2.8m3卧式液氨储罐的设计 - 图文

2.8m3卧式液氨储罐的设计

学 生：xxxxxxx 指导教师：xxxxxxx

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100m ，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。

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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：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，2004年12月 [9] 陈祝年,焊接工程师手册。北京：机械工业出版社，2002

[10]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 2006.5

[12]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 P25-28 [15]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期 2000年6月 P200—202

[17]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 P39—43

[18] 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 p39—42

[19] 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/s00170-003-1798-4 Int J Adv Manuf Technol (2004) 24: 781–788

[20] 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: 161–170, 1999. 1999 Kluwer Academic Publishers. Printed in the Netherlands.

[21] J. Rudolph · E. Wei? · M. Forster Modeling of welded joints for design

2

against fatigue Engineering with Computers (2003) 19: 142–151 DOI 10.1007/s00366-003-0253-3

[22]A.M.P.DE JESUS1,A.S.RIBEIRO1 and A.A.FERNANDES2 Validation of procedures for

fatigue

life

assessment

of

a

steelpressure

vessel

doi:

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

4343成了16?10m的浮顶储罐，1971年日本建成了20?10m的浮顶储罐，而世界产油大国之43一的沙特阿拉伯也已成功建造了20?10m厅的浮顶储罐。

43国内大型储罐发展从20世纪70年代开始，1975年，国内首台5?10m浮顶储罐在上43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?10m浮顶储罐。4320世纪80年代中后期，国内开始建造10?10m的大型浮顶储罐，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

43地建造了80余座10?10m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43

浮顶储罐是中国石化集团公司建造的油罐15?10m。

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

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-33.4C就液化。故常压下液氨需要 在低于-33.4C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化，液氨的贮存原则上可在-33C—43C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40C，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-33C，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0C，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－33C，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

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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。

(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 7-8 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

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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；CAPP

Ⅶ

The Design of the horizontal liquid ammonia storage

tank

Student：xxxxxxx Guide teacher：Zxxxxxxx

[Abstract] This 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 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 the 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 defect 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

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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9100mm，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?104m3的浮顶储罐，1971年日本建成了20?104m3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?104m3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?104m3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

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2.8m卧式液氨储罐的设计

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5?104m3浮顶储罐。20世纪80年代中后期，国内开始建造10?104m3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?104m3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

43公司建造的油罐15?10m。目前中国已经基本掌握了厚度在150mm—200mm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：

①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。

②对于高温抗氢用钢，尽量减轻钢的回火脆性和氢脆倾向。

③降低大型钢锭中的夹杂物及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。

④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，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。

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选题背景

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化，液氨的贮存原则上可在-33℃—43℃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。

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:①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。②煤气鼓风及转化。即将半水煤气进行脱尘、脱硫，并将其中的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。③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。④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℃

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2.8m卧式液氨储罐的设计

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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=1.6Mpa，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

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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(Ⅱ级)，且本设备为PV值小于10Mpa·m3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Φ=1.0。根据氨的腐蚀程度，取腐蚀裕量C2＝2mm。

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8—16mm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=0.2545 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=325－25=300mm。 筒体长度：

L0?4?Di2(V?2Vh)?4?(2.8?2?0.2545)?2.0257m 2?1.2取 L0=2030 mm

两封头切线之间的距离L=L0?2h=2030+2×25=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。

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2.8m卧式液氨储罐的设计

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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8—16mm之间，[σ]＝[σ]t =170 Mpa，屈服强度σs=345 Mpa。 （1）筒体厚度 δ=

pdi1.6?1200??5.67mm t2[?]??p2?170?1.6设计厚度δd＝δ十C2＝5.67十2＝7.67mm 按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm 考虑钢板厚度系列取名义厚度δn＝10mm

因δn＝10mm，查此情况下16MnR钢的许用应力没有变化，[σ]= 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

δ=

kpdi1.0?1.6?1200??5.66mm t2[?]??0.5p2?170?0.5?1.6设计厚度δd＝δ＋C2＝5.66＋2＝7.66mm

取C2＝0.8mm，故名义厚度δn＝10mm，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

[?]?1.25p?1.25?1.6?2.0MPa?t1．试验压力：PT＝?○ [?]??p?0.1?1.6?0.1?1.7MPa取水压试验压力PT＝2. 0MPa

2．筒体应力校核；筒体有效厚度δe＝δn－C1－C2＝10－2.8＝7.2mm ○

所以试验时应力：

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卧式液氨储罐的结构设计

pr(Di??e)2.0?(1200?7.2)?T???167.7MPa?0.9?s?0.9?345?310.5MPa

2?e?2?7.2?1.01○2 筒体水压试验应力校核满足要求。○

3．封头应力校核：有效厚度δe＝δn－C1－C2＝l0－0.8－2＝7.2mm ○

?T?pT(Di?0.5?e)2.0?(1200?7.2?0.5)??167.7MPa?0.9?s?0.9?345?310.5MPa2?e?2?7.2?1.0 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8—16mm之间，取此时20R钢的许用应力[σ]＝[σ]t =133 Mpa，屈服强度δs=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 δ=

pdi1.6?1200??7.26mm t2[?]??p2?170?1.6设计厚度δd＝δ十C2＝7.26十2＝9.26mm

按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm。考虑钢板厚度系列取名义厚度δn＝12mm 因δn＝12mm，查此情况下20R钢的许用应力没有变化，[σ]= 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

δ=

kpdi1.0?1.6?1200??7.24mm t2[?]??0.5p2?133?0.5?1.6设计厚度δd＝δ＋C2＝7.24＋2＝9.24mm

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2.8m卧式液氨储罐的设计

3

取C2＝0.8mm，故名义厚度δn＝12mm，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

[?]?1.25p?1.25?1.6?2.0MPa?t1○．试验压力：PT＝? [?]??p?0.1?1.6?0.1?1.7MPa取水压试验压力PT＝2. 0MPa

2．筒体应力校核；筒体有效厚度δe＝δn－C1－C2＝12－2.8＝9.2mm 所以试验时○

应力：

?T?pr(Di??e)2.0?(1200?9.2)??131.4MPa?0.9?s?0.9?245?220.5MPa

2?e?2?9.2?1.0筒体水压试验应力校核满足要求。

3．封头应力校核：有效厚度δe＝δn－C1－C2＝l2－0.8－2＝9.2mm ○

?T?pT(Di?0.5?e)2.0?(1200?0.5?9.2)??130.9MPa

2?e?2?9.2?1.0因为 ?T?[?T]?0.9?s?0.9?245?220.5MPa 所以封头水压试验应力校核满足要求。 2.1.4两种方案的比较 （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:

12?10?100%?16.7% 1216MnR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δn与设计厚度δd很接近，其差值为10－7.67=2.33mm,而20R的名义厚度δn与设计厚度δd大很多，其差值为12－9.26=2.74mm，所以用16MnR钢时，钢板耗用量就要省很多，更为适宜。

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卧式液氨储罐的结构设计

（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

1．筒体质量 ○

m1＝π(Di＋δe)δnL0?×10-9

＝3.14×(1200+10)×10×2000×7850×10-9 ＝597kg

2．单个封头的质量m2＝128.3.0kg(查JBll53—73) ○

3. 附件质量m3(包括入孔，接管、液面计、平台等)近似取m3＝400kg ○

4．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，

?2 m4＝(DiL0?2Vh)??10-9

4? ＝[×12002×2025+2×0.2545×10-9]×1000×10-9

4＝2799kg

5．保温层质量 本设备不保温，故m5＝0 ○

6．设备最大质量 ○

m＝m1＋m2 ＋m3＋m4＋m5＝597＋2×128.3＋400＋2799＋0＝4053 kg

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2.8m卧式液氨储罐的设计

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（2）计算鞍座反力

F＝mg/2＝(4053×9.81)/2＝19880N

2.3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，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，A≤0.2L时，最好使（Rm为圆筒的平均半径，Rm＝ Ri＋δn/2=605mm，Ri为圆筒的内径）。

由于Rm/2=302.5mm, 0.2L=416mm

因为0.2L＞0.5R，鞍座位置A≤Rm/2=302.5mm 取鞍座位置 A＝300mm

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卧式液氨储罐的结构设计

其中：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

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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F＝19880N=19.88 KN，查压力容器手册，选用JB/T4712—92标准的鞍式支座，公称直径DN1200mm,A型，带加强垫板，允许支承载荷Q=147 KN，因为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,鞍座宽度b＝150mm；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Q235—AF钢。 鞍座标记：JB/T4712—92，鞍座A 1200

2.4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

1．筒体中间处截面的弯矩 ○

2?（??2??2Rm2?h1）（6052?3002）1?1?22FL?4A?19880?2080?4?300?2080L???M1??????

4h14?3004?L?42080??1?1?????3?20803L???? ＝3.81×106N·mm

2．支座处截面上的弯矩 ○

2?ARm2?h1?1??L2ALM2??FA?1?4h?1?1?3L???3006052?3002????1??20802?300?2080???19880?300??1??

4?300???1????3?2080??? = －5.77×105N·mm （2）筒体轴向应力计算

由GBl50—89表8-1查得由―扁塌现象‖引起的抗弯截面模量减少系数K1＝K2＝

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卧式液氨储罐的结构设计

1.0 因为｜M1｜》｜M2｜，且A≤Rm/2=302.5mm,故应力必定出现在跨中面，校核跨 中面应力。

1.由弯矩引起的轴向应力 ○

最低点处：

?3.81?106 ?1′=???0.461 MPa 23.14Rm?e3.14?605?7.2最低点处?2′＝－?1′＝0.461MPa

?M12．由于设计压力引起的轴向应力 ○

?p?pRm1.6?605??67.2MPa 2?e2?7.23．轴向应力组合与校核 ○

轴向拉应力：σ2＝σp+?2′=67.2+0.461＝67.7MPa 许用轴向拉应力：[σ]t＝170Mpa，σ2＜[σ]t合格 轴向压应力：σ1＝－?1′＝0.461Mpa 轴向许用压缩应力

A?0.094?e0.094?7.2??0.001128 R1600根据A值查GBl50—89图4—5，得B＝136MPa＜[σ]t=170 MPa 取许用压缩应力 [σ]ac＝136MPa，合格｜σ1｜＜[σ]ac 2.4.2筒体和封头切向剪应力校核

因筒体被封头加强(即A＜Rm/2)，筒体和封头中的切向剪应力分别按下式计算 (1) 筒体切向剪应力

查GBl50—89，取系数K3＝0.880，K4=0.401

??K3F0.88?19880??4.02MPa Rm?e605?7.2因为 τ< 0.8[σ]t =0.8×170=136 MPa ， 故合格。

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2.8m卧式液氨储罐的设计

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(2)封头切向剪应力

?h?K4F0.401?19880??1.83MPa Rm?he605?7.2KPDi 2?he因为 1.25[σ]t －δh=1.25×[σ]t － = 1.25×170－

1?1.6?1200?79.17 MPa

2?7.2?h＜1.25[σ]t－δh，故合格。

2.4.3筒体周向应力校核 (1)周向应力计算

设垫板不起加强作用，查GBl50—89，取周向弯矩系数K6 =0.0132周向压缩系数K5 =0.760，

1．在鞍座处横截面最低点处 ○

?5??kk5F?0.1?0.76?019880MPa ???0.785b2?e7.2?273式中k=0.1,考虑容器焊接在鞍座上

b2?b?1.56Rm?e?170?1.56?605?7.2?273mm

其中：b2为筒体承受周向压应力的有效长度。

b为支座的轴向宽度

2．鞍座边角的周向应力 ○

因L/Rm=2080/605=3.43＜8,故

?6??12K6FRmF1988012?0.0132?19880?605??????20.2MPa 224b2?24?273?7.2L?e2080?7.2(2)周向应力校核

︱σ5 ︳＜ [σ]t＝170MPa ︱σ6 ︳＜ 1.25[σ]t＝212.5MPa

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卧式液氨储罐的结构设计

2.4.4鞍座有效断面的平均应力校核

查GBl50—89，取系数K9＝0.204

支座承受的水平分力Fs＝K9·F＝0.204×19880＝4056N 鞍座有效断面平均应力 ?9?Fs4056??3.38Mpa Hsbs200?6应力校核 σ9＜2/3[σ]t＝75.3MPa

式中：bs为钢制鞍座的腹板厚度，bs=δ2=6mm，

由于鞍座的实际高度h=200mm＜1/3Rm=201.7mm，所以Hs取h=200mm。

[σ]t＝113 Mpa，为鞍座腹板材料Q235—AF的许用应力。

2.5开孔与接管设计

2.5.1人孔设计

因为筒体长度L=2080mm≤6000mm时，可以很好的采光、气体置换，检验人员进行内外部检验和出入方便，所以只需要设置一个人孔即可。由于储罐的公称直径900mm＜DN＜2600 mm，而且设计了人孔和适当的备用管口（见下文），就不必要设计手孔和检查孔。

人孔不应该布置在鞍座处的截面和跨中间截面上，也不适宜在封头上设置人孔。考虑到筒体和鞍座的结构尺寸，将人孔设置在筒体的顶部，选取开孔中心距离筒体的边缘620mm。由于没有设计手孔和检查孔，需要经常打开人孔盖进行检查，为了方便打开人孔盖，选用快开式，并根据储罐的公称直径和公称压力，查手册，选择回转盖平焊法兰人孔，标准号为JB580-79，C型密封面，Ⅰ类材料。 人孔标记：人孔 CⅠ Pg16 Dg450 JB580-79

人孔材料：筒节、法兰、盖子材料用Q235-B螺栓、螺母材料用Q235-A，法兰材料选用16Mn(锻)。

人孔尺寸：公称直径Dg=450mm，接管尺寸dw×s＝480mm×10mm。 2.5.2接管与法兰联结设计

所有的接管材料选用10号钢无缝钢管，法兰材料选用16Mn(锻)，接管长度从罐

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2.8m卧式液氨储罐的设计

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体的外壁算起，罐顶的接管长度可取150 mm，罐底的接管长度可取100 mm。接管位置示意图见下图2.2所示

图2.2 接管位置示意图

（1）液氨进出口

需要设计2个液氨进出口，液氨进口设置在筒体的顶部，出口设在罐底，具体定位尺寸见液氨储罐装配图。选用凸面板式平焊钢制管法兰，公称直径80mm，接管外径89 mm。法兰标记：HG20593 法兰 PL80—1.6RF （2）液位计管口

设置两个液位计管口，两个均设在左边封头上，具体定位尺寸见液氨储罐装配图。右边封头上液位计管口时必须避开边缘应力区，随着离开封头边缘处的距离的增大，边缘应力迅速衰减，所以将管口孔中心距离封头顶点500mm。由于接管较长，要设计加强筋加强。法兰标记：HG20593 法兰 PL20—1.6RF （3）排污管口

为了方便排净污物，将排污管口设在罐底，具体定位尺寸见液氨储罐装配图。选用螺纹管法兰。法兰标记：HG20598 法兰 Th25—1.6 （4）安全阀管口、压力表管口、备用管口

三个管口均用同种法兰、接管结构和尺寸，具体定位尺寸见液氨储罐装配图。 法兰标记：HG20593 法兰 PL25—1.6RF （5）接管管口表

根据工艺，操作和检修的要求，设备接管如下表所示：

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卧式液氨储罐的结构设计

符号 A1～2 b C1～2 d e1～2 f 公称尺寸 80 450 20 25 25 20 连接尺寸和标准 HG20593 法兰 PL80—1.6RF 人孔 CⅠPg16 Dg450 JB580-79 HG20593 法兰 PL20—1.6RF HG20598 法兰 Th50—1.6 HG20593 法兰 PL20—1.6RF HG20593 法兰 PL20—1.6RF 表1.1接管表

注：采用法定计量单位的标准（如：HG等）公称压力用PN表示，单位采用Mpa。采用工程制单位的标准（如：JB等）公称压力用P g表示，单位为kg/cm2。

用途和名称 液氨进出口 入孔 液位计口 排污口 安全阀及备用 压力表及备用 2.6开孔补强计算

根据GBl50—89规定，壳体名义厚度为10mm时，当在设计压力小于或等于2.5 Mpa的壳体上开孔，两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm的接管可以不另行补强，故补强计算需考虑人孔和液氨进口处的开孔接管补强问题，这里只给出人孔补强计算。 （1）人孔补强及补强方法判别

1．补强判别 ○

由于人孔接管的外径为480 mm，大于允许不另行补强的的最大接管外径89 mm，所以需要另行考虑补强，补强材料应该与壳体的材料相同，选用16MnR钢，由前面的人孔设计可知，人孔的接管选用Q235－B钢，选用其厚度附加量C，＝C1＋C2＝2＋0.8＝2.8mm，在该设计条件下Q235－B钢的许用应力[?]tn=113Mpa。

2．补强计算方法判别 ○

开孔直径d＝Di＋2 C，＝（480－2×10）＋2×2.8＝465.6mm

本筒体开孔直径d＝465.6mm＜Di/2＝600mm，满足等面积法开孔补强计算的使用条件，故可以用等面积法进行开孔补强计算。

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2.8m卧式液氨储罐的设计

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（2）开孔补强所需补强面积

1．削弱系数fr和接管有效厚度δet ○

fr＝[?]tn/[σ]t＝113/170＝0.6647 δet=δnt－C， =10-2.8=7.2mm

2．开孔补强所需补强面积 ○

A ＝d＋2δδet (1－fr)

＝465.6×5.66＋2×5.66×7.2×(1－0.6647) ＝2689mm2

式中：δ为筒体的计算厚度 （3）有效补强范围

1．有效宽度 ○

B=2d＝2×465.6＝931mm

B=d＋2δn＋2δnt=465.6＋2×10＋2×10=525.6mm

取两者的最大值B＝933mm

2．有效高度h1： ○

外侧有效高度：h1＝d?nt?465.6?10?68.23mm 接管实际外伸高度为h1＝200mm， 取两者的最小值，h1＝68.23mm。 内侧高度h2：

接管实际内伸高度为零，故取h2＝0。

内侧有效高度：h2＝d?nt?465.6?10?68.23mm 取两者的最小值，故取h2＝0。 （4）有效补强面积

1．壳体多余金属面积 ○

A1＝(B－d)(δe－δ) －2(δnt－C)[δe－δ)(1－fr)

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卧式液氨储罐的结构设计

＝(931－465.6) ×(7.2－5.66) －2×7.2 ×(7.2 - 5.66)(1- 0.6647)

＝817 mm2

式中：δe为筒体的计算厚度

2．接管多余金属面积A2 ○

接管计算厚度δt

δt=

pcdi1.6?600??2.04Mpa

2[?]tn??pc2?113?1.0?1.6接管多余金属面积A2

A2 ＝2h1(δet－δt) fr +2h2(δet－C2) fr ＝2×68.23×(7.2－2.04)×0.6647十0 =467.8 mm2

3．补强区内的焊缝面积 ○

补强圈与筒体，补强圈与接管的焊缝腰高均取8mm。

1 A3＝2××8×8＝64 mm2

24．有效补强面积 ○

Ae=A1＋A2＋A3=817＋467.8＋64=1348.8 ＜mm2A=2689 mm2 所以需要另行补强。

5．补强圈补强面积 ○

A4＝A－Ae＝2689－1348.8＝ 1340.2 mm2 (2)补强圈选用

查补强圈标准HG21506—92，选用补强圈450×10—D—16MnR JB/T4736，补强圈外径D＝760mm，补强圈内径d＝484mm，因为B=931 mm2＞D＝760mm，在补强圈的有效补强范围之内。所以补强圈的厚度为：

?'?A41340.2??4.85mm D?d760?484考虑钢板负偏差，并经圆整和与壳体的焊接质量问题，取补强圈的名义厚度等于筒体的名义厚度，即?'=δn=10mm。

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2.8m卧式液氨储罐的设计

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3 液氨储罐的经济性分析

由前面的结构设计的尺寸数据和选材，结合相关的资料，我们要对液氨储罐的制造和安装的总成本价格进行估计，再和储罐的市场价格进行比较，做出设计调整，进行简单的经济性评价。

3.1容器的费用评估

查阅《常用压力容器手册》可知，容器制作安装的工程总费用，包括以下几方面的费用：容器设备的制作费、容器设备的安装费用、水压试验费用、附件和其它费用。其中容器设备的制作费、容器设备的安装费用包括人工费、材料费、机械费。 （1）容器的制作费 ①筒体和封头的制作费

查手册可知，当容器采用双椭圆形封头，体积V＜5 m3时，低合金钢制筒体和封头的制作费为5708.46元/t，其中包括人工费900.24元、材料费1037.24元、机械费3370.98元。

由容器的结构设计，筒体和封头的总质量：

m＝m1＋m2 =603＋128.3×2＝860 kg

故筒体和封头的制作费：

S1＝5708.46×860×10?3=4909.27元

②鞍座的制作费

由于单个鞍座的质量为m3＝52kg ，50kg＜m3＜100 kg，鞍座的制作费为4945.71元/t

故双鞍座的制作费：

S2＝2×4945.71×52×10?3=514.36元

③接管的制作费

当接管直径DN=25mm时，接管的制作费为32.55元/个 当接管直径DN=80mm时，接管的制作费为53.24元/个 故所有接管的制作费：

S3＝2×53.24＋6×32.55=301.78元

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液氨储罐的经济性分析

④地角螺栓的制作费

4个M20地角螺栓的制作费为：

S4＝4×20.62=82.48元

⑤人孔的制作费

回转盖平汉法兰人孔的制作费：

S5＝653.28元

⑥容器设备的总制作费

SA ＝S1＋S2＋S3＋S4＋S5

＝4909.27＋514.36＋301.78＋82.48＋653.28 ＝6461.18元

（2）容器设备的安装费

查手册可知，当容器采用双椭圆形封头，体积V＜5 m3时，低合金钢制筒体和封头的安装费为： SB＝1450.17元/台。 （3）水压试验费用

查手册可知，当容器体积V＜5 m3，设计压力P＜2.5 Mpa时，水压试验费用： SC＝343.11元/台。 （4）其它外购件费用

（1）法兰费用： 平均每个约100元计算：8×100＝800元 （2）安全阀费用：平均每个约200元计算：2×200＝400元 （3）压力表费用：平均每个约45元计算： 2×45＝90元 （4）液位计费用：平均每个约150元计算：2×150＝300元

其它外购件费用：SD＝800＋400＋90＋300＝1590元 （5）容器制作安装的工程总费用

由上述内容可得，容器制作安装的工程总费用：

S＝SA＋SB＋SC＋SD

＝6461.18＋1450.17＋343.11＋1590 ＝9844.68元

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3.2经济性评价

为了得到更准确及时的容器价格，在中国化工网上查得，体积V=5m3时卧式储罐的报价为：7500元/t，照这样计算，此卧式储罐的价格大概为：S＝7500×（860＋400）×10?3＝9450元。

从计算所得费用和网络查阅报价两结果来看，数值相差不大，由于计算估计价格时，很多数据都是比较保守，大部分都用较大值计算，所以与实际报价存在一定的差距是很正常的情况，从而也证明了第二部分储罐结构设计的合理性。

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液氨储罐的应力分析

4 液氨储罐的应力分析

4.1液氨储罐应力分析的必要性

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。

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工作的要求，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，可以安全生产。当应力值超出许用应力时，储罐就是危罐，应该立即停止使用或者采取合适的方法来补救。

容器的受力情况一般比较复杂，压力容器所承受的载荷有多种类型，如机械载荷（包括压力、重力、支座反力、风载荷及地震载荷等)、热载荷等。它们可能是施加在整个容器上(如压力)，也可能是施加在容器的局部部位(如支座反力)。因此，载荷在容器中所产生的应力与分布以及对容器失效的影响也就各不相同。由于容器的受力情况一般比较复杂，用传统的计算方法很难解答，然而有限元法作为一种有效的应力分析方法正是压力容器应力分析的有效方法。

4.2有限元法概述

有限元法于1956年开始，首先在飞机结构计算中提出用离散的有限单元体来代替连续体求解的基本思想和方法，但是由于计算机尚未迅速发展，有限元的使用和发展受到了很大的限制。到上个世纪70年代，广泛使用，压力容器界也开始使用有限元方法解决容器中的具体问题。不仅在固体力学领域，而且在其他连续领域中也发挥了重要作用，解决了越来越多的工程问题。

有限元法可以说是对问题的一种物理近似法，它与差分法不同的是，它不涉及原有的微分方程，而是从能量原理出发，对结构进行离散化处理。即把连续的弹性体设想为由许多有限个单元组成，这些单元的形状简单，每个单元仅在节点处按照一定的

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方式相互联系，相互作用。与此同时，把用连续形式描述的边界条件看作是只需要在边界上若干个节点应当遵守的条件。此外，还把结构所受到的各种载荷按一定的方法化为等效的节点载荷。实际上，这就是把无限自由度的连续体的力学计算变成在有限多个节点某些参数的计算。

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，像ANSYS, NASTRAN等软件还有等效线性化后处理功能，并将结果整理出图象输出，极大地方便了设计者。有限元法目前不仅用于弹塑性分析，还可以用于高温蠕变分析、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方法。

有限元法的应用与电子计算机紧密相关，由于该法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的方便。因而，有限元法已被公认为工程分析的有效工具，受到普遍的重视。随着机械产品日益向高速、高效、高精度和高度自动化技术方向发展，有限元法在现代先进制造技术的作用和地位也越来越显著，它已经成为现代机械产品设计中的一种重要的且必不可少的工具。

4.3 ANSYS软件简介

4.3.1介绍ANSYS软件

ANSYS公司创建于1970年，ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和祸合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。经过30多年的发展，ANSYS逐渐为全球工业界广泛接受。ANSYS软件应用十机械、航空航大、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，ANSYS是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。ANSYS独具特色的多物理场祸合分析技术和涵盖优化设计、随机有限元分析等在内的一体化的处理技术充分体现了CAE领域的最新发展成就。它能与多数软件接口实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，ALGOR，I-DEAS，AutoCAD等。 ANSYS软件是第一个工S09001通

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液氨储罐的应力分析

过质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)，美国核安全局(NOA)及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内，ANSYS第一个通过了中国压力容器标准技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。 4.3.2 ANSYS软件的三大处理模块

ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 4.3.3 ANSYS主要技术特点

ANSYS作为一个功能强大，应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面:

①.数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理，分析求解及多场分析的数据统一。

②.强大的建模能力。ANSYS具备三维建模能力，GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型。

③.强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。

④.强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。

⑤.智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。

⑥.良好的优化功能。利用ANSYS的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案;利用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利用。

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⑦.可实现多场藕合功能。ANSYS可以实现多物理场藕合分析，研究各物理场问的相互影响。

⑧.提供与其他程序接口。ANSYS提供了与多数CAD软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据共享和交换。

⑨.良好的用户开发环境。ANSYS开放式的结构使用户可以利用APDL, UIDL和UPFS对其进行一次开发。

4.4 储罐人孔开孔接管区的应力分析

4.4.1人孔接管区应力分析的必要性

化工装备为了完成工艺过程必须设置接口，以便物料的流入和流出，同时为了便于检测和检修，需要设置压力表、液位计、安全阀、人孔或手孔等，这使得压力容器的必须进行开孔接管。开孔接管区的应力状况非常复杂，这时因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承载面积，在开孔边缘附近必然会造成应力集中；另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力，同时接管和壳体是通过焊接连接在一起的，焊缝的结构与尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会形成结构不连续，形成局部结构不连续应力，JB4732-1995对焊缝过渡圆角做了较为详细的规定。下面将对液氨储罐的人孔开孔接管区为代表进行应力分析。 4.4.2相关数据和问题描述

由前一部分液氨储罐的结构设计可得出： （1）该储罐的人孔开孔区的尺寸和参数如下：

储罐的筒体内半径Rci=600mm, 筒体厚度tc=10mm，筒体长度Lc=2030mm，接管外半径Rno=240mm，接管厚度tn=10mm，接管外半径Rno=240mm， 接管壁厚10mm，接管内伸长度Lni=50mm，接管外伸长度Ln=200mm，焊缝外侧过渡圆角半径rr1=30mm，焊缝内侧过渡圆角半径rr2=15mm，储罐内部压力Pi=1.8MPa。 （2）开孔接管区的材料属性：

筒体材料16MnR钢，人孔接管材料Q235—BF，两者的弹性模量都为2.1e5Mpa，泊松比μ=0.3。

（3）由上面的数据对储罐的人孔开孔区进行应力分析，具体分析过程见下文详解。

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液氨储罐的应力分析

4.4.3分析问题

液氨储罐在整体上具有前后和左右对称性，由于仅考虑内压作用下的应力状况，为此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。另外，为简化建模，本分析只考虑液氨储罐上的最大接管，即人孔接管。

选择SOLID45单元对结构进行离散化，对称面施加对称约束，接管的端部约束轴向位移，筒体端面施加轴向平衡面载荷Pc，并按如下公式计算：

pc?pDi222(Di?2te)?Di

4.4.4解决问题的思路

压力容器开孔接管区的应力分析为三维实体模型，应使用三维建模对其进行应力分析，应先按要求的参数建立三维实体模型，再根据模型的各部分尺寸，设定适当的网格参数，划分出适当的网格以便于求解的准确性。再对各对称面施加对称约束，对内表面施加内压力进行求解。 4.4.5 GUI过程

（1）环境设置初始化变量，输入下表参数。

参 数 Rci=600mm tc=10mm Rco=Rci+tc Lc=2030mm Rno=240mm tn=10mm Rni=Rno-tn 参数意义 筒体内半径 筒体厚度 筒体外半径 筒体长度 接管外半径 接管厚度 接管内半径 参 数 Hmin=sqrt(Rci**2-Rni**2) Lni=50mm Ln=200mm rr1=30mm rr2=15mm Pi=1.8 MPa Pc=pi*Rci**2/(Rco**2-Rci**2) Pn=pi*Rni**2/(Rno**2-Rni**2) 参数意义 接管最小内伸长长度 接管内伸长度 接管外伸长度 焊缝外侧过渡圆角半径 焊缝内侧过渡圆角半径 内压 筒体端部轴向平衡面载荷 接管端部纵向平衡面载荷 （2）定义单元及材料

① 定义单元类型：选择Structural Solid选项中Brick 8node 45号单元。 ② 定义材料属性：在弹性模量EX=2e5，泊松比PRXY=0.3。

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（3）创建筒体与接管模型

液氨储罐在整体上具有前后和左右对称性，由于仅考虑内压作用下的应力状况，为此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。

1AREASTYPE NUMMAY 25 200715:37:141ELEMENTSMAY 25 200712:47:15YYZXZX 图4.1 储罐建模图 图4.2 网格划分图

（4）划分单元

① 分别对接管端部、外圆直角边、内接管边、设定的剖分份数，然后组合连接相邻面，划分单元格后如图，在下图中可以看出筒体和接管都已经被划分网格，详细的命令流将在论文后附命令流文件。 （5）施加约束与载荷

① 筒体端面施加端面平衡面载荷：执行Pressure>On Areas命令,选中筒体端部编号为3，9的两个面，在对话框中的Value文本框中输入-Pc。

在对称面施加对称约束：选中X=0处的对称面，选中Areas，By Location，X coordinates，在Min，Max中输入0，再执行SymmetryB.C>On Areas命令，全选。

在Z=-Lc/2对称面上施加对称面约束：重复步骤2，设定Areas，By Location，Z coordinates，在Min，Max中输入-Lc/2，施加对称约束。

约束接管端面轴向位移：选中Areas，By Location，Y coordinates，在Min，Max中输入Ln+Rci+Tc，再执行SymmetryB.C>On Areas命令，单击Pick All按钮，在新对话框中设定UY。

对内表面施加内压：重复步骤1，选中内表面编号为6，7，15，17，19，23，29，42，47，50的所有面，在对话框中的Value文本框中输入pi。

执行全选命令。 执行求解命令。

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液氨储罐的应力分析

1ELEMENTSUNFORRFORMAY 25 200712:51:55

YXZ图4.3 加载图

（6）结果后处理

① 显示应力云图, 查看计算结果。 计算结果和应力云图如下图：

11NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =1.56SMN =1.152SMX =274.396JUN 5 200718:33:40NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =1.56SMN =1.152SMX =274.396MAY 25 200712:16:14MNMXMXMNYXZ1.15261.873122.594183.315244.036 31.51392.233152.954213.675274.3961.15261.873122.594183.315244.036 31.51392.233152.954213.675274.396 图4.4 分析结果图 图4.5 储罐建模图

4.4.6 结果与讨论

对该应力云图分析可以看出，应力最大的地方出现在筒体最高位置与人孔接管焊接区域，该求解的最大应力为274.396Mpa。距离焊接区域越远应力值也相对较小，在接管的上下端面附近的应力值最小，最小值为1.152 Mpa。

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开孔接管区的应力状况非常复杂，削弱了原有的承载面积，在开孔边缘附近必然会造成应力集中，接管区的受力有如下几种：储罐的接管区受到由液压引起的径向应力和环向应力，其中环向应力是径向应力的两倍；另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力；同时接管和壳体是通过焊接连接在一起的，焊缝的结构与尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会形成结构不连续，形成局部结构不连续应力，由于焊接时的残余应力；由于容器自重和储存介质的重力，筒体的上半部分受到压应力的作用，其中筒体和接管的最高点处压应力最大，所以在应力集中后该处的应力值最大，

而在接管的上下端面附近由于距离焊缝较远，几乎不受焊接残余应力的影响，承载较小，在应力云图上显示的应力也是最小的区域。也基本符合ANSYS分析应力云图所显示中的最小的应力区域。

在压力容器开孔接管区应该使整体结构一致化，这样在分析和计算时就可以比较完整的描述出开空接管区的应力。而在这一段筒体中最危险的地方出现在焊接区域，应加强焊接区域的强度与刚度。在人孔接管处设置加强圈，防止引起的裂纹、变形等容器失效。

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液氨储罐失效分析

5 液氨储罐失效分析

5.1失效分析的意义和重要性

(1)失效分析可以减少和预防机械产品同类失效事故的重复发生，从而提高机械产品质量和减少经济损失，它是创建名牌机械产品的必由之路和科学途径。

(2)失效是产品质量控制网发生偏差的反映，失效分析是可靠性工程必不可少的基础技术工作，加强机械产品失效及其分析工作的管理必将强化全面质量管理工作，因此它是机械产品全面质量管理中的重要组成部分和关键的技术环节。

(3)失效分析是机械产品维修工作的技术基础，它可以决定维修的可能性、技术和方法，从而提高维修工作的质量、速度和效益。

(4)失效分析可以为仲裁失效事故的责任、侦破犯罪案件开展技术保险业务、修改和制定产品质量标准等方面提供可靠的科学技术依据。它是经济立法工作中重要程序和基础技术工作，从而可提高经济法的完整性、科学性和客观权威性。

(5)失效分析是技术开发、技术改造、技术进步乃至整个科学技术水平的提高等方面的―开拓者‖和―杠杆‖，它提供信息、方向、途径和方法，从而提高国民经济发展和科学校术发展的速度。

(6)机械产品失效及其分析工作的累积统计资料可以提供技术信息、经济信息和人材信息，它可以反映经济工作、科学技术研究和人材培养方面的薄弱环节和失误或失调，因此它是领导者们进行宏观经济和技术决策重要的信息来源，它也是科学技术人员认识事物和改造事物的信息源泉。

5.2容器的失效形式

近十年来，大量的地使用了各种和结构的焊接容器，并且积累了许多经验，但是压力容器仍然有许多事故发生。这些事故中危害最大的是在运行过程中发生突然的破裂，因此压力容器的安全的核心问题是防止容器发生破裂事故。所以现代压力容器设计不得不进一步分析容器可能出现的各种失效形式。

容器的失效形式主要有以下8种：韧性破坏、脆性破坏、疲劳破坏、蠕变破坏、腐蚀破坏、失稳破坏、腐蚀疲劳、蠕变疲劳。下面介绍一下最主要的几种形式。 （1）韧性破坏

容器超压而发生的显著的塑性变形后的破坏叫做韧性破坏。就像材料拉伸试验中

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的韧性断裂过程那样，压力容器的韧性破坏时也会经历弹性变形、屈服及强化、最后破裂这样几个过程。韧性破坏的容器是在经历了大量的塑性变形以后才发生破裂的，容器破坏后的塑性变形表现为容器有明显的鼓胀；且由于材料本身具有良好的塑性与韧性，容器韧性破坏时只产生一条较长的裂缝，而不产生碎片。 （2）脆性破坏

压力容器的脆性破坏，主要是指容器在没有发生或未充分发生塑性变形时就破裂或爆炸的破坏。经常有两种情况，一种是由于材料的脆性转变而引起的容器脆性断裂，二是由于焊缝存在严重缺陷和使用中产生的缺陷，导致容器在低应力水平下的脆性破坏。

（3）疲劳破坏

由于交变载荷导致容器应力集中部位产生疲劳损伤，萌生疲劳裂纹并进一步扩展而产生破坏，叫做疲劳破坏。对于压力容器来说，压力的大幅度波动，或者经常加载卸压和开工停工，容器将受到交变载荷的作用。在交变载荷下，这些宏观的或者显微的裂纹还要继续扩展，从而形成显微的宏观裂纹。 （4）腐蚀破坏

由于介质的腐蚀性使容器材料发生各种形式的腐蚀。如点状腐蚀而产生密集凹坑；均匀腐蚀而使器壁过渡减薄；晶间腐蚀致使晶粒疏松而失去承载能力，或在拉应力作用下介质使金属材料腐蚀产生裂纹的应力腐蚀过程导致容器泄露或破坏。凡由于晶间腐蚀和应力腐蚀造成破裂时没有明显的塑性变形，近于脆断形式。

5.3焊接缺陷对容器失效的影响

焊缝缺陷是造成锅炉、压力容器失效和事故的主要原因，因此，必须对焊缝缺陷的危害性有充分的认识。焊接缺陷对容器失效的影响，主要是对结构负载强度和耐腐蚀性能的影响。由于缺陷的存在减少了结构承载的有效截面积，更是主要的是在缺陷周围产生了应力积中。因此，焊接缺陷对结构的静载强度，疲劳强度，脆性断裂以及腐蚀开裂都有重大的影响。由于各类缺陷的形态不同，所产生的应力集中程度也不同，因而对结构的危害程度也各不一样。容器失效的例子中，很多原因都是由于焊接缺陷或使用过程中的缺陷造成的，焊接缺陷对容器失效的影响是不可忽略的因素，所以研究焊接缺陷对容器的失效分析有着重要的意义。

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