20M3液化石油气储罐设计.doc

摘要 本设计按过程装备与控制工程专业教学计划要求，在完成专业核心课程过程设备设计学习后，这对此课程安排的课程设计。其目的是强化理论知识，并进行实践训练，培养学生解决工程实际问题的能力。 我的主要任务是完成20M3液化石油气储罐设计。儿储罐属于存储压力容器（代号C）主要用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器。按照国家最新压力容器标准、规范进行设计，本着可靠、经济、适用的原则选取。本次设计分成两个阶段，一为设计计算、绘制装备图草图，二为用CAD绘制总装配图。本次设计按照工艺人员给定的工艺条件，计算确定储罐的轮廓尺寸的设计计算及相关的结构设计，其具体内容包括工艺设计、机械设计、技术条件的编制等等。 本次储罐设计是在孙海洋XX老师的耐心指导下完成的，XX老师对本次设计给予了莫大的帮助，对此表示由衷感谢。前言1第一章 工艺计算21.1设计存储量21.2设计压力21.3设计温度确定3第二章 机 械 设 计32.1承压壳体设计32.2零部设计6第三章 各种接管总体布局14第四章 强度计算校核154.1水压试验154.2应力校核154.3稳定性条件174.4补强计算174.5气密性试验20总结21参考文献:22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。 根据设计要求和任务条件，通过工艺设计、工艺计算、材料选择、容器类别等进行初步的设计计算和草图的绘制。在前期工作的基础上进行结构设计、支座设计等机械设计，并根据实际情况选择焊接类型和封面类型。当设计基本完成后再根据设计的任务条件进行强度计算和压力试验、气密性试验等。设计完成后，编写说明书。 本次设计主要是设计储罐，储罐属于存储压力容器（代号C）主要用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器。液化石油气储罐即为此类压力容器。液化石油气主要由丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等物质组成的。通常情况下，灌装的压力容器中液化石油气极易挥发，体积能矿大250-300倍，且气态液化石油比空气重，因此一旦出现泄漏，遇到明火、电火花等火源就会发生燃烧甚至爆炸。本次20M3属中压容器，根据固定式压力容器安全技术监督管程液化石油气为易燃气体，故液化石油气储罐归为第二类压力容器。第一章 工艺计算 1.1设计存储量盛装液化气体的压力容器设计存储量式中：装载系数（=0.90）； V压力容器容积（20m）； 设计温度下的饱和溶液的密度，（0.485）根据设计条件=0.9200.485=8.730t 1.2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，不需要设保冷层。表1常温储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力液化气体临界温度 无保冷设施规定温度下的工作压力 50 50饱和蒸汽压力 50设计规定的最大装量下位50的气体压力 表2常温储存混合液化气体压力容器规定温度下的工作压力混合液化石油气50饱和蒸汽压力无保冷规定温度下的工作压力异丁烷50饱和蒸汽压力=异丁烷50异丁烷50饱和蒸汽压力丙烷50饱和蒸汽压力=丙烷50饱和蒸汽压力丙烷50饱和蒸汽压力=丙烷50饱和蒸汽压力表3 液化气体饱和蒸汽压及饱和密度温度-15103050饱和蒸汽压Mpa液化石油气0.1830.3190.7221.182丙烷0.2790.6161.0581.710饱和液密度Kg/m液化石油气571543512485因为：P异丁烷P液化气 P 筒体厚度计算 GB713和GB3551低温压力容器用钢板中列举的压力容器专用钢板的厚度负偏差按GB/T709中的类要求。Q345，Q245R等压力容器的钢板负偏差-0.30mm。 考虑到，介质的腐蚀程度，和材料Q345R,Q245R的抗腐蚀能力，暂设Q345R C2为2mm，而Q245R的C2为3mm。 计算厚度mm（材料Q345R）设计厚度mm 名义厚度mm(在设定范围之内) 有效厚度mm 最小厚度mm 同理材料为Q245R时，其厚度为 计算厚度=12.113mm 名义厚度=16mm（在3-16范围内） 从上诉叙述得，Q345R的厚度设计比Q245R要大，暂选Q345为容器材料。封头厚度计算（采用标准椭圆形封头） 根据标准椭圆形封头的计算厚度公式得： 计算厚度 mm 名义厚度mm（与筒体相等） 有效厚度mm 图3 筒体封头配合示意 材料选择：低合金钢的强度指标高于碳素钢，以安全性和经济性为主要 设计原则。 由于设计温度T=50，设计压力P=1.77MPa，介质为液化石油气。Q245R和Q345R使用温度范围相近，设计压力属于低压，对容器介质无要求，均符合要求Q245R，Q345R比较。 1）耗材：Q245R厚度越大，耗用量越大。Q345R属低合金钢，厚度小，省材料，重量小，但Q345价格贵，由此看来，两者均可。 2）制造、运输、安装费用：Q345R 板厚小，重量少，设备运输与安装较方便。 综合上述，从耗量和价格及运费综合考虑，薄的好，因此选用Q345R。表6设计条件表项 目内 容备 注工作介质 液化石油气混合液化气工作压力 MPa1.170丙烷饱和蒸汽压设计压力 MPa1.77公称压力工作温度 -2050设计温度 50最高工作温度公称容积（Vg） m320.0计算容积（V计） m320.158工作容积（V工） m318.142装量系数 (V)0.9介质密度（rt） t/m30.485材 质Q345R低碳钢保温要求无保冷设备其它要求 2.2零部设计 容器法兰设计 介质：液化石油气，易燃、易爆，第类介质，设计压力P=1.77MPa容积：20M，操作温度：50，材料Q345R，公称压力PN=2.5Mpa 接管法兰设计 PN=2.5Mpa， 便于安装使用，选用标准带颈对焊法兰（WN），密封面选凹面M。法兰面的选择：位于封头上侧，筒体两侧的法兰选用凹面以免擦伤，位于封头下侧，筒体腹部的法兰焊凸面法兰。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,带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。接管和法兰布置如图3所示，法兰简图如图所示：图4 法兰的封面形式 图5带颈对焊钢制管法兰表7 接管法兰一览表序号名称法兰外径中心圆直径K螺栓直径螺栓个数螺栓Th法兰颈法兰高度接管直径NSa1-2液位计接口10575144M12402.34020b人孔7156503320M305488.090500c温度计口G3/4”d压力计口10575144M12402.340M201.5e1-2安全阀口220180188M161053.250100f排空口165125184M16742.94550g排污口165125184M16742.94550h气相平衡口165125184M16742.94550i气相口165125184M16742.94550j出液口165125184M16742.94550k进液口165125184M16742.94550l联通排污口10575144M12402.34020 垫片设计 查钢制管法兰用金属包覆垫片，得：图6 垫片示意图表8 管口与法兰垫片配合表公称规格密封面用途D1D2PNMPaDNmmFMHG/T20592-20092.520MFM HG/T20592-2009液位计接口27252.5500FMHG/T20592-2009人孔5806242.5G3/4”FMHG/T20592-2009温度计口2.5M201.5FMHG/T20592-2009压力计口27502.5100FMHG/T20592-2009安全阀口1451682.550FMHG/T20592-2009排空口30872.550FMHG/T20592-2009排污口30872.550FMHG/T20592-2009气相平衡口30872.550FMHG/T20592-2009气相口30872.550FMHG/T20592-2009出液口30872.550FMHG/T20592-2009进液口30872.520FMHG/T20592-2009联通排污口2750 注： 1：垫片的公称压力PN2.5，故垫片的材料选橡胶板垫片，密封 面型为凹凸型。 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3：垫片厚度均为3mm。 螺柱的选择表9 所用螺栓尺寸直径DNmm螺栓螺纹M螺栓数量n螺栓长度L2010415501246010016465 注：紧固件选择的主要是保证设备安全不泄露，为此好需要相应的螺母 与之配合，螺母和螺栓的公称直径要相同。故还是20,50,100，螺母 硬度要比螺栓的硬度小近30HB，为保证安全法兰环上，螺栓个数要多， 一般是4或8个，这样可以使垫片受力均需，密封性效果要好,紧固件 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 数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345。图7 双头螺柱 图8 螺母 人孔设计 容器的公称直径大于1000mm，故设置人孔，筒体长度小于6000mm，只需 设置一个人孔。标准为现行人孔标准钢制人孔和手孔。 筒体DN=2000mm，故人孔DN=500mm。 密封面：根据公称压力选凹凸面MFM。 材料选Q345R。 紧固螺栓代号 S-35CM表【2-5】 垫片代号：NMXB350 不快开吊盖人孔盖轴耳型式代号：A型轴耳 公称压力：2.5MPa 非标准高度=350mm 标准编号：HG/T 21518-2005 人孔:MFM III S-35CM （NMXB350 ）A 500-2.5 mm 表10 吊盖人孔明细表封面PNDNdsdDD1H1H2bMFM2.55005301250673066035021344b1b2A 数量螺柱尺寸总质量 螺柱螺母M3321703204348415 20 40 图9 人孔示意图 液位计 N=2.5MPa,温度-2045，密度为0.571g/0.45 g/满足磁性 液位计的使用要求。 因为筒体DN=1600mm，所以选液位计中心距L=3500mm 材料选择0Cr18Ni9(304) 报警器选择上下限位报警器C根据液位计标记准则 此容器选取磁性液位计，安装在最高液面以上。 标记为：UZ2.5M-3000-0.571 AY304C 焊接接头设计 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，各种焊接结构如图 图10 焊接接头示意 采用X型对接接头和手工电弧焊,如图上图带补强圈的接管的 焊接接头形式 对于人孔、补强圈与壳体的接头选用B类接头形式 选择双面100%无损探伤，即: 由于液柱静压力 P=0.00952MPa P5%=0.089Mpa P 又有：钢号选择Q345R，属于低合金钢，选择低合金钢焊条， A、B类焊缝，结构如下图 11 对接焊缝 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：E5015 筒体厚度，在6-16mm之间，满足条件，名义厚度为12mm，所以选用 V形对接接头焊缝。表11焊缝的检测焊缝结构和无损检测焊接接头类别检测率级别标准备注C/D类A/B类100%RT_IIJB/T3430.1-2005筒体与接管接头100%UT-IJB/T3430.1-2005筒体与补强圈接头100%UT-IJB/T3430.1-2005法兰与接管接头100%UT-IJB/T3430.1-2005钢板逐张UT检验，热处理，外表面防护涂漆，设备安装等要求 支座结构设计 鞍式支座是卧式容器经常的支座型式，本设备采用JB/T 4712.1-2007 容器支座标准。 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。 鞍座选型： 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，最大A0.25L， 即A0.25700=1140mm，最大A0.255700=1425mm 最好 使A0.5R m（）,即 Ra=Di2+n2=1000mm A0.5R a=0.51000=500 故可取A=500mm等 综上有A=600mm, 注：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 图12 鞍座示意图 材料选择支座材料与筒体一致，选用Q345R。 选用双鞍座，一个为固定支座，一个为滑动支座，可防止温差应力。 安全阀设计 由操作压力P=1.701MPa，工作温度为-2050，盛放介质为液化石油气体。选安全阀的公称压力PN=2.5MPa，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=100mm. 第三章 各种接管总体布局 下图即是本次设计的结构外形图，储罐的公称压力1.77MPa，公称直径2000mm，公称容积20m，该罐的表示为WG-2.5-2000-20，NB/T47001-2009该储罐的公称容积在8-50m，公称直径在1400-3800mm之间，故储罐要设计一个人孔，内设1个内梯。该容器为卧式容器，采用鞍式支座。卧式容器一般采用双支座，一个固定式（F），一个滑动式（S）。选取支座 JBT 4712.12007，支座 A 2100F，JBT 4712.12007，支座 A 2100F。图13 接管布局图 第四章 强度计算校核 4.1水压试验 容器的筒体和封头厚度设计相等，在试验中器壁和焊缝，以“张开” 状态接受检验，无须温度修正。耐压试验式容器在使用的第一次承压，且 试验压力比容器的最高工作压力高，容器在承受相同容器下，试验介质的 压缩系数越高，容器越容易爆炸，液体的压缩系数比气体的小，水作为介 质洁净，安全系数大。 液压试验=1.25 所以 =229.25MPa 符合要求 4.2应力校核 卧式容器按体积等效，长度可等校为L=5700m，H=525mm长度折算后 =6400mm，的容器可看作是受均布载荷作业，查表得钢材密度7850kg/m3,椭圆形封头 n12mm, A4.4930m,则封头M封头2An278500.0124.4930846.48kg筒体M筒VDiLn3.142.05.70.01278503371.98kg 装90%的液化石油气质量M1=4850.920=8730kg装满水水的质量 M2=100020=20000 kg人孔组合件总质量：M3=340.7kg（包括补强圈）其他接管螺母法兰总质量：M4=383.71kg 正常操作时质量 M=M封头+M筒+M1+M3+M4=13672.87kg水压试验时质量 M=M封头+M筒+M2+M3+M4=24942.87kg =（13672.879.81）/6.4=20957.95N/m (正常操作) =(24942.879.81)/6.4=38232.74N/m （水压试验） 对等效后的容器进行受力分析，在中点处有最大弯矩，则有=48671.56Nm =88730.55Nm 在正常操作条件下： =73.751MPa =73.748MPa 强度条件：=1890.85=160.65 MPa 满足 在水压试验条件下： =92.21MPa =-0.0024MPa =310.5 MPa 满足 可知筒体强度符合要求。 4.3稳定性条件 =1.12810， 得B=150MPa 即=150MPa 可知，筒体的稳定性也符合要求。 4.4补强计算 可不另行补强的条件1. 设计压力小于或等于2.5Mpa2. 两相邻开孔中心间距应不小于两孔直径之和的两倍3.接管工程外径小于或等于89mm4.接管最小壁厚满足下表要求的： 表12 不另行不强的接管厚度接管公称外径253238454857657689 最小厚度 3.54.05.06.0 接管的直径有满足上诉条件的不需另行不强 注：所有接管的材料均选用Q345R钢。 人孔本次设计人孔的公称外径为500mm89mm，所以进行补强圈补强 本次设计的储罐的筒体长度L=5700，由于容积20m，故开一个人孔。 选取人孔的公称直径DN=500。 取人孔的中心线到焊缝的距离为615。 由于介质是液化石油气易燃易爆，所以密封面选择为MFM 为了保障人孔的开启安全方便选用A型盖轴耳。 出于安全性的考虑，人孔必须补强。 补强圈厚度计算流程如下： 有效补强范围内的补强面积计算： 按HG/T21518-2005选用回旋盖带颈对焊法兰人孔， 开孔直径 采用等面积法进行开孔补强计算。 封头和筒体计算厚度均取有效厚度9.7mm。 接管材料Q345 接管有效厚度mm 强度削弱系数1 则开孔所需补强面积为： 有效强度范围 有效宽度B的确定 有效高度的确定 外侧有效高度的确定 内侧有效高度的确定 实际内伸高度为0 有效补强面积 筒体多余面积 接管多余面积 接管计算厚度 接管多余金属面积： 接管区焊接面积可忽略不计， 则有效补强面积 4.5气密性试验 气密性试验目的是考核的容器密封性能，检查的重点是可拆的密封装 置和焊接接头等部位。泄漏试验应在耐压试验合格后进行的。它并不是压 力容器制造过程中必须要做的实验项目，并不是多数容器没有严格的致密 性要求。 注：1 钢瓶在水压试验合格后再进行气密性试验，气密性试验按 GB/T 12137规定进行，试验压力为PT=1.77MPa。 2试验时应缓慢升高压力，达到试验压力后，保持压力不变，检查 钢瓶不得有泄漏现象。 3进行气密性试验时应采取有效的防护措施，以保证操作人员的安全。 总结 两周的课程设计终于完了，对大学以来已修学科过程装备、工程制图等课程的复习，巩固了我们所学的知识，也让我们体会到了其中的乐趣。开始时的兴奋，但后来就是一大堆的计算，画图，和电脑跟前的画图让我觉得