液氨儲罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

液氨（無水）儲罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)摘要：本文主要介紹了液氨儲罐在設(shè)計(jì)過程中工作壓力、設(shè)計(jì)壓力、安全閥整定壓力、最高允許工作壓力的確定、設(shè)備選材原則及相應(yīng)的技術(shù)條件要求等。簡介：液氨，又稱為無水氨，呈無色液體狀，有強(qiáng)烈刺激性氣味。氨作為一種重要的化工原料，為運(yùn)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。存儲液氨的壓力容器，主要應(yīng)用的場合有醫(yī)院、制冷業(yè)、氣體生產(chǎn)廠等場合，它可以為這些企業(yè)提供存儲的載體，在使用過程中安全可靠、降低成本。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：根據(jù)客戶提供要求，本罐為常溫儲存液化氣體儲罐，無保冷措施，介質(zhì)為無水液氨，最低設(shè)計(jì)金屬溫度-9°C，設(shè)計(jì)使用年限10年，固定臥式安裝，設(shè)備公稱直徑DN1400，容積V=5m3o液氨儲罐過程設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.1設(shè)計(jì)壓力、溫度確定常溫儲存液化氣體的設(shè)計(jì)壓力，應(yīng)當(dāng)以規(guī)定溫度下的工作壓力為基礎(chǔ)來確定，根據(jù)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》條款3.1.9.3規(guī)定，液氨臨界溫度＞50C，無保冷措施，以液氨50C飽和蒸氣壓設(shè)為工作壓力，液氨50C飽和蒸氣壓Pw=1.93MPa，設(shè)計(jì)壓力確定Pc=（1.05?1.1）Pw=2.2MPa。2.2設(shè)備材料選擇原則根據(jù)液氨介質(zhì)特性含水量不高于0.2%，且有可能受空氣中。2或CO2污染，使用溫度高于-5C，屬于液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境。對本設(shè)備根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、溫度、介質(zhì)特性，主體板材選用GB/T713-2017《鍋爐和壓力容器用鋼板》低合金鋼Q345R，供貨狀態(tài)正火；根據(jù)介質(zhì)危害程度，最低設(shè)計(jì)金屬溫度，本設(shè)計(jì)選用符合GB/T9948的鋼管，材料選擇10#鋼，供貨狀態(tài)正火；法蘭鍛件根據(jù)壓力、介質(zhì)不允許微量泄漏等特性，依照HG/T20592-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》選擇帶頸對焊法蘭，公稱壓力等級PN40，材質(zhì)為16MnH鍛件，密封面形式凹凸面。2.3最高允許工作壓力的引入及計(jì)算過程根據(jù)HG/T20660-2017《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類標(biāo)準(zhǔn)》氨屬于中毒危害介質(zhì)，泄漏時(shí)易揮發(fā)可燃?xì)怏w，爆炸極限為16%?25%，屬于易爆介質(zhì)，對于盛裝不允許有微量泄漏的壓力容器，應(yīng)進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，該設(shè)備選擇氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力等于設(shè)計(jì)壓力，并且試驗(yàn)時(shí)，需要將安全附件裝配齊全，為了確保泄漏性試驗(yàn)順利進(jìn)行，所以引入最高允許工作壓力，最高允許工作壓力［PMAWP］是根據(jù)容器各受壓元件有效厚度計(jì)算得到的，考慮了該元件承受的所有載荷，取各受壓元件承受最高允許工作壓力的最小值；綜上各壓力之間關(guān)系:工作壓力PwV設(shè)計(jì)壓力PcV安全閥整定壓力PzV最高允許工作壓力。本設(shè)備根據(jù)最終選材、設(shè)計(jì)壓力Pc=2.2MPa、腐蝕余量C2=2.0mm、鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm、筒體焊接接頭系數(shù)二0.85，封頭（整板成形）焊接接頭系數(shù)=1.0，依據(jù)GB/T150.3-2011《壓力容器》第3部分設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算可得（計(jì)算省略）：筒體名義厚度6n=14mm，封頭名義厚度nh=14mm，管口b人孔DN450開口補(bǔ)強(qiáng)要求，短節(jié)Q345R鋼板卷制，規(guī)格①480x12，補(bǔ)強(qiáng)圈外徑①760x12，其余各開孔滿足GB/T150.3-2011《壓力容器》第3部分6.1.3不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑要求。2.4筒體最高允許工作壓力PW1[PW1]= (1)式中：e為筒體有效厚度；Di筒體內(nèi)直徑； 為筒體焊接接頭系數(shù)；t為筒體材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；根據(jù)設(shè)計(jì)條件：筒體名義厚度n=14mm；筒體有效厚度：6e=6n-(C1+C2)即e=14-0.3-2=11.70mm，C1為鋼板厚度負(fù)偏差0.3mm，C2腐蝕裕量2mm；筒體內(nèi)直徑Di=1400mm；筒體焊接接頭系數(shù)=0.85；筒體材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力t=189MPa；帶入(1)公式可得筒體最高允許工作壓力[PW1]=2.66MPa。2.5封頭最高允許工作壓力PW2[PW2]= (2)式中：eh為封頭有效厚度，Di封頭內(nèi)直徑； 為封頭焊接接頭系數(shù)；t為封頭材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；K橢圓形封頭形狀系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)條件：封頭名義厚度nh=14mm；封頭有效厚度6eh=6nh-(C1+C2)-封頭加工減薄量，即eh=14-0.3-2-1.68=10.02mm，注：根據(jù)GB/T25198-2010《壓力容器封頭》，封頭加工厚度減薄率為12%，封頭加工減薄量1.68mm，C1為鋼板厚度負(fù)偏差0.3mm，C2腐蝕裕量2mm；封頭內(nèi)直徑Di=1400mm；焊接接頭系數(shù)=1.0，整板成形；封頭材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 t=189MPa；標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭形狀系數(shù)K=1.0；帶入(2)公式可得封頭最高允許工作壓力[PW1]=2.69MPa。2.6法蘭最高允許工作壓力Pw3設(shè)備接管法蘭根據(jù)HG/T20592?20635-2009《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》表7.0.1.1?7.0.1.9中取法蘭各受壓元件在設(shè)計(jì)溫度下最大允許工作壓力中的最小值，本設(shè)備所有法蘭材料類別代號為1C1(16Mnn)，所以法蘭在設(shè)計(jì)溫度下的最大允許工作壓力Pw3=4.0MPa。2.7開口補(bǔ)強(qiáng)處最高允許工作壓力Pw4[PW4]= (3)式中：es補(bǔ)強(qiáng)后的實(shí)際殼體有效厚度；Di筒體內(nèi)直徑； 為筒體焊接接頭系數(shù)； t為筒體材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；2.7.1人孔b開口殼體上所需補(bǔ)強(qiáng)面積：A=dop+2et(1-fr) (4)式中：dop開孔直徑； 圓筒或球殼開孔處殼體計(jì)算厚度；et接管有效厚度；fr接管與殼體材料不同時(shí)的強(qiáng)度削弱系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)條件：對于圓形開孔取接管內(nèi)直徑加2倍厚度附加量dop=(480-2x12)+2x(0.3+2)=460.6mm；開孔處殼體計(jì)算厚度==9.65mm，注：Pc設(shè)計(jì)壓力為2.2MPa；Di為筒體內(nèi)徑1400mm；開口處焊接接頭系數(shù)0.85；接管有效厚度et=12-0.3-2=9.7mm；同種材料強(qiáng)度削弱系數(shù)fr=1.0；帶入(4)公式可得b口開孔處所需補(bǔ)強(qiáng)面積A=4444.7mm2。2.7.2在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體和接管有效厚度減去計(jì)算厚度后的多余金屬截面面積可稱為補(bǔ)強(qiáng)面積，計(jì)算公式：Ae=A1+A2+A3 (5)A1殼體在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的多余金屬截面積：A1=(B-dop)(e-)-2et(e-)(1-fr) (6)式中：B有效補(bǔ)強(qiáng)寬度；e殼體開口處的有效厚度； 殼體開口處計(jì)算厚度;et接管有效厚度；fr強(qiáng)度削弱系數(shù);根據(jù)設(shè)計(jì)條件：有效補(bǔ)強(qiáng)寬度B=Max［2dop,dop+2n+2nt］=Max［921.2mm,512.6mm］即B=921.2mm，殼體名義厚度n=14mm，接管名義厚度nt=12mm；殼體開口處的有效厚度e=11.7mm；殼體開口處計(jì)算厚度=9.65mm；接管有效厚度et=9.7mm；強(qiáng)度削弱系數(shù)fr=1.0；帶入（6）公式可得殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余補(bǔ)強(qiáng)A1=944.23mm2。A2接管在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的多余金屬截面積：A2=2h1（et-t）fr+2h2（et-C2）fr （7）式中：h1外伸接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度；et接管有效厚度；t接管計(jì)算厚度；h2內(nèi)伸接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度；fr材料強(qiáng)度削弱系數(shù)；C2接管腐蝕余量；根據(jù)設(shè)計(jì)條件：外伸接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度h1=Min［，接管實(shí)際外伸高度］=74.34mm，即開孔直徑dop=460.6mm，接管名義厚度nt=12mm，接管實(shí)際外伸高度200mm；接管有效厚度et=9.7mm；接管計(jì)算厚度t==3.14mm，艮口Pc設(shè)計(jì)壓力為2.2MPa，Di為接管內(nèi)徑456mm，接管焊接接頭系數(shù)=0.85；內(nèi)伸接管有效補(bǔ)強(qiáng)高度h2=Min［，接管實(shí)際內(nèi)伸高度］=0mm；材料強(qiáng)度削弱系數(shù)fr=1.0；帶入（7）公式可得接管在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的多余金屬截面積A2=975.3mm2。A3焊縫金屬截面積：A3=axb=64mm2 （8）根據(jù)設(shè)計(jì)條件：焊縫底邊長度a=8mm；焊縫高度b=8mm；在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)面積，將公式（6）（7）（8）帶入（5）可得：Ae=A1+A2+A3=1983.5mm2綜上AeVA，則開孔處需要另加補(bǔ)強(qiáng)，本設(shè)備采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，根據(jù)JB/T4736-2002《補(bǔ)強(qiáng)圈》選取規(guī)格型號為dN450X12-D-Q345R，補(bǔ)強(qiáng)圈面積：A4= （9）式中：D2為補(bǔ)強(qiáng)圈外徑；d0接管外徑；S補(bǔ)強(qiáng)圈厚度；Z為設(shè)計(jì)溫度下殼體材料與補(bǔ)強(qiáng)圈材料許用應(yīng)力之比；根據(jù)設(shè)計(jì)條件：D2補(bǔ)強(qiáng)圈外徑為760mm，do接管外徑480mm，S補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度12mm，鋼板負(fù)偏差0.3mm，帶入（9）公式可得補(bǔ)強(qiáng)圈面積A4=3276mm2。采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)后實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積：As=Ae+A4 （10）艮即根據(jù)公式（5）（9）帶入（10）可得補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)后實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積As=5259.5mm2結(jié)論：增加補(bǔ)強(qiáng)圈后，人孔b開口補(bǔ)強(qiáng)合格。2.7.3開孔處（b口）經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)后的實(shí)際殼體有效厚度為：es= （11）式中：As為開口處實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積；dop開孔直徑；et接管有效厚度；fr強(qiáng)度削弱系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)條件：As開口處實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積5259.5mm2，dop開孔直徑460.6mm，et接管有效厚度9.7mm，fr強(qiáng)度削弱系數(shù)1.0，帶入（11）公式，補(bǔ)強(qiáng)后的實(shí)際殼體有效厚度為es=11.4mm?？傻茫簹んw開孔補(bǔ)強(qiáng)后最大允許工作壓力PW4根據(jù)設(shè)計(jì)條件：es補(bǔ)強(qiáng)后的實(shí)際殼體有效厚度11.4mm，Di筒體內(nèi)直徑1400mm， 筒體焊接接頭系數(shù)0.85， t為筒體材料設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力189，帶入（3）公式，b開口補(bǔ)強(qiáng)處最高允許工作壓力Pw4=2.59MPa。綜上筒體、封頭、接管法蘭、開孔補(bǔ)強(qiáng)等各受壓元件最大允許工作壓力分別為：PW1=2.66MPa、PW2=2.69MPa、PW3=4.0MPa、PW4=2.59MPa。所以，確定本設(shè)備最高允許工作壓力?。篜MAWP=2.5MPa。因?yàn)楸驹O(shè)備要求氣密性試驗(yàn)，安全閥整定壓力大于設(shè)計(jì)壓力且小于最高允許工作壓力，所以安全閥整定壓力取PZ=2.3MPa。安全閥選用封閉全啟式，推薦型號A42Y-25C,X作壓力等級2.0?2.5MPa。參考文獻(xiàn)：GB/T150.1?150.4-2011《壓力容器》TSG21-2016《固定式壓力容器