【正文】 究臥式儲罐設(shè)計對我國石油化工等行業(yè)的發(fā)展有著極其重要的意義。容器大型化可以節(jié)約能源、節(jié)約材料、降低投資、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。目前世界上已建成的大型儲罐數(shù)量逐年增加，如早在1967年在委內(nèi)瑞拉就建成了16的浮頂儲罐，1971年日本建成了20的浮頂儲罐，而世界產(chǎn)油大國之一的沙特阿拉伯也已成功建造了20的浮頂儲罐。繼后，在石化企業(yè)、港口、油田、管道系統(tǒng)建造數(shù)十臺5浮頂儲罐。到目前為止，國內(nèi)建成并投入使用的最大容積的大型浮頂儲罐是中國石化集團公司建造的油罐15。（2）壓力容器用鋼的逐漸完善，專業(yè)用鋼越來越明顯壓力容器向大型化發(fā)展，對鋼材的要求也日益嚴(yán)格，材料技術(shù)的不斷提高使壓力容器大型化有了保障。通過降低碳的含量，同時加入微量合金元素以保證鋼材有一定的剛度，不斷提高煉鋼技術(shù)使鋼水雜質(zhì)含量大幅度降低。②對于高溫抗氫用鋼，盡量減輕鋼的回火脆性和氫脆傾向。日本、美國、德國都生產(chǎn)出了大厚鋼板。（3）焊接新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和使用，使焊接質(zhì)量日趨穩(wěn)定并提高為了適應(yīng)大型化和厚壁壓力容器的發(fā)展，國內(nèi)外普遍采用了強度級別較高的鋼材，這時為了降低焊縫中的氫含量，提高焊接接頭的韌性，日本神鋼公司研制了UL系列的超低氫焊條，對600MPa級的高強鋼焊接時，甚至可以不預(yù)熱。自動焊接技術(shù)和焊接機器人的使用使大型容器上百米的縱焊縫、環(huán)焊縫和接管的鞍形焊縫實現(xiàn)了自動化，提高了焊接質(zhì)量和效率，降低了勞動強度，改善了勞動條件。無損探傷技術(shù)在對過程裝備的材料和整個制造過程以及在服役裝備檢驗方面起者重要的作用，另外，在缺陷評定方面的進(jìn)步也有效地保證了裝備的安全性。氨是生產(chǎn)含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液態(tài)的形式從合成氨廠送到這些肥料廠。氨在常壓下，℃就液化。 按照不同地區(qū)的氣溫和貯存條件的變化，液氨的貯存原則上可在33℃—43℃內(nèi)，以控制其相應(yīng)汽化壓力確定工藝方案。國內(nèi)通常將液氨的這二種貯存工藝稱為常溫中壓、降溫低壓和低溫常壓。而降溫低壓工藝是利用制冷系統(tǒng)將液氨適當(dāng)冷凍貯存，相應(yīng)降低了貯存設(shè)備的設(shè)計壓力以減薄其壁，從而降低儲罐的投資。上述三種液氨貯存工藝對制造液氨儲罐的鋼材用量有很大影響，隨著儲罐的工作溫度降低，儲罐單位鋼材用量可貯存的液氨量顯著增大。儲罐容量可達(dá)250—4000t液氨。液氨儲罐主要用在化肥廠的合成氨的存儲工序中，現(xiàn)以吉林化學(xué)工業(yè)股份有限責(zé)公司化肥廠，年產(chǎn)30萬噸的合成氨工藝為例，來說明液氨儲罐的作用。即通過重油氣化或由原料焦在煤氣發(fā)生爐中與空氣、蒸汽進(jìn)行反應(yīng)，制取半水煤汽。即將半水煤氣進(jìn)行脫塵、脫硫，并將其中的CO在以氧化鐵為主的觸媒存在條件下，與水蒸氣起反應(yīng)生成C02和H2。即通過壓縮、水洗、銅洗等工序?qū)⑺浩械腃02和CO除去。合成是氨生產(chǎn)的最后一道工序，由銅洗工段送來HN2混合氣與循環(huán)氣在油過濾器混合，H2:，在(32MPa,460520℃有鐵觸媒存在條件下合成氨。 671工號液氨系統(tǒng)收支示意圖 臥式液氨儲罐的設(shè)計要求及概況設(shè)計原始數(shù)據(jù)：設(shè)計壓力P=，設(shè)計溫度T=40℃，容積V=。氨屬于中度危害介質(zhì)(Ⅱ級)，且本設(shè)備為PV值小于10Mpa儲罐選用臥式，液體靜柱壓力很低，可不記入設(shè)計壓力中。筒體和封頭的對接焊接，采用全焊透焊縫，并進(jìn)行l(wèi)00％無損探傷，查表取焊縫系數(shù)Φ=。封頭可以選擇球形、橢圓形、碟形、平板形、圓錐形等幾種形式的封頭，但從材料消耗、受力和加工制造的難易程度等幾個方面的綜合比較考慮，選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（EHA型）最為理想，故選之。由于采用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，由h/DN=，得出封頭的直邊高度h=25mm，而封頭的曲面深度h1=325－25=300mm。首先選用16MnR鋼為材料，來計算筒體和封頭的厚度。（1）筒體厚度 δ=mm設(shè)計厚度δd＝δ十C2＝＝按GS709，取鋼板負(fù)偏差C1=考慮鋼板厚度系列取名義厚度δn＝10mm因δn＝10mm，查此情況下16MnR鋼的許用應(yīng)力沒有變化，[σ]= 170 Mpa，所以上述計算成立。（3）水壓試驗校核．試驗壓力：PT＝取水壓試驗壓力PT＝2. 0MPa．筒體應(yīng)力校核；筒體有效厚度δe＝δn－C1－C2＝10－＝ 所以試驗時應(yīng)力： MPa筒體水壓試驗應(yīng)力校核滿足要求。20R鋼板在40℃時的許用應(yīng)力查表，根據(jù)筒體厚度計算公式初步估計此筒體的設(shè)計厚度在8—16mm之間，取此時20R鋼的許用應(yīng)力[σ]＝[σ]t =133 Mpa，屈服強度δs=245 Mpa。（1）筒體厚度 δ=mm設(shè)計厚度δd＝δ十C2＝＝按GS709，取鋼板負(fù)偏差C1=。（2）封頭厚度由于選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，所以其封頭形狀系數(shù)k=。（3）水壓試驗校核．試驗壓力：PT＝取水壓試驗壓力PT＝2. 0MPa．筒體應(yīng)力校核；筒體有效厚度δe＝δn－C1－C2＝12－＝ 所以試驗時應(yīng)力： MPa筒體水壓試驗應(yīng)力校核滿足要求。（1）鋼板耗用量鋼板耗用量與板厚成正比，則儲罐的主要結(jié)構(gòu)筒體和封頭采用16MnR時，鋼板比使用20R鋼板可減輕:%16MnR鋼板的價格比20R鋼板略貴，兩者相差不大，從耗材量與價格綜合考慮，兩種鋼板均可考慮，但在上述計算過程中，如16MnR的名義厚度δn與設(shè)計厚度δd很接近，其差值為10－=,而20R的名義厚度δn與設(shè)計厚度δd大很多，其差值為12－=，所以用16MnR鋼時，鋼板耗用量就要省很多，更為適宜。（3）材料性能 20R鋼板的抗腐蝕性能比16MnR鋼要好，但是考慮到儲存介質(zhì)液氨的腐蝕性不是很強，而且16MnR鋼比20R鋼板的強度高，機械加工性能和焊接性能指標(biāo)都明顯要好，所以選用板更合適。（1）計算質(zhì)量．筒體質(zhì)量 m1＝π(Di＋δe)δnL0109 ＝(1200+10)1020007850109 ＝597kg．單個封頭的質(zhì)量m2＝(查JBll53—73). 附件質(zhì)量m3(包括入孔，接管、液面計、平臺等)近似取m3＝400kg．充液質(zhì)量 液氨在0℃時的密度為640kg/m3，小于水的密度，故充液質(zhì)量按水的質(zhì)量考慮， m4＝ ＝[120022025+2109]1000109＝2799kg ．保溫層質(zhì)量 本設(shè)備不保溫，故m5＝0．設(shè)備最大質(zhì)量 m＝m1＋m2 ＋m3＋m4＋m5＝597＋2＋400＋2799＋0＝4053 kg（2）計算鞍座反力 F＝mg/2＝(4053)/2＝19880N臥式容器的支座有鞍座、圈座和支腿三種形式。臥式儲罐的鞍式支座設(shè)計包括以下幾個要點：鞍式支座普遍選用雙鞍座支承，這是因為若采用多鞍座支承，難于保證各鞍座均勻受力。由材料力學(xué)可知，將出儲罐的力學(xué)模型簡化為雙支座上的受均布載荷的外伸梁，若梁的全長為L，則當(dāng)外伸端的長度A=，雙支座跨中間截面的最大彎矩和支座截面處的彎矩相等，從而使上述兩截面上保持等強度。否則由于容器外伸端的作用使支座截面處的應(yīng)力過大。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對支座處圓筒截面的加強作用。由于Rm/2=, =416mm＞，鞍座位置A≤Rm/2=取鞍座位置 A＝300mm其中：A為封頭切線到支座的距離為了防止臥式儲罐因操作溫度和安裝溫度不同而引起的熱膨脹，以及由于圓筒及物料的重量使圓筒防止彎曲等原因?qū)εP式儲罐引起的附加應(yīng)力，對于雙鞍座中的其中一個設(shè)計為固定支座（代號F），而另一個應(yīng)允許為可沿軸線方向移動的活動支座（代號S）。 液氨儲罐受力分析圖 綜上所述，結(jié)合筒體公稱直徑和上述計算的鞍座反力F＝19880N= KN，查壓力容器手冊，選用JB/T4712—92標(biāo)準(zhǔn)的鞍式支座，公稱直徑DN1200mm,A型，帶加強墊板，允許支承載荷Q=147 KN，因為Q＞F，所以符合要求。支座高度H=200mm,鞍座寬度b＝150mm；腹板厚6mm；墊板寬270mm，墊板厚6mm；底板長880mm底板寬170mm，底板厚10mm；筋板寬140mm，筋板厚度6 mm，鞍座質(zhì)量52kg。鞍座墊板材料選16MnR，鞍座其余材料選用Q235—AF鋼。mm．支座處截面上的彎矩 = －105N.由彎矩引起的軸向應(yīng)力最低點處： ′= MPa最低點處′＝－′＝．由于設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力 MPa．軸向應(yīng)力組合與校核軸向拉應(yīng)力：σ2＝σp+′=+＝許用軸向拉應(yīng)力：[σ]t＝170Mpa，σ2＜[σ]t合格軸向壓應(yīng)力：σ1＝－′＝軸向許用壓縮應(yīng)力根據(jù)A值查GBl50—89圖4—5，得B＝136MPa＜[σ]t=170 MPa取許用壓縮應(yīng)力 [σ]ac＝136MPa，合格｜σ1｜＜[σ]ac因筒體被封頭加強(即A＜Rm/2)，筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力分別按下式計算(1) 筒體切向剪應(yīng)力查GBl50—89，取系數(shù)K3＝，K4= 因為 τ [σ]t =170=136 MPa ， 故合格。(1)周向應(yīng)力計算設(shè)墊板不起加強作用，查GBl50—89，取周向彎矩系數(shù)K6 = =，．在鞍座處橫截面最低點處 MPa式中k=,考慮容器焊接在鞍座上 其中：b2為筒體承受周向壓應(yīng)力的有效長度。F＝19880＝4056N鞍座有效斷面平均應(yīng)力 Mpa應(yīng)力校核 σ9＜2/3[σ]t＝式中：bs為鋼制鞍座的腹板厚度，bs=δ2=6mm，由于鞍座的實際高度h=200mm＜1/3Rm=，所以Hs取h=200mm。因為筒體長度L=2080mm≤6000mm時，可以很好的采光、氣體置換，檢驗人員進(jìn)行內(nèi)外部檢驗和出入方便，所以只需要設(shè)置一個人孔即可。人孔不應(yīng)該布置在鞍座處的截面和跨中間截面上，也不適宜在封頭上設(shè)置人孔。由于沒有設(shè)計手孔和檢查孔，需要經(jīng)常打開人孔蓋進(jìn)行檢查，為了方便打開人孔蓋，選用快開式，并根據(jù)儲罐的公稱直徑和公稱壓力，查手冊，選擇回轉(zhuǎn)蓋平焊法蘭人孔，標(biāo)準(zhǔn)號為JB58079，C型密封面，Ⅰ類材料。人孔尺寸：公稱直徑Dg=450mm，接管尺寸dws＝480mm10mm。 接管位置示意圖（1）液氨進(jìn)出口 需要設(shè)計2個液氨進(jìn)出口，液氨進(jìn)口設(shè)置在筒體的頂部，出口設(shè)在罐底，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。法蘭標(biāo)記：HG20593 法蘭 PL80—（2）液位計管口設(shè)置兩個液位計管口，兩個均設(shè)在左邊封頭上，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。由于接管較長，要設(shè)計加強筋加強。選用螺紋管法蘭。法蘭標(biāo)記：HG20593 法蘭 PL25—（5）接管管口表根據(jù)工藝，操作和檢修的要求，設(shè)備接管如下表所示：符號公稱尺寸連接尺寸和標(biāo)準(zhǔn)用途和名稱A1～280HG20593 法蘭 PL80—液氨進(jìn)出口b450人孔 CⅠPg16 Dg450 JB58079入孔C1～220HG20593 法蘭 PL20—液位計口d25HG20598 法蘭 Th50—排污口e1～225HG20593 法蘭 PL20—安全閥及備用f20HG20593 法蘭 PL20—壓力表及備用注：采用法定計量單位的標(biāo)準(zhǔn)（如：HG等）公稱壓力用PN表示，單位采用Mpa。 根據(jù)GBl50—89規(guī)定，殼體名義厚度為10mm時， Mpa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm的接管可以不另行補強，故補強計算需考慮人孔和液氨進(jìn)口處的開孔接管補強問題，這里只給出人孔補強計算。．補強計算方法判別 開孔直徑d＝Di＋2 C，＝（480－210）＋2＝本筒體開孔直徑d＝＜Di/2＝600mm，滿足等面積法開孔補強計算的使用條件，故可以用等面積法進(jìn)行開孔補強計算。內(nèi)側(cè)高度h2：接管實際內(nèi)伸高度為零，故取h2＝0。（4）有效補強面積．殼體多余金屬面積A1＝(B－d)(δe－δ) －2(δnt－C)[δe－δ)(1－fr) ＝(931－) (－) －2 ( )(1 )＝817 mm2式中：δe為筒體的計算厚度．接管多余金屬面積A2 接管計算厚度δtδt=Mpa接管多余金屬面積A2A2 ＝2h1(δet－δt) fr +2h2(δet－C2) fr＝2(－)= mm2．補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積補強圈與筒體，補強圈與接管的焊縫腰高均取8mm。．補強圈補強面積 A4＝A－Ae＝2689－＝ mm2 (2)補強圈選用查補強圈標(biāo)準(zhǔn)HG21506—92，選用補強圈45010—D—16MnR JB/T4736，補強圈外徑D＝760mm，補強圈內(nèi)徑d＝484mm，因為B=931 mm2＞D＝760mm，在補強圈的有效補強范圍之內(nèi)。3 液氨儲罐的經(jīng)濟性分析由前面的結(jié)構(gòu)設(shè)計的尺寸數(shù)據(jù)和選材，結(jié)合相關(guān)的資料，我們要對液氨儲罐的制造和安裝的總成本價格進(jìn)行估計，再和儲罐的市場價格進(jìn)行比較，做出設(shè)計調(diào)整，進(jìn)行簡單的經(jīng)濟性評價。其中容器設(shè)備的制作費、容器設(shè)備的安裝費用包括人工費、材料費、機械費。由容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，筒體和封頭的總質(zhì)量： m＝m1＋m2 =603＋2＝860 kg故筒體和封頭的制作費：S1＝860=②鞍座的制作費由于單個鞍座的質(zhì)量為m3＝52kg ，50kg＜m3＜100 kg，故雙鞍座的制作費： S2＝252=③接管的制作費 當(dāng)接管直徑DN=25mm時，當(dāng)接管直徑