新50M3液化石油气储罐设计.doc

目 录封面1目录2封皮3任务说明4封面6第一章、工艺设计71.压力容器存储量72.压力计算8第二章、机械设计 81、结构设计8 、筒体和封头的设计8 、接管与接管法兰设计8 、人孔、补强、液面计及安全阀的设计11 、鞍座的设计12 、焊接头设计14第三章、强度计算校核 15 1、内压圆筒校核162、 左封头计算校核 173、 右封头计算校核 18 4、鞍座校核 195、各种接口补强校核 206、 各种法兰校核21参考资料22设计感想23中北大学课程设计任务书 2009/2010 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： 55M3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: 2010年06月13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1.61MPa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其它要求管口表公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称g 1-4DN50HG2059597MFM液位计接口cDN50HG2059597MFM放气管bDN50MFM人 孔nDN50HG2059597MFM安全阀接口hDN50HG2059597MFM排污管iDN50HG2059597MFM液相出口管fDN50HG2059597MFM液相回流管aDN50HG2059597MFM液相进口管cDN50HG2059597MFM气相管dDN50HG2059597MFM压力表接口eDN50HG2059597MFM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：2010年06月12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16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21日：设计图纸绘制（草图和装配图）06月22日06月23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、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=55m3 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=55m31000 kg/m30.9=49500kg 工作温度为 -1950 则取设计温度为5522、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=55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=47.48 M3 V =V=42.732m当量静液压 L =L+4H/3=8.92m L= V 则 r=1.3m h=2r=2.6 m静液压：P=gh= 1.48Mpa P5% P 则P可以忽略.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 3.5.5.1 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 C1=0。查标准 HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表 7-5 知,在无特殊腐蚀情 况下，腐蚀裕量 C2 不小于 1mm。取 C2=2mm,则壁厚附加量C=0+2=2mm.把上式已知数据代入式3-1，得：=1.947*26002*163*1-1.947=15.62mm根据钢板厚度规格，取=15.62+2+0=17.62mm 向上圆整后名义厚度n=18mm. 筒体的有效厚度e=n-C1-C2=18-0-2=16mm水压试验应力校核： 试验压力： =1.25 t=1.251.947163 163=2.434MPa 圆筒的薄膜应力 =(+) 2 =2.434(2600+16) 216 =198.98MPa 0.9 =0.91.0325=292.5MPa D，所以在有效补强范围。补强圈内径d=530+3=533mm补强圈厚度：=A4(D-d)=16.2 mm圆整取名义厚度为17mm，因为筒体封头名义厚度均为18mm，所以补强圈厚度也取18mm。根据GB-150，JB/T4736-2002，补强圈焊接形式D型， D1=d0+(612)。表6 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）5008405331831.1(7)、支座结构设计：采用鞍式A型支座 鞍座的设计：由上面可得的液化石油气的压力容器设计存储质量：=25287kg每个鞍座承受的重量为G=mg2=12643.5 N由此查JB4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为BI,包角为120，筋板数6，有垫板的鞍座。查JB4712.1-2007表6得鞍座结构尺寸如下表3：表7：鞍式支座结构尺寸公称直径DN1900腹板10垫板430允许载荷Q/kN295筋板31510鞍座高度h250190e80底板1360260螺栓间距12002208鞍座质量kgm17112垫板弧长2330, 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=690-650=40 mm故A0.2(L+2h)=0.2(8000+240)=1416mm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=680mm综上有A=680mm (A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长)(8)、焊接接头的设计8.1 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：8.2 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、强度计算校核钢制卧式容器计算单位全国化工设备设计技术中心站计 算 条 件 简 图设计压力 p1.6MPa设计温度 t50筒体材料名称16MnR(热轧)封头材料名称16MnR(热轧)封头型式椭圆形筒体内直径Di1900Mm筒体长度 L7600Mm筒体名义厚度 dn12mm支座垫板名义厚度 drn10mm筒体厚度附加量 C2mm腐蚀裕量 C12mm筒体焊接接头系数 F1封头名义厚度 dhn12mm封头厚度附加量 Ch2mm鞍座材料名称16MnR鞍座宽度 b220mm鞍座包角 120支座形心至封头切线距离 A725mm鞍座高度 H250mm地震烈度 低于7度内压圆筒校核计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1900.00mm材料 16MnR(热轧) ( 板材 )试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa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 = = 8.98mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 10.00mm名义厚度 dn = 12.00mm重量 4300.22Kg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 = 2.0000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 191.00 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= = 1.78010MPa设计温度下计算应力 st = = 152.80MPastf 170.00MPa校核条件stf st结论 合格左封头计算计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1900.00mm曲面高度 hi 475.00mm材料 16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa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 = = 1.0000计算厚度 d = = 8.96mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 10.00mm最小厚度 dmin = 2.85mm名义厚度 dn = 12.00mm结论 满足最小厚度要求重量 375.90 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.78478MPa结论 合格右封头计算计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1900.00mm曲面高度 hi 475.00mm材料 16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa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 = = 1.0000计算厚度 d = = 8.96mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 10.00mm最小厚度 dmin = 2.85mm名义厚度 dn = 12.00mm结论 满足最小厚度要求重量 375.90 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.78478MPa结论 合格卧式容器（双鞍座）计算单位全国化工设备设计技术中心站计 算 条 件 简 图 计算压力 pC1.6MPa 设计温度 t50 圆筒材料16MnR(热轧) 鞍座材料16MnR 圆筒材料常温许用应力 s170MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st170MPa 圆筒材料常温屈服点 ss345MPa 鞍座材料许用应力 ssa170MPa 工作时物料密度 1000kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di1900mm 圆筒名义厚度 12mm 圆筒厚度附加量 2mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 12mm 封头厚度附加量 Ch2mm 两封头切线间距离 7650mm 鞍座垫板名义厚度 10mm 鞍座垫板有效厚度 10mm 鞍座轴向宽度 b220mm 鞍座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A725mm 封头曲面高度 475mm 试验压力 pT2MPa 鞍座高度 H250mm腹板与筋板(小端)组合截面积 37680mm2 腹板与筋板(小端)组合截面断面系数1.14579e+06mm3 地震烈度0 配管轴向分力 0N圆筒平均半径 956mm 物料充装系数 0.85支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)4328.63kg 封头质量(曲面部分)373.298kg 附件质量750kg 封头容积(曲面部分)8.97841e+08mm3 容器容积(两切线间)V = 2.34856e+10mm3 容器内充液质量工作时, 19962.8压力试验时, = 23485.6kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 25788压力试验时, 29310.9kg单位长度载荷30.5471 34.7201N/mm支座反力126516 143799143799N筒 体 弯 矩 计 算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 1.36994e+08压力试验= 1.55709e+08Nmm支座处横截面弯矩工作时 -9.78479e+06压力试验 -1.11215e+07Nmm系 数 计 算K1=0.106611K2=0.192348K3=1.17069K4=K5=0.760258K6=0.0336958K6=0.0276977K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒 体 轴 向 应 力 计 算轴向应力计算操作状态 81.2537 79.6766MPa -4.77372 -1.77263MPa水压试验状态 -5.42309 -2.01479MPa 101.026 99.2332应力校核许用压缩应力0.000989474根据圆筒材料查GB150图6-36-10 B = 129.393MPa129.393129.393MPa 170 合格|,| 129.393 合格|,| 129.393 合格sT2 ,sT3 0.9ss = 310.5 合格时(时,不适用)13.1804MPa时圆筒中：封头中：MPa应力校核封头椭圆形封头, 碟形封头, 半球形封头, MPa圆筒封头 t = 0.8 s t = 136 MPa圆筒, t t = 136 合格封头, th t h = MPa鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力无加强圈圆筒圆筒的有效宽度387.088mm无垫板或垫板不起加强作用时在横截面最低点处MPa在鞍座边角处L/Rm8时, MPaL/Rm8时, MPa无加强圈筒体垫板起加强作用时鞍座垫板宽度 ； 鞍座垫板包角横截面最低点处的周向应力-1.41214MPa鞍座边角处的周向应力L/Rm8时, -40.9843MPaL/Rm8时, MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力L/Rm8时, -69.0308MPaL/Rm8时, MPa应力校核 |s5| s t = 170 合格 |s6 | 1.25s t = 212.5 合格 |s6 | 1.25s t = 212.5 合格MPa有加强圈圆筒加强圈参数加强圈材料, e = mm d = mm加强圈数量, n = 个组合总截面积, A0 = mm2组合截面总惯性矩, I0 = mm4设计温度下许用应力MPa加强圈位于鞍座平面上 在鞍座边角处圆筒的周向应力：MPa 在 鞍 座 边 角 处 ，加 强 圈 内 缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ：MPa有加强圈圆筒加强圈靠近鞍座横 截 面 最 低 点 的 周 向 应 力 无垫板时，（ 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 ） 采用垫板时，（垫板起加强作用）MPa 在横截上靠近水平中心线的周向应力：MPa 在横截上靠近水平中心线处，不与筒壁相接的加强圈内缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ：MPa加强圈靠近鞍座鞍座边角处点处的周向应力 无垫板或垫板不起 加强 作用L/Rm8时, MPa 无垫板或垫板不起 加强 作用L/Rm8时, MPa 采用垫板时，（垫板起加强作用）L/Rm8时, MPa采用垫板时，（垫板起加强作用）L/Rm8时, MPa应力校核|s5| st = 合格|s6 | 1.25st = |s8 | 1.25stR = MPa鞍 座 应 力 计 算水平分力29266.2N腹板水平应力计算高度250mm鞍座腹板厚度8mm鞍座垫板实际宽度430mm鞍座垫板有效宽度387.088mm腹板水平应力无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 , 垫板起加强作用, 4.98499MPa应力判断 s9 s sa = 113.333 合格MPa腹板与筋板组合截面轴向弯曲应力由地震、配管轴向水平分力引起的支座轴向弯曲强度计算圆筒中心至基础表面距离 1212mm轴向力 N 时, MPa时 MPa 由圆筒温差引起的轴向力 N MPa应力判断ssa 1.2ssa = MPa注：带#的材料数据是设计者给定的开孔补强计算计算单位全国化工设备设计技术中心站接 管: a, 894计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc1.6MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(热轧)板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径 Di1900mm壳体开孔处名义厚度n12mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t170MPa 接管实际外伸长度150mm接管实际内伸长度0mm接管材料16Mn(热轧)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称16MnR(热轧)凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径180mm补强圈厚度8mm接管厚度负偏差 C1t 0.5mm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 8.983mm接管计算厚度t0.4 mm补强圈强度削弱系数 frr1接管材料强度削弱系数 fr0.959开孔直径 d86mm补强区有效宽度 B172 mm接管有效外伸长度 h118.55mm接管有效内伸长度 h20 mm开孔削弱所需的补强面积A 773.7mm2壳体多余金属面积 A187.3 mm2接管多余金属面积 A239.14mm2补强区内的焊缝面积 A316 mm2A1+A2+A3=142.4 mm2 ，小于A，需另加补强。补强圈面积 A4664mm2A-(A1+A2+A3)63