【文章內(nèi)容簡介】 足外容器外壓穩(wěn)定性的要求，在外容器的內(nèi)壁處焊了兩只工型鋼剛性圈。內(nèi)容器因低溫條件下工作用奧氏體不銹鋼制造，外容器用16MnR制造。內(nèi)外容器之間采用具有良好絕熱性能的多層絕熱結(jié)構(gòu)。內(nèi)容器近中部兩端處用6根可調(diào)節(jié)的特殊不銹鋼拉桿固定在外容器內(nèi)部的加強吊耳上，上下各3根, 3根為1組,分別與軸線成45176。角,拉桿的端點支承面為球形鉸鏈，以保證安裝時對接方便。拉桿結(jié)構(gòu)在內(nèi)容器加入液氨冷卻收縮時能隨其移動，在拉桿端部裝有彈簧補償器，用以吸收振動能,提高容器抗震能力。內(nèi)外容器之間的管線采用波紋管補償器， 在內(nèi)筒冷卻收縮時能自由伸縮，以防止液氫 溫度下因內(nèi) 管冷卻而拉裂焊縫。 2 材料選用原則選擇高壓容器用材常需遵循下述原則:（1）使用安全，具有良好的綜合機械性能，即強度高，塑性和抗斷裂性好，以及有較低的冷脆傾向，缺口和時效敏感性。（2）材料的資源符合國情，在足夠安全前提下，有好的經(jīng)濟性。（3) 制造加工性能好。（4）具有良好的抗腐蝕的能力。 (5) 熱穩(wěn)定性好。（6）有良好的可焊接性。材料選用：隨著低溫工業(yè)和深冷技術(shù)的發(fā)展，越來越多的壓力容器需要在較低的溫度下運行。如低溫液化氣體儲罐等。所謂低溫容器，各國規(guī)定的界限不大相同，例如美國為173。30℃；法國為≤20℃；日本、德國為10℃。英國為0℃。而我國為≤20℃。在化學工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備的制造材料不僅要求有一定的機械性能和工藝性能，而且還要求有耐蝕（不銹）性能。壓力容器的斷裂事故，大都為脆性斷裂，而絕大多數(shù)脆性斷裂都是在低溫條件下發(fā)生的。所以通常把這種脆性斷裂稱為 “冷脆” 。脆性斷裂屬于低應力破壞，其斷裂時的應力往往遠低于材料的屈服極限，且斷裂前毫無征兆，開裂速度極快，是突然性的，危害性甚大。第7頁（共41頁）結(jié)束語由于容器使用的工作環(huán)境為深冷溫度，隨著溫度降低，鋼材由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，易發(fā)生低溫脆裂，決定材料需有好的塑性、高韌性和焊接加工性能好，所以低溫韌性是低溫容器選材的重要指標；其工作介質(zhì)是液氨確定材料要有高的抗蝕性能。該類容器使用的材料主要有低合金鋼(16MnDR)、Ni鋼(，)和奧氏體鋼。其中奧氏體鋼是使用溫度最低的鋼種之一，在深冷時，仍能保持很高的韌性，是制造低溫壓力容器的重要材料，純奧氏體組織即使在196℃以下的低溫也具有良好的韌性。深冷高壓容器常用的奧氏體不銹鋼有0Cr18Ni00Cr19Ni10Cr18Ni10Ti等。16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR三種鋼板是工作在20℃及更低溫度的壓力容器專用鋼板，即低溫壓力容器用鋼，D表示低溫用鋼。16MnDR是制造≤40℃壓力容器的經(jīng)濟而成熟的鋼種，可用于制造液氨儲罐等設(shè)備。除此以外，奧氏體不銹鋼也是制造深冷高壓容器的良好材料。0Cr18Ni0Cr18Ni10T、0Cr19Ni10這三種鋼均屬于奧氏體不銹鋼。0Cr18Ni9在固溶態(tài)具有良好的塑性、韌性、冷加工性，在氧化性酸和大氣、水、蒸汽等介質(zhì)中耐腐蝕性亦佳。3高壓容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計 內(nèi)容器筒體的設(shè)計內(nèi)容器筒體在結(jié)構(gòu)上比較合理的多層容器如熱套、包扎式、螺旋繞板式亦可作為低溫高壓容器結(jié)構(gòu)。該高壓容器內(nèi)筒采用鋼板卷制而成，在其筒體上大都存在多道深而厚的環(huán)焊縫，故而對焊接技術(shù)要求非常高。內(nèi)容器內(nèi)筒材料選擇16MnDR鋼筒體厚度計算：查GB1502011可得16MnDR鋼板在設(shè)計溫度下的許用應力由表可得，焊縫應為V型坡口雙面焊接，由于焊縫采用100％無損探傷，其焊縫系數(shù)取= 1。取鋼板負偏差C1=㎜，腐蝕裕量C2=1㎜板厚，mm在下列溫度（℃）下的許用應力，MPa201001502002503003506~1618118118016715314013016~3617417415715714313012036~6017017016015013712311760~10016716715714713312011316MnDR鋼板的許用應力由公式可計算出筒體的厚度代入數(shù)據(jù)有： 圓整后取筒體的有效厚度（2）水壓實驗強度校核 規(guī)定的實驗壓力水壓實驗時的應力 16MnDR鋼制容器在常溫水壓實驗時的許用應力 因﹤，筒體厚度滿足水壓實驗時的強度要求。筒體的材料為16MnDR鋼能夠符合制造要求，總厚度為=150mm 內(nèi)容器封頭的設(shè)計 封頭是容器的重要組成部分，根據(jù)不同的工藝用途和制造條件，封頭有以下幾種形式：凸形（包括半球形、橢圓形、碟形）、圓錐形、平板等。半球形封頭在受內(nèi)壓時，與其他封頭相比其薄膜應力最小，故所需厚度也最薄。按設(shè)計規(guī)定，封頭中只有球形封頭的最小厚度可以小于筒體的最小厚度。有時為了焊接方便，也可以與筒體等厚。 為例保證層間的間隙，球形封頭采用多層結(jié)構(gòu)一次沖壓成型,工作的可靠性大為提高,封頭的材料與筒體的材料相同也為16MnDR鋼。同樣由于焊縫采用100％無損探傷，其焊縫系數(shù)取1，鋼板負偏差C1=㎜，腐蝕余量C2=1㎜由公式 代入數(shù)據(jù)有圓整后取封頭的有效厚度水壓試驗校核： 16MnDR鋼制容器在常溫水壓實驗時的許用應力 因＜，故該壓力容器封頭厚度滿足水壓實驗時的強度要求。該壓力容器封頭厚度為72㎜，在實際制造時由3層厚度為24㎜的鋼板一次沖壓形成球封頭。內(nèi)容器的尺寸：Di=1400㎜，筒體長為6300㎜，筒體厚度150㎜，封頭為球形封厚度72㎜。 內(nèi)容器結(jié)構(gòu)外容器為真空容器，由單層筒體及兩個橢圓封頭組成。由內(nèi)容器外徑及長度來設(shè)計外容器內(nèi)徑及長度，取外容器內(nèi)徑為=2400 mm, 筒體長度為7000 mm,采用標準橢圓封頭，橢圓封頭深度為600mm,取直邊高度為30mm 取外容器壁厚和橢圓封頭壁厚均為14mm。下來來對外容器穩(wěn)定性的進行校核。對于無安全控制裝置的真空容器可查得設(shè)計壓力P＝簡體外徑 ＝2400十216=2432mm簡體計算厚度 mm 簡體計算長度 L=7000+2200+230=7460mm 簡體的臨界長度= =2432故簡體屬短圓筒,由于外容器所用的材料為16MnR，在設(shè)計溫度下材料的E=，取m=，則外容器的許用壓力為[P]= =[P] ＞P，即容器厚度滿足設(shè)計壓力計算凸形封頭失穩(wěn)時的臨界壓力可按下式計算： 半球形封頭的外半徑； 半球形封頭的有效厚度； E 設(shè)計溫度下材料的彈性模量； 泊松比，取=.對于橢圓形封頭，應取橢圓形封頭的平均曲率半徑，其值可按表查得。Di/(2Hi)R/D0 外壓橢圓形封頭的平均曲率半徑折算表 因為 Di/(2Hi)=，則有：代入相應數(shù)據(jù)由式可得則外容器所用的材料為16MnR，內(nèi)徑為=2400㎜，外徑為2432㎜，筒體長7000㎜，封頭為橢圓封頭，外容器壁厚和橢圓封頭壁厚均為16㎜。外容器結(jié)構(gòu)示意圖 保溫層厚度及質(zhì)量計算真空粉末絕熱層厚度為170㎜ , 內(nèi)、外徑分別為= 2028㎜和= 2400㎜；外容器壁厚為16㎜ , 內(nèi)、外徑分別為= 2400㎜和= 2432㎜。選用特級珠光砂作為絕熱材料, 密度為80kg/m3 。4開孔接管和開孔補強在壓力容器設(shè)計中，為滿足工藝操作，容器制造、安裝、檢驗及維修等要求．開孔是不可避免的。由于容器開孔后，不僅削弱了容器的整體強度，而且還因開孔引起的應力集中以及接管和容器壁的連接造成開孔邊緣的局部的高應力。這種高應力通?？蛇_到容器筒體一次總體薄膜應力的3倍，某些場合甚至會達到5—6倍，再加上接管有時還會受到各種外載荷的作用而產(chǎn)生的應力以及溫差產(chǎn)生熱應力。使得開孔接管處的局部應力進一步提高。又由于材質(zhì)和制造缺陷等各種因素的綜合作用，開孔接管附近就成為壓力容器的破壞源——主要疲勞破壞和脆性裂口。因此，壓力容器設(shè)計中必須充分考慮開孔的補強問題。從開孔補強結(jié)構(gòu)來說，整體補強元件全焊透結(jié)構(gòu)比補強板結(jié)構(gòu)應力集中系數(shù)小。在整體補強元件中，以密集補強結(jié)構(gòu)的受力狀況為最好。對不同的補強結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)角處均可采用圓滑過渡，以減少應力集中程度。由于應力集中產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，在容器的結(jié)構(gòu)材料截面突變、轉(zhuǎn)角、制造缺陷、焊縫裂縫等處均會產(chǎn)生應力集中。所以，在設(shè)計和制造時要盡最避免這些不利因素。查標準GBT53101995《高壓鍋爐用無縫鋼管》，內(nèi)容器進、出氣接管及爆破安全裝置接管選用公稱外徑為102 mm的無縫鋼管，由于都連接在內(nèi)容器上，為保證焊縫質(zhì)量及接管的低溫韌性，接管也應選用與內(nèi)容器相同的材料16MnDR。同內(nèi)壓容器筒體厚度計算方法相同，考慮腐蝕及厚度負偏差，根據(jù)標準選用壁厚為11 mm的無縫鋼管，則鋼管內(nèi)徑為80 mm。查相關(guān)設(shè)計手冊，取氨氣排出管中心距裙座頂部的距離H=1100 mm。外容器抽真空接管、爆破膜接管及與夾套連接管線選用20MnG材料，抽真空接管、爆破膜接管選用公稱外徑為89 mm、壁厚為4 .5mm的無縫鋼管即可；夾套連接管線選用稱外徑為57mm、 mm的無縫鋼管。根據(jù)GB/T_1501998《鋼制壓力容器》規(guī)定，殼體開孔滿足下述全部要求時，可不另行補強：。兩相鄰開孔中心的間距（對面曲間距以弧長計算）應不小于兩孔直徑之和的兩倍；接管公稱外徑小與或等于89mm；接管最小壁厚滿足表四要求。不另行補強的最小接管壁厚接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚 注 1 鋼材的標準抗拉強度下限值540MPa時，接管與殼體的連接應采用全焊透的結(jié)構(gòu)形式。 2 接管的腐蝕余量為1mm。壓力容器接管補強通常采用補強圈補強、厚壁管補強、整鍛件補強三種補強結(jié)構(gòu)。補強圈補強是將補強圈貼焊在殼體與接管連接處，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，兩者存在熱膨脹差，因而設(shè)補強局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應力；另外，補強圈與殼體采用塔接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。一般使用在常常溫、靜載、中低壓、材料的標準抗拉強度地獄541MPa、殼體名義厚度不大于38mm的場合。厚壁管補強即在開孔處焊上一段厚壁接管。又與接管的加厚部分正處于最大應力區(qū)域內(nèi)，故比補強圈補強更難有效的降低應力集中系數(shù)。結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少。焊接質(zhì)量容易檢驗，因此補強效果好。高強度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫圈熔透。整鍛件補強是將接管和部分殼體連同補強部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接，補強金屬集中于開孔應力最大部分，能最有效的降低應力集中系數(shù)；可采用對接焊接，并使焊縫及熱影響區(qū)離開最大應力點，抗疲勞性能好。但鍛件供應困難，制造成本較高。所以只在重要壓力容器中應用，如核容器，材料屈服點在500MPa以上的容器以及低溫、高溫以及疲勞載荷容器的大直徑開孔。綜合以上各種補強方法結(jié)合本設(shè)計中實際情況選擇厚壁管補強，下面運用等面積補強法對內(nèi)容器加壓進氣接管開孔進行補強設(shè)計。建立模型圖如圖二:（1）所需最小補強面積A對受內(nèi)壓的圓筒或球殼，所需要的補強面積A為式中 A 開孔削弱所需要的補強面積，； d 開孔直徑，圓形孔等于接管內(nèi)直徑加上兩倍厚度附加量，即 d=，mm； 殼體開空處的計算厚度，mm； 接管有效厚度，mm； 強度削弱系數(shù)，等于設(shè)計溫度下接管材料與殼體材料許用應 力之比，取=。帶入相應數(shù)據(jù)由上式可得：（2） 有效補強范圍有效寬度B按下式計算，取兩者中較大值：式中 殼體開孔處的名義厚度，mm； 接管名義厚度，mm。帶入數(shù)值由上式可得：所以B=286。內(nèi)外側(cè)有效高度，分別取較小值：外側(cè)高度 內(nèi)側(cè)高度 則帶入數(shù)值可有：=；=10mm。（3） 補強范圍內(nèi)補強金屬面積=++ 為殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積：=帶入數(shù)值計算得到：= 為接管有效厚度減去計算厚度之外多余面積：=為有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積：=則有 =++ =++=13270 因為,所以滿足補強要求，不需要再另加補強。5附件設(shè)計考慮到生產(chǎn)工藝上的要求和制造、運輸和安裝檢修時的需要，化工設(shè)備和管道、零部件間常采用可拆卸的法蘭聯(lián)接方式，石油化工中法蘭的用量是相當大的。法蘭聯(lián)接從結(jié)構(gòu)功能和一般設(shè)計準則出發(fā)，應滿足下列基本要求：密封可靠 在規(guī)定的工作壓力、溫度下和介質(zhì)的腐蝕情況下能保證緊密不漏，強度足夠 在各種情況中，能承載一定的外載和內(nèi)力，有足夠的強度，在附加法蘭等結(jié)構(gòu)