低温储罐计算书范文.docx

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低温储罐计算书范文

低温储罐综述

引言

随着国民经济的快速发展和低温技术的普及,液氮、液氧、液氩、液氢、液氦、液化天然气等低温液体的应用日趋广泛,各行各业对贮存和输送低温液体的低温容器的需求不断增长。

尤其是近几年,随着改革开放的深入,国外主要跨国气体公司竞相在我国建立合资企业,带来了先进的空分设备、技术和管理,使我国低温液体的产量大幅度提高,供应的地区和范围不断扩大,价格大幅度降低（如液氮和液氧价格从2￥/kg左右,降低到1￥/kg左右）,促进了低温液体的应用,带动了我国低温容器的发展,使低温容器成为一个新兴的行业。

近年来国际油价持续攀升,替代能源特别是清洁能源越来越受到人们的关注。

由于沿海经济发达地区资源匮乏,天然气需求较大,且在城市燃气、发电、化工等应用方面已具备完善的基础设施,形成发展液化天然气产业的有利条件,近年来中国LNG项目得到了迅速发展。

天然气基本成分是甲烷,与煤炭、石油并称目前世界一次能源的三大支柱,其蕴藏量和开采量都很大。

由于天然气的产地往往不在工业集中或人工密集的地区,因此天然气的开发必须解决运输和储存问题。

液化后的天然气（LNG）在0.1MPa压力和112K温度下,密度是标准状态下甲烷气体的600多倍,体积能量密度是汽油的72%,十分有利于输送和储存。

近年来,LNG广泛应用于天然气发电、城市居民生活燃料、工业燃料、天然气空调、LNG汽车等领域,LNG的生产和应用已经形成了成熟的产业链。

天然气液化后其体积缩小到原来体积的1/625,通常储存在温度为112K、压力为0.1MPa左右的低温储罐内,其密度为标准状态下甲烷密度的600多倍。

作为储存、运输液化天然气的装置,液化天然气储罐属于低温压力容器,具有体积小、储存运输方便等特点。

LNG的主要成分为甲烷（含量为90-%98%）,具有易燃易爆、低温特性和易膨胀扩散性,其储运过程中的安全性问题不容忽视。

一对国内外低温储运的回顾与张望

从历史上看，太平洋地区周边国家对液化天然气的海运贸易需求较大，而大西洋地区液化天然气进口国主要依赖自给自足或管道运输方式，对液化天然气的海运贸易需求相对较小。

上述需求格局基本上描绘出当今世界液化天然气海上运输市场的贸易格局。

就进口市场而言，世界液化天然气最主要的进口国集中在美洲、欧洲和东亚国家，这些地区在世界液化天然气海运贸易中持续扮演主要角色。

另外，在过去两年中，世界液化天然气新兴市场不断涌现。

首先是多美尼加共和国，其次是葡萄牙。

此外，印度在2004年液化天然气进口量的排名中首次上升到第14位，成为业界关注的焦点。

目前，世界人口以年均9000万的速度递增。

考虑人口增长因素，全球范围内对电力需求的持续增长因素，以及人类对使用清洁能源的愿望和要求，未来世界液化天然气需求量的持续增长是勿庸置疑的。

这种增长将不仅仅体现在绝对量上，而且也反映在相对指标上。

具体而言，未来全球液化天然气的消费需求在世界能源消费总需求中的比重也将呈现不断上升的趋势。

液化天然气的经济性已从不断减少的成本支出中显露出来，并已开始诱发世界能源消费结构的转移。

由于新气田不断被发现，采气技术不断改进，产气效率不断提高，加之供应链各环节的竞争不断加剧，最终导致世界液化天然气海外场的竞争日趋白热化。

二对国外低温储运发展动态的分析

从技术发展趋势来看,小间距高真空多层绝热工艺的改进是LNG输运容器的发展重点。

以20英尺罐箱为例,采用高真空多层绝热时,若真空夹层的厚度由100mm减小到65mm,容器的有效容积可提高10%以上。

绝热被替代多层缠绕是高真空多层绝热工艺装配的发展趋势,随着绝热被产品的批量生产和广泛采用,输运容器的生产周期将缩短,产品的市场竞争力随之提高。

目前世界上广大发展中国家低温储运容器市场刚刚起步,自身生产能力还很薄弱,LNG输运容器很大程度上依赖进口或外资企业在本土的生产。

发展中国家的市场为低温储运容器公司增加利润和扩展规模经济提供了契机,使其可以将成熟的技术和产品倾销到新的市场中去。

处于安全方面的原因,LNG罐式集装箱和罐车的生产对技术和工艺的要求很高,因此进入该生产领域的技术壁叠和道路运输法律法规限制方面的政策壁垒相对较高,这也是LNG输运容器利润据高不下的主要原因。

能源的替代和发展给LNG储运容器的发展提供了市场机遇,LNG输运容器的未来市场前景十分广阔。

因为低温储运设备的技术含量高,竞争的企业会越来越少,国际市场将会出现几家企业寡头垄断的局面。

LNG输运容器的生产厂商往往是具有国际影响力的低温储运公司,主要有美国查特公司（ChartIndustriesInc.）、美国泰莱华顿（Taylor-Wharton）和俄罗斯JSCCryogenmash等,而且各公司有自己具有国际市场竞争力的产品。

三我国低温储运设备的发展动态分析

早在20世纪60年代,国家科委就制定了LNG发展规划,并指定四川天然气研究所承担该项科研攻关项目,60年代中期完成了工业性试验,掌握了LNG液化工艺技术,后来使用LNG作为燃料进行了多次汽车试验。

1993年11月,在四川省简阳市召开的中国制冷学会第二专业委员会天然气分离与液化学术研讨会上,与会专家认为,我国已经具备发展LNG工业的条件。

在八五至十五期间,我国LNG工业打开新的局面!

。

此后,中国科学研究院低温中心先后与四川石油管理局、吉林油田合作,研制出两台小型天然气液化试验装置。

2001年,该装置在中原油田试车成功,标志着我国LNG工业化迈出了关键的一步。

随着上海浦东事故调峰型LNG液化装置的建成投产、新疆广汇LNG液化装置的建设和深圳大鹏湾秤头角LNG接收终端的开工建设,为我国的LNG工业发展拉开了序幕。

为了优化我国能源的消费结构,缓解能源需求危机目前我国大力发展普及LNG的应用,我国的LNG储量很丰富，并且在伊朗，俄罗斯德尔那个国家有大量的进口，这样可以大大的缓解我们国家对石油的依赖，并且LNG是清洁燃料，所产生的污染物远少于石油。

因此，我国已在多个城市普及了LNG的应用。

目前已有北京、苏州、商丘、焦作、开封、淄博、潍坊、青岛、日照、新乡、亳州、龙川、余杭、余姚、长沙等远离天然气管网和没有天然气气源的地区或城市,建立了LNG汽化站,使用LNG作为工业和民用燃料。

液化天然气工业是一项系统工程。

发展液化天然气工业不仅可以优化我国的能源结构,缓解经济发达地区的能源短缺问题,促进经济的快速发展,而且可以带动相关产业的快速前进。

对于保护环境,保障公众的健康也具有重要意义。

四气体的储运方法

气体通过深冷法液化后就设法储存和运输。

现代工业﹑国防和科研工作对于低温的偶三种需求量很大，相应了推动了低温储运技术的迅速发展。

气体的储运方法：

（1）用常温气瓶储运这种方法使用普遍，其有点事机动性好、适应性强，但气瓶的投资大，无效运输质量大。

（2）用低温容器储运这种方法一般用于液化天然气、液氮、液氧、液氢、液氦等低温液体，其优点是可以保持产品低温状态，储存量大，无效运输质量较小，缺点是容器需要很好的绝热结构，且在运输过程中有汽化损失。

用

这种方法替代气瓶运输可使无效运输质量大为减少。

（3）用管道输送气体及液体产品均可用这种方法，但仅限于流量较大、输送距离比较短的情况。

五低温储运设备的分类

低温容器按绝热类型可以分为两类：

一类是非真空绝热性低温容器，它主要是大型的液氮、液氧和液化天然气的储存和运输容器；另一类是真空绝热性低温容器，它主要是中、小型的液氮液氧和液氦的储运和运输容器。

真空绝热低温容器又分为：

①高真空绝热低温容器。

这类容器体积小，适用于液氧、液氮和液氩的储运，也常用于短期实验。

②真空粉末绝热低温容器。

这类容器适用于较大量的液氧、液氮、液氢的储运。

③高真空多层绝热低温容器。

这类容器主要作为液氮的长期储存。

真空绝热容器均采用双层壁结构，两壁之间即为真空绝热夹层，内装绝热材料，或者装入保护屏，并抽真空。

低温容器的设计中选用何种绝热形式最主要取决于成本、可操作性、质量以及刚度等综合因素。

低温容器按结构分类，又可以分为以下几种：

（1）气瓶广义的气瓶是包括不同压力、不同结构形式和不同材料用于储运永久气体、液化气体和溶解气体的一次性或可重复充气的移动式压力容器。

（2）储罐储罐一般有立式、卧式、小型、中型及大型之分。

立式储罐一般做成固定式的，因为结构紧凑，占地面积小，操作维护方便。

（3）罐车、单车、半挂、全挂、铁路槽车等式运输式储罐的主要形式。

小容积罐车一般装在卡车车身里，大容积的装在半挂车或全挂车上。

（4）罐箱低温液体罐式集装箱具有日蒸发率低、绝热效果好、运输方式方便灵活、运输效率高、使用寿命长、维护简单等特点。

（5）槽船低温液体运输船一般用来运输液化天然气。

大型LNG运输船中，具有竞争力的两种大型液货舱设计分别是球罐型和薄膜型。

（6）船运容器特别是用于宇宙飞船使用的航天容器，要求结构紧凑、轻便、经得起加速度和震动、碰撞冲击。

六低温液体储罐的结构设计

在国内容量为200-2000m3的大型珠光砂堆积低温液体储罐的技术已经比较成熟，国内国外均采用API-620标准规范。

大型低温液体贮罐的外形结构一般采用双筒壁、平底、拱顶、珠光砂堆积绝热。

由互独立的内罐、外罐和保冷层组成,置于一定高度的水泥基础平台上,水泥基础平台离开地面有一定的距离,并保持通风,以防止基础平台因土壤中的水分冻结而损坏基础,同时要确保低温液体泵有一定的净吸入压头。

（1）设计压力

低温储罐按照设计压力分为高压罐和低压罐两种。

高压罐设计压力约为0.029MPa（0.30kgf/cm2）,真空度为-0.00049MPa（-0.005kgf/cm2）;低压罐设计压力约为0.0147MPa（0.15kgf/cm2）,真空度-0.00049MPa（-0.005kgf/cm2）。

罐体设计压力的选择与蒸发气压缩机的能力、储液量、储罐形式和安全排放理念有关,由设计者根据具体情况确定。

（2）储存温度

低温储罐内液体在接近常压下储存,其储存温度一般按照常压下液体的沸点选取。

由于物料的来源不同,物料的纯度和组分也不相同,物料储存温度和密度必须随着介质纯度和组分的具体情况进行调整。

当所储存的物料没有稳定的来源而导致每批物料组分不同、密度不同和温度不同时,在设计上应采取相应措施阻止这些差别所造成的罐内液体的翻滚。

（3）蒸发率

低温储罐每天的满罐蒸发率一般在0.02%-0.08%。

储罐的保冷措施越好,冷量损失越低,蒸发率就越小。

蒸发率较高时,蒸发气压缩机和制冷系统负荷加大,启动更加频繁,导致能耗增高。

而选择较低的蒸发率则保冷材料性能要求提高,保冷材料量和保冷空间增大,使得投资增长。

因此,设计者应根据储液量、国内材料等情况合理规定蒸发率。

（4）储罐容积和高径比

储罐的储液量一般按照生产经营或转运量的需要由用户提出,设计者应据此确定储罐体积。

确定储罐容积时应考虑最高液位以上的气相空间和液体在地震载荷作用下的晃液高度。

确定单罐容积时应考虑到便于生产、经营、转运的需要,也要考虑安全、材料的获取、国内设计能力等因素,不可一味追求单罐储量大。

储罐的高径比除满足环境要求外,主要取决于经济性和罐壁板的厚度。

当储罐容积确定后,应进行不同高径比罐体的经济性分析比较,按照不同的高径比初步计算出储罐各部分的材料规格,统计材料耗量,并进行造价估算。

由于储罐壁板（特别是最下一带板）较厚时存在加工困难、缺口韧性下降等因素,因此一般不希望壁板太厚。

一般来说,低温钢当板厚大于19-25.4mm时,材料缺口韧性下降,焊接状态的缺口韧性更会急剧降低,需要通过预热或热处理来减小焊接接头韧性降低。

低温储罐一般对材料韧性要求较高,并且进行焊前预热和焊后热处理比较困难,因此,择合适的单罐容积和高径比降低罐壁板的厚度非常重要。

（5）低温金属材料的选择

低温储罐材料选择基本按照美国API-620及其附录R和附录Q的规定进行。

API-620附录R和附录Q将低温储罐各构件划分为主要受压元件、次要受压元件和基本元件,并按照所划分类别的要求进行材料的选择。

主要受压元件是指那些承受主应力,其失效后会造成储存液体泄漏的元件,如盛液的罐壁板、罐底板、加强环等;次要受压元件是指那些失效后不会成液体泄漏的元件,如罐顶板、顶部支承结构等。

保冷材料的选择保冷材料的选择取决于储液量、储罐形式、蒸发率等因素。

一般要求保冷材料具有使用寿命长、组织稳定性高、密度小、导热率低、含水量少、抗压性能好、耐高温和不易燃等优点具体说明。

1）由于低温储罐操作特性和结构特点所限,使得保冷材料的更换十分困难,因此需要所选的保冷材料具有较长的使用寿命;

2）为了避免非金属保冷材料在环境和温度变化时发生组织结构的变化而失去作用,一般要求所选的保冷材料具有稳定的化学组织;

3）较低的导热率可以减少保冷材料量和降低储罐的冷损失;

4）密度小可使作用于罐体受压元件上的载荷减小;

5）抗压性能是为了保证材料自身完整,避免破碎和承受一定的载荷（如,侧壁和罐底保冷材料）;

6）含水量小可避免保冷材料在低温下因结冰而破坏;

7）耐高温和不易燃是为了防止储罐外部火灾条件下由于保冷材料高温分解和燃烧而造成储罐破坏。

七低温容器隔热结构设计

在隔热工程中将导热系数λ≤0.2w/（m·k）的材料称为隔热材料。

对低温冷却器、低温循环器等设备中低温容器所用隔热材料,一般应满足以下几个方面的要求:

1导热系数要小,应在0.024-0.139W/（m·K）。

使用导热系数小的隔热材料,不但能减小隔热层的厚度,也能减小尺寸,节省投资。

2密度小,可使结构、设备和管道的支撑结构减小;且密度较小的材料在一定范围内导热系数也较小。

3吸水率低且耐水性好,如吸水率高则使隔热性能变劣。

隔热结构热侧虽然设有防潮隔汽层,但任何防潮隔汽层的蒸汽渗透阻都不是无穷大,难以完全避免水蒸气进入隔热材料。

而冷侧蒸汽渗透阻接近无穷大,水蒸气无法由冷侧排出。

此外还要求材料吸收少量水分后并不腐烂、不松散、机械强度无大下降。

一般要求隔热材料的吸水率不大于5%,且吸湿后隔热性能下降不多。

4机械强度高,应有一定的抗压、抗拉强度,能够承受一定的机械冲击。

尺寸稳定性要好。

否则经过一段时间的使用,将会产生碎并沉陷在隔热结构底层,破坏隔热结构的隔热效果。

5耐火性好,材料本身应是不燃或是难燃的。

如材料可燃,则应具有自熄性。

6耐低温性能好,在使用的低温范围内结构不破坏、不降低机械强度,在周期冻融循环中不破坏、不降低强度。

7无毒无异味。

8经久耐用。

9能抵抗或避免虫蛀、鼠咬。

10施工方便,易于切割、粘贴。

环境可接受,即对环境无破坏作用或破坏作用轻微。

实际上,完全符合上述要求的隔热材料并不存在,各种隔热材料均是在某些方面性能较优,而在另一方面存在不足。

选用时应根据使用要求、隔热结构的构造、材料的技术性能、价格等具体情况进行全面的分析、比较,然后做出抉择。

七焊接结构设计

内罐球顶结构的设计，球顶采用瓜瓣式结构有一定的优越性，采用球顶结构的设计的板厚度是最薄的，应力分布均匀。

瓜瓣式结构的焊接结构布置容易，组装容易但材料的利用率低，检验工作量大。

相比足球足球瓣式结构要多耗材10%，多增加焊接接头数十米，因而亦多增加了检验工作量。

八低温容器应用进展及发展前景随着国民经济的快速发展和低温技术的普及,液氮、液氧、液氩、液氢、液氦、液化天然气等低温液体的应用日趋广泛,各行各业对贮存和输送低温液体的低温容器的需求不断增长。

尤其是近几年,随着改革开放的深入,国外主要跨国气体公司竞相在我国建立合资企业,带来了先进的空分设备、技术和管理,使我国低温液体的产量大幅度提高,供应的地区和范围不断扩大,价格大幅度降低,促进了低温液体的应用,带动了我国低温容器的发展,使低温容器成为1个新兴的行业。

为了展望今后的发展,现将低温液体和低温容器在国民经济各部门的应用概况作一介绍。

1航天方面的应用

氢氧火箭发动机世界上最早的V-2火箭使用液氧和酒精做推进剂。

由于液氢和液氧是当今实用的比推力最大的一组液体火箭推进剂,自1959年美国液氢液氧火箭发动机全机组试验成功后,已广泛应在大型火箭和航天飞机的发射中,如美国“挑战者”号航天飞机和“阿波罗”计划的土星V火箭,欧洲空间局的“阿里安”系列火箭,日本的H-1、H-2火箭,前苏联“能量号”火箭及我国的长征三号系列火箭都采用了氢氧发动机,装有液氢、液氧贮箱。

其中土星V运载火箭二级和三级液氢贮箱的加注容量分别为1000m3和280m3。

航天飞机的液氢和液氧总加注量分别为1432m3和529m3。

2航空方面的应用

飞机燃料国外已制造出用液氢作燃料的飞机。

美国计划选择把旧金山国际机场改造为现代化的新机场,由400人乘坐的亚音速客机,每天在美国九个机场起落59次,在国外4个机场每日11次,每架飞机每天用液氢387m3。

为供应液氢必须在地面建立5个3780m3的液氢贮槽。

据计算,液氢飞机与现代飞机相比,其总质量将减轻34%,燃料质量减少2/3,发动机推力将增加11%,具有高超音速（Ma≥5）的巡航速度、噪音小、无污染、滑跑距离短等优点。

德国《世界报》报道,到本世纪末一架经过改造的欧洲A-310空中客车将使用氢。

3机械工业方面的应用

深冷处理深冷处理是将淬火后的金属零件用液氮将冷却过程持续到0℃以下。

其优点是:

能够提高钢的硬度;使耐磨性提高3倍;零件寿命延长1～3倍;还能稳定零件形状和尺寸;操作方便,是一种有效的新工艺。

目前已广泛应用于大型轧钢机滚筒、精密仪表的零件、齿轮、刀具、量具、油泵喷嘴、弹簧、飞机发动机涡轮轴、石油地质钻头、汽油机的缸桶和活塞环、精密轴承及低温阀门等的处理国自1963年将深冷处理工艺用于生产后,短短几年处理的零件就从每年2.5万件增加到每年30万件。

在前苏联,刀具采用深冷处理后,寿命提高50%～300%。

近几年,我国的西安、广西、常州、北京、沈阳等地的工厂采用液氮生物容器进行液氮深冷处理已取得显著效果。

1984年首都机械厂还研制出专用深冷处理液氮罐。

1996年中科院低温中心研制出400mm×3200mm大型工件的深冷处理装置。

4电子工业中的应用

高纯气体的低温液体贮运高纯气体在应用中,国外90%以上是用高纯度液体状态贮存和运输的,使用时直接汽化供应。

与高压气瓶供气相比较其优点是:

气体质量好、无外界污染,纯度得到保证;贮存量大,运输效率高;供气压力稳定,劳动效率高;辅助时间少、成本低。

为此需要能贮运这些高纯液态气体的低温容器。

1986年杭氧所试制成功10m3高纯液氮贮槽和公路槽车。

乐山无线电厂在晶体管、二管和桥堆生产中采用2套2m3高纯液氮贮槽的供应系统代替高纯氮气瓶后提高了产品质量,降低了成本,每年耗用160t高纯液氮。

美国一个电子工业厂每天用液氮400t。

据报道,为制造下一代新的硅晶片,对气体纯度要求越来越高,空气产品PLC公司推出99.9998%的超高纯氮、氧、氩和氢气体,都以超高纯液体状态贮运。

5地质矿产部门的应用

选矿常规磁选机的最大磁场强度通常不超过20T,而且选别空间小,耗电量大,处理能力及选别粒度有限。

应用超导磁分离装置选矿可克服常规磁选矿的缺点,为贫矿、共生矿的选别利用提供了有效方法,有利于降低尾矿品位,提高回收率。

1979年北京大学对齐大山赤铁矿进行的超导磁选矿探索试验已取得成功。

目前捷克斯洛伐克应用的超导磁选矿机配有500L液氦容器2个和10m3液氮容器1个。

6冶金工业的应用

冶炼用气在黑色与有色金属的熔炼方面,目前都配置有大型空分设备,供应大量的氮、氧、氩气体用于富氧送风、喷嘴送料、脱硫去气,以及用作保护性气体和冷却剂,所有这些空分设备都配有几十至几千立方米的大型液氮、液氧、液氩贮槽。

进入90年代以来,我国各钢铁企业为获得稳定高产、质优、价廉的可靠气体供应,纷纷与国外主要工业气体公司合作,引进先进的空分设备,带动了我国低温容器行业的发展。

例如:

抚顺钢铁公司1993年12月与英国BOC公司合资在抚顺市氧气厂成立抚顺比欧西工业气体有限公司,拥有6000m3/h和3200m3/h制氧机组各1套;

7建设与环境保护方面的应用

混凝土冷却水坝、桥梁、码头等大型建筑物在施工中,因混凝土固化产生的热量,使温度升高到93℃,在大量浇注时,这种内部与外部存在的温差会导致混凝土裂开,使用寿命缩短。

国外开发的液氮冷冻混凝土技术是用液氮槽车将液氮喷入搅拌中的混凝土中,液氮吸热后迅速汽气成气体从混凝土中溢出,使混凝土冷却,其温度不超过24℃,获得高强度的混凝土,从而提高了建筑物的安全可靠性和使用寿命。

香港在1994～1995年建设新机场连接马湾与北大屿山的汲水门大桥时,支持这座1.4km长（世界最长的吊桥之一）吊桥重量的二根混凝土支柱在施工中采用液氮冷冻混凝土技术,一天消耗液氮最多时达50t。

8交通运输部门的应用

超导磁悬浮列车[11]超导磁悬浮概念是1966年提出的,随后日本、美国、加拿大、德国、英国等国家相继开展实验研究。

日本国营铁路公司1987年3月研制的可乘坐44人的超导磁悬浮列车已完成正式行走实验,时速达400km。

该车的超导磁体与氦制冷机和液氦容器相连。

试运行中,有9500人乘坐。

1991年开始在日本东京和大阪间修造3km的第一段高速超导磁悬浮铁路,最高时速达600km,1997年完成。

1994年10月我国第一条常规磁浮车实验线在西南交通大学正式建成并试运行成功,对我国超导磁浮车研究起到推动作用。

西南交通大学80年代初期开始超导研究,已着重考虑超导磁浮车技术研究。

结束语

通过这两周的阅读关于低温储罐的各种资料，了解了低温储罐行业在国内外的发展历史、发展动态、未来的发展趋势。

为我以后的毕业设计打下了基础，让我了解了设计一个产品的准备工作该如何进行。

在这期间我大致了解了国标，行业标准等这些标准规范。

我认识到毕业设计是我在不久走向社会的一个平台，所以我必须把握好这次机会，现做在才是毕业设计的开始，以后要做的工作还有很多，需要我去掌握的知识还有很多，我必须认真的对待。

同时我也感谢陈老师对我们的指导！