28立方米卧式液氨储罐的设计_毕业设计.doc

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2.8m3卧式液氨储罐的设计

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，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

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[2]马自勤,孙丽,王秀伦等：

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[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．

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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．

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新一代CAPP系统，组合机床与自动化加工技术，1996年第10期．

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北京：

机械工业出版社，2002

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[16]常征,大型卧式罐热处理沈阳工业大学学报第22卷第3期2000年6月

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[18]何锡梁,压力容器制造的CECAPP技术任惠珍上海应用技术学院学报第4卷第1期2004.3p39—42

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四、国内外储罐的发展和研究状况

4.1．国内外储罐的发展

随着石油化工工业的发展以及国家原油战略储备库项目的实施，储罐的大型化将成为发展的必然趋势。

目前世界上已建成的大型储罐数量逐年增加，如早在1967年在委内瑞拉就建成了16的浮顶储罐，1971年日本建成了20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厅的浮顶储罐。

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5浮顶储罐。

20世纪80年代中后期，国内开始建造10的大型浮顶储罐，迄今为止，已经先后在秦皇岛、大庆、仪征、铁岭、黄岛、舟山、大连、山东、兰州、上海、镇海、燕山、湛江等地建造了80余座10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。

4.2．储罐大型化的优点

节省钢材，减少投资。

储罐容积越大，单一位容积所需要的钢材量越少。

相同的容积，

由大罐组成要比小罐组成节省大投资。

占地面积小，因为罐和罐之间要有一定的距离，所以在相同的容积情况下，用几台大

罐比一群小罐的占地面积要节省的多。

便于操作管理并且节省管线及配件。

几台大罐与一群小罐相比，库区管理要简单的多，在检修、维护、保卫等方面都比较方便。

4.3．卧式液氨储罐的简介

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。

卧式储罐环向焊缝采用搭接，纵向焊缝采用对接。

圈板交互排列，取单数，使端盖直径相同。

卧式储罐的端盖分为平端盖和碟形端盖，平端盖卧式储罐可承受40kPa内压，碟形端盖卧式储罐可承受0.2Mpa内压。

地下卧式储罐必须设置加强环，加强还用角钢煨制而成。

氨是生产含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液态的形式从合成氨工厂送到这些肥料厂。

这就需要设置液氨贮存设施，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贮存，而在常温下应在压力容器内贮存。

按照不同地区的气温和贮存条件的变化，液氨的贮存原则上可在-33—43内，以控制其相应汽化压力确定工艺方案。

一般采用压缩、低温或两者结合的方法，因此有三种贮存工艺，即加压常温、加压低温和常压低温。

国内通常将液氨的这二种贮存工艺称为常温中压、降温低压和低温常压。

液氨储罐的设计温度为40，对应的设计压力为1.6MPa;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，则是将液氨冷冻至不高于它的沸点（低于-33，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0，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－33，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（DesignbyRule）和基于塑性失效准则的“分析设计”（DesignbyAnalysis）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。

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，AutoCAD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：

xxxxxxxxxx

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AutoCAD、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

Ⅶ

TheDesignofthehorizontalliquidammoniastoragetank

Student：

xxxxxxx

Guideteacher：

Zxxxxxxx

[Abstract]Thispaperintroducedthedevelopmentandtrendsoftheresearchstatustheforpressurevesselinthefirst,andanalyzedtheliquidammoniastoragetankwithasimplepresentation.Thenwedesigntheliquidammoniatankdetailedanddrawthetankassemblyandthree-dimensionalmapswiththeapplicationofAutoCADandPro/Engineersoftware.AndweanalysisthestressforthestoragebyuseofANSYSsoftware,regionreinforcementdesignforthegreateststressdistribution,solvethequantitativecalculationmethodforstressanalysisoftheshortcomingsofdifficultieseffectively.AndwegivethePriceassessmentfromtheperspectiveofliquidammoniastoragetank,whichmakeeconomicanalysistoverifythestructuraldesignofthefeasibilityoftheprogram.Finallywegivethefailureanalysisstartingfromtheweldingdefectsonthetank,forwhichtheCAPPsystemweredesignforthedefectanalysisbasedonVBlanguage,andControlChartwiththeprincipleofa,thusthewholehorizontalanalysisoftheliquidammoniatankdesignprocesswerecompleted.

[Keyword]horizontalliquidammoniastoragetank;structuraldesign;analysisofeconomic;stressanalysis;CAPP

选题背景

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年在委内瑞拉就建成了16的浮顶储罐，1971年日本建成了20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5浮顶储罐。

20世纪80年代中后期，国内开始建造10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。

目前中国已经基本掌握了厚度在150mm—200mm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：

①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。

②对于高温抗氢用钢，尽量减轻钢的回火脆性和氢脆倾向。

③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。

④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。

1.3卧式液氨储罐简介

氨是生产含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液态的形式从合成氨厂送到这些肥料厂。

这就需要设置液氨贮存设施，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。

故常压下液氨需在低于-33.4℃贮存，而在常温下应在压力容器内贮存。

按照不同地区的气温和贮存条件的变化，液氨的贮存原则上可在-33℃—43℃内，以控制其相应汽化压力确定工艺方案。

一般采用压缩、低温或两者结合的方法，因此有三种贮存工艺，即加压常温、加压低温和常压低温。

国内通常将液氨的这二种贮存工艺称为常温中压、降温低压和低温常压。

液氨储罐的设计温度为40℃，对应的设计压力为1.6MPa;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，则是将液氨冷冻至不高于它的沸点（低于-33℃，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0℃，则每吨钢材用量可贮存液氨lOt。

储罐容量可达250—4000t液氨;若贮存在－33℃，则每吨钢材用量可贮存40t液氨，储罐容量可达4500t以上。

1.4液氨储罐的作用

液氨储罐主要用在化肥厂的合成氨的存储工序中，现以吉林化学工业股份有限责公司化肥厂，年产30万吨的合成氨工艺为例，来说明液氨储罐的作用。

其主要生产工序有:

①原料气的制造。

即通过重油气化或由原料焦在煤气发生炉中与空气、蒸汽进行反应，制取半水煤汽。

②煤气鼓风及转化。

即将半水煤气进行脱尘、脱硫，并将其中的C