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
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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。
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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。
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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;
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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;
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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。