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LC02储罐的系列优化设计

文档作者：徐宏李玲玉徐国洪顾丽梅齐娜丽顾林文档来源： 1．靖江市环水换热设备有限公司 2．江苏安宇容器设备有限公司		点击数：	更新时间： 2021年02月28日
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第8期 一27一
LCO2储罐的 系列 优化设计
徐宏 ，李玲玉 ，徐国洪 ，顾丽梅 ，齐娜丽 ，顾林
(1．靖江市环水换热设备有限公司，江苏靖江21 451 3)
(2．江苏安宇容器设备有限公司， 江苏靖江21 4500)
[摘 要]介绍了LC02储罐的系列优化设计，通过实例从参数确定、强度计算、结构设计、材料要求、焊接和热处理等方
面，阐述了LC02储罐制造检验等要点及其经验。
[关键词]LC02储罐；低温；优化设计；系列4J5；制造检验
近年来，制冷成套设备发展迅速，应用日益
广泛。通常LCO：储罐与二氧化碳冷却器配套使
用。液态二氧化碳在机械制冷系统中广泛用于制
冷剂，利用液态二氧化碳的膨胀提供快速制冷。
二氧化碳还可用于制作碳酸饮料。二氧化碳为惰
性气体，可用于灭火。二氧化碳充装到罐头食品
中可防止食品氧化，还可作为中和剂以控制反应
过程中的pH值。在其他应用领域，如气溶胶喷
装、压喷包装、危险液体的气动传送、保护电弧
焊、水泥养护等也要用到二氧化碳。二氧化碳的
物理性能见表1。
表1 二氧化碳物理性能
分子式 co2
分子量 44．OlO
熔点(0~C，0．101325MPa下) -78．4℃
沸点(0~C，0．101325MPa下) 一56．6℃
临界常数
温度 31℃
压力 7．387 MPa
密度 468 g／L
压缩系数 0．274
蒸发潜热(标准沸点下) 577．36 kJ／kg
导热系数(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：储罐的优化设计
LCO 是一种紧凑、配备齐全的系统，设计
用于储存液态二氧化碳并具备供应液态和气态物
质的双重功能。LCO：储罐在低温条件下运行和使
用。根据GB150．1-2011第3．1．15条规定：设计温度
低于一20℃ 的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁
素体不锈钢制容器， 以及设计温度低于一196℃ 的
奥氏体不锈钢制容器为低温压力容器。低温压力
容器容易产生低应力脆性破坏。低温压力容器的
质量与产品设计、材料性能、制造技术、焊接技
术、热处理工艺、无损检测技术等多方面的因素
有关。国内外对该容器均有严格规定。在我国建
造和使用的低温容器设计、制造、检验和验收按
GB150．1～150．4—2011《压力容器》执行。近年来
公司根据市场需求生产的系列储罐容积有5、12、
15、20、25、30、40、50、60、80、100 m 等规
格，见表2。
储罐设计原则是：在容积相等的情况下，选
择确定最适合的长度／直径之比，使主要受压元件
简体和封头在相等容积下壁厚相对较薄， 简体直
段的长度尽量接近钢板尺寸规格，降低储罐的重
量，提高材料利用率，提升企业的竞争力。
表2 LC02储罐系列
型号 容积／ 壁厚／mm 长度／mm
m 内径／mm 简体／封头 简体／总长 支座间距／mm 设备总重／kg
HS—LC02—5 5 1400 12／12 2700／3450 1600 2500
HS—LC02-12 12 1800 14／14 4000／4950 2400 4200
作者简介：徐宏(1 989～)，男，江苏靖江人，本科学历，助理工程师。从事换热器设计制造等工作。
一
28一 ■ 论文广场 2石0油13和年化第工16设卷备
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
本文以设计压力2．2MPa 30 m LCO2储罐为
例，介绍LCO 储罐的优化设计。该储罐设计参数
见表3，结构形式如图1。
2 LC02储罐设计 。]
2．1设计参数选取原则
(1)容器类别：三类。根据TSG R0004．2009
《固定式压力容器安全技术监察规程》附录A，
因其介质分组为第一组介质，容积为30 in ，压力
为2．2MPa，根据PV值查图A．2压力容器类别划分
图，该容器属于三类容器。
表3 主要设计参数
项目 参数
设计压力／MPa 2．2
工作压力／MPa 2．0
设计温度／℃ 一35
工作温度／℃ 一30
工作介质 LC02(二氧化碳)
腐蚀裕量／mm 2．0
焊接接头系数 1．O
容器类别 ：类(A2)
全容积／m0 30
设计使用寿命 15
主要受压材料 16MnDR 16MnDIII
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图1 LC02储罐结构形式
(2)容器设计压力及温度： 多数国内设计的二
氧化碳罐采用2．16MPa设计压力(已高于饱和蒸气
压)，而少数采用2．5MPa设计压力。国内二氧化
碳罐结构形式分双层罐和单层罐，多层采用真空
粉末形式绝热(绝热效果较发泡保冷要好，使用
寿命更长，但成本较高)。立式支腿结构通常采
用拉、吊带结构或是下封头支柱和拉带结合的形
式；卧式鞍座结构通常采用胶木支撑结构，也有
用抱带结构。发泡保冷绝热形式较简单且成本较
低，发泡层外表面通常采用薄铝板保护，之间不
需要支撑。我公司按GB／T18442．1-6—2011《固定式
真空绝热深冷压力容器》执行，制造单位应进行
低温性能型式试验，低温性能检测应由国家特种
设备安全监督管理部门认可的机构进行并负责出
具报告。根据我公司的制造经验，有保温设施的
二氧化碳储罐设计压力一般取1．6~2．5MPa，因液
态二氧化碳储罐均有保温，取设计压力2．2MPa，
设计温度为一3O℃[41。
第8期 徐宏等LC02储罐的系列优化设计 一29一
(3)焊接接头系数：按HG／T20585—201 1《钢制
低温压力容器技术规定》8．7．1第2条，A、B类对
接接头应进行1 00％射线或超声检测，焊接接头系
数取 =1．0。
(4)主要受压元件材料：材料选择主要应考
虑介质特性和工艺条件以及设备制造过程中材料
的焊接性、工艺性和经济性。储罐介质为二氧化
碳，工作温度．30℃，综合考虑材料的机械性能和
物理性能，罐体材料选用16MnDR (正火状态)，
负偏差为0．3 1TI1TI，应符合GB3531-2008《低温压力
容器低合金钢板》规定，钢板表面不允许存在裂
纹、气泡、折叠和夹杂等对使用有危害的缺陷。
对材料化学成分和力学性能、弯曲进行复验，化
学成分P、s含量应符合TSG R0004．2009《固容
规》中2．3．2，力学性能应注意对冲击功的要求。
对于厚度大于20 mm钢板应逐张进行100％超声检
测，且不低于III级合格。主要受压元件用1 6MnDR
钢板应按GB150附录C规定进行低温夏比(V型缺
口)冲击试验。
锻件的材质选用1 6MnD锻，锻件应符合NB／
T47009．2010《低温承压设备用低合金钢锻件》的
规定， 锻件级别不得低于III级。应进行一40℃ 的
低温v型缺口冲击试验，冲击功值不得低于HG／
T20585表6．0．5—2低温冲击功要求。1 6MnDIII锻件
应逐件进行超声探伤。
3设备制造检验基本要求
3．1封头和简体的制造要求[5】
封头采用热压成形，罐体直径超过钢材的定
尺宽度(1 800 mm、2000 mm、2200 mm)时，
一般封头需要拼接，而拼缝需要进行焊接工艺评
定， 注意评定热处理PWHT为正火(N)+退火
(A)。为保证与简体的顺利装配，应控制其尺寸
精度，若单位已提前下料，筒体制造在前，可直
接把带余量直边的拉回本单位，根据已卷制好筒
体的周长用风割把余量去掉。封头需100％ 射线检
测，符合JB／T4730．2。2005要求的II级合格。检测
可有两种方案，一是在平板拼接后进行100％RT，
压制好后拉回单位再对直边圆弧过渡段R处再进
行一次RT，以防止压制过程中圆弧过渡段出现裂
纹，优点是平板拍片相对方便，但重复拍片成本
较高；二是拼接好后直接发封头加工单位，压制
好后拉回单位进行100％RF，优点是节约成本，但
发现缺陷及返修，进行拍片比较麻烦。目前多数
制造单位都采用第二种方案。
简体下料应根据封头端口外周长按中径展
开，筒节在卷制过程中应做好对错边量及棱角度
的控制，保证每节筒体的圆度。
3．2焊接
低温二氧化碳储罐制造的关键工序是焊接，
特别应注意改善焊接材料的韧性，防止晶粒粗大
和应力集中。整个焊接过程应严格按照焊接工艺
评定执行。焊缝全部采用全焊透型式，焊接材料
见表4。焊条应按批次进行药皮含水量和熔敷金属
扩散氢含量的复验。
表4 焊接材料
焊接形式 焊条牌号
16MnDR之间 J507 RH
16MnDR与16Mn DIII之间 J507 RH
16MnDR与16MnDR之间 J507 RH
16MnDR与$30408之间 A302
$30408之间 A132
16MnDR自动焊：焊丝SJ101，焊剂H10Mn2
3-3无损检测
在热处理前，应对A、B类焊缝进行100％射
线检修及表面检测，应符合表5。容器上临时焊
接的吊耳及拉筋隔板在割除后，其焊疤应打磨平
滑，并做表面检测，确保表面无裂纹等缺陷存
在。
表5 无损检测
焊接接头种类 检测率 检测标准 合格级别
A 简体 RT 100％ JB／T 4 7 3 0．2— II级／AB级
2005
B 封头 RT 100％ JB／T 4 7 3 0．2— II级／AB级
2005
异种钢焊接接头 PT 100％ JB／T 4 7 3 0．5— I级
2005
法兰与接管对接 PT 100％ JB／T 4 7 3 0．5— I级
接头 2005
D类 PT 100％ JB／T 4 7 30．5— I级
2005
3．4热处理
设备制造结束并全部检测后，为消除焊接过
程中引起的内应力及强行组装发生的结构应力，减
少低温容器脆性断裂的倾向，改善热影响区和加工
变形区的组织状况，提高塑性和韧性，需进行整
体热处理。热处理是去除焊缝金属中的氢气，保
(下转26页)
26一 ■论文广场 2石0油和化工设备
13年第1 6卷
在当量高度中间，设多道加强圈的，只要加强圈
在当量罐壁高度的位置， 能满足实际未加强罐壁
高度小于最大罐壁未加强高度即可。
(3)加强圈的截面模数，国标可按标准推荐选
取，在实际应用中比较方便，API 650需要采用与
顶部抗风圈同样的理论进行计算，所得截面模数
较为准确合理，且由于数量较少，可节约钢材，
减少施工量，降低工程投资。
◆参考文献
[1]GB 50341—2003，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[s]．
『2]API Standard650WeldedTanksforOil Storage。2011『S]．
[3]GB 50009—2001(2006年版)，建筑结构荷载规范[S]．
[4]ASCE 7-05 Minimum Design Loads for buildings and other
Structures[S]．
[5]唐悦影．关于大型储罐加强圈设计计算的探讨[J]油气田地
面工程，2004，(61：40．
[6]李宏斌．超大型油罐抗风结构的合理设计[J]．石油化工设备
技术，2002，(6)：7—8
附录参数定义：
D一储罐内径，rn；
H'一罐壁高度，m；
w 一顶部抗风圈的最小截面模数，cm3；
(I)k一风载荷标准值，kPa；
∞0_—基本风压，kPa／~ ，由转化后的基本风速；
13 7__一高度z处风振系数，对油罐13 ：1；
一风荷载体型系数，应取驻点值 =1；
风压高度变化系数；
H 一最大未加强罐壁高度，m；
H ～ 核算区间的罐壁当量高度，rn；
HP_一罐壁当量高度，m；
H．一加强圈与顶部角钢的间距，若有抗风圈，则为与抗风圈
的间距，m：
， ～ 核算区间最薄圈罐壁的有效厚度，n'lTl；
一核算区间第i圈罐壁的有效厚度，mm；
V3 一API 650设计风速(3秒阵风)，klTl／h；
v600 B50341设计风速(10min平均风速)，m／s；
【P 一核算区间罐壁筒体的许用临界压力，kPa；
【P0]一罐壁筒体的设计外压，kPa。
稿B强羲l拍、3m^ |修 日强 、3．I埝∞ ≥毫 j≥毫 l
(上接29页)
证低温压力容器质量的重要手段。进行炉内整体
热处理时，入炉温度不得高于400℃，加热升温至
620±20℃ ，并在该温度下保温2d,时，随炉冷却
到3o0℃后静置在空气中继续冷却。对同炉热处理
的焊接试板进行力学和弯曲性能试验，试验结果
应符合相关标准要求。
3．5压力试验
设备热处理后， 按照图样规定进行水压试
验，水压试验压力2．75MPa，容器内气体应当排
净并充满液体，试验过程中，应保持容器观察表
面干燥，当试验容器器壁金属温度与液体问题接
近时，方可缓慢甚至设计压力，确认无泄漏后继
续升压至规定的试验压力，保压时间一般不少于
30 min，然后降至设计压力，保压足够时间进行检
查，检查期间压力应保持不变为合格。
3．6其它要求
为便于操作、方便观察液位，在靠近液位计
的封头一侧设有外梯，罐顶有走台和安全栏杆。
为防止物料装卸过程中形成静电，设备安装在钢
结构高空中，应在鞍座上设有一个接地板，避免
受静电或雷击造成火灾。
4结束语
我公司年产百余台低温二氧化碳储罐，近年
累计共近千余台投入市场使用，各项性能均达到
规定要求，用户反映良好。随着石油化工产品需
求的快速发展，压力容器使用条件越来越苛刻，
我公司系列优化设计的低温二氧化碳储罐，具有
长径比合理，筒壁薄，性价比高等优点，产品
性能良好，制造经验丰富， 长期以来深受用户欢
迎。
◆参考文献
【1】GB150．1～150．4．2011，压力容器『S】．
[2]HG／T20585．2011，钢制低温压力容器技术规定[s]．
[3]TSG R0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程[s】．
[4]GB／T18442．1~6．2011，固定式真空绝热深冷压力容器[s]．
【5]徐宏，徐国洪，顾丽梅．压力容器用材料的问题及浅谈【J】
化学工程与装备，2012，f4)．
蜘舭|l — 4

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03-11