【正文】 結(jié)果匯總 40結(jié)論 41參考文獻(xiàn) 42致謝 43第 47 頁(yè)基于應(yīng)變強(qiáng)化的LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)技術(shù)研究第1章 緒論在全球氣候變暖和能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的背景下，輕型化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為壓力容器的主導(dǎo)方向。研究發(fā)現(xiàn)將應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)引進(jìn)液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì),在有效減少內(nèi)罐的壁厚的同時(shí)，仍然能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，而且還有足夠的安全裕度。本課題研究的內(nèi)容主要有：壓力容器輕型化的方法及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的原理、LNG儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、LNG儲(chǔ)罐內(nèi)外罐以及保冷層的設(shè)計(jì)壁厚的確定、引進(jìn)應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)前后壁厚的比較、LNG儲(chǔ)罐的強(qiáng)度校核、LNG儲(chǔ)罐日蒸發(fā)率的校核、LNG儲(chǔ)罐安全附件的設(shè)計(jì)與選型和LNG儲(chǔ)罐的管道設(shè)計(jì)等。而本課題研究的應(yīng)變強(qiáng)化的LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)正符合現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)和要求，作為輕型化方法之一的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)是一種新技術(shù)，將應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)新。（論文）題 目： LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)技術(shù)研究 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 化學(xué)化工學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 過(guò)程裝備與控制工程 年 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 2011 年 5月 31 日I基于應(yīng)變強(qiáng)化的LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)技術(shù)研究摘要近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和低溫技術(shù)應(yīng)用的日益普及，液氮、液氧、液氫、液氬、液氦、液化天然氣等低溫液化氣體的應(yīng)用日趨廣泛，奧氏體不銹鋼深冷容器的需求量不斷增長(zhǎng)。另一方面，在全球氣候變暖和能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的背景下，節(jié)能減排已成為當(dāng)前的重要趨勢(shì)，為了節(jié)約材料,減輕重量,降低制造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的能耗,實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)并重、安全與資源節(jié)約并重的綠色制造理念,輕型化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為壓力容器的主導(dǎo)發(fā)展方向。本課題研究的目的就是在保證儲(chǔ)罐擁有足夠的強(qiáng)度的同時(shí)，引進(jìn)應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，有效的減少內(nèi)罐的壁厚從而實(shí)現(xiàn)LNG儲(chǔ)罐的輕型化設(shè)計(jì)、節(jié)約資源、減少產(chǎn)品的成本和提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。本課題依據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN134582：2002和中國(guó)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CIMC230012009《奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化深冷容器—固定容器》進(jìn)行內(nèi)罐的應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計(jì)，依照GB150進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐外罐以及安全裝置等的設(shè)計(jì)，按照GB150進(jìn)行內(nèi)罐的常規(guī)設(shè)計(jì)并與應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，然后用應(yīng)變強(qiáng)化的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相關(guān)的安全校核，最后進(jìn)行管道設(shè)計(jì)和制圖。這說(shuō)明可以將應(yīng)變強(qiáng)化作為一種有效的技術(shù)應(yīng)用于液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、制造，從而實(shí)現(xiàn)綠色制造理念。近年來(lái)，隨著低溫液化氣體的應(yīng)用日益廣泛，給低溫液化氣體的儲(chǔ)存和運(yùn)輸帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。作為輕型化方法之一的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)是一種新技術(shù)。 壓力容器輕型化的方法 選用更高強(qiáng)度的材料隨著煉鋼技術(shù)的進(jìn)步，壓力容器用鋼沿著一條低強(qiáng)度—中強(qiáng)度—高強(qiáng)度—超高強(qiáng)度的路線發(fā)展。在壓力容器設(shè)計(jì)的選材階段，可以通過(guò)選用更高強(qiáng)度的材料來(lái)提高材料的許用應(yīng)力，從而降低容器的壁厚，減輕容器的重量，實(shí)現(xiàn)容器的輕量化。所以是否選用高強(qiáng)度的材料需要綜合考慮容器的制造、運(yùn)輸和運(yùn)行成本，使其總成本達(dá)到最小。在我國(guó)，《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》也對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，、。另一方面，降低安全系數(shù)會(huì)導(dǎo)致壓力容器的安全裕度降低，從而增加壓力容器發(fā)生屈服失效或者爆炸的危險(xiǎn)性。同樣，采用更高的屈服強(qiáng)度也會(huì)降低壓力容器的強(qiáng)度裕度。采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)可大大提高其屈服強(qiáng)度，充分利用材料的厚度，發(fā)揮材料的性能。而另一方面，應(yīng)變強(qiáng)化的強(qiáng)化壓力怎么確定、如何確定強(qiáng)化工藝、如何控制強(qiáng)化過(guò)程中的不確定因素以及如何對(duì)強(qiáng)化后的容器進(jìn)行檢驗(yàn)、使用哪些檢驗(yàn)指標(biāo)等等這些都是應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用中的難點(diǎn)。但是分析設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)過(guò)程更加的復(fù)雜，有時(shí)還需要應(yīng)用軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，而且由于存在不確定性，會(huì)因設(shè)計(jì)人員的不同而得到不同的結(jié)果。 優(yōu)化壓力容器結(jié)構(gòu)壓力容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化有兩類(lèi)：一類(lèi)是結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，例如采用纏繞式高壓容器結(jié)構(gòu)，可以顯著減少焊接工作量，提高容器的抗疲勞性能；另一類(lèi)是已有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，即以最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)，在滿(mǎn)足強(qiáng)度、穩(wěn)定性等約束條件的前提下，尋求最優(yōu)方案的一種設(shè)計(jì)方法。同樣，優(yōu)化容器結(jié)構(gòu)也會(huì)使設(shè)計(jì)過(guò)程更加復(fù)雜，加重設(shè)計(jì)人員的工作量。進(jìn)一步變形所需的應(yīng)力隨著變形的增加而不斷增大。應(yīng)力/應(yīng)變曲線的比較如圖11與12。當(dāng)對(duì)同樣的試驗(yàn)樣板再次加載時(shí)變形將保持彈性直到應(yīng)力超過(guò)之前的水平。這就是應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)的原理。迄今為止，世界上已有多個(gè)國(guó)家制定了壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)：1975年瑞典將室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)納入壓力容器標(biāo)準(zhǔn)Cold—Stretching Directions；1999年澳大利亞將室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)以標(biāo)準(zhǔn)增補(bǔ)形式AS 1210Supplyment21999納入標(biāo)準(zhǔn)；2002年歐盟將奧氏體不銹鋼室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)納入標(biāo)準(zhǔn)EN 13458—2：2002附錄c和EN 13530—2：2002附錄c；2006年ISO 20421—1：2006頒布；2008年美國(guó)將奧氏體不銹鋼室溫應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)納入ASME BPVCⅧI Code Case 2596；2008年ISO 21009—1：2008頒布。經(jīng)過(guò)近8年時(shí)間的努力，中國(guó)已在攻克深冷容器非線性設(shè)計(jì)、應(yīng)變強(qiáng)化工藝、強(qiáng)化參數(shù)控制等工程化技術(shù)關(guān)鍵的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)成功應(yīng)變強(qiáng)化多任務(wù)自動(dòng)控制系統(tǒng)，研制成功奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化深冷容器，顯著減薄容器內(nèi)膽壁厚，節(jié)能省材，實(shí)現(xiàn)了深冷容器的輕量化。而且迄今為止，經(jīng)浙江大學(xué)技術(shù)評(píng)審，中國(guó)的多家企業(yè)已開(kāi)始制造室溫應(yīng)變強(qiáng)化深冷容器。而中小型LNG立式儲(chǔ)罐在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝方面已經(jīng)相對(duì)純熟。目前LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和研究熱點(diǎn)主要集中在局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。為分析設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大而有力的工具。國(guó)內(nèi)關(guān)于中小型LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)、制造的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有：GB1501998《鋼制壓力容器》，GB/T20368《液化天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》，GB184422001《低溫絕熱壓力容器》，JB/T90721999《固定式真空粉末絕熱低溫液體儲(chǔ)槽》，SH/T35372002《立體式圓筒形低溫儲(chǔ)罐施工技術(shù)規(guī)程》，JB/T5905《真空多層絕熱低溫液體容器》。研究目的就是在保證儲(chǔ)罐擁有足夠的強(qiáng)度的同時(shí)，引進(jìn)應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，有效的減少內(nèi)罐的壁厚從而實(shí)現(xiàn)LNG儲(chǔ)罐的輕型化設(shè)計(jì)、節(jié)約資源、減少產(chǎn)品的成本和提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。將應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)用于LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)新，它具有重要的意義，它減少了LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐的厚度，顯著減輕了罐體的重量，節(jié)約材料；降低制造、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的能量消耗；降低了重容比，顯著提高了產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表21所示：表21 主要設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)罐外罐設(shè)計(jì)壓力 MPa工作壓力 　MPa設(shè)計(jì)溫度 ℃19650工作溫度 ℃環(huán)境溫度介質(zhì)名稱(chēng)LNG普通型膨脹珍珠巖腐蝕裕度 mm01焊接接頭系數(shù)1主體材質(zhì)0Cr18Ni9 Q345R幾何容積 m3100(夾層)充裝系數(shù) 設(shè)備凈重 t充液后總質(zhì)量 t安全閥開(kāi)啟壓力MPa地震烈度7(近震)場(chǎng)土地分類(lèi)Ⅱ類(lèi)第二組日蒸發(fā)率 %≤%/d(LNG)基本風(fēng)壓 N/m2600容器類(lèi)別三第3章 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì) 內(nèi)罐的應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計(jì) 內(nèi)罐的選材由于內(nèi)罐直接與液化天然氣接觸，承受著內(nèi)壓力和低溫，所以在選擇材料時(shí)應(yīng)考慮材料在低溫深冷條件下的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還要考慮材料與液化天然氣的相容性。 內(nèi)罐的結(jié)構(gòu) 內(nèi)罐結(jié)構(gòu)為圓柱體，封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。內(nèi)罐的內(nèi)徑?。篋i=2800m3體積 ∴圓柱體的高度∵液柱靜壓力：∴計(jì)算壓力圓柱體的壁厚由下式計(jì)算： (311)式中：δ1：內(nèi)筒體計(jì)算壁厚，mm； pc：計(jì)算壓力，MPa Di：內(nèi)筒體的內(nèi)徑，mm； σk：應(yīng)變強(qiáng)化后的屈服強(qiáng)度，取405MPa。 ∴圓柱體的壁厚為： ∴ δ1=，∴圓整后取內(nèi)筒體的名義厚度為：δn1=6mm封頭厚度計(jì)算： (312)經(jīng)圓整，取δn2=6mm∴內(nèi)容器的名義厚度為δn=6mm∴有效厚度為δe=6mm。取[σ]t=137MPa； C：材料的腐蝕裕量，mm。 內(nèi)罐封頭的常規(guī)設(shè)計(jì)承受內(nèi)壓的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭設(shè)計(jì)厚度按下式計(jì)算： (322)經(jīng)圓整，取δn2=11mm∴內(nèi)容器常規(guī)設(shè)計(jì)的名義厚度為δn=11mm，有效厚度為δe=11mm。所采用的普通珠光砂的性能： 粒徑范圍： 松散密度：4560kg/m3 振實(shí)密度：5560kg/m3 導(dǎo)熱系數(shù)：(m37176。 按最大允許冷損失量進(jìn)行計(jì)算此時(shí)，絕熱層厚度計(jì)算中，應(yīng)使其外徑D1滿(mǎn)足下列衡等式要求： (331)式中：[Q]：以每平方米絕熱層外表面積為單位的最大允許冷損失量（為負(fù)值），w/m2； λ:絕熱材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，w/（m℃）； T0：管道或設(shè)備的外表面溫度，℃；Ta：環(huán)境溫度，℃； D1：絕熱層外徑，m； D0：內(nèi)筒體外徑，m。Td的取值應(yīng)按GB5026497的附錄C提供的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度查有關(guān)的環(huán)境溫度相對(duì)濕度露點(diǎn)對(duì)照表（Ta、ψ、Td表）而得到。 ∴經(jīng)計(jì)算和查圖得到Td=℃∴TaTd== ∴[Q]=( TaTd)as== 又T0=℃, λ= w/（m平面型絕熱層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算中應(yīng)使絕熱層外徑D1滿(mǎn)足下列衡等式要求：