过程装备与控制工程课程设计-35M3液化石油气储罐设计.doc

中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 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： （35）m3液化石油气储罐设计 指导教师： 职称: 2011年06月13日 中北大学课程设计任务书 2010/2011 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： 学 号： 课程设计题目： （35）m3液化石油气储罐设计 起 迄 日 期： 06 月 13 日06月 24日 课程设计地点： 校内 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2011年06月12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1.9184mpa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a32hg20592-1997mfm液位计接口b80hg20592-1997mfm放气管c500hg/t21514-2005mfm人 孔d80hg20592-1997mfm安全阀接口e80hg20592-1997mfm排污管f80hg20592-1997mfm液相出口管g80hg20592-1997mfm液相回流管h80hg20592-1997mfm液相进口管i80hg20592-1997mfm气相管j20hg20592-1997mfm压力表接口k20hg20592-1997mfm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：2011年06月13日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 06月13日06月17日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制06月17日06月22日：设计图纸绘制（草图和装配图）06月22日06月24日：撰写设计说明书06月24日：答辩及成绩评定系主任审查意见： 签字： 年 月 日第一章 工艺设计 1、液化石油气参数的确定液化石油气的主要组成部分由于石油产地的不同，各地石油气组成成分也不同。取其大致比例如下：表1-1液化石油气组成成分组成成分异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷乙炔各成分百分比0.012.2549.323.4821.963.791.190.02对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如下：表1-2各温度下各组分的饱和蒸气压力温度，饱和蒸汽压力，mpa异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷乙炔-2501.30.20.060.040.0250.0070-2001.380.270.0750.0480.030.0090002.3550.4660.1530.1020.0340.02402003.7210.8330.2940.2050.0760.058050071.7440.670.50.20.160.00112、设计温度 根据本设计工艺要求，使用地点为太原市的室外，用途为液化石油气储配站工作温度为-2048，介质为易燃易爆的气体。 从表中我们可以明显看出,温度从50降到-25时,各种成分的饱和蒸气压力下降的很厉害,可以推断,在低温状态下,由饱和蒸气压力引起的应力水平不会很高。由上述条件选择危险温度为设计温度。为保证正常工作，对设计温度留一定的富裕量。所以，取最高设计温度t=50，最低设计温度t=25。根据储罐所处环境，最高温度为危险温度，所以选t=50为设计温度。3、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)p丙烷（1.744）当液化石油气在50时的饱和蒸汽压力高于异丁烷在50时的饱和蒸汽压力时，若无保冷设施，则取50时丙烷的饱和蒸汽压力作为最高工作压力。对于设置有安全泄放装置的储罐，设计压力应为1.051.1倍的最高工作压力。所以有pc=1.11.744=1.9184mpa。4、设计储量参考相关资料，石油液化气密度一般为500-600kg/m3，取石油液化气的密度为580kg/m3，盛装液化石油气体的压力容器设计储存量为：w=vt=0.935.094580=18319.068t第二章 机械设计1、筒体和封头的设计：对于承受内压，且设计压力pc=1.9184mpa35m且比较接近，所以结构设计合理。第三章 结构设计1、液柱静压力： 根据设计为卧式储罐，所以储存液体最大高度h maxd=2300mm。p静（max）=gh maxgd=5809.82.3=13.073kpa 则p静可以忽略不记。2、 圆筒厚度的设计：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。根据gb150-1998表4-1，选用筒体材料为低合金钢16mnr（钢材标准为gb6654）t=170mpa。选用16mnr为筒体材料，适用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性，壁厚较大（8mm）的压力容器。根据gb150，初选厚度为625mm，最低冲击试验温度为-20，热轧处理。 =mm 对于低碳钢和低合金钢，需满足腐蚀裕度c21mm，取c2=2mm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c1=0.25mm。而当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取c1=0。 d=+c2=14.51+2=16.51mm ， n=d+c1=16.51+0=16.51mm 圆整后取名义厚度n=18mm ，t没有变化，故取名义厚度18mm合适。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，同样采用16mnr。 =14.465 mm同理，选取c2=2 mm ，c1=0 mm 。 n=+c1+c2=14.465+2+0=16.465 mm 圆整后取名义厚度为n=18mm 跟筒体一样，选择厚度为18mm的16mnr材料合适。4、接管，法兰，垫片和螺栓的选择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。根据压力容器与化工设备实用手册pn=2.5mpa时，可选接管公称通径dn=80mm。根据设计压力pn=1.9184mpa，查hg/t 20592-97钢制管法兰表4-4，选用pn2.5mpa带颈平焊法兰（so），由介质特性和使用工况，查密封面型式的选用，表3.0.2。选择密封面型式为凹凸面（mfm），压力等级为1.04.0mpa，接管法兰材料选用16mnr。根据各接管公称通径，查表4-4得各法兰的尺寸。 图3-1筒体整体、接管、人孔分布图 图3-2带颈平焊钢制管法兰法兰尺寸如表：表3-1法兰尺寸序号名称公称通径dn钢管外径b连接尺寸法兰厚度c法兰高度h法兰颈法兰内径b1坡口宽度b法兰理论质量kg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螺栓thb系列a液位计口3238140100188m161830603952.02b放气管8089200160188m1624401189164.86d安全阀口8089200160188m1624401189164.86e排污口8089200160188m1624401189164.86f液相出口8089200160188m1624401189164.86g液相回流管8089200160188m1624401189164.86h液相进口8089200160188m1624401189164.86i气相管8089200160188m1624401189164.86j压力表口202510575144m121626452641.03k温度计口202510575144m121626452641.03接管外径的选用以b国内沿用系列（公制管）为准，对于公称压力0.25pn25mpa的接管，查压力容器与化工设备实用手册普通无缝钢管，选材料为16mnr。对应的管子尺寸如下如表：表3-2 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伸长量质量（kg）a液位计管323821003.50.447b放气管8089115041.26d安全阀8089115041.26e排污口8089115041.26f液相出口8089115041.26g液相回流管8089115041.26h液相进口8089115041.26i气相管8089115041.26j压力表口2025110030.244k温度计口2025110030.2444.2 垫片的选择查钢制管法兰、垫片、紧固件，表4.0.2-3凹凸面法兰用mfm型垫片尺寸，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）。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。得对应垫片尺寸如表： 图3-3凹凸面型垫片 表3-3垫片尺寸符号管口名称公称直径dn(mm)内径d1(mm)外径d2(mm)厚度(mm)a液位计口3261.5823b放气管801201423c人孔5005305753d安全阀801201423e排污口801201423f液相出口801201423g液相回流管801201423h液相进口801201423i气相管2045.5613j压力表口2045.5613k温度计口2045.56134.3 螺栓（螺柱）的选择 根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺柱材料。计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为q345。查钢制管法兰、垫片、紧固件中表5.0.07-9和附录中标a.0.1，得螺柱的长度和平垫圈尺寸：图3-4双头螺柱图3-5螺母表3-4 螺栓及垫圈尺寸名称管口名称公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈 mmd1d2ha液位计管32m168517303b放气管80m1610017303d安全阀80m1610017303e排污口80m1610017303f液相出口80m1610017303g液相回流管80m1610017303h液相进口80m1610017303i气相管80m1610017303j压力表口20m127513242.5k温度计口20m127513242.55、 人孔的设计 5.1人孔的选取查压力容器与化工设备实用手册，因筒体长度7600mm6000mm，需开两个人孔，可选回转盖带颈对焊法兰人孔，。由使用地为太原市室外，确定人孔的公称直径dn=500mm，以方便工作人员的进入检修。配套法兰与上面的法兰类型相同，根据hg/t 21518-2005回转盖带颈对焊法兰人孔，查表3-1，由pn=2.5mpa选用凹凸面的密封形式mfm，采用8.8级35crmoa等长双头螺柱连接。其明细尺寸见下表：图3-6回转盖带颈对焊法兰人孔表3-5人孔尺寸表密封面形式公称压力公称直径dwsddbabl螺柱数量螺母数量螺柱尺寸总质量kg凹凸面2.5mpa50053012500730660270134485455405200300302040m361803315.2人孔补强圈设计：图3-7补强圈查压力容器与化工设备实用手册，人孔接管直径为500mm，选取补强圈外径840mm，内径510mm，补强圈厚度为16mm,质量41.5kg。查钢制管法兰、垫片、紧固件表4-2，得人孔法兰6、视镜设计查hg/t21619-1986压力容器视镜，所选视镜玻璃用钢化硼硅玻璃，衬垫为石棉橡胶板，压紧环、接缘、螺栓、螺母所用材料为a3，视镜的尺寸如下表： 表3-6视镜尺寸公称直径公称压力dd1b1b2h螺柱重量标准图图号数量直径不锈钢502.451301003426846m125.1hgj501-86-13图3-8视镜7、 液面计设计图3-9磁性液面计由于储罐工作温度为-2048，查压力容器与化工设备实用手册，选取磁性液面计。8、 安全阀设计图3-10安全阀由操作压力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。9、鞍座选型和结构设计9.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-2048，按jb/t 4731-2005 表5-1选择鞍座材料为16mnr，使用温度为-20250，许用应力为sa= 170mpa。估算鞍座的负荷：计算储罐总重量 m=m1+2m2+m3+m4 。其中：m1 为筒体质量：对于16mnr普通碳素钢，取=7.85103kg/m3 m1=dl=2.37.61810-37.85103=7759.495kgm2为单个封头的质量：查标准jb/t 4746-2002 钢制压力容器用封头中标b.2 eha椭圆形封头质量，可知m2=839.3kg 。m3为充液质量：液化石油气水故m3（max）=水v=1000v=1000（/42.327.6+21.7588）=35093.75 kg 。m4为附件质量：选取人孔后，查得人孔质量为331 kg，其他接管质量总和估为400 kg。综上述：总质量 m=m1+2m2+m3+m4=7759.495+2839.3+35093.75+3312+400=45593.845kg 45594kg。 每个鞍座承受的重量为 g/2=mg / 2=455949.8/2=223.41 kn由此查jb 4712.1-2007 容器支座。选取轻型，焊制a，包角为120，有垫板的鞍座.，筋板数为6。查jb 4712.1-2007表3得鞍座尺寸如表5，示意图如下图：表3-7鞍座支座结构尺寸公称直径dn2300腹板210垫板b4500允许载荷q/kn410 筋板l3255410鞍座高度h250b2208e100底板l11660b3290螺栓间距l21460b124038螺孔/孔长d/l24/40114弧长2680重量kg215图3-11鞍座9.2 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 ，有 h=h-di / 4=615-2300 / 4=40mm故 a0.2(l+2h)=0.2(7600+240)=1536mm由于接管比较多，所以固定支座位于储罐接管较多的左端。此外，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（rm=ri+n/2），即rm=1150+18/2=1159mm 。a0.5rm =0.51159=579.5 mm ,取a=570 mm 。综上述：a=570 mm （a为封头切线至封头焊缝间距离，l为筒体和两封头直边段的总长）10、 焊接接头的设计： 10.1筒体和封头的焊接：=620 =6070 b=02 p=2 3 采用y型对接接头和手工电弧焊，综合考虑材料选用16mnr. 焊条类型：e5018 铁粉低氢钾型图3-12 y型坡口 10.2接管与筒体的焊接：=45+5 b=20.5 p20.5 h1=t t =8 k30.78图3-13带补强圈焊接接头结构第四章 容器强度的校核 1、水压试验校核压力的确定 取 试验压力：pt=1.25p mpa结束语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。近两个星