压缩空气储罐设计方案

压缩空气储罐设计方案 第一章 绪论 所谓容器是指用于储存气体、液化气体、液体和固体原料、中间产品或成品的设备。压力容器是容器的一种，是指最高工作压力 P积 V25L，工作介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点液体的容器。它广泛地用于化工、炼油、机械、动力、轻工、纺织、冶金、核能及运输等工业部门，是生产过程中必不可少的设备 1。 随着石油化工、电站锅炉和原子能工业的迅猛发展，压力容器制造技术也有了很大的发展，它主要表现在以下三个方面：一是压力容器向大型化过渡，容器直径和壁厚成倍增长；二是低合金高强度钢的广泛应用，大部分压力容器均采用了各种级别的低合金高强度钢；三是焊接新工艺、新技术的广泛应用，使得焊接质量进一步提高，从而提高了这些大型产品质量的可靠性。 其中以压力容器产品大型化、高参数化的趋势尤为明显。 1000 吨级的储气罐、 2000 吨级的煤液化反应器、 10000 立方米的天然气球罐（日本最大的天然气球罐为 30000 立方米）等已经在我国 大量应用。压力容器在石油化工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻。因此，耐高温、高压和耐腐蚀的压力容器用材料的研制与开发一直是压力容器行业所面临的重大课题。对此，各国均投入了大量的人力物力从事相关的研究工作。目前，压力容器用材料的主要研究成果和技术进步表现在以下几个方面： 材料的高纯净度：冶金工业整体技术水平和装备水平的提高，极大地提高了材料的纯净度，提高了压力容器用材料的力学性能指标，提高了压力容器的整体安全性； 材料的介质适应性：针对各种腐蚀性介质和操作情况，已研究开发出超级不锈钢、双相钢、特种 合金等金属材料，使之适合各种应用条件，给容器设计者以更多选择的空间，为长期安全生产提供了保证； 材料的应用界限：针对高温蠕变、回火脆化、低温脆断所进行的研究，准确地给出材料的适用范围； 更高强度材料的应用：在设备大型化的要求下，传统的材料已经无法解决，诸如 30000 立方米天然气球罐、 200000 立方米原油储罐以及超高压容器的选材问题。目前b 800强材料的应用正在引起国内研究人员的广泛关注 2。 近年来，压力容器制造业在装备投资中，焊接设备的比例占了 40%以上。正 由于这些先进高效焊接设备及工艺的采用，使压力容器制造技术有了更大的提高和发展。就具体的压力容器焊接而言，焊条电弧焊的比例已逐步缩小，而埋弧自动焊、氩弧焊 、 体 保护焊等先进的焊接技术已经得到广泛应用；带极堆焊、窄间隙埋弧焊和药芯焊丝气体保护焊等高效率的焊接方法设备已成为一些大型压力容器厂必备的焊接设备；小管径内壁堆焊、管子 鞍形接管自动焊等一系列新型焊机也在不少工厂中得到了应用。这对于稳定地提高压力容器焊接质量，提 高压力容器制造工艺水平，无疑将起到很大推动作用。 压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测及安全防护等众多行业。随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别是以计算机技术为代表的信息技术的飞速发展，带动了相关产业的发展。在世界各国投入了大量人力物力进行深入研究的基础上，压力容器技术领域也取得了相应的进展。为了生产和使用更安全、更具有经济性的压力容器产品，传统的设计、制造、焊接和检验方法已经和正在不同程度地为新技术、新工艺所代替、而冶金机械 加工、焊接和无损检测等压力容器相关行业的技术进步，是压力容器行业整体制造技术水平提高的前提条件 。 中国是压力容器的生产大国，目前生产的目的主要是满足国内的需求。生产厂家的数量（约 3200 家）和相应的装备能力均为世界领先，从以储气罐为代表的重型容器到高压气体运输容器等特殊的容器，中国都有很强的生产能力，并且产品的价格和质量都具有一定的竞争力。多年的生产实践和国家的规范化管理，使我国的压力容器行业形成了装备齐全、人员配套、管理严格的生产格局，为我国的压力容器产品走向世界奠定了基础。 随着我国加入 国民经济持续高速发展，压力容器制造业今后也必然会有一个很大的发展，只有认清发展趋势，才能把握住自己的发展方向，才会使 压力容器制造业 有更好的发展。 罐的用途及分类 储存设备又称储罐，主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用，如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。储罐内的压力直接受温度影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐。 存介质的性质 储存介质的性质，是选择储罐形式和储存系统的一个重要因素。介质最重要的特性有：可燃性、饱和蒸汽压、密度、腐蚀性、毒性程度、化学反应活性（如聚合趋势）等。储存介质可燃性的分类和等级，可在有关消防规范中查得。饱和蒸汽压是指在一定温度下的密闭容器中，当达到气液两相平衡时气液分界面上的蒸汽压，它随温度而变化，但与容积的大小有关。对于液化石油气和液化天然气 之类，都不是纯净物，而是一种混合物，此时的饱和蒸汽压与混合比例有关，可根据道尔顿定律和拉乌尔定律进行计算。当储存的介质为具有高粘度或高冰点的液体时，为保持其流动性，就 需要对储存设备进行加热或保温，使其保持便于输送的状态。储存液体的密度，直接影响制造工艺和设备造价。而介质的毒性程度则直接影响设备制造与管理的等级和安全附件的配置。 储存设备若盛装液化气体时，除了应该考虑上述条件外，还应注意液化气体的膨胀性和压缩性。液化气体的体积会随温度的上升而膨胀，温度的降低而收缩。如果环境温度变化较大，储罐就可能因超压而爆破。为此，在储存设备使用时必须严格控制储罐的充装量。 当储罐的金属温度受大气环境温度影响时，其最低设计温度可按该地区气象资料，取气象局实测的 10 年逐月平均最低温度的 最小值。随着液化气体温度的下降，罐内压力也将较大幅度下降，此时罐体的应力水平就有较大的降低。为此，在确定储罐设计温度时，可按有关规定进行低温低应力分析。当储罐内部因温度降低而使内压低于大气压时，还应进行罐体的稳定性校核，以免发生失稳失效。 计任务 针对化工厂中常见的气体储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图和零件图，并编写设计说明书。 计思想 设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺要求，考虑储存介质的性质、容量的大小、设置的位置、钢材的耗量以及施工的条件等来确定储罐的形式；在设计中还必须考虑场地的条件：环境温度、风载荷、地震载荷、雪载荷、地基条件等，因此设计者在设计储存设备时必须针对上述条件进行综合的考虑，以确定最佳的设计方案。 综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进 行设计。 计特点 压力容器的外壳由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件六大部件组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了储气罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。 各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。 设计数据详见表 1 1号 名 称 指 标 1 设计压力 设计温度 90 3 最高工作压力 最高工作温度 ,补偿圈在有效补强范围内 ;补偿圈厚度为： = (3虑到钢板的负偏差故圆整为 6 第四章 强度设计 试验压力 = (4圆筒的薄膜应力 = (45235=180 以水压试验合格。 圆筒的平均半径 =/2 +/2=1000/2+6/2=503 (4座反力 F= (41 圆筒中间截面上的轴向弯矩 如图 4 根据 4731式 7： = = = (4 2 鞍座平面上的轴向弯矩 根据 4731式 7： = = (4筒的轴向应力及校核 根据 4731式 7 式 7算 1 圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 最高点处： =-=-= (4低点处： =-=+= （ 4由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算并校核 鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算： a) /2时，轴向应力3位于横截面最高点处 . 取鞍座包角 120 ，查表 74731，121 1 =-=+ = （ 4 b) =-=+ = （ 4A= （ 4 查过程设备设计中图 4， 0E ,则 B=0075=100 （ 4 = （ 4 =113 （ 4 满足条件 1 圆筒切向剪应力的计算 根据 4731式 7算 查 4731表 7： = （ 4 2 圆筒被封头加强（ /2时，其最大剪应力h根据 4731式 7算得： = (43 切向剪应力的校核 圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的 ，即 0.8 t 封头的切向剪应力，应满足 1 而 =即 0.8 t 故圆筒满足强度要求。 K=1 (4=753=137 (4即 封头满足强度要求。 =320mm;b+140 (4以 b+ (4所以鞍座垫片作为加强用的鞍座。 1 在横截面的最低点处： =- (4其中 k=器焊在支座上 ) 查 / 4 7 3 1 2 0 0 5J B T ,表 7，5 F=3780N, =44140-= (42 在鞍座边角处 当 L/=3440/503= = (4A/ / 4 7 3 1 2 0 0 5J B T ,表 7，6 = (43 鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力 根据过程设备设计第二版式 5 当 L/=21700/503=-= (44 周向应力校核 根据 4731 行校核 由于 =113 所以 ,|,| 故均满足强度要求 1 腹板水平分力及强度校核 9 F鞍座包角 120 ，查表 4 7 3 1 2 0 0 5J B T 中表 7应9 则 =垫板起加强作用时： = (4中=4=1403=503/3=168=20090 =168 (4 = 4731表 5： 147 p a ， 2 983 p a 满足要求 9 23 ， 即其强度合格。 2 鞍座压缩应力及强度校核 查 4 7 3 1 2 0 0 5J B T 表 7当地地震发生几率小，取1 则 =473N (4钢底板对水泥基础 因为 以压力按下式计算： =- (4 =R+H=1000/2+168=668 (4板面积 =1406=840 (4板面积 :=()=（ 7606=4260 =6+=6840+4260=9300 (4x=692 (4 = (4 = 形心 : (4= (4 (4= 腹板与筋板组合截面断面系数： = (4= (4= （ 4 = （ 4 = （ 4 代入公式 =- （ 4 =- （ 4 = （ 4 = （ 4 根据 4731式 7行校核 满足式 0sa 和式 ，即满足强速要求。 1 倾覆力矩计算 =3473668= （ 4 2 由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力 n=2,l=760=314 （ 4 地脚螺栓拉应力为： = （ 4 载荷组合系数 =147足式 即符合强度要求。 3 由地震引起的地脚螺栓剪应力 地脚螺栓剪应力计算 N=4 （ 4 （ 4 即满足式 符合强度要求。 第五章 焊接结构设计 焊接技术就是高温或高压条件下，使用焊接材料（焊条或焊丝）将两块或两块以上的母材（待焊接的工件）连接成一个整体的操作方法。 焊接技术主要应用在金属母材上，常用的有电弧焊，氩弧焊， 护焊，氧气 光焊接，电渣压力焊等多种，塑料等非金属材料亦可进行焊接。 金属焊接方法有 40 种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。 熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。 在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。 压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。 各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料， 往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。 一、 焊接技术 对于压力容器来说，压力容器各受压部件的组装大多采用焊接方式，焊缝的接头形式和坡口形式的设计直接影响到焊接质量与容器的安全，因而必须对容器的焊接接头的结构进行合理设计。 焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。 现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体 在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接（正交接）和角接等。 对接接头焊缝的横截面形状，决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。 厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引 起严重的应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接，常优先采用对接接头的焊接。 搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。一般来说，搭接接头不适于在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作。 采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝，这时焊缝表面形 状会引起不同程度的应力集中；焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。 角接头承载能力低，一般不单独使用，只有在焊透时，或在内外均有角焊缝时才有所改善，多用于封闭形结构的拐角处。 焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。焊接已成为 现代工业中一种不可缺少，而且日益重要的加工工艺方法。 在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的 45%，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。 二 设计技术要求 条型号为 中未标明焊接接头形式与尺寸按 焊、手工电弧焊及气体保护焊焊逢坡口的基本形式与尺寸进行选用。所有角焊缝焊脚高度，除注明者外，均为两相焊较薄者的厚度，且须连续焊。 壁板、包边角钢在堆放、运输和起吊过程中应采取有效措施防止变形。 3罐体安装前必须对甲苯罐基础按土建基础设计文