1
2 前 言 ................................................................................................................................ 1 设计总论 .......................................................................................................................... 2
2.1 设计任务.................................................................................................................... 2
2.2 材料及结构的选择与论证........................................................................................ 2
2.2.1 材料的选择......................................................................................................... 2
2.2.2 封头的选择......................................................................................................... 3
2.2.3 人孔的选择......................................................................................................... 3
2.2.4 容器支座的选择................................................................................................. 4
2.2.5 密封装置设计..................................................................................................... 5
2.2.6 开孔和开孔补强................................................................................................. 6
2.2.7 焊接结构设计..................................................................................................... 7
3 设计计算 .......................................................................................................................... 9
3.1 确定罐体的形状及内径............................................................................................ 9
3.2 设计主要技术参数的确定...................................................................................... 14
3.2.1 设计压力........................................................................................................... 14
3.2.2 设计温度........................................................................................................... 14
3.2.3 厚度及厚度附加量........................................................................................... 15
3.2.4 焊接接头系数................................................................................................... 16
3.2.5 许用应力........................................................................................................... 16
3.3 筒体厚度设计.......................................................................................................... 17
3.4 封头壁厚设计.......................................................................................................... 19
3.5 水压试验及强度校核.............................................................................................. 19
3.6 人孔并核算开孔补强.............................................................................................. 20
3.6.1 人孔的选择....................................................................................................... 20
3.6.2 开孔补强的计算............................................................................................... 21
3.6.3 补强圈设计....................................................................................................... 24
3.7 核算承载能力并选择鞍座...................................................................................... 24
3.7.1 承载核算........................................................................................................... 24
3.7.2 鞍座的选择....................................................................................................... 25
3.8 液面计选择.............................................................................................................. 26
3.9 压力计选择.............................................................................................................. 26
3.10 安全阀选择.............................................................................................................. 27
3.11 接口管选择.............................................................................................................. 27
4 筒体和封头的应力校核计算 ........................................................................................ 29
4.1
4.2 由弯矩引起的轴向应力校核.................................................................................. 29 筒体和封头切向应力校核...................................................................................... 32
5 结 论 .............................................................................................................................. 33
参考文献 ............................................................................................................................... 34 谢 辞 ..................................................................................................... 错误！未定义书签。
附 录 ..................................................................................................................................... 35
本储罐技术要求 ................................................................................................................ 35
主要设计数据列表 ............................................................................................................ 35
接管方位示意图 ................................................................................................................ 37
压力容器装配结构简图 .................................................................................................... 37
卧式液氨储罐设计
摘要：用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的储罐，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用。本设计运用常规设计的方法，对卧式液氨储罐的筒体、封头进行厚度设计计算，对水压试验进行校核，并对所开人孔进行补强设计。按照相关标准选择密封装置、人孔、支座、接口管以及部分安全附件。根据设计时的需要附上一些储罐零件图与储罐装配简图。完成了一个相对比较完整的卧式液氨储罐的设计。
关键字：储罐；压力容器；设计；计算
Design of Horizontal Type Liquid Ammonia Storage Tank Abstract: Storage tank is used to store or pack gases, liquids, liquefaction gases and other media. It is widely used in the chemical industry, petroleum, energy, light industry, environmental protection, pharmacy and food industries. Conventional design methods is used in this design to calculate and design the thickness of the horizontal cylinder of liquid ammonia storage tank and the head, check the water pressure test, and reinforced design of the opened manhole. Selected hermetic devices, manhole, supports, hicky tube and security accessories according to related standard. It includes some simplified drawing of tank parts and tank assembly according to the needs of this design. A relatively 忽略pleted design of horizontal liquid ammonia storage tank is ac忽略plished.
Keywords: storage tank; pressure vessel; design; calculate
1 前 言
压力容器是一种密闭的承压容器，通常是由板、壳组合而成的焊接结构。其应用广泛且用量大，但又比较容易发生事故且事故往往是严重的。压力容器的设计一般有筒体、封头、密封装置、支座、接口管、人孔及安全附件等组成。与任何工程设计一样，压力容器的设计目标也是对新的或该进的工程系统和装置进行创新和优化，以满足人们的愿望与需要。具体来说，压力容器的设计人员应根据设计任务的特定要求，遵循设计工作的基本规则或规范，以及材料控制﹑结构细节﹑制造工艺﹑检验及质量管理等方面的规则，并尽可能地采用标准[1]。
液氨储罐是合成氨工业中必不可少的储存容器，所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体结构和强度的设计，密封的设计、罐体壁厚设计、封头壁厚设计、确定支座，人孔及接管、开孔补强的情况以及焊接形式的设计与选取。在设计过程中要综合考虑经济性、实用性和安全可靠性。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。此次设计主要原理来自《过程设备设计》一书以及其他参考资料[13]。
本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广泛。分子式NH 3，分子量17.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7℃，沸点-33.35℃，自
燃点651.11℃，蒸汽压1013.08kPa(25.7℃) 。蒸汽与空气混合物爆炸极限16～25%(最易引燃浓度17%)。氨在20℃水中溶解度34%,25℃时，在无水乙醇中溶解度10%，在甲醇中溶解度16%，溶于氯仿、乙醚，它是许多元素和化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性。液态氨将侵蚀某些塑料制品，橡胶和涂层。遇热、明火，难以点燃而危险性较低；但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸, 如有油类或其它可燃性物质存在，则危险性更高。
设计一台具体的化工设备或容器，必须全面考虑设计对象的工况条件，使其有：
1. 总体结构合理、符合工艺要求，高效、可靠、经济；
2. 保证受压元件强度、刚度和稳定性，密封良好，使用期内具有安全寿命；
3. 力求制造、运输、安装、维修简便，易于实现质量监检与控制；
4. 符合国家设计规定和标准，符合劳动部门法规。
设计概要
1. 强度、稳定性及密封设计
1) 根据设计条件及所造的结构、材料进行强度、稳定性及密封计算，以确定设备或容器的机械尺寸。通过计算，常会对结构加以修改，使之更加合理。
2) 施工图设计 根据设计计算的结果，绘制施工图，确定制造技术要求，提出各零件质量及设备总重、材料、品种、规格、用量及标准件、外构件等。
2. 编写技术文件
1) 计算书
2) 设计说明书 内容应包含技术经济分析，并表明技术经济指标位生产能力与消耗系数；材料消耗与生产；维护管理费用。
3) 设计图纸
3. 设计可行性论证 设备或容器设计的可行性分析应就以下诸方面论证：
1) 任务来源，目的与意义；
2) 设计对象在国内外的现状及发展；
3) 结构合理性、技术指标、技术可行性、技术关键；
4) 原材料来源及价格；
5) 制造工艺、运输、安装、维护、管理的特殊要求；
6) 技术经济分析，产品成本与投资[3] [4] [20]。
2 设计总论
2.1 设计任务
设计一个容积为150.0m 3液氨卧式贮罐。设计数据表如表2-1所列：
表2-1 设计数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7 项目 名称 用途 最高工作压力 最高工作温度 全容积 装料系数 工作介质名称及特性 数值 单位 卧式液氨储罐 液氨储藏 MPa ℃ M ³ T/立方米 液氨 备注 2.5 55 150 0.25
2.2 材料及结构的选择与论证
2.2.1 材料选择
根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1㎜/年以下，贮罐可选用一般钢材，根据液氨贮罐的工作压力、工作温度和介质的性质可知该设备为一中压常温设备，介质对碳钢的腐蚀作用很小。故选材料时，主要考虑的强度指标（指σs 和σb ）和塑性指标适合的材料，内罐贮存中温液氨，可以考虑20R 、16MnR 这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R 类的低碳钢板，16MnR 钢板的价
格虽比20R 贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR 钢板为比较经济。其中16MnR 的机械加工性能、强度和塑性指标都比较好，综合金属的强度、刚度、温度、抗腐蚀能力等方面考虑选用16MnR 制作罐体和封头。所以在此选择16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为GB6654-1996。
筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广[3] [6]。
2.2.2 封头的选择
压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。可参阅文献
[1]137~139页。常见容器凸形封头形式如图2-1示[14]。
图2-1 常见容器凸形封头的形式
从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头较为合理[11]。
2.2.3 人孔的选择
压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公称直径) 、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。
人孔的类型很多，从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。选择使用上有较大的灵活性。常见的人孔形状有圆形和椭圆形两种，为使操作人员在能够自由出入，圆形人孔的直径至少应为400㎜，椭圆形人孔的尺寸一般为350㎜ 450㎜[1] [2]。
人孔标准HG21524-95规定PN ≥1.0Mpa 时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的。
通常可以根据操作需要选择，本设计考虑到人孔盖直径较大较重，故选用碳钢水平吊盖人孔，人孔筒节轴线垂直安装[8]。
2.2.4 容器支座的选择
压力容器靠支座支承并固定在基础上，圆筒形容器和球形容器的支座不同。随安装位置不同，圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，其中立式容器支座有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种；卧式容器支座有鞍座，圈座和支腿三种。而球形容器多采用柱式或裙式支座。鞍座是应用最广泛的一种卧式支座，鞍座普遍使用双鞍座支承。从应力分析看，承受同样载荷且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部矫形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一般卧式储罐最好采用双鞍座支承。圈座一般用于大直径薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿，因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN ≤1600，L ≤5m ）。综上考虑在此选择双个鞍座作为储罐的支座, 一个S 型，一个F 型[2]。
另外，由材料力学可知，对于双支座上受均布载荷的简支梁，若梁的全长为L, 则当外伸长度为A =0.207L 时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸0.2L 值，为此中国现行标准JB 4731《钢制卧式容器》规定取A ≤0.2L ，A 值最大不得超过0.25L 。否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。其中A 为封头切线至支座中心线之距离，L 为两封头切线间之距离，此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于支座处圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用[1] [10]。
图2-2 鞍式支座总体图
2.2.5 密封装置设计
压力容器的可拆密封装置形式很多，如中低压容器中的螺纹连接、承插式连接和螺栓法兰连接等，其中以结构简单、装配比较方便的螺栓法兰连接用得最普遍。
螺栓法兰连接主要有法兰、螺栓和垫片组成。螺栓的作用有两个：一是提供预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；二是使螺栓法兰连接变为可拆连接。垫片装在两个法兰中间，作用是防止容器发生泄漏。法兰上由螺栓孔，以容纳螺栓。螺栓法兰连接设计的一般目的是：对于已知的垫片特性，确定安全、经济的法兰和螺栓尺寸，使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内，使接头内的应力在材料允许范围内，即确保密封性和结构完整性。
螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题：一是保证连接处“紧密不漏”；二是法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。实际应用中，螺栓法兰连接很少因强度不足而破坏，大多因密封性能不良而导致泄漏。因此密封设计是螺栓法兰连接中的重要环节，而密封性能的优劣又与压紧面和垫片有关[1] [14]。
1. 法兰压紧面的选择
压紧面主要应根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。常用的压紧面形式有全平面［图2-3（a ）］、突面［图2-3（b ）］、凹凸面［图2-3（c ）］、榫槽面［图2-3（d ）］及环连接面（或称T 形槽）［图2-3（e ）］等，其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。
图2-3 压紧面的形式
2. 垫片的选择
垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能。设计时，主要应根据介质特性、压力、温度和压紧面的形状来选择垫片的结构形式、材料和尺寸，通常兼顾价格、制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化等。对于化工、石油、轻工、食品等生产中常用的介质，可以参阅垫片选用表选用垫片，查得结果如下表。可参考文献[1]149~157页。
表2-2 垫片选用表
介质
氨 法兰公称压力 MPa 2.5 工作温度 ℃ ≤150 密封面 凹凸 垫片 形式 橡胶垫 材料 中压橡胶石棉板 法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲型与乙型两种。甲型平焊法兰有PN0.25MPa 、0.6MPa 、1.0MPa 、1.6MPa ，在较小范围内（DN300㎜~2000㎜）适用温度范围为-20℃~300℃。乙型平焊法兰用于PN0.25MPa~4.0MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为DN300㎜~3000㎜，适用温度范围为-20℃~350℃。对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。用于更高压力的范围（PN0.6MPa~6.4MPa）适用温度范围为-20℃~45℃。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。可参考文献[6]209~227页。
法兰设计时，须注意以下二点：管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照HG20592~HG20635的规定。故本设计选用长颈堆焊法兰，标准号JB/T 4703-2000；密封面的形式为凹凸面密封，代号MFM ；法兰名称：一般法兰，代号：法兰[14]。
标记为：法兰 MFM 3800-2.5、68-155 JB/T 4703-2000
2.2.6 开孔和开孔补强
由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。
压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积[1] [2]。补强材料采用16MnR 。
压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式，如图2-4所示。
图2-4 补强元件的基本类型
1) 补强圈补强 这是中低压容器使用最为广泛的补强结构，补强圈贴焊在壳体与接管连接处，如图2-4（a ）所示。它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠、使用经验丰富等优点。但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强区域产生较大的热应力；另外，补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa 、补强圈厚度小于或等于1.5δn 、壳体名义厚度δn 不大于38㎜的场合。
2) 厚壁接管补强 即在开孔处焊上一段厚壁接管，如图2-4（b ）所示。由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈更能有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检查，因此补强效果较好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。
3) 整锻件补强 该补强结构是接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，如图2-4（c ）所示。此补强只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服点在500MPa 以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔等。可参考文献[1]173~180页。
2.2.7 焊接结构设计
压力容器各受压部件的组装大多采用焊接方式，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，因而必须对容器焊接接头的结构进行合理设计。焊缝系指焊件经焊接所形成的结合部分，而焊接接头是焊缝、熔合线盒热影响区的总称。焊接接头形式一般有被焊接两金属件的相互结构位置来决定，统称分为对接接头、角接接头及T 字接头、搭接接头。见图2-5。对接接头时压力容器中最常用的焊接接头形式。可参阅文献[1]186~189页。
（a ）对接接头 （b ）角接接头
图2-5 焊接接头的三种形式 （c ）搭接接头
为了保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般需将焊件连接处预先加工成各种形状，称为焊接坡口。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。基本的坡口形式有5种，即Ⅰ形、Ⅴ形、单边Ⅴ形、U 形和J 形，如图2-6所示。
图2-6 坡口基本形式
压力容器焊接结构的设计遵循以下基本原则。
1) 尽量采用对接接头 前已述及，对接接头易于保证焊接质量，因而除容器壳体上所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其他位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。
2) 尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷 所谓未熔透是指基本金属盒焊缝金属局部未完成熔合而留下空隙的现象。未熔透往往是导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳。
3) 尽量减少焊缝处的应力集中 焊接接头常常是脆性断裂和疲劳的起源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。如对接接头应尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚度钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度δ2不大于10㎜，两板厚度差超过3㎜；或当薄板厚度δ2大于10㎜，两板厚度差超过薄板的30%，或超过5㎜时，均需按图2-7的要求削薄厚板边缘。
1
2 前 言 ................................................................................................................................ 1 设计总论 .......................................................................................................................... 2
2.1 设计任务.................................................................................................................... 2
2.2 材料及结构的选择与论证........................................................................................ 2
2.2.1 材料的选择......................................................................................................... 2
2.2.2 封头的选择......................................................................................................... 3
2.2.3 人孔的选择......................................................................................................... 3
2.2.4 容器支座的选择................................................................................................. 4
2.2.5 密封装置设计..................................................................................................... 5
2.2.6 开孔和开孔补强................................................................................................. 6
2.2.7 焊接结构设计..................................................................................................... 7
3 设计计算 .......................................................................................................................... 9
3.1 确定罐体的形状及内径............................................................................................ 9
3.2 设计主要技术参数的确定...................................................................................... 14
3.2.1 设计压力........................................................................................................... 14
3.2.2 设计温度........................................................................................................... 14
3.2.3 厚度及厚度附加量........................................................................................... 15
3.2.4 焊接接头系数................................................................................................... 16
3.2.5 许用应力........................................................................................................... 16
3.3 筒体厚度设计.......................................................................................................... 17
3.4 封头壁厚设计.......................................................................................................... 19
3.5 水压试验及强度校核.............................................................................................. 19
3.6 人孔并核算开孔补强.............................................................................................. 20
3.6.1 人孔的选择....................................................................................................... 20
3.6.2 开孔补强的计算............................................................................................... 21
3.6.3 补强圈设计....................................................................................................... 24
3.7 核算承载能力并选择鞍座...................................................................................... 24
3.7.1 承载核算........................................................................................................... 24
3.7.2 鞍座的选择....................................................................................................... 25
3.8 液面计选择.............................................................................................................. 26
3.9 压力计选择.............................................................................................................. 26
3.10 安全阀选择.............................................................................................................. 27
3.11 接口管选择.............................................................................................................. 27
4 筒体和封头的应力校核计算 ........................................................................................ 29
4.1
4.2 由弯矩引起的轴向应力校核.................................................................................. 29 筒体和封头切向应力校核...................................................................................... 32
5 结 论 .............................................................................................................................. 33
参考文献 ............................................................................................................................... 34 谢 辞 ..................................................................................................... 错误！未定义书签。
附 录 ..................................................................................................................................... 35
本储罐技术要求 ................................................................................................................ 35
主要设计数据列表 ............................................................................................................ 35
接管方位示意图 ................................................................................................................ 37
压力容器装配结构简图 .................................................................................................... 37
卧式液氨储罐设计
摘要：用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的储罐，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用。本设计运用常规设计的方法，对卧式液氨储罐的筒体、封头进行厚度设计计算，对水压试验进行校核，并对所开人孔进行补强设计。按照相关标准选择密封装置、人孔、支座、接口管以及部分安全附件。根据设计时的需要附上一些储罐零件图与储罐装配简图。完成了一个相对比较完整的卧式液氨储罐的设计。
关键字：储罐；压力容器；设计；计算
Design of Horizontal Type Liquid Ammonia Storage Tank Abstract: Storage tank is used to store or pack gases, liquids, liquefaction gases and other media. It is widely used in the chemical industry, petroleum, energy, light industry, environmental protection, pharmacy and food industries. Conventional design methods is used in this design to calculate and design the thickness of the horizontal cylinder of liquid ammonia storage tank and the head, check the water pressure test, and reinforced design of the opened manhole. Selected hermetic devices, manhole, supports, hicky tube and security accessories according to related standard. It includes some simplified drawing of tank parts and tank assembly according to the needs of this design. A relatively 忽略pleted design of horizontal liquid ammonia storage tank is ac忽略plished.
Keywords: storage tank; pressure vessel; design; calculate
1 前 言
压力容器是一种密闭的承压容器，通常是由板、壳组合而成的焊接结构。其应用广泛且用量大，但又比较容易发生事故且事故往往是严重的。压力容器的设计一般有筒体、封头、密封装置、支座、接口管、人孔及安全附件等组成。与任何工程设计一样，压力容器的设计目标也是对新的或该进的工程系统和装置进行创新和优化，以满足人们的愿望与需要。具体来说，压力容器的设计人员应根据设计任务的特定要求，遵循设计工作的基本规则或规范，以及材料控制﹑结构细节﹑制造工艺﹑检验及质量管理等方面的规则，并尽可能地采用标准[1]。
液氨储罐是合成氨工业中必不可少的储存容器，所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体结构和强度的设计，密封的设计、罐体壁厚设计、封头壁厚设计、确定支座，人孔及接管、开孔补强的情况以及焊接形式的设计与选取。在设计过程中要综合考虑经济性、实用性和安全可靠性。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。此次设计主要原理来自《过程设备设计》一书以及其他参考资料[13]。
本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广泛。分子式NH 3，分子量17.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7℃，沸点-33.35℃，自
燃点651.11℃，蒸汽压1013.08kPa(25.7℃) 。蒸汽与空气混合物爆炸极限16～25%(最易引燃浓度17%)。氨在20℃水中溶解度34%,25℃时，在无水乙醇中溶解度10%，在甲醇中溶解度16%，溶于氯仿、乙醚，它是许多元素和化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性。液态氨将侵蚀某些塑料制品，橡胶和涂层。遇热、明火，难以点燃而危险性较低；但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸, 如有油类或其它可燃性物质存在，则危险性更高。
设计一台具体的化工设备或容器，必须全面考虑设计对象的工况条件，使其有：
1. 总体结构合理、符合工艺要求，高效、可靠、经济；
2. 保证受压元件强度、刚度和稳定性，密封良好，使用期内具有安全寿命；
3. 力求制造、运输、安装、维修简便，易于实现质量监检与控制；
4. 符合国家设计规定和标准，符合劳动部门法规。
设计概要
1. 强度、稳定性及密封设计
1) 根据设计条件及所造的结构、材料进行强度、稳定性及密封计算，以确定设备或容器的机械尺寸。通过计算，常会对结构加以修改，使之更加合理。
2) 施工图设计 根据设计计算的结果，绘制施工图，确定制造技术要求，提出各零件质量及设备总重、材料、品种、规格、用量及标准件、外构件等。
2. 编写技术文件
1) 计算书
2) 设计说明书 内容应包含技术经济分析，并表明技术经济指标位生产能力与消耗系数；材料消耗与生产；维护管理费用。
3) 设计图纸
3. 设计可行性论证 设备或容器设计的可行性分析应就以下诸方面论证：
1) 任务来源，目的与意义；
2) 设计对象在国内外的现状及发展；
3) 结构合理性、技术指标、技术可行性、技术关键；
4) 原材料来源及价格；
5) 制造工艺、运输、安装、维护、管理的特殊要求；
6) 技术经济分析，产品成本与投资[3] [4] [20]。
2 设计总论
2.1 设计任务
设计一个容积为150.0m 3液氨卧式贮罐。设计数据表如表2-1所列：
表2-1 设计数据表
序号
1
2
3
4
5
6
7 项目 名称 用途 最高工作压力 最高工作温度 全容积 装料系数 工作介质名称及特性 数值 单位 卧式液氨储罐 液氨储藏 MPa ℃ M ³ T/立方米 液氨 备注 2.5 55 150 0.25
2.2 材料及结构的选择与论证
2.2.1 材料选择
根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1㎜/年以下，贮罐可选用一般钢材，根据液氨贮罐的工作压力、工作温度和介质的性质可知该设备为一中压常温设备，介质对碳钢的腐蚀作用很小。故选材料时，主要考虑的强度指标（指σs 和σb ）和塑性指标适合的材料，内罐贮存中温液氨，可以考虑20R 、16MnR 这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R 类的低碳钢板，16MnR 钢板的价
格虽比20R 贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR 钢板为比较经济。其中16MnR 的机械加工性能、强度和塑性指标都比较好，综合金属的强度、刚度、温度、抗腐蚀能力等方面考虑选用16MnR 制作罐体和封头。所以在此选择16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为GB6654-1996。
筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广[3] [6]。
2.2.2 封头的选择
压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。可参阅文献
[1]137~139页。常见容器凸形封头形式如图2-1示[14]。
图2-1 常见容器凸形封头的形式
从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头较为合理[11]。
2.2.3 人孔的选择
压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公称直径) 、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。
人孔的类型很多，从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。选择使用上有较大的灵活性。常见的人孔形状有圆形和椭圆形两种，为使操作人员在能够自由出入，圆形人孔的直径至少应为400㎜，椭圆形人孔的尺寸一般为350㎜ 450㎜[1] [2]。
人孔标准HG21524-95规定PN ≥1.0Mpa 时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的。
通常可以根据操作需要选择，本设计考虑到人孔盖直径较大较重，故选用碳钢水平吊盖人孔，人孔筒节轴线垂直安装[8]。
2.2.4 容器支座的选择
压力容器靠支座支承并固定在基础上，圆筒形容器和球形容器的支座不同。随安装位置不同，圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，其中立式容器支座有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种；卧式容器支座有鞍座，圈座和支腿三种。而球形容器多采用柱式或裙式支座。鞍座是应用最广泛的一种卧式支座，鞍座普遍使用双鞍座支承。从应力分析看，承受同样载荷且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部矫形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一般卧式储罐最好采用双鞍座支承。圈座一般用于大直径薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿，因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN ≤1600，L ≤5m ）。综上考虑在此选择双个鞍座作为储罐的支座, 一个S 型，一个F 型[2]。
另外，由材料力学可知，对于双支座上受均布载荷的简支梁，若梁的全长为L, 则当外伸长度为A =0.207L 时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸0.2L 值，为此中国现行标准JB 4731《钢制卧式容器》规定取A ≤0.2L ，A 值最大不得超过0.25L 。否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。其中A 为封头切线至支座中心线之距离，L 为两封头切线间之距离，此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于支座处圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用[1] [10]。
图2-2 鞍式支座总体图
2.2.5 密封装置设计
压力容器的可拆密封装置形式很多，如中低压容器中的螺纹连接、承插式连接和螺栓法兰连接等，其中以结构简单、装配比较方便的螺栓法兰连接用得最普遍。
螺栓法兰连接主要有法兰、螺栓和垫片组成。螺栓的作用有两个：一是提供预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；二是使螺栓法兰连接变为可拆连接。垫片装在两个法兰中间，作用是防止容器发生泄漏。法兰上由螺栓孔，以容纳螺栓。螺栓法兰连接设计的一般目的是：对于已知的垫片特性，确定安全、经济的法兰和螺栓尺寸，使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内，使接头内的应力在材料允许范围内，即确保密封性和结构完整性。
螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题：一是保证连接处“紧密不漏”；二是法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。实际应用中，螺栓法兰连接很少因强度不足而破坏，大多因密封性能不良而导致泄漏。因此密封设计是螺栓法兰连接中的重要环节，而密封性能的优劣又与压紧面和垫片有关[1] [14]。
1. 法兰压紧面的选择
压紧面主要应根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。常用的压紧面形式有全平面［图2-3（a ）］、突面［图2-3（b ）］、凹凸面［图2-3（c ）］、榫槽面［图2-3（d ）］及环连接面（或称T 形槽）［图2-3（e ）］等，其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。
图2-3 压紧面的形式
2. 垫片的选择
垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能。设计时，主要应根据介质特性、压力、温度和压紧面的形状来选择垫片的结构形式、材料和尺寸，通常兼顾价格、制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化等。对于化工、石油、轻工、食品等生产中常用的介质，可以参阅垫片选用表选用垫片，查得结果如下表。可参考文献[1]149~157页。
表2-2 垫片选用表
介质
氨 法兰公称压力 MPa 2.5 工作温度 ℃ ≤150 密封面 凹凸 垫片 形式 橡胶垫 材料 中压橡胶石棉板 法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲型与乙型两种。甲型平焊法兰有PN0.25MPa 、0.6MPa 、1.0MPa 、1.6MPa ，在较小范围内（DN300㎜~2000㎜）适用温度范围为-20℃~300℃。乙型平焊法兰用于PN0.25MPa~4.0MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为DN300㎜~3000㎜，适用温度范围为-20℃~350℃。对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。用于更高压力的范围（PN0.6MPa~6.4MPa）适用温度范围为-20℃~45℃。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。可参考文献[6]209~227页。
法兰设计时，须注意以下二点：管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照HG20592~HG20635的规定。故本设计选用长颈堆焊法兰，标准号JB/T 4703-2000；密封面的形式为凹凸面密封，代号MFM ；法兰名称：一般法兰，代号：法兰[14]。
标记为：法兰 MFM 3800-2.5、68-155 JB/T 4703-2000
2.2.6 开孔和开孔补强
由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。
压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积[1] [2]。补强材料采用16MnR 。
压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式，如图2-4所示。
图2-4 补强元件的基本类型
1) 补强圈补强 这是中低压容器使用最为广泛的补强结构，补强圈贴焊在壳体与接管连接处，如图2-4（a ）所示。它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠、使用经验丰富等优点。但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强区域产生较大的热应力；另外，补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa 、补强圈厚度小于或等于1.5δn 、壳体名义厚度δn 不大于38㎜的场合。
2) 厚壁接管补强 即在开孔处焊上一段厚壁接管，如图2-4（b ）所示。由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈更能有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检查，因此补强效果较好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。
3) 整锻件补强 该补强结构是接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，如图2-4（c ）所示。此补强只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服点在500MPa 以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔等。可参考文献[1]173~180页。
2.2.7 焊接结构设计
压力容器各受压部件的组装大多采用焊接方式，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，因而必须对容器焊接接头的结构进行合理设计。焊缝系指焊件经焊接所形成的结合部分，而焊接接头是焊缝、熔合线盒热影响区的总称。焊接接头形式一般有被焊接两金属件的相互结构位置来决定，统称分为对接接头、角接接头及T 字接头、搭接接头。见图2-5。对接接头时压力容器中最常用的焊接接头形式。可参阅文献[1]186~189页。
（a ）对接接头 （b ）角接接头
图2-5 焊接接头的三种形式 （c ）搭接接头
为了保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般需将焊件连接处预先加工成各种形状，称为焊接坡口。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。基本的坡口形式有5种，即Ⅰ形、Ⅴ形、单边Ⅴ形、U 形和J 形，如图2-6所示。
图2-6 坡口基本形式
压力容器焊接结构的设计遵循以下基本原则。
1) 尽量采用对接接头 前已述及，对接接头易于保证焊接质量，因而除容器壳体上所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其他位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。
2) 尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷 所谓未熔透是指基本金属盒焊缝金属局部未完成熔合而留下空隙的现象。未熔透往往是导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳。
3) 尽量减少焊缝处的应力集中 焊接接头常常是脆性断裂和疲劳的起源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。如对接接头应尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚度钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度δ2不大于10㎜，两板厚度差超过3㎜；或当薄板厚度δ2大于10㎜，两板厚度差超过薄板的30%，或超过5㎜时，均需按图2-7的要求削薄厚板边缘。