28m3臥式液氨儲罐設計.doc

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1、 2.8m3臥式液氨儲罐的設計學 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

2、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計制造技術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、檢驗技術要求高。所以研究臥式儲罐設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。三、閱讀的主要參考文獻及資料名稱1呂宜濤,壓力容器制造質(zhì)量控制的研究，天津大學

3、學位論文，1997年9月2馬自勤,孫麗,王秀倫等：產(chǎn)品結構樹在CAPP信息管理中的應用，大連鐵道學院學報，2001年9月，第22卷，第3期3王錦,張振明,黃乃康：集成環(huán)境下面向產(chǎn)品的 CAPP系統(tǒng)，計算機工程與應用，2000年4月4肖凌,姚建初：集成環(huán)境下的計算機輔助工藝設計系統(tǒng)，機械設計與制造工程，2000年7月，第29卷，第4期5趙麗萍,陳鴻：面向CAPP的工作流程管理研究與應用，計算機工程與應用，2001年第17期6高清,馬云輝，馬玉林：先進制造系統(tǒng)中的質(zhì)量保證，高技術通訊，1995年5月7張曙，張為民：新一代CAPP系統(tǒng)，組合機床與自動化加工技術，1996年第10期8湯善甫,朱思明主編

4、：化工設備機械基礎，第2版，華東理工出版社，2004年12月9 陳祝年,焊接工程師手冊。北京：機械工業(yè)出版社，200210楊海濤.壓力容器的安全與強度計算 M.天津:天津科學技術出版社,1985.11李俊斌，李彬喜 在役液氨儲罐應力場有限元分析與安全評定 Technology & Products技術產(chǎn)品版 2006.512儲罐基礎知識 海川化工論壇13馬朝玲 液氨貯存設計分析 硫磷設計與粉體工程 2004年第1期14 錢才富,段成紅,徐鴻,黎澎 大型臥式儲罐鞍座應力分析 設計與結構 P25-2815王永興,大型立式圓筒型儲罐的設計 山西化工 第23 卷第4 期2003 年11 月16 常征,

5、大型臥式罐熱處理 沈陽工業(yè)大學學報 第22卷第3期 2000年6月P20020217王元文,臥式承壓儲罐可靠性優(yōu)化研究 化工裝各技術 第27卷第3期2006年P394318 何錫梁,壓力容器制造的CECAPP技術 任惠珍上海應用技術學院學報 第4卷 第1期 2004.3 p394219 J.C. Choi Chul Kim S.Y. Jung Development of an automated design system of a CNG composite vessel using a steel liner manufactured using the DDI process DOI

6、10.1007/s00170-003-1798-4 Int J Adv Manuf Technol (2004) 24: 78178820 M. PERL_1 and Y. GREENBERG_2 Three-dimensional analysis of thermal shock effect on innersemi-elliptical surface cracks in a cylindrical pressure vessel International Journal of Fracture 99: 161170, 1999. 1999 Kluwer Academic Publi

7、shers. Printed in the Netherlands.21 J. Rudolph E. Wei M. Forster Modeling of welded joints for design against fatigue Engineering with Computers (2003) 19: 142151 DOI 10.1007/s00366-003-0253-322A.M.P.DE JESUS1,A.S.RIBEIRO1 and A.A.FERNANDES2 Validation of procedures for fatigue life assessment of a

8、 steelpressure vessel doi: 10.1111/j.1460-2695.2004.00794.x四、國內(nèi)外儲罐的發(fā)展和研究狀況4.1國內(nèi)外儲罐的發(fā)展隨著石油化工工業(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。2

9、0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

10、、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。這就需要設置液氨貯存設施，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

11、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-3343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。液氨儲罐的設計溫度為40，對應的設計壓力為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，相應降低了貯存設備的設計壓力以減薄其壁，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

12、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計可以參照壓力容器的設計規(guī)范，其分為基于彈性失效準則的規(guī)則設計(Desi

13、gn by Rule)和基于塑性失效準則的“分析設計”(Design by Analysis)其中分析設計法是工程與力學緊密結合的產(chǎn)物，它不僅能解決壓力容器常規(guī)設計所不能解決的問題，而且代表了近代設計的先進水平。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，儲罐的結構、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，其目的就是求出結構在承受載荷以后結構內(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

14、，當應力值在許用范圍以內(nèi)時，結構滿足要求，可以安全生產(chǎn)。當應力值超出許用應力時，儲罐是危罐，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)知道結構的形狀與幾何尺寸、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、結構的約束情況等。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構、載荷及邊界條件，也可以計算由不同材料組合成的結構。近年來許多

15、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、極大地方便了設計者。等軟件還有等效線性化后處理功能，并將結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、需重點研究的關鍵問題及解決思路5.1.主要研究內(nèi)容：(1) 臥式儲罐的結構設計由老師提供的數(shù)據(jù)和參數(shù)，來設計壓力容器，其中具體內(nèi)容有：選材，必要

16、的計算，焊接工藝參數(shù)的確定，焊接工藝卡的生成等。(2) 經(jīng)濟性分析由所選材料、焊接方法、儲罐結構對容器的價格進行評估，并選擇出較經(jīng)濟的設計方案。5.2.重點研究的關鍵問題：臥式承壓儲罐是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的設備，也是容易發(fā)生災難性事故的特殊設備，由于結構設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構設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，可能會發(fā)生泄露、爆炸等危險事故。所以要合理設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計。故需要解決的關鍵問題主要有:儲罐的結構設計、應用ANSY

17、S軟件進行應力分析等。六、完成畢業(yè)設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)絡資源等。6.2 解決辦法在圖書館查閱化工容器設計的、設計手冊和雜志等相關書籍，借助網(wǎng)絡資源，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，逐步解決在設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 第 4 周2、翻譯和開題報告

18、 第 5-6 周3、臥式儲罐的結構設計 第 7-8 周4、焊接工藝設計 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 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構設計, 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

19、最大應力分布區(qū)域進行補強設計，有效地解決了用定量計算方法進行應力分析困難的缺點。還從價格評估的角度對液氨儲罐作了經(jīng)濟性分析，驗證了結構設計方案的可行性。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，結合控制圖原理設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計過程?！娟P鍵詞】臥式液氨儲罐；結構設計；應力分析； 經(jīng)濟性分析；CAPPThe Design of the horizontal liquid ammonia storage tankStudent：xxxxxxxGuide teacher：ZxxxxxxxAbstract This paper intr

20、oduced 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 of Auto C

21、AD 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 the Price as

22、sessment 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 defect analy

23、sis 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

24、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計制造技術的還落后于世界先進水平，制造較困難，加工費用高，且焊接、檢驗技術要求高，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

25、危害和損失，所以研究臥式儲罐設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，

26、板焊結構式的煤氣塔厚度為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

27、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150mm200mm的大型容器的制造、焊接和檢測技術，厚度在200mm以上的大型容器的制造、焊接和檢測技術也已經(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：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，不斷提高煉鋼技術使鋼水雜質(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。對于高溫抗氫用鋼，盡量減輕

28、鋼的回火脆性和氫脆傾向。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。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)

29、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到這些肥料廠。這就需要設置液氨貯存設施，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

30、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-3343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。 液氨儲罐的設計溫度為40，對應的設計壓力為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，相應降低了貯存設備的設計壓力以減薄其壁，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

31、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2504000t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: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。煤氣鼓

32、風及轉化。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。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。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

33、計要求及概況設計原始數(shù)據(jù)：設計壓力P=1.6Mpa，設計溫度T=40，容積V=2.8m3，設備充裝系數(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 ( 共 56 頁 )臥式液氨儲罐的結構設計2 臥式液氨儲罐的結構設計2.1儲罐主要結構的設計2.1.1筒體和封頭的結構選擇由于純液氨具有一定的腐蝕性，但設計壓力為中等壓力，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，儲罐的主要結構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)(級)，且本設備為PV值小于10Mpam3的中壓儲存容器按2劃分，本設備為第

34、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，并結合儲罐的容積，初步選擇其公稱直徑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)=1.0。根據(jù)氨的腐蝕程度，取腐蝕裕量C22mm。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。假設標準橢圓形封頭封頭厚度在816mm之間，封頭的公稱直徑應該與筒體相等，取DN=1200mm，按有關標準

35、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，得出封頭的直邊高度h=25mm，而封頭的曲面深度h1=32525=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，對儲罐的主要結構筒體和封頭進行兩個方案的設計，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計厚度在816mm之間

36、，t =170 Mpa，屈服強度s=345 Mpa。（1）筒體厚度 =mm設計厚度d十C25.67十27.67mm按GS709，取鋼板負偏差C1=0.8mm考慮鋼板厚度系列取名義厚度n10mm因n10mm，查此情況下16MnR鋼的許用應力沒有變化，= 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=mm設計厚度dC25.6627.66mm取C20.8mm，故名義厚度n10mm，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PT2. 0MPa筒體應力校核；筒體有效厚度enC1C2102.87.

37、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enC1C2l00.827.2mm 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計厚度在816mm之間，取此時20R鋼的許用應力t =133 Mpa，屈服強度s=245 Mpa。筒體和封頭的結構和尺寸與第一種方案的設計相同（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 =mm設計厚度d十C27.26十29.26mm按GS7

38、09，取鋼板負偏差C1=0.8mm?？紤]鋼板厚度系列取名義厚度n12mm因n12mm，查此情況下20R鋼的許用應力沒有變化，= 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=mm設計厚度dC27.2429.24mm取C20.8mm，故名義厚度n12mm，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PT2. 0MPa筒體應力校核；筒體有效厚度enC1C2122.89.2mm 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enC1C2l20.829.2mm因為

39、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，則儲罐的主要結構筒體和封頭采用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n與設計厚度d很接近，其差值為107.67=2.33mm,而20R的名義厚度n與設計厚度d大很多，其差值為129.26=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

40、造費用目前也按碳鋼設備同等計價，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16MnR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計數(shù)據(jù)進行相關的計算和校核。2.2計算鞍座反力（1）計算質(zhì)量筒體質(zhì)量 m1(Die)nL010-9 3.14(1200+10)102000785010-9 597kg單個封頭的質(zhì)量m2128.3.0kg(查JBll5373). 附件質(zhì)量m3(包

41、括入孔，接管、液面計、平臺等)近似取m3400kg充液質(zhì)量 液氨在0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+20.254510-9100010-92799kg 保溫層質(zhì)量 本設備不保溫，故m50設備最大質(zhì)量 mm1m2 m3m4m55972128.3400279904053 kg（2）計算鞍座反力 Fmg/2(40539.81)/219880N2.3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備常選用鞍式支座予以支承，所以此設備也選用鞍座。臥式儲罐的鞍式支座設計包括以下幾個要點：2.3.

42、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

43、，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，A0.2L時，最好使（Rm為圓筒的平均半徑，Rm Rin/2=605mm，Ri為圓筒的內(nèi)徑）。由于Rm/2=302.5mm, 0.2L=416mm因為0.2L0.5R，鞍座位置ARm/

44、2=302.5mm取鞍座位置 A300mm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）。活動支座的基礎螺栓應沿圓筒軸向開成長圓孔，固定支座通常設置在儲罐配管較多的一側，活動支座應安裝在沒有配管或配管較少的一側。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，結合筒體公稱直徑和上述計算的鞍座反力F19880N=19.88 KN，查壓力容器手冊，選用JB/T471292標準

45、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QF，所以符合要求。查JB/T471292可得鞍座基本尺寸：包角120，支座高度H=200mm,鞍座寬度b150mm；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6 mm，鞍座質(zhì)量52kg。鞍座的尺寸和結構見裝配圖和附錄。鞍座墊板材料選16MnR，鞍座其余材料選用Q235AF鋼。鞍座標記：JB/T471292，鞍座A 12002.4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 3.81106N

46、mm支座處截面上的彎矩 = 5.77105Nmm （2）筒體軸向應力計算由GBl5089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)K1K21.0 因為M1M2，且ARm/2=302.5mm,故應力必定出現(xiàn)在跨中面，校核跨 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：2p+=67.2+0.46167.7MPa許用軸向拉應力：t170Mpa，2t合格軸向壓應力：10.461Mpa軸向許用壓縮應力根據(jù)A值查GBl5089圖45，得B136MPat=170 MPa取許用壓縮應力 ac136MPa

47、，合格1ac2.4.2筒體和封頭切向剪應力校核因筒體被封頭加強(即ARm/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GBl5089，取系數(shù)K30.880，K4=0.401 因為 0.8t =0.8170=136 MPa ， 故合格。(2)封頭切向剪應力因為 1.25t h=1.25t = 1.25170 MPa 1.25th，故合格。2.4.3筒體周向應力校核(1)周向應力計算設墊板不起加強作用，查GBl5089，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

48、向壓應力的有效長度。b為支座的軸向?qū)挾劝白吔堑闹芟驊σ騆/Rm=2080/605=3.438,故(2)周向應力校核 5 t170MPa 6 1.25t212.5MPa2.4.4鞍座有效斷面的平均應力校核查GBl5089，取系數(shù)K90.204支座承受的水平分力FsK9F0.204198804056N鞍座有效斷面平均應力 Mpa應力校核 92/3t75.3MPa式中：bs為鋼制鞍座的腹板厚度，bs=2=6mm，由于鞍座的實際高度h=200mm1/3Rm=201.7mm，所以Hs取h=200mm。 t113 Mpa，為鞍座腹板材料Q235AF的許用應力。2.5開孔與接管設計2.5.1人孔設計因為

49、筒體長度L=2080mm6000mm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，所以只需要設置一個人孔即可。由于儲罐的公稱直徑900mmDN2600 mm，而且設計了人孔和適當?shù)膫溆霉芸冢ㄒ娤挛模?，就不必要設計手孔和檢查孔。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置人孔?？紤]到筒體和鞍座的結構尺寸，將人孔設置在筒體的頂部，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，選擇回轉蓋平焊法蘭人孔，標準號為JB580-79，C型密封面，類材料。

50、 人孔標記：人孔 C 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：公稱直徑Dg=450mm，接管尺寸dws480mm10mm。2.5.2接管與法蘭聯(lián)結設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 需要設計2個液氨進出口，液氨進口設置在筒體的頂部，出口設在罐底，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。選用凸面板式平焊鋼制

51、管法蘭，公稱直徑80mm，接管外徑89 mm。法蘭標記：HG20593 法蘭 PL801.6RF（2）液位計管口設置兩個液位計管口，兩個均設在左邊封頭上，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，要設計加強筋加強。法蘭標記：HG20593 法蘭 PL201.6RF（3）排污管口為了方便排凈污物，將排污管口設在罐底，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 Th251.6（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

52、、接管結構和尺寸，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。法蘭標記：HG20593 法蘭 PL251.6RF（5）接管管口表根據(jù)工藝，操作和檢修的要求，設備接管如下表所示：符號公稱尺寸連接尺寸和標準用途和名稱A1280HG20593 法蘭 PL801.6RF液氨進出口b450人孔 CPg16 Dg450 JB580-79入孔C1220HG20593 法蘭 PL201.6RF液位計口d25HG20598 法蘭 Th501.6排污口e1225HG20593 法蘭 PL201.6RF安全閥及備用f20HG20593 法蘭 PL201.6RF壓力表及備用表1.1接管表注：采用法定計量單位的標準（如：HG等）公稱

53、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)GBl5089規(guī)定，殼體名義厚度為10mm時，當在設計壓力小于或等于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16M

54、nR鋼，由前面的人孔設計可知，人孔的接管選用Q235B鋼，選用其厚度附加量C，C1C220.82.8mm，在該設計條件下Q235B鋼的許用應力=113Mpa。補強計算方法判別 開孔直徑dDi2 C，（480210）22.8465.6mm本筒體開孔直徑d465.6mmDi/2600mm，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etfr/t113/1700.6647 et=ntC， =10-2.8=7.2mm開孔補強所需補強面積 A d2et (1fr) 465.65.6625.667.2(10.6647) 2689

55、mm2式中：為筒體的計算厚度（3）有效補強范圍 有效寬度B=2d2465.6931mm B=d2n2nt=465.6210210=525.6mm取兩者的最大值B933mm有效高度h1：外側有效高度：h1接管實際外伸高度為h1200mm，取兩者的最小值，h168.23mm。內(nèi)側高度h2：接管實際內(nèi)伸高度為零，故取h20。內(nèi)側有效高度：h2取兩者的最小值，故取h20。（4）有效補強面積殼體多余金屬面積A1(Bd)(e) 2(ntC)e)(1fr) (931465.6) (7.25.66) 27.2 (7.2 - 5.66)(1- 0.6647)817 mm2式中：e為筒體的計算厚度接管多余金屬面積

56、A2 接管計算厚度tt=Mpa接管多余金屬面積A2A2 2h1(ett) fr +2h2(etC2) fr268.23(7.22.04)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。 A328864 mm2有效補強面積Ae=A1A2A3=817467.864=1348.8 mm2A=2689 mm2所以需要另行補強。補強圈補強面積 A4AAe26891348.8 1340.2 mm2 (2)補強圈選用查補強圈標準HG2150692，選用補強圈45010D16MnR JB/T4736，補強圈外徑D760mm，補強圈內(nèi)徑d484mm，因為B=

57、931 mm2D760mm，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=n=10mm。3 液氨儲罐的經(jīng)濟性分析由前面的結構設計的尺寸數(shù)據(jù)和選材，結合相關的資料，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：容器設備的制作費、容器設備的安裝費用、水壓試驗費用、附件和其它費用。其中容器設備的制作費、容器設備的安裝費用包括人工費、材料費、機械費。（

58、1）容器的制作費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V5 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。由容器的結構設計，筒體和封頭的總質(zhì)量： mm1m2 =603128.32860 kg故筒體和封頭的制作費：S15708.46860=4909.27元鞍座的制作費由于單個鞍座的質(zhì)量為m352kg ，50kgm3100 kg，鞍座的制作費為4945.71元/t故雙鞍座的制作費： S224945.7152=514.36元接管的制作費 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： S3253.24632.55=301.78元第 49 頁 ( 共 56 頁 )液氨儲罐的經(jīng)濟性分析地角螺栓的制作費 4個M20地角螺栓的制作費為： S4420.62=82.48元人孔的制作費回轉蓋平漢法蘭人孔的制作費：S5653.28元容器設備的總制作費SA S1S2S3S4S54909.27514.36301.7882.48653.286461.18元（2）容器設備的安裝費查手冊可知，當容器采用雙橢圓形封頭，體積V5 m3時，低合金鋼制筒體和封頭的安裝費為： SB1450.17元/臺。（3）水壓試驗費用