60M3液化石油气储罐设计 课程设计.doc

中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 董龙 学 号： 0902034147 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 60m3液化石油气储罐设计 陆辉山 闫宏伟 高 强指导教师： 职称: 2012年06月11日 中北大学课程设计任务书 2011/2012 学年第 二 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 董龙 学 号： 0902034147 课程设计题目： 60m3液化石油气储罐设计 起 迄 日 期： 06 月 11 日06月 22日 课程设计地点： 校内 指 导 教 师： 陆辉山 闫宏伟 高强 系 主 任： 姚竹亭 下达任务书日期: 2012年06月11日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1) 使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。2) 掌握查阅、综合分析文献资料的能力，进行设计方法和方案的可行性研究和论证。3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。4) 掌握工程图纸的计算机绘图。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1 原始数据设计条件表序号项 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最高工作压力mpa由介质温度确定4工作温度-20485公称容积（vg）10/20/25/40/50m36工作压力波动情况可不考虑7装量系数(v)0.98工作介质液化石油气（易燃）9使用地点室外10安装与地基要求储罐底壁坡度0.010.0211其它要求管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称液位计接口放气管人 孔安全阀接口排污管液相出口管液相回流管液相进口管气相管压力表接口温度计接口课 程 设 计 任 务 书2设计内容1）设备工艺、结构设计；2）设备强度计算与校核；3）技术条件编制；4）绘制设备总装配图；5）编制设计说明书。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1）设计说明书：主要内容包括：封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等； 2）总装配图设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 国家质量技术监督局，gb150-1998钢制压力容器，中国标准出版社，19982 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，19993 全国化工设备设计技术中心站，化工设备图样技术要求，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，化学工业出版社，20015 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社，20026 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，19967 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社，2003年5设计成果形式及要求：1）完成课程设计说明书一份； 2）草图一张（a1图纸一张）3）总装配图一张 (a1图纸一张)； 6工作计划及进度：2012年06月11日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 06月11日06月15日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制06月15日06月20日：设计图纸绘制（草图和装配图）06月20日06月22日：撰写设计说明书06月22日：答辩及成绩评定系主任审查意见： 签字： 年 月 日前言压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。本次课程设计目的主要是使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程；掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证；掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用；掌握工程图纸的计算机绘图。目 录封面1 封面2 设计任务书3前言 6目录7第一章、工艺设计81.压力容器存储量82.压力计算9第二章、机械设计 91、结构设计9 、筒体和封头的设计9 、接管与接管法兰设计11 、人孔、补强、液面计及安全阀的设计15 、鞍座的设计18 、焊接头设计20第三章、强度计算校核 21 1、内压圆筒校核212、 左封头计算校核 243、 右封头计算校核 25 4、鞍座校核 265、各种接口补强校核 35参考资料36设计感想37第一章、工艺设计1、盛装液化石油气的压力容器设计存储量 w=v式中， 装载系数=0.90 压力容器容积v=60m3 设计温度下饱和液体密度石油气 水=1000 kg/m3 ，故取介质密度=1000 kg/m3 则 ：存储量w=60m31000 kg/m30.9=54000kg 工作温度为 -2048 则取设计温度为5022、设计压力 该储罐用于液化石油气储配供气站，因此属于常温压力储存。工作压力为相应温度下的饱和蒸气压。因此，不需要设保温层。根据道尔顿分压定律，我们不难计算出各种温度下液化石油气中各种成分的饱和蒸气分压，如表：表1-3各种成分在相应温度下的饱和蒸气分压温度, 饱和蒸气分压, mpa异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戍烷正戍烷乙烯-2500.0290.09460.0140.00880.000950.0000830-2000.0310.1270.01760.01050.001140.0001090000.0530.22040.03590.02240.001290.00025602000.0840.3940.0690.0450.002880.0006305000.1580.08250.15730.10980.007580.00190有上述分压可计算再设计温度t=50时，总的高和蒸汽压力p=0.01%0+2.25%7+47.3%1.744+23.48%0.67+21.96%0.5+3.79%0.2+1.19%0.16+0.02%0.0011=1.25901 mpa因为：p异丁烷（0.2）p液化气(1.25901)3 符合要求.则v计=v筒+2v封= l/4+2v封=63.4 m3 v =v=57.07m当量静液压 l =l+4h/3=11.053m (h=715mm, l=10100mm)0根据设计为卧式储罐，所以储存液体最大高度h maxd=10100mm。=497.11kg/m3 取=500kg/m3静液压：pmax=gh maxgd=5009.810.1=0.049mpap=（1.744-0.1）1.1=1.8084mpa p5%=0.09mpa p 则p可以忽略.2.1.2、圆筒厚度计算1根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性，存放温度为-2048，最高工作压力等条件，由jb 7421-2005选用q345r为筒体材料，适用温度为-20250。根据gb150，初选厚度为625mm，最低冲击试验温度为-20，热轧处理。根据gb150查得q345r钢在厚度为316mm，使用温度为-2048时的许用应力=189mpa 。；对于q345r，钢板负偏差c1=0.3mm，腐蚀裕量由过程设备设计查得：c2=2mm,则壁厚附加量c=0.3+2=2.3mm.把上式已知数据代入下式，得：=mm根据钢板厚度规格，取=18mm在316mm范围之外，故取q345r钢在厚度为1636mm，=185mpa= mm根据钢板厚度规格，取=18mm 水压实验强度校核：规定的实验压力由化工设备机械基础表14-7可知，=1.25p=1.251.9184=2.398mpa水压实验时的应力=203.53mpaq345r钢制容器在常温水压实验时许可应力因为，故筒体厚度满足水压实验时强度要求。2.1.3椭圆封头厚度的设计： 为了得到良好的焊接工艺，封头材料的选择同筒体设计。 = =14.07 mm同理，选取c2=2 mm ，c1=0.3 mm 。 n=+c1+c2+=14.04+0.3+2+=18mm 跟筒体一样，选择厚度为17mm的q345r为材料冲压成型。 e=18-0.3-2=15.7 mm2.2、接管及接管法兰的设计2.2.1法兰公称压力取p=2.5mpa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。接管和法兰布置如图3所示，法兰简图如图所示：查hg/t 20592-2009钢制管法兰中表8.2 3-1 pn10带颈平焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。查hg/t 20592-2009钢制管法兰中附录d中表d-3,得各法兰的质量。查hg/t 20592-2009钢制管法兰中表3.2.2，法兰的密封面均采用mfm（凹凸面密封）。表2：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nsa排污口8089b200160188m16241186404.86b气相平衡口8089b200160188m16241186404.86c气相口8089b200160188m16241186404.86d出液口8089b200160188m16241186404.86e进液口8089b200160188m16241186404.86f人孔500530b7306603620m3344580129081.4g1-2液位计口3257b165125184m1618845343.08h温度计口2089b200160188m16241186404.86m压力表口2089b200160188m16241186404.86n安全阀口80108b235190228m20241456446.91s排空口8089b200160188m16241186404.86表3管子尺寸序号名称公称直径管子外径数量管口伸出量管子壁厚管子理论厚度mma排污口80891120814.16b气相平衡口80891120814.16c气相口80891120814.16d出液口80891120814.16e进液口80891120814.16f人孔500530135012153.3g1-2液位计口3238215083.55h温度计口2025112031.63m压力表口2025112031.63n安全阀口80892120814.16s排空口5057112086.412.2.2、 垫片 查化工工艺手册（下），表26-11，法兰、垫片、紧固件的选配（欧洲体系），根据设计压力为pc=1.9184mpa，采用金属包覆垫片，选择法兰的密封面均采用mfm（凹凸面密封）。紧固件型式选六角螺栓。查hg/t 20609-2009 钢制管法兰用金属包覆垫片。包覆金属材料为纯铝板l3，标准为gb/t 3880，最高工作温度200，最大硬度40hb。填充材料为非石棉纤维橡胶板，代号为nas，最高工作温度为290。查hg/t 20609-2009钢制管法兰用金属包覆垫片，得：表4 垫片尺寸表符号管口名称公称直径内径d1外径d2a排污口80120142b气相平衡口80120142c气相口80120142d出液口80120142e进液口80120142f人孔500580624g1-2液位计口3285107h温度计口80120142m压力表口20120142n安全阀口80145168s排空口80120142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3mm。2.2.3、 螺栓（螺柱）的选择查hg/t 20613-2009 钢制管法兰用紧固件中表5.0.7-9和附录中表a.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸： 表5 螺栓及垫片紧固件用平垫圈 mm公称直径螺纹螺柱长度数量n个ha80m1685417303b80m1685417303c80m1685417303d80m1685417303e80m1685417303f500m201202025444g1-250m1270417303h80m1685417303m80m1685417303n100m1685817304s80m16854173032.2.4人孔的选择根据hg/t 21518-2005回转盖板式平焊法兰人孔 查表3-1，选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见下表： 表6 人孔尺寸表 单位：mm密封面型式凹凸面mfmd7304348公称压力pn mpa2.566048螺柱数量20公称直径dn500350a415螺母数量40213b200螺柱尺寸d506b44l300总质量kg3202.3、开孔补强：2.3.1、强设计方法判别2.3.1.1、按hg/t 21518-2005,选用回转盖带颈平焊法兰人孔，设：厚度附加量c=2mm开孔直径d=di+2c=500+22=504 mmddi2=2700/2=1350mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用q345r号钢，其许用应力t=183mpa根据gb150-1998中，其中：壳体开孔处的计算厚度14.07mm根据hg21524-2005，表3-3得 nt=12mm接管的有效厚度接管材料选用q345r，其许用应力t=185 mpa强度削弱系数fr=nt/r=185/185=1所以开孔所需补强面积为a=50414.07=7091.28 mm22.3.1.2、补强范围补强有效宽度b的确定：按gb150中有：b1=2d=2504=1008 mmb2=d+2n+2nt=502+212+212=560 mmb=max（b1 ， b2）=1008 mm有效高度的确定外侧有效高度的确定根据gb150中式8-8，得：h1=92.4 mmh1=min（h1 ，h2”）=92.4 mm2.3.1.3、侧有效高度的确定根据gb150-1998中式8-9，得：h2=92.4 mmh2=02.3.1.4有效补强面积根据gb150中式8-10 式8-13，分别计算如下：ae=a1+a2+a32.3.1.5、筒体多余面积a1=(b-d)( e-)-2et(e-)=(1008-504)(15-14.07)-29.7（15-14.07）=450.678mm2 2.3.1.6、管的多余面积接管厚度：, a2=2h1( et-t)fr-2h2 (et-c2) fr=292.4（9.7-2.6）1-0=1312.08mm2焊缝金属截面积焊角取6.0mm2.3.1.7、补强面积ae=a1+a2+a3=450.678+1312.08+36=1798.758mm2因为aea=7076.16 mm2，所以开孔需另行补强a4= a ae=7091.28 -1798.758=5292.522mm2补强圈设计：根据jb4736-2002表一，dn500取补强圈外径d=840mm。因为bd，所以在有效补强范围。补强圈内径d=530mm补强圈厚度：=a4(d-d)=5292.522/（840-530）=17.07mm圆整取名义厚度为18mm根据gb-150，jb/t4736-2002，补强圈焊接形式d型， d1=d0+(612)。表7 补强圈补强及附件的选择接管公称直径dn/mm外径d2内径d1厚度（）重量（kg）5008405301846.72.3.2、支座结构设计：2.3.2.1、采用鞍式b型支座 鞍座的设计：筒体质量：m1 =dl=3.142.710.10.0187850=12099.208kg封头质量m2：根据jbt4746-2002， m2 =1163.1kg容器容积：v=v封头+v筒体=22.8055+2.7210.1/4=63.4m3水重：m3=63.41000=63400kg附件质量：m4人孔质量320kg， 开孔补强质量46.7kg，进出料管口质量4.862kg，两个液面计3.082kg，安全阀质量：6.91kg，排污管质量4.86kgm4=320+46.7+4.862+3.082+6.91+4.86=394.35kg所有设备总质量：m=m1+m22+m3+m42=78614.108kgg=mg=770418.258nq=g/2=770418.258/2=385209.129n=385.2091kn根据jbt4712.1-4712.4-2007容器支座中表1有：公称直径（mm）：21004000选取重型，焊制为bi,包角为120，有垫板的鞍座。查jb4712.1-2007表6得鞍座结构尺寸如下表3：表8：鞍式支座结构尺寸公称直径dn2800腹板10垫板610允许载荷q/kn1985筋板32012鞍座高度h250268e120底板2040360螺栓间距180030014鞍座质量kgm52818垫板弧长3260 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，得h=h-di4=715-675=40 mm故a0.2(l+2h)=0.2(10100+240)=2036mm2.3.2.2、鞍座的安装位置如图3所示：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，jb 4731还规定当满足a0.2l时，最好使a0.5r m（）,即 ra=di2+n2=1359mma0.5r a=0.51359=679.5 取a=670mm综上有a=670mm (a为封头切线至鞍座支座中心线间的距离，l为筒体和两封头的总长)2.4其他附件的设计2.4.1、液面计的设计储罐总高h=h+d=250+2700=29503000m，容器盛装液化石油气，物料没有结晶等易堵塞固体，所以选用玻璃管式液面计。液面计通过法兰与设备连接在一起。8.2 安全阀的设计 由操作压力p=1.9184mpa，工作温度为-2048，盛放介质为液化石油气体。选择安全阀的公称压力pn=25kg/cm2，最高工温度为150，材料为可锻铸件的弹簧微启式安全阀，型号为a41h-25。公称直径dn=80mm。2.4.2、焊接接头的设计2.4.2.1、焊接接头的设计为保证焊接质量，易于检查。筒体上的所有焊缝及环向接头、封头上的拼接接头，都采用对接焊。对于人孔和筒体的焊接部位，因为两板厚度差大于3m，必须进行削薄加工，以使两侧面厚度基本相等。采用x型对接接头和手工电弧焊,如图：对于人孔、补强圈与壳体的接头选用b类接头形式，如图：2.4.2.2 、焊接方法与材料 对于一般的压力容器焊接，方法均为手工电弧焊。焊接材料为焊条。筒体和接管间的焊接属于低碳钢和低合金钢之间的焊接。应选用强度较低的钢材等强度的焊条焊接。焊条类型：e5018 铁粉低氢钾型第三章 校核钢制卧式容器计算单位压力容器专用计算软件 计 算 条 件 简 图设计压力 p1.81mpa设计温度 t50筒体材料名称q345r封头材料名称q345r封头型式椭圆形筒体内直径di2800mm筒体长度 l10100mm筒体名义厚度 dn18mm支座垫板名义厚度 drn12mm筒体厚度附加量 c2.3mm腐蚀裕量 c12mm筒体焊接接头系数 f1封头名义厚度 dhn18mm封头厚度附加量 ch2.3mm鞍座材料名称16mnr鞍座宽度 b300mm鞍座包角 120支座形心至封头切线距离 a655mm鞍座高度 h250mm地震烈度 低于7度内压圆筒校核计算单位压力容器专用计算软件 计算条件筒体简图计算压力 pc 1.81mpa设计温度 t 50.00 c内径 di 2800.00mm材料 q345r ( 板材 )试验温度许用应力 s 181.00mpa设计温度许用应力 st 181.00mpa试验温度下屈服点 ss 325.00mpa钢板负偏差 c1 0.30mm腐蚀裕量 c2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 14.07mm有效厚度 de =dn - c1- c2= 15.70mm名义厚度 dn = 18.00mm重量 12634.04kg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 = 2.3890 (或由用户输入)mpa压力试验允许通过的应力水平 stst 0.90 ss = 292.50mpa试验压力下圆筒的应力 st = = 214.23 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= = 2.01847mpa设计温度下计算应力 st = = 162.31mpastf 181.00mpa校核条件stf st结论 合格左封头计算计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 1.81mpa设计温度 t 50.00 c内径 di 2800.00mm曲面高度 hi 700.00mm材料 q345r (板材)设计温度许用应力 st 181.00mpa试验温度许用应力 s 181.00mpa钢板负偏差 c1 0.30mm腐蚀裕量 c2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 k = = 1.0000计算厚度 d = = 14.04mm有效厚度 de =dn - c1- c2= 15.70mm最小厚度 dmin = 4.20mm名义厚度 dn = 18.00mm结论 满足最小厚度要求重量 1228.82 kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 2.02411mpa结论 合格右封头计算计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 1.81mpa设计温度 t 50.00 c内径 di 2800.00mm曲面高度 hi 700.00mm材料 q345r (板材)设计温度许用应力 st 181.00mpa试验温度许用应力 s 181.00mpa钢板负偏差 c1 0.30mm腐蚀裕量 c2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 k = = 1.0000计算厚度 d = = 14.04mm有效厚度 de =dn - c1- c2= 15.70mm最小厚度 dmin = 4.20mm名义厚度 dn = 18.00mm结论 满足最小厚度要求重量 1228.82 kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 2.02411mpa结论 合格卧式容器（双鞍座）计算单位压力容器专用计算软件 ? 计 算 条 件 简 图 计算压力 pc1.81mpa 设计温度 t50 圆筒材料q345r 鞍座材料16mnr 圆筒材料常温许用应力 s181mpa 圆筒材料设计温度下许用应力st181mpa 圆筒材料常温屈服点 ss325mpa 鞍座材料许用应力 ssa170mpa 工作时物料密度 562.87kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径di2800mm 圆筒名义厚度 18mm 圆筒厚度附加量 2.3mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 18mm 封头厚度附加量 ch2.3mm 两封头切线间距离 10180mm 鞍座垫板名义厚度 12mm 鞍座垫板有效厚度 12mm 鞍座轴向宽度 b300mm 鞍座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 a655mm 封头曲面高度 700mm 试验压力 pt2.389mpa 鞍座高度 h250mm腹板与筋板组合截面积 0mm2 腹板与筋板组合截面断面系数0mm3 地震烈度7圆筒平均半径 ra 1409mm 物料充装系数 0.85一个鞍座上地脚螺栓个数1地脚螺栓公称直径0mm地脚螺栓根径0mm鞍座轴线两侧的螺栓间距0mm地脚螺栓材料支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)12734.5kg 封头质量(曲面部分)1216.34kg 附件质量696.3kg 封头容积(曲面部分)2.87351e+09mm3 容器容积(两切线间)v = 6.84306e+10mm3 容器内充液质量工作时, 32739.9压力试验时, = 68430.6kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 48603.3压力试验时, 84294kg单位长度载荷42.9121 74.4235n/mm支座反力238448 413547413547n筒 体 弯 矩 计 算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 4.15743e+08压力试验= 7.21034e+08nmm支座处横截面弯矩操作工况： -6.28056e+06压力试验工况： -1.08925e+07nmm系 数 计 算k1=1k2=1k3=0.879904k4=0.401056k5=0.760258k6=0.0132129k6=0.010861k7=k8=k9=0.203522c4=c5=筒 体 轴 向 应 力 计 算轴向应力计算操作状态 85.4673 81.2836mpa -4.24789 -0.0641722mpa水压试验状态 -7.36349 -0.111296mpa 114.568 107.312mpa应力校核许用压缩应力0.00105414根据圆筒材料查gb150图6-36-10 b = 135.435mpa135.435135.435mpa 181 合格|,| 135.435 合格|,| 135.435 合格st2 ,st3 0.9ss = 292.5 合格mpa筒体和封头的切应力时(时,不适用)mpa时圆筒中：16.4494封头中：7.49754mpa应力校核封头椭圆形封头, 161.401碟形封头, 半球形封头, mpa圆筒封头 t = 0.8 s t = 144.8 64.8487mpa圆筒, t t = 144.8 mpa 合格封头, th t h = 64.8487 mpa