1. 卧式储罐结构简介
液氮低温储罐是广泛应用于空分系统中的产品储罐，由于其特殊的工作环境，工作温度为-196℃，致使其结构及材料的应用必须满足超低温的要求，工业生产中具有特定的工艺功能并承受一定压力的设备，称压力容器。设计温度为-20℃以下的压力容器被称为低温压力容器，对于低温压力容器首先要选用合适的材料，材料在使用温度下应具有良好的韧性。致使低于-196℃时可选用奥氏体不锈钢。罐体分内罐，外罐两层，因此内罐材质选用不锈钢为0Cr18Ni9，外罐材质选用碳钢为Q235-B。内外罐中间填充绝热材料，即内筒壁与外筒壁之间用珠光砂填充绝热。本储罐结构示意图见图1.1。
图1.1卧式储罐结构示意图
表1.1 设计数据
C
mm
m3依据表1.1设计参数得出卧式储罐结构尺寸见表1.2。
封头即是容器的端盖。根据形状的不同，分为球形封头、椭圆形封头、蝶形封头和平板封头等结构形式。本储罐选择椭圆形封头，其内胆封头与外胆封头尺寸见表1.3。
表1.3 EHA椭圆形封头内表面积、容积
储罐还有人孔、支座以及各种接管组成。接管主要设有排污管、安全阀、压力表、温度计、进料口和出料口等。
根据HG/T21517-2005回转盖带颈平焊法兰人孔，查表3-3，选用凹凸面型，其明细尺寸见表1.4。
查JB4712.1-2007《容器支座》，选取轻型，焊制为BⅠ,包角为120°，有垫板的鞍座。设计鞍座结构尺寸如下表1.5。
接管的材料为0Cr18Ni9，长度根据实际情况选择，查得接口管口参数见表1.6。
表1.6 接口管口表
查HG/T 20592-2009《钢制管法兰》中表8.2.2-2 PN10带颈对焊焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸见表1.7。
表1.7 法兰表
密封垫片选择非金属软垫片系列中的石棉橡胶板。
2. 卧式储罐工艺审查
2.1材料焊接性分析
本次课程设计的母材为0Cr18Ni9和Q235B，根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》（GB/T221-200）查得0Cr18Ni9属于奥氏体不锈钢。0Cr18Ni9不锈钢作为不锈钢耐热钢使用最广泛，用于食品用设备，一般化工设备，原子能用工业设备。通俗的讲0Cr18Ni9不锈钢就是304不锈钢板。而Q235B碳素钢，含碳量适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好的配合，用途广泛。常用于制作钢筋或厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不高的机械零件。
2.1.1 内胆材料焊接性的分析
1. 0Cr18Ni9材质性能分析
根据《焊接手册》第二版《材料的焊接》查得母材化学成分见表2.1。
表2.1 0Cr18Ni9的化学成分
根据成分可知0Cr18Ni9奥氏体钢具有良好的耐蚀性、耐热性；低温强度和机械性能；冲压弯曲等热加工性好；无热处理硬化现象，无磁性；单相奥氏体组织，无热处理硬化现象。0Cr18Ni9钢的力学性能见表2.2。
2.母材碳当量估测
根据化学成分进一步分析0Cr18Ni9是奥氏体不锈钢，故具有较高的变形能力并不可淬硬，没有冷裂纹缺陷，所以总的来说焊接性良好。当采用国际焊接学会碳当量估测公式计算时：
)()(C C eq ϖ=+
6
n)(M ϖ+
5
)(o)()(V M Cr ϖϖϖ+++
15
)
(i)(Cu N ϖϖ+
=0.06+0.33+3.8+0.73
=4.92
但是，为由于碳当量比较大，其焊接性也存在一些问题，如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量的控制及σ相脆化等。
3. 奥氏体不锈钢的焊接特点 (1）焊接接头的晶间腐蚀
奥氏体不锈钢焊接件容易在焊接接头处发生晶间腐蚀，根据贫铬理论, 其原因是焊接时焊缝和热影响区在加热到450～850℃温度范围停留一定时间的接头部位，在晶界处析出高铬碳化物（Cr 23C 6），引起晶粒表层含铬量降低，形成贫铬区，在腐蚀介质的作用下，晶粒表层的贫铬区受到腐蚀而形成晶间腐蚀。这时被腐蚀的焊接接头表面无明显变化，受力时则会沿晶界断裂，几乎完全失去强度。为防止和减少焊接接头处的晶间腐蚀，采取的防止措施有：
1)采用低碳或超低碳的焊材,如A002等，或采用含钛、铌等稳定化元素的焊条,如A137、A132等；
2)由焊丝或焊条向焊缝熔入一定量的铁素体形成元素,使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织 (铁素体一般控制4-12%)；
3)减少焊接熔池过热,选用较小的焊接电流和较快的焊接速度,加快冷却速度； 4)对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件进行焊后稳定化退火处理。 (2）焊接热裂纹
热裂纹产生的主要原因是焊缝中的树枝晶方向性强，有利于S 、P 等元素的低熔点共晶产物的形成和聚集。另外，此类钢的导热系数小（约为低碳钢的1/3），线胀系数大（比低碳钢大50%），所以焊接应力也大，加剧了热裂纹的产生。防止措施: 1)选用含碳量低的焊接材料，采用含适量Mo 、Si 等铁素体形成元素的焊接材料，使焊缝形成奥氏体加铁素体的双相组织，减少偏析；
2)尽量选用碱性药皮的优质焊条,以限制焊缝金属中S、P、C等的含量。
(3）应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。应力腐蚀开裂采取的防止措施:
1) 采取合适的焊接工艺，保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,如咬边等;采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平；
2)合理选择焊材，焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化及硬脆马氏体等；
3)消除应力处理:焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。
(4）焊缝金属的低温脆化。
对于奥氏体不锈钢焊接接头,在低温使用时,焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时,焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。一般可以通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝的方法来防止焊缝金属的低温催化。
(5）焊接接头的σ相脆化。
焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相,导致整个接头脆化,塑性和韧性显著下降。σ相的析出温度范围650-850℃。在高温加热过程中,σ相主要由铁素体转变而成。加热时间越长,σ相析出越多。防止措施:
1)限制焊缝金属中的铁素体含量(小于15%)，采用超合金化焊接材料,即高镍焊材；
2)采用小规范,以减小焊缝金属在高温下的停留时间；
3)对已析出的σ相在条件允许时进行固溶处理,使σ相溶入奥氏体。
2.1.2 外胆材料焊接性的分析
1. Q235B材质性能分析
根据《焊接手册》第二版《材料的焊接》查得母材化学化学成分见表 2.3与力学性能见表2.4。
表2.3 Q235B的化学成分
