压力容器卧式储罐设计.doc

目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1液化石油气贮罐的分类11.2液化石油气特点11.3卧式液化石油气贮罐设计的特点1第二章 设计参数的选择22.1设计题目22.2设计数据22.3设计压力、温度22.4主要元件材料的选择3第三章 设备的结构设计43.1圆筒、封头厚度的设计43.2筒体和封头的结构设计43.3鞍座选型和结构设计53.4接管，法兰，垫片和螺栓的选择73.5 人孔的选择93.6安全阀的设计10第四章 设计强度的校核134.1水压试验应力校核134.2筒体轴向弯矩计算144.3筒体轴向应力计算及校核144.4筒体和封头中的切向剪应力计算与校核154.5封头中附加拉伸应力154.6筒体的周向应力计算与校核154.7鞍座应力计算与校核16第五章 开孔补强设计195.1 补强设计方法判别195.2有效补强范围195.3 有效补强面积195.4.补强面积20第六章 储罐的焊接设计216.1焊接的基本要求216.2焊接的工艺设计22设计小结24致谢25参考文献26摘 要本次设计的卧式储罐其介质为液化石油气。液化石油气是一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们的重视。在化工生产方面，液化石油气经过分离得到乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等，用来生产合塑料、合成橡胶、合成纤维及生产医药、炸药、染料等产品。液化石油气是由碳氢化合物所组成，主要成分为丙烷、丁烷以及其他烷系或烯类等。丙烷加丁烷百分比的综合超过60%，低于这个比例就不能称为液化石油气。液化石油气具有易燃易爆的特点，液化石油气储罐属于具有较大危险的储存容器。针对液化石油气储罐的危险特性，结合本专业过程设备与压力容器设计所学的知识，在设计上充分考虑液化石油气储罐各项参数，确保液化石油气储罐能安全运行，对化工行业具有重要的现实意义。本次设计的主要标准有：GB150.3-2010固定式压力容器、压力容器安全技术监察规程、JB4731-2005钢制卧式容器。各零部件标准主要有：JB/T 4736-2002补强圈、HG 20592-20614钢制管法兰、垫片、紧固件、JB/T 4712.1-2007鞍式支座、HG21514-21535-2005钢制人孔和手孔等。本次设计的步骤为：先根据容器要求确定压力容器所属类别，确定储罐主体及其接管所用材料、储罐主体的直径和长度，其次进行筒体和封头的壁厚计算并校核，然后计算人孔的开口补强面积和补强圈的厚度，再根据筒体和各个接管的总质量选择支座，最后进行安全阀的选型和校核。关键词：液化石油气，压力容器，卧式储罐，设计AbstractThe horizontal design of its medium tanks of liquefied petroleum gas . Liquefied petroleum gas is a basic chemical raw materials and new fuel has become more and more attention. In the chemical production , liquefied petroleum gas through isolated ethylene , propylene, butylene , butadiene , etc., for production of plastics, synthetic rubber , synthetic fibers and the production of pharmaceuticals , explosives , dyes and other products. LPG is composed of hydrocarbons , mainly composed of propane , butane and other departments or alkyl vinyl and so on. Percent propane plus butane consolidated over 60% lower than this ratio can not be called LPG .Features with flammable liquefied petroleum gas , liquefied petroleum gas tanks are dangerous with large storage containers . LPG tanks for hazardous characteristics , combined with the professional process equipment and pressure vessel design knowledge learned in the design fully consider the parameters of LPG tanks , LPG tanks to ensure safe operation , has important practical implications for the chemical industry .The main design criteria are : GB150.3-2010 Stationary Pressure Vessels , Safety Technology Supervision pressure vessel , JB4731-2005 steel horizontal container . There are various parts standard : JB / T 4736-2002 reinforcing circle , HG 20592-20614 steel pipe flanges , gaskets , fasteners , JB / T 4712.1-2007 saddle mount , HG21514-21535-2005 steel manholes and hand holes and so on .The design procedure : first determining the pressure vessel Category determined over the tank body and the material used , the diameter and length of the main tank container according to requirements , and secondly the cylinder head wall thickness calculation and verification, then calculate the thickness of the manhole opening reinforcement area and reinforcement ring , and then choose based on the total mass of the cylinder and bearing various takeover , the final selection and check valve .Keywords : LPG ； pressure vessels ；horizontal tanks；design第一章 绪论1.1液化石油气贮罐的分类目前我国普遍采用常温压力贮罐, 常温贮罐一般有两种形式: 球形贮罐和圆筒形贮罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 前者具有投资少, 金属耗量少, 占地面积少等优点, 但加工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高。一般贮存总量大于500立方米或单罐容积大于200立方米时选用球形贮罐比较经济；而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大、占地面积大。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式。所以在总贮量小于500立方米, 单罐容积小于100立方米时选用卧式贮罐比较经济。1.2液化石油气特点气态的液化石油比空气重约1.5倍，该气体的空气混合物爆炸范围是1.7%9.7%，遇明火即发生爆炸。所以使用时一定要防止泄漏，不可麻痹大意，以免造成危害。因此，往槽车、贮罐以及钢瓶充灌时要严格控制灌装量，以确保安全。因为液化石油气是由多种碳氢化合物组成的，所以液化石油气的液态比重即为各组成成份的平均比重，如在常温20时，液态丙烷的比重为0.50，液态丁烷的比重为0.560.58，因此，液化石油气的液态比重大体可认为在0.51左右，即为水的一半。1.3卧式液化石油气贮罐设计的特点卧式液化石油气贮罐也是一个储存压力容器, 也应按GB150钢制压力容器进行制造、试验和验收，并接受劳动部颁发压力容器安全技术监察规程(简称容规) 的监督。液化石油气贮罐, 不论是卧式还是球罐都属第三类压力容器。贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。贮罐上设有液相管、液相回液管、气相管、排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等。第二章 设计参数的选择2.1设计题目液化石油气卧式储罐的设计2.2设计数据表 1-1：设计数据序号项目数值单位备注1名称液化石油气储罐2用途液化石油气储配站3最大工作压力2.16MPa4工作温度505公称直径2000mm6容积307单位容积充装量0.42t/8装量系数0.99工作介质液化石油气（易燃）10其他要求100%无损检测2.3设计压力、温度2.3.1 设计压力取最大工作压力的1.1倍，即2.3.2 工作温度为，设计温度取2.4主要元件材料的选择2.4.1 筒体、封头材料的选择根据GB150-1998表4-1，选用筒体、封头材料为低合金钢Q345R（钢材标准为GB-6654）。Q345R适用范围：用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性,壁厚较大（）的压力容器，取腐蚀余量，钢板负偏差C1=0.35mm。表1-2 石油化工设备的腐蚀裕腐蚀程度极轻微腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率腐蚀裕量焊缝系数：根据压力容器安全技术监察规程规定，液化石油气储罐应视为第三类压力容器，筒体纵焊缝应采用全焊透双面焊缝，且100%无损探伤，所以。许用应力：假设钢板厚度在1636mm之间，查表1-3，得。 表1-3 Q345R在16-36mm范围下的许用应力Q345R在下列温度（）下的许用应力（MPa）100150200250185185153143130 2.4.2 鞍座材料的选择根据JB/T4731,鞍座选用材料为Q235-A，其许用应力2.4.3地脚螺栓的材料选择地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q235，Q235的许用应力第三章 设备的结构设计3.1圆筒、封头厚度的设计3.1.1圆筒厚度的设计计算压力：液柱静压力: ,故液柱静压力可以忽略，即。圆筒的厚度在1636mm范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：在设计温度下，屈服极限强度， 许用应力利用中径公式，计算厚度： 。查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而有GB150-1998中3.5.5.1知，钢材的厚度负偏差取。查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知,钢材的腐蚀裕量取，则筒体名义厚度。圆整后，取名义厚度，筒体的有效厚度3.1.2圆筒厚度的设计查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表1，得公称直径，选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：同上，取，。则，封头的设计厚度，圆整后，名义厚度 ，有效厚度 ，封头型记做 ：。3.2筒体和封头的结构设计3.2.1 封头的结构尺寸由，得，查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下图3.1，表3-1所示：图3.1椭圆形封头简图表3-1 ：EHA椭圆形封头内表面积、容积公称直径DN /mm总深度H /mm内表面积A/容积/20005254.49301.12573.2.2 筒体的长度计算 ，充装系数为0.9,则：,即可求得，,计算得，取。3.3鞍座选型和结构设计 3.3.1 鞍座选型 该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-A。估算鞍座的负荷： 储罐总质量筒体质量：单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头EHA椭圆形封头质量，可知，充液质量： 附件质量：人孔质量为686kg，法兰和紧固件质量1925.6kg，其他接管质量总和估为400kg，即。综上所述，则有： ，每个鞍座承受的重量为。由此查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。查JB4712.1-2007得鞍座结构尺寸如下表3-2：表3-2：鞍式支座结构尺寸公称直径DN2000腹板10垫板430允许载荷Q/kN300筋板33010鞍座高度h250190e80底板1420260螺栓间距12602208螺孔/孔长D/l24/4012垫板弧长2330鞍座质量Kg1603.3.2 鞍座位置的确定因为当外伸长度A=0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A不超过0.2L值，为此中国现行标准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。由标准椭圆封头,故 ,鞍座的安装位置如图3.2所示： 图3.2 鞍座示意图 此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB4731还规定当满足A0.2L时，最好使A0.5R m（）,即 , ，取，综上有：(A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长)3.4接管，法兰，垫片和螺栓的选择3.4.1接管和法兰液化石油气储罐应设置排污口，气相平衡口，气相口，出液口，进液口，人孔，液位计口，温度计口，压力表口，安全阀口，排空口。法兰简图如图3.3所示,接管和法兰布置如图3.4所示：图3.3 法兰结构简图图3.4储罐各管口示意图查HG/T 20592-2009钢制管法兰中PN10带颈对焊钢制管法兰(除人孔法兰外)，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸、质量，法兰密封面均采用FM型式。 表3-3：接管和法兰尺寸序号名称公称直径(DN)钢管外径法兰焊端外径（B）法兰外径(D)螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径(L)螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度(C)法兰颈法兰高度H法兰质量NSRa进气口8089200160188M16201053.2106504b人孔5006307807253020M27286607.18129556c出气口8089200160188M16201053.2106504d温度计口202510575144M1218402.364401e压力表口202510575144M1218402.364401f安全阀口100108220180188M16201313.6128524.5k1-2液位计口3238140100184M1218402.364402g排空口5067165125184M1618742.985452.5h排污口5067165125184M1618742.985452.5m进液口8089200160188M16201053.2106504s出液口8089200160188M16201053.21065043.4.2 垫片查HG/T 20592-20635钢制管法兰、垫片、紧固件得：表3-4 垫片尺寸表符号管口名称公称直径内径D1外径D2a进气口8089125b人孔500630675c出气口8089125d温度计口202750e压力表口202750f安全阀口100115149k1-2液位计口324375g排空口506187h排污口5089125m进液口8089125s出液口8089125 注：1：垫片型式为石棉橡胶板。 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3：人孔法兰垫片厚度为3mm，其他法兰垫片厚度为1.5mm。3.4.3 螺栓（螺柱）的选择查HG/T 20592-20635钢制管法兰、垫片、紧固件,得螺柱的长度和平垫圈尺寸：表3-5 螺栓及垫片符号紧固件用平垫圈 mm公称直径螺纹螺柱长ha80M169017303b500M4524067723c80M169017303d20M127513242.5e50M169017303f100M169017303k1-232M168517303g50M169017303h20M127513242.5m80M169017303s80M1690173033.5 人孔的选择根据HG/T 21518-2005，选用公称压力PN4.0MPa,公称直径DN500mm的水平吊盖带颈对焊法兰人孔，密封面为凹凸面（MFM），接管为20号钢，其明细尺寸见下表： 表3-6 人孔尺寸表（单位：mm）密封面型式凹凸面D8906748公称压力1079572螺柱数量20公称直径500380A495螺母数量40237B1150.4螺柱尺寸d595b72L300总质量kg6863.6安全阀的设计3.6.1安全阀最大泄放量的计算一般造成设备超压的原因主要有三种：一是操作故障；二是火灾三是动力故障。根据资料，对于易燃液化气体如液化石油气，在发生火灾时，安全阀的泄放量最大。在火灾情况下，设备吸热，液相迅速汽化，引起设备的压力升高，这种情况下液相的汽化量即为安全阀的泄放量。泄放量决定于火灾时单位时间内传人设备的热量和液体的气化潜热。一般情况下，液化石油气储罐不保温，储罐安全泄放量可按式计算：式中： WS液化石油气储罐的安全泄放量，kgh； q液相液化石油气的蒸发潜热，kJkg；液化石油气的汽化潜热 q=427.1(Kj/kg)( 500C)F系数 储罐在地面上，取F=1Ar储罐的受热面积，m2。对椭圆形封头的卧式储罐，Ar =。以上计算Ar的公式中：D0为储罐外径；l为卧式储罐总长。则3.6.2安全阀喷嘴面积的计算液化石油气储罐安全阀起跳排放出的是气体，其喷嘴面积可按一般气体安全阀喷嘴面积通用公式计算，安全阀的排气能力决定于安全阀的喷嘴面积。即根据安全阀出口压力(背压)的大小不同，安全阀的排气能力应按临界条件和亚临界条件两种状况进行计算：临界条件下 ，亚临界条件下 。式中：安全阀的出口侧压力(绝压)，MPa；安全阀的定压，MPa；安全阀的排放压力(绝压)，MPa；取Pd=Pc=1.92绝热系数，对于液化石油气， 液化石油气储罐安全阀放空气体一般排入火炬系统或直接高空排放，其出口侧压力(背压)P0很小，即P0PdD，所以在有效补强范围。补强圈内径d=600mm补强圈厚度： ，圆整取名义厚度为26mm。第六章 储罐的焊接设计此次设计结构形式为单层的第三类储存压力容器，用来盛装生产用的液化石油气双鞍座卧式储罐。设计压力为2.16Mpa，设计温度为50摄氏度范围内，设备空重约为17000Kg，体积为30立方米，属于中压容器。液化石油气为易燃易爆介质，且有毒，且该储罐必须在有遮阳和水喷淋情况下使用，所以液化石油气卧式储罐是典型的重要焊接结构，焊接接头是其最重要的连接结构，焊接接头的性能会直接影响储存液化石油气的质量和安全。6.1焊接的基本要求1.设备的施工应符合GB150-1998钢制压力容器，验收应接受压力容器安全技术监督规程中的相关规定；2.焊接采用电弧焊，焊条型号，低合金钢之间E5016，碳钢间E4303；3.焊接接头的形式及尺寸按图要求，角焊缝的焊脚高度为较薄件的厚度，法兰的焊接按相应的法兰标准规定，对接接头与角接接头需全焊透，接管焊缝成形表面均应圆滑过渡，不得有裂纹、咬边、及棱角；4.壳体钢板按GB6654-1996压力容器钢板及修改单中正火状态供货，且逐张进行超声检测，质量标准应不低于JB/T4730. 3-2005中规定的II级， 壳体的A类纵向焊接接头制备产品焊接试板，按容规第25条进行材料复验，坡口表面进行100%磁粉检测，并符合JB4730. 4-2005中规定的I级；5.筒体长度小于15m，塔体直线度允差偏差不大于0.5L/10008，12mm，安装垂直度允差为12mm；6.裙座螺栓孔中心圆直径允差以及任意两孔弦长允差均为2mm；7.壳体用钢板轧制，逐张进行-19夏比（V型缺口）冲击试验（横向），三个试样冲击平均值不得低于20J，允许其中一个试样冲击功小于平均值，但不得小于14J；8.钢管应逐根按JB/T4730. 3-2005中I级为合格；9.支座简体与封头的焊接接头必须采用全焊透连续焊，并进行磁粉检测，符合JB/T4730. 4-2005中I级为合格；10.设备压力试验合格后对全部焊缝按JB/T4730.4-2005进行磁粉检测，符合I级为合格，复验焊缝；11.热处理后，设备本体不得再行施焊；12.对储罐中A、B、D类焊接接头进行硬度检测，其硬度应小于等于200HB。检测数量按照每条A、D类焊接接头测一组，每条B类焊接接头每隔120度测一组，每组包括母材、热影响区和焊缝各一处。6.2焊接的工艺设计图6.1 A、B、C、D分别表示焊接接头的形式6.2.2坡口形式由于焊接厚度为18mm，因而需要开坡口，由于厚度比较厚，若开V型坡口的话，产生较大的开口，一方面会浪费较多的焊条，而且焊接费时间，若开U型坡口的话，可以减小开口，而且U型坡口有利于焊剂的流入，同时可以减小焊接应力，减少裂纹的产生，故最终选择U型坡口。6.2.3焊接姿势平焊6.2.4焊接材料的选择 焊条的选用主要考虑焊缝的使用性和施焊的工艺性，配合HIOMnSi等焊丝可焊接低碳钢和某些低合金钢(16Mn)结构。故选择焊剂SJl01，根据焊接丁艺要求，选用焊条J507，并查常用焊丝焊剂表，选用焊丝HlOMnSi，焊剂SJIOI。6.2.5内面焊接焊条电弧焊查相关标准，由被焊工件的厚度选择焊条直径为5mm，确定焊接电流为200-270A，焊接电压选择为22-30V，采用短弧焊接，长度一般为2-6mm。焊接线能量约为qv=18KJ/cm，焊接速度约为18cm/min，平焊，焊接层数4层。6.2.6外面焊接埋弧焊选择焊丝直径为5mm，根据焊接速度要求选择MZ-IOOO型焊机，其他参数同内面焊接参数。6.2.7筒节纵向焊缝焊接工艺由GB150-1998钢制压力容器规定，圆筒部分的纵向接头，球形封头与圆筒连接的环向接头，各类凸形封头中的所有焊接接头以及嵌入式接管，与壳体对接连接的接头均属A类焊接接头。所以，此类焊缝坡口采用机加工坡口，并清除油锈，用碳弧气刨并打磨。焊接的工序为，清理坡口，并进行磁粉检测(MT)；进行装配点焊；内部进行焊条电弧焊；外部清根并打磨，进行MT检测；外部进行埋弧焊；焊后热处理。6.2.8筒节环向焊缝焊接工艺由GB150-1998钢制压力容器规定，壳体部分的环向焊接接头，锥形封头与接管连接的接头等均属于B焊头，已经规定的除外，所以此类焊缝坡口采用机加工坡口，并清除油锈，用碳弧气刨并打磨。焊接的工序为，清理坡口，并进行磁粉检测(MT)；进行装配点焊；内部进行焊条电弧焊；外部清根并打磨，进行MT检测；外部进行埋弧焊；焊后热处理。设计小结本次设计的数据为30立方米2.16MPa液化石油气双鞍座卧式储罐的设计，经过为期两个星期的努力、奋斗，我们顺利完成设计任务。通过本次课程设计，对过程设备特别是卧式储罐有了进一步的了解，对过程设备的设计有了清晰的认识，同时培养了自己的自主学习能力、设计能力、查找资料能力和严谨的科学作风，让自身掌握并巩固压力容器设和过程设备设计基础知识，学会查阅各种化工设计手册和国家、行业标准。本次设计采用常规设计方法，进行强度失效设计准则校核。我们通过对液化石油气成分的理性分析，对储罐使用条件的反复核对，根据国家和行业标准制定设计任务书，确定了30立方米2.16MPa液化石油气双鞍座卧式储罐设计方案。在设计计算过程中，我们根据设计方案，计算筒体厚度、封头厚度、开孔补强面积、补强圈厚度等参数，并计算鞍座、安全阀、人孔等工艺尺寸，确定了各接管法兰、垫片、紧固件，安全阀等其他必备附属零件型号，对筒体、封头等根据强度失效设计准则进行了校核。同时，我还简单分析并设计了储罐的制造过程中的焊接工艺。设计后期，编制设计说明书，进一步优化设计参数和储罐附属零件的选型，提高储罐的安全系数和经济效益，完成了本次设计。设计过程中，我们认真、仔细的查阅相关文献和设计手册，通过与老师和同学之间不断的讨论，我发现，在设计过程中，只要我们能按照标准进行设计和校核，定能使设计成功。此次课程设计，对于设计方案相关参数的计算、相关文献和手册的查阅以及储罐总装配图的绘制，让我印象深刻。设计方案相关参数的计算，我计算了3天有余，不断在探讨和优化方案。在绘制储罐的总装配图时，认真完成了储罐主体、各附属零件、焊接结构简图等，保证了总配图示意明确、清楚，尺寸准确、齐全，图幅干净、整齐。课程设计，我不是第一次做，可这是我又一次认真、仔细的去做。我明白，课程设计不仅能巩固所学理论知。设备零件图、装配图等基本绘图方法等一系列能力，切实让我在本次课程设计