卧式液氯储罐设计.doc

吉林建筑大学锅炉与压力容器安全学课程设计设计题目卧式液氯储罐设计姓 名学 号班 级专 业学 院指导教师 指导教师评语：指导教师： 2014年6月30日目录第一章 绪论- 1 -1.1任务说明- 1 -1.2液氯性质- 1 -第二章 工艺参数- 2 -2.1设备的初步选型及轮廓尺寸- 2 -2.2设计温度- 2 -2.3压力容器的设计存储量- 2 -第三章 结构设计- 3 -3.1 材料选择- 3 -3.2 设计条件- 3 -3.3焊接结构系数- 4 -3.4 最高工作压力的确定- 4 -4.1 筒体设计- 5 -4.1.1筒体长度的确定- 5 -4.1.2圆筒厚度的设计- 5 -4.2封头的设计- 6 -4.3 接管和接管法兰设计- 6 -4.3.1 接管- 6 -4.3.2 法兰与法兰垫片- 7 -4.4 人孔、垫片、液面计、压力表、安全阀、温度计结构设计- 9 -4.4.1 人孔- 9 -4.4.2 垫片- 9 -4.4.3 液面计- 9 -4.4.4 压力表- 9 -4.4.5安全阀- 9 -4.5鞍座结构设计- 10 -4.6 焊接接头设计- 11 -4.4 开孔补强计算- 12 -5.4 卧室容器（双鞍座）计算- 17 -5.5 鞍座处圆筒周向应力计算- 21 -第六章 液氯储罐的安全管理- 25 -6.1危害因素的分析- 25 -6.2压力容器的危险、有害因素分析- 26 -6.3危害防护的措施- 27 -参考文献- 28 -第一章 绪论1.1任务说明 设计一个容积40m的液氯储罐，采用常规设计方法，综合考虑液氯性质、所在环境等条件并参考相关标准，分别对储罐进行工艺设计、结构设计、设备强度计算，得出储罐的筒体、封头、鞍座、人孔和接管的尺寸，然后用SW6-1998校核软件对其进行强度校核，最终形成合理的设计方案。1.2液氯性质 液氯化学名称液态氯，为黄绿色液体，沸点-34.6，溶点-103，在常压下即气化成气体，吸入人体能严重中毒， 有剧烈刺激作用和腐蚀性，在日光下与其它易燃气体混合时发生燃烧和爆炸，氯是很活泼的元素，可 以和大多数元素（或化合物）起反应。 危害特性：液氯不会燃烧，但可助燃。一般可燃物大都能在氯气中燃烧，一般易燃气体或蒸汽也都能与氯气形成爆炸性混合物。氯气能与许多化学品如乙炔、松节油、乙醚、氨、燃料气、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应发生爆炸或生成爆炸性物质。它几乎对金属和非金属都有腐蚀作用。第二章 工艺参数 2.1设备的初步选型及轮廓尺寸 根据化工工艺设计手册，目前常温压力储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐，其中圆筒形储罐加工制造安装简单，安装费用少，金属耗量大占地面积大，多以在总储存量小于500 m3 ，单罐容积小于1000 m3 时选用圆筒形储罐比较经济。2.2设计温度设计温度的定义为：容器在正常工作情况下，所设定元件的金属温度，即金属截面的平均温度。当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件可能达到的最高温度;当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最高温度。根据-2045的工作温度，再考虑温度的波动，外界环境的变化等因素，我们将设计最高温度定为50,设计最低温度定为-20。 2.3压力容器的设计存储量 W=V=0.9*42.89*1.3141=50.73t 式中：W-储存量，t -装量系数 V-压力容器容积 -设计温度下饱和液体密度，t/ m3 第三章 结构设计3.1 材料选择 根据液氯的特性以及材料的综合机械性能和使用的经济型，选择Q345R作为筒体材料。Q345R是压力容器专用钢。50时的许用应力=170MPa. 3.2 设计条件 表2-1设计条件表项目内容工作介质液氯工作压力MPa1.414设计压力MPa1.466工作温度-2048设计温度50公称容积m340计算容积m342.89工作容积m338.60装量系数0.9介质密度t/ m31.314材质Q345R公称直径mm2400其他要求100无损检测3.3焊接结构系数氯气是一种极度危害的戒指，对人的皮肤，呼吸道有害，甚至心力衰竭而死亡，液氯属于高度危害介质，必须采用双面对接接头并采用100%无损检测，焊接接头系数取=1。3.4 最高工作压力的确定设计压力为容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，而最高工作压力指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不得低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.01.1倍。我们取为最高工作压力的1.1倍。计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。一般情况下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当元件所承受的液柱静压力小于5%设计时，可忽略不计。(锅炉压力容器安全)t=50时,根据压力容器介质手册可得液氯的密度是1.314g/cm3，饱和蒸汽压Pv=1.414 MPa,大气压Pa=0.1 MPa设计压力P=1.1Pv=1.1（1.414-0.1）=1.445 MPa液柱静压力=gD=13149.82.4=0.0313，在3-6的范围内，符合要求。公称直径计算容积为42.89 m3 ，工作容积为38.60 m3 。封头尺寸公称直径DN=2400mm，H=640mm直边段圆筒长为h=H-DN/4=640-2400/4=40mm。4.1.2圆筒厚度的设计 查GB150-2011压力容器中-材料中表2，可得：在设计温度50下， 屈服极限强度 490Mpa许用应力 181Mpa利用中径公式计算厚度： (3.1)查教材锅炉压力容器安全P116可知，钢板厚度负偏差为0.8mm，而有GB150-2011中可知，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。查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定可知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量不小于1mm,本设计取=2mm则筒体的设计厚度 (3.2)圆整后，取名义厚度筒体的有效厚度 (3.3)4.2封头的设计由JBT4746-2002-钢制压力容器用封头查得，总深H=640mm，封头容积V=1.9905m 内表面积=6.5453 A/m2V=V+V，即DL=40-2V,代入参数得L=8404mm,圆整至8500mm计算容积V=DL+2V=42.43m工作容积V=V=0.942.43=38.2 mL/Di=8600/2400=3.583，在3-6的范围内，符合要求。公称直径计算容积为42.89 m3 ，工作容积为38.60 m3 。封头尺寸公称直径DN=2400mm，H=640mm直边段圆筒长为h=H-DN/4=640-2400/4=40mm。4.3 接管和接管法兰设计 4.3.1 接管由化工工艺设计手册第四版可知，所需的各接管的公称尺寸如下表。接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN65HG20595-1997凹凸面MFM液氯进口管bDN50HG20595-1997凹凸面（MFM）安全阀接口cDN500凹凸面（MFM）人 孔dDN60HG20592-1997凹凸面（MFM）空气进口管eDN60HG20592-1997凹凸面（MFM）空气出口管fDN20HG21595-1997凹凸面（MFM）压力表接口gDN40HG21595-1997凹凸面（MFM）液位计接口hDN60HG21595-1997凹凸面（MFM）液氯出口管kDN40HG20592-1997凹凸面（MFM）排污口4.3.2 法兰与法兰垫片 （1）、法兰 法兰形式：带颈对焊(WN、HG20595） 榫槽密封（TG） 材料：20（JB4726） 其型号为 HG/20592法兰 Th（Rc） DN(20)-1.6 TG 3.45 Q345R HG/20592法兰 Th（Rc） DN(80)-1.6 TG 4.5 Q345R HG/20592法兰 Th（Rc） DN(100)-1.6 TG 4 Q345R法兰尺寸如下表表公称通径DN钢管外径连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度HA1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螺纹ThNSH1RB8089200160188M16201103.210650100108220180188M16221303.612652253211585144M1216462.66440(二)垫片材料石棉橡胶板代号XB350（标准GB/T3985） 根据设计压力选择钢制管法兰用非金属垫片，使用与HG/T20592所规定的公称压力PN2.5PN63的管法兰。（HG/T20606-2009）垫片型号如下：HG/T20606-2009 垫片MFM 20-16(B) XB350HG/T20606-2009 垫片TG 80-16(B) XB350HG/T20606-2009 垫片TG 100-16(B) XB350垫片尺寸如下表 榫槽面法兰用TG型垫片尺寸公称直径DN(mm)垫片内径D1(mm)垫片外径D2(mm)垫片厚度T(mm)2036501.5801061201.51001291491.54.4 人孔、垫片、液面计、压力表、安全阀、温度计结构设计 4.4.1 人孔 人孔：选用水平吊盖带颈平焊法兰人孔（HGT 21523-2005），密封形式： 凹凸面（MFM），（见图2-3）公称直径500mm。人孔质量：232kg。其型号为 人孔MFM b-8.8（NM-XB350）500-1.6 HGT 21523-20054.4.2 垫片 垫片选聚四氟乙烯包覆垫,折包型（PMT）,公称通径DN500。其型号为HG20607 四氟包覆垫 PMT 500-1.64.4.3 液面计由于容器工作温度为-2045，选择磁性液位计，其允许工作温度为-40 300。（HG/T21584-1995）L=800mm,凸面（M），结构形式见图2-5 。其型号为HG/T21584-1995 UZ 1.6 M-2500-1.3141 A F 304/C 4.4.4 压力表由于盛装液氯，混入的少量水分会导致介质的腐蚀性，故选用适用于测量具有一定腐蚀性，非凝固或非结晶的各种流体介质的压力或负压的膜片压力表。选择型号为YPF 150 B-F4.4.5安全阀安全阀选用A42Y-16P，适用于腐蚀性介质，公称压力1.6MPa，公称直径DN100。4.5鞍座结构设计 Q235钢的密度为7.8510kg/m 筒体的质量m=2.48.50.0187.8510=9055.73kg 储存液氯的质量m=51121.81kg 单个封头质量m=650.1kg 附件质量m=500kg 总重G=( mm2mm)g=517.8kN 单个鞍座承受的重量G=258.9kN 根据JB/T4712.1-2007选取轻型鞍座DN2300,许用载荷410KN,120包角，具体数据见下公称直径DN鞍座高度h底板腹板筋板bL32400250172024014102652082908公称直径DN垫板螺栓连接尺寸鞍座质量kg增加100mm高度增加的质量kg弧长间距螺孔螺纹M孔长2400280050010100152024M204023423鞍座位置 通常取尺寸A不超过0.2L值，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。A0.28.6=1.72m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，应尽量使A0.5R，即A0.51.15=0.575m综上，取A=600mm,L=8600-2A=8600-1200=7400mm4.6 焊接接头设计容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝、融合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的形式和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全。回转壳体与封头的焊接接头采用对接接头，坡口形式选X型，结构尺寸如下表16a60b2p3 带补强圈的接管筒体焊接结头采用角接结构，坡口为E型 4.4 开孔补强计算根据GB150，当设计压力小于或等于2.5Mpa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的2.5倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不另行补强。 1、补强及补强方法判别补强计算方法判别开孔直径 D=di+2C=500+4=504mm开孔直径D小于Di/2=1200mm，满足等面积法开孔补强计算的使用条件，故可 以用等面积法进行开孔补强计算。2、开孔所需补强面积先计算强度削弱系数fr，fr= n/ =0.84，接管有效厚度为et=10-4=6mm开孔补强所需面积按下式计算=5089.33+29.336(1-0.84)=4757.333、有效补强范围(1)有效宽度BB=2508=1016mmB=508+16+14+210=558mm取大值为B=1016mm(2)有效高度外侧有效高度按下式确定mmh1=320mm取小值，即h1=71.27mm。内侧有效高度h2按下式确定mmh2=0mm故h2=0mm。4、有效补强面积(1)筒体多余金属面积筒体有效厚度e=n-C=16-4=12mm筒体多余金属面积A1按下式计算A1=(B-d)( e-)-2et(e-)(1-fr)=814.79 mm2 (2)接管多余金属面积接管计算厚度mm接管多余金属面积A2按下式计算A2=2h1(et-t)fr+2h2(et-C2)fr=635mm2(3)接管区焊缝面积（焊脚取6.0mm）A3=(4)有效补强面积Ae=A1+A2+A3=814.79+635+36=1485.79mm2(5)所需另行补强面积A4=A-Ae=4757.33-1485.79=3271.54mm2拟采用补强圈补强。(6)补强圈设计根据接管公称直径DN500选补强圈，参照补强圈标准JB/T4736选取补强圈外径D=840mm，内径D1=534mm。其中，B=1016mm536mm，所以补强圈在有效补强范围内。补强圈厚度为=，圆整到公称厚度14mm。补强圈质量为 36.3kg。 第五章 应力校核5.1筒体的校核计算条件筒体简图计算压力 Pc1.445MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2400.00mm材料 Q345R(正火) ( 板材 )试验温度许用应力 s 163.00MPa设计温度许用应力 st 163.00MPa试验温度下屈服点 ss 325.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm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 = =14.39 mm有效厚度 de =dn - C1- C2=12mm名义厚度 dn = 16mm重量 9055.73Kg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 = 2.7000 MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 122.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 191.94 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= = 2.29293MPa设计温度下计算应力 st = = 154.40MPastf 1163.00MPa校核条件stf st结论 合格5.2 内压椭圆封头校核内压椭圆封头校核计算单位 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc1.445MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2400.00mm曲面高度 hi 600.00mm材料 16Q345R(正火) (板材)试验温度许用应力 s 163.00MPa设计温度许用应力 st 163.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm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 = = 0.9193计算厚度 d = = 14.75mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 17.00mm最小厚度 dmin = 7.20mm名义厚度 dn = 19.00mm结论 满足最小厚度要求重量 964.77 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2MPa结论 合格5.3 右封头计算右封头计算计算单位 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.445MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2400.00mm曲面高度 hi 600.00mm材料 Q345R正火) (板材)试验温度许用应力 s 163.00MPa设计温度许用应力 st 163.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm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 = = 0.9193计算厚度 d = = 14.75mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 17.00mm最小厚度 dmin = 7.20mm名义厚度 dn = 19.00mm结论 满足最小厚度要求重量 964.77 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.50231MPa结论 合格5.4 卧室容器（双鞍座）计算卧式容器（双鞍座）计算单位计 算 条 件 简 图 计算压力 pC1.445MPa 设计温度 t50 圆筒材料Q345R 鞍座材料Q235-A 圆筒材料常温许用应力 s163MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st163MPa 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 562.8kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di2400mm 圆筒名义厚度 19mm 圆筒厚度附加量 2mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 19mm 封头厚度附加量 Ch2mm 两封头切线间距离 8530mm 鞍座垫板名义厚度 12mm 鞍座垫板有效厚度 12mm 鞍座轴向宽度 b240mm 鞍座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A620mm 封头曲面高度 40mm 试验压力 pT2.7MPa 鞍座高度 H250mm腹板与筋板(小端)组合截面积 58324mm2 腹板与筋板(小端)组合截面断面系数2.17297e+06mm3 地震烈度0 配管轴向分力 0N圆筒平均半径 1209.5mm 物料充装系数 0.9支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)9055.73kg 封头质量(曲面部分)946.072kg 附件质量365kg 封头容积(曲面部分)1.80956e+09mm3 容器容积(两切线间)V = 4.22079e+10mm3 容器内充液质量工作时, 23754.8压力试验时, = 42207.9kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 35680.2压力试验时, 54133.5kg单位长度载荷40.7877 51.8825N/mm支座反力175047 265579265579N筒 体 弯 矩 计 算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 2.7734e+08压力试验= 4.2077e+08Nmm5.5补强校核开孔补强计算计算单位接 管: A2 253计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc2.16MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数0.9壳体内直径 Di2400mm壳体开孔处名义厚度n19mm壳体厚度负偏差 C10.65mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t170MPa 椭圆形封头长短之比2接管实际外伸长度100mm接管实际内伸长度10mm接管材料20g(正火)接管焊接接头系数2名称及类型管材凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径50mm补强圈厚度10mm接管厚度负偏差 C1t 0.375mm补强圈厚度负偏差 C1r 0mm接管材料许用应力t163MPa补强圈许用应力t170MPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 16.623mm接管计算厚度t3.21mm开孔直径 d77.5mm补强区有效宽度 B155 mm接管有效外伸长度 h127.84mm接管有效内伸长度 h227.84mm开孔削弱所需的补强面积A 974.7mm2壳体多余金属面积 A138.52mm2接管多余金属面积 A2433.8mm2补强区内的焊缝面积 A336 mm2A1+A2+A3=1212 mm2 ，小于A，需另加补强。补强圈面积 A43397.57mm2A-(A1+A2+A3)6352.78mm2结论: 补强满足要求。第六章 液氯储罐的安全管理6.1危害因素的分析通过对氯气的危险特性进行分析，可以得出该厂生产储存的液氯具有以下危险、危害因素： （1）火灾、爆炸：氯气本身不可燃，但可助长其他物质燃烧。氯气能与许多化学品如乙炔、松节油、乙醚、氨、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应，在使用中如果与这些类物质接触就可能引发火灾或爆炸。 （2）毒性危害：氯气属于危险化学品第2.3类有毒气体，储罐漏损时，在空气中可迅速达到有害浓度，人员接触时会对眼睛、皮肤、呼吸道有较强刺激性，吸入可引起肺炎、肺水肿，可导致反应性呼吸道障碍综合症。液体泄露在空气中可迅速蒸发而引起冻伤，人员高于职业接触限值接触可导致死亡，长期接触对牙齿等也可能有不良影响。 （3）腐蚀性危害：其水溶液是一种强酸，对人体皮肤、金属等物品均具有腐蚀作用。 因此，如果液氯储存场所不合格，储存、管理不善，与禁忌物品混放等，发生泄露时，有造成火灾、爆炸、中毒窒息及对物品造成腐蚀危险。生产过程中的危险性分析： 火灾、爆炸危险性：爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械能的现象。因此，其破坏作用严重，危险性极大，应引起高度重视。该厂在正常生产时，液氯在密闭的容器和管道中运行。一旦泄露，使用和贮存液氯的场所附近若有可燃物、易燃物存在，遇明火有可能会引发火灾、爆炸的事故。液氯储罐和管道有缺陷、有裂纹、储罐及附件损坏、腐蚀破损、高温（受热、加热、阳光暴晒等）、超压等也会发生物理爆炸（如罐体破裂等）；储罐受到撞击或从高处坠落也会发生爆炸；储罐内可能含有三氯化氮，其会富积在储罐底部，当达到一定浓度时，遇热或震动等因素就会发生爆炸。泄漏中毒危险性：该场所在使用和贮存液氯的过程中，若管理上疏忽或操作不慎、设备缺陷等，都有可能造成液氯泄漏。一旦大量泄漏，就会使周围人员中毒或环境遭到严重破坏。所以应特别注意，严防泄漏。起重伤害：为了方便液氯的装卸、搬运，该场所使用载重量为2t的罐车，根据特种设备安全监察条例该设备为特种设备。按照有关规定载重设备本身制造质量应良好，材料坚固，具有足够的强度而且没有明显的缺陷，必须进行检验检测以保证其完好性，在使用中应严格遵守装载设备操作规程。该载重设备在使用过程中，如果装载不当、操作失误、液氯泄露、注意力不集中，极有可能造成起重伤害事故。电气伤害：该场所运行中使用有部分电气设备，工艺管道上为防止水管被冻，还配有电加热设施，如果保护设施不完善或无保护，电气设备、设施漏电或操作人员误操作、误触带电体等，都有可能发生触电事故造成伤害。6.2压力容器的危险、有害因素分析 压力容器液氯储罐以及与其相连的管道属于压力容器，介质为有毒介质，所以一旦破坏其危害性极大。这不仅是由于容器本身破坏具有极大的威力，而且随之而来发生有毒介质外泄和扩散将导致火灾爆炸、中毒等事故。压力容器的破坏应对措施如下: 1、开、停车时注意应开、关的阀门和盲板的抽堵。 2、严格控制工艺指标，加强巡回检查，防止超温和局部过热。 3、定期校验安全附件，保证灵敏可靠。 4、加强压力容器的检验，及时发现壁厚减薄而仍在使用的储罐。 5、加强容器的维护保养的定期检测工作。 6、对于低温储罐要加强检查，严格控制下限温度不得过低。7、减少管道的振动，发现振动应立即加固。 8、从工艺上控制腐蚀介质，避免腐蚀产生。 9、对易腐蚀的部位加强定期监测。 10、加强巡回检查，发现容器泄漏应立即停车卸压检查。 11、对于处在较高温度下的工作设备，要采用抗蠕变的合金钢材料。重大危险源辨识：根据重大危险源辨识（GB18218-2000）的规定，重大危险源的辨识依据是物质危险特性及其数量。辨识指标规定，单元内存在危险物质的数量等于或超过标准（GB18218-2000）中规定的临界量，即被定为重大危险源。单元内存在的危险物质为单一品种，则该物质的数量即为单元内危险物质的总量，若等于或超过相应的临界量，则定为重大危险源。液氯属于重大危险源辨识（GB18218-2000）中的有毒物质，其临