LNG储罐设计技术研究

本科生毕业设计（论文）题 目： LNG储罐设计技术研究 姓 名： 学 号： 学 院： 化学化工学院 专 业： 过程装备与控制工程 年 级： 指导教师： 2011 年 5月 31 日基于应变强化的LNG储罐设计技术研究摘要近年来，随着我国国民经济的迅速发展和低温技术应用的日益普及，液氮、液氧、液氢、液氩、液氦、液化天然气等低温液化气体的应用日趋广泛，奥氏体不锈钢深冷容器的需求量不断增长。另一方面，在全球气候变暖和能源危机日益严峻的背景下，节能减排已成为当前的重要趋势，为了节约材料,减轻重量,降低制造、运输和安装过程中的能耗,实现安全与经济并重、安全与资源节约并重的绿色制造理念,轻型化设计已经成为压力容器的主导发展方向。而本课题研究的应变强化的LNG储罐的设计正符合现在的发展趋势和要求，作为轻型化方法之一的应变强化技术是一种新技术，将应变强化技术应用于LNG储罐的设计是一种创新。本课题研究的目的就是在保证储罐拥有足够的强度的同时，引进应变强化技术，有效的减少内罐的壁厚从而实现LNG储罐的轻型化设计、节约资源、减少产品的成本和提高产品的竞争力。本课题研究的内容主要有：压力容器轻型化的方法及其各自的优缺点、应变强化技术的原理、LNG储罐的结构设计、LNG储罐内外罐以及保冷层的设计壁厚的确定、引进应变强化技术前后壁厚的比较、LNG储罐的强度校核、LNG储罐日蒸发率的校核、LNG储罐安全附件的设计与选型和LNG储罐的管道设计等。本课题依据欧盟标准EN13458-2：2002和中国企业标准Q/CIMC23001-2009奥氏体不锈钢应变强化深冷容器固定容器进行内罐的应变强化设计，依照GB150进行LNG储罐外罐以及安全装置等的设计，按照GB150进行内罐的常规设计并与应变强化设计进行比较，然后用应变强化的设计方案进行相关的安全校核，最后进行管道设计和制图。研究发现将应变强化技术引进液化天然气储罐的设计,在有效减少内罐的壁厚的同时，仍然能满足强度要求，而且还有足够的安全裕度。这说明可以将应变强化作为一种有效的技术应用于液化天然气储罐的设计、制造，从而实现绿色制造理念。关键词：轻型化，应变强化，LNG储罐，设计Designing technology research of LNG tanks based on stain strengtheningAbstractFor the past few years, with the rapid development of our national economy and the increasing popularity of low-temperature technology application, low-temperature liquefied gases such as liquid nitrogen, liquid oxygen, liquid hydrogen, liquid argon, liquid helium and liquefied natural gas (LNG) are used increasingly widely, the demand of austenitic stainless steel cryogenic vessel is increasing. On the other hand, under the background of global warming and the energy crisis increasingly serious, energy conservation and emission reduction has become the important trend of current. In order to save materials, reduce weight, reduce energy consumption of manufacturing transportation and installation process, realize the green manufacturing philosophy of safety and economic and conservation of resources, lightened design has become the leading development direction of pressure vessel. This subject research the design of LNG tanks of strain strengthening, that is conform to the present development trend and requirements. Strain strengthening technology which is one of the lightened methods is a new technique. Applying strain strengthening technology to LNG tanks design is a kind of innovation. The purpose of this research is guarantee the tanks having enough strength, while introducing strain strengthening technology to effectively reduce the wall thickness of tanks, achieving lightened design of LNG tanks, saving resources, reducing the cost of the product and improving the competitiveness of products.This subject study that: the lightened methods of pressure vessel and their respective advantages and shortcomings, the principle of strain strengthening technology, structural designing of LNG tank, calculating the design wall thickness of the internal and external tank and the anti-condensation coating, comparing wall thickness before and after introducing strain strengthening technology, strength check of LNG tank, the rate of evaporation check, security annex design and selection and piping design of LNG tank and so on.Strain strengthening design of internal tank of this subject accord to EU standard EN13458 -2:2002 and China enterprise standard Q/CIMC23001-2009, the external tank and safety device design accord to GB150, doing conventional design of internal tank accord to GB150 and comparing with strain strengthening design, then doing related security check use strain strengthening design scheme, finally doing piping design and drawing. Research find that applying strain strengthening technology to LNG tank design can still meet the required strength and have enough security margins, while it can effectively reduce the wall thickness of tanks. This shows that strain strengthening technology can be used as an effective technique in the design and manufacture of LNG tanks, thus achieving the green manufacturing philosophy.Key words: lightened, strain strengthening, LNG tank, design目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 压力容器轻型化的方法11.1.1 选用更高强度的材料11.1.2 降低安全系数11.1.3 选用更高的屈服强度21.1.4 采用应变强化技术21.1.5 运用分析设计方法21.1.6 优化压力容器结构21.2 应变强化技术21.2.1 应变强化原理31.2.2 应变强化技术的发展现状31.3 LNG储罐设计的发展现状41.4 本课题的研究内容、目的及意义4第2章 设计依据的标准及主要设计参数6第3章 LNG储罐结构的初步设计73.1 内罐的应变强化设计73.1.1 内罐的选材73.1.2 内罐的结构73.1.3 内罐设计条件73.1.4 内罐的应变强化设计计算73.2 内罐的常规设计83.2.1 内罐筒体的常规设计83.2.2 内罐封头的常规设计83.3 保冷层的设计计算93.3.1 按最大允许冷损失量进行计算93.3.2 按经济厚度进行设计计算103.3.3 按防止绝热层外表面结露进行计算123.4 外罐的设计计算123.4.1 外罐的选材123.4.2 外罐的结构123.4.3 外罐设计条件123.4.4.外罐设计计算123.5 内罐加强圈的设计133.6 内容器下支撑结构的设计153.7 内罐常规设计与应变强化设计的比较16第4章 LNG储罐强度校核174.1 设计条件174.2 储罐质量载荷计算174.3 风载荷和风弯矩计算184.4 地震载荷计算194.5 各种载荷引起的轴向应力204.6 储罐罐体和裙座危险截面的强度与稳定性校核234.7 储罐吊装时的应力校核：234.8 基础环设计244.9 地脚螺栓计算254.10 裙座与罐体连接焊缝的验算264.11 内罐的环向定位支撑结构（6根玻璃钢柱）的设计计算264.12 内容器的外压校核274.13 开孔补强计算284.13.1 内罐的开孔补强计算284.13.2 外罐的开孔补强计算30第5章 LNG储罐安全附件和管路的设计325.1 安全阀的设计计算：325.2 爆破片的设计计算335.3 测温装置的选型345.4 液位测量装置的选型355.5 真空测量装置的选型355.6 真空夹层安全泄放装置的选型355.7 管路的设计36第6章 LNG储罐的漏热校核376.1 夹层允许漏热376.2 真空粉末绝热层综合漏热：376.3 内外罐下支撑漏热：376.4 内外罐定位支撑漏热386.5 管道漏热近似计算：38第7章 设计结果汇总40结论41参考文献42致谢43第1章 绪论在全球气候变暖和能源危机日益严峻的背景下，轻型化设计已经成为压力容器的主导方向。近年来，随着低温液化气体的应用日益广泛，给低温液化气体的储存和运输带来了机遇和挑战。为了节约资源、提高容器的竞争力，如何减轻液化气体储罐的制造、运输成本成为了关键。作为轻型化方法之一的应变强化技术是一种新技术。将应变强化技术应用于奥氏体不锈钢低温容器，通过对内容器进行超过屈服压力的应变强化处理，可提高材料屈服强度，减薄内容器设计壁厚，实现低温容器的轻量化，降低其制造和运输过程中的的能耗。1.1 压力容器轻型化的方法1.1.1 选用更高强度的材料随着炼钢技术的进步，压力容器用钢沿着一条低强度中强度高强度超高强度的路线发展。超高强度钢和具体更高强度的复合材料已经在压力容器中获得应用。在压力容器设计的选材阶段，可以通过选用更高强度的材料来提高材料的许用应力，从而降低容器的壁厚，减轻容器的重量，实现容器的轻量化。但是高强度材料的购买成本更高；而且为了充分发挥材料的高强度优势，容器的制造工艺及其焊接质量也要相应的提高，这将使容器的制造成本提高。所以是否选用高强度的材料需要综合考虑容器的制造、运输和运行成本，使其总成本达到最小。1.1.2 降低安全系数随着压力容器用钢质量（特别是纯净度）的提高，焊接技术的进步，射线检测、超声检测、涡流检测等无损检测技术的发展，以及寿命预测和可靠性分析技术水平的提高，压力容器安全系数呈现出下降趋势。在我国，固定式压力容器安全技术监察规程也对安全系数进行了调整，常规设计中nb从3降低到了2.7、ns降低到了1.5。安全系数的调整可明显的提高材料的许用应力，显著的降低钢材的用量。另一方面，降低安全系数会导致压力容器的安全裕度降低，从而增加压力容器发生屈服失效或者爆炸的危险性。1.1.3 选用更高的屈服强度 对于奥氏体不锈钢、铝、铜、镍等具有面心立方晶格、屈强比低、韧塑性好的材料，其许用应力由屈服强度决定，因此许多国家都已采用Rp1. 0代替Rp0. 2作为屈服强度，按此方法可有效提高材料许用应力值，如奥氏体不锈钢按此方法设计可提高许用应力12%43%。同样，采用更高的屈服强度也会降低压力容器的强度裕度。1.1.4 采用应变强化技术奥氏体不锈钢的屈强比低，按传统压力容器许用应力确定方法，其许用应力仍由屈服强度控制，不能充分发挥奥氏体不锈钢的优良综合性能。采用应变强化技术可大大提高其屈服强度，充分利用材料的厚度，发挥材料的性能。并且应变强化可以均匀化容器内的应力分布，提高材料的疲劳性能。而另一方面，应变强化的强化压力怎么确定、如何确定强化工艺、如何控制强化过程中的不确定因素以及如何对强化后的容器进行检验、使用哪些检验指标等等这些都是应变强化技术应用中的难点。1.1.5 运用分析设计方法 与常规设计相比，运用分析设计方法设计压力容器，能够更好地利用材料的承载能力，得到更薄的壁厚、更轻的重量。但是分析设计方法的设计过程更加的复杂，有时还需要应用软件进行辅助设计，而且由于存在不确定性，会因设计人员的不同而得到不同的结果。分析设计对设计者的素质提出了更高的要求。1.1.6 优化压力容器结构压力容器结构优化有两类：一类是结构形式的优化，例如采用缠绕式高压容器结构，可以显著减少焊接工作量，提高容器的抗疲劳性能；另一类是已有结构的优化设计，即以最优化理论为基础，根据设计所追求的目标，在满足强度、稳定性等约束条件的前提下，寻求最优方案的一种设计方法。以最小容器重量、最小应力集中系数等为目标函数，在给定的基本结构形式、材料以及载荷温度等设计条件的基础上，运用计算机辅助优化设计方法，可以在确保安全性的同时，有效减轻容器重量，实现压力容器的轻型化。同样，优化容器结构也会使设计过程更加复杂，加重设计人员的工作量。1.2 应变强化技术1.2.1 应变强化原理 当奥氏体不锈钢保持材料特性时，展示了相当大了加工硬化变形。进一步变形所需的应力随着变形的增加而不断增大。这样，奥氏体钢的应力/应变曲线没有像碳钢和低合金钢的应力/应变曲线那样的典型塑性区。应力/应变曲线的比较如图1-1与1-2。 图1-1碳钢的应力/应变曲线 图1-2奥氏体不锈钢的应力/应变曲线如果对一个奥氏体不锈钢拉伸试验样板加载一个大于屈服强度Rp0.2的强化应力k，然后卸载，则将会产生一个永久的塑性变形。当对同样的试验样板再次加载时变形将保持弹性直到应力超过之前的水平。只有当应力超过k时塑性变形才会继续沿着原始的曲线变化。这就是应变强化技术的原理，强化后材料的屈服强度由Rp0.2提高到了k。1.2.2 应变强化技术的发展现状应变强化技术最早出现在20世纪中叶的欧洲，距今已有50多年的历史。迄今为止，世界上已有多个国家制定了压力容器应变强化标准：1975年瑞典将室温应变强化技术纳入压力容器标准ColdStretching Directions；1999年澳大利亚将室温应变强化技术以标准增补形式AS 1210-Supplyment2-1999纳入标准；2002年欧盟将奥氏体不锈钢室温应变强化技术纳入标准EN 134582：2002附录c和EN 135302：2002附录c；2006年ISO 204211：2006颁布；2008年美国将奥氏体不锈钢室温应变强化技术纳入ASME BPVC-I Code Case 2596；2008年ISO 210091：2008颁布。中国虽然目前没有制定关于应变强化的国家标准或者行业标准，但是2003年浙江大学就已经开始了室温应变强化技术的研究，到了2006年浙江大学成功研制了深冷容器应变强化用压力控制系统。经过近8年时间的努力，中国已在攻克深冷容器非线性设计、应变强化工艺、强化参数控制等工程化技术关键的基础上，开发成功应变强化多任务自动控制系统，研制成功奥氏体不锈钢应变强化深冷容器，显著减薄容器内胆壁厚，节能省材，实现了深冷容器的轻量化。研究成果的整体技术已达到国际先进水平，显著提高了中国深冷容器产品的国际竞争力。而且迄今为止，经浙江大学技术评审，中国的多家企业已开始制造室温应变强化深冷容器。1.3 LNG储罐设计的发展现状 LNG贮存是LNG工业中非常重要的一个环节，世界上许多国家都非常重视LNG储罐设计和制造，特别是大型LNG储罐的设计与制造。而中小型LNG立式储罐在总体结构设计和加工工艺方面已经相对纯熟。局部结构设计以及相关功能实现方面也积累了许多成熟的经验。目前LNG储罐的设计和研究热点主要集中在局部结构应力分析和结构优化设计等方面。特别是相关模拟分析软件的出现。为分析设计提供了强大而有力的工具。LNG储罐的设计将朝着更科学、更严谨、更安全、更经济的方向发展。国内关于中小型LNG储罐设计、制造的标准规范有：GB150-1998钢制压力容器，GB/T20368液化天然气生产、储存和装运，GB18442-2001低温绝热压力容器，JB/T9072-1999固定式真空粉末绝热低温液体储槽，SH/T3537-2002立体式圆筒形低温储罐施工技术规程，JB/T5905真空多层绝热低温液体容器。1.4 本课题的研究内容、目的及意义本课题的研究内容主要有：压力容器轻型化的方法及其各自的优缺点、应变强化技术的原理、LNG储罐的结构设计、LNG储罐内外罐以及保冷层的设计壁厚的确定、引进应变强化技术前后壁厚的比较、LNG储罐的强度校核、LNG储罐日蒸发率的校核、LNG储罐安全附件的设计与选型和LNG储罐的管道设计等。研究目的就是在保证储罐拥有足够的强度的同时，引进应变强化技术，有效的减少内罐的壁厚从而实现LNG储罐的轻型化设计、节约资源、减少产品的成本和提高产品的竞争力。作为轻型化设计方法之一的应变强化技术是一种新的制造技术，目前国内还没有关于应变强化容器的国家标准或者行业标准。将应变强化技术用于LNG储罐的设计是一种创新，它具有重要的意义，它减少了LNG储罐内罐的厚度，显著减轻了罐体的重量，节约材料；降低制造、运输和安装过程中的能量消耗；降低了重容比，显著提高了产品的国际竞争力。第2章 设计依据的标准及主要设计参数 本设计依据的标准有：GB150-1998钢制压力容器，GB18442-2001低温绝热压力容器，Q/CIMC23001-2009奥氏体不锈钢应变强化深冷容器固定容器，欧盟标准EN13458-2：2002以及GB50264-97工业设备及管道绝热工程设计规范。主要设计参数如表2-1所示：表2-1 主要设计参数设计参数内罐外罐设计压力 MPa0.93-0.1工作压力 MPa0.8857-0.1设计温度 -19650工作温度 -162.3环境温度介质名称LNG普通型膨胀珍珠岩腐蚀裕度 mm01焊接接头系数10.85主体材质0Cr18Ni9 Q345R几何容积 m310043.382(夹层)充装系数 0.9设备净重 t51003.45充液后总质量 t89343.45安全阀开启压力MPa0.93地震烈度7(近震)场土地分类类第二组日蒸发率 %0.25%/d(LNG)基本风压 N/m2600容器类别三第3章 LNG储罐结构的初步设计3.1 内罐的应变强化设计3.1.1 内罐的选材由于内罐直接与液化天然气接触，承受着内压力和低温，所以在选择材料时应考虑材料在低温深冷条件下的强度和韧性，同时还要考虑材料与液化天然气的相容性。奥氏体不锈钢0Cr18Ni9有较好的低温性能，且与天然气能很好相容，所以内容器的材料就选奥氏体不锈钢0Cr18Ni9。3.1.2 内罐的结构 内罐结构为圆柱体，封头采用标准椭圆封头。3.1.3 内罐设计条件 工作介质：液化天然气设计压力：0.93MPa设计温度：-196材料屈服强度:205MPa焊接接头系数：1.0腐蚀裕量：0mm3.1.4 内罐的应变强化设计计算内罐经应变强化处理，所以其计算按照Q/CIMC23001-2009进行。内罐的内径取：Di=2800m3体积 圆柱体的高度液柱静压力：计算压力圆柱体的壁厚由下式计算： (3-1-1)式中：1：内筒体计算壁厚，mm； pc：计算压力，MPa Di：内筒体的内径，mm； k：应变强化后的屈服强度，取405MPa。 ：焊接接头系数。 圆柱体的壁厚为： 1=5.2mm钢板厚度负偏差取0.4mm，圆整后取内筒体的名义厚度为：n1=6mm封头厚度计算： (3-1-2)经圆整，取n2=6mm内容器的名义厚度为n=6mm有效厚度为e=6mm。3.2 内罐的常规设计3.2.1 内罐筒体的常规设计承受内压的圆筒设计厚度按下式计算： (3-2-1)式中：t：内圆筒材料的许用应力，MPa。取t=137MPa； C：材料的腐蚀裕量，mm。钢板厚度负偏差取0.52mm，圆整取内筒体的名义厚度为：n1=11mm。3.2.2 内罐封头的常规设计承受内压的标准椭圆形封头设计厚度按下式计算： (3-2-2)经圆整，取n2=11mm内容器常规设计的名义厚度为n=11mm，有效厚度为e=11mm。3.3 保冷层的设计计算保冷层的绝热方式采用真空粉末绝热，所填充的多孔介质为珠光砂。所采用的普通珠光砂的性能： 粒径范围：0.15-2mm 松散密度：45-60kg/m3 振实密度：55-60kg/m3 导热系数：0.028-0.03w/(mk) 安息角：33-37 含水率1%保冷计算应根据工艺要求确定保冷计算参数,当无特殊工艺要求时保冷厚度应采用最大允许冷损失量进行计算并用经济厚度调整，保冷的经济厚度必须用防结露厚度校核。3.3.1 按最大允许冷损失量进行计算此时，绝热层厚度计算中，应使其外径D1满足下列衡等式要求： (3-3-1)式中：Q：以每平方米绝热层外表面积为单位的最大允许冷损失量（为负值），w/m2； :绝热材料在平均温度下的导热系数，w/（m）；as：绝热层外表面向周围环境的放热系数，w/（m2）； T0：管道或设备的外表面温度，；Ta：环境温度，； D1：绝热层外径，m； D0：内筒体外径，m。当Ta-Td4.5时： Q=-( Ta-Td)as当Ta-Td4.5时： Q=-4.5as其中：Td：当地气象条件下最热月的露点温度（）。Td的取值应按GB50264-97的附录C提供的环境温度和相对湿度查有关的环境温度相对湿度露点对照表（Ta、Td表）而得到。由附录C可以得到：Ta=35.2，=78%。 经计算和查图得到Td=30.7Ta-Td=35.2-30.7=4.5 Q=-( Ta-Td)as=-4.58.141=-36.6345 又T0=-162.3, =0.0453 w/（m）,D0=2.804m D1=3.256m=3256mm 保冷层厚度=0.5（3256-2812）=222mm3.3.2 按经济厚度进行设计计算计算经济厚度时，由于内筒体外径D0=2804mm1020mm，所以应按平面型的公式计算。平面型绝热层经济厚度计算中应使绝热层外径D1满足下列衡等式要求： (3-3-2)式中：PE: 能量价格，元/106kJ； PT：绝热结构单位造价，元/m3； ：绝热材料在平均温度下的导热系数，w/（m）； as：绝热层外表面向周围环境的放热系数，w/（m2） t：年运行时间，h； T0：设备外表面温度，； Ta：环境温度，运行期间平均气温，； S：绝热工程投资年摊销率，%。宜在设计使用年限内按复利率计算。 (3-3-3)式中：i：年利率（复利率），%，一般取i=10%； n：计息年数，年。 热价PH= (3-3-4)式中：PH：热价，元；PF：燃料到厂价，元/吨；qF：燃料收到基低位发热量，kJ/kg；B：锅炉热效率,(B=0.76-0.92)，对大容量、高参数锅炉B取值应靠上限，反之应靠下限；C1：工况系数，（C1=1.2-1.4）；C2：火用值系数。PH=27.6元/106kJ冷冻系数应按下式计算： 普冷（Ta-39）时的冷价PC1按下式计算： (3-3-5)式中：PC1：普冷、中冷冷价，元/106kJ；PH：热价，元/106kJ；SE：汽电转换效率，SE=0.25-0.3；A：辅机综合效率，A=0.87-0.92；PW：冷却用水价，元/m3。 元/106kJ -40-196时的冷价PC2为： (3-3-6) (3-3-7) 式中：F：制冷车间总投资，元。当全套流程为碳钢设备时，F可忽略；n：折旧年限，a；t：年运行时间，h/a；QR：制冷设备实际制冷量，106kJ/h。当制造厂提不出此数据时按上述公式近似计算；W：制冷机轴功率，106kJ/h；：冷冻系数；m：制冷机机械效率，m=0.8。 冷价PE=PC2=420元/106kJ (3-3-8)式中：w：年平均风速，m/s； w/（m2）又 =0.0453 w/（m）； PT=1270元/m3； t=8000h； Ta=19.8； T0=-162.3。 D1=3.312m=3312mm 经济厚度3.3.3 按防止绝热层外表面结露进行计算 圆筒型单层防止绝热层外表面结露的绝热层厚度计算中，应使绝热层外径D1满足下列衡等式的要求： (3-3-9)D1=3256mm=222mm综上所述，保冷层厚度为=250mm。3.4 外罐的设计计算3.4.1 外罐的选材由于外罐没有直接与液化天然气接触，不承受低温，在常温和真空条件下工作，承受着外压，所以可以选用综合性能较好的Q345R（16MnR）。3.4.2 外罐的结构 外罐结构为圆柱体，封头采用蝶形封头，支座采用裙座。3.4.3 外罐设计条件设计压力：0.1MPa（外压）设计温度：50焊接接头系数：0.85腐蚀裕量：1mm3.4.4.外罐设计计算外罐内径为D1=3312mm设外筒体的名义厚度为n=22mm 有效厚度为e=21mm外罐的外径D2=3312+222=3356mm； 圆筒体长度L=15.654m 查相关图可得到：A=0.000127 (3-4-1)设计压力P=0.1MPaP=0.105MPa，且两者较接近外筒体名义厚度n=22mm合理。蝶形封头外压校核：取封头的厚度等于筒体厚度D1=3312mm，n=22mm，e=21mm，D2=3356mm等效半径R0=D1+n=3312+22=3334mm (3-4-2)查图得：B=102MPa 满足要求外容器的名义厚度为n=22mm。3.5 内罐加强圈的设计当内罐进行喷氦法检漏时，内罐承受0.1MPa的外压，所以内罐需要加加强圈以防止内容器发生失稳失效。加强圈选用扁钢，材料用0Cr18Ni9，腐蚀裕量取0mm，位置放置在内容器的内部。加强圈的焊接和开孔应符合GB150的要求。加强圈的设置必须使容器属于短圆筒才有实际作用，所以加强圈的最大间距应符合下式要求： (3-5-1)式中：Lmax：加强圈的最大间距，mm； E：内容器材料的弹性模量，MPa； D0：内容器的外径，mm； m：稳定性安全系数,取m=3.0； pc：计算压力，MPa。取pc=0.1MPa； e：内容器的有效厚度，mm。取加强圈的间距为Ls=800mm。选取截面尺寸为5030的扁钢扁钢加强圈与内壳体有效段组合截面见图3-1：图3-1 扁钢加强圈与内壳体有效段组合截面图中x-x为组合截面中性轴，则加强圈与内壳体有效段的组合惯性矩为： (3-5-2)式中：Is：组合惯性矩，mm4；I0：加强圈惯性矩，mm4。I0=he3be/12； I0：内圆筒起加强作用部分的惯性矩，mm4。I0=Lse3/12；he：加强圈截面有效高度，mm。he=50mm；be：加强圈有效厚度，mm。be=30mm；As：加强圈有效截面积，mm2。As=hebe；e：内壳体有效厚度，mm；z0：形心轴矩，mm。z0=he/2；a：组合截面的形心轴矩，mm；As：圆筒起加强作用部分(组合段)的面积，mm2；As=Lse；：加强圈两侧筒体有效段宽度之和，mm。即。组合截面形心轴矩a： (3-5-3)组合惯性矩 (3-5-4) 而保持稳定时加强圈和内圆筒组合段所需的最小惯性矩为： (3-5-5)当量圆筒周向失稳时的B值为： (3-5-6)查图可得A=0.00026Is大于并接近I所选加强圈的尺寸满足要求，即加强圈选用5030的扁钢加强圈。3.6 内容器下支撑结构的设计内容器的下支撑结构均匀分布四个，其结构为：使用容器公称直径为3200mm的5-6号A型支承式支座的结构改进型（即对支座在结构和安装形式上进行改进：结构上将靠近封头中心的一块筋板移至远离封头中心一端，并将其宽度由l1减小至b2-22，并使其与另外三块筋板对齐。安装形式上将整个支座位置向封头中心外侧移动，使移动过的那块筋板最右侧面与封头外表面相切，其他参数不变）、玻璃钢柱定位装置和玻璃钢柱。支承式支座和玻璃钢柱定位装置材料选用0Cr18Ni9。支承式支座受力校核：内罐充装率为0.9，所以所充LNG的质量为：mm=426135=57510kg内罐的长度为：L=h20.842=17.51020.8420.007=19.204m=19204mm内罐需要加20个加强圈。内罐加强圈的质量为：mq=2.811.7820=2071.4kg在内罐充完LNG后质量为：每个支承式支座所受载荷为：QQ=200kN, 满足要求。结构改进型支承式支座的截面积为：A=0.01117m2支撑件内的应力为：m2 A=0.01117m2满足要求取玻璃钢柱的截面积为0.01117m2玻璃钢柱的直径为：圆整取玻璃钢柱直径为d=120mm。3.7 内罐常规设计与应变强化设计的比较内罐常规设计的壁厚为11mm。而经应变强化处理后壁厚降低为6mm，比常规设计减少了5mm。内罐应变强化设计的罐体钢质量为：而常规设计的罐体钢质量为：由此可得，采用应变强化技术后节省钢材5914.23kg，即能节省的钢材。可见，应变强化技术能有效的减少容器的壁厚，减轻容器的质量，节约资源，实现容器的轻量化。第4章 LNG储罐强度校核4.1 设计条件1.LNG储罐结构设计：外罐内径：D1=3312mm储罐高取：H=19.502m 2.设置地区：10m高度处基本风压值q0=600N/m2； 地震设防烈度为7度； 场地土类：类第二组。 3.裙座材料选用Q345R（16MnR）基础环材料选用Q235-A4.2 储罐质量载荷计算储罐钢结构质量： mg=m1+m2+m3+m4 (4-2-1)其中：m1：内外圆筒总质量，kg； m2：内外容器封头总质量，kg； m3：裙座质量，kg； m4：其他附件质量，kg；内外圆筒总质量：m1=34566.73kg内外容器封头总质量：m2=5073.9kg裙座质量：加强圈和内罐支撑结构等其他附件质量：m4=2500kg储罐钢结构质量mg=34566.735073.95423.162500=47563.79kg保冷层质量：mb=（36.62+6.762）130=5639.66kg所装的LNG的质量：mm=42690=38340kg操作质量为：mp=mg+mb+mm=47563.79+5639.66+38340=91543.45kg 最小质量为：mmin=mg+mb=47563.79+5639.66=53203.45kg4.3 风载荷和风弯矩计算 1）自振周期T的计算 为简化计算，将储罐视为等直径、等壁厚、沿高度上质量均匀分布的圆截面容器： (4-3-1)式中：E外罐材料的弹性模量，MPa； 在设计温度50下，查得E=1.98353105MPa； e=外罐的有效厚度，mm；e=n-C=21mm；自振周期 =0.1913s 2）风载荷计算示例 以1-2段为例，其风载荷按下式计算： (4-3-2)式中：K1：空气动力系数；对圆筒形设备取：K1=0.7 f2：风压高度变化系数；查表得，f2=0.72； K22：储罐各计算段的风振系数；当设备高度H20m时，取K22=1.7； l1:1-2段储罐高度，mm；l1=2000mm； De2：储罐的有效直径，mm；取De2=3356mmP2=0.71.76000.722000335610-6=3450.5N以上述方法计算出各段风载荷，列于表2-1：表2-1： 储罐各段风载荷计算结果计算段 li/mm q0/Nm-2 K1 K2i fi Dei/mm Pi/N0-1 1000