课程设计说明书9200m3立式储油罐结构设计.doc

课程设计任务书课程设计任务书 设计题目9200m3立式储油罐结构设计 技术参数：技术参数：直径 31400mm 长度 12000mm 材质 16MnDR 壁厚 9mm,11mm,12.32mm 设计任务：设计任务： 1.写出该结构的几种设计方案 2.强度计算及尺寸选择 3.绘制结构设计图 4.撰写主要工艺过程 5.撰写设计说明书 工作计划与进度安排：工作计划与进度安排： 1查阅资料 2 天 2设计计算并撰写设计说明书 5 天 3上机绘图 4 天 4答辩 1 天 指导教师（签字）： 年 月 日 专业负责人（签字）： 年 月 日 学院院长（签字）： 年 月 日 1 储罐及其发展概况 油品和各种液体化学品的储存设备储罐是石油化工装置和储运系统设施的重 要组成部分。由于大型储罐的容积大、使用寿命长。热设计规范制造的费用低，还 节约材料。 20 世纪 70 年代以来，内浮顶储油罐和大型浮顶油罐发展较快。第一个发展油罐 内部覆盖层的施法国。1955 年美国也开始建造此种类型的储罐。1962 年美国德士古 公司就开始使用带盖浮顶罐，并在纽瓦克建有世界上最大直径为 187ft（61.6mm）的 带盖浮顶罐。至 1972 年美国已建造了 600 多个内浮顶罐。 1978 年国内 3000m3 铝浮盘投入使用，通过测试蒸发损耗标定，收到显著效果。 近 20 年也相继出现各种形式和结构的内浮盘或覆盖物1。 世界技术先进的国家，都备有较齐全的储罐计算机专用程序，对储罐作静态分 析和动态分析，同时对储罐的重要理论问题，如大型储罐 T 形焊缝部位的疲劳分析， 大型储罐基础的静态和动态特性分析，抗震分析等，以试验分析为基础深入研究， 通过试验取得大量数据，验证了理论的准确性，从而使研究具有使用价值。 近几十年来，发展了各种形式的储罐，尤其是在石油化工生产中大量采用大型 的薄壁压力容器。它易于制造，又便于在内部装设工艺附件，并便于工作介质在内 部相互作用等。 2 设计方案 2.1 选择设计方法 2.1.1 正装法 此种方法的特点是指把钢板从罐底部一直到顶部逐块安装起来，它在浮顶罐的 施工安装中用得较多，即所谓充水正装法，它的安装顺序是在罐低及二层圈板安装 后，开始在罐内安装浮顶，临时的支撑腿，为了加强排水，罐顶中心要比周边浮筒 低，浮顶安装完以后，装上水除去支撑腿，浮顶即作为安装操作平台，每安装一层 后，将上升到上一层工作面，继续进行安装。 2.1.2 倒装法 先从罐顶开始从上往下安装，将罐顶和上层罐圈在地面上安装，焊好以后将第 二圈板围在第一罐圈的外围，以第一罐圈为胎具，对中点焊成圆圈后，将第一罐圈 及罐顶盖部分整体吊至第一、二罐圈相搭接的位置，停于点焊，然后在焊死环焊缝。 用同样的方法把下面的部分依次点焊环焊，直到罐底板的角接焊死即成。 2.1.3 卷装法 将罐体先预制成整幅钢板，然后用胎具将其卷筒，在运至储罐基础上，将其卷 筒竖起来，展成罐体装上顶盖封闭安装而建成。 见几种：护坡式基础、环墙式基础、外环墙式基础、特殊构造的基础。 根据比较选用，护坡式基础2。 2.2 尺寸的选择 根据经济尺寸计算，,DH 8 3 ,，H D V 4 2 3 9200mVmmH12000mmD31400 体形系数为，符合要求38.0 D H 2.3 材料的选择 根据 GB50341-2003_立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范.来选取 （1） 罐壁：钢板 16MnDR，尺寸为 300020000mm,GB6654，在热轧正火下使 用，公称板厚为 616mm，温度-20 时的许用板厚为 34mm,许用应力为 163MPa，C 0 MPaMP320a490 sb ， （3） 锻件：16Mn，JB4726，在正火或回火加正火下使用，公称板厚为 300mm，温度 P0，所以在罐壁上不需要设置加强圈。故满足要求。 3.3.3 液面晃动波高计算 罐内液面晃动波高 ； ；RhV 21 W T08 . 0 85 . 1 2 式中非浮顶影响系数，取 1.0； 1 阻尼修正系数，当大于 10s 时，取=1.05； 2 W T 2 地震影响系数，取 0.23； sscth D H cth g D T W W 1055.7 4.31 1268.3 8.968.3 4.31 14.32) 68.3 ( 68.3 2 故取=1.85-0.08=1.85-0.087.55=1.25； 2 W T mhV51.47.1523.025.11 3.3 罐壁结构 3.3.1 截面与连接形式 罐壁的纵截面由若干个壁板组成，其形状为从下至上逐级减薄的阶梯形，一般 上壁板的厚度不超过下壁板的厚度，各壁板的厚度由计算可得，按标准规范， 16MnDR 的最小厚度为 6mm，为由于该罐壁是不等壁厚度的且较厚，因此各板之间采 用对接，这样可以减轻自重。 罐壁的下部通过内外角焊缝与罐底的边缘板相连，上部有一圈包边角钢，这样 既可以增加焊缝的强度，还可以增加罐壁的刚性。 在液压作用下，罐壁中的纵向应力是占控制地位的。即罐壁的流度实际上是罐 壁的纵焊缝所决定的。因而壁板的纵向焊接接头应采用全焊透的对接型。 为减少焊接影响和变形，相邻两壁板的纵向焊接接头宜向同一方向逐圈错开 1/3 板长，焊缝最小间距不小于 1000mm。底圈壁板的纵向焊接接头与罐底边缘板对接焊 缝接头之间的距离不得小于 300mm。罐壁的环向焊接接头形式较多，主要为对接。 底层壁板与罐底边缘板之间的连接应采用两侧连续角焊。在地震设防烈度不大 于 7 度的地区建罐，底层壁板与边缘壁板之间的连接应采用如图的焊接形式，且角 焊接头应圆滑过渡，而在地震小于 7 度的地区可取 K2=K13 。 图 3.4 底层壁板与边缘板的焊接 3.3.2 壁板宽度 壁板宽度越小，材料就越省。但环向接头数就越多，增加安装工作量。我国一 般取壁板宽度不小于 1600mm。根据 GB709-2006 选择 B 类，板宽 3000mm，长度 20m。 4 罐底设计 4.1 罐底的应力计算 中幅板的薄膜力 （4.1） 0 1 1 0 2 10 )1 ( 2 2 Rt LM N 罐壁与边缘板之间的约束弯矩 （4.2） 3 1 0 1 1 1 0 1 1 0 2 1 4 1 33 1 0 )( 40 17 )1 ( 2 11 ) 1 )1 ( 2 2 ( 4 )( 240 11 t l Rt Rt L l t M 式中 t边缘板厚, 8（mm） ； 罐壁第一圈壁板特征系数，； 1 4 2 1 2 2 1 )1 (3 R 泊松比，0.3； R储罐半径，15.7m； 储罐第一圈厚度，12.32mm； 1 中幅板的平均厚度，6mm； 0 t 底板上的液压高度，12m； 0 L P作用在罐底上的储液压力，P= ； 0 gL 储液密度，720Kg/m3 ； L边缘板受弯宽度，30.00m； D边缘板弯曲刚度； )1 (12 2 3 Et D 罐壁边缘板特征系数，； 4 22 2) 1 (3 tR ；PaP84672128.972017600 )3.01(12 10100010192 2 99 D ；63.3 008.07.15 )3.01(3 4 22 2 92.2 1232.7.15 )3.01(3 4 22 2 1 oo mN M /1027.1 ) 8 32.12 ( 40 3017 006.07.15 1032.12 92.22 1 92.2 1 1 006.07.15 )7.01032.12( 92.22 1292.22 92.24 3.0 3084672) 8 32.12 ( 240 11 7 3 3- 3- 2 4 33 0 NN 8 3 3 27 1039.3 1067.15 7.01032.12 92.22 123.092.21027.12 PaP 5 2 7 2 1035.1) 30 1027.12 84632( 5 12 边缘板上表面的径向应力分布为 （4.3）边缘板 2 6 tt N x x 上表面的环向应力分布为 （4.4） 2 6 t M t N x y 式中-边缘板受弯区域内任一点的弯矩 如图 4.3 所示的力的平衡关系 x 图 4.3 力的平衡关系图 再分别求出及的弯矩 Mx 2 0 l x lx l 2 2 ) 3 ( 5 2 2 0 0 px Mx l M pl) 2 0( l x 2 2 02 2 03 2 0 )4 2 ( 5 1 )12 2 17 ( 5 1 ) 2 ( 5 8 l l Mp plx l M px l Mp l x ) 2 (lx l 当 x=0 时 mNMM ox /1002 . 2 7 当 x=时 2 l mNM x /4160000 2 30 2 84672 1027.115 30 1027.13 3084612 5 2 2 7 2 7 当时 lx 0 x M 所以当 x=时，有最大值且0 x MmNM x /1027.1 7 所以MPaMPa sx 690218.41 8 1017.16 8 1039.3 2 78 MPaMPa sy 690202.42 8 1017.13.06 8 1039.3 2 78 故均为安全 5 罐顶设计 5.1 拱顶结构及主要的几何尺寸 拱顶罐是目前立式圆柱形储罐中使用最广泛的一种罐顶形式，拱形的主体是球体， 它本身是重要的结构，储罐没有衍架和立柱，结构简单，刚性好，承压能力强。 球面由中小盖板瓜皮板组成，瓜皮板一般做成偶数，对称安排，板与板之间相 互搭接，搭接宽度不小于 5 倍板厚，且不小于 25mm 实际搭接宽度多采用 40mm 罐顶 的外侧采用连接焊，内侧间断焊，中心盖板搭在瓜皮板上，搭接宽度一般取 50mm， 顶板的厚度为 46mm。用包边角钢连接的拱顶只有一个曲率，所以又称球顶。这种 结构形式在拱顶与罐壁的连接处， （即拱脚）边缘应力较大，为防止油罐破坏装油高 度不宜超过拱脚，即拱顶部分不能装油，但球顶罐制作方便，因而得到较广泛的应 用。 （1） 拱顶的球面半径一般取 Rn=0.81.2D 式中 D-储罐直径，31.4m； 取 Rn=1.0D=31400mm 按表 5-2，顶板厚度为 5mm，带肋 （2） 0 、 、D2 、a、b、根据图可知，有 sin 0 = 0 =30 2 1 2 Rn D sin= Rn D 2 2 式中 D2 -中小孔直径，查表得 D2 =2000mm sin 0 = 0 =0.92 a-取 25mm b-取 30 mm 016.0 314002 1000 5.2 扇形顶板尺寸 扇形顶板块数 n 最好为偶数，选择 n=20，扇形顶板小头的弧长 CD 不得小于 180 mm， 则瓜边板的展开式状。 R1=Rtg =31400tg30=18128mm a 0 R2=Rtg=31400tg0.92 =504.23mm =mm40 1 n D BA 496640 20 )4031400( mm n D DC08.19740 20 100014.3 40 2 mm73.159032592.030 180 314003.14 a 180 0 n 1 R L mm5.4950 180 18128102 20404031400 sin181282 180 n2 40n sin2 1 1 12 R D RL mm85.195 14.3 180 23.504202 4020100014.3 sin23.5042 180 n2 40n sin2 2 2 23 R D RL 5.3 包边角钢 （1）包边角钢与罐顶板之间采用连接较弱，仅需在外侧采用单面连续焊，以保 证储罐的密封，焊脚高度不宜大于顶板厚度的 3/4，且不大于 4mm。 （2）根据 SH3046 规定储罐所应采用最小包边角钢见表 5.11。 表 5.1 包边角钢最小尺寸 储罐内径 D1 包边角钢最小尺寸，mmm 2089，故需要开孔补强。 补强设计： 对筒体上接管为 6008 的开孔进行补强 补强设计方法：单孔补强 开孔处壳体材料类型：板材 壳体材料：16Mn 壳体材料在设计温度下的许用应力： 230Mpa 内径：28000mm 接管腐蚀裕量：1mm 接管厚度负偏差：0.3mm 接管材料：16Mn 接管材料在设计温度下的许用应力：230Mpa 接管材料在常温下的许用应力：230Mpa 接管焊接接头系数：1 补强结构：无补强结构 接管和壳体连接结构形式：镶嵌式接管 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 开孔直径 d=d0+2Ct= 602.6mm mm D d i 16200 2 32400 2 补强区有效宽度 B=2d=2602.6=1205.2mm 接管材料强度削弱系数 fr ：1.0 接效外伸长度 h1=minmm 1 . 87, 6 . 12 6 . 602接管实际外伸高度 nt d 管效内伸长度 h2=minmmd nt 0, 6 . 12 6 . 602接管实际内伸高度 根据外压圆筒稳定性计算方法，计算得到圆筒和接管的计算厚度,接管的有效厚分别 为 d=602.6mm 和11mm, c t ic p DKp 2 1 mmCt ntet 3 . 113 . 16 .12 开孔削弱所需的补强面积 A=0.5d+2e(1- fr)=3314 mm 壳体多余金属面积 A1=(B-d)(e-)-2et(e-)(1- fr)=964 mm 接管多余金属面积 A2=2h1(et-)-2h2(et-C2)fr=278 mm 补强区内的焊接面积 A3 :6x6=36 mm(焊角取 6mm) Ae=A1+A2+A3=1278 mm 需要另加补强面积 A4=A-Ae=2036 mm 采用补强圈补强，选用标准补强圈（ JB/T4736-2002）,外径 980mm,则补强圈计 算厚度为 2036/(980-600)=5.35mm 取整为 6mm 6.2 通气孔 用于贮存不易挥发介质的固定顶储罐上在储罐顶部靠近罐顶中心处安装，起呼 吸作用。 表 6.3 通气孔规格 尺寸（mm） 规格dDD1d1EHn 200ND215280315185503248 通气孔的补强计算： 对筒体上接管为 2008 的开孔进行补强 补强设计方法：单孔补强 开孔处壳体材料类型：板材 壳体材料：16Mn 壳体材料在设计温度下的许用应力： 230(MPa) 内径：28000)(mm 接管腐蚀裕量： 1)(mm 接管厚度负偏差： 0.3)(mm 接管材料：16Mn 接管材料在设计温度下的许用应力： 230(MPa) 接管材料在常温下的许用应力： 230(MPa) 接管焊接接头系数： 1 接管和壳体连接结构形式：镶嵌式接管 计算方法 GB150-1998 等面积补强法 ,单孔 开孔直径 d=d0+2Ct= 202.6)(mm 14000 2 28000 2 i D d)(mm 补强区有效宽度 B=2d=2202.6=405.2)(mm 接管材料强度削弱系数 fr ：1 接效外伸长度 h1=min 3 . 49,12 6 . 202接管实际外伸高度 nt d)(mm 管效内伸长度 h2=min0,12 6 . 202接管实际内伸高度 nt d)(mm 根据外压圆筒稳定性计算方法，计算得到圆筒和接管的计算厚度,接管为 d=202.6和10,mm c t ic p DKp 2 1 )(mm 7 . 103 . 112 tntet C)(mm 开孔削弱所需的补强面积 A=0.5d+2e(1- fr)=1114 )( 2 mm 壳体多余金属面积 A1=(B-d)(e-)-2et(e-)(1- fr)=202 )( 2 mm 接管多余金属面积 A2=2h1(et-)-2h2(et-C2)fr=69)( 2 mm 补强区内的焊接面积 A3 :6x6=36 (焊角取 6)( 2 mm)(mm Ae=A1+A2+A3=307)( 2 mm 需要另加补强面积 A4=A-Ae=807)( 2 mm 采用补强圈补强，选用标准补强圈（ JB/T4736-2002）,外径 400,则补强圈)(mm 计算厚度为 807/(400-200)=4)(mm 6.3 贮罐进出液口 进液口开在罐顶，据罐壁 750,孔径取为 300，罐侧壁中心线距底)(mm)(mm 350，出液口开在罐壁第一圈的位置，距罐底 350,孔径取为 300)(mm)(mm)(mm 补强计算： 对筒体上接管为 3008 的开孔进行补强 补强设计方法：单孔补强 开孔处壳体材料类型：板材 壳体材料：16Mn 壳体材料在设计温度下的许用应力： 230 (MPa) 内径：28000)(mm 接管腐蚀裕量： 1)(mm 接管厚度负偏差： 0.3)(mm 接管材料：16Mn 接管材料在设计温度下的许用应力： 230 (MPa) 接管材料在常温下的许用应力： 230(MPa) 接管焊接接头系数： 1 接管和壳体连接结构形式：镶嵌式接管 计算方法:GB150-1998 等面积补强法 ,单孔 开孔直径 d=d0+2Ct= 302.6)(mm 14000 2 28000 2 i D d)(mm 补强区有效宽度 B=2d=2302.6=605.2)(mm 接管材料强度削弱系数 fr ：1 接效外伸长度 h1=min60,12 6 . 302接管实际外伸高度 nt d)(mm 管效内伸长度 h2=min0,126 .302接管实际内伸高度 nt d)(mm 根据外压圆筒稳定性计算方法，计算得到圆筒和接管的计算厚度,接管的有效厚 分别为 d=302.6和10,mm c t ic p DKp 2 1 )(mm 7 . 103 . 112 tntet C)(mm 开孔削弱所需的补强面积 A=0.5d+2e(1- fr)=1513)( 2 mm 壳体多余金属面积 A1=(B-d)(e-)-2et(e-)(1- fr)=302)( 2 mm 接管多余金属面积 A2=2h1(et-)-2h2(et-C2)fr=84)( 2 mm 补强区内的焊接面积 A3 :6x6=36 (焊角取 6)( 2 mm)(mm Ae=A1+A2+A3=422)( 2 mm 需要另加补强面积 A4=A-Ae=1091)( 2 mm 采用补强圈补强，选用标准补强圈（ JB/T4736-2002）,外径 400,则补)(mm 强圈计算厚度为 1091/(400-300)=10.91 取整为 11)(mm)(mm 6.4 法兰和垫片 6.3 接管和法兰尺寸 (mm) 法兰颈名称公称 直径 DN 钢管外 径法兰 焊端外 径 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 N SHR 法兰 高度 H 法 兰 质 量 出液口300325B4454002212M20263427.116106818 进液口300325B4454002212M20263427.116106818 排空口200219B 340 295 22 8 M20 24 234 6.3 16 8 44 10.6 液位计 口 3238B140100184M1618562.665422 安全阀 口 8089B200160188M16201103.2106524.2 注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为 GB/T 3880，代号为 L3。 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3：垫片厚度均为 3。)(mm 查 HG/T 20609-2009钢制管法兰用金属包覆垫片 ，得： 6.4 垫片尺寸表 )(mm 管口名称 公称直径 内径 D1 外径 D2 出液口 300 370 400 进液口 300 370 400 排空口 200 260 284 液位计口 32 60 82 安全阀口 80 120 142 6.5 液面计 6.5 液面计类型和适用范围 类型 适用范围 选用标准 玻璃管式液面计 PN1.6MPa，介质流动性较好，t=0200 HG/T21592-C 0 1995 6.6 盘梯 由于容器高度较高，需设盘梯。 6.76.7 螺栓（螺柱）的选择螺栓（螺柱）的选择 据 HG/T20613-2009钢制法兰用紧固件查得螺栓（螺柱）尺寸，见下表 表五： 表表 6 螺栓及垫片螺栓及垫片 公称直径螺纹螺柱长 出液口 300M2090 进液口 300M2090 排空口 200M2085 液位计口 32M1665 安全阀口 80M1670 7 焊接结构设计 7.1 焊缝的布置 焊缝布置原则：1 焊缝位置应尽量对称，尽量分散 2 焊缝应尽量避开应力集中和最大应力位置 3 焊缝应避开机械加工面 4 焊缝要能够焊接、便于焊接、并能保证质量 5 焊缝的布置还应照顾到其他工序的方便与安全 罐壁焊缝的布置： 每块钢板的规格为 300050000mm，罐的直径为 31.4m，高度为 12.00m，罐的 周长为 98.60m，所以可根据板长条件设计纵焊缝的数量，2 条环焊缝，为减少焊接 影响和变形，相邻两壁板的纵向焊缝宜向同一方向逐圈错开 1/3 板长，焊缝最小间 距不小于 1000mm。 罐底的焊缝布置： 罐底的中幅板大部分是用整块钢板拼接而成。四周与罐壁圈相连接 的一圈为边缘板。中幅板钢板与钢板之间绝大部分是搭接焊缝，只是直接处在罐底 圈板下的一部分为对接焊缝，边缘板与壁板之间为丁字接头，里外圈都为环焊缝。 其中短焊缝之间要错开 200300mm。 罐顶的焊缝布置： 罐顶由中心板和扇形板组成。中心直径为 2000mm，可用一块钢板切成。 每一块扇形由两块钢板焊成纵焊缝，扇形板与扇形板之间也是纵焊缝，扇形板与中 心板之间焊成环焊缝，与边缘板之间也是环焊缝焊接。 7.2 焊接方法 表 7.1 焊接材料选用表 焊接方法焊条/焊丝焊剂 埋弧焊H08A,H08Mn