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LC02儲罐的系列優(yōu)化設計

文檔作者：徐宏李玲玉徐國洪顧麗梅齊娜麗顧林文檔來源： 1．靖江市環(huán)水換熱設備有限公司 2．江蘇安宇容器設備有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月28日
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第8期 一27一
LCO2儲罐的 系列 優(yōu)化設計
徐宏 ，李玲玉 ，徐國洪 ，顧麗梅 ，齊娜麗 ，顧林
(1．靖江市環(huán)水換熱設備有限公司，江蘇靖江21 451 3)
(2．江蘇安宇容器設備有限公司， 江蘇靖江21 4500)
[摘 要]介紹了LC02儲罐的系列優(yōu)化設計，通過實例從參數(shù)確定、強度計算、結(jié)構設計、材料要求、焊接和熱處理等方
面，闡述了LC02儲罐制造檢驗等要點及其經(jīng)驗。
[關鍵詞]LC02儲罐；低溫；優(yōu)化設計；系列4J5；制造檢驗
近年來，制冷成套設備發(fā)展迅速，應用日益
廣泛。通常LCO：儲罐與二氧化碳冷卻器配套使
用。液態(tài)二氧化碳在機械制冷系統(tǒng)中廣泛用于制
冷劑，利用液態(tài)二氧化碳的膨脹提供快速制冷。
二氧化碳還可用于制作碳酸飲料。二氧化碳為惰
性氣體，可用于滅火。二氧化碳充裝到罐頭食品
中可防止食品氧化，還可作為中和劑以控制反應
過程中的pH值。在其他應用領域，如氣溶膠噴
裝、壓噴包裝、危險液體的氣動傳送、保護電弧
焊、水泥養(yǎng)護等也要用到二氧化碳。二氧化碳的
物理性能見表1。
表1 二氧化碳物理性能
分子式 co2
分子量 44．OlO
熔點(0~C，0．101325MPa下) -78．4℃
沸點(0~C，0．101325MPa下) 一56．6℃
臨界常數(shù)
溫度 31℃
壓力 7．387 MPa
密度 468 g／L
壓縮系數(shù) 0．274
蒸發(fā)潛熱(標準沸點下) 577．36 kJ／kg
導熱系數(shù)(0~C，0．10132 MPa下) 0．0494 kJ／m·h·℃
密度(0~C，0．10132 MPa下) 1．976 kg／m0
1 LCO：儲罐的優(yōu)化設計
LCO 是一種緊湊、配備齊全的系統(tǒng)，設計
用于儲存液態(tài)二氧化碳并具備供應液態(tài)和氣態(tài)物
質(zhì)的雙重功能。LCO：儲罐在低溫條件下運行和使
用。根據(jù)GB150．1-2011第3．1．15條規(guī)定：設計溫度
低于一20℃ 的碳素鋼、低合金鋼、雙相不銹鋼和鐵
素體不銹鋼制容器， 以及設計溫度低于一196℃ 的
奧氏體不銹鋼制容器為低溫壓力容器。低溫壓力
容器容易產(chǎn)生低應力脆性破壞。低溫壓力容器的
質(zhì)量與產(chǎn)品設計、材料性能、制造技術、焊接技
術、熱處理工藝、無損檢測技術等多方面的因素
有關。國內(nèi)外對該容器均有嚴格規(guī)定。在我國建
造和使用的低溫容器設計、制造、檢驗和驗收按
GB150．1～150．4—2011《壓力容器》執(zhí)行。近年來
公司根據(jù)市場需求生產(chǎn)的系列儲罐容積有5、12、
15、20、25、30、40、50、60、80、100 m 等規(guī)
格，見表2。
儲罐設計原則是：在容積相等的情況下，選
擇確定最適合的長度／直徑之比，使主要受壓元件
簡體和封頭在相等容積下壁厚相對較薄， 簡體直
段的長度盡量接近鋼板尺寸規(guī)格，降低儲罐的重
量，提高材料利用率，提升企業(yè)的競爭力。
表2 LC02儲罐系列
型號 容積／ 壁厚／mm 長度／mm
m 內(nèi)徑／mm 簡體／封頭 簡體／總長 支座間距／mm 設備總重／kg
HS—LC02—5 5 1400 12／12 2700／3450 1600 2500
HS—LC02-12 12 1800 14／14 4000／4950 2400 4200
作者簡介：徐宏(1 989～)，男，江蘇靖江人，本科學歷，助理工程師。從事?lián)Q熱器設計制造等工作。
一
28一 ■ 論文廣場 2石0油13和年化第工16設卷備
HS—LCO，一l5 15 1800 14／14 5200／6150 3200 4900
HS—LCO，-20 20 2200 16／16 4400／5580 2650 6200
HS—LCO2-25 25 2400 16／16 4600／5880 2800 6900
HS—LCO，-30 30 2400 20／22 5760／71 l2 3800 11000
HS—LCO2-40 40 2400 20／22 8000／9280 4800 12000
HS—LCO2-50 50 2600 20／22 8500／9880 510O 13500
HS—LCO7-60 60 。 2600 20／22 10400／1 1780 6300 16000
HS-LCO，-80 80 2800 22／24 12000／13480 7200 21000
HS—LCO，一100 1O0 3000 22／24 13100／14680 8000 24000
本文以設計壓力2．2MPa 30 m LCO2儲罐為
例，介紹LCO 儲罐的優(yōu)化設計。該儲罐設計參數(shù)
見表3，結(jié)構形式如圖1。
2 LC02儲罐設計 。]
2．1設計參數(shù)選取原則
(1)容器類別：三類。根據(jù)TSG R0004．2009
《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》附錄A，
因其介質(zhì)分組為第一組介質(zhì)，容積為30 in ，壓力
為2．2MPa，根據(jù)PV值查圖A．2壓力容器類別劃分
圖，該容器屬于三類容器。
表3 主要設計參數(shù)
項目 參數(shù)
設計壓力／MPa 2．2
工作壓力／MPa 2．0
設計溫度／℃ 一35
工作溫度／℃ 一30
工作介質(zhì) LC02(二氧化碳)
腐蝕裕量／mm 2．0
焊接接頭系數(shù) 1．O
容器類別 ：類(A2)
全容積／m0 30
設計使用壽命 15
主要受壓材料 16MnDR 16MnDIII
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圖1 LC02儲罐結(jié)構形式
(2)容器設計壓力及溫度： 多數(shù)國內(nèi)設計的二
氧化碳罐采用2．16MPa設計壓力(已高于飽和蒸氣
壓)，而少數(shù)采用2．5MPa設計壓力。國內(nèi)二氧化
碳罐結(jié)構形式分雙層罐和單層罐，多層采用真空
粉末形式絕熱(絕熱效果較發(fā)泡保冷要好，使用
壽命更長，但成本較高)。立式支腿結(jié)構通常采
用拉、吊帶結(jié)構或是下封頭支柱和拉帶結(jié)合的形
式；臥式鞍座結(jié)構通常采用膠木支撐結(jié)構，也有
用抱帶結(jié)構。發(fā)泡保冷絕熱形式較簡單且成本較
低，發(fā)泡層外表面通常采用薄鋁板保護，之間不
需要支撐。我公司按GB／T18442．1-6—2011《固定式
真空絕熱深冷壓力容器》執(zhí)行，制造單位應進行
低溫性能型式試驗，低溫性能檢測應由國家特種
設備安全監(jiān)督管理部門認可的機構進行并負責出
具報告。根據(jù)我公司的制造經(jīng)驗，有保溫設施的
二氧化碳儲罐設計壓力一般取1．6~2．5MPa，因液
態(tài)二氧化碳儲罐均有保溫，取設計壓力2．2MPa，
設計溫度為一3O℃[41。
第8期 徐宏等LC02儲罐的系列優(yōu)化設計 一29一
(3)焊接接頭系數(shù)：按HG／T20585—201 1《鋼制
低溫壓力容器技術規(guī)定》8．7．1第2條，A、B類對
接接頭應進行1 00％射線或超聲檢測，焊接接頭系
數(shù)取 =1．0。
(4)主要受壓元件材料：材料選擇主要應考
慮介質(zhì)特性和工藝條件以及設備制造過程中材料
的焊接性、工藝性和經(jīng)濟性。儲罐介質(zhì)為二氧化
碳，工作溫度．30℃，綜合考慮材料的機械性能和
物理性能，罐體材料選用16MnDR (正火狀態(tài))，
負偏差為0．3 1TI1TI，應符合GB3531-2008《低溫壓力
容器低合金鋼板》規(guī)定，鋼板表面不允許存在裂
紋、氣泡、折疊和夾雜等對使用有危害的缺陷。
對材料化學成分和力學性能、彎曲進行復驗，化
學成分P、s含量應符合TSG R0004．2009《固容
規(guī)》中2．3．2，力學性能應注意對沖擊功的要求。
對于厚度大于20 mm鋼板應逐張進行100％超聲檢
測，且不低于III級合格。主要受壓元件用1 6MnDR
鋼板應按GB150附錄C規(guī)定進行低溫夏比(V型缺
口)沖擊試驗。
鍛件的材質(zhì)選用1 6MnD鍛，鍛件應符合NB／
T47009．2010《低溫承壓設備用低合金鋼鍛件》的
規(guī)定， 鍛件級別不得低于III級。應進行一40℃ 的
低溫v型缺口沖擊試驗，沖擊功值不得低于HG／
T20585表6．0．5—2低溫沖擊功要求。1 6MnDIII鍛件
應逐件進行超聲探傷。
3設備制造檢驗基本要求
3．1封頭和簡體的制造要求[5】
封頭采用熱壓成形，罐體直徑超過鋼材的定
尺寬度(1 800 mm、2000 mm、2200 mm)時，
一般封頭需要拼接，而拼縫需要進行焊接工藝評
定， 注意評定熱處理PWHT為正火(N)+退火
(A)。為保證與簡體的順利裝配，應控制其尺寸
精度，若單位已提前下料，筒體制造在前，可直
接把帶余量直邊的拉回本單位，根據(jù)已卷制好筒
體的周長用風割把余量去掉。封頭需100％ 射線檢
測，符合JB／T4730．2。2005要求的II級合格。檢測
可有兩種方案，一是在平板拼接后進行100％RT，
壓制好后拉回單位再對直邊圓弧過渡段R處再進
行一次RT，以防止壓制過程中圓弧過渡段出現(xiàn)裂
紋，優(yōu)點是平板拍片相對方便，但重復拍片成本
較高；二是拼接好后直接發(fā)封頭加工單位，壓制
好后拉回單位進行100％RF，優(yōu)點是節(jié)約成本，但
發(fā)現(xiàn)缺陷及返修，進行拍片比較麻煩。目前多數(shù)
制造單位都采用第二種方案。
簡體下料應根據(jù)封頭端口外周長按中徑展
開，筒節(jié)在卷制過程中應做好對錯邊量及棱角度
的控制，保證每節(jié)筒體的圓度。
3．2焊接
低溫二氧化碳儲罐制造的關鍵工序是焊接，
特別應注意改善焊接材料的韌性，防止晶粒粗大
和應力集中。整個焊接過程應嚴格按照焊接工藝
評定執(zhí)行。焊縫全部采用全焊透型式，焊接材料
見表4。焊條應按批次進行藥皮含水量和熔敷金屬
擴散氫含量的復驗。
表4 焊接材料
焊接形式 焊條牌號
16MnDR之間 J507 RH
16MnDR與16Mn DIII之間 J507 RH
16MnDR與16MnDR之間 J507 RH
16MnDR與$30408之間 A302
$30408之間 A132
16MnDR自動焊：焊絲SJ101，焊劑H10Mn2
3-3無損檢測
在熱處理前，應對A、B類焊縫進行100％射
線檢修及表面檢測，應符合表5。容器上臨時焊
接的吊耳及拉筋隔板在割除后，其焊疤應打磨平
滑，并做表面檢測，確保表面無裂紋等缺陷存
在。
表5 無損檢測
焊接接頭種類 檢測率 檢測標準 合格級別
A 簡體 RT 100％ JB／T 4 7 3 0．2— II級／AB級
2005
B 封頭 RT 100％ JB／T 4 7 3 0．2— II級／AB級
2005
異種鋼焊接接頭 PT 100％ JB／T 4 7 3 0．5— I級
2005
法蘭與接管對接 PT 100％ JB／T 4 7 3 0．5— I級
接頭 2005
D類 PT 100％ JB／T 4 7 30．5— I級
2005
3．4熱處理
設備制造結(jié)束并全部檢測后，為消除焊接過
程中引起的內(nèi)應力及強行組裝發(fā)生的結(jié)構應力，減
少低溫容器脆性斷裂的傾向，改善熱影響區(qū)和加工
變形區(qū)的組織狀況，提高塑性和韌性，需進行整
體熱處理。熱處理是去除焊縫金屬中的氫氣，保
(下轉(zhuǎn)26頁)
26一 ■論文廣場 2石0油和化工設備
13年第1 6卷
在當量高度中間，設多道加強圈的，只要加強圈
在當量罐壁高度的位置， 能滿足實際未加強罐壁
高度小于最大罐壁未加強高度即可。
(3)加強圈的截面模數(shù)，國標可按標準推薦選
取，在實際應用中比較方便，API 650需要采用與
頂部抗風圈同樣的理論進行計算，所得截面模數(shù)
較為準確合理，且由于數(shù)量較少，可節(jié)約鋼材，
減少施工量，降低工程投資。
◆參考文獻
[1]GB 50341—2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范[s]．
『2]API Standard650WeldedTanksforOil Storage。2011『S]．
[3]GB 50009—2001(2006年版)，建筑結(jié)構荷載規(guī)范[S]．
[4]ASCE 7-05 Minimum Design Loads for buildings and other
Structures[S]．
[5]唐悅影．關于大型儲罐加強圈設計計算的探討[J]油氣田地
面工程，2004，(61：40．
[6]李宏斌．超大型油罐抗風結(jié)構的合理設計[J]．石油化工設備
技術，2002，(6)：7—8
附錄參數(shù)定義：
D一儲罐內(nèi)徑，rn；
H'一罐壁高度，m；
w 一頂部抗風圈的最小截面模數(shù)，cm3；
(I)k一風載荷標準值，kPa；
∞0_—基本風壓，kPa／~ ，由轉(zhuǎn)化后的基本風速；
13 7__一高度z處風振系數(shù)，對油罐13 ：1；
一風荷載體型系數(shù)，應取駐點值 =1；
風壓高度變化系數(shù)；
H 一最大未加強罐壁高度，m；
H ～ 核算區(qū)間的罐壁當量高度，rn；
HP_一罐壁當量高度，m；
H．一加強圈與頂部角鋼的間距，若有抗風圈，則為與抗風圈
的間距，m：
， ～ 核算區(qū)間最薄圈罐壁的有效厚度，n'lTl；
一核算區(qū)間第i圈罐壁的有效厚度，mm；
V3 一API 650設計風速(3秒陣風)，klTl／h；
v600 B50341設計風速(10min平均風速)，m／s；
【P 一核算區(qū)間罐壁筒體的許用臨界壓力，kPa；
【P0]一罐壁筒體的設計外壓，kPa。
稿B強羲l拍、3m^ |修 日強 、3．I埝∞ ≥毫 j≥毫 l
(上接29頁)
證低溫壓力容器質(zhì)量的重要手段。進行爐內(nèi)整體
熱處理時，入爐溫度不得高于400℃，加熱升溫至
620±20℃ ，并在該溫度下保溫2d,時，隨爐冷卻
到3o0℃后靜置在空氣中繼續(xù)冷卻。對同爐熱處理
的焊接試板進行力學和彎曲性能試驗，試驗結(jié)果
應符合相關標準要求。
3．5壓力試驗
設備熱處理后， 按照圖樣規(guī)定進行水壓試
驗，水壓試驗壓力2．75MPa，容器內(nèi)氣體應當排
凈并充滿液體，試驗過程中，應保持容器觀察表
面干燥，當試驗容器器壁金屬溫度與液體問題接
近時，方可緩慢甚至設計壓力，確認無泄漏后繼
續(xù)升壓至規(guī)定的試驗壓力，保壓時間一般不少于
30 min，然后降至設計壓力，保壓足夠時間進行檢
查，檢查期間壓力應保持不變?yōu)楹细瘛?
3．6其它要求
為便于操作、方便觀察液位，在靠近液位計
的封頭一側(cè)設有外梯，罐頂有走臺和安全欄桿。
為防止物料裝卸過程中形成靜電，設備安裝在鋼
結(jié)構高空中，應在鞍座上設有一個接地板，避免
受靜電或雷擊造成火災。
4結(jié)束語
我公司年產(chǎn)百余臺低溫二氧化碳儲罐，近年
累計共近千余臺投入市場使用，各項性能均達到
規(guī)定要求，用戶反映良好。隨著石油化工產(chǎn)品需
求的快速發(fā)展，壓力容器使用條件越來越苛刻，
我公司系列優(yōu)化設計的低溫二氧化碳儲罐，具有
長徑比合理，筒壁薄，性價比高等優(yōu)點，產(chǎn)品
性能良好，制造經(jīng)驗豐富， 長期以來深受用戶歡
迎。
◆參考文獻
【1】GB150．1～150．4．2011，壓力容器『S】．
[2]HG／T20585．2011，鋼制低溫壓力容器技術規(guī)定[s]．
[3]TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程[s】．
[4]GB／T18442．1~6．2011，固定式真空絕熱深冷壓力容器[s]．
【5]徐宏，徐國洪，顧麗梅．壓力容器用材料的問題及淺談【J】
化學工程與裝備，2012，f4)．
蜘舭|l — 4

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