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1、2.8m3卧式液氨储罐的设计一、题目来源 题目来源：实际生产二、研究的目的和意义 储罐是一种用于储存液体或气体的密封容器，主要用于存储或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、冶金、消防、轻工、环保、制药、食品、城市燃气等行业得到了广泛的应用，储存介质涵盖了(丙烷、丁烷、丙烯、乙烯、液化石油气、液氨等)液化气体、氧气、氮气、天然气和城市煤气等气体，在国民经济发展中起着不可替代的作用。其种类很多，大体上有：滚塑储罐，玻璃钢储罐，陶瓷储罐、橡胶储罐、焊接塑料储罐等。就储罐的性价比来讲，现在以滚塑储罐最为优越，滚塑储罐又可以分钢衬塑储罐，全塑储罐两大系，分别包括立式，卧式，运输，搅
2、拌等多个品种。而卧式液化气储罐是目前中、小型液化气站储存和运输液化气的主要容器之一，在石油化工行业中应用广泛并占有相当大的比例。卧式储罐的容积一般都小于100m3 ，通常用于生产环节或加油站。年来随着制造工艺的提高其容积有逐渐增大的趋势。随着容积的增大，储罐在设计和使用中的安全可靠性就变得极为重要。然而我国卧式储罐设计制造技术的还远落后于世界先进水平，制造较困难，加工费用高，且焊接、检验技术要求高。所以研究卧式储罐设计及其焊接工艺对我国石油化工等行业有着极其重要的意义。三、阅读的主要参考文献及资料名称1吕宜涛,压力容器制造质量控制的研究，天津大学学位论文，1997年9月2马自勤,孙丽,王秀伦等
3、：产品结构树在CAPP信息管理中的应用，大连铁道学院学报，2001年9月，第22卷，第3期3王锦,张振明,黄乃康：集成环境下面向产品的 CAPP系统，计算机工程与应用，2000年4月4肖凌,姚建初：集成环境下的计算机辅助工艺设计系统，机械设计与制造工程，2000年7月，第29卷，第4期5赵丽萍,陈鸿：面向CAPP的工作流程管理研究与应用，计算机工程与应用，2001年第17期6高清,马云辉，马玉林：先进制造系统中的质量保证，高技术通讯，1995年5月7张曙，张为民：新一代CAPP系统，组合机床与自动化加工技术，1996年第10期8汤善甫,朱思明主编：化工设备机械基础，第2版，华东理工出版社，20
4、04年12月9 陈祝年,焊接工程师手册。北京：机械工业出版社，200210杨海涛.压力容器的安全与强度计算 M.天津:天津科学技术出版社,1985.11李俊斌，李彬喜 在役液氨储罐应力场有限元分析与安全评定 Technology & Products技术产品版 2006.512储罐基础知识 海川化工论坛13马朝玲 液氨贮存设计分析 硫磷设计与粉体工程 2004年第1期14 钱才富,段成红,徐鸿,黎澎 大型卧式储罐鞍座应力分析 设计与结构 P25-2815王永兴,大型立式圆筒型储罐的设计 山西化工 第23 卷第4 期2003 年11 月16 常征,大型卧式罐热处理 沈阳工业大学学报 第22卷第3
5、期 2000年6月P20020217王元文,卧式承压储罐可靠性优化研究 化工装各技术 第27卷第3期2006年P394318 何锡梁,压力容器制造的CECAPP技术 任惠珍上海应用技术学院学报 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 10.1007/s00170-003-1798-
6、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 Publishers. Printed in the Ne
7、therlands.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 steelpressure vessel do
8、i: 10.1111/j.1460-2695.2004.00794.x四、国内外储罐的发展和研究状况4.1国内外储罐的发展随着石油化工工业的发展以及国家原油战略储备库项目的实施，储罐的大型化将成为发展的必然趋势。目前世界上已建成的大型储罐数量逐年增加，如早在1967年在委内瑞拉就建成了16的浮顶储罐，1971年日本建成了20的浮顶储罐，而世界产油大国之一的沙特阿拉伯也已成功建造了20厅的浮顶储罐。国内大型储罐发展从20世纪70年代开始，1975年，国内首台5浮顶储罐在上海陈山码头建成。继后，在石化企业、港口、油田、管道系统建造数十台5浮顶储罐。20世纪80年代中后期，国内开始建造10的大型浮顶
9、储罐，迄今为止，已经先后在秦皇岛、大庆、仪征、铁岭、黄岛、舟山、大连、山东、兰州、上海、镇海、燕山、湛江等地建造了80余座10浮顶储罐。到目前为止，国内建成并投入使用的最大容积的大型浮顶储罐是中国石化集团公司建造的油罐15。4.2储罐大型化的优点节省钢材，减少投资。储罐容积越大，单一位容积所需要的钢材量越少。相同的容积，由大罐组成要比小罐组成节省大投资。占地面积小，因为罐和罐之间要有一定的距离，所以在相同的容积情况下，用几台大罐比一群小罐的占地面积要节省的多。便于操作管理并且节省管线及配件。几台大罐与一群小罐相比，库区管理要简单的多，在检修、维护、保卫等方面都比较方便。4.3卧式液氨储罐的简介
10、卧式储罐的容积一般都小于100m3 ，通常用于生产环节或加油站。卧式储罐环向焊缝采用搭接，纵向焊缝采用对接。圈板交互排列，取单数，使端盖直径相同。卧式储罐的端盖分为平端盖和碟形端盖，平端盖卧式储罐可承受 40kPa 内压，碟形端盖卧式储罐可承受 0.2Mpa 内压。地下卧式储罐必须设置加强环，加强还用角钢煨制而成。氨是生产含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液态的形式从合成氨工厂送到这些肥料厂。这就需要设置液氨贮存设施，以确保原料供应，为化肥厂连续生产创造必要条件。氨在常压下，冷却到-33.4就液化。故常压下液氨需要 在低于-33.4贮存，而在常温下应在压力容器内贮存。按照不同地区的气温和贮存条件
11、的变化，液氨的贮存原则上可在-3343内，以控制其相应汽化压力确定工艺方案。一般采用压缩、低温或两者结合的方法，因此有三种贮存工艺，即加压常温、加压低温和常压低温。国内通常将液氨的这二种贮存工艺称为常温中压、降温低压和低温常压。液氨储罐的设计温度为40，对应的设计压力为1.6MPa;而降温低压工艺是利用制冷系统将液氨适当冷冻贮存，相应降低了贮存设备的设计压力以减薄其壁，从而降低储罐的投资;至于低温常压工艺，则是将液氨冷冻至不高于它的沸点(低于-33，视当地大气压而定)，使得液氨对应的气相压力与大气压力相同或相近，从而可以采用常压容器盛装贮存，以最大限度降低储罐投资。上述三种液氨贮存工艺对制造液
12、氨储罐的钢材用量有很大影响，随着储罐的工作温度降低，储罐单位钢材用量可贮存的液氨量显著增大。常温储罐每吨钢材用量可贮存液氨2.07t;若温度降到0，则每吨钢材用量可贮存液氨10t.储罐容量可达250 4000t液氨;若贮存在33，则每吨钢材用量可贮存40t液氨，储罐容量可达4500t以上。4.4现阶段研究状况储罐在石油化工行业中有着广泛的应用，而且近年来随着制造工艺的提高其容积有逐渐增大的趋势。随着容积的增大，储罐在设计和使用中的安全可靠性就变得极为重要。目前储罐及其部件的设计可以参照压力容器的设计规范，其分为基于弹性失效准则的规则设计(Design by Rule)和基于塑性失效准则的“分析
13、设计”(Design by Analysis)其中分析设计法是工程与力学紧密结合的产物，它不仅能解决压力容器常规设计所不能解决的问题，而且代表了近代设计的先进水平。为了确保储罐在生产中的安全，工厂都会定期对储罐进行检修，其中包括外观检修，打开人孔进行检查，做理化检验，无损检测等等。但是随着储罐的使用，储罐的结构、壁厚等参数都发生了变化，储罐在这种变化下还能不能满足上作的要求，这就需要我们对储罐的现状进行分析，做出判断。现在最常用的分析就是应力分析，其目的就是求出结构在承受载荷以后结构内应力分布情况，找出最大应力点或求出当量应力值，然后对此进行评定，当应力值在许用范围以内时，结构满足要求，可以安
14、全生产。当应力值超出许用应力时，储罐是危罐，应该立即停止使用或者采取合适的方法来补救。常用的应力分析的方法有两种:一种是解析的方法，分为精确解，近似解;另一种是数值的方法，分为有限差分法，有限元法等。精确解法在解决弹性问题时通常已经知道结构的形状与几何尺寸、材料常数、弹性模量、泊松比、屈服极限、内压力、表面力、体积力、温度载荷、结构的约束情况等。由于有限元法是采用有限个有限大小的单元节点处相连所组合成的离散体代替连续的弹性体，这就是使用有限元法具有很强的适应性，即可以适应各种复杂的结构、载荷及边界条件，也可以计算由不同材料组合成的结构。近年来许多功能较强的有限元软件的不断涌现，前后处理功能的不
15、断改进，可以输入比以前更少的信息便可以自动生成网格及载荷移置，ANSYS,NASTRAN理出图象输出，高温蠕变分析、极大地方便了设计者。等软件还有等效线性化后处理功能，并将结果整有限元法口前不仅用于弹塑性分析，还可以用于大变形与屈曲分析，断裂分析等。用有限元法与数学规划法相结合还进行了不同载荷作用下的极限分析与安全性分析。有限元法作为一种有效的应力分析方法正在成为压力容器应力分析的首要方法。五、研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路5.1.主要研究内容：(1) 卧式储罐的结构设计由老师提供的数据和参数，来设计压力容器，其中具体内容有：选材，必要的计算，焊接工艺参数的确定，焊接工艺卡的生成等。
16、(2) 经济性分析由所选材料、焊接方法、储罐结构对容器的价格进行评估，并选择出较经济的设计方案。5.2.重点研究的关键问题：卧式承压储罐是工业生产中广泛使用的设备，也是容易发生灾难性事故的特殊设备，由于结构设计不合理而导致的事故占有较大的比例，所以正确合理的压力容器结构设计是才能使安全使用。焊缝的焊接质量也对容器的强度有很大的影响，特别是中、高压压力容器或有危害性的容器，焊缝的质量不过关，可能会发生泄露、爆炸等危险事故。所以要合理设计焊缝位置和焊接工艺，并从分析容器所受应力来进行可靠性设计。故需要解决的关键问题主要有:储罐的结构设计、应用ANSYS软件进行应力分析等。六、完成毕业设计所必须具备
17、的工作条件及解决的办法6.1 具备的条件以前所学到的理论知识、所用的课本、搜集到的资料、老师提供的参考资料等， Auto CAD二维工程图软件，还有计算机，图书馆，网络资源等。6.2 解决办法在图书馆查阅化工容器设计的、设计手册和杂志等相关书籍，借助网络资源，在学校图书馆网站和一些化工机械论坛上查阅下载必要的资料，并在老师的指导，认真思考、归纳总结，逐步解决在设计过程中遇到的理论性困难问题，及时补充学习缺乏的知识。在空闲时间多上机学习并熟练掌握上述的各种绘图软件和分析软件。七工作的主要阶段、进度与时间安排1、搜集资料 第 4 周2、翻译和开题报告 第 5-6 周3、卧式储罐的结构设计 第 7-
18、8 周4、焊接工艺设计 第 9 周5、容器失效分析 第10-11周6、经济性分析 第 12 周7、撰写论文 第13-14周8、报于指导老师审查，修改 第 15 周9、准备答辩 第 16 周八指导教师审查意见 2.8m3卧式液氨储罐的设计学 生：xxxxxxxxxx指导教师：xxxxxxxxxx【摘要】 本文首先介绍了压力容器的国内外研究现状和发展趋势，对液氨储罐作了简单的介绍。接着对液氨储罐的进行了详细的结构设计, 并运用Auto CAD、Pro/Engineer软件分别绘制了储罐装配图和三维图。并利用ANSYS分析软件对储罐进行了应力分析，针对最大应力分布区域进行补强设计，有效地解决了用定量
19、计算方法进行应力分析困难的缺点。还从价格评估的角度对液氨储罐作了经济性分析，验证了结构设计方案的可行性。最后从焊接缺陷出发对储罐进行失效分析，并以VB语言为基础，结合控制图原理设计了一个缺陷分析的CAPP系统，从而完成了整个卧式液氨储罐的分析设计过程。【关键词】卧式液氨储罐；结构设计；应力分析； 经济性分析；CAPPThe Design of the horizontal liquid ammonia storage tankStudent：xxxxxxxGuide teacher：ZxxxxxxxAbstract This paper introduced the development a
20、nd 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 CAD and Pro/Engineer soft
21、ware. 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 assessment from the perspe
22、ctive 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 analysis based on VB language
23、,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选题背景1 选题背景1.1该课题研究的目的和意义储罐是一种用于储存液体或气体的密封容器，主要用于存储或盛装气体、液
24、体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、冶金、消防、轻工、环保、制药、食品、城市燃气等行业得到了广泛的应用，储存介质涵盖了(丙烷、丁烷、丙烯、乙烯、液化石油气、液氨等)液化气体、氧气、氮气、天然气和城市煤气等气体，在国民经济发展中起着不可替代的作用。而卧式液化气储罐是目前中、小型液化气站储存和运输液化气的主要容器之一，在石油化工行业中应用广泛并占有相当大的比例，应用相当广泛。然而我国卧式储罐设计制造技术的还落后于世界先进水平，制造较困难，加工费用高，且焊接、检验技术要求高，特别是对容器的安全稳定性分析显得尤为重要,可以避免容器失效造成的巨大危害和损失，所以研究卧式储罐设计对我国石油化工等
25、行业的发展有着极其重要的意义。1.2 压力容器的国内外研究现状及发展趋势随着化工、石油、能源、锅炉等工业的迅速发展，今年来压力容器制造技术的进展主要体现在以下四个方面：（1）压力容器向大型化发展压力容器向大型化发展，容器的直径、容积、厚度、质量等参数增大，容器的工作条件，如温度、压力、介质越来越恶劣、复杂，而且这一大型化的趋势还在继续。容器大型化可以节约能源、节约材料、降低投资、降低生产成本、提高生产效率。国外以美国和日本为代表的合成氨和装置已经基本稳定在年产30万40万t，个别有60万t，乙烯装置稳定在年产30万50万t，个别有68万75万t，板焊结构式的煤气塔厚度为200mm，内径为910
26、0mm，单台质量已达到2500t。目前世界上已建成的大型储罐数量逐年增加，如早在1967年在委内瑞拉就建成了16的浮顶储罐，1971年日本建成了20的浮顶储罐，而世界产油大国之一的沙特阿拉伯也已成功建造了20的浮顶储罐。国内大型储罐发展从20世纪70年代开始，1975年，国内首台5浮顶储罐在上海陈山码头建成。继后，在石化企业、港口、油田、管道系统建造数十台5浮顶储罐。20世纪80年代中后期，国内开始建造10的大型浮顶储罐，迄今为止，已经先后在秦皇岛、大庆、湛江等地建造了80余座10浮顶储罐。到目前为止，国内建成并投入使用的最大容积的大型浮顶储罐是中国石化集团公司建造的油罐15。目前中国已经基本
27、掌握了厚度在150mm200mm的大型容器的制造、焊接和检测技术，厚度在200mm以上的大型容器的制造、焊接和检测技术也已经成熟。（2）压力容器用钢的逐渐完善，专业用钢越来越明显压力容器向大型化发展，对钢材的要求也日益严格，材料技术的不断提高使压力容器大型化有了保障。当前压力容器用钢发展的主要特点有如下几个：随着刚才强度的提高，同时要改善钢材的抗裂性和韧性指标。通过降低碳的含量，同时加入微量合金元素以保证钢材有一定的刚度，不断提高炼钢技术使钢水杂质含量大幅度降低。日本炼钢可使磷降到0.01%以下，硫降到0.002%以下。对于高温抗氢用钢，尽量减轻钢的回火脆性和氢脆倾向。降低大型钢锭中的夹杂物及
28、偏析等缺陷以保证内部性能均匀，提高钢锭的利用率。日本、美国、德国都生产出了大厚钢板。出现大线能量下焊接性良好的钢板。（3）焊接新材料、新技术的不断出现和使用，使焊接质量日趋稳定并提高为了适应大型化和厚壁压力容器的发展，国内外普遍采用了强度级别较高的钢材，这时为了降低焊缝中的氢含量，提高焊接接头的韧性，日本神钢公司研制了UL系列的超低氢焊条，对600MPa级的高强钢焊接时，甚至可以不预热。随着钨极氩弧焊、多丝埋弧焊、窄间隙焊等新焊接方法的采用大大改善了焊接接头的性能。自动焊接技术和焊接机器人的使用使大型容器上百米的纵焊缝、环焊缝和接管的鞍形焊缝实现了自动化，提高了焊接质量和效率，降低了劳动强度，
29、改善了劳动条件。（4）无损检测技术的可靠性逐步提高，有力地保证了装备制造及运行的安全。无损探伤技术在对过程装备的材料和整个制造过程以及在服役装备检验方面起者重要的作用，另外，在缺陷评定方面的进步也有效地保证了装备的安全性。目前工程上主要的检验方法有：射线探伤、超声波探伤、表面探伤、声发射探伤。1.3卧式液氨储罐简介氨是生产含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液态的形式从合成氨厂送到这些肥料厂。这就需要设置液氨贮存设施，以确保原料供应，为化肥厂连续生产创造必要条件。氨在常压下，冷却到-33.4就液化。故常压下液氨需在低于-33.4贮存，而在常温下应在压力容器内贮存。 按照不同地区的气温和贮存条件的变
30、化，液氨的贮存原则上可在-3343内，以控制其相应汽化压力确定工艺方案。一般采用压缩、低温或两者结合的方法，因此有三种贮存工艺，即加压常温、加压低温和常压低温。国内通常将液氨的这二种贮存工艺称为常温中压、降温低压和低温常压。 液氨储罐的设计温度为40，对应的设计压力为1.6MPa;而降温低压工艺是利用制冷系统将液氨适当冷冻贮存，相应降低了贮存设备的设计压力以减薄其壁，从而降低储罐的投资;至于低温常压工艺，则是将液氨冷冻至不高于它的沸点(低于-33，视当地大气压而定)，使得液氨对应的气相压力与大气压力相同或相近，从而可以采用常压容器盛装贮存，以最大限度降低储罐投资。上述三种液氨贮存工艺对制造液氨
31、储罐的钢材用量有很大影响，随着储罐的工作温度降低，储罐单位钢材用量可贮存的液氨量显著增大。常温储罐每吨钢材用量可贮存液氨2.07t;若温度降到0，则每吨钢材用量可贮存液氨lOt。储罐容量可达2504000t液氨;若贮存在33，则每吨钢材用量可贮存40t液氨，储罐容量可达4500t以上。1.4液氨储罐的作用液氨储罐主要用在化肥厂的合成氨的存储工序中，现以吉林化学工业股份有限责公司化肥厂，年产30万吨的合成氨工艺为例，来说明液氨储罐的作用。其主要生产工序有:原料气的制造。即通过重油气化或由原料焦在煤气发生炉中与空气、蒸汽进行反应，制取半水煤汽。煤气鼓风及转化。即将半水煤气进行脱尘、脱硫，并将其中的
32、CO在以氧化铁为主的触媒存在条件下，与水蒸气起反应生成C02和H2。气体的压缩与精制。即通过压缩、水洗、铜洗等工序将水煤汽中的C02和CO除去。氨的合成。合成是氨生产的最后一道工序，由铜洗工段送来H2、N2混合气与循环气在油过滤器混合，H2:N2为2.8-2.9进入合成塔，在(32MPa,460-520有铁触媒存在条件下合成氨。从合成工段送来的液氨进入入671液氨仓库，在液氨仓库中，液氨的主要贮藏设备为液氨贮槽，并在此分发给下游工厂或工段。671工号液氨系统收支示意图如下图1.1所示。图1.1 671工号液氨系统收支示意图1.5 卧式液氨储罐的设计要求及概况设计原始数据：设计压力P=1.6Mp
33、a，设计温度T=40，容积V=2.8m3，设备充装系数0.9。卧式液氨储罐图如下图1.2和1.3所示：图1.2 液氨储罐 图1.3 液氨储罐第 3 页 ( 共 56 页 )卧式液氨储罐的结构设计2 卧式液氨储罐的结构设计2.1储罐主要结构的设计2.1.1筒体和封头的结构选择由于纯液氨具有一定的腐蚀性，但设计压力为中等压力，根据钢制压力容器中使用的钢板许用应力及其使用范围的说明，储罐的主要结构筒体和封头选材可以考虑使用20R、16MnR、15MnVR等钢。氨属于中度危害介质(级)，且本设备为PV值小于10Mpam3的中压储存容器按2划分，本设备为第二类压力容器。储罐选用卧式，液体静柱压力很低，可
34、不记入设计压力中。筒体由钢板卷制而成，其公称直径等于内径，查阅压力容器的公称直径表，并结合储罐的容积，初步选择其公称直径DN=Di=1200mm。筒体和封头的对接焊接，采用全焊透焊缝，并进行l00无损探伤，查表取焊缝系数=1.0。根据氨的腐蚀程度，取腐蚀裕量C22mm。封头可以选择球形、椭圆形、碟形、平板形、圆锥形等几种形式的封头，但从材料消耗、受力和加工制造的难易程度等几个方面的综合比较考虑，选用标准椭圆形封头（EHA型）最为理想，故选之。假设标准椭圆形封头封头厚度在816mm之间，封头的公称直径应该与筒体相等，取DN=1200mm，按有关标准JB4746-2002，查得封头的容积Vh=0.
35、2545 m3，总深度H=325 mm。由于采用的是标准椭圆形封头，由h/DN=0.25，得出封头的直边高度h=25mm，而封头的曲面深度h1=32525=300mm。筒体长度：取 =2030 mm两封头切线之间的距离L=2030+225=2080mm现选用16MnR和20R两个钢种，对储罐的主要结构筒体和封头进行两个方案的设计，然后对这两个方案进行比较和选择。2.1.2用方案一计算筒体和封头的厚度首先选用16MnR钢为材料，来计算筒体和封头的厚度。16MnR钢板在40时的许用应力查表，根据筒体厚度计算公式初步估计此筒体的设计厚度在816mm之间，t =170 Mpa，屈服强度s=345 Mp
36、a。（1）筒体厚度 =mm设计厚度d十C25.67十27.67mm按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm考虑钢板厚度系列取名义厚度n10mm因n10mm，查此情况下16MnR钢的许用应力没有变化，= 170 Mpa，所以上述计算成立。（2）封头厚度由于选用标准椭圆形封头，所以其封头形状系数k=1.0计算厚度=mm设计厚度dC25.6627.66mm取C20.8mm，故名义厚度n10mm，且许用应力也没有发生变化，所以上计算成立。（3）水压试验校核试验压力：PT取水压试验压力PT2. 0MPa筒体应力校核；筒体有效厚度enC1C2102.87.2mm 所以试验时应力： MPa筒体水压试验应力
37、校核满足要求。封头应力校核：有效厚度enC1C2l00.827.2mm 所以封头水压试验应力校核满足要求2.1.3用第二种方案计算筒体和封头的厚度选用20R钢作为第二种方案，来计算筒体和封头的厚度。20R钢板在40时的许用应力查表，根据筒体厚度计算公式初步估计此筒体的设计厚度在816mm之间，取此时20R钢的许用应力t =133 Mpa，屈服强度s=245 Mpa。筒体和封头的结构和尺寸与第一种方案的设计相同（厚度除外），选用标准椭圆形封头（EHA型），其它尺寸和参数如上所叙。（1）筒体厚度 =mm设计厚度d十C27.26十29.26mm按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm。考虑钢板厚度
38、系列取名义厚度n12mm因n12mm，查此情况下20R钢的许用应力没有变化，= 133 Mpa，所以上计算成立。（2）封头厚度由于选用标准椭圆形封头，所以其封头形状系数k=1.0。计算厚度=mm设计厚度dC27.2429.24mm取C20.8mm，故名义厚度n12mm，且许用应力也没有发生变化，所以上计算成立。（3）水压试验校核试验压力：PT取水压试验压力PT2. 0MPa筒体应力校核；筒体有效厚度enC1C2122.89.2mm 所以试验时应力： MPa筒体水压试验应力校核满足要求。封头应力校核：有效厚度enC1C2l20.829.2mm因为 所以封头水压试验应力校核满足要求。2.1.4两种
39、方案的比较（1）钢板耗用量钢板耗用量与板厚成正比，则储罐的主要结构筒体和封头采用16MnR时，钢板比使用20R钢板可减轻:16.7%16MnR钢板的价格比20R钢板略贵，两者相差不大，从耗材量与价格综合考虑，两种钢板均可考虑，但在上述计算过程中，如16MnR的名义厚度n与设计厚度d很接近，其差值为107.67=2.33mm,而20R的名义厚度n与设计厚度d大很多，其差值为129.26=2.74mm，所以用16MnR钢时，钢板耗用量就要省很多，更为适宜。（2）制造费用 总的来说，由于采用16MnR钢板厚度较薄，质量较轻，鞍座的承载重量也更小，而且制造费用目前也按碳钢设备同等计价，因此制造费用比较
40、经济。（3）材料性能 20R钢板的抗腐蚀性能比16MnR钢要好，但是考虑到储存介质液氨的腐蚀性不是很强，而且16MnR钢比20R钢板的强度高，机械加工性能和焊接性能指标都明显要好，所以选用板更合适。（4）方案比较总结由于上述比较可以看出，说明方案一选用16MnR钢更合理，那么下面的内容就针对方案一的选材和设计数据进行相关的计算和校核。2.2计算鞍座反力（1）计算质量筒体质量 m1(Die)nL010-9 3.14(1200+10)102000785010-9 597kg单个封头的质量m2128.3.0kg(查JBll5373). 附件质量m3(包括入孔，接管、液面计、平台等)近似取m3400k
41、g充液质量 液氨在0时的密度为640kg/m3，小于水的密度，故充液质量按水的质量考虑， m4 120022025+20.254510-9100010-92799kg 保温层质量 本设备不保温，故m50设备最大质量 mm1m2 m3m4m55972128.3400279904053 kg（2）计算鞍座反力 Fmg/2(40539.81)/219880N2.3支座及其位置选取卧式容器的支座有鞍座、圈座和支腿三种形式。而常用的储罐、储槽、换热器等卧式容器设备常选用鞍式支座予以支承，所以此设备也选用鞍座。卧式储罐的鞍式支座设计包括以下几个要点：2.3.1鞍座数量的确定鞍式支座普遍选用双鞍座支承，这是
42、因为若采用多鞍座支承，难于保证各鞍座均匀受力。虽然多支座罐的弯曲应力比较小，但是各支座严格的保持在同一水平面上，特别是对于大型卧式储罐很难达到，同时，由于地基的不均匀下沉，多支座 的罐体在支座处的支反力不能均匀分配，故选用双鞍式支座支承。2.3.2鞍座安装位置的确定由材料力学可知，将出储罐的力学模型简化为双支座上的受均布载荷的外伸梁，如下图2.1所示，若梁的全长为L，则当外伸端的长度A=0.207L时，双支座跨中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩相等，从而使上述两截面上保持等强度。考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，而且支座截面处的应力较为复杂，故常取支座截面处的弯矩略小于跨中间截面的弯矩，
43、通常取尺寸不超过0.2L，为此中国现行标准JB4731钢制压力容器规定取0.2L，A值不得大于0.25L。否则由于容器外伸端的作用使支座截面处的应力过大。其中A为封头切线到支座的距离，此外由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚度有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，国标JB4731还规定当满足，A0.2L时，最好使（Rm为圆筒的平均半径，Rm Rin/2=605mm，Ri为圆筒的内径）。由于Rm/2=302.5mm, 0.2L=416mm因为0.2L0.5R，鞍座位置ARm/2=302.5mm取鞍座位置 A300mm其中：
44、A为封头切线到支座的距离为了防止卧式储罐因操作温度和安装温度不同而引起的热膨胀，以及由于圆筒及物料的重量使圆筒防止弯曲等原因对卧式储罐引起的附加应力，对于双鞍座中的其中一个设计为固定支座（代号F），而另一个应允许为可沿轴线方向移动的活动支座（代号S）。活动支座的基础螺栓应沿圆筒轴向开成长圆孔，固定支座通常设置在储罐配管较多的一侧，活动支座应安装在没有配管或配管较少的一侧。图2.1 液氨储罐受力分析图2.3.3鞍座标准的选用 综上所述，结合筒体公称直径和上述计算的鞍座反力F19880N=19.88 KN，查压力容器手册，选用JB/T471292标准的鞍式支座，公称直径DN1200mm,A型，带加
45、强垫板，允许支承载荷Q=147 KN，因为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,鞍座宽度b150mm；腹板厚6mm；垫板宽270mm，垫板厚6mm；底板长880mm底板宽170mm，底板厚10mm；筋板宽140mm，筋板厚度6 mm，鞍座质量52kg。鞍座的尺寸和结构见装配图和附录。鞍座垫板材料选16MnR，鞍座其余材料选用Q235AF钢。鞍座标记：JB/T471292，鞍座A 12002.4储罐应力校核2.4.1筒体轴向应力校核（1）筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩 3.81106Nmm支座处截面上的弯矩 = 5.77105Nmm （2）筒体轴向应力计算由GBl5089表8-1查得由“扁塌现象”引起的抗弯截面模量减少系数K1K21.0 因为M1M2，且ARm/2=302.5mm,故应力必定出现在跨中面，校核跨 中面应力。.由