氮气缓冲罐结构设计分析报告.docx
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氮气缓冲罐结构设计分析报告
氮气缓冲罐结构设计分析报告
1绪论
随着全球经济一体化的发展和我国即将加入世界贸易组织，我国必须大力增加化工储备资源，以减少国际动荡对我国经济的影响。
由于国家战略储备的需要，一些先进，高效的焊接设备和工艺的采用，我国将发展各型缓冲罐，来增加安全性能。
正是由于这些先进、高效的焊接设备和工艺的采用，使氮气缓冲罐制造技术有了很大的提高和发展，
由于一些先进的焊接，高效的焊接设备和工艺的采用，使氮气缓冲罐焊接制造技术有了较大的发展和提高，焊条电弧焊的比例逐渐减少，埋弧自动焊，氩弧焊，二氧化碳气体保护焊，混合气体保护焊，等离子焊，真空电子束焊等先进技术以大量应用。
我国氮气缓冲罐焊接技术的现状：
传统的焊条电弧焊由于焊接施工投入人员多，劳动强度大效率底，工期长等缺陷逐渐被机械化，自动化程度高的焊接方法代替。
特别在立式缓冲罐中应用二氧化碳气体保护自动立焊和埋弧自动横焊技术进行焊接施工是一种先进的焊接技术。
近年来我国有研究出NBC逆变式焊接电源，进一步提高弧焊特性。
随着我国容焊用焊丝和焊剂生产工艺的改进，埋弧焊也越来越多的应用于现场焊接施工中。
2.氮气缓冲罐结构设计
2.1设计条件
。
该容器用于室内；工作压力为：
2MPa；工作温度为：
常温；承装介质为：
氮气；设计使用寿命20年。
2.2设计文件
压力容器的设计文件包括强度计算、结构设计、施工图和零件图制作。
必要时还应包括安装、使用说明书、应力分析报告等。
制造工艺设计的其主要内容包括：
筒体和封头、接管、法兰等零件的制作工艺流程；整体装配工艺；筒体和封头纵环缝焊接工艺设计；接管与法兰焊接工艺设计；按管与筒体、封头焊接工艺设计。
2.2.1设计压力
由设计条件可知氮气缓冲罐的工作压力P0=2MPa，根据P0、缓冲罐的类型及表2.1确定设计压力。
根据使用条件，系统中装有安全阀，所以设计压力为：
Pc=1.10P0=2×1.10=2.2MPa，最终设计压力取为Pc=2.2Mpa。
表2.1设计压力的选取[1]
类型
设计压力
内
压
容
器
无安全泄放装置
1.0-1.10倍的工作压力
装有安全阀
不低于（等于或梢大于）安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.05-1.10倍工作压力）
装有爆破片
取爆破片设计压力加制造范围上限
出口管线上装有安全阀
低于安全阀的开启压力加上流体从容器流至安全阀处的压力降
容器位于泵进口侧，且无安全泄放装置时
取无安全泄放装置时的设计压力，且以0.1MPa外压进行校核
容器位于泵出口侧。
且无安全泄放装置时
取下列3者取大值:
①泵的正常入口压力加1.2倍泵的正常工作扬程
②泵的最大入口压力加泵的正常工作扬程
③泵的正常人口压力加关闭扬程（即泵出口全关闭时的扬程）
容器位于压缩机进口侧，且无安全泄放装置时
取无安全泄放装置时的设计压力，且以0.1MPa，外压进行校核
表2..1续
容器位于压缩机出口侧，且无安全泄放装置时
取压缩机出口压力
真
空
容
器
无夹套真空容器
有安全泄放装置
设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的小值
无安全泄放装置
设计压力取0.1MPa
夹套内为内压的带夹套真空容器
容器（真空）
没计外压力按无夹套真空容器规定选取①
夹套（内压）
没计内压力按内压容器规定选取
夹套内为真空的带夹套真空容器
容器（内压）
没计内压力按内压容器规定选取②
夹套〔真空）
设计外压力按无夹套真空容器规定选取
外
压
容
器
一般
设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产生的最大内外压力差
在规定的允装系数
范围内，常温下盛装液化石油气或混合液化石油气（指丙烯与丙烷或丙烯、丙烷与丁烯等的混合物）的容器③④⑤
介质50°C的饱和蒸气压力低于异丁烷50°C的饱和蒸气压力时（如丁烷、丁烯、丁二烯）
0.79Mpa
介质50℃的饱和蒸气压力高于异丁烷50°C的饱和蒸气压力时（如液态丙烷）
1.77Mpa
介质50°C的饱和蒸气压力高于内烷50°C的饱和蒸气压力时（如液态丙烯）
2.16Mpa
两侧受压的压力容器元件
一般应以两侧的设计压力分别作为该元件的设计压力。
当有可靠措施确保两侧同时受压时，可取两侧最大庄力差作为设计压力
注：
①容器的计算外压力应为设计外压力加上夹套内的设计内压力，且必须校核在夹套试验压力〔外压）下的稳定性。
②容器的计算内压力应为设计内压力加0.1Mpa，且必须校核在夹套试验压力（外压）下的稳定性。
③对盛装液化石油气的压力容器，如设训单位能根据其安装地区的最高气温条件（不是极端气温值）提供可靠的设计温度时，则可按介质在该设计温度卜的饱和蒸气压来确定工作压力及设计压力，但必须事先经过设计单位总技术负责人批准，并报送省级主管部门和同级劳动部门锅炉压力容器安全监察机构备案。
④对容积大于或等于100
的盛装液化石油气储存类压力容器，可由设计确定设计温度（但不得低于40°C），并根据与设计混度对应的介质饱和蒸气压确定设计压力。
⑤规定的充坡系数一般取0.9,容积经实际测定者可取大于0.9,但不得大0.95。
氮气缓冲罐类型为内压容器且装有安全阀，从上表可知设计压力不低于（等于或梢大于）安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.05-1.10倍工作压力），即设计压力取2.3Mpa
2.2.2设计温度
设计温度指容器在正常下作过程中，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值），即铭牌上的设计温度，用t表示。
该氮气缓冲罐的工作温度为常温，根据工作温度选取设计温度，见表2.2。
表2.2设计温度的选取[1]
介质工作温度T
设计温度
Ⅰ
Ⅱ
T＜－20°C
介质最低工作温度
介质工作温度减0~10°C
－20°C≤T≤15°C
介质最低工作温度
介质工作温度减5~10°C
T＞15°C
介质最高工作温度
介质工作温度加15~30°C
注：
当最高（低）工作温度不明确时，按表中Ⅱ的规定确定。
该缓冲罐已知条件中工作温度没有明确最高工作温度，按表2.3，应按II进行选择，所以设计温度应为25+15～30℃=40～55℃，这儿我们选中间值，确定设计温度为50℃。
2.2.3介质性质
压力容器的内部总是有一定量呈气态或液态或气液混合的介质，而这些介质的性质成为压力容器设计需要考虑的重要因素之一。
认识和了解介质的性质，对合理的选用材料、保证容器的安全可靠性是十分重要的。
1.物理性质
氮气在常况下是一种无色无味无嗅的气体，且通常无毒。
氮气占大气总量的78.12%。
2.腐蚀性[4]
介质的腐蚀性是压力容器设计要考虑的重要因素。
在役压力容器的破坏，在很多情况下是由于腐蚀后在其他因素的作用下发生的。
因此，了解腐蚀的类型、机理和腐蚀的方法是很有必要的。
3.毒性[5]
介质为氮气，因此无毒。
4.易燃易爆性[5]
介质的成分为氮气，因此易燃易爆性无。
2.2.4材料的选择
压力容器用材料的质量及规格，应符合相应的国家标准、行业标准的规定。
压力容器材料的生产经国家安全监察机构认可批准。
压力容器选材除应考虑力学性能和弯曲性能外，还应考虑与介质的相容性。
压力容器专用钢材的磷含量（熔炼分析，下同）不应大于0.030%，硫含量不应大于0.020%。
压力容器常用材料Q235B、20R、16MnR、15CrMoR、0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti
①钢的常温力学性能（表2.3、表2.4、表2.5）
表2.3碳素钢的常温力学性能[2]
钢号
标准
截面尺寸/mm
/MPa
/MPa
/%
Akv/J
Q235B
热轧
≥441
≥300
≥37
99（10℃）
GB/T700-88
375-460
≥225
≥25
≥27（20℃）
20R
GB6654-96
6-16
400-520
≥245
≥25
＞16-36
≥235
＞36-60
≥225
＞60-100
390-510
≥205
≥24
表2.4低合金钢常温力学性能[2]
钢种
技术标准
规格/mm
拉伸试验
冲击试验
冷弯试验
硬度
HB
抗拉强度
/MPa
屈服强度
/MPa
伸长率
/%
温度/°C
Akv（z横向）/J
b=2a
180°
≥
≥
16MnR
GB6654-96
6-16
510-640
345
21
0
31
d=2a
＞16-36
490-620
325
d=3a
＞36-60
470-600
305
＞60-100
460-590
285
20
＞100-120
450-580
275
15CrMoR
GB6654-96
6-60
450-590
295
19
20
31
d=3a
＞60-100
275
18
表2.5不锈钢的力学性能[2]
钢号
项目
热处理制度
ψ/%
0Cr18Ni9
1080-1130℃水冷
≥490
≥196
≥45
≥60
1080-1130℃水冷
539-696
221-402
51-71
66.5-77.5
0Cr18Ni9Ti
常温力学性能
1100-1150℃水冷
≥539
≥196
≥45
≥50
1100℃水冷
540-706
201-382
48.8-69
59.5-81
2钢的高温力学性能
在不同温度下的许用应力见（表2.6、表2.7、表2.8）
表2.6碳素钢高温力学性能[3]
钢号
标准
公称厚度mm
在下列温度（℃）下的许用应力，MPa
注
≤20
100
150
200
250
300
350
400
Q235B
GB912
3-4
113
113
113
105
94
86
77
-
GB3274
4.5-16
113
113
113
105
94
86
77
-
＞16-40
113
113
107
99
91
83
75
-
20R
GB6654
6-16
133
132
123
110
101
92
86
＞16-36
133
126
116
104
95
86
79
＞36-60
133
119
110
101
92
83
77
＞60-100
128
110
103
92
84
77
71
钢号
标准
公称厚度mm
在下列温度（℃）下的许用应力，MPa
注
425
450
475
500
525
550
575
600
Q235B
GB912
3-4
-
-
-
-
-
-
-
-
GB3274
4.5-16
-
-
-
-
-
-
-
-
＞16-40
-
-
-
-
-
-
-
-
20R
GB6654
6-16
83
61
41
-
-
-
-
-
＞16-36
78
61
41
-
-
-
-
-
＞36-60
75
61
41
-
-
-
-
-
＞60-100
68
61
41
-
-
-
-
-
表2.7低合金钢高温力学性能[3]
钢号
锻件标准
公称厚度mm
在下列温度（℃）下的许用应力，MPa
注
≤20
100
150
200
250
300
350
400
16MnR
GB6654
6-16
170
170
170
170
156
144
134
125
＞16-36
163
163
163
159
147
134
125
119
＞36-60
157
157
157
150
138
125
116
109
15CrMoR
GB6654
6-60
220
156
150
150
150
134
125
118
＞60-100
275
110
110
钢号
锻件标准
公称厚度mm
在下列温度（℃）下的许用应力，MPa
注
425
450
475
500
525
550
575
600
16MnR
GB6654
6-16
93
66
43
-
-
-
-
-
＞16-36
93
66
73
-
-
-
-
-
＞36-60
93
66
43
-
-
-
-
-
15CrMoR
GB6654
6-60
115
112
110
88
85
73
-
-
＞60-100
104
104
103
88
58
37
-
-
表2.8不锈钢高温力学性能[3]
钢号
标准
公称厚度mm
在下列温度（℃）下的许用应力，MPa
注
≤20
100
150
200
250
300
350
400
425
450
0Cr18Ni9
JB4728
≤200
137
137
137
130
122
114
111
107
105
103
2）
137
114
103
96
90
85
82
79
78
76
0Cr18Ni9Ti
JB4728
≤200
137
137
137
130
122
114
111
108
106
105
2）
表2.8（续）
137
114
103
96
90
85
82
80
79
78
钢号
标准
公称厚度mm
在下列温度（℃）下的许用应力，MPa
注
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
0Cr18Ni9
JB4728
≤200
101
100
89
91
79
64
52
42
32
27
2）
75
74
73
71
67
62
52
42
32
27
0Cr18Ni9Ti
JB4728
≤200
104
103
101
83
58
44
33
25
18
13
2）
77
76
75
74
58
44
33
25
18
13
③钢的腐蚀数据（表2.9、表2.10、表2.11）
表2.9 碳素钢腐蚀数据[4]
介质
浓度%
温度，℃
255080100
N2
湿0-100
ⅠⅠⅠⅠ
表2.10低合金钢腐蚀数据[4]
介质
浓度%
温度，℃
255080100
N2
湿0-100
ⅠⅠⅠⅠ
表2.11奥氏体不锈钢腐蚀数据[4]
介质
浓度%
温度，℃
255080100
N2
湿0-100
ⅠⅠⅠⅠ
注：
耐腐蚀性
金属的耐蚀性等级符号腐浊率，毫米/年
Ⅰ优良--------------------------＜0.05
Ⅱ良好--------------------------0.05-0.5
Ⅲ可用，但腐蚀较重--------------0.5-1.5
Ⅳ不适用，腐蚀严重--------------＞1.5
综合上述的表格数据比较分析可知，上述三种常用的压力容器用钢在力学性能方面均能满足要求，但是因介质具有一定的腐蚀性，在设计时应留有一定的腐蚀裕量，该容器的设计寿命为20年，上述三种钢的腐蚀裕量分别为：
1.碳素钢：
C2＜1mm；
2.低合金钢：
C2＜1mm；
3.不锈钢：
C2＜1mm.
出于减小容器体重、经济性、便于运输和降低制造强度等角度考虑，选用16MnR。
2.2.5焊接接头系数
1.压力容器分类[6]
压力容器的介质分为以下两组：
第一组介质，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。
第二组介质，除第一组以外的介质。
由2.2.3分析可知该分离器介质为第一组介质。
图2.1压力容器类别划分图——第二组介质[6]
2.焊缝探伤比例和等级
1）无损检测的基本比例要求[6]
压力容器对接接头的无损检测比例一般分为全部（100%）和局部（大于或者等于20%）两种。
碳钢和低合金钢制低温容器，局部无损检测的比例应当大于或者等于50%。
2）无损检测的可实现性
该氮气缓冲罐的容积大约50m3。
该分离器的内径Di与高度的比较见表2.12，最终我们选择内径Di=2800mm。
表2.12 缓冲罐内经的选择
内径Di（mm）
2700
2800
2900
封头容积（m3）①
2.8055
3.1198
3.4567
筒节高度（m）
7.756
7.11
6.526
注：
①——JB/T4746—2002（附录B）
按容规，该直径下的容器应设计人孔装置。
由以上两点，可以实现纵环缝的双面焊。
由于有人孔装置，也可以实现100%RT探伤。
在焊缝区，由丁焊接时可能产生气孔、夹渣、未焊透、咬边、裂纹等缺陷;同时，焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度或塑性下降;由于结构的刚性约束，也往往造成较大的焊接内应力。
因此，容器上的焊缝区是强度较弱的地方，为了表示焊缝区材料强度被削弱的程度，引进了焊接接头系数。
焊接接头系数是以焊缝强度与母材强度之比值φ表示的。
它与焊缝位置、焊接方法以及检验要求等因素有关。
GB150中规定的焊缝系数选取原则如下[1]。
①双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝。
100%无损检测φ=1.00
局部无损检测φ=0.85
不作无损检测φ=0.70
②单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板。
100%无损检测φ=0.90
局部无损检测φ=0.80
③单面焊的环向对接焊缝（无垫板）。
局部无损检测φ=0.70
不作无损检测φ=0.60
φ=0.60这个系数仅适用于厚度不超过16mm,直径不超过600mm。
的壳体环向焊缝。
有关焊缝开设的位置、坡口形式、焊接方法以及检验等可参照国家有关规定。
容器的设计直径取为2800mm，且在筒体设置有人孔能够实现100%RT检测。
综合上述分析焊缝系数为φ=1.00
2.3零部件的设计
2.3.1筒体设计
①筒体板材的厚度。
容器圆筒的厚度关系如图2.2所示。
其中：
δ——计算厚度，mm；
——设计厚度,mm；
δn——名义厚度,mm；δe——有效厚度,mm；
C1——钢板或钢管厚度负偏差,mm；C2——腐蚀裕量,mm
图2.2容器圆筒的厚度关系[1]
1）计算厚度[3]
计算厚度指的是按公式计算得到的厚度
设计温度下圆筒的计算厚度按式（2.1）计算，公式的适用范围为Pc≤0.4
.
（2.1）
式中Pc—计算压力；根据2.2.1分析，取Pc=2.2MPa;
Di—圆筒或球壳的内直径；根据2.2分析，取Di=2800mm;
[σ]
—设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力；根据表2.8，得[σ]25=163MPa;
φ—焊接接头系数;根据2.2.5分析，φ=1.0
因此：
=
=19.024mm
2）设计厚度[1]
设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之和按下式计算：
δd=δ+C2（2.2）
其中腐蚀裕量C2由2.2.4③可知：
C2=1.5mm
因此设计厚度：
δd=δ+C2=19.024+1.5=20.524mm
3）名义厚度[1]
名义厚度指计算厚度加上钢材厚度负偏差向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度，按式（2.4）计算：
δn=δ+C1+C2（2.3）
其中
——名义厚度；
——计算厚度；由2.2.6中①可知
=19.024mm;
C1——厚度负偏差值；由表2.16可知C1取0.8mm；
C2——腐蚀裕量；由2.12可知C2为1.5mm
表2.13钢板厚度负偏差C1值/mm[1]
钢板厚度
2.0
2.2
2.5
2.8-3.0
3.2-3.5
3.8-4.0
4.5-5.5
负偏差C1
0.18
0.19
0.20
0.22
0.25
0.3
0.5
钢板厚度
6-7
8-25
26-30
32-34
36-40
42-50
52-60
负偏差C1
0.6
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
因此：
δn=δ+C1+C2=19.024+0.8+1.5=21.324mm
表2.14钢板的常用厚度[7]
2、3、4、（5）、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、30、32、34、
36、38、40、42、46、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、105、110
由表2.14可知，圆整为
22mm，筒节高度及内径见表2.12。
2.3.2封头的设计
常用的管法类型有板式平焊法兰、带颈平焊法①封头类型选择
椭圆形封头的特点[1]：
椭圆形封头的应力情况不如半球形封头，但比其他形式的封头要好。
从薄膜应力来分析，沿经线各点的应力是变化的，顶点处应力最大，在赤道上出现周向压应力。
当Di/（2hi）=2,K=1时，即是标准椭圆形封头。
此时，椭圆形封头可以达到与筒体等强度，这是标准椭圆形封头被广泛采用的原因之一。
工程上一般采用JB/T4737或其他标准封头，如图2.3所示，这些封头由半个椭球和具有一定高度的阅筒形壳体组成，此圆筒形壳体高度一般称为直边高度。
设置直边的目的是为了避免在封头和圆筒形壳体相交的这一结构不连续处出现焊缝，从而避免焊缝边缘应力的问题。
a）EHA型b）EHB型
图2.3椭圆形封头及尺寸
在制造的难易程度方面，由于椭圆形封头的深度较浅，压制成形要比球形封头容易，是目前国内外广泛采用的中低压容器的封头形式。
②椭圆形封头的计算厚度[1]
椭圆形封头的计算厚度按式（2.4）计算：
（2.4）
其中
，
即
18.959mm
③椭圆形封头的名义厚度[1]
椭圆形封头（EHA）的名义厚度指计算厚度加上钢材厚度负偏差向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度，按式（2.5）计算
δn=δ+C1+C2（2.5）
其中
——名义厚度；
——计算厚度；由2.2.3中①可知
=18.959mm;
C1——厚度负偏差值；由表2.14可知C1为0.8mm；
C2——腐蚀裕量；由2.2.4可知C2为1.5mm
δn=
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