摘要：本文主要介绍了液氨储罐在设计过程中工作压力、设计压力、安全阀整定压力、最高允许工作压力的确定、设备选材原则及相应的技术条件要求等。
简介：
液氨，又称为无水氨，呈无色液体状，有强烈刺激性气味。氨作为一种重要的化工原料，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。存储液氨的压力容器，主要应用的场合有医院、制冷业、气体生产厂等场合，它可以为这些企业提供存储的载体，在使用过程中安全可靠、降低成本。
1.设计数据：
根据客户提供要求，本罐为常温储存液化气体储罐，无保冷措施，介质为无水液氨，最低设计金属温度-9℃，设计使用年限10年，固定卧式安装，设备公称直径DN1400，容积V=5m³。
2.液氨储罐过程设计要点
2.1设计压力、温度确定
常温储存液化气体的设计压力，应当以规定温度下的工作压力为基础来确定，根据TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》条款3.1.9.3规定，液氨临界温度≥50℃，无保冷措施，以液氨50℃饱和蒸气压设为工作压力，液氨50℃饱和蒸气压Pw=1.93MPa，设计压力确定Pc=（1.05～1.1）Pw ≈2.2MPa。
2.2设备材料选择原则
根据液氨介质特性含水量不高于0.2%，且有可能受空气中O₂或CO₂污染，使用温度高于-5℃，属于液氨应力腐蚀环境。
对本设备根据设计压力、温度、介质特性，主体板材选用GB/T713-2017《锅炉和压力容器用钢板》低合金钢Q345R，供货状态正火；根据介质危害程度，最低设计金属温度，本设计选用符合GB/T9948的钢管，材料选择10#钢，供货状态正火；法兰锻件根据压力、介质不允许微量泄漏等特性，依照HG/T20592-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》选择带颈对焊法兰，公称压力等级PN40，材质为16MnⅡ锻件，密封面形式凹凸面。
2.3最高允许工作压力的引入及计算过程
根据HG/T20660-2017《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类标准》氨属于中毒危害介质，泄漏时易挥发可燃气体，爆炸极限为16%～25%，属于易爆介质，对于盛装不允许有微量泄漏的压力容器，应进行泄漏试验，该设备选择气密性试验，试验压力等于设计压力，并且试验时，需要将安全附件装配齐全，为了确保泄漏性试验顺利进行，所以引入最高允许工作压力，最高允许工作压力[PMAWP]是根据容器各受压元件有效厚度计算得到的，考虑了该元件承受的所有载荷，取各受压元件承受最高允许工作压力的最小值；综上各压力之间关系：工作压力Pw＜设计压力Pc＜安全阀整定压力Pz＜最高允许工作压力。
本设备根据最终选材、设计压力Pc=2.2MPa、腐蚀余量C2=2.0mm、钢板负偏差C1=0.3mm、筒体焊接接头系数=0.85，封头（整板成形）焊接接头系数=1.0，依据GB/T150.3-2011《压力容器》第3部分设计强度计算可得（计算省略）：筒体名义厚度δn=14mm，封头名义厚度nh=14mm，管口b人孔DN450开口补强要求，短节Q345R钢板卷制，规格Φ480×12，补强圈外径Φ760×12，其余各开孔满足GB/T150.3-2011《压力容器》第3部分6.1.3不另行补强的最大开孔直径要求。
2.4筒体最高允许工作压力PW1
[PW1]=
（1）
式中：e为筒体有效厚度；Di筒体内直径；为筒体焊接接头系数；t为筒体材料设计温度下的许用应力；
根据设计条件：筒体名义厚度n=14mm；筒体有效厚度：δe=δn-（C1+C2） 即 e =14-0.3-2= 11.70mm，C1为钢板厚度负偏差0.3mm，C2腐蚀裕量2mm；筒体内直径Di=1400mm；筒体焊接接头系数=0.85；筒体材料设计温度下的许用应力t=189MPa；带入（1）公式可得筒体最高允许工作压力[PW1]=2.66MPa。
2.5封头最高允许工作压力PW2
[PW2]=
（2）
式中：eh为封头有效厚度，Di封头内直径；为封头焊接接头系数；t为封头材料设计温度下的许用应力；K椭圆形封头形状系数；
根据设计条件：封头名义厚度nh=14mm；封头有效厚度δeh=δnh-（C1+C2）-封头加工减薄量，即 eh =14-0.3-2-1.68= 10.02mm，注：根据GB/T25198-2010《压力容器封头》，封头加工厚度减薄率为12%，封头加工减薄量1.68mm，C1为钢板厚度负偏差0.3mm，C2腐蚀裕量2mm；封头内直径Di=1400mm；焊接接头系数=1.0，整板成形；封头材料设计温度下的许用应力t=189MPa；标准椭圆封头形状系数K=1.0；带入（2）公式可得封头最高允许工作压力[PW1]=2.69MPa。
2.6法兰最高允许工作压力Pw3
设备接管法兰根据HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片和紧固件》表7.0.1.1～7.0.1.9中取法兰各受压元件在设计温度下最大允许工作压力中的最小值，本设备所有法兰材料类别代号为1C1（16MnⅡ），所以法兰在设计温度下的最大允许工作压力Pw3=4.0 MPa。
2.7开口补强处最高允许工作压力Pw4
[PW4]= 
（3）
式中：es补强后的实际壳体有效厚度；Di筒体内直径；为筒体焊接接头系数；t为筒体材料设计温度下的许用应力；
2.7.1人孔b开口壳体上所需补强面积：
A=dop+2et（1-fr） （4）
式中：dop开孔直径；圆筒或球壳开孔处壳体计算厚度；et接管有效厚度；fr接管与壳体材料不同时的强度削弱系数；
根据设计条件：对于圆形开孔取接管内直径加2倍厚度附加量dop=（480-2×12）+2×（0.3+2）=460.6mm；开孔处壳体计算厚度 = 
= 9.65mm，注：Pc设计压力为2.2MPa；Di为筒体内径1400mm；开口处焊接接头系数0.85；接管有效厚度et=12-0.3-2=9.7mm；同种材料强度削弱系数fr=1.0；带入（4）公式可得b口开孔处所需补强面积A=4444.7mm2。
2.7.2在有效补强范围内，壳体和接管有效厚度减去计算厚度后的多余金属截面面积可称为补强面积，计算公式：
Ae=A1+A2+A3 （5）
A1壳体在补强范围内的多余金属截面积：
A1=（B-dop）（e-）-2et（e-）（1-fr） （6）
式中：B有效补强宽度；e壳体开口处的有效厚度；壳体开口处计算厚度；et接管有效厚度；fr强度削弱系数；
根据设计条件：有效补强宽度B=Max[2dop，dop+2n+2nt]=Max[921.2mm，512.6mm]即B=921.2mm，壳体名义厚度n=14mm，接管名义厚度nt=12mm；壳体开口处的有效厚度e=11.7mm；壳体开口处计算厚度=9.65mm；接管有效厚度et=9.7mm；强度削弱系数fr=1.0；带入（6）公式可得壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余补强A1=944.23mm2。
A2接管在补强范围内的多余金属截面积：
A2=2h1（et-t）fr+2h2（et-C2）fr （7）
式中：h1外伸接管有效补强高度；et接管有效厚度；t接管计算厚度；h2内伸接管有效补强高度；fr材料强度削弱系数；C2接管腐蚀余量；
根据设计条件：外伸接管有效补强高度h1=Min[
，接管实际外伸高度]=74.34mm，即开孔直径dop=460.6mm，接管名义厚度nt=12mm，接管实际外伸高度200mm；接管有效厚度et=9.7mm；接管计算厚度t = 
= 3.14mm，即Pc设计压力为2.2MPa，Di为接管内径456mm，接管焊接接头系数=0.85；内伸接管有效补强高度h2=Min[
，接管实际内伸高度]=0mm；材料强度削弱系数fr=1.0；带入（7）公式可得接管在补强范围内的多余金属截面积A2=975.3mm2。
A3焊缝金属截面积：
A3=a×b=64mm2 （8）
根据设计条件：焊缝底边长度a=8mm；焊缝高度b=8mm；
在有效补强范围内的补强面积，将公式（6）（7）（8）带入（5）可得：
Ae=A1+A2+A3=1983.5mm2
综上Ae＜A，则开孔处需要另加补强，本设备采用补强圈补强，根据JB/T4736-2002《补强圈》选取规格型号为dN 450×12-D-Q345R，补强圈面积：
A4=
（9）
式中：D2为补强圈外径；d0接管外径；S补强圈厚度；Z为设计温度下壳体材料与补强圈材料许用应力之比；
根据设计条件：D2补强圈外径为760mm，do接管外径480mm，S补强圈名义厚度12mm，钢板负偏差0.3mm，带入（9）公式可得补强圈面积A4=3276mm2。
采用补强圈补强后实际补强面积：As=Ae+A4 （10）
即：根据公式（5）（9）带入（10）可得补强圈补强后实际补强面积As=5259.5mm2
结论：增加补强圈后，人孔b开口补强合格。
2.7.3开孔处（b口）经补强后的实际壳体有效厚度为：
es = 
（11）
式中：As为开口处实际补强面积；dop开孔直径；et接管有效厚度；fr强度削弱系数；
根据设计条件：As开口处实际补强面积5259.5mm2，dop开孔直径460.6mm，et接管有效厚度9.7mm，fr强度削弱系数1.0，带入（11）公式，补强后的实际壳体有效厚度为es =11.4mm。
可得：壳体开孔补强后最大允许工作压力PW4
根据设计条件：es补强后的实际壳体有效厚度11.4mm，Di筒体内直径1400mm，筒体焊接接头系数0.85，t为筒体材料设计温度下的许用应力189，带入（3）公式，b开口补强处最高允许工作压力Pw4=2.59MPa。
综上筒体、封头、接管法兰、开孔补强等各受压元件最大允许工作压力分别为：PW1=2.66MPa、PW2=2.69MPa、PW3=4.0MPa、PW4=2.59MPa。
所以，确定本设备最高允许工作压力取：PMAWP=2.5MPa。
3.因为本设备要求气密性试验，安全阀整定压力大于设计压力且小于最高允许工作压力，所以安全阀整定压力取PZ=2.3MPa。
安全阀选用封闭全启式，推荐型号A42Y-25C，工作压力等级2.0～2.5MPa。
参考文献：
[1]GB/T 150.1～150.4-2011 《压力容器》
[2]TSG 21-2016 《固定式压力容器安全技术监察规程》
[3] HG/T 20580～3-2011《钢制化工容器设计基础规定》
[4] HG/T 20581-2011《钢制化工容器材料选用规定》
[5] HG/T 20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》
[6] NB/T 47013.1～6-2015《承压设备无损检测》
[7] GB/T 25198-2010《压力容器封头》
[8] NB/T 47008-2010 钢制人孔和手孔
作者简介：安宇龙（1987-），男，本科，从事压力容器设计工作。济南恒泰机车车辆机械有限公司、
论文作者:安宇龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/9/11
标签：厚度论文; 补强论文; 壳体论文; 工作压力论文; 系数论文; 压力论文; 封头论文; 《基层建设》2019年第16期论文;