40000m3液氨储罐的选型计算及强度校验

南京工业大学

化工安全设计课程设计

设计题目 姓 名 学 号 班 级 专 业 学 院 指导教师

40000m3液氨贮罐区安全设计

王涛 1905080115 安全0801 安全工程

城市建设与安全工程学院

钱剑安 张明广 2011年7月

课程设计任务书

课题名称

院 （系） 专 业 姓 名 学 号 起讫日期 指导教师

化工安全设计课程设计

城市建设与安全工程学院

安全工程 王涛 1905080115 2011.06.20～2011.7.8 钱剑安 张明广

2011 年 6 月 15 日

一．课程设计的目的和要求

化工安全设计课程设计是安全工程专业教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实践的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的尝试。通过课程设计，要求学生能够运用前修课程的基本知识，进行融会贯通和独立思考，在规定的时间内完成指定的设计任务，从而得到化工安全设计课程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解化工安全设计的基本内容，掌握化工安全设计的主要程序和方法，培养学生分析和解决实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己作出决策，即自己确定方案、选择设备、设施、查取资料、进行相关计算，并要对自己的选择作出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养提高学生独立工作能力的有益实践。 通过课程设计，应该训练学生提高如下几个方面的能力： （1）熟悉查阅文献资料、收集有用资料和数据并准确计算。当缺乏必要数据时，尚需自己通过实验测定或到生产现场进行实际查找。 （2）在兼顾技术先进性、使用可行性，经济合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定设计方案，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全运行所需要的手段和措施，同时还要考虑事故状态下可以采取的有效、可行措施。 （3）准确而迅速地进行设计计算。 （4）用精炼的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和计算结果。

二、题目

40000m3液氨贮罐区安全设计

1 项目概述

本文的设计为40000m3轻质油贮罐区的安全设计。该罐区位于某城市边缘某大型化工厂的西北角，地势平坦且视野开阔，其周围无居民区。该地区常年风向为东南风。整个罐区包括贮罐、泵站及配套的给排水、供电、消防、污水排放等公用设施。贮罐区内有四台大型液氨贮罐，容积均为10000 m3

2 设计内容

1）确定设计参数：设计压力、设计温度、设计寿命、腐蚀速率、风载荷、雪载荷等；

2）液氨物化及危险特性分析；

3）贮罐的选材、型号、安装方式的设计； 4）主要结构件的结构设计及其强度校验； 5）液氨贮罐保温系统设计

6）安全装置的选择和设计（液位报警、火灾报警仪、避雷针、静电接地等）； 7）对液氨贮罐区展开总平面布置，着重包括贮罐的布置、防火间距、消防通道、消防等级确定、罐区防火堤设计等。

8）根据总平面布置和贮罐区情况确定消防水池位置、容积，以及安全消防设备及设施的安全设计。如消防系统的选择、消防给水系统设计、灭火设施选择等；

9）贮罐区物质危险性分析及火灾危险等级的划分； 10）典型事故案例分析；

11）安全对策措施及职业危害控制措施的设计； 12）安全管理制度及应急救援预案的制定。

3 设计要求

1）熟悉相关设计规范； 2）确定总平面布置及防火间距：

① 功能分区示意图； ② 各防火间距的要求；

绘制总平面布置图，书写设计说明书。 3）罐区的具体设计要求：

① 罐区的具体布置方案； ② 防火堤设计； ③ 消防道路的设计。 4）贮罐的安全设计要求：

① 贮罐的材料选择； ② 贮罐选型及结构设计 ③ 主体结构设计及强度校核 ② 贮罐安全附件的具体设计。 5）完成消防设计

着重消防通道、消防等级确定，消防系统的选择、灭火剂（及器材）的选型，防雷电、静电措施设计。

6）完成工程的安全技术及管理制度设计

① 着重于物质危险分析及安全卫生措施及管理制度设计；

② 着重于贮罐、管道及其它相关设备危险性分析及安全附件的选择、安全技术措施及管理制度设计；

③ 工程相关的其它安全技术设计，如：检修维修及泄漏、火灾、爆炸事故的应急处治技术、职业安全卫生防护措施和应急救援方案。

三、设计依据

1、《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）

2、《建筑物防雷设计规范》（GB50049-94）（2000修订本） 3、《消防安全标志设置要求》（GB15630-1995） 4、《安全色》（GB2893-2001） 5、《安全标志》（GB2894—1996）

6、《危险化学品重大危险源辨识》（GB18218－2009） 7、《危险货物品名表》（GB 12268-2005） 8、《工业企业总平面设计规范》 （GB50187-93） 9、《危险化学品名录》 （2002版）

10、《生产经营单位生产安全事故应急预案编制导则》 （AQ/T 9002-2006） 11、《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2008） 12、《石油库设计规范》（GB50074-2002）

主要结构件的结构设计及强度校验 1.球壳设计

1.1球罐设计的执行标准及法规

球罐设计执行的国家标准及法规主要有《固定式压力容器安全技术监察规程》2009版、《锅炉压力容器安全监察暂行条例》及其《实施细则》2009版、GB150-1998《钢制压力容器》、GB12337-1998《钢制球形储罐》及相关标准。在制造、检验、验收中还应执行GB50094-1998《球形储罐施工及验收规范》、GB6654-1996《压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板》、JB4730-2005《压力容器无损检测》、JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》、HG/ZQ1.7-87《球形储罐质量等级评定及检查细则》，球罐安装质量要达到SHJ-514《石油化工设备安装工程质量检验评定标准》中第八章“球型储罐安装工程”中优良工程要求。 1.2球壳结构设计

球壳结构形式主要风味足球瓣式、桔瓣式和混合式

（1）.足球瓣式球罐球壳用均匀分发划分，每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，材料利用率高且互换性好，组装焊接接头较短，焊接检验工作量小，但

焊接接头布置复杂，施工组装困难，对球壳的制造精度要求高。

（2）.桔瓣式球壳像桔子，焊接接头布置简单，组装容易，球壳板制造简单，但材料利用率低，对焊接缝总长长度长，检验工作量打。

（3）.混合式球罐的球壳组成是：赤道带，温带采用桔瓣式，极板采用足球足球瓣式。它集中了桔瓣式和足球瓣式两种结构的优点，在国外已被广泛采用，从国外引进的球罐大量采用了该结构。

不同结构形式对球罐的制造、安装质量以及投用后的安全可靠性都会带来重大的影响。先进合理的结构，既可合理地利用材料，减少浪费，降低成本；又可有效地减少焊缝总长，减少制造和安装过程中的工作量，提高使用中的安全可靠性。不同分瓣形式分带的数量一般不同，混合式的分带数一般会比桔瓣式少；由于混合式球罐极带有7块板组成，桔瓣式只有3块，两极相加多8块，因此如果两种分瓣形式的支柱和带数完全相同，混合式球罐的球壳板数量反而比桔瓣式多一些。因此一台球罐结构形式的先进与否不能简单看是用混合式还是桔瓣式，而要从焊缝的总长、钢材利用率和制造安装难度来考虑，它同时受钢厂供货尺寸和运输条件的限制。对于小型球罐如400m3或650m3的球罐往往采用桔瓣式结构更合理，而大中型球罐采用混合式分瓣方法。综上本次设计为混合式球罐。

球罐、支柱材料 壁厚，从上至下 16MnR 11mm 12mm 15mm 15mm 16mm

球罐直径 底面至中心高度 上极板接管 26800mm 15000mm R1900圆周上DN150安全阀接管，DN50压力表接管，DN50液位计接管，DN30的排污口接管，DN50的温度计接管，DN80的远传液位计接管 下极板接管 R1900圆周上DN50的液位计接管，DN30的排污口接管，DN50的温度计接管，DN80的远传液位计接管；布置在R2800圆周上的有：DN200的液氨进口接管和出口接管

1.3球罐支柱数和分带角的确定 混合式参数10000m3球罐的各参数为： 公称容积 m3 球壳直径或球罐基础中心圆直径，mm 10000 26800 几何容积m3 支柱底板底面至球壳中心的球壳分带支柱根数 各带球心角（°）/各带分块数 上极 上温带 赤道下温带 带 下极 距离mm 数 10079 15000 5 14 65/7 38/28 39/238/28 8 25/7 本次设计的球罐采用混合式的结构。根据GB/T17261-1998《钢制球形储罐型式与基本参数》，同时充分考虑钢板厂货供尺寸，制造厂的球片压制能力，以及安装单位现场的安装能力，最终确定采用5带14支柱混合式结构，赤道带由28瓣球壳组成，分带角39°；上、下温带各由28瓣球壳板组成，分带角38°；极带上下由7瓣组成，宽度方向分带角13°。结构如图，罐体焊缝总长1118米。

混合式结构的排版计算分为足球瓣式极板计算、桔瓣式温带板和赤道板计算。极

2833.042829.21614.821614.66对角线 9116.478946.023005.433001.312883.4322877.8742867.2712861.8049062.3078894.9728634.3278485.7299166.4678946.0243040.3643033.8463040.3643033.8463040.3643033.8462353.272348.858882.718725.23板尺寸、温带板和赤道板尺寸计算结果于下表。

954.4493443.9462222128DN500850.82448.1219919340.0749152.15395893825.86.779160.228982.89长 8634.3278485.7292833.042829.29545.0969344.2018634.3268485.7363038.8223033.76宽 9600.1929396.19911309.4310180.54名称 弦 弧 弦 弧 弦 °弧

°温带板 1614.66 2348.85 2829.2 1614.82 2353.27 2833.04 2833.04 3005.43 2867.271 3040.364 1380.49 3038.82 8725.23 8882.71 8982.89 9160.22 赤道板 2829.2 3001.3 8946.02 9116.47 9382.77 9585.86 极中板 2861.804 3033.846 8894.972 8946.024 8485.736 9344.201 10180.54 9062.307 9116.467 8634.326 9545.096 11309.43 8634.327 9062.307 9343.962 9544.444 极侧板 1379.88 3033.76 9396.199 9600.192 极边板 2877.874 3033.846 2883.432 3040.364 8485.729 8894.972 9152.153 9340.074

2.支座和拉杆的设计 2.1支座的设计

球罐支座是球罐中用以支撑本体质量和储存物料质量的结构部件，主要课分为柱式支撑和群式支撑两大类，柱式支撑中又以赤道正切柱活支撑为国内外普遍采用。赤道正切柱支柱结构特点是：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近乎相切而焊接起来。支柱支撑球的重量，为了承受风载荷和地震载荷，保证球罐的稳定性，在支柱之间设置拉杆相连，这种支柱的优点是受力均匀，弹性好，安装方便，施工，容易调整，现场操作和检修也方便，且适用于多种规格的球体，故在此选用支柱为混合式球体的支座。

支柱分两段制造，上支柱和下支柱材料采用?1036×18mm的16MnR制造，两段的环向连接焊缝采用全熔透结构，支柱顶部设有球形防雨盖板。 2.2拉杆的设计

拉杆可分为可调式与固定式两种，可调式拉杆采用圆钢加工而成，拉杆与支

柱采用销钉连接，2根拉杆立体交叉处留有间隙。该种结构受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修方便，可调式拉杆虽能调节松紧，有利于施工，但若施工后发生锈蚀则不起调节作用。本次设计采用可调式拉杆。

2.3支柱与球罐连接部分设计

在GB12337标准中推荐了四种正切式支柱与球罐连接结构型式，目前主要是采用加托板的结构和U形上支柱加连接板结构型式。U形柱结构是用钢板卷制成U形管与球壳连接，使支柱与球壳连接逐渐过渡，避免急剧变化，特别适合于低温球罐与支柱连接的要求。该结构制造工艺简单，施焊方便，没有工艺难点，不存在焊接死角，在几种结构中与球壳的连接长度最长，这样对局部应力的改善也最有效。球罐的局部应力是不可避免的，只能靠改进结构来减小，如增加支柱与球壳的接触面积，减少支柱的刚性，支柱与球壳的连接避免急剧变化，使其逐渐过渡等方法，U形柱结构则几种了这些特点。GB12337-98增加了U形柱结构，解决了低温球罐支柱连接无法解决的难题。 2.梯子、平台

根据压力容器规范的要求，球罐需要作定期检查。为了减少到检查时在球体内外部搭脚手架的昂贵费用和工期长等缺陷，除小型球罐外，一般在建造球罐时，多在球体内部设置内部旋转梯，如图。这种旋转梯是由球顶至赤道部及赤道部到球底部沿球壁设置的圆弧形梯，在球体内部的球顶、赤道、球底部位均设置平台，梯子的导轨设置在平台上，梯子可以沿着导轨以球轴线旋转360°，使检查人员可以很容易地检查球罐内壁的任何部位。

球罐也要考虑设置用于外部检查及正常生产过程中操作的梯子和平台，同时考虑它的机能与结构。对于中大型球罐，一般采用由地面至赤道部位有斜梯直达而赤道部位向上，则多采用沿上半球球面走向的螺旋梯上到球顶，由于工艺需要在中间课设置平台，使整个梯子形成阶梯式多段斜梯和螺旋式梯子的组合。 3.腐蚀余量的确定

球罐设计使用寿命40年，考虑均匀腐蚀情况下腐蚀速率按0.05mm/年考虑，

球壳板及人孔、接管等主体受压元件腐蚀余量取2mm，支柱底板及拉杆部位腐蚀余量按3mm选取。 5.压力试验方法

压力试验是压力容器投用前进行强度考核的重要方法，目前球罐压力试验的方法主要有水压试验法和气压试验法。如果采用水压试验方法必须考虑装满1万吨水时对受压元件、支柱、拉杆和基础的承载能力。

根据GB12337-98和GB150-98规定要求，球罐制造完成后必须进行水压试验。同时根据GB12337-98中3.10.1.b的要求对球罐进行气密性试验，合格后进行100%表面检测，不得有任何裂纹，并符合JB4730-2005规定的I级要求。

水压试验压力 PT?1.25P气密性试验压力PT?P[?]170?1.25?0.1903??0.237MPa [?]170[?]?0.1903MPa [?]12822245°DN50030°6.人孔的设计7.计算 7.1计算压力

设计压力

对贮存液化气体的球罐，因为设计有可靠的保冷设施，其最高工作压力为所盛装液化气体在可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力。液氨在保冷措施下能达到的最高操作温度为-20°C，所以查蒸汽压表得P=0.1903MPa 温度°C 压力MPa

-30 0.1219 -20 0.1903 -10 0.2909 0 0.4294 10 0.6150 球壳各带物料的高度h1?0 ，h2?2377mm ，h3?11323mm ，

h4?18151.5mm ，h5?20250mm

物料密度：??562.871 kg/m3 重力加速度：g=9.81m/s^2

球壳各带的计算压力：Pc?P?hi?g?10^(?9)

P1?0.1903?0?0.1903MPaP2?0.1903?2377?562.871?9.81?10^（-9）?0.2034MPaP3?0.1903?11323?562.871?9.81?10^（-9）?0.2528MPa P4?0.1903?18151.5?562.871?9.81?10^（-9）?0.2905MPaP5?0.1903?20250?562.871?9.81?10^（-9）?0.302M1Pa

7.2球壳各带的厚度计算

球壳内直径；Di=26800mm

设计温度下球壳材料16MnR的许用应力：[?]=170MPa 焊缝系数?=1

厚度附加量：C?C1?C2?0.8?2?2.8mm 厚度：??PnDi?C

4[?]??Pn0.1903?26800?2.8?10.30mm 取11mm4?170?1-0.19030.2034?26800?2??2.8?10.81mm 取12mm4?170?1-0.20340.2528?26800?3??2.8?12.77mm 考虑与支座连接影响，取15mm

4?170?1-0.25280.2905?26800?4??2.8?14.25mm 取15mm4?170?1-0.29050.3021?26800?5??2.8?15.21mm 取16mm4?170?1-0.3021?1?

7.3球壳薄膜应力校核

球壳应力计算公式如下：赤道线以上区域

?Rcp^2h(3Rcp?h)[H?]2?3(2Rcp?h)?Rcp^2(3Rcp?h)???[H?]2?3(2Rcp?h)??? 赤道线以下区域： ?Rcp^2h(3Rcp?h)???[H?]2?3(2Rcp?h)?Rcp^2(3Rcp?h)???[H?2?3(2Rcp?h)将球壳各带分别按操作和液压试验两种情况计算其最大应力，结果列于下表：

分带 各带有效厚度mm 操作状态 内压应力MPa 液压应力MPa 总应力MPa 液压试验 内压应力MPa 液压应力MPa 总应力Mpa

球壳的许用应力值：操作条件下：[?]??170MPa

液压试验条件下：0.9?s??0.9?345?1?310.5MPa 表中各带计算应力均小于上述许用应力，故强度条件得到满足。

上极 11 上温带 12 赤道带 15 下温带 15 下极 16 136.71 125.76 113.55 113.55 112.26 0 10.67 19.43 21.05 23.88 136.71 136.43 132.98 134.60 136.14 190.50 180.55 150.19 150.19 141.72 10.43 22.12 55.25 59.76 68.82 200.93 202.67 205.44 209.95 210.54 参考文献

[1]张康达 《压力容器手册》 北京：劳动人事出版社，1987年。

[2]潘家祯，田肃岩，谢建宏，田圃，朱大滨，宋培华 《压力容器材料实用手册-碳钢及合金钢》 北京：化学工业出版社，2000年

[3]徐英，杨一凡，朱萍 《化工设备设计全书-球罐和大型储罐》 北京：化学工业出版社，2004.11

7.4质量计算

A.操作状态下的静载荷：mo?m1?m2?m4?m5?m6?m7 kg B.液压试验状态下的静载荷：mT?m1?m3?m6?m7 kg C.球罐最小质量：mmin?m1?m6?m7

式中m1-球壳质量，kg，m1??Dcp^2?n?1?10^ （-9） m2-物料质量，kg，m2??6D1^3?2k?10^(?3)，k-充装系数

m3-液压试验时液体的质量，kg，m3? m4-积雪质量，kg，m4?Cs—球面的积雪系数，取0.4

?6 Dt^3?3k?10^（-9）?4gDo^2qCs?10^(?6)，q-基本雪压值，400N/㎡，

m5-保温隔热材料质量，kg，m5??(Do?t)^2t?5?10^(?9)，t-保温层厚度,聚氨酯发泡保温材料150mm,密度范围200-500kg/m3 m6-支柱和拉杆的质量，kg

m7-附件质量，包括人孔、液位计、内件、喷淋装置、安全阀、梯子平台等，kg，这些质量一般以实际质量作为计算载荷。若无实际质量，则可参考有关图纸资料取值，对平台、扶梯分别按100kg/㎡、80kg/m估算。

操作状态及液压试验状态下每根支柱承受的重力载荷分别为：Go?GT?

mog（N） nmTg （N） 式中n-球罐支柱数目。 n

m1???26800^2?13.5?7850?10^（-9）?239002.6 kg

m2??6?26.75^3?562.871?0.85?4792670.33 kg ?26.75^3?1000?10017278.7 kg

?26828^2?400?0.4?10^（-6）?9215.04 kg

m3??6 m4??4g m5??(26800?150)^2?50?300?10^（-9）?102626.54 kg

m6?14?3.14?1?18?10^（-3）?15?7850?28?3.14?0.045?0.045?12.35?7850?110685.1kg

m7?25000kg

mo?m1?m2?m4?m5?m6?m7?239002.6?4792670.33?9215.04?102626.54?110685.1?25000?5279199.61 kgmT?m1?m3?m6?m7? 239002.6?10017278.7?110685.1?25000?10391966.4kg mmin?m1?m6?m7?239002.6?110685.1?25000?374687.7 kg

7.5支柱计算 （1）.重力载荷

操作状态下的重力载荷：Go? 液压试验下的重力载荷：GT?mog5279199.61?9.81??3699210.58N n14mTg=7281799.3N n（2）.单个支柱的最大垂直载荷 支柱中心圆半径：R?Ri?13400mm

参考其他例题得：球罐的水平地震力：Fc?2.35496?10^6N 球罐的水平风力：Fw?1.749?10^5N 最大弯矩Mmax?9.595?10^9 N/mm

计算中一些参数由表GB12337—98表14，GB12337—98表15中选取 最大弯矩对支柱产生的垂直载荷的最大值：

(Fi)max?0.1429Mmax9.595?10^9?0.1429??1.023?10^5N R13400 拉杆作用在支柱上的垂直载荷的最大值： (Pi?j)man?0.321lFmax11000?2.399?10^6?0.321??6.321?10^5N R13400 以上两力之和的最大值（按GB12337-98表17计算） (Fi?Pi?j)max?0.062 （3）.组合载荷

操作状态下支柱的最大垂直载荷：

Wo?Go?(Fi?Pi?j)max?3.6992?10^6?6.605?10^5?4.360?10^6N 液压试验状态下支柱的最大垂直载荷：

MmaxlFmax?0.3129?6.605?10^5N RRWT?GT?0.3(Fi?Pi?j)maxFwFmax1.749?10^5

2.399?10^6 ?7.282?10^6?0.3?6.605?10^5??7.2964?10^6N

7.6支柱稳定性校核 （1）.支柱的偏心率计算 单个支柱的横截面积：

A??4(do^2?di^)??4(1036^2?1000^2)?5.757?10^4mm^2

单个支柱的截面系数；

Z??32do(do^4?di^4)??32?1036?（1036^4-1000^4）?1.4401?10^7 mm^3

操作状态下支柱的偏心率：

?o?11MoA??2.8687?10^8?5.757?10^4?0.258 WoZ4.45?10^6?1.4401?10^7 液压试验状态下支柱的偏心率：

?T?

11WTA??4.307?10^8?5.757?10^4?0.258 WTZ7.497?10^6?1.4401?10^7（2）.稳定性校核 计算长度系数：K=1 支柱的惯性半径：

ri?l?(7.4595?10^9?5.757?10^4）^0.5?359.97mm A 支柱长细比：??KHo?1?15000?359.97?41.6697 ri操作状态下偏心受压支柱的稳定系数，按GB12337-98表18选取

?OP?0.753

液压试验状态下偏心受压支柱的稳定系数，按GB12337-98表18选取：

?TP?0.768

支柱材料为：16MnR，?s?310MPa 支柱材料的许用应力：[?]C??s1.5?310?206.667MPa 1.5Wo4.4523?10^6??102.7121MPa?[?]c 操作状态下支柱的稳定性校核：A?OP5.757?10^4?0.753WT7.497?10^6??169.5817MPa?[?]c 液压试验下支柱的稳定性校核：A?TP5.757?10^4?0.768操作状态和液压试验都满足稳定性条件，符合。

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