100m3液氨储槽设计-过程装备与控制工程毕业论文

密级 公开 学号 5120110253 本科毕业设计 论文 题目名称 100m3液氨储槽设计 学生姓名 曹宏伟 年 级 过 111 专 业 过程装备与控制工程 指导教师 王中辉 教师职称 副教授 2015 年 6 月 10 日 100m 3液氨储槽设计 I 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文 100m3液氨储槽设计 系本人在北京石油化工学院学习期间创 作完成的作品 并已通过论文答辩 本人系作品的唯一作者 即著作权人 现本人同意将本作品收录于 北京石 油化工学院学位论文全文数据库 本人承诺 已提交的学位论文电子版与印刷 版论文的内容一致 如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索 文摘浏览以及全文部分 浏览服务 公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文 注 本协议书对于 非公开学位论文 在保密期限过后同样适用 院系名称 机械工程学院 作者签名 曹宏伟 学 号 110253 2015 年 06 月 25 日 100m 3液氨储槽设计 II 北京石油化工学院 毕业设计 论文 任务书 教学院 系 部 机械工程学院 专业班级 过111 学生姓名 曹宏伟 指导教师 职称 王中辉 副教授 1 毕业设计 论文 题目 100m3液氨储槽设计 2 任务起止日期 2015年2月27日 2015年06月7日 3 毕业设计 论文 的主要内容与要求 含课题简介 任务与要求 预期培养目标 原始数据及应提交的成果 课题简介 液化气体储存压力容器是工业生产和人民生活中不可缺少的一种储存设备 主要用来储存工业生产中的石油化工原料产品和生活中所需的液体燃料 对液化 气体储存压力容器进行设计研究具有重要的现实意义 本课题对液氨储罐进行设 计 依据相关标准 进行结构设计和强度校核 包括安全附件的选择 在此基础 上得出一套完整的适合液氨储罐的设计计算方法 研究成果对于液氨储罐的设计 具有重要的理论意义和实际应用价值 设计出一套全尺寸的液氨储罐 为类似设 备的设计提供参考 通过本课题的研究 培养学生查询收集文献资料和外文翻译 的能力 写出一篇论文综述 翻译一定数量的外文资料 培养学生利用计算机绘 图的能力 最终使学生学会独立思考分析问题和结局问题的能力 预期培养目标 通过一学期完成毕业设计论文的过程 得到一篇有学术价值 的论文 以便今后应用于生产实际 设计参数 项目 储槽 设计压力 MPa 2 16 设计温度 50 工作介质 液氨 介质特性 中度危害 易爆 容积 m3 100 腐蚀裕量 mm 1 5 100m 3液氨储槽设计 III 提交成果 中文翻译一份 包含文原文 要求外文文献不少于 2 万字符 且与毕业设 计 论文 题目紧密相关 译文字数不少于 5000 字 开题报告及文献综述一份 要求查阅文献 15 篇以上 设计说明书一份 字数不少于 1 8 万字 包括 ANSYS 结果分析 图纸 绘图量不少于折合成图幅为 A0 号的图纸 1 张 或手工绘图不少于折 合成图幅为 A1 号的图纸 1 张 4 主要参考文献 1 国家质量技术监督局 GB 150 2011 钢制压力容器 北京 中国标准出版社 2011 2 NB T 47042 2014 卧式容器 3 JB 4712 1992 鞍式支座 4 JB T 4737 椭圆形封头 5 郑津洋 特殊压力容器 北京 化学工业出版社 1997 6 郑津洋 过程设备设计 北京 化学工业出版社 2004 5 进度计划及指导安排 1 3 周 3 2 3 22 查阅中 英文文献资料 翻译 2 万字符的外文专业资料 撰 写文献综述及开题报告 4 周 3 23 3 29 完成总体方案 完成开题报告 并上传至管理系统 进行开 题报告答辩 5 7 周 3 30 4 19 进行液氨储槽筒体 封头的设计计算 8 9 周 4 20 5 3 进行液氨储槽接管 开孔补强计算及强度校核 10 11 周 5 4 5 17 进行仪表选择 绘制零件图和装配图 12 14 周 5 18 6 7 撰写毕业设计说明书 15 周 6 8 6 14 评阅论文和说明书 16 周 6 15 6 21 进行毕业设计答辩 任务书审定日期 2015 年 2 月 2 日 系 教研室 主任 签字 任务书批准日期 2015 年 2月 26 日 教学院 系 部 院长 签字 任务书下达日期 2014年 2 月 26 日 指导教师 签字 计划完成任务日期 2015 年 6 月 7 日 学生 签字 100m 3液氨储槽设计 IV 摘 要 由于我国对液化气项目的要求不断提高 全国各地建立了大量储配站 氨是 生产含氮肥料及尿素的重要原料 氨气以液态的形式储运能大大提高氨的储运 量 也能节省运送的费用 氨气虽然没有毒 但是长期接触氨气 部分人可能会 出现皮肤色素沉积或手指溃疡等症状 一旦储罐出现问题 将给人民的生命 财 产带来很大的损失 因此 在储罐的设计中 一定要注意细节问题 保证储罐有 良好的质量 应当通过对文献的查阅与检索来了解储罐的基础设计问题 了解储 罐容易出现的安全问题 如泄漏 爆炸等 再进行设计 尽可能的避免出现事故 本次设计主要依据GB150 2011 压力容器 TSG R0004 2009 压力容器安 全技术监察规程 NB T47042 2014 卧式容器 等标准 进行液氨储罐的结构 计算 计算流程包括 确定容器所属类别 选取经济且符合要求的材料 计算筒 体的公称直径 长度及壁厚 并按要求选取封头 人孔 鞍座等其它附件 其次 进行校核与补强计算 再根据筒体和各个接管的总质量选择鞍座 在根据设计尺 寸 绘制Auto CAD零件装配图 按照加工要求填写技术要求 设计结果再运用 ANSYS软件对人孔处进行有限元分析 最后设计结果再通过装配图表现出来 关键词 关键词 液氨储罐 结构设计 强度校核 ANSYS 应力分析 100m 3液氨储槽设计 V Abstract With the demand of LNG projects increasing a large number of storage and distribution station has been set up in all parts of the country The storage and transportation of liquid NH3 form can greatly increase the storage amount of NH3 while can save transport costs NH3 is not toxic but with the exposure for a long time some people may suffer skin pigmentation or ulcer symptoms such as a finger Once appearing a problem which will bring a great loss to people s life property that virtually increased requirements for the design of liquid NH3 tank Therefore in the tank design We must pay attention to details understand the basic design problem of storage tank and safety problems such as leakage explosion at the same time we should assure the design quality and avoid the occurrence of accidents This article is mainly according to GB150 2011 pressure vessel TSG R0004 2012pressure vessel safety technology supervision regulation NB T47042 2014 Steel horizontal vessels to calculate the structure of liquid ammonia tank The calculation process includes decide container category select the economic and meet the requirements of the material the calculation of the cylinder body of nominal diameter length and wall thickness what s more select the head manhole saddle and other accessories Then check the calculation according to the total quality of cylinder body and each took over the choice of saddle Last making a technical drawings and fill out the technical requirements under the requirements of processing The results of the design and the finite element analysis of the human hole is carried out by using ANSYS software The final design results are shown by the assembly drawing Key words liquid ammonia tank the structure of the design strength check ANSYS stress analysis 100m 3液氨储槽设计 VI 目 录 第一章 前言 1 1 1 选题背景 1 1 2 研究意义 1 1 3 国内外储罐设计标准 2 1 4 储罐的介绍 2 1 4 1 储罐的发展 2 1 4 2 储罐的结构 3 1 4 3 储罐的材料 3 1 5 液氨储罐的设计 4 1 5 1 设计步骤 4 1 5 2 卧式容器的简化设计法 6 1 6 储罐设计中所考虑的问题 6 1 6 1 液氨储罐常见缺陷及其处理方法 6 1 6 2 液氨储罐易发生事故的部位 7 1 6 3 泄露及堵漏处理 7 1 6 4 液氨的物化性质 8 1 6 5 液氨中毒处置 8 1 6 6 液氨泄漏处置 9 1 7 本课题的基本内容与拟解决的主要问题 9 1 7 1 本设计的基本内容 10 1 7 2 拟解决的主要问题 10 第二章 方案论证 11 2 1 设计依据 11 2 2 设计步骤 11 2 2 1 确定压力容器的基本设计参数 11 2 2 2 封头的选择 12 2 2 3 开孔补强 12 2 2 4 法兰及相关部件 13 第三章 卧式液氨储罐结构设计 14 3 1 筒体设计 14 3 1 1 筒体材料 14 3 1 2 筒体公称直径 14 3 1 3 筒体计算压力 14 3 1 4 筒体壁厚计算 14 3 2 封头设计 15 3 2 1 封头材料及类型 15 3 2 2 封头公称直径 15 3 2 3 封头尺寸计算 16 3 3 筒体长度确认 16 3 4 人孔选择 16 3 4 1 人孔选型及材料 16 100m 3液氨储槽设计 VII 3 4 2 人孔尺寸明细 17 第四章 其它部件的选取 18 4 1 接管排布 18 4 1 1 接管法兰的类型及尺寸 19 4 1 2 接管尺寸 20 4 2 垫片类型 材料及尺寸 20 4 2 1 垫片代号的意义 21 4 2 2 内外环的作用 21 4 2 3 金属缠绕垫的尺寸 22 4 3 螺栓的选用 22 4 4 鞍座的选择 23 4 5 鞍座承受的质量 23 4 6 鞍座的安装位置 25 第五章 开孔补强 26 5 1 不另行补强的最大开孔直径 26 5 2 人孔的开孔补强设计 27 5 2 1 补强设计方法的判别 27 5 2 2 有效宽度 B 27 5 2 3 外伸接管有效补强高度 27 5 2 4 内伸接管有效补强高度 27 5 2 5 补强面积 28 第六章 强度校核 29 6 1 水压应力校核 29 6 2 支座反力计算 29 6 3 圆筒弯矩计算 30 6 3 1 圆筒中间处截面上的弯矩 30 6 3 2 鞍座平面上的轴向弯矩计算 30 6 3 3 筒体轴向应力计算及校核 31 6 4 筒体和封头的切向应力计算与校核 33 6 5 筒体周向应力计算与校核 33 第七章 筒体接管有限元应力分析 35 7 1 ANSYS 有限元软件简介 35 7 2 筒体检查孔 ANSYS 建模 36 7 2 1 定义单元及材料 36 7 2 2 定义单元及材料 36 7 2 3 网格划分 37 7 2 4 施加边界条件和约束 37 7 2 5 求解分析结果 38 7 3 结构分析 39 7 3 1 路径 1 39 7 3 2 路径 2 40 7 3 3 路径 3 41 7 3 4 结果与讨论 42 第八章 安全技术经济分析 44 100m 3液氨储槽设计 VIII 8 1 液氨储罐的安全隐患和预防措施 44 8 1 1 安全事故问题 44 8 1 2 事故预防措施 44 8 2 技术经济分析 45 8 2 1 评价的意义 45 8 2 2 评价的指标 45 8 2 3 评价指标分析 46 8 2 4 经济评价结论 47 8 3 容器制作费用 47 8 3 1 容器设备安装费 48 8 3 2 水压试验费用 48 8 3 3 容器制作安装工程总费用 48 第九章 结论及展望 49 9 1 总结 49 9 2 展望 49 参 考 文 献 50 致 谢 51 声 明 52 附 录 53 100m 3液氨储槽设计 1 第一章 前言 1 1 选题背景 氨是生产含氮肥料及尿素的基本原料 一般以液态的形式从合成氨工厂送到 这些肥料厂 这就需要设置液氨储存设施 以确保原料供应 为化肥厂连续生产 创造必要条件 氨在常压下 冷却到 33 4 就液化 故常压下液氨需要在低于 33 4 储存 而在常温下应在压力容器内储存 储罐是油品和各种液体化学品的储存设备 其用途是储运系统设施 炼油 化工装置的总要组成部分 储罐的划分标准有很多 按温度划分 可分为 低温 储罐 常温储罐和高温储罐 按压力划分 可分为 低压储罐 常压储罐 按制 造储罐的材料又可分为 非金属储罐 塑料防震储罐 软体储罐和金属储罐 钢 壳衬里 铝及其合金等 按储罐所在位置和达到某种目的又可分为 地上储罐 地下储罐 半地下储罐 山洞储罐 海中储罐等 由于氨气体具有刺鼻性气味 且易溶于水 会对人体产生伤害等特性 因此 在设计这种贮罐时 要注意与一般气体贮罐的不同点 尤其要注意安全 还要注 意在制造 安装等方面的特点 贮罐主要有筒体 封头 人孔 支座以及各种接 管组成 贮罐上设有液相管 液相回液管 气相管 排污管以及安全阀 压力表 温度计 液面计等 所以对液氨储罐要求很严格 压力容器工作状态下存在较高的压力具有一定的爆炸性 还可能造成介质外 泄等危害 将不同程度地威胁人身安全与环境 甚至重大灾害 因此在相关行业 中压力容器的设计与应用都存在一定的风险 怎样解决压力容器的设计与使用风 险 并将其限制到最低限 成为所有压力容器研究及应用领域普遍关注的重点问 题 1 1 2 研究意义 储罐主要是起储存 缓冲压力的作用 实际应用中 要求介质在储罐中的存 储时间长 安全可靠 能承受一定的压力 尽可能使装置更稳定 这对整个装置 的安全运行起到不可或缺的作用 随着世界各国科技水平的不断提升 对材料 设计理念 设计方法的不断更新 压力容器的设计也越来越追求成本低 材料最 大化利用 使用寿命更长久 运行过程更安全 操作过程更方便的一个最优设计 本课题设计的储罐是液氨储槽的储存设备 本储罐中存储的是液氨 液氨多 储于耐压钢瓶或钢槽中 且不能与乙醛 丙烯醛 硼等物质共存 液氨在工业上 100m 3液氨储槽设计 2 应用广泛 具有腐蚀性且容易挥发 所以其化学事故发生率很高 一旦储罐存在 缺陷 很容易造成恶性事故 对其使用中的典型缺陷进行分析 有利于及时发现 和防治 确保使用安全 同时也有利于提高检验质量 避免含缺陷的危险储罐进入 使用过程 储罐中液氨介质的泄漏会直接关系到人民生命财产安全和环境污染问 题 因此经济 安全地设计和制造高质量的储罐就具有十分重要的意义 研究成 果对于储罐的研究设计具有重要的理论意义和实际应用价值 1 3 国内外储罐设计标准 国内储罐设计标准包括 NB T47042 2014 卧式容器 GB150 2011 钢制 压力容器 JB4712 1992 鞍式支座 和JB T4737 椭圆形封头 等 2 为了从根源上杜绝储罐事故 应广泛研究国外储罐建设标准和现金的经验 应用于改进我国的相关标准 从而从本质上确保储罐的安全 国外储罐设计标准包括 美国标准 API Std 650 2007 钢制焊接石油储罐 API Std 2610 2005 转运油库和储罐设施的设计 施工 操作 维护和检验 API RP 2016 2001 进入与清理储油罐指南与程序 API Std 653 2009 油罐检 验 修理改造和翻建 NFPA 30 2007 易燃和可燃液体规范 API RP 2021 2001 R2006 常压储罐的灭火处理 API RP 12R1 1997 R2008 采油用储 罐的安装 维护 检验 操作和维修的推荐作法 加拿大标准 CSA Z662 2007 油气管道系统 俄罗斯标准 P 153 39 4 078 2001 干线石油管道储罐和石 油供应站技术运营准则 2004 储罐技术运营规则 等 3 1 4 储罐的介绍 用于储存液体或气体的钢制密封容器即为钢制储罐 钢制储罐工程是石油 化工 粮油 食品 消防 交通 冶金 国防等行业必不可少的 重要的基础设 施 我们的经济生活中总是离不开大大小小的钢制储罐 钢制储罐在国民经济发 展中所起的重要作用是无可替代的 随着眼前储罐行业的不断发展 越来越多的 行业和企业运用到了储罐 越来越多的企业进入到了储罐行业 钢制储罐是储存 各种液体 或气体 原料及成品的专用设备 对许多企业来讲没有储罐就无法正 常生产 特别是国家战略物资储备均离不开各种容量和类型的储罐 我国的储油 设施多以地上储罐为主 且以金属结构居多 1 4 1 储罐的发展 从目前国内外的经济发展及国家需要建设大量的大型储备库情况来看 储罐 100m 3液氨储槽设计 3 生产的大型化 将成为发展的趋势 世界先进国家 储罐研究设计部门都有较完整 的计算机专用计算程序 对储罐作静态和动态分析 并编制计算机专用绘图程序 现在 国内也编制了储罐的计算机专用程序 但还有很多不完善的地方 4 目前 在 国外油罐工程建设项目中 使用的主要规范有美国的API650 英国的BS2654 日 本的JISB 8501等 其中广泛采用美国石油学会标准API650 事实上 API650标准 已经成为国际上设计建造储罐的通用标准 5 采用API650标准进行设计 罐壁应 力分布比较平缓 有利于提高储罐的安全性 鉴于上述原因 大型油罐采用美国石 油学会标准API650进行设计比较合理 1 4 2 储罐的结构 目前我国使用范围最广泛 制作安装技术最成熟的是卧式储罐 下图是卧式 储罐主体结构如图1 1 图1 1 储罐结构型式 卧式压力容器通常用两个鞍座支撑 对压力容器额外造成的压力除了在容器 内部产生的压力 显然还有鞍座结构本身 因此鞍座和应力的测定是一个重要的 步骤在卧式压力容器的设计 6 一个基本的设计原理是形成一个结构优化方面的一个假定标准 一定要考虑 到限制 在设计压力容器及其零部件时 也要遵守这个原则 7 1 4 3 储罐的材料 100m 3液氨储槽设计 4 多年来对液氨储罐的设计回访发现 这类储罐很少发生强度破坏 大多数是 由腐蚀裂纹引起的腐蚀破坏 根据多年实践 材料强度越高 发生应力腐蚀的可 能性越大 在综合考虑操作压力 残余应力以及安全性和经济性的情况下 应尽 可能选用强度较低的钢材 如 Q235 B Q245R Q345R 等 Q235 B 虽然强度 低 但其材料本身的杂质含量及特性 应力大小等因素都不适合液氨这种介质 故一般常选用 Q245R Q345R 材料 且为正火板 主要是为了防止氨应力腐蚀 对导致应力腐蚀的液氨储罐 其所用钢板还应逐张进行超声波检测 符合 JB T4730 3 2005 承压设备无损检测 第3部分 超声检测中的 级为合格 1 5 液氨储罐的设计 1 5 1 设计步骤 A 确定设计压力 对于常温储存液化石油气的储罐 根据TSG R0004 2009 固定式压力容器 安全技术监察规程 第3 9 3条款的规定 常温储存液氨压力容器规定温度下的工 作压力 按照不低于50 时的混合液氨组分的实际饱和蒸汽压来确定 设计单位 在设计图样上注明限定的组分和对应的压力 本液氨储罐的设计压力为 2 16MPa B 确定储罐的装量系数 液氨在平衡状态时的饱和蒸汽压随温度的升高而增大 其液体的膨胀性较 强 因此储存液氨的储罐内必须留有一定的气相空间 以防止由于温度升高而导 致储罐内的压力剧增 储罐的储存量直接影响到储罐的工作压力 关系到储罐的 设计和使用安全 TSG R0004 2009 固定式压力容器安全技术监察规程 第3 13 条规定储存液化气体的压力容器应当规定设计储存量 装量系数不得大于0 95 本例中储罐的装量系数确定为0 9 C 确定容器类别 根据设备危险性程度的不同容器类别划分三类 I 类 类 类 由设计压 力 容积和介质危害性三大因素决定容器类别 利用PV值在不同介质分组坐标图 上查取相应的类别 100m 3液氨储槽设计 5 根据本设备 设计压力 2 16MPa 容积 100m3 盛装介质 液化氨气 介质特性 无毒 有刺激性气味等参数按照TSG R0004一2009 固定式压力容器安全技术监 察规程 附件A中l 3 1 第二组介质 压力容器类别的划分图 利用PV值坐标 图 A 2确定本设备的容器类别为 类 图1 2 压力容器类别划分图一第一组介质 D 确定腐蚀裕量 由所选定受压元件的材质 工作介质对受压元件的腐蚀率 容器使用环境和 用户期待的使用寿命来确定 实际上应先选定受压元件的材质 再确定腐蚀裕量 工作介质对受压元件的腐蚀率主要按实测数据和经验来确定 受使用环境影响很 大 变数很多 目前无现成的数据 一般介质无腐蚀的容器 其腐蚀裕量取1 2mm 即可满足使用寿命的要求 本储罐设计要求取腐蚀裕量为1 5mm E 确定焊接接头系数 焊接接头系数 应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确 定 双面焊焊接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头 100 无损检测取焊接 接头系数 1 00 局部无损检测 0 85单面焊对接接头 沿焊缝根部全长有紧贴 基本金属的垫板 100 无损检测 0 9 局部无损检测 0 8本例选焊接接头系 数为1 0 F 材料的选择 卧式液氨储罐壳体材料选用主要有 Q245R Q345R Q370R等几种 Q245R 属于优质碳素钢 这类钢强度较低 塑性和可焊性较好 价格低廉 Q345R 0 或 20 供货 为低合金钢 是压力容器常用钢 一般用于对安 全性要求较高的容器 Q370R 20 供货 为低合金中强度钢 主要应用于大型球罐 综合考虑 100m3卧式液氨储罐选用Q345R正火板 8 100m 3液氨储槽设计 6 1 5 2 卧式容器的简化设计法 自1951年齐克提出卧式容器的设计计算方法以来 该法一直为欧美诸国在工 程设计中沿用至今 我国 钢制石油化工压力容器设计规定 1967 1977两版中 有关卧式容器的设计也是在该方法的基础上提出来的 齐克设计计算法的应力方 程式 是在对鞍座卧式容器进行了应力分析 井引入实验经验常数后建立起来的 因此比较符合实际犷计算值与实测值也较为接近 容器内介质比重为1 当介质比重大于1时 则应将公式中涉及自重的各项乘 以该介质的比重 在这样的前提下 筒体壁厚的确定和鞍座处是否需要设置加强 板或加强 筒体周向稳定性校核 这两方面可以根据简化公式进行简化计算 9 1 6 储罐设计中所考虑的问题 卧式储罐用于储存液氨时 要知道液氨是一种有刺鼻性气味 易与水反应对 人体有伤害的原料 其储罐属于具有较大危险的储存容器之一 因此 在满足设施 功能要求下 储罐具有良好的安全性是设计的首要问题 10 1 6 1 液氨储罐常见缺陷及其处理方法 液氨本身具有轻微腐蚀性 与储罐在使用中所受应力共同作用下 使储罐产 生损伤 储罐在液氨介质环境中常见的缺陷有裂纹 层状开裂 表面腐蚀 应力 腐蚀等 储罐出现的缺陷可分为在使用过程中产生和在制造过程中遗留两种类型 发 现的制造遗留缺陷相对较少 主要发现的是使用过程中产生的缺陷 缺陷性质为 表面裂纹和大面积腐蚀 而且发现这种缺陷的状况有明显增多的迹象 常见缺陷 特征为 1 储罐母材内表面点状腐蚀缺陷和内外表面均匀腐蚀 2 储罐纵 环焊缝内部条状裂纹 3 储罐纵 环焊缝融合线或热影响区条状裂纹 4 储罐管接头角焊缝针状气孔 5 储罐管接头角焊缝未焊透留下的埋藏缺陷 一旦打磨角焊缝表面 立即 暴露出内部未清渣 未焊透的针状或点状穿透性气孔等 裂纹的成因 应力腐蚀裂纹产生的条件可以概括为三个方面 拉应力 应力腐蚀敏感性组 织和特定的腐蚀介质 拉应力可以为来自冷热加工的残余应力 热应力 温差应 力 或结构应力 发生在结构突变部位 机械损伤腐蚀等引起的表面损伤部位 由 100m 3液氨储槽设计 7 于几何不连续在工作应力下产生的应力集中 应力腐蚀敏感性组织主要决定于 材质和热加工工艺 一定的应力腐蚀敏感性组织在特定的腐蚀介质中 即有可能 发生应力腐蚀 产生应力腐蚀裂纹 钢板有夹层 夹杂 一般有以下几种现象 A 局部鼓包无裂纹 B 局部鼓包并开裂 C 大面积鼓包 鼓包表面有裂纹 钢板中夹杂严重 D 层状微裂纹 E 台阶状的裂纹 阶梯裂纹 裂纹类缺陷处理 A 发现裂纹首先应打磨处理 B 打磨至腐蚀余量深度不能消除的 要测量裂纹尺寸 计算无量纲参数G0 可以达到打磨后形成的凹坑在允许范围内不补焊的 按 检规 的要求打磨 C 超出上述范围的应制定焊接返修工艺 按工艺规定处理 鼓包类缺陷处理 A 对于局部鼓包较轻微无裂纹 可打孔放气顶回或不顶回封焊保留观察 B 对于局部小面积鼓包并开裂 应将鼓包铲除打磨 铲除后对鼓包下金属表 面探伤 无裂纹 计算剩余壁厚合格 可以不进一步处理 壁厚不足可视情况予 以堆焊 C 对于大面积鼓包 鼓包下面有裂纹 钢板夹杂严重 存在大量层状微裂 纹 大面积测厚异常 台阶状的裂纹 阶梯裂纹应挖补 更换筒节或报废 11 1 6 2 液氨储罐易发生事故的部位 液氨储罐的气相进出口 液相进出口 排污口 液面计口 安全阀接口 压 力表口等接管 阀门 法兰连接密封等部位失效或泄漏 1 6 3 泄露及堵漏处理 泄露处理 A 泄压排空 当罐体开裂尺寸较大而无法止漏时 迅速将罐内液氨导入空 罐或其他储罐中 B 大量泄漏时 用带压力的水和稀盐酸溶液 在事故现场布置多道水幕 在空中形成严密的水网 中和 稀释 溶解泄露的氨气 构筑围堤或挖坑收容产 生的废水 对附近的雨水口 地下管网入口进行封堵 防止可燃物进入 造成二 次事故 100m 3液氨储槽设计 8 C 体积较小的液氨钢瓶在运输途中发生泄露 无器具堵漏或泄露无法控制 时 可将其浸入水中 堵漏处理 A 管道壁发生泄露 又不能关阀止漏时 可使用不同形状的堵漏垫 堵漏 楔 堵漏胶 堵漏带等器具实施封堵 B 微孔泄露可用螺丝钉加粘合剂旋入孔内的办法封堵 C 罐壁撕裂泄露可用充气袋 充气垫等专用器具从外部包裹堵漏 D 带压管道泄露可以用捆绑式充气堵漏袋 或使用金属外壳内衬橡胶垫等 专用器具实行堵漏 E 阀门 法兰盘或法兰垫片发生泄露 可用不同型号的法兰夹具并注射密 封胶的方法实施封堵 也可直接使用专用阀门堵漏工具实施堵漏 1 6 4 液氨的物化性质 液氨 又称为无水氨 是一种无色液体 氨作为一种重要的化工原料 应用 广泛 为运输及储存便利 通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨 液氨 易爆 易燃而且有毒 因此运输和储存时最高浓度不得超过 30mg m3 氨易溶于 水 溶于水后形成氢氧化铵的碱性溶液 氨在 20 水中的溶解度为 34 液氨 在工业上应用广泛 而且具有腐蚀性 且容易挥发 所以其化学事故发生率相当 高 14 1 6 5 液氨中毒处置 一 毒性及中毒机理 液氨人类经口最低中毒剂量 0 15 ml kg 液氨人类吸入最小致死浓度 5000 ppm m 氨进入人体后会阻碍三羧酸循环 降低细胞色素氧化酶的作用 致使脑氨增 加 可产生神经毒作用 高浓度氨可引起组织溶解坏死作用 二 接触途径及中毒症状 1 吸入 吸入是接触的主要途径 氨的刺激性是可靠的有害浓度报警信号 但由于嗅 觉疲劳 长期接触后对低浓度的氨会难以察觉 1 轻度吸入氨中毒表现有鼻炎 咽炎 气管炎 支气管炎 患者有咽灼 痛 咳嗽 咳痰或咯血 胸闷和胸骨后疼痛等 2 急性吸入氨中毒的发生多由意外事故如管道破裂 阀门爆裂等造成 急性氨中毒主要表现为呼吸道粘膜刺激和灼伤 其症状根据氨的浓度 吸入时间 100m 3液氨储槽设计 9 以及个人感受性等而轻重不同 3 严重吸入中毒可出现喉头水肿 声门狭窄以及呼吸道粘膜脱落 可造 成气管阻塞 引起窒息 吸入高浓度可直接影响肺毛细血管通透性而引起肺水肿 2 皮肤和眼睛接触 低浓度的氨对眼和潮湿的皮肤能迅速产生刺激作用 潮湿的皮肤或眼睛接触 高浓度的氨气能引起严重的化学烧伤 皮肤接触可引起严重疼痛和烧伤 并能发 生咖啡样着色 被腐蚀部位呈胶状并发软 可发生深度组织破坏 高浓度蒸气对眼睛有强刺激性 可引起疼痛和烧伤 导致明显的炎症并可能 发生水肿 上皮组织破坏 角膜混浊和虹膜发炎 轻度病例一般会缓解 严重病 例可能会长期持续 并发生持续性水肿 疤痕 永久性混浊 眼睛膨出 白内障 眼睑和眼球粘连及失明等并发症 多次或持续接触氨会导致结膜炎 1 6 6 液氨泄漏处置 1 少量泄漏 撤退区域内所有人员 防止吸入蒸气 防止接触液体或气体 处置人员应使 用呼吸器 禁止进入氨气可能汇集的局限空间 并加强通风 只能在保证安全的 情况下堵漏 泄漏的容器应转移到安全地带 并且仅在确保安全的情况下才能打 开阀门泄压 可用砂土 蛭石等惰性吸收材料收集和吸附泄漏物 收集的泄漏物 应放在贴有相应标签的密闭容器中 以便废弃处理 2 大量泄漏 疏散场所内所有未防护人员 并向上风向转移 泄漏处置人员应穿全身防护 服 戴呼吸设备 消除附近火源 向当地政府和 119 及当地环保部门 公安交警部门报警 报警内容应包括 事故单位 事故发生的时间 地点 化学品名称和泄漏量 危险程度 有无人员 伤亡以及报警人姓名 电话 禁止接触或跨越泄漏的液氨 防止泄漏物进入阴沟和排水道 增强通风 场 所内禁止吸烟和明火 在保证安全的情况下 要堵漏或翻转泄漏的容器以避免液 氨漏出 要喷雾状水 以抑制蒸气或改变蒸气云的流向 但禁止用水直接冲击泄 漏的液氨或泄漏源 防止泄漏物进入水体 下水道 地下室或密闭性空间 禁止 进入氨气可能汇集的受限空间 清洗以后 在储存和再使用前要将所有的保护性 服装和设备洗消 1 7 本课题的基本内容与拟解决的主要问题 100m 3液氨储槽设计 10 1 7 1 本设计的基本内容 通过文献查阅 熟悉液氨储罐装置 设备组成及操作规程 掌握液氨储罐的 工作原理 掌握罐的设计要点及相关设计标准和规范 本课题设计压力容器应该严格按照 GB 150 钢制压力容器 标准来设计 包括筒体 封头 人孔选择等部分的设计制造 以及对抗震 强度及加强圈等的 设计 并与 NB T47042 2014 卧式容器 分析设计标准 设计进行比对 1 7 2 拟解决的主要问题 在设计过程中 主要需要解决的问题需要参考正确的规范进行设计 解决筒 体 鞍座 封头的选型及结构设计 还有接管 法兰 垫片和螺栓 柱 的选型 及尺寸和开孔补强 校核 选择附件 绘制零件图 装配图等问题 而且最重要 的是设计完成后要保证其安全性 100m 3液氨储槽设计 11 第二章 方案论证 2 1 设计依据 化工设备设计的主要依据是 TSG R0004 2009 固定式压力容器安全技术 监察规程 GB150 2011 压力容器 GB T25198 2010 压力容器封头 HG T20613 2009 钢制管法兰用紧固件 PN 系列 JB T4712 2007 容器支座 等等 其原因在于这些化工设备设计技术的成熟 在全国范围内已经形成了系列 相关的监察部门也出具了一系列的法律来规定设计者的职责 这些标准和规范确 定了化工设备的设计制造规范 是化工设备正常运行的重要保障 2 2 设计步骤 2 2 1 确定压力容器的基本设计参数 A 根据设计压力 介质 容积确定压力容器分类 焊接接头系数 参考 TSGR0004 2009 固定式压力容器安全技术监察规程 参考HG T20580 2011 确定腐蚀裕量 压力容器用钢应有较大的塑性储备 较高的韧性 较好的成型性 能和焊接性能 根据压力 温度 介质等使用条件对压力容器进行选材 压力容 器用材的主要选择依据有 容器的使用条件 材料的力学性能 钢制压力容器脆 化的主要依据 材料的耐腐蚀性能 材料的加工性能 材料的价格及来源 同 一工程设计中用材要统一 B 确定焊接接头系数 焊接接头系数 应根据受压元件的焊接接头型式及 无损检测的长度比例确定 双面焊焊接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头 100 无损检测取焊接接头系数 1 00 局部无损检测 0 85 单面焊对接接头 沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板 100 无损检测 0 9 局部无损检 测 0 8 本例选焊接接头系数为 1 0 C 容器主要零部件的组装均采用焊接 焊缝的接头形式和坡口形式的设计 直接影响到焊接的质量与容器的安全 容器上不同部件间的连接焊缝按其所在整 体强度与安全中所处地位的不同将它们分为 A B C D 四类 以此合理地设 计这些焊缝结构和质量控制与检验 100m 3液氨储槽设计 12 2 2 2 封头的选择 封头设计时 一般应优先选用封头标准中推荐的形式与参数 然后根据受压 情况进行强度或稳定性计算 A 半球形封头在均匀内压作用下 薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆 筒的一般 所以从受力分析来看 球形封头是最合理的结构形式 但其缺点是深 度大直径小 整体冲压困难 大直径采用分瓣冲压去拼焊工作量也较大 B 椭圆形封头 直边的作用是避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率 半径突变 以改善焊缝的受力状况 由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续 故受力分布均匀 且椭圆形封头深度较半球形封头小得多 易于冲压成型 是目 前中 低压容器中应用较多的封头之一 C 碟形封头 从几何形状看 碟形封头是一不连续曲面 在经线曲率半径 突变的两个曲面连接处 由于曲率的较大变化而存在较大边缘弯曲应力 该边缘 弯曲应力与薄膜应力叠加 使该部位的应力远远高于其他的部位 故受力状况不 佳 D 球冠形封头 由于其结构简单 制造方便 常用作容器中两个独立受压 室的中间封头 但由于球面和圆筒连接处没有转角过渡 所以在连续处附近的封 头和圆筒上都存在相当大的不连续应力 应力的分布也不合理 综上所述 从强度 结构和制造方面综合考虑 采用椭圆形封头最为合适 2 2 3 开孔补强 接管开孔补强是本文重要的组成部分之一 但并非每一个开孔都需要补强 它的依据是国标 GB150 2011 第 6 1 3 条规定 A 设计压力 P 2 5MPa B 两相邻开孔中心的间距 对曲面间距以弧长计算 应两孔直径之和 对于 3 个或以上相邻开孔 任意两孔中心的间距 对曲面间距以弧长计算 应不小于 该两孔直径之和的 2 5 倍 C 接管外径小于或等于 89mm D 接管壁厚满足 GB150 表 6 1 要求 表中接管壁厚的腐蚀裕量为 1mm 需 要加大腐蚀裕量时 应相应增加壁厚 E 开孔不得位于 A B 类焊接接头上 F 钢材的标准抗拉强度下限值 Rm 540MPa 时 接管与壳体的连接宜采用全 焊透的结构型式 所以在这部分计算过程之初 应该根据这一规定对每个接管进行判断 如需 100m 3液氨储槽设计 13 补强 则需确定开孔所需补强面积 再根据接管布置确定其有效补强范围和面积 最后计算出补强的面积并设计补强圈 此部分设计主要依据是国标 GB150 2011 2 2 4 法兰及相关部件 根据HG T20613 2009 钢制管法兰 PN系列 本次设计中选用的法兰为 带颈对焊法兰 WN 密封面形式为突面密封 RF 垫片的形式和适用范围按 照HG T20627 HG T20633的规定 垫片的形式和材料应根据流体 使用情况 温 度 压力 以及法兰接头的密封要求选用 法兰密封形式和表面粗糙度应与垫片 形式和材料相适应 100m 3液氨储槽设计 14 第三章 卧式液氨储罐结构设计 3 1 筒体设计 3 1 1 筒体材料 根据 GB150 2011 选用材料为 Q345R 使用状态为热轧 控轧 正火 筒 体为 A 类焊缝 且需 100 探伤 所以取其焊接系数为 1 00 假设圆筒的厚度在 3 16mm 范围内 查 GB150 2011 中 可得 Q345R 的疲 劳极限强度510 b MPa 屈服极限强度345 s MPa 50 下 MPa t 185 3 1 2 筒体公称直径 公家标准中并未严格规定压力容器的长径比 故综合美观 方便运输 检修 的因素综合考虑后得出 暂将长径比定位3 1 5 1之间 初步估算长径比 2 2 100 4 m LD 3 1 带入长径比 L D 4 可以得到 D 3170mm 由GB T9019 2001 压力容器公称直径 中所得 向下圆整至 D 3200mm 3 1 3 筒体计算压力 已知设计压力为2 16MPa 计算压力为设计压力与液柱静压力的和 max hg 静 P 3 2 代入 3 m562 871kg 液氨密度由网上相关资料查出 可得到液柱静压力 paP63 17651 但GB150 2011规定 当液柱静压力小于等于5 设计压力时 可以忽略不计 此时计算压力就等于设计压力 c Pp 5 3 3 顾液柱静压力忽略不计 计算压力为2 16MPa 3 1 4 筒体壁厚计算 100m 3液氨储槽设计 15 根据GB150 2011计算筒体厚度 15 计算厚度 mm P DP c t ic 79 18 16 211852 320016 2 2 3 4 给定的腐蚀C2 1 5mm 钢板材料负偏差C1查标准HG20580 2011 钢制化工 容器设计基础规定 附录A可知C1 0 3mm 设计厚度 mmCC59 205 13 079 18 21 3 5 名义厚度 按照Q345R钢板标准厚度选取 名义厚度应选取21mm厚钢板作 为筒体材料 3 2 封头设计 3 2 1 封头材料及类型 材料 根据GB T25198 2010 椭圆形封头 选取封头材料与筒体材料一致 为Q345R 类型 封头按标准GB T25198 2010表1进行选择 选择以内径为基准的椭圆 形封头 EHA 如下表 表3 1 椭圆形封头 名称 断面形状 代号类型 形式参数关系 以内径为基 准 EHA 2 2 i D Hh i DND 3 2 2 封头公称直径 公称直径 mmDi3200 按照标准GB T25198 2010表C 1选择封头 表3 2 封头尺寸 公称直径Dg 曲面高度h1 直边高度h2 壁厚S 内表面积F 容积V 质量G mm mm mm mm m3 Kg 100m 3液氨储槽设计 16 3200 800 40 21 11 5 4 61 1953 8 3 2 3 封头尺寸计算 按照GB150 3 2公式5 1计算封头厚度 mm P DP c t i 56 18 16 211852 320016 2 2 c 3 6 腐蚀余量与钢板负偏差与筒体相同 按式2 5计算 设计厚度 mmC d 06 205 156 18 2 名义厚度 mmCC n 36 205 13 056 18 21 名义厚度取21mm 3 3 筒体长度确认 计算容积为 封 VLDV i 2 4 0 2 3 7 因为装量系数确定为0 9 故实际容积V实为 2 4 9 0 0 2 封实 VLDV i 3 8 代入数据得到 L0 12669 12mm 圆整至 12670mm 带入长径比 L D 3 96 符 合长径比要求 3 4 人孔选择 3 4 1 人孔选型及材料 根据HG T21518 2005 回转盖带颈对焊法兰人孔 选用人孔和凹凸面的 法兰 100m 3液氨储槽设计 17 图 3 1 人孔结构图 根据 HG T21518 2005 回转盖带颈对焊法兰人孔 中表 3 1 可选择相应的 材料 表 3 3 人孔明细 序号 标准编号 名称 数量 材料 1 筒节 1 Q345R 2 HG20595 法兰 1 16Mn 锻件 3 HG20606 垫片 1 非金属平片 4 HG20601 法兰盖 1 16MnR 5 HG20613 等长双头螺柱 20 8 8级35CrMoA 6 螺母 40 8 8级35CrMo 7 把手 1 Q235 A F 8 轴销 1 Q235 A F 9 GB T 91 销 2 Q235 A F 10 GB T 95 垫圈 2 100HV 11 盖轴耳 1 A 1 Q235 A F 12 法兰轴耳 1 1 Q235 A F 13 法兰轴耳 2 1 Q235 A F 14 盖轴耳 2 1 Q235 A F 3 4 2 人孔尺寸明细 其明细尺寸根据 HG T21518 2005 回转盖带颈对焊法兰人孔 中表 3 3 中 的数据得出 具体如下 16 表3 4 人孔尺寸 单位 mm 100m 3液氨储槽设计 18 密封面形式 公称压力 PN MPa d W s d D D 1 H 1 凸面 M 型 4 0 500 16 498 755 670 290 第四章 其它部件的选取 4 1 接管排布 液氨储罐应设置排污口 出液口 人孔 液位计口 温度计口 压力表口 安全阀口 排空口等 材料 容器接管一般应采用无缝钢管 所以液体进料口接管材料选择无缝钢 管 采用无缝钢管标准GB8163 2008 材料为16Mn 接管的壁厚要求 接管的壁厚除要考虑上述要求外 还需考虑焊接方法 焊 接参数 加工条件 施焊位置等制造上的因素及运输 安装中的刚性要求 一般 情况下 管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半 否则 应采用厚