罐進行失效分析，并以VB語言為基礎(chǔ)，結(jié)合控制圖原理設(shè)計了一個缺陷分析的CAPP系統(tǒng)，從而完成了整個臥式液氨儲罐的分析設(shè)計過程。 【關(guān)鍵詞】臥式液氨儲罐；結(jié)構(gòu)設(shè)計；應力分析； 經(jīng)濟性分析；CAPP Ⅶ The Design of the horizontal liquid ammonia storage tank Student：xxxxxxx Guide teacher：Zxxxxxxx [Abstract] This

22、paper introduced the development and trends of the research status the for pressure vessel in the first, and analyzed the liquid ammonia storage tank with a simple presentation. Then we design the liquid ammonia tank detailed and draw the tank assembly and three-dimensional maps with the application

23、 of Auto CAD and Pro/Engineer software. And we analysis the stress for the storage by use of ANSYS software, region reinforcement design for the greatest stress distribution, solve the quantitative calculation method for stress analysis of the shortcomings of difficulties effectively. And we give th

24、e Price assessment from the perspective of liquid ammonia storage tank ,which make economic analysis to verify the structural design of the feasibility of the program. Finally we give the failure analysis starting from the welding defects on the tank ,for which the CAPP system were design for the de

25、fect analysis based on VB language,and Control Chart with the principle of a, thus the whole horizontal analysis of the liquid ammonia tank design process were completed. [Keyword] horizontal liquid ammonia storage tank;structural design; analysis of economic;stress analysis;CAPP 選題背景

26、 1 選題背景 1.1該課題研究的目的和意義 儲罐是一種用于儲存液體或氣體的密封容器，主要用于存儲或盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)的設(shè)備，在化工、石油、能源、冶金、消防、輕工、環(huán)保、制藥、食品、城市燃氣等行業(yè)得到了廣泛的應用，儲存介質(zhì)涵蓋了(丙烷、丁烷、丙烯、乙烯、液化石油氣、液氨等)液化氣體、氧氣、氮氣、天然氣和城市煤氣等氣體，在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著不可替代的作用。而臥式液化氣儲罐是目前中、小型液化氣站儲存和運輸液化氣的主要容器之一，在石油化工行業(yè)中應用廣泛并占有相當大的比例，應用相當廣泛。 然而我國臥式儲罐設(shè)計制造技術(shù)的還落后于世界先進水平，制造較困難，加工費用高，且焊接、檢驗技術(shù)要

27、求高，特別是對容器的安全穩(wěn)定性分析顯得尤為重要,可以避免容器失效造成的巨大危害和損失，所以研究臥式儲罐設(shè)計對我國石油化工等行業(yè)的發(fā)展有著極其重要的意義。 1.2 壓力容器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 隨著化工、石油、能源、鍋爐等工業(yè)的迅速發(fā)展，今年來壓力容器制造技術(shù)的進展主要體現(xiàn)在以下四個方面： （1）壓力容器向大型化發(fā)展 壓力容器向大型化發(fā)展，容器的直徑、容積、厚度、質(zhì)量等參數(shù)增大，容器的工作條件，如溫度、壓力、介質(zhì)越來越惡劣、復雜，而且這一大型化的趨勢還在繼續(xù)。容器大型化可以節(jié)約能源、節(jié)約材料、降低投資、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。 國外以美國和日本為代表的合成氨和裝置已經(jīng)基本穩(wěn)定

28、在年產(chǎn)30萬—40萬t，個別有60萬t，乙烯裝置穩(wěn)定在年產(chǎn)30萬—50萬t，個別有68萬—75萬t，板焊結(jié)構(gòu)式的煤氣塔厚度為200mm，內(nèi)徑為9100mm，單臺質(zhì)量已達到2500t。目前世界上已建成的大型儲罐數(shù)量逐年增加，如早在1967年在委內(nèi)瑞拉就建成了16的浮頂儲罐，1971年日本建成了20的浮頂儲罐，而世界產(chǎn)油大國之一的沙特阿拉伯也已成功建造了20的浮頂儲罐。 國內(nèi)大型儲罐發(fā)展從20世紀70年代開始，1975年，國內(nèi)首臺5浮頂儲罐在上海陳山碼頭建成。繼后，在石化企業(yè)、港口、油田、管道系統(tǒng)建造數(shù)十臺5浮頂儲罐。20世紀80年代中后期，國內(nèi)開始建造10的大型浮頂儲罐，迄今為止，已經(jīng)先后在秦

29、皇島、大慶、湛江等地建造了80余座10浮頂儲罐。到目前為止，國內(nèi)建成并投入使用的最大容積的大型浮頂儲罐是中國石化集團公司建造的油罐15。目前中國已經(jīng)基本掌握了厚度在150mm—200mm的大型容器的制造、焊接和檢測技術(shù)，厚度在200mm以上的大型容器的制造、焊接和檢測技術(shù)也已經(jīng)成熟。 （2）壓力容器用鋼的逐漸完善，專業(yè)用鋼越來越明顯 壓力容器向大型化發(fā)展，對鋼材的要求也日益嚴格，材料技術(shù)的不斷提高使壓力容器大型化有了保障。當前壓力容器用鋼發(fā)展的主要特點有如下幾個： ①隨著剛才強度的提高，同時要改善鋼材的抗裂性和韌性指標。通過降低碳的含量，同時加入微量合金元素以保證鋼材有一定的剛度，不斷提

30、高煉鋼技術(shù)使鋼水雜質(zhì)含量大幅度降低。日本煉鋼可使磷降到0.01%以下，硫降到0.002%以下。 ②對于高溫抗氫用鋼，盡量減輕鋼的回火脆性和氫脆傾向。 ③降低大型鋼錠中的夾雜物及偏析等缺陷以保證內(nèi)部性能均勻，提高鋼錠的利用率。日本、美國、德國都生產(chǎn)出了大厚鋼板。 ④出現(xiàn)大線能量下焊接性良好的鋼板。 （3）焊接新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和使用，使焊接質(zhì)量日趨穩(wěn)定并提高 為了適應大型化和厚壁壓力容器的發(fā)展，國內(nèi)外普遍采用了強度級別較高的鋼材，這時為了降低焊縫中的氫含量，提高焊接接頭的韌性，日本神鋼公司研制了UL系列的超低氫焊條，對600MPa級的高強鋼焊接時，甚至可以不預熱。 隨著鎢極氬弧

31、焊、多絲埋弧焊、窄間隙焊等新焊接方法的采用大大改善了焊接接頭的性能。自動焊接技術(shù)和焊接機器人的使用使大型容器上百米的縱焊縫、環(huán)焊縫和接管的鞍形焊縫實現(xiàn)了自動化，提高了焊接質(zhì)量和效率，降低了勞動強度，改善了勞動條件。 （4）無損檢測技術(shù)的可靠性逐步提高，有力地保證了裝備制造及運行的安全。 無損探傷技術(shù)在對過程裝備的材料和整個制造過程以及在服役裝備檢驗方面起者重要的作用，另外，在缺陷評定方面的進步也有效地保證了裝備的安全性。 目前工程上主要的檢驗方法有：射線探傷、超聲波探傷、表面探傷、聲發(fā)射探傷。 1.3臥式液氨儲罐簡介 氨是生產(chǎn)含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液態(tài)的形式從合成氨廠送

32、到這些肥料廠。這就需要設(shè)置液氨貯存設(shè)施，以確保原料供應，為化肥廠連續(xù)生產(chǎn)創(chuàng)造必要條件。氨在常壓下，冷卻到-33.4℃就液化。故常壓下液氨需在低于-33.4℃貯存，而在常溫下應在壓力容器內(nèi)貯存。 按照不同地區(qū)的氣溫和貯存條件的變化，液氨的貯存原則上可在-33℃—43℃內(nèi)，以控制其相應汽化壓力確定工藝方案。一般采用壓縮、低溫或兩者結(jié)合的方法，因此有三種貯存工藝，即加壓常溫、加壓低溫和常壓低溫。國內(nèi)通常將液氨的這二種貯存工藝稱為常溫中壓、降溫低壓和低溫常壓。 液氨儲罐的設(shè)計溫度為40℃，對應的設(shè)計壓力為1.6MPa;而降溫低壓工藝是利用制冷系統(tǒng)將液氨適當冷凍貯存，相應降低了貯存設(shè)

33、備的設(shè)計壓力以減薄其壁，從而降低儲罐的投資;至于低溫常壓工藝，則是將液氨冷凍至不高于它的沸點(低于-33℃，視當?shù)卮髿鈮憾?，使得液氨對應的氣相壓力與大氣壓力相同或相近，從而可以采用常壓容器盛裝貯存，以最大限度降低儲罐投資。 上述三種液氨貯存工藝對制造液氨儲罐的鋼材用量有很大影響，隨著儲罐的工作溫度降低，儲罐單位鋼材用量可貯存的液氨量顯著增大。常溫儲罐每噸鋼材用量可貯存液氨2.07t;若溫度降到0℃，則每噸鋼材用量可貯存液氨lOt。儲罐容量可達250—4000t液氨;若貯存在－33℃，則每噸鋼材用量可貯存40t液氨，儲罐容量可達4500t以上。 1.4液氨儲罐的作用 液氨儲罐主要用在化

34、肥廠的合成氨的存儲工序中，現(xiàn)以吉林化學工業(yè)股份有限責公司化肥廠，年產(chǎn)30萬噸的合成氨工藝為例，來說明液氨儲罐的作用。 其主要生產(chǎn)工序有:①原料氣的制造。即通過重油氣化或由原料焦在煤氣發(fā)生爐中與空氣、蒸汽進行反應，制取半水煤汽。②煤氣鼓風及轉(zhuǎn)化。即將半水煤氣進行脫塵、脫硫，并將其中的CO在以氧化鐵為主的觸媒存在條件下，與水蒸氣起反應生成C02和H2。③氣體的壓縮與精制。即通過壓縮、水洗、銅洗等工序?qū)⑺浩械腃02和CO除去。④氨的合成。合成是氨生產(chǎn)的最后一道工序，由銅洗工段送來H2、N2混合氣與循環(huán)氣在油過濾器混合，H2:N2為2.8-2.9進入合成塔，在(32MPa,460-520℃有鐵觸

35、媒存在條件下合成氨。從合成工段送來的液氨進入入671液氨倉庫，在液氨倉庫中，液氨的主要貯藏設(shè)備為液氨貯槽，并在此分發(fā)給下游工廠或工段。671工號液氨系統(tǒng)收支示意圖如下圖1.1所示。 圖1.1 671工號液氨系統(tǒng)收支示意圖 1.5 臥式液氨儲罐的設(shè)計要求及概況 設(shè)計原始數(shù)據(jù)：設(shè)計壓力P=1.6Mpa，設(shè)計溫度T=40℃，容積V=2.8m3，設(shè)備充裝系數(shù)0.9。臥式液氨儲罐圖如下圖1.2和1.3所示： 圖1.2 液氨儲罐 圖1.3 液氨儲罐 第 5 頁

36、 ( 共 56 頁 ) 臥式液氨儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 臥式液氨儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1儲罐主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計 2.1.1筒體和封頭的結(jié)構(gòu)選擇 由于純液氨具有一定的腐蝕性，但設(shè)計壓力為中等壓力，根據(jù)鋼制壓力容器中使用的鋼板許用應力及其使用范圍的說明，儲罐的主要結(jié)構(gòu)筒體和封頭選材可以考慮使用20R、16MnR、15MnVR等鋼。 氨屬于中度危害介質(zhì)(Ⅱ級)，且本設(shè)備為PV值小于10Mpam3的中壓儲存容器按[2]劃分，本設(shè)備為第二類壓力容器。儲罐選用臥式，液體靜柱壓力很低，可不記入設(shè)計壓力中。 筒體由鋼板卷制而成，其公稱直徑等于內(nèi)徑，查閱壓力容器的公稱直徑表，并結(jié)合儲罐的容積，初步選擇其公稱

37、直徑DN=Di=1200mm。 筒體和封頭的對接焊接，采用全焊透焊縫，并進行l(wèi)00％無損探傷，查表取焊縫系數(shù)Φ=1.0。根據(jù)氨的腐蝕程度，取腐蝕裕量C2＝2mm。 封頭可以選擇球形、橢圓形、碟形、平板形、圓錐形等幾種形式的封頭，但從材料消耗、受力和加工制造的難易程度等幾個方面的綜合比較考慮，選用標準橢圓形封頭（EHA型）最為理想，故選之。 假設(shè)標準橢圓形封頭封頭厚度在8—16mm之間，封頭的公稱直徑應該與筒體相等，取DN=1200mm，按有關(guān)標準JB4746-2002，查得封頭的容積Vh=0.2545 m3，總深度H=325 mm。由于采用的是標準橢圓形封頭，由h/DN=0.25，得出封

38、頭的直邊高度h=25mm，而封頭的曲面深度h1=325－25=300mm。 筒體長度： 取 =2030 mm 兩封頭切線之間的距離L==2030+225=2080mm 現(xiàn)選用16MnR和20R兩個鋼種，對儲罐的主要結(jié)構(gòu)——筒體和封頭進行兩個方案的設(shè)計，然后對這兩個方案進行比較和選擇。 2.1.2用方案一計算筒體和封頭的厚度 首先選用16MnR鋼為材料，來計算筒體和封頭的厚度。 16MnR鋼板在40℃時的許用應力查表，根據(jù)筒體厚度計算公式初步估計此筒體的設(shè)計厚度在8—16mm之間，[σ]＝[σ]t =170 Mpa，屈服強度σs=345 Mpa。 （1）筒體厚度

39、 δ=mm 設(shè)計厚度δd＝δ十C2＝5.67十2＝7.67mm 按GS709，取鋼板負偏差C1=0.8mm 考慮鋼板厚度系列取名義厚度δn＝10mm 因δn＝10mm，查此情況下16MnR鋼的許用應力沒有變化，[σ]= 170 Mpa，所以上述計算成立。 （2）封頭厚度 由于選用標準橢圓形封頭，所以其封頭形狀系數(shù)k=1.0 計算厚度 δ=mm 設(shè)計厚度δd＝δ＋C2＝5.66＋2＝7.66mm 取C2＝0.8mm，故名義厚度δn＝10mm，且許用應力也沒有發(fā)生變化，所以上計算成立。 （3）水壓試驗校核 ．試驗壓力：PT＝ 取水壓試驗壓力PT＝2. 0MPa ．

40、筒體應力校核；筒體有效厚度δe＝δn－C1－C2＝10－2.8＝7.2mm 所以試驗時應力： MPa 筒體水壓試驗應力校核滿足要求。 ．封頭應力校核：有效厚度δe＝δn－C1－C2＝l0－0.8－2＝7.2mm 所以封頭水壓試驗應力校核滿足要求 2.1.3用第二種方案計算筒體和封頭的厚度 選用20R鋼作為第二種方案，來計算筒體和封頭的厚度。 20R鋼板在40℃時的許用應力查表，根據(jù)筒體厚度計算公式初步估計此筒體的設(shè)計厚度在8—16mm之間，取此時20R鋼的許用應力[σ]＝[σ]t =133 Mpa，屈服強度δs=245 Mpa。 筒體和封頭的結(jié)構(gòu)

41、和尺寸與第一種方案的設(shè)計相同（厚度除外），選用標準橢圓形封頭（EHA型），其它尺寸和參數(shù)如上所敘。 （1）筒體厚度 δ=mm 設(shè)計厚度δd＝δ十C2＝7.26十2＝9.26mm 按GS709，取鋼板負偏差C1=0.8mm。考慮鋼板厚度系列取名義厚度δn＝12mm 因δn＝12mm，查此情況下20R鋼的許用應力沒有變化，[σ]= 133 Mpa，所以上計算成立。 （2）封頭厚度 由于選用標準橢圓形封頭，所以其封頭形狀系數(shù)k=1.0。 計算厚度 δ=mm 設(shè)計厚度δd＝δ＋C2＝7.24＋2＝9.24mm 取C2＝0.8mm，故名義厚度δn＝12mm，且許用

42、應力也沒有發(fā)生變化，所以上計算成立。 （3）水壓試驗校核 ．試驗壓力：PT＝ 取水壓試驗壓力PT＝2. 0MPa ．筒體應力校核；筒體有效厚度δe＝δn－C1－C2＝12－2.8＝9.2mm 所以試驗時應力： MPa 筒體水壓試驗應力校核滿足要求。 ．封頭應力校核：有效厚度δe＝δn－C1－C2＝l2－0.8－2＝9.2mm 因為 所以封頭水壓試驗應力校核滿足要求。 2.1.4兩種方案的比較 （1）鋼板耗用量 鋼板耗用量與板厚成正比，則儲罐的主要結(jié)構(gòu)筒體和封頭采用16MnR時，鋼板比使用20R鋼板可減輕: 16.7% 16MnR鋼板的價格比

43、20R鋼板略貴，兩者相差不大，從耗材量與價格綜合考慮，兩種鋼板均可考慮，但在上述計算過程中，如16MnR的名義厚度δn與設(shè)計厚度δd很接近，其差值為10－7.67=2.33mm,而20R的名義厚度δn與設(shè)計厚度δd大很多，其差值為12－9.26=2.74mm，所以用16MnR鋼時，鋼板耗用量就要省很多，更為適宜。 （2）制造費用 總的來說，由于采用16MnR鋼板厚度較薄，質(zhì)量較輕，鞍座的承載重量也更小，而且制造費用目前也按碳鋼設(shè)備同等計價，因此制造費用比較經(jīng)濟。 （3）材料性能 20R鋼板的抗腐蝕性能比16MnR鋼要好，但是考慮到儲存介質(zhì)液氨的腐蝕性不是很強，而且16M

44、nR鋼比20R鋼板的強度高，機械加工性能和焊接性能指標都明顯要好，所以選用板更合適。 （4）方案比較總結(jié) 由于上述比較可以看出，說明方案一選用16MnR鋼更合理，那么下面的內(nèi)容就針對方案一的選材和設(shè)計數(shù)據(jù)進行相關(guān)的計算和校核。 2.2計算鞍座反力 （1）計算質(zhì)量 ．筒體質(zhì)量 m1＝π(Di＋δe)δnL010-9 ＝3.14(1200+10)102000785010-9 ＝597kg ．單個封頭的質(zhì)量m2＝128.3.0kg(查JBll53—73) . 附件質(zhì)量m3(包括入孔，接管、液面計、平臺等)近似取m3＝400kg ．充液質(zhì)量 液氨在0℃

45、時的密度為640kg/m3，小于水的密度，故充液質(zhì)量按水的質(zhì)量考慮， m4＝ ＝[120022025+20.254510-9]100010-9 ＝2799kg ．保溫層質(zhì)量 本設(shè)備不保溫，故m5＝0 ．設(shè)備最大質(zhì)量 m＝m1＋m2 ＋m3＋m4＋m5＝597＋2128.3＋400＋2799＋0＝4053 kg （2）計算鞍座反力 F＝mg/2＝(40539.81)/2＝19880N 2.3支座及其位置選取 臥式容器的支座有鞍座、圈座和支腿三種形式。而常用的儲罐、儲槽、換熱器等臥式容器設(shè)備常選用鞍式支

46、座予以支承，所以此設(shè)備也選用鞍座。 臥式儲罐的鞍式支座設(shè)計包括以下幾個要點： 2.3.1鞍座數(shù)量的確定 鞍式支座普遍選用雙鞍座支承，這是因為若采用多鞍座支承，難于保證各鞍座均勻受力。雖然多支座罐的彎曲應力比較小，但是各支座嚴格的保持在同一水平面上，特別是對于大型臥式儲罐很難達到，同時，由于地基的不均勻下沉，多支座 的罐體在支座處的支反力不能均勻分配，故選用雙鞍式支座支承。 2.3.2鞍座安裝位置的確定 由材料力學可知，將出儲罐的力學模型簡化為雙支座上的受均布載荷的外伸梁，如下圖2.1所示，若梁的全長為L，則當外伸端的長度A=0.207L時，雙支座跨中間截面的最大彎矩和支座截面處的彎矩

47、相等，從而使上述兩截面上保持等強度?？紤]到支座截面處除彎矩以外的其他載荷，而且支座截面處的應力較為復雜，故常取支座截面處的彎矩略小于跨中間截面的彎矩，通常取尺寸不超過0.2L，為此中國現(xiàn)行標準JB4731《鋼制壓力容器》規(guī)定取0.2L，A值不得大于0.25L。否則由于容器外伸端的作用使支座截面處的應力過大。其中A為封頭切線到支座的距離，此外由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗彎剛度，故封頭對于圓筒的抗彎剛度有局部的加強作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對支座處圓筒截面的加強作用。因此，國標JB4731還規(guī)定當滿足，A≤0.2L時，最好使（Rm為圓筒的平均半徑，Rm＝ Ri＋δn/2=605m

48、m，Ri為圓筒的內(nèi)徑）。 由于Rm/2=302.5mm, 0.2L=416mm 因為0.2L＞0.5R，鞍座位置A≤Rm/2=302.5mm 取鞍座位置 A＝300mm 其中：A為封頭切線到支座的距離 為了防止臥式儲罐因操作溫度和安裝溫度不同而引起的熱膨脹，以及由于圓筒及物料的重量使圓筒防止彎曲等原因?qū)εP式儲罐引起的附加應力，對于雙鞍座中的其中一個設(shè)計為固定支座（代號F），而另一個應允許為可沿軸線方向移動的活動支座（代號S）。活動支座的基礎(chǔ)螺栓應沿圓筒軸向開成長圓孔，固定支座通常設(shè)置在儲罐配管較多的一側(cè)，活動支座應安裝在沒有配管或配管較少的一側(cè)。

49、 圖2.1 液氨儲罐受力分析圖 2.3.3鞍座標準的選用 綜上所述，結(jié)合筒體公稱直徑和上述計算的鞍座反力F＝19880N=19.88 KN，查壓力容器手冊，選用JB/T4712—92標準的鞍式支座，公稱直徑DN1200mm,A型，帶加強墊板，允許支承載荷Q=147 KN，因為Q＞F，所以符合要求。 查JB/T4712—92可得鞍座基本尺寸：包角θ＝120，支座高度H=200mm,鞍座寬度b＝150mm；腹板厚6mm；墊板寬270mm，墊板厚6mm；底板長880mm底板寬170mm，底板厚10mm；筋板寬140mm，筋板厚度

50、6 mm，鞍座質(zhì)量52kg。 鞍座的尺寸和結(jié)構(gòu)見裝配圖和附錄。 鞍座墊板材料選16MnR，鞍座其余材料選用Q235—AF鋼。 鞍座標記：JB/T4712—92，鞍座A 1200 2.4儲罐應力校核 2.4.1筒體軸向應力校核 （1）筒體軸向彎矩計算 ．筒體中間處截面的彎矩 ＝3.81106Nmm ．支座處截面上的彎矩 = －5.77105Nmm （2）筒體軸向應力計算 由GBl50—89表8-1查得由“扁塌現(xiàn)象”引起的抗彎截面模量減少系數(shù)K1＝K2＝1.0 因為｜M1｜》｜M2｜，且A≤Rm/2=302.5mm,故應力必定出現(xiàn)在跨中面，校

51、核跨 中面應力。 .由彎矩引起的軸向應力 最低點處： ′= MPa 最低點處′＝－′＝0.461MPa ．由于設(shè)計壓力引起的軸向應力 MPa ．軸向應力組合與校核 軸向拉應力：σ2＝σp+′=67.2+0.461＝67.7MPa 許用軸向拉應力：[σ]t＝170Mpa，σ2＜[σ]t合格 軸向壓應力：σ1＝－′＝0.461Mpa 軸向許用壓縮應力 根據(jù)A值查GBl50—89圖4—5，得B＝136MPa＜[σ]t=170 MPa 取許用壓縮應力 [σ]ac＝136MPa，合格｜σ1｜＜[σ]ac 2.

52、4.2筒體和封頭切向剪應力校核 因筒體被封頭加強(即A＜Rm/2)，筒體和封頭中的切向剪應力分別按下式計算 (1) 筒體切向剪應力 查GBl50—89，取系數(shù)K3＝0.880，K4=0.401 因為 τ< 0.8[σ]t =0.8170=136 MPa ， 故合格。 (2)封頭切向剪應力 因為 1.25[σ]t －δh=1.25[σ]t － = 1.25170－ MPa ＜1.25[σ]t－δh，故合格。 2.4.3筒體周向應力校核 (1)周向應力計算 設(shè)墊板不起加強作用，查GBl50—8

53、9，取周向彎矩系數(shù)K6 =0.0132周向壓縮系數(shù)K5 =0.760， ．在鞍座處橫截面最低點處 MPa 式中k=0.1,考慮容器焊接在鞍座上 其中：b2為筒體承受周向壓應力的有效長度。 b為支座的軸向?qū)挾? ．鞍座邊角的周向應力 因L/Rm=2080/605=3.43＜8,故 (2)周向應力校核 ︱σ5 ︳＜　[σ]t＝170MPa ︱σ6 ︳＜　1.25[σ]t＝212.5MPa 2.4.4鞍座有效斷面的平均應力校核 查GBl50—89，取系數(shù)K9＝0.204 支座承受的水平分力Fs＝K9F＝0.20419880＝4056N 鞍座有效斷面

54、平均應力 Mpa 應力校核 σ9＜2/3[σ]t＝75.3MPa 式中：bs為鋼制鞍座的腹板厚度，bs=δ2=6mm， 由于鞍座的實際高度h=200mm＜1/3Rm=201.7mm，所以Hs取h=200mm。 [σ]t＝113 Mpa，為鞍座腹板材料Q235—AF的許用應力。 2.5開孔與接管設(shè)計 2.5.1人孔設(shè)計 因為筒體長度L=2080mm≤6000mm時，可以很好的采光、氣體置換，檢驗人員進行內(nèi)外部檢驗和出入方便，所以只需要設(shè)置一個人孔即可。由于儲罐的公稱直徑900mm＜DN＜2600 mm，而且設(shè)計了人孔和適當?shù)膫溆?/p>

55、管口（見下文），就不必要設(shè)計手孔和檢查孔。 人孔不應該布置在鞍座處的截面和跨中間截面上，也不適宜在封頭上設(shè)置人孔。考慮到筒體和鞍座的結(jié)構(gòu)尺寸，將人孔設(shè)置在筒體的頂部，選取開孔中心距離筒體的邊緣620mm。由于沒有設(shè)計手孔和檢查孔，需要經(jīng)常打開人孔蓋進行檢查，為了方便打開人孔蓋，選用快開式，并根據(jù)儲罐的公稱直徑和公稱壓力，查手冊，選擇回轉(zhuǎn)蓋平焊法蘭人孔，標準號為JB580-79，C型密封面，Ⅰ類材料。 人孔標記：人孔 CⅠ Pg16 Dg450 JB580-79 人孔材料：筒節(jié)、法蘭、蓋子材料用Q235-B螺栓、螺母材料用Q235-A，法蘭材料選用16Mn(鍛)。 人孔尺寸：公

56、稱直徑Dg=450mm，接管尺寸dws＝480mm10mm。 2.5.2接管與法蘭聯(lián)結(jié)設(shè)計 所有的接管材料選用10號鋼無縫鋼管，法蘭材料選用16Mn(鍛)，接管長度從罐體的外壁算起，罐頂?shù)慕庸荛L度可取150 mm，罐底的接管長度可取100 mm。接管位置示意圖見下圖2.2所示 圖2.2 接管位置示意圖 （1）液氨進出口 需要設(shè)計2個液氨進出口，液氨進口設(shè)置在筒體的頂部，出口設(shè)在罐底，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。選用凸面板式平焊鋼制管法蘭，公稱直徑80mm，接管外徑89 mm。法蘭標記：HG20593 法蘭 PL80—1.6RF （2）液位計管口 設(shè)置兩個液位計

57、管口，兩個均設(shè)在左邊封頭上，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。右邊封頭上液位計管口時必須避開邊緣應力區(qū)，隨著離開封頭邊緣處的距離的增大，邊緣應力迅速衰減，所以將管口孔中心距離封頭頂點500mm。由于接管較長，要設(shè)計加強筋加強。法蘭標記：HG20593 法蘭 PL20—1.6RF （3）排污管口 為了方便排凈污物，將排污管口設(shè)在罐底，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。選用螺紋管法蘭。法蘭標記：HG20598 法蘭 Th25—1.6 （4）安全閥管口、壓力表管口、備用管口 三個管口均用同種法蘭、接管結(jié)構(gòu)和尺寸，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。 法蘭標記：HG20593 法蘭 PL25—1.6

58、RF （5）接管管口表 根據(jù)工藝，操作和檢修的要求，設(shè)備接管如下表所示： 符號 公稱尺寸 連接尺寸和標準 用途和名稱 A1～2 80 HG20593 法蘭 PL80—1.6RF 液氨進出口 b 450 人孔 CⅠPg16 Dg450 JB580-79 入孔 C1～2 20 HG20593 法蘭 PL20—1.6RF 液位計口 d 25 HG20598 法蘭 Th50—1.6 排污口 e1～2 25 HG20593 法蘭 PL20—1.6RF 安全閥及備用 f 20 HG20593 法蘭 PL20—1.6RF 壓力表及備用

59、 表1.1接管表 注：采用法定計量單位的標準（如：HG等）公稱壓力用PN表示，單位采用Mpa。采用工程制單位的標準（如：JB等）公稱壓力用P g表示，單位為/cm2。 2.6開孔補強計算 根據(jù)GBl50—89規(guī)定，殼體名義厚度為10mm時，當在設(shè)計壓力小于或等于2.5 Mpa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm的接管可以不另行補強，故補強計算需考慮人孔和液氨進口處的開孔接管補強問題，這里只給出人孔補強計算。 （1）人孔補強及補強方法判別 ．補強判別 由于人孔接管的外徑為480 mm，大于允許不另行補強

60、的的最大接管外徑89 mm，所以需要另行考慮補強，補強材料應該與殼體的材料相同，選用16MnR鋼，由前面的人孔設(shè)計可知，人孔的接管選用Q235－B鋼，選用其厚度附加量C，＝C1＋C2＝2＋0.8＝2.8mm，在該設(shè)計條件下Q235－B鋼的許用應力=113Mpa。 ．補強計算方法判別 開孔直徑d＝Di＋2 C，＝（480－210）＋22.8＝465.6mm 本筒體開孔直徑d＝465.6mm＜Di/2＝600mm，滿足等面積法開孔補強計算的使用條件，故可以用等面積法進行開孔補強計算。 （2）開孔補強所需補強面積 ．削弱系數(shù)fr和接管有效厚度δet fr＝/[σ]t＝113/17

61、0＝0.6647 δet=δnt－C， =10-2.8=7.2mm ．開孔補強所需補強面積 A ＝d＋2δδet (1－fr) ＝465.65.66＋25.667.2(1－0.6647) ＝2689mm2 式中：δ為筒體的計算厚度 （3）有效補強范圍 ．有效寬度 B=2d＝2465.6＝931mm B=d＋2δn＋2δnt=465.6＋210＋210=525.6mm 取兩者的最大值B＝933mm ．有效高度h1： 外側(cè)有效高度：h1＝ 接管實際外伸高度為h1＝200mm， 取兩

62、者的最小值，h1＝68.23mm。 內(nèi)側(cè)高度h2： 接管實際內(nèi)伸高度為零，故取h2＝0。 內(nèi)側(cè)有效高度：h2＝ 取兩者的最小值，故取h2＝0。 （4）有效補強面積 ．殼體多余金屬面積 A1＝(B－d)(δe－δ) －2(δnt－C)[δe－δ)(1－fr) ＝(931－465.6) (7.2－5.66) －27.2 (7.2 - 5.66)(1- 0.6647) ＝817 mm2 式中：δe為筒體的計算厚度 ．接管多余金屬面積A2 接管計算厚度δt δt=Mpa 接管多余金屬面積A2 A2 ＝2h1(δet－δt) fr +2h2

63、(δet－C2) fr ＝268.23(7.2－2.04)0.6647十0 =467.8 mm2 ．補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積 補強圈與筒體，補強圈與接管的焊縫腰高均取8mm。 A3＝288＝64 mm2 ．有效補強面積 Ae=A1＋A2＋A3=817＋467.8＋64=1348.8 ＜mm2A=2689 mm2 所以需要另行補強。 ．補強圈補強面積 A4＝A－Ae＝2689－1348.8＝ 1340.2 mm2 (2)補強圈選用 查補強圈標準HG21506—92，選用補強圈45010—D—16MnR JB/T4736，補強圈外徑D＝760

64、mm，補強圈內(nèi)徑d＝484mm，因為B=931 mm2＞D＝760mm，在補強圈的有效補強范圍之內(nèi)。所以補強圈的厚度為： 考慮鋼板負偏差，并經(jīng)圓整和與殼體的焊接質(zhì)量問題，取補強圈的名義厚度等于筒體的名義厚度，即=δn=10mm。 3 液氨儲罐的經(jīng)濟性分析 由前面的結(jié)構(gòu)設(shè)計的尺寸數(shù)據(jù)和選材，結(jié)合相關(guān)的資料，我們要對液氨儲罐的制造和安裝的總成本價格進行估計，再和儲罐的市場價格進行比較，做出設(shè)計調(diào)整，進行簡單的經(jīng)濟性評價。 3.1容器的費用評估 查閱《常用壓力容器手冊》可知，容器制作安裝的工程總費用，包括以下幾方面的費用：容器設(shè)備的制作費、容器設(shè)備的安裝費用、水壓試驗費用、附件和其它費

65、用。其中容器設(shè)備的制作費、容器設(shè)備的安裝費用包括人工費、材料費、機械費。 （1）容器的制作費 ①筒體和封頭的制作費 查手冊可知，當容器采用雙橢圓形封頭，體積V＜5 m3時，低合金鋼制筒體和封頭的制作費為5708.46元/t，其中包括人工費900.24元、材料費1037.24元、機械費3370.98元。 由容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，筒體和封頭的總質(zhì)量： m＝m1＋m2 =603＋128.32＝860 kg 故筒體和封頭的制作費： S1＝5708.46860=4909.27元 ②鞍座的制作費 由于單個鞍座的質(zhì)量為m3＝52kg ，50kg＜m3＜100 kg，鞍座的制作費為4945.71

66、元/t 故雙鞍座的制作費： S2＝24945.7152=514.36元 ③接管的制作費 當接管直徑DN=25mm時，接管的制作費為32.55元/個 當接管直徑DN=80mm時，接管的制作費為53.24元/個 故所有接管的制作費： S3＝253.24＋632.55=301.78元 第 49 頁 ( 共 56 頁 ) 液氨儲罐的經(jīng)濟性分析 ④地角螺栓的制作費 4個M20地角螺栓的制作費為： S4＝420.62=82.48元 ⑤人孔的制作費 回轉(zhuǎn)蓋平漢法蘭人孔的制作費： S5＝653.28元 ⑥容器設(shè)備的總制作費 SA ＝S1＋S2＋S3＋S4＋S5 ＝4909.27＋514.36＋301.78＋82.48＋653.28 ＝6461.18元 （2）容器設(shè)備的安裝費 查手冊可知，當容器采用雙橢圓形封頭，體積V＜5 m3時，低合金鋼制筒體和封頭的安裝費為： SB＝1450.17元/臺。 （3）水壓試驗費用