20立方米液氨儲罐的設計【20m3液氨儲罐的設計】【含有限元】【說明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】,20m3液氨儲罐的設計,含有限元,說明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真,20立方米液氨儲罐的設計【20m3液氨儲罐的設計】【含有限元】【說明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】,20,立方米 前言 前言 在與普通機械設備相比，對于處理如氣體、液體等流體材料為主的化工設備，其所處的工藝條件和過程都比較復雜。尤其在化學工業(yè)、石油化工部門使用的設備，多數(shù)情況下是在高溫、低溫、高壓、高真空、強腐蝕、易燃易爆、有毒的苛刻條件下操作，加之生產(chǎn)過程具有連續(xù)性和自動化程度高的特點，這就需要要求在役設備既要安全可靠地運行，又要滿足工藝過程的要求，同時還應具有較高的經(jīng)濟技術指標以及易于操作和維護的特點。 生產(chǎn)過程苛刻的操作條件決定了設備必須可靠運行，為了保證其安全運行，防止事故發(fā)生，化工設備應該具有足夠的能力來承受使用壽命內可能遇到的各種外來載荷。就是要求所使用的設備具有足夠強度、韌性和剛度，以及良好的密封性和耐腐化工設備是由不同的材料制造而成的，其安全性與材料的強度密度切相關。在相同的設計條件下，提高材料強度無疑可以保證設備具有較高的安全性。由于材料、焊接和使用等方面的原因，化工設備不可避免地會出現(xiàn)各種各樣的缺陷，在選材時充分考慮材料在破壞前吸收變形能量的能力水平，并注意材料強度和韌性的合理搭配。設備的設計應該確保具有足夠的強度抵抗變形能力，在相同工藝條件下，為了獲得較好的效果，設備可以使用不同的結構內件、附件等。并充分利用材料性能，使用簡單和易于保證質量的制造方法，減少加工量，降低制造成本?；ぴO備除了要滿足工藝條件和考慮經(jīng)濟性能，使設備操作簡單，便于維護和控制，在結構設計上就應該考慮易損零部件的可維護性和可修理性。對于化工設備提出的基本要求比較多，全部滿足顯然是比較困難的，但是主要還是化工設備的安全性、工藝性和經(jīng)濟性，且核心是安全性要求。由此，可以針對化工設備的具體使用情況，優(yōu)先考慮主要要求，再適當兼顧次要要求。 第 1 頁 共 39 頁 1.方案設計 1.方案設計 1.1設計符號說明 英文字母 ———容器的設計壽命,; ———貯罐內徑，; ———鋼板的許用應力， ———儲罐設計壓力， ———鋼板厚度負偏差, ; ———介質的腐蝕裕量, ; 希臘字母 ———罐體計算厚度, ; ———罐體設計厚度, ; ———罐體的名義厚度, ; ———罐體的有效厚度, ; ———圓整值， ———腐蝕速率， ———焊接接頭系數(shù) 1.2 設計數(shù)據(jù) 設計一液氨貯罐。工藝條件：溫度為≤50℃，50℃氨飽和蒸氣壓2.03Mpa，容積為20m3 ，工作壓力≤1.62Mpa，抗震設防烈度≤7度，風和雪載荷不考慮 1.3 設計思路 液氨，又稱為無水氨，是一種無色液體。氨作為一種重要的化工原料，應用廣泛，為運輸及儲存便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻得到液態(tài)氨。液氨在工業(yè)上應用廣泛，而且具有腐蝕性，且容易揮發(fā)，所以其化學事故發(fā)生率相當高。氨作為一種重要的化工原料，應用廣泛。分子式NH3，分子量17.03，相對密度0.7714g/L，熔點-77.7℃，沸點-33.35℃，自燃點651.11℃，蒸汽壓1013.08kPa(25.7℃)。 設計壓力容器要求根據(jù)化工生產(chǎn)工藝提出的條件，確定容器設計所需參數(shù)（P、T、D），選定材料和結構形式，通過強度計算確定容器筒體及封頭壁厚。對已制定材準的受壓元件，可直接選取。而本設計容器為20m3的液氨儲罐，所以要求結合所學到的知識和利用身邊可以查到的資料對20m3的液氨儲罐進行設計。 1.4 設計特點 容器的設計一般由筒體、封頭、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常、低壓化工設備通用零部件大都有標準，設計時可直接選用。本設計書主要介紹了液罐的的筒體、封頭的設計計算，低壓通用零部件的選用。 本設計綜合考慮環(huán)境條件、介質的理化性質等因素，結合給定的工藝參數(shù)，機械按容器的選材、壁厚計算、強度核算、附件選擇、焊縫標準的設計順序，分別對儲罐的筒體、封頭、人孔接管、人孔補強、接管、管法蘭、液位計、鞍座、焊接形式進行了設計和選擇。設備的選擇大都有相應的執(zhí)行標準，設計時可以直接選用符合設計條件的標準設備零部件，也有一些設備沒有相應標準，則選擇合適的非標設備。 各項設計參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標準或國家標準，這樣讓設計有章可循，并考慮到結構方面的要求，合理地進行設計。 1.5設計要求 1. 確定容器材質； 2. 確定罐體形狀及名義厚度； 3. 確定封頭形狀及名義厚度； 4. 確定支座，人孔及接管，以及開孔補強情況 1.6技術要求 （1） 本設備按GBl50-1998《鋼制壓力容器》進行制造、試驗和驗收 （2） 焊接材料，對接焊接接頭型式及尺寸可按GB985-80中規(guī)定(設計焊接接頭系數(shù)) （3） 焊接采用電弧焊，焊條型號為E4303 （四）殼體焊縫應進行無損探傷檢查，探傷長度為100％ 第 39 頁 共 39 頁 2.設計參數(shù)確定 2.設計參數(shù)確定 2.1 設計溫度 取設計溫度50 2.2 設計壓力 在夏季液氨儲罐經(jīng)太陽暴曬，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷變化。通過查表可知，在50℃ 時液氨的飽和蒸汽壓(絕對壓力)為2.03MPa，密度為563kg/m3，而容器設計時必須考慮在工作情況下可能遇到的工作壓力和相對應的溫度兩者相結合中最苛刻工作壓力來確定設計壓力。一般是指容器頂部最高壓力與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。 此液氨儲罐采用安全法，依據(jù)《球罐和大型儲罐》若儲罐采用安全法時設計壓力應采用最大工作壓力的倍，取設計壓力P=1.1PW（Pw=2.03Mpa表壓）所以 P=1.1PW=2.23MPa。 表1 各溫度對應液氨飽和蒸汽壓 2.3 腐蝕余量 查《腐蝕數(shù)據(jù)手冊》16MnR（鍋爐壓力容器專用鋼） 耐氨腐蝕，其，若設計壽命為15年，則 2.4焊縫系數(shù) 該容器屬中壓貯存容器，按《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，氨屬中度毒性介質，容器筒體的縱向焊接接頭和封頭基本上都采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，所以取或常見。的選取按下表選擇: 表2 焊接接頭系數(shù) 序號 焊接接頭結構 焊接接頭系數(shù) 全部無損探傷 局部無損探傷 1 雙面焊或相當于雙面焊的全焊透對接焊接接頭 1.0 0.85 2 單面焊的對接焊接接頭，在焊接過程中沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板 0.9 0.85 此儲罐采用100%無損探傷，故 2.5 容器直徑 考慮到壓制封頭的規(guī)格及標準件配套選用的需要，容器的筒體和封頭的直徑都有規(guī)定。此儲罐設計的公稱直徑（內徑）選擇。 表3 公稱直徑 公稱直徑 300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000 2.6 許用應力 50oC溫度時，16MnR鋼材的許用應力表,知 表4 50oC溫度時，16MnR鋼材的許用應力表 鋼材厚度 許用應力 屈服極限 ＜16 170 345 16～36 163 325 36～60 157 305 2.7 材料選擇 根據(jù)液氨貯罐的工作壓力（P=2.23作為設計壓力）、工作溫度和介質的性質可知該設備為一中壓常溫設備，介質對碳鋼的腐蝕作用很小,主要考慮的強度指標（指和）和塑性指標適合的材料有：A3R、20g、16MnR、15MnVR、20R。為了節(jié)省金屬，高壓設備應優(yōu)先選取普通低合金鋼、中強度。凡屬強度計算為主要的中壓設備亦以采用普通低合金鋼為宜。因為屈服強度分別為 和的普通低合金鋼，其材料價格與碳素鋼差不多，但強度比碳素鋼約高，采用該類鋼材制造壓力容器，可以有效地減少設備質量，降低成本，給設備的制造、運輸、安裝帶來很大的方便。所以主要考慮16MnR和20R這兩種。 如果純粹從技術角度看，建議選用20R類的低碳鋼板，16MnR鋼板的價格比20R貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價，16MnR鋼板為比較經(jīng)濟。所以在此選擇16MnR 鋼板作為制造筒體和封頭材料。 3. 結構設計 3. 結構設計 3.1儲罐類型選擇 儲罐可分為立式儲罐、臥式儲罐和球式儲罐。在本設計中由于設計體積較小（約為20m3）且設計壓力較?。≒=2.23Mpa）,故可采用臥式圓筒形容器，方形和矩形容器大多在很小設計體積時采用，因其承壓能力較小且使用材料較多；而球形容器雖承壓能力強且節(jié)省材料，但制造較難且安裝內件不方便；立式圓筒形容器承受自然原因引起的應力破壞的能力較弱，故選用圓筒形臥式容器。 3.2封頭的選擇 本液氨儲罐的封頭選用標準型橢圓形封頭。 從應力分布情況考慮：在直徑、壁厚、設計壓力相同的條件下各種封頭應力分布由好到壞的順序是：半球形、橢圓形、蝶形、錐形、球冠形、平板形。橢圓型封頭的最大應力值和與其相連接的圓筒體中的最大應力值相等，便于筒體強度設計；碟心封頭有兩處連接邊界，受力不及橢圓形。 從金屬消耗量考慮：在相同設計條件下，各種封頭的金屬消耗量按下列順序依次增大：半球形，橢圓形，蝶形，平板形。球形封頭用量最少，比橢圓形封頭節(jié)約25.8％，平板封頭的用量最多，是橢圓形封頭的4倍多。 從制造考慮：橢圓形封頭制造方便，平板封頭則因直徑和厚度較大，坯材的獲得、車削加工、焊接等方面都遇到不少困難，且封頭與筒體厚度相差懸殊，結構也不合理。 所以，從強度、結構和制造等方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。 3.3出料接管的選擇 材料：容器接管一般應采用無縫鋼管，所以液體進料口接管材料選擇無縫鋼管，采用無縫鋼管標準GB8163-87。材料為16MnR。 結構：接管伸進設備內切成45度，可避免物料沿設備內壁流動，減少物料對壁的磨損與腐蝕。 接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考慮上述要求外，還需考慮焊接方法、焊接參數(shù)、加工條件、施焊位置等制造上的因素及運輸、安裝中的剛性要求。一般情況下，管壁厚不宜小于殼體壁厚的一半。否則，應采用厚壁管或整體鍛件，以保證接管與殼體相焊部分厚度的匹配。 不需另行補強的條件：當殼體上的開孔滿足下述全部要求時，可不另行補強。 ① 設計壓力小于或等于。 ② 兩相鄰開孔中心的距離應不小于兩孔直徑之和的2倍。 ③ 接管公稱外徑小于或等于。 ④ 接管滿足最小壁厚要求。 進出料接管滿足不另行補強的要求，所以不再另行補強。 3.4容器支座的選擇 容器支座有鞍座,圈座和支腿三種,用來支撐容器的重量?？芍笮团P式儲槽和臥式容器常采用鞍座，多于兩個支撐的長容器常采用圈座，小型容器常采用支腿，由于本設計采用臥式儲罐，故采用鞍式支座。 3.5人孔的選擇 壓力容器人孔是為了檢查設備的內部空間以及安裝和拆卸設備的內部構件。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個手柄。選用時應綜合考慮公稱壓力、公稱直徑(人、手孔的公稱壓力與法蘭的公稱壓力概念類似。公稱直徑則指其簡節(jié)的公稱直徑)、工作溫度以及人、手孔的結構和材料等諸方面的因素。人孔的類型很多，選擇使用上有較大的靈活性，其尺寸大小及位置以設備內件安裝和工人進出方便為原則。通?？梢愿鶕?jù)操作需要,在這考慮到人孔蓋直徑較大較重, 可選擇回轉蓋對焊法蘭人孔。 3.6法蘭的選擇 法蘭與筒體、封頭或管段以角焊方式聯(lián)接的，稱為平焊法蘭，平焊法蘭制造簡單，廣泛應用，但剛性較差，緊用于壓力不高的場合，如管法蘭小于或等于,壓力容器法蘭小于或等于；是筒體、封頭或管段以對焊方式連接用的法蘭，稱為對焊法蘭或帶頸法蘭，對焊法蘭剛性好且對焊縫的強度高，適用于壓力、溫度較高的場合。 3.7液面計的選擇 液面計是用以指示容器內物料液面的裝置，其類型很多，大體上可分為四類，有玻璃板液面計、玻璃管液面計、浮子液面計和浮標液面計。在中低壓容器中常用前兩種。玻璃板液面計有透光式和反射式兩種結構，其適用溫度一般在0～250℃。但透光式適用工作壓力較反射式高。玻璃管液面計適用工作壓力小1.6MPa，介質溫度在0～250℃的范圍。液面計與容器的連接型式有法蘭連接、頸部連接及嵌入連接，分別用于不同型式的液面計。液面計的選用： （1）玻璃板液面計和玻璃管液面計均適用于物料內沒有結晶等堵塞固體的場合。板式液面計承壓能力強，但是比較笨重、成本較高。 （2）玻璃板液面計一般選易觀察的透光式，只有當物料很干凈時才選反射式。 （3）當容器高度大于3m時，玻璃板液面計和玻璃管液面計的液面觀察效果受到限制，應改用其它適用的液面計。 液氨為較干凈的物料，易透光，不會出現(xiàn)嚴重的堵塞現(xiàn)象，所以在此選用玻璃管液面計。 4.載荷計算 4.載荷計算 4.1儲罐高度確定 儲罐容量為20m3，查表： 表5 筒身常量 公稱直徑DN 1米高容器 體積V 1米高容器內表面積Fi 1米高容器鋼板質量Kg 鋼板厚度 14 18 1600 2.017 5.03 397 557 2000 3.142 6.28 422 695 2200 3.801 6.81 446 764 2400 4.524 7.55 471 833 2600 5.309 8.17 496 902 表6 封頭常量 公稱直徑DN 曲面高度h1 直邊高度h0 內表面積F 容積V 厚度 質量G 1600 400 25 2.901 0.586 10 224 12 270 14 315 16 362 18 408 2000 500 25 4.493 1.126 14 346 16 416 18 486 2200 590 40 5.5229 1.5459 18 616 試選用公稱直徑為，由表知，筒體1米高容器體積，封頭的容積為。利用公式 代入， 得： （1） 則總長為 , 由于液氨筒體的長徑比值為為合適值，所選的長徑比 所以，選用公稱直徑為的筒體合適。 4.2 設計與校核 4.2.1 筒體壁厚設計 4.2.1.1筒體計算壁厚 根據(jù)公式: (2) 其中、、、代入公式： 由2.3可知 則 (3) 得： 根據(jù) ，查《鍋爐與壓力容器第二卷》可知鋼板厚度負偏差。則可得： (4) 4.2.1.2筒體最小厚度校驗 ，滿足要求 4.2.1.3筒體液壓試驗 液壓試驗時 (5) 設計溫度 圓筒的應力 (6) 因為 , 所以，液壓校驗符合要求 4.2.2筒體軸向應力計算與校核 4.2.2.1筒體軸向彎矩計算 筒體中間處截面的彎矩用下式計算： (7) 式中 ——鞍座反力，； ——橢圓封頭長軸外半徑，； ——兩封頭切線之間的距離，； ——鞍座與筒體一端的距離，； ——封頭短軸內半徑，。 其中： (8) 所以： 式中 ； ； ； 將數(shù)值代入公式得 支座處截面上的彎矩 (9) 所以： 4.2.2.2筒體軸向應力計算 由《壓力容器手冊（下）》，因為：，且，所以，最大軸向應力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應力。 4.2.2.3由彎矩引起的軸向應力 筒體中間截面上最高點處 (10) 式中 所以： 筒體中間截面上最低點處： 。 鞍座截面處最高點處： 鞍座截面處最低點處： 4.2.2.4由設計壓力引起的軸向應力 由： (11) 所以： 4.2.2.5軸向應力組合與校核 最大軸向拉應力出現(xiàn)在筒體中間截面最低處，所以 ， 許用軸向拉壓應力， 由上述計算得： ，合格。 最大軸向壓應力出現(xiàn)在充滿水時，在筒體中間截面最高處，， 軸向許用應力： (12) 從《壓力容器手冊（下）》查得： ， 計算得，取許用壓縮應力 ， ，所以合格。 4.2.3 封頭壁厚計算 4.2.3.1 封頭計算壁厚 根據(jù)公式： （13） 本儲罐選用標準橢圓形封頭，，故形狀系數(shù)，代入： 4.2.3.2 封頭設計壁厚 根據(jù)公式： ，代入： 則名義厚度： 4.2.3.3 封頭最小厚度校驗 ，滿足要求 4.2.3.4 封頭強度校核 判斷： （14） （15） 經(jīng)強度校核滿足要求 4.2.4筒體和封頭切向應力校核 因筒體被封頭加強，筒體和封頭中的切向剪應力分別按下列計算。 4.2.4.1筒體切向應力計算 由《壓力容器手冊（下）》查得。 所以： （16） 4.2.4.2封頭切向應力計算 （17） 因 ， 所以合格。 4.2.5 筒體環(huán)向應力的計算和校核 4.2.5.1 環(huán)向應力的計算 設墊片不起作用 （1）在鞍座處橫截面最低點 （18） 式中：——筒體的有效寬度，。 由《壓力容器手冊（下）》查得，。式中，考慮容器焊在鞍座上 （19） 式中：——鞍座軸向寬度，。 所以 所以 （2）鞍座邊角處軸向應力 因為 ， 且 所以 4.2.5.2 環(huán)向應力的校核 ，合格。 ，合格。 4.2.5.3 鞍座有效斷面平均壓力 鞍座承受的水平分力 （20） 由《壓力容器手冊（下）》查得，。 所以 。 鞍座有效斷面平均應力 （21） 式中：——鞍座的計算高度，； ——鞍座的腹板厚度，。 其中取鞍座實際高度（）和中的最小值，即。腹板厚度 所以 應力校核： ，式中 則 由上述計算得： (鞍座材料Q235—AF的許用應力) 4.3人孔設計與人孔補強確定 4.3.1 人孔的尺寸選擇 表7 人孔尺寸選擇表 人孔類型，公稱壓力，公稱直徑 D D1 帶頸平焊法蘭人孔，公稱壓力為2.5MPa，公稱直徑為450mm 480*10 640 585 d b b1（RF） （1） （1） （1） （2） - 34 38 34 36 螺栓或螺柱 總質量回轉蓋 規(guī)格 數(shù)量 M27 20 171/181 4.3.2 人孔開孔補強 由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標準。本設計所選用的人孔筒節(jié)內徑，壁厚，故補強圈尺寸確定如下：補強圈內徑，外徑，根據(jù)補強圈的金屬表面積應大于或等于開孔減少的截面積，補強圈的厚度按下式計算： （22） 故補強圈取厚。 4.4液面計選擇 選用玻璃管液面計(HG 21592-95)，選用材料如下： 表8 玻璃管液面計選用 內容 玻璃管液面計 法蘭形式及其代號 A型：帶頸平焊突面管法蘭（HG 20594-95） B型：帶頸帶焊凸面管法蘭（HG 20594-95） C型：帶頸平焊突面管法蘭（HG 20616-95） 液面計型號 G型 液面計主要材料代號 Ⅰ：16Mn Ⅱ：OCr18Ni9 結構形式及其代號 無代號：普通型 W:保溫型 公稱長度及（透光長度*寬度）mm 1450(1160*14) 排污結構 V：排污口配閥門 P：排污口配螺塞 液面積標記為AG 1.6-Ⅰ W-1450。 4.5接口管選擇 4.5.1液氨進料管 用無縫鋼管(強度驗算略)。一端切成45°。配用具有突面密封的平焊管法蘭。 法蘭標記：HG20593 法蘭SO80-1.6 RF 16MnR。 因為，厚度等于，故不用補強。 4.5.2液氨出料管 采用可拆壓出管，用法蘭套在接口管內。罐體接口管法蘭： HG20593 法蘭SO50-1.6 RF 16MnR。 該法蘭與的接口管相配合并焊接在一起，另一法蘭蓋與該法蘭用焊接緊固，法蘭蓋上穿過的壓出管，兩者焊接牢。其聯(lián)結尺寸和厚度與HG20592 法蘭SO50-1.6 RF 16MnR相同，但內徑。 液氨壓出管端部法蘭(與氨輸送管相連)用HG20592 法蘭SO50-1.6 RF 16MnR。都不必補強。壓出管伸入貯罐。 4.5.3排污管 貯罐右端最底部安設排污管1個，管子規(guī)格，管端焊有一與截止閥J41W-16相配的管法蘭：HG20592 法蘭SO50-1.6 RF 16MnR。排污管與罐體聯(lián)接處焊有一厚度為的補強圈。 4.5.4液面計接口管 本貯罐采用兩支玻璃管液面計BIW ，，HG-5227-80一支。與液面計相配的接管， 法蘭為 HG20595 法蘭WN32-2.5 RF 16MnR。 4.5.5放空管接口管 用無縫鋼管， 法蘭為 HG20592 法蘭SO25-1.6 RF 16MnR。 4.5.6安全閥接口管 其尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用的無縫鋼管， 法蘭為 HG20592 法蘭SO25-1.6 RF 16MnR。 4.6鞍座設計 儲罐總質量： 式中：——罐體質量 ——封頭質量 ——充液質量 ——附件質量 4.6.1 罐體質量的計算: 罐體質量,筒節(jié),每米質量為,故 4.6.2 封頭質量的計算： 封頭質量,,直邊高度的橢圓形封頭，其質量為,故: 4.6.3充液質量 （23） 式中：——儲罐容積 ——液氨的密度為 故： 4.6.4附件質量 人孔質量為，其他接管總和按計。故： 4.6.5設備總質量 。 每個鞍座只約承受負荷，所以選用輕型墊板，包角為的鞍座，即： JB/T74712-92鞍座A2200-F； JB/T74712-92鞍座A2200-S。 4.6.6鞍座安放位置 筒體長度 （24） 式中：——兩鞍座間距離 ——鞍座與封頭切線之間距離 由于筒體L/D較大，且鞍座所在平面又無加強圈，取 6.內流場分析 5. 應力分析 壓力容器的不連續(xù)區(qū)往往是壓力容器的高應力區(qū)，由于這些不連續(xù)區(qū)的幾何形狀一般較為復雜，難用解析法進行精確求解，通常常采用ANSYS有限元法進行計算。一般來說，壓力容器的結構不連續(xù)區(qū)通常分為兩大類：總體結構不連續(xù)區(qū)與局部結構不連續(xù)區(qū)，所謂總體結構不連續(xù)是指對結構相當大地部分產(chǎn)生影響的應力或應變源，及容器的幾何形狀、材料或載荷的不連續(xù)。由于總體結構的不連續(xù)引起了附加邊緣應力，從而對結構相當大的部分產(chǎn)生影響，例如封頭與筒體連接區(qū)。筒體與封頭之間必然存在過渡區(qū)，通常采用錐形過渡段進行連接，而錐形過渡段則通過削薄筒體端部獲得，因此產(chǎn)生結構的不連續(xù)，使得該過渡區(qū)域成為高壓容器的高應力區(qū)之一。 下面對筒體內壁進行有限元分析，設置軸對稱，把3維問題簡化為2維問題。有限元計算采用PLANE82單元，筒體下端各節(jié)點約束軸向位移，薄殼對稱面上各節(jié)點約束水平方向位移，內壁施加均勻壓力面載荷P。 下圖是筒體在P=2.23MPa壓力下的內壁應力云圖。可知最大應力出現(xiàn)在筒體與封頭連接處,即，滿足要求。 圖1 筒體內壁應力云圖 6.內流場分析 （1）網(wǎng)格和壁面速度邊界 圖2 筒體網(wǎng)格圖 中間筒體六面體網(wǎng)格，兩邊封頭四面體網(wǎng)格。152422個網(wǎng)格，28965個節(jié)點。 圖3 儲罐運動速度曲線 （2）罐內壓力分布 圖4 0.01s內罐內壓力分布（相對設計壓力2.23MPa） 圖5 0.01～0.3s罐內壓力分布（相對設計壓力2.23MPa） 圖6 超過0.3s 罐內壓力分布（相對設計壓力2.23MPa） 由分析可知，在0.325s時罐內上右部出現(xiàn)最大壓力。 （3）罐內液體體積分數(shù)分布 圖7 0.01s內罐內液體體積分數(shù)分布 圖8 0.01～0.3s罐內液體體積分數(shù)分布 圖9 超過0.3s罐內液體體積分數(shù)分布 7.安全 7.安全 液氨和氨水常用于冷庫、化肥、制藥、塑料、合成纖維、石油精煉等行業(yè)。 運輸、儲存和設備檢修過程中，氨水容器或液氨儲罐及其管道、閥門的意外破 損、爆裂將導致氨氣大量泄漏，若未采取安全措施，均容易引起火災、爆炸和中毒事故的發(fā)生。液氨的危險性表現(xiàn)在兩個方面：一是易引起火災爆炸事故，即儲罐破裂泄漏，遇火源發(fā)生的火災爆炸}二是中毒事故，若泄漏后的液氨迅速蒸發(fā)為氨氣，未遇火源，高濃度氨氣漂浮在空氣中，人在短時間內吸入高濃度氨氣，可引起急性中毒，同時隨著氨氣的擴散，污染環(huán)境，危害人的身體健康。因此，對液氨儲罐進行安全評價具有重要意義。 液氨為液化氣體儲罐，屬于中壓二類壓力容器，儲罐區(qū)可能發(fā)生火災、爆炸和中毒事故。爆炸又分為儲罐本身的物理爆炸和化學爆炸，物理爆炸是指超聲波和爆炸碎片對人和物體造成的破壞，化學爆炸是指儲罐泄漏的液氨易發(fā)生氨氣化學燃爆。氨氣為有毒氣體，儲罐爆炸或液氨泄漏等還會造成人員中毒事故。 7.1各危害因素分析 （一）液氨物理爆炸危險有害因素分析 (1)如果液氨儲罐由于以下幾種原因超壓，均可能引起液氨儲罐發(fā)生物理爆炸：安全裝置不齊、裝設不當或失靈。環(huán)境溫度突然升高，液氨儲罐由于溫度 升高而超壓；液氨儲罐超裝。 (2)若液氨儲罐存在以下缺陷，使承壓能力降低，也易引起物理爆炸：①內、外介質腐蝕造成壁厚減薄，外壁受大氣的腐蝕作用，內壁為氨的腐蝕；②液氨引起的應力腐蝕是導致儲罐爆炸的重要原因之一，實踐表明溫度升高有利于腐蝕裂紋的發(fā)展；③儲罐發(fā)生嚴重塑性變形}④儲罐材質劣化；⑤如果液氨儲罐強度設計、結構設計、選材、防腐不合理，也易引起儲罐發(fā)生物理爆炸。 （二）液氨儲罐火災、化學爆炸危險有害因素分析 由于液氨泄漏形成氨氣，與空氣混合達到爆炸極限時．遇到明火、靜電火花等火源，會引起火災與化學爆炸事故。 (1)液氨儲罐物理爆炸引起儲罐外氨氣的火災爆炸； (2)液氨儲罐及其附件(法蘭、閥門、彎頭等)泄漏，儲罐閥門、管道爆裂，充裝系統(tǒng)泄漏，系統(tǒng)安全裝置失靈等因素導致液氨泄漏； (3)明火、靜電火花等火源存在。 （三）液氨中毒危險有害因素分析 (1)由于液氨儲罐及其附件爆炸、泄漏，空氣中的氨氣的濃度超過安全域值，可能導致人員的中毒，甚至死亡； (2)人員進人液氨儲罐檢修時，內部氨氣濃度沒有達到安全范圍．也易引起中毒事故的發(fā)生。 7.2安全控制措施 （一）預防液氨儲罐物理爆炸的安全控制措施 (1)液氨儲罐必須有良好的防腐措施； (2)嚴格控制液氨儲罐充裝量，液氨儲罐的儲存系數(shù)不應大于0.9，不要過量充裝； (3)液氨儲罐防止意外受熱或罐體溫度過高而致使飽和蒸氣壓力顯著增加； (4)盡量減少空氣進入液氨儲罐； (5)液氨儲罐盡可能保持較低的工作溫度，低溫儲存，并設置噴淋水，遮陽棚。 (6)必須依據(jù)《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》制定操作規(guī)程及各項管理制度，并嚴格照章執(zhí)行； (7)必須按規(guī)定對儲罐定期檢驗，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，并妥善處理； (8)安全閥、壓力表等安全裝置必須齊全完好，妥善維護，定期校驗，確保靈敏可靠； (9) 操作人員應經(jīng)培訓合格后上崗。 （二）預防渡氨儲罐火災，化學爆炸的安全控制措施 (1)氨站建筑符合《建筑設計防火規(guī)范》(GBJl6—87)(2001版)的有關規(guī)定； (2)氨站應采用敞開式，氨站建筑物的地面應耐酸堿。在氨站防爆區(qū)域內 應采用防爆設計，如設置防爆設備、器材，應設圍堤、建筑物防雷接地措施以 及專用消防設旌(如消防用水的消火栓等)，圍欄和裝飾材料應滿足耐火極限要求； (3) 液氨儲罐附近的氣體檢測器系統(tǒng)數(shù)量、位置要合理，并定期檢查防止 失靈； (4) 根據(jù)《建筑滅火器配置設計規(guī)范》(GB50140一2005)，液氮儲罐區(qū)適 部位應設置一定數(shù)量的手提式干粉滅火劑，并定期檢查，保持有效狀態(tài)； (5) 為指明氨泄漏后的擴散方向，便于操作人員現(xiàn)場工作方位選擇及發(fā)生 漏事故后人員疏散，建議在合適的位置設風向標； (6) 管道和設備的選材必須耐腐蝕以防止產(chǎn)生泄漏，液氨管道及氨氣管道 須定期檢查，確保管道、閥門、法蘭等元泄漏，防止保溫層脫落、物體撞擊 及腐蝕減薄； (7) 防止火源、熱源發(fā)生，定期檢查照明電路，防止摩擦、撞擊及靜電火花 產(chǎn)生，檢修時使用銅扳手等銅制工具進行操作，嚴格控制動火。 （三）預防液氨儲罐引起人員中毒的安全控制措施 (1)防止液氨泄漏； (2)進入液氨儲罐內部檢修前要首先確保內部氨氣濃度為安全范圍； (3)液氨充裝崗位設自背式空氣呼吸器…。 （四）其他安全控制措施 (1)現(xiàn)場應配備堵漏材料和個人防護用品(防毒面具、呼吸器等)，在第一時間做到安全堵漏，以降低泄漏量，縮小氨擴散影響范圍} (2)液氨儲罐在加工制造、安裝過程中，應嚴把質量關，在生產(chǎn)運行中，應加強設備的維護保養(yǎng)，盡量降低發(fā)生液氨泄漏的可能性； (3)對于易損、易發(fā)生泄漏的部件(如閥門、接管、法蘭、墊片等)要定期檢查、維護、維修和更換，做到萬無一失； (4)對于液氨儲罐，在運行過程中，基礎有可能下沉，同時也為了裝卸液氨的方便，其出口管線應采取金屬軟管或其他柔性連接； (5)從以往事故案例知，液氨泄漏常發(fā)生在液氨裝卸過程中，因此，建設方應制定詳細的裝卸操作程序并嚴格執(zhí)行， (6)一旦發(fā)生泄漏，要根據(jù)實際泄漏情況，做好附近工序和車間的明火以及其他可能火源(如車輛等)的管理，控制點火源； (7)培訓工作人員掌握氨泄漏、中毒后自救互救措施； (8)鑒于裝置有較大的火災、爆炸、中毒危險性，企業(yè)應根據(jù)評價結果制定相應的事故應急預案，并經(jīng)常演練，保證各種緊急設施在事故發(fā)生時好用。 8.焊接 8. 焊接 8.1 焊接接頭 8.1.1 接頭結構設計 焊接接頭設計應遵守以下原則： （1）合理選擇接頭型式； （2）焊縫填充金屬應盡量少； （3）合理選擇坡口角度、鈍邊高和根部間隙等結構尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，以最大限度的減少焊接缺陷。 （4）按等強度要求，接頭的強度應不低于母材標準規(guī)定的強度下限值； （5）焊縫外形應盡量連續(xù)、圓滑過渡，以減少應力集中； 液氨儲罐中，焊接接頭主要形式有：對接、角接、搭接接頭。 （1）對接 容器的主體、簡體與封頭等重要部位的連接均采用對接接頭，因對接接頭受力比較均勻，強度可達到與母材相等。 （2）角接 管接頭與殼體的連接多用角接頭。 （3）搭接 搭接接頭主要用于非受壓部件與受壓殼體的連接。鞍座，裙座，補強圈等。 8.1.2 焊接接頭的分類 壓力容器殼體上的焊接接頭按其受力的狀態(tài)及所處的部位可分成A、B、C、D四類。 A類接頭是容器中受力最大的接頭，所以要求用雙面焊或保證全面焊透的單面焊縫，主要是筒節(jié)的拼接縱縫，封頭瓣片的拼接縫、半球形封頭與筒體的環(huán)焊縫等； B類接頭的工作應力A類的1/2，除可以采用雙面焊的對接接頭之外，也可采用帶襯墊的單面焊縫。它包括筒節(jié)間的環(huán)焊縫、橢圓形及蝶形封頭與接管相接的環(huán)焊縫等； C類接頭受力較小，通常用角焊縫連接。但對高壓容器，裝有劇毒介質的容器和低溫容器應采用全焊透接頭。如法蘭、板管處的焊縫； D類接頭是接管與筒體的交叉焊縫、受力條件較差，且存在較高的應力集中。再有焊接時剛性拘束較大，焊接殘余應力也大，易產(chǎn)生缺陷，因此在容器中，D類接頭也應采用全焊透的焊接接頭。 8.2焊接性分析 根據(jù)國際焊接學會（IIW）所采用的碳當量（CE）計算公式： （%） （25） 將16MnR所含化學成分的相應數(shù)值代入上式，計算其碳當量。通過計算得出，16MnR的碳當量CE=0.40%～0.46%。 當CE=0.40%～0.60%，鋼的淬硬傾向逐漸增加，所以16MnR屬于有淬硬傾向的鋼。但是，當CE不超過0.5%時，淬硬傾向尚不嚴重，焊接性較好，但隨板厚增加需要采取一定的預熱措施。 筒體板厚為20mm，所以在焊接前，為避免出現(xiàn)裂紋，應對其進行預熱，預熱溫度為120～140℃。 8.3施焊環(huán)境 當施焊環(huán)境出現(xiàn)下列任一情況，且無有效防護措施時，嚴禁施焊。 ①雨天及雪天； ②風速超過8m/s，相當于Ⅴ級風； ③環(huán)境溫度在-5℃以下； ④相對濕度在90%以上。 尤須指出，焊接環(huán)境溫度和相對濕度在距筒體表面500～1000mm處測得。 8.4預熱 焊前對筒體板進行預熱，預熱的目的是：減緩焊接接頭加熱時溫度梯度及冷卻速度，適當延長在800℃～500℃區(qū)間的冷卻時間，改善焊縫金屬和熱影響區(qū)的顯微組織，從而減少和避免產(chǎn)生淬硬組織，有利于氫的逸出，可防止冷裂紋的產(chǎn)生。 熱源采用液化石油氣，定位焊和臨時焊縫采用點狀加熱器，筒體焊縫采用條狀加熱器，且應放在焊縫小坡口的一側。注意應保證加熱的均勻性，預熱溫度為120～140℃，，實測溫度不得低于120℃。溫度的測量點在距焊縫中心50mm處，兩側對稱測量。在整個焊接過程中應保持此溫度。預熱寬度為焊縫中心線兩側各3倍板厚，為144～150mm。預熱長度須在施焊長度兩端各延伸150mm以上。拘束度較高的焊縫節(jié)點（如人孔、接管）或環(huán)境溫度低于5℃時，應采用較高的預熱溫度，且適當擴大預熱范圍。 8.5焊接順序 總的焊接順序是：先焊縱縫，后焊環(huán)縫；先焊大坡口面焊縫，后焊小坡口面焊縫。 8.6焊接注意事項 ①坡口處理。焊前將坡口表面和兩側至少20mm范圍內的油污、水分及其他有害雜質清除干凈。所有焊縫施焊前，均須對施焊處坡口及邊緣進行預熱，預熱溫度為120～140℃。 ②埋弧焊電流大、焊接時間長，為了防止其它用電設備對焊接條件的影響及影響其它設備，最好采用專用供電設備。 ③層間溫度。在焊接過程中，層間溫度不應低于120℃。 ④焊接線能量控制。根據(jù)焊接工藝評定報告，提出合理的線能量應用范圍，并應反映在焊接工藝規(guī)程中。 ⑤碳弧氣刨清根和打磨。焊縫焊接和返修時，焊縫背面的清根及缺陷的清除采用碳弧氣刨及機械去除的方法。碳弧氣刨的電源采用直流電，反接法。壓縮空氣壓力為0.4～0.6MPa，壓縮空氣流量為180L/min，必須配置水分離器和過濾裝置，嚴格限制壓縮空氣中所含水分和油脂。刨槽成形應為U形，表面平齊。碳弧氣刨后用砂輪修整刨槽，去除滲碳層，使銳角圓滑過渡，使坡口寬窄均勻。對坡口作滲透檢測，驗明有無裂紋、夾渣等缺陷。 ⑥消氫處理。為了使氫充分逸出，防止延遲裂紋，筒體板以及嵌入式接管與筒體殼的對接焊縫，焊后須立即進行后熱消氫處理，后熱溫度為200～250℃，后熱時間為0.5～1h。加熱方法與預熱相同。 8.7焊后整體熱處理 筒體經(jīng)無損檢測合格后，須進行整體消除應力熱處理。由于筒體的體積龐大，無法在熱處理爐內進行消除應力熱處理，所以采用內燃加熱法對罐進行整體熱處理。此法是將罐本身作為一個燃燒爐，借助于底部開口（人孔）安裝噴火嘴，以燃油或液化石油氣為燃料，熱處理前罐外部須包覆細纖維玻璃棉作為保溫材料，然后進行內部加熱處理 8.8焊縫類型 焊接方法為焊條電弧焊和埋弧焊。筒體縱環(huán)焊縫焊接時，可以采用自動埋弧焊焊接方法。 壓力容器中焊縫是按其在容器上受力狀態(tài)和所處的位置進行分類的，對工作條件、直徑、壁厚等不同的容器，在同一位置的焊縫，其類別均相同，不同類別的焊縫，規(guī)定出不同的技術要求和質量標準；在強度計算中其焊縫系數(shù)取值亦有區(qū)別。不同類別的焊縫，規(guī)定出不同的技術妻求和質量標準，在強度計算中其焊縫系數(shù)取值亦有區(qū)別。在GB150-1998《鋼制壓力容器》中將壓力容器各位置的焊縫分為A、B、C、D四類，并做出相應的使用條件裝配公差，無損檢測和焊縫系數(shù)等一系列規(guī)定。A，B焊縫主要是對接接頭的焊縫，前者受力相對比后者嚴峻些；C、D類焊縫主要是角接頭或T形接頭的焊縫，后者受力狀態(tài)較前者復雜。C、D類焊縫應有圓滑過渡到母材的幾何形式。 圖10 液氨儲罐焊接圖 參考文獻 參考文獻 [1] 實用機械設計手冊（下）第2版， 機械工業(yè)出版社， 1994年16.2 [2]《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》 【1999】中國勞動社會保障出版社高永新責任編輯 [3] GB150 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在這四年中，老師的諄諄教導、同學的互幫互助使我在專業(yè)技術和為人處事方面都得到了很大的提高。感謝長江大學機械學院的老師在我四年的大學生活當中對我的教育與培養(yǎng)，感謝機械學院的所有專業(yè)老師，沒有你們的辛勤勞動，就沒有我們今日的滿載而歸，感謝大學四年曾經(jīng)幫助過我的所有同學。在制作畢業(yè)設計過程中我曾經(jīng)向老師們和同學們請教過不少的問題，老師們的熱情解答和同學們的熱心幫助才使我的畢業(yè)設計能較為順利的完成。在此我向你們表示最衷心的感謝。 在這段期間的工作中，遇到了許多難題，期間沒有老師和同學的幫助我真的很難完成這目前也是漏洞百出的論文，由于我的能力不足，在論文方面有許多不足與缺陷，但是在這個過程中我真的學到了很多，不論是做人還是做事，感覺自己的確是在成長，在老師和同學的幫助下，我學會了CAD中各種圖層的設置，學會了word中看似簡單實質很復雜的排版。讓我了解到什么事情只有自己親手去做了才知道自己有多大能耐，自己的事情自己干，這是我深深體會到的！ 再次感謝輔導我的老師，和幫助我的同學們！ 謝謝！