卧式储罐设计参考.doc

沈阳理工大学学士学位论文

目 录

1 绪 论 1
1.1 低温储罐的发展状况 1
1.2 低温储罐的结构简介 2
1.2.1 储罐的基本结构 2
1.2.2 储罐的强度要求 2
1.3 低温储罐的焊接工艺 3
1.4二氧化碳的用途 4
1.5课题设计意义 4
1.6 低温卧式储罐的设计任务 5
1.6.1 设计压力 6
1.6.2 设计温度 6
1.6.3 设计中应考虑的载荷 6
1.6.4 充装系数 7
1.6.5 焊接接头系数 7
1.6.6 应力腐蚀的控制 7
2 低温卧式储罐的结构设计 9
2.1 低温卧式储罐筒体材料的选择 9
2.2 筒体尺寸计算 9
2.3 封头的选择 11
2.3.1 封头类型的确定 11
2.3.2 椭圆形封头厚度的计算 12
2.4 储罐开孔设计和附件选择 13
2.4.1 人孔 13
2.4.2 其他接管的开孔设计 17
2.4.3 管法兰组件的选择 18
2.4.4 垫片的选择 19
2.4.5 管法兰组中的螺栓 20
2.4.6 接管的尺寸 20
2.4.7换热管的设计 21
2.5 储罐支座 24
2.5.1 鞍式支座材料的选择 25
2.5.2 鞍座类型的选用 25
2.5.3 估算鞍座的负荷 25
2.5.4 鞍座的尺寸 26
2.6 储罐筒体上各附件位置 26
2.6.1 鞍座的配置 26
2.6.2 接管的布置 26
2.7 低温储罐的隔热层 27
2.7.1 隔热层类型 27
2.7.2 隔热层材料 28
2.7.3 隔热层厚度 29
2.7.4 隔热层的制作 29
3 低温卧式储罐的压力试验及强度校核 31
3.1 储罐的压力试验 31
3.1.1 实验压力 31
3.1.2 压力试验前的应力校核 31
3.2 储罐的强度计算 32
3.2.1 支座反应力 32
3.2.2 筒体轴向应力 32
3.2.3 圆筒的切向剪应力 35
3.2.4 圆筒的周向应力 35
4 低温卧式储罐的焊接工艺的设计 39
4.1 储罐的焊接性分析 39
4.1.1 16MnDR的焊接性分析 39
4.1.2 0Cr18Ni9的焊接性分析 40
4.1.3 16MnDR和0Cr18Ni9之间的焊接性分析 41
4.2 焊接工艺 42
4.2.1 焊缝的分类和焊缝布置 42
4.2.2 焊前准备 43
4.2.3 焊接方法 43
4.2.4 储罐焊缝接头 47
4.2.5 下料 49
4.2.6 焊接结构生产设备的选择 49
4.2.7 焊接顺序 52
5 储罐的焊后热处理和检验 53
5.1 焊后热处理 53
5.2 焊接检验 53
5.2.1 外观检验 53
5.2.2 表面缺陷 53
5.3 成品涂装和包装入库 54
6 结 论 55
致 谢 56
参考文献 57
附录A 英文文献 59
附录B 英文文献翻译 66
附录C 焊接工艺卡 77

16

1.6 低温卧式储罐的设计任务
低温卧式储罐的设计参数包括设计压力、设计温度、受压载荷、充装系数、焊接接头系数等。

表1.1 储罐设计参数
参数名称
数值
工作压力
2.32MPa
设计温度
-40℃
主要受压元件材料
16MnDR
充装系数
0.9
腐蚀裕量
1.0mm
钢材厚度负偏差
0.3
焊接接头系数
1.0
风压
0.40MPa
雪压
0.30MPa
地震系数
7级

2 低温卧式储罐的结构设计

低温储罐的结构设计包括筒体的选材、计算筒体的尺寸、封头形状的选择、标准封头类型的选择、鞍式支座的选择、低温储罐的开孔设计和开孔接管的法兰、螺栓、螺柱、垫片的选择、内部换热管的设计以及对各个附件的位置进行确定。

2.1 低温卧式储罐筒体材料的选择

2.2 筒体尺寸计算
已知要求设计的储罐的容积为30m3，选用储罐形式为卧式储罐，根据经验公式计算卧式储罐的直径和筒长，取长径比L:Di=3，筒体的直径和筒长可由式（2.1）计算
（2.1）
式中Di—筒体直径，（mm）；
L—筒体的长度，（mm）；
V—容器的容积，（m3）。
计算得压力容器的筒体直径取Di=2335.1mm,L=7005.2mm，因此取压力容器Di=2400mm,L=7200mm。
工作压力P1=2.32MPa
设计压力P2=2.55MPa
液柱静压力可由式（2.2）计算
（2.2）
式中ρ—液态二氧化碳的密度。
计算压力Pc
因为 ,
所以可以忽略液柱静压力的影响，即Pc=P2=2.55MPa
因为筒体用的材料为16MnDR，工作温度为-40℃。该条件下查GB150.2-2010，可得16MnDR在-40℃下[σ]t=174MPa。查询标准知道可以由公式（2.3）得到计算厚度

（2.3）
式中 PC—储罐的设计压力，（MPa）；
ϕ—焊接接头系数；查GB150.1-2010，采用钢制双面焊缝对接焊缝和相当于双面焊缝的全焊透对接焊缝，采用全部无损检验，即ϕ=1.00；
[σ]t—筒体材料在设计温度下的许用应力，（MPa）。
设计厚度：设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之和可由式（2.4）得到
（2.4）
式中C2—腐蚀裕量，（mm）。
名义厚度：名义厚度指设计厚度加上材料厚度负偏差后向上圆整至材料标准规格的厚度。即标注在图样上的厚度,可以由式（2.5）得到
（2.5）
式中C1—钢材厚度负偏差，（mm）查C005-GB6654-1996《压力容器用钢板》，得材料厚度负偏差为0.3。
向上圆整后δn=20mm。。
有效厚度：有效厚度是指名义厚度减去腐蚀裕量和材料厚度负偏差。由公式（2.6）得到
（2.6）
圆筒的计算压力可由式（2.7）得到
（2.7）

2.3 封头的选择
封头的选用参照标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》。

2.3.1 封头类型的确定
2.3.2 椭圆形封头厚度的计算
封头的材料选择为和筒体的材料一样为16MnDR。参照GB150.3-2010选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2。
计算厚度由式（2.8）得到
（2.8）
式中PC—计算压力,(MPa)；
Di—筒体内径,(mm)；
[σ]t—筒体材料在设计温度下的许用应力，（MPa）；
ϕ—焊接接头系数,即ϕ=1.00；
凹面受压椭圆形封头形状系数K=1。
名义厚度由式（2.9）得到
（2.9）
将其圆整为20mm，即名义厚度δnh=20mmm，可见标准椭圆形封头与筒体等厚。
有效厚度由式（2.10）计算
（2.10）
查JB4746-2002中表EHA椭圆形封头被表面积、容积如下表2.1：

表2.1 封头的型式参数
公称直径
DN/mm
钢材厚度δ/mm
EHA型厚度减薄率
总深度
H/mm
内表面积
A/m2
容积
V/m³
质量
m/Kg
2400
20
13
640
6.5453
1.9905
1014.6

2.4 储罐开孔设计和附件选择
分析设计任务可知：设计压力为2.55MPa中压容器，温度为-40℃属于低温容器，体积为30m3需要开人孔；工艺接管有进液口、出液口、回气口、灌装回气口、灌装进液口、差压液位出液口、差压液位回气口、加热回气口、加热进气口；底部最低点宜设置排污口；检查孔需要设计一个压力表口、安全阀口。

2.4.1 人孔
1）人孔的选择
2）开孔强度设计
补强设计犯法判别参照GB150.2-2010. 补强圈的材料选择16MnDR，本课题选择补强圈补强方法。若条件允许可采用厚壁接管代替补强圈进行补强。
1、补强圈设计方法判断
查GB150.3-2010 人孔直径由式（2.11）得到
(2.11)
,故可用等面积法进行补强计算。
2、壳体开孔所需补强面积
—开孔直径，；
—壳体开孔处的计算厚度，；

—壳体开孔处的有效厚度，；
—壳体开孔处的名义厚度，；
—接管计算厚度，；
—接管名义厚度，；
—接管有效厚度，；
—计算压力，MPa。

开孔位于椭圆形封头中心80%直径范围内，K1：椭圆形长短轴比值决定的系数，查表得K1=1
,向上圆整后得δnt=19mm,

开孔所需补强面积可由式（2.12）得到
(2.12)
式中fr—强度削弱系数：对安放式接管取fr=1.0。
3.有效补强范围
（1）有效补强宽度B可由式（2.13）得到，取二者中较大的。
(2.13)

式中δ—壳体开孔处的名义厚度，（mm）；
δnt—接管名义厚度,(mm)。
（2）外伸管有效高度h1可由式（2.14）得到
(2.14)

（3）内伸管有效补强高度h2可由式（2.15）得到
(2.15)

4、补强面积可由式（2.16）得到
(2.16)
式中A1—壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余厚度，（mm）；
A1可由式（2.17）得到
(2.17)
式中fr—安放式接管取；
B—补强有效宽度,(mm)；
δe—壳体开孔处的有效厚度，（mm）；
δ—壳体开孔处的计算厚度，（mm）。
A2—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积

(2.15)
3)焊缝金属截面积
焊脚取10mm
(2.16)
4)补强面积
(2.17)
因为Ae16
41.5
2.4.2 其他接管的开孔设计
2.4.3 管法兰组件的选择
根据HG/T20590-2009《钢制管法兰（PN系列）》。
2.4.4 垫片的选择
根据HG/T20606-2009《钢制管法兰用非金属平垫片（PN系列）》
2.4.5 管法兰组中的螺栓
根据HG/T20613-2009《钢制管法兰用紧固件（PN系列）》
2.4.6 接管的尺寸
2.5 储罐支座
对于卧式储罐应选择鞍式支座。参照标准JBT4712.1-2007《鞍座的选择容器制作第一部分》

2.5.1 鞍式支座材料的选择
2.5.2 鞍座类型的选用
2.5.3 估算鞍座的负荷
储罐总质量
式中m1—筒体质量，（kg）；
(2.22)
m2—单个封头的质量，（kg）；
m3—充液质量，（kg）；
(2.23)
m4—附件质量，（kg）。
人孔质量为303kg，其他接管质量总和估为100kg，m4=403kg。
(2.24)
G=mg=426535.2N,每个鞍座承受的重量为213.2676kN
由此查JB4712.1-2007容器支座，选取DN2400mm120°包角轻型带垫板鞍式支座。

2.5.4 鞍座的尺寸
查JB4712.1-2007容器支座

2.6 储罐筒体上各附件位置

2.6.1 鞍座的配置

2.6.2 接管的布置

3 低温卧式储罐的压力试验及强度校核

卧式容器制成后要进行压力实验和强度校核，以保证筒体的结构满足强度要求。

3.1 储罐的压力试验
压力试验分耐压试验和泄露试验。耐压试验又分为液压试验、气压试验和气液组合压力试验。耐压试验时以高于设计压力的试验介质充压以检验容器的强度。其作用是对容器的整体加工工艺，各零部件的强度，焊接接头强度，各连接面的密封性进行检查。是保证设备安全性的重要措施。卧式压力容器的压力试验一般采用液压试验。

3.1.1 实验压力
对内压容器，根据JB/T4731-2005钢制压力容器中对内压容器的压力要求，液压试验用的压力值按式（3.1）确定：
(3.1)
式中η—耐压试验的压力系数，η=1.25；
PT—试验压力，MPa；
P—设计压力，MPa；
[σ]—筒体材料在常温度下的许用应力，MPa；
[σ]t—筒体材料在设计温度下的许用应力，MPa。

3.1.2 压力试验前的应力校核
压力试验时，为使耐压试验时容器材料处于弹性状态，耐压试验前必须校核试验时圆筒的薄膜应力，应按式（3.2）计算圆筒应力：
(3.2)
式中ζ—耐压试验类型系数，对液压试验ζ=0.9。
σT进行校核时，液压试验时应按式（3.3）进行校核：
（3.3）
式中ReL—筒体材料在实验温度下的屈服强度，MPa；
ф—筒体的焊接接头系数。
由式（3.3）可知圆筒应力满足应力要求。

3.2 储罐的强度计算
参照JB/T4731-2005《钢制卧式容器》，低温储罐的受压元件应进行强度校核，以保证使用的安全性。要对筒体的轴向应力、轴向切应力、圆筒的周向应力进行强度校核。

3.2.1 支座反应力
筒体在鞍座的支撑下水平固定，鞍座收到了很到的压力作用，同时有反作用力作用在筒体上，由式（3.4）计算
(3.4)

图3.1 卧式容器的载荷、支座反力、剪力及弯矩

3.2.2 筒体轴向应力
对储罐的受力进行分析，筒体收到的力和弯矩如图3.1所示。

(1)筒体的弯矩
筒体的最大的弯矩处在筒体的中心截面部位或是鞍座中心截面的部位，筒体中心截面上的轴向弯矩按式（3.5）计算，鞍座平面上的轴向弯矩，按式（3.6）计算：
(3.5)
(3.6)
式中L—封头切线间距离,(mm)；
Ra—圆筒的平均半径,(mm)；
h1—封头曲面高度,(mm)；
A—鞍座的安装位置。
(2)圆筒的轴向应力
1）计算
圆筒中间截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力。
圆筒的最高点式（3.7）：
(3.7)
圆筒的最低点式（3.8）
(3.8)
鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强时（A≤Ra/2），轴向应力σ3位于横截面最高点处见图（3.2a），当圆筒未被加强时，σ3位于靠近水平中线处见图（3.2b），该设计方案中圆筒被加强，即按下式(3.9)计算： (3.9)横截面最低点处的轴向应力按下式(3.10)计算σ4： (3.10)
式中系数K1、K2的值如表3.1所示。

表3.1 系数K1、K2
条件
鞍座包角（°）
K1
K2
被封头加强的圆筒，即A≤Ra/2，或在鞍座平面上有加强圈的圆筒
120
1.0
1.0
135
1.0
1.0
150
1.0
1.0
未被封头加强的圆筒，及A≥Ra/2，且在鞍座平面上无加强圈的圆筒
120
0.107
0.192
135
0.132
0.234
150
0.161
0.279

注：
图3.2 支座处圆筒轴向应力位置
2）校核
校核圆筒轴向应力的对于操作状态要满足一下条件：计算得到σ1至σ4，取出最大的拉应力（最大的正值）：

计算得到σ1至σ4，取出最大压应力（最小负值）：

校核结果显示，圆筒的轴向应力是满足强度要求的。

3.2.3 圆筒的切向剪应力
1）剪应力的计算
圆筒支座处横截面上的剪应力按式（3.11），当圆筒被封头加强时（即A面上无加强圈或靠近鞍座处有加强圈，其最大剪应力τ位于靠近鞍座边角处C、D点（见图3.3b）。圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料的需用应力的0.8倍，即如式（3.12）所示校核剪应力。
（3.11）
校核结果证明，筒体的剪应力满足强度要求。
2)封头切向剪应力的计算及校核
(3.12)
式中σh—由内压在封头中引起的应力
(3.13)
封头的切向剪应力满足要求.

图3.3 圆筒切向应力位置
3.2.4 圆筒的周向应力
1）周向应力的计算
圆筒鞍座平面上的周向弯矩见图3.4。当无加强圈或加强圈在鞍座平面内时，其最大弯矩点在鞍座边角处。党加强圈靠近鞍座平面时，其最大弯矩点在靠近横截面水平中心线处。应按不同的加强圈情况求出最大弯矩点的周向应力。

图3.4 周向弯矩图
鞍座支座及鞍座垫板如图3.5所示，有两种情况，垫板不作为加强板用的鞍座如图3.5a；垫板作为加强板用的鞍座见图3.5b。
储罐的该设计属于无垫板或垫板不起加强作用的情况，此时周向压力，按式（3.14）计算，横截面的最低点处轴向应力按式（3.14a）计算；在鞍座的边角处轴向力的计算还受L/Ra的值限制，由于L/Ra=8400/1210=6.94<8，故鞍座边角处轴向力按式（3.14a）计算：

图3.5 鞍式支座

a) 在横截面的最低点处
(3.14a)
b) 在鞍座边角处(3.14b)
式中系数K5、K6的值在表3.2中查询

表3.2 系数K5、K6
鞍座包（120°）
K5
K6
A/Ra≤0.5
A/Ra≥0.5
120
0.760
0.013
0.053
132
0.720
0.011
0.043
135
0.711
0.010
0.041
147
0.680
0.008
0.034
150
0.673
0.008
0.032
162
0.650
0.006
0.025

2）周向应力校核
周向应力满足下列条件：
(3.15)
(3.16)
周向应力满足应力要求的，轴向应力满足强度要求。

4 低温卧式储罐的焊接工艺的设计
焊接工艺设计分为板材的焊接性分析，设计焊接工艺，选择焊接方法和焊接材料。

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