1、 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，
2、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 100m3 ，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。 三、阅读的主要参考文献及资料名称 1吕宜涛
3、,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 2 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
4、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 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 ;至于低温常压工艺，则是将液
5、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;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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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。 6 六、完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决的办法 6.1 具备的条件 以前所学到的理论知识、所用的课本、搜集到的资料、老师提供的参考资料等， Auto CAD二维工程图软件，还有计算机，图书馆，网络资源等。 6.2 解决办法 在图书馆查阅化工容器设计的、设计手册和杂志等相关书籍，借助网络资源，在学校图书馆网站和一些化工机械论坛上查阅下载
11、必要的资料，并在老师的指导，认真思考、归 纳总结，逐步解决在设计过程中遇到的理论性困难问题，及时补充学习缺乏的知识。在空闲时间多上机学习并熟练掌握上述的各种绘图软件和分析软件。 七工作的主要阶段、进度与时间安排 1、搜集资料 第 4 周 2、翻译和开题报告 第 5-6 周 3、卧式储罐的结构设计 第 7-8 周 4、焊接工艺设计 第 9 周 5、容器失效分析 第 10-11 周 6、经济性分析 第 12 周 7、撰写论文 第 13-14 周 8、报于指导老师审查，修改 第 15 周 9、准备答辩 第 16 周 八指导教师审查意见 2.8m3 卧式液氨储罐 的 设计 学 生： xxxxxxxxx
12、x 指导 教师： xxxxxxxxxx 【摘要】 本文首先介绍了压力容器的国内外研究现状和发展趋势，对液氨储罐作了简单的介绍。接着对液氨储罐的进行了详细的结构设计 , 并运用 Auto CAD、Pro/Engineer软件分别绘制了储罐装配图和三维图。并利用 ANSYS分析软件对储罐进行了应力分析，针对最大应力分布区域进行补强设计， 有效地解决了用定量计算方法进行应力分析困难的缺点。还从价格评估的角度对液氨储罐作了经济性分析，验证了结构设计方案的可行性。最后从焊接缺陷出发对储罐进行失效分析，并以 VB语言为基础，结合控制图原理 设计了一个缺陷分析的 CAPP系统，从而完成了整个卧式液氨储罐的分
13、析设计过程。 【关键词】 卧式液氨储罐；结构设计；应力分析； 经济性分析； CAPP 8 The Design of the horizontal liquid ammonia storage tank Student： xxxxxxx Guide teacher： Zxxxxxxx Abstract This paper introduced the development and trends of the research status the for pressure vessel in the first, and analyzed the liquid ammonia storag
14、e tank with a simple presentation. Then we design the liquid ammonia tank detailed and draw the tank assembly and three-dimensional maps with the application of Auto CAD and Pro/Engineer software. And we analysis the stress for the storage by use of ANSYS software, region reinforcement design for th
15、e greatest stress distribution, solve the quantitative calculation method for stress analysis of the shortcomings of difficulties effectively. And we give the Price assessment from the perspective of liquid ammonia storage tank ,which make economic analysis to verify the structural design of the fea
16、sibility of the program. Finally we give the failure analysis starting from the welding defects on the tank ,for which the CAPP system were design for the defect analysis based on VB language,and Control Chart with the principle of a, thus the whole horizontal analysis of the liquid ammonia tank des
17、ign process were completed. Keyword horizontal liquid ammonia storage tank;structural design; analysis of economic;stress analysis;CAPP 选题背景 第 1 页 ( 共 56 页 ) 1 选题背景 1.1 该课题研究的目的和意义 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
18、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。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，应用相当广泛。 然而我国卧式储罐设计制造技术的还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，特别是对容器的安全稳定性分析显得尤为重要 ,可以 避免容器失效造成的巨大危害和损失，所以研究卧式储罐设计对我国石油化工等行业 的发展 有着极其重要的意义。 1.2 压力容器的国内外研究现状及发展趋势 随着化工、石油、能源、锅 炉等工业的迅速发展，今年来压力容器制造技术的进展主要体
19、现在以下四个方面： （ 1）压力容器向大型化发展 压力容器向大型化发展，容器的直径、容积、厚度、质量等参数增大，容器的工作条件，如温度、压力、介质越来越恶劣、复杂，而且这一大型化的趋势还在继续。容器大型化可以节约能源、节约材料、降低投资、降低生产成本、提高生产效率。 国外以美国和日本为代表的合成氨和装置已经基本稳定在年产 30 万 40 万 t，个别有 60 万 t，乙烯装置稳定在年产 30 万 50 万 t，个别有 68 万 75 万 t，板焊结构式的煤气塔厚度为 200mm，内径为 9100mm，单台质量已达到 2500t。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
20、瑞拉就建成了 16 410 3m 的浮顶储罐， 1971 年日本建成了 20 410 3m 的浮顶储罐，而世界产油大国之一的沙特阿拉伯也已成功建造了 20 410 3m 的浮顶储罐。 国内大型储罐发展从 20 世纪 70 年代开始， 1975 年，国内首台 5 410 3m 浮顶储罐在上海陈山码头建成。继后，在石化企业、港口、油田、管道系统建造数十台2.8m3 卧式液氨储罐 的 设计 第 2 页（共 56 页） 5 410 3m 浮顶储罐。 20 世纪 80 年代中后期，国内开始建造 10 410 3m 的大型浮顶储罐，迄今为止，已经先后在秦皇岛、大庆、湛江等地建造了 80 余座 10 410
21、 3m 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浮顶储罐是中国石化集团公司建造的油罐 15 410 3m 。目前中国已经基本掌握了厚度在 150mm200mm 的大型容器的制造、焊接和检测技术，厚度在 200mm 以上的大型容器的制造、焊接和检测技术也已经成熟。 （ 2）压力容器用钢的逐渐完善，专业用钢越来越明显 压力容器向大型化发展，对钢材的要求也日益严格，材料技术的不断提高使压力容器大型化有了保障。当前压力容器用钢发展的主要特点有如下几个： 随着刚才强度的提高，同时要改善钢材的抗裂性和韧性指标。通过降低碳的含量，同时加入微量合金元素以保证钢材有一定的刚度，不断提高炼钢技术使
22、钢水杂质含量大幅度降低。日本炼钢可使磷降到 0.01%以下，硫降到 0.002%以下。 对于高温抗氢用钢，尽量减轻钢的回火脆性和氢脆倾向。 降低大型钢锭中的夹杂物及偏析等缺陷以保证内部性能均匀，提高钢锭的利用率。日本、美国、德国都生产出了大厚钢板。 出现大线能量下焊接性良好 的钢板。 （ 3）焊接新材料、新技术的不断出现和使用，使焊接质量日趋稳定并提高 为了适应大型化和厚壁压力容器的发展，国内外普遍采用了强度级别较高的钢材，这时为了降低焊缝中的氢含量，提高焊接接头的韧性，日本神钢公司研制了 UL系列的超低氢焊条，对 600MPa 级的高强钢焊接时，甚至可以不预热。 随着钨极氩弧焊、多丝埋弧焊、窄间隙焊等新焊接方法的采用大大改善了焊接接头的性能。自动焊接技术和焊接机器人的使用使大型容器上百米的纵焊缝、环焊缝和接管的鞍形焊缝实现了自动化，提高了焊接质量和效率，降低了劳动强度，改善了劳动条件 。 （ 4）无损检测技术的可靠性逐步提高，有力地保证了装备制造及运行的安全。 无损探伤技术在对过程装备的材料和整个制造过程以及在服役装备检验方面起者重要的作用，另外，在缺陷评定方面的进步也有效地保证了装备的安全性。 目前工程上主要的检验方法有：射线探伤、超声波探伤、表面探伤、声发射探伤。
