液化石油气储罐毕业设计

机械设计设计说明书第 1 页（共 31 页）目录绪论. .2第一章 设计参数的选择1.1 设计题目. .31.2 原始数据. .31.3 设计压力. .31.4 设计温度. .31.5 主要元件材料的选择. .3第二章 容器的结构设计2.1 圆筒厚度的设计. .42.2 封头壁厚的设计. .42.3 筒体和封头的结构设计. .52.4 人孔的选择. .62.5 接管，法兰，垫片和螺栓（柱）. .62.6 鞍座选型和结构设计. .9第三章 开孔补强设计3.1 补强方法判别 . .113.2 有效补强范围. .113.3 有效补强面积. .123.4 补强面积. .12第四章 强度计算4.1 水压试验校核. .134.2 圆筒轴向弯矩计算. .134.3 圆筒轴向应力计算并校核. .144.4 切向剪应力的计算及校核. .154.5 圆筒周向应力的计算和校核. .164.6 鞍座应力计算并校核. .18机械设计设计说明书4.7 地震引起的地脚螺栓应力. .20附录:参考文献. .22机械设计设计说明书第 3 页（共 31 页）绪论液化石油气贮罐是盛装液化石油气的常用设备, 由于该气体具有易燃易爆的特点, 因此在设计这种贮罐时, 要注意与一般气体贮罐的不同点, 尤其是安全与防火, 还要注意在制造、安装等方面的特点。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 500m 3 或单罐容积大于 200m 3 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, 所以在总贮量小于 500m 3, 单罐容积小于 100m 3 时选用卧式贮罐比较经济。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。本文主要讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐的设计。液化石油气呈液态时的特点。(1) 容积膨胀系数比汽油、煤油以及水等都大 , 约为水的 16 倍, 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;(2) 容重约为水的一半。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. 56 0. 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。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。机械设计设计说明书、 设计基础承受介质静压力作用的密闭容器统称为压力容器。压力容器设计的一般过程为：按用户提供的设计条件图确定压力容器的设计参数，选择合适材料，按相关标准进行结构设计并进行强度校核，最后出具设计图纸，计算文件及说明文件。对一个刚进行压力容器设计人员来说，还应了解以下一些内容。1.1 压力容器标准体系序号 标准号 标准名称1 压力容器安全技术监察规程90 版2 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程3 GB 150 钢制压力容器4 GB 151 管壳式换热器5 GB 12337 钢制球形储罐6 JB/T 4710 钢制塔式容器7 JB/T 4731 钢制卧式容器8 JB 4732 钢制压力容器分析设计标准9 JB/T 4734 铝制焊接容器10 JB/T 4745 钛制焊接容器11 JB/T 4755 铜制压力容器12 JB/T 4756 镍及镍合金制压力容器13 JB/T 4735 钢制焊接常压容器14 GB16749 压力容器波形膨胀节15 JB 4730 压力容器无损检测16 JB 4708 钢制压力容器焊接工艺评定17 JB/T 4709 钢制压力容器焊接规程18 GB 713 锅炉和压力容器用钢板19 GB 3531 低温压力容器用低合金钢板20 JB 4726 压力容器用碳素钢和低合金钢锻件21 JB 4727 低温压力容器用低合金钢锻件22 JB 4728 压力容器用不锈钢锻件23 JB 4733 压力容器用爆炸不锈钢复合钢板24 HG/T 20592 钢制管法兰、垫片、紧固件机械设计设计说明书第 5 页（共 31 页）1.2 参数定义1.2.1 压力：除注明者外，压力均为表压力。1.2.2 工作压力：在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力。1.2.3 设计压力：设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作历力，一般为工作压力的 1.051.1 倍。1.2.4 计算压力：在相应设计温度下，用以确定元件厚度压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于 5%设计压力时，可忽略不计。1.2.5 设计温度：容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值），设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。1.2.6 计算厚度：按各公试计算得到的厚度，需要时，尚应计入其他载荷所需厚度。1.2.7 设计厚度：计算厚度与腐蚀裕量之和。1.2.8 名义厚度：设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。1.2.9 有效厚度：名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。其值小于设计厚度。1.2.10 厚度附加量 C：厚度附加量是钢材厚主负偏差 C1与腐蚀裕量 C2之和。1.2.11 钢材厚度负偏差 C1：钢板或钢管的厚度负偏按钢材标准的规定，当钢材的厚度负偏差不大于 0.25mm，且不超过名义厚度的 6%，负偏差可忽略不计。1.2.12 腐蚀裕量 C2：为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，而预先增加的一个厚度量。以上是产品设计中要重点区分的几个参数，尤其是几个压力的区别，对刚接触压力容器设计的人极易混淆。1.2 压力容器的设计准则和设计标准 1.2.1 设计准则压力容器的设计准则与失效准则是一个问题的两个方面，采用何种设计准则就是采用何种失效准则的问题。设计压力容器时，首先应确定容器的失效准则，然后按失效准则选择强度理论和计算公式，并确定安全系数。在压力和温度作用下丧失了正常的工作能力为失效，失效的最终表现形式为泄漏、过度变形和断裂，所以失效不完全等同于破坏。压力容器失效形式大致可为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效。压力容器的设计准则通常有以下四种：机械设计设计说明书1.2.1.1 弹性失效准则。按照弹性强度理论，当容器上远离边缘地区的相当应力达到屈服时，即为容器承载的极限状态。它规定了屈服极限是容器失效的应力。考虑安全系数后，容器实际应力处在弹性范围内。GB对内压圆筒、内压凸形封头等元件的设计公式都是按弹性失效原理制定的。1.2.1.2 塑性失效准则。该准则认为，容器上某一点达到屈服时，并不会导致容器的失效。只有当整体屈服时，才是容器承载的极限状态。它规定了全屈服压力是容器失效的最高压力。仅从压力容器设计中引入塑性失效准则这一点考虑，选材时应尽量选择塑性较好的材料。对于脆性材料，尽管也是承受弯曲应力，但当器壁表面达到材料屈服强度再继续增加外载荷时，器壁表面不能产生较大的塑性变形而将导致开裂。所以，在设计中应避免使用脆性材料，或采取相应的限制性措施。JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准提供了以塑性失效准则为基础的设计方法。GB150 对平板、整体法兰连接的圆筒颈部等元件的设计或应力计算公式，都是按塑性失效原理制定的。1.2.1.3 弹塑性失效准则。弹塑性失效准则适用于反复加载过程。按照应力分类的概念，当容器边缘地区出现一定量的局部塑性变形时，即为容器承载的极限状态。它考虑到由于边缘应力产生过大的塑性变形时，将会加速疲劳破坏或造成脆性断裂。由于这一失效准则，允许结构有局部的塑性变形存在，且由于应力在结构各处的分布不均匀，局部塑性区为广大弹性区所包围，故称之为弹塑性失效准则。弹塑性准则也不适用于脆性材料。JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准提供了以弹塑性失效准则为基础的设计方法。GB150 对内压锥形封头和圆筒的连接、无折边球形封头对圆筒的连接等的设计公式和图表，都是按弹塑性失效原理制定的。1.2.1.4 疲劳失效准则。该准则认为，容器在交变载荷作用下，当最大交变应力（在循环次数一定时）或循环次数（在最大交变应力一定时）达到疲劳设计曲线的规定值时，即为容器承载的极限状态。当设计规定要求考虎容器的疲劳问题时，除对容器进行强度计算外，还需进行疲劳设计，即进行容器寿命计算。“按分析设计”的容器设计规范化包括疲劳设计方法。由于疲劳设计涉及弹塑性失效准则，所以将疲劳设计列入分析设计体系，应当采用 JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准 ，它在选材、设计、结构、制造、检验等方面都严于按规则设计的 GB150 标准。机械设计设计说明书第 7 页（共 31 页）以上四个设计准则是压力容器设计最常用的几个准则，其它还有断裂失效准则、蠕变失效准则、腐蚀失效准则等，在此不作详细介绍。1.2.2 设计标准GB150-1998钢制压力容器中采用的是弹性失效准则。具体的解题方法：用平面力系解法，按弹性失效准则来判断容器的强度。对于因压力引起的不同应力状态（拉、弯、扭、剪及其组合） ，均采用相同的许用应力值，用调整计算公式中的有关系数的方法体现其差别，如封头、平盖、密封结构等的计算。具体说，对于容器中存在的一次局部薄膜应力、弯曲应力、二次应力以及它们的组合，采用极限分析和安定性分析准则将这些应力控制在与使用经验相吻合的安全水平。在标准中，通过限制无件结构的某些相关尺寸、采用应力增大系数、考虑形状系数等方式将这些局部应力控制在许用范围内。所以在确定技术方案时，特别要注意标准中各章节及其相关内容的“前提条件” 、 “边界条件” 。前面已提到，压力容器设计有两种方法，即规则设计法和分析设计法。前者是基于经验方法的设计，其典型过程是确定设计载荷，选用设计公式，曲线和表格，并对所用材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚度，然后根据规范允许的构造细则及有关设计规则进行制造。GB150-1998钢制压力容器为规则设计，按弹性失效准则应用解析方法进行应力计算，从而简化了设计计算，与 JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准相比具有计算简单、使用方便等特点，故得到广泛应用。在 GB150-1998钢制压力容器与 JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准两个标准的相互覆盖适用范围内，可按经济效益对比和应用配合考虑任选其一。压力容器设计是一门学科，其知识面远不止这些，还需要我们在实际工作中不断学习和应用。从下一章开始我们以液化石油气（丙烷）卧式压力容器的常规设计为例，学习压力容器的设计，其参照标准主要是 TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程 、GB 150钢制压力容器、JB/T 4731钢制卧式容器以及其它相关标准。机械设计设计说明书第一章 设计参数确定及选材1.1、设计课题简介：名称：液化石油气（丙烷）储罐用途：液化石油气储配站1.2、设计参数：按压力容器设计条件图要求，确定以下设计参数：序号 项目 数值 单位 备注1 设计压力 1.77 MPa2 设计温度 50 C。3 公称直径 2000 mm4 公称容积 25 3M5 装量系数 0.96 工作介质 液化石油气（丙烷）7 介质特性 易爆8 其他要求 100%探伤1.3、设计压力：取最高工作压力的 1.1 倍，即 MPaP76.10.1.4、设计温度：设计温度 t 取 50 OC。1.5、主要元件材料的选择：1.5.1 筒体材料的选择：机械设计设计说明书第 9 页（共 31 页）根据 GB 150-1998 表 4-1，选用筒体材料为 16MnR(钢材标准： GB 6654） 。1.5.2 鞍座材料的选择： 根据 JB/T 4731,鞍座选用材料为 Q235-B，其许用应力 189saMP1.5.3 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 bta第二章 容器的结构设计2.1、圆筒厚度的设计该容器需 100%探伤，所以取其焊接系数为 1.0。假设圆筒的厚度在 616mm 范围内，查 GB150-1998 中表 4-1，可得：疲劳极限强度 510bMPa，屈服极限强度 345sMPa， 0C。 下 t189MPa利用中径公式， itPD.7209.12891.7-ma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