10立方米乙烯储罐课程设计.docx

课程设计成果 学院: 化工与药学院 班 级:级过程装备与控制工程一班 学生姓名: 学 号: 2012 设计地点（单位） 化工实验楼A411 设计题目: 10m乙烯储罐设计 完成日期： 2015年 12 月 23 日指导教师评语: _ _ _ _ 成绩(五级记分制):_ _ _ 教师签名:_ _ 目录前言第一章 设计参数的确定1.1任务说明1.2介质特性分析1.3设计题目1.4原始数据第二章 设计方案的确定2.1储罐的选型2.2主体材料的选择2.3封头型式的确定第三章 结构尺寸的确定3.1筒体尺寸的确定3.2液柱静压力计算第四章 设备结构设计4.1筒体厚度的计算4.2封头壁厚的计算4.3 筒体、封头的水压试验第五章 法兰、接管及其零部件的确定5.1法兰尺寸型号的选择5.2接管尺寸的确定5.3垫片的选择5.4螺栓的选择5.5液位计的选型5.6人孔的选型第六章 开孔补强设计6.1确定需要补强的开孔及接管6.2补强面积的计算6.2.1接管M处补强面积计算6.2.2接管D处补强面积计算6.3补强圈的设计6.3.1接管M处补强圈6.3.2接管D处补强圈第七章 鞍座的选型7.1鞍座初步选型7.2估算鞍座负荷7.3鞍座位置的确定第八章 焊接结构设计8.1回转壳体的焊接结构设计8.2接管与带补强圈的焊接结构设计8.3焊接方法和焊接材料选择总结附录参考文献前言近年来，我国乙烯工业取得了快速发展，已成为国民经济重要产业，国家在十一五期间提出了乙烯工业“基地化、大型化、一体化、园区化”的发展模式。乙烯的大型化发展，必然要求乙烯的储存也往大型化发面发展。然而，随着储罐的大型化，相应的安全要求也将更高，而且乙烯作为一种易燃易爆物质，一旦泄露发生燃烧与爆炸，引起的事故后果难以估量。因而保证乙烯储存的安全就显得尤为的重要。乙烯储罐的安全和环保是我国乙烯工业发展的强大的后盾。本设计对乙烯储罐自身的特点和存在的危险进行分析，在基于危险源辨识的基础上，划分工艺单元，对具体的工艺单元进行分析、设计。第一章 设计参数的确定1.1任务说明本课程任务是设计一个公称容积为10m的乙烯储罐，采用常规设计方法，综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。然后采用SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。1.2介质特性分析乙烯是由两个碳原子和四个氢原子组成的化合物。两个碳原子之间以双键连接。乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料（聚乙烯及聚氯乙烯）、合成乙醇（酒精）的基本化工原料，也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等外观与性状：无色气体，略具烃类特有的臭味。少量乙烯具有淡淡的甜味。pH：水溶液是中性熔点()：-169.4 沸点()：-103.9 相对密度(水=1)：0.61 相对蒸气密度(空气=1)：0.98 饱和蒸气压(kPa)：4083.40(0) 燃烧热(kJ/mol)：1411.0 临界温度()：9.2 临界压力(MPa)：5.04 引燃温度()：425 爆炸上限%(V/V)：36.0 爆炸下限%(V/V)：2.7 溶解性：不溶于水，微溶于乙醇、酮、苯，溶于醚。溶于四氯化碳等有机溶剂。其它理化性质：可以和酸性高锰酸钾发生氧化还原反应，乙烯作为还原剂，被氧化成二氧化碳。酸性高锰酸钾被还原而褪色。侵入途径：吸入 健康危害：具有较强的麻醉作用。急性中毒：吸入高浓度乙烯可立即引起意识丧失，无明显的兴奋期，但吸入新鲜空气后，可很快苏醒。对眼及呼吸道粘膜有轻微刺激性。液态乙烯可致皮肤冻伤。慢性影响：长期接触，可引起头昏、全身不适、乏力、思维不集中。个别人有胃肠道功能紊乱。环境危害：对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染。燃爆危险：本品易燃。1.3设计题目：10m乙烯储罐设计1.4原始数据：设计压力：2.1Mpa 设计温度：50 公称容积：10m表1-1 原始数据表序号项 目数 值单 位备 注1名称乙烯储罐2用途乙烯储存5公称容积（Vg）10m36工作压力波动情况可不考虑7装量系数（）0.98工作介质乙烯9使用地点荆门市，室外10安装与地基要求11其他要求第二章 设计方案的确定2.1储罐的选型首先储罐选用钢制卧式圆筒，筒体由钢板卷制而成。卧式圆筒受力均匀，对容器的底部压力较小不易泄漏，占地空间较小。其次选择封头为椭圆形（下文有详细论证说明）。再计算筒体以及封头的壁厚，对水压及强度进行实验校核，核算开孔补强和承载能力。最后根据生产工艺，安装检修等需要，在筒体、封头上选择安装人孔、进料管、排污管、压力计等等2.2主体材料的选择乙烯腐蚀性小,可选用一般钢材,由于压力较大,可以考虑20R、16MnR这两种钢种。虽然16MnR比20R贵，但综合来看16MnR钢板还是比较经济，且16MnR机械加工性能、强度和塑性都比较好，所以选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。2.3封头型式的确定从受力与制造方面分析来看，球形封头较为理想。但缺点是深度大，冲压困难；椭圆封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型；平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难，而且耗用量大，因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。第三章 结构尺寸的确定3.1筒体尺寸的确定卧式储罐的容积V是指筒体包含封头的容积，即:V=VT+2VF式中 VT圆柱形筒体容积，m3 VF封头容积，m3。将罐体视为圆柱形筒体，初步估算罐体的内径Di：V4Di2L=10m(1+5%)(长径比L/Di的一般取值范围为3-6,初取L/Di=4)将L/Di=4代入得：Di=1.4951m=1495mm考虑到储罐内径应符合压力容器公称直径的标准，且符合国家规定的公称直径，圆整后，取Di=1500mm。因为采用的是标准椭圆封头，查标准JB/T4746-2002化工设备课程设计指导中表3-3，可知：Di=1500mm时，封头容积V=0.4860m 总深度H=400mm 内表面积A=2.5568根据 VT+2VF=V1.054Di2L+20.4860=101.05得L=5.392m=5392mm, 圆整得：L=5400mm则有，L/Di=5400/1500=3.6 在3-6范围内，故长度和直径设计合理。 3.2液柱静压力计算根据设计为卧式储罐，所以储存液体最大高度hmaxDi=1500mmP静max=ghmax=5699.811.5=0.00837MPa因为P设5%=2.15%=0.105MPaP静=0.00837MPa故P静可以忽略不计，即Pc=P设=2.1MPa第四章 设备结构设计4.1筒体厚度的计算内压容器的计算厚度由中径公式确定d d = 式中 -材料许用应力，MPa -设计压力，MPaDi-罐体内径，mm-焊接接头系数（JB4732标准中要求受压元件焊缝必须100%无损检测，取焊接系数F=1.0）由于选用材料为16MnR，假定厚度范围为616mm，查表可得=170MPa 则 d=2.115002170-2.1=9.32mm根据GB/T709中的要求取钢板的负偏差C1=0.3mm，则有 d n=d +C1+C2式中 d-计算厚度，mmC2 -厚度负偏差，mm C2-腐蚀裕量，mm （取C2=1mm）代入数据得： d n=9.32+0.3+1=10.62mm圆整后，取名义厚度 d n=12mm则有： 有效厚度 d e=12-1.3=10.7mm 设计厚度 d d=9.32+1=10.32mm4.2封头壁厚的计算 图4-1 标准椭圆封头因为选用的是标准椭圆形封头，其厚度有下式确定： d h = 则代入数据得封头的计算厚度d =2.1150021701-0.52.1=9.29mm则，d n封= d +C1+C2=9.23+0.3+1=10.59mm圆整后，取名义厚度 d n封=12mm则有： 有效厚度 de封=12-1.3=10.7mm 设计厚度 dd封=9.29+1=10.29mm4.3 筒体、封头的水压试验试验压力 ：PT = 1.25Pt=1.252.1170170=2.625MPa由公式 代入数据,得：T= 2.6251500+10.7210.71.0=185.3540MPa时，接管与壳体宜采用全熔透的结构形式。2.接管的腐蚀裕量为1mm。由表3-5可知管A、B、C、LG1、LG2 、LT1、LT2处开孔不需要补强，接管D和M 处开孔需要补强。6.2补强面积的计算6.2.1接管M处补强面积计算 所需最小补强面积A：A=dd+2 det（1-fr）式中 A-开孔削弱所需补强面积，mm2d-开孔直径，mmd-壳体开孔处的计算厚度，mmdet-接管有效厚度，det = dnt-C，mmfr-强度削弱系数，等于许用应力下接管材料与壳体材料许用应力之比因为 C=C1+C2=0.3+1=1.3mm则 d=di+2C=450+21.3=452.6mmddet=dnt-C=12-1.3=10.7mm 接管材料选用20号钢，50时，其许用应力为137Mpa，则有fr=137170=0.806所以， A=452.69.32+29.3210.7（1-0.806）=4179.54mm2有效补强范围 有效宽度B的确定B=2d=2452.6=905.2mm B=d+2dn+2dnt=452.6+29.32+212=495.24mm二者取较大值，故B=905.2mm式中 B-补强有效宽度，mmdn-壳体开孔处的名义厚度，mmdnt-接管名义厚度，mm内外侧有效高度，分别取式中较小值外侧高度：h1=d dn=452.612=73.70mmh1=接管实际外伸长度=250mm故h1=73.81mm内侧高度： h2=d dnt=452.612=73.70mmh2=接管实际内伸高度=0mm故h2=0mm补强范围内补强金属面积AeAe=A1+A2+A3式中 A1-筒体多余面积，mm2 A2-接管有效厚度减去计算厚度之外多余面积，mm2A3-焊缝金属截面积，mm2，焊脚取10mm则有 A1 =(B-d)（de- d）-2det（de- d）（1-fr） =（905.2-452.6）（10.7-9.32）-212（10.7-9.32）（1-0.806） =618.2mm2接管计算厚度ddt=2.145021701-2.1=2.80mm则有， A2=2h1（det-dt）fr+2h2（det-C2）fr =273.70（10.7-2.80）0.806+0 =938.55mm2因为焊脚取10cm，则有 A3=20.51010=100mm2Ae=A1+A2+A3=618.2+938.55+100=1656.55mm2由于AeA=4179.54mm2故M处接管需要补强所需另行补强面积为：A4=A-Ae=4179.54-1656.55=2522.99mm26.2.2接管D处补强面积计算 所需最小补强面积A：A=dd+2 det（1-fr）式中 A-开孔削弱所需补强面积，mm2d-开孔直径，mmd-壳体开孔处的计算厚度，mmdet-接管有效厚度，det = dnt-C，mmfr-强度削弱系数，等于许用应力下接管材料与壳体材料许用应力之比取 C=2mm则有 d=di+2C=100+22=104mm因为接管壁厚dnt=5mm，则有d det= dnt-C=5-2=3mm 则 A=1049.32+29.323（1-0.806）=980.13mm2有效补强范围 有效宽度B，B=2d=2104=208mm B=d+2dn+2dnt=104+212+25=140mm式中 B-补强有效宽度，mmdn-壳体开孔处的名义厚度，mmdnt-接管名义厚度，mm取二者中较大值，故B=208mm内外侧有效高度，分别取式中较小值外侧高度： h1=d dn=10412=35.33mmh1=接管实际外伸长度=150mm故取 h1=35.33mm内侧高度：h2=d dnt=1045=22.80mmh2=接管实际内伸高度=0故取 h2=0补强范围内补强金属面积AeAe=A1+A2+A3式中 A1-筒体多余面积，mm2 A2-接管有效厚度减去计算厚度之外多余面积，mm2A3-焊缝金属截面积，mm2，焊脚取10mmA1 =(B-d)（de-d）-2det（de-d）（1-fr）=（208-104）（12-2-0.3-9.41）-23（12-2-0.3-9.41）（1-0.94） =30.06mm2ddt=2.110021701-2.1=0.62mmA2=2h1（det-dt）fr+2h2（det-C2）fr =235.33（3-0.62）0.806+0 =135.55mm2A3=20.566=36mm2Ae=A1+A2+A3=30.06+135.55+36=201.61mm2由于AeD2，补强圈在有效补强范围内补强圈厚度为:d1=A4D2-d0=2522.99760-480=9.01mm考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为10mm。但为便于制造时准备材料补强圈名义厚度取筒体名义厚度：即 d1=12mm6.3.2接管D处补强圈根据接管D公称直径DN100选补强圈，参照补强圈标准JB/T4736取补强圈外径D2=200mm，内径D1=114mm因B=208D2，补强圈在有效补强范围内则补强圈厚度为d1=A4D2-d0=778.52200-110=8.65mm考虑钢板负偏差并经圆整，取补强圈名义厚度为10mm。但为便于制造时准备材料补强圈名义厚度取筒体名义厚度：即 d1=12mm补强圈结构尺寸见图3-2和表3-6图6-1 补强圈的结构表6-2 补强圈尺寸（mm）补强圈位置D1D2d1D开孔处补强圈11420012M开孔处补强圈48476012第七章 鞍座的选型7.1鞍座初步选型鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个。因此选择鞍式双支座，一个S型，一个F型。7.2估算鞍座负荷储罐总质量 m=m1+2m2+m3+m4式中 m1-筒体质量，Kg m2-封头质量，Kgm3-充液质量，Kg m4-附件质量，Kg筒体质量m1， 对于16MnR普通碳素钢，取=7.85103kgm3,则有 m1 =DLdn=3.14150010-3540010-31210-37.85103 =2395.88Kg封头质量m2 查化工设备机械基础表8-27中EHA椭圆封头标准，可知 m2=238Kg充液质量m3因为乙烯水，故用水作为充液进行估算，则有 m3=V水（为装料系数，任务书中已给出，取=0.9）因为 V=2V封+V筒=20.4860+41.525.4=10.5m3故 m3=0.910.51000=9450 Kg附件质量m4 人孔法兰约200Kg，其他接口管及法兰总和按150Kg，即 m4=200+150=350Kg所以，储罐的总质量为： m=m1+2m2+m3+m4 =2395.88+2238+9450+350 =12671.88Kg总重量Q=mg=12671.889.81=124311.14N=124.31KN即，每个鞍座仅承受 Q2=62.15KN的负荷。根据储罐的公称直径DN=1500mm，每个鞍座承受62.15KN，由JB/T 4712-2007鞍式支座标准选用轻型，焊制A，包角120，带垫板的鞍座，筋板数为4。鞍座标记为：JB/T4712.1-2007鞍座A2008-S JB/T4712.1-2007鞍座A2008-F查标准JB/T4712-2007可得鞍座的结构及其尺寸如图7-1和表7-1表7-1 鞍座尺寸（mm）公称直径允许载荷KN高度H底板腹板dd2螺栓间距l2鞍座质量Kgl1b1dd115002702501060200128900109筋板垫板l3b2b3dd3弧长b4dd4e24017024081760390870 图7-1 鞍座的型式7.3鞍座位置的确定双鞍座卧式储罐的受力状态可化简为受力均布载荷的外伸筒支梁，由材料力学可知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值想等，所以通常取尺寸A不超过0.2L值，中国现行标准JB 4731钢制卧式容器规定A0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。A0.2L=0.2(L+2h)=0.2(5400+225)=1090mm 由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部加强作用，为充分利用这一加强效应，支座应适当靠近封头。因此，JB4713还规定：满足A0.2L情况下，应尽量使A0.5R0(R0为筒体外半径)。即，A0.5R0=0.5（D2+n）=0.5（15002+12）=381mm故，取A=380mm固定支座通常设置在卧式储罐配管较多的一段，滑动支座则应设置在没有配管或者配管较少的一端。图7-2 鞍座的定位第八章 焊接结构设计8.1回转壳体的焊接结构设计回转壳体的焊接接头必须采用对接接头。壳体上所有纵向及环向接头，凸形接头上的拼接接头，及A、B类接头，必须采用对接接头，不允许采用搭接接头。其焊缝必须采用全焊透8.2接管与带补强圈的焊接结构设计对补强圈与筒体焊接：一方面要尽量与补强前壳体贴合紧密，另一方面与接管，壳体之间焊接接头设计也应力求完善合理。因此只能采用搭接和角接。其补强圈处焊接结果如图8-1所示。8.3焊接方法和焊接材料选择一般压力容器的设计中，都是按电弧焊的要求进行焊接结构设计的，并且选择用相应的焊条材料，其焊条材料见表8-1：表8-1 焊条选用XX与XX焊接焊条型号焊条牌号Q345R与Q345RE5015J507Q345R与16MnE5015J507Q235A与Q235AE4303J42216Mn与Q235AE4315J427 图8-1补强圈处焊接结构图总结经过一个学期的理论学习和近两个星期的课程设计，我们对过程设备设计这门课的学习已经接近了尾声。在这期间我学到了很多的东西，有专业知识方面的，也有做人方面的。在此，我要特别感谢课程设计的指导教师-石老师、张老师，在课程设计期间对我们的帮助，让我从对这次设计的毫无头绪到豁然开朗。在设计的过程中遇到十分多的挫折，我们几乎动用了所有可以动用的力量和渠道去分析设计和寻找材料。经此次设计我获得了很多，由刚开始的抱怨转变成完成设计时的成就感，不管是word文档的制作还是图纸的安排设计，我都有了更深刻的了解。也让我明白了一个道理：世上无难事，只怕有心人！在你没尝试过件事情之前，千万不要对自己说不。本次课程设计，我完成了容积为10m的乙烯储罐的设计，并采用SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。通过此次课程设计，增强了我把知识运用到实际的能力，加深了对课本知识的理解。使用国家压力容器标准、规范进行设计，掌握了乙烯储罐设计的全过程；并且锻炼了查阅和综合分析文献资料的能力。我相信这次经历对我下一步做毕业设计会是一个很大的帮助。附录内压圆筒校核计算单位荆楚理工学院-化工与药学院计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 2.11MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1500.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 8.41mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 10.70mm名义厚度 dn = 12.00mm重量 2416.20Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值pT = 1.25p = 2.6250 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 185.31 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 pw= = 2.67730MPa设计温度下计算应力 st = = 148.84MPastf 189.00MPa校核条件stf st结论 合格左封头计算计算单位 荆楚理工学院-化工与药学院计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 2.11MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1500.00mm曲面深度 hi 375.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 pT = 1.25p= 2.6250 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 184.65MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 8.39mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 10.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 12.00mm结论 满足最小厚度要求重量 237.60 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 2.68682MPa结论 合格右封头计算计算单位 荆楚理工学院-化工与药学院计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 2.11MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1500.00mm曲面深度 hi 375.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 1.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 pT = 1.25p= 2.6250 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 184.65MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 8.39mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 10.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 12.00mm结论 满足最小厚度要求重量 237.60 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 2.68682MPa结论 合格卧式容器（双鞍座）计算单位荆楚理工学院-化工与药学院依据标准NB/T 47042-2014 计 算 条 件简 图设计压力 2.1MPa 计算压力 2.10837MPa 设计温度 50 试验压力 2.625MPa 圆筒材料Q345R 封头材料Q345R 圆筒材料常温许用应力 189MPa封头材料常温许用应力 189MPa 圆筒内直径1500mm 圆筒材料设计温度