30立方米液化石油气储罐设计

前言随着我国化学工业的蓬勃发展，各地建立了大量的液化气储配站。对于储存量小于500 或单罐容积小于150时一般选用卧式圆筒形储罐。液化气储罐是储存易燃易爆介质直接关系到人民生命财产安全的重要设备。因此属于设计、制造要求高、检验要求严的三类压力容器。本次设计的为30液化石油气储罐设计即为此种情况。液化石油气贮罐是盛装液化石油气的常用设备, 由于该气体具有易燃易爆的特点, 因此在设计这种贮罐时, 要注意与一般气体贮罐的不同点, 尤其要注意安全, 还要注意在制造、安装等方面的特点。目前我国普遍采用常温压力贮罐,一般贮存总量大于500或单罐容积大于200时选用球形贮罐比较经济; 而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总贮量小于500, 单罐容积小于100时选用卧式贮罐比较经济。本文主要讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐的设计。卧式液化石油气贮罐设计的特点。卧式液化石油气贮罐也是一个储存压力容器, 也应按GB150钢制压力容器进行制造、试验和验收; 并接受劳动部颁发压力容器安全技术监察规程(简称容规) 的监督。液化石油气贮罐, 不论是卧式还是球罐都属第三类压力容器。贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。贮罐上设有液相管、气相管、排污管以及压力表、温度计、液面计等。第1章 设计参数的选择1.1设计数据 表1-:1：设计数据 序号项目数值单位备注1名称30液化石油气储罐2用途液化石油气储存3最大工作压力1.77MPa4工作温度505公称容积306装量系数0.9t/7工作介质液化石油气8工作压力波动不考虑9使用地点荆门市，室外10其他要求100%无损检测1.2设计压力设计压力是根据最高工作压力来确定，原则是根据最危险的操作情况而定。通常选取工作压力的1.05-1.1倍，本次设计选取1.1，数据见下表1-2。表1-2：液化石油气饱和蒸气压及密度介质温度-15103050液化石油气饱和蒸汽压（绝压）MPa0.1830.3190.7221.182丙烷0.2790.6161.0581.710液化石油气饱和液体密度kg/5715435124485该储罐用于液化石油气的储存，属于常温，工作压力为介质在相应温度下的饱和蒸气压。其中丙烷占主要部分可以选取丙烷的饱和蒸汽压。因此取50时丙烷的饱和蒸汽压为最高工作压力，由上表知50时丙烷的饱和蒸汽压为1.710MPa，则其表压为1.710-0.1=1.610MPa，故设计压力为1.610x1.1=1.77MPa。1.3设计温度设计温度是指容器在正常工作情况下，设定的元件金属温度。其值必须大于或等于正常工作的最高温度。由于工作环境在荆门室外，取最高温度50为设计温度。1.4选取材料正确的选材对于设备安全运行和降低生产成本至关重要。压力容器用材有：受压壳体及设备零部件又有受压元件与非受压元件，其包含有：钢板，钢管，钢棒等。压力容器经钢板成型焊接而成。法兰视情况采用钢板或者锻件。螺栓，螺母采用钢棒。支座选用型钢或者钢管。常见的碳素钢和低合金钢有Q245R,Q345R等。无缝钢管材料有：10Mn，16Mn等。对于此次储罐，设计压力为中压，温度范围-2050，综合设备结构工艺和工作条件，参照GB713-2008，查锅炉与压力容器用钢板表2，可选用材料为Q345R。密度=785kg/m，许用应力=189MPa。钢管材料可以选用16Mn等据JB/T 4732，支座材料可用Q235-A，地脚螺栓螺母按照GB/T700-2007规定，可选用Q235。第2章 筒体及封头的设计2.1筒体的结构设计长径比L/D，选择时考虑的两个因素，罐体的加工和其受力大小。综合两方面情况长径比L/D一般取36，在这里可选L/D=4。I筒体直径Di的确定视筒体为圆柱形的，初步计算储罐直径Di由：V=/4 L=4Di得：Di=2.122m=2122mm由于内径必须符合国家标准，此时内径可圆整为国家标准的公称直径DN故取Di=2200mmII筒体长度由于储罐的容积是圆柱形筒体容积与两个封头的容积之和，即：V=Vt+Vf式中Vt圆柱形筒体的容积m Vf单个封头的容积 m据JB/T4746-2002可得封头的容积为Vf=1.5459m故：Vt=V-Vf即：=V-2Vf故：L=4（V-2Vf）/=4x（30-2x1.5459）/2.2x2.2=7.079 圆整后取L=7100mm此时长径比L/Di=7100/2200=3.23在36之间。2.2封头的结构设计中低压容器常采用标准椭圆形封头，参照GB/T25198-2010知封头的公称直径与筒体的公称直径一致。查化工设备课程设计指导表3-3得封头见表2-1，示意图样见图2-1：表2-1：EHA椭圆封头参数公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/容积Vf/m22005905.52291.5459图2-1：EHA椭圆封头示意图注：图中Hi表示封头的曲面深度，Di为筒体的内径即：公称直径DN，dn为封头名义厚度。2.3计算压力的确定由于设计为卧室储罐，因此液体最大高度hmaxDi=2200mm则：Pmax静=ghmax=0.58x9.8x2200=12.50KPa=0.0125MPa且：Pmax静/P设=0.0125/1.77=0.0071=0.71%0.15%Di=0.0015x2200=3.3mm故，厚度dn=14mm 符合要求。两封头的型号为：EHA2200x14-Q345R JB/T4746-2007。2.5强度校核筒体水压试验强度校核，试验压力故：校核时筒体的薄膜应力:查过程设备设计附录表D-1得 ：Rel=345MPa。则，0.9Rel=0.9x1x345=310.5MPa209.1MPa故校验合格。校验过程及数据见附录1，SW6校核。2.6气密性试验液化石油气为易燃易爆介质，故不允许出现任何泄漏，因而必须进行气密性试验，气密性试验的压力为1.77MPa。第3章 鞍座选型及结构设计3.1 支座的选取卧式容器支座包含圈座、支承式支座和鞍式支座。支承式支座虽然在构造方面简单，可是它的反向作用力对壳体产生的应力值太高，故只适应于小型设备；圈座不尽对圆筒壳具有加强作用，且当支座多于两个时较鞍座受力好，真空容器或壁厚的容器可以采用圈座；对于换热器、卧式容器等，则大多采用鞍式支座，鞍座的结构和尺寸，不包括一些特殊的例子，通常都是按照公称直径和重量选用标准鞍座。在支座的规范上，我国标准为JB/T 4712.12007容器支座。鞍式支座分为轻型(A)和重型(B)，轻型和重型都包含有固定式和滑动式，直径1000 mm以上的，轻型鞍座就即可，为保证容器的热胀冷缩的位移要求，F型和S型应总是配对使用。所以本设计选择轻型鞍座，其中固定式和滑动式配套使用。3.2鞍座计算根据筒体结构和参数，鞍座可采用双鞍式支座，鞍座的材料选用Q235-A。为确定鞍座的型号，需粗略计算鞍座的负荷。贮罐总质量：式中 筒体质量，kg;；封头质量，kg；充液质量，kg；附件质量，kg。正常工作下，为液化石油气的质量。液压实验中，为水的质量。3.2.1 筒体质量根据的筒节， 3.2.2 封头质量根据，查标准JB/T 4746-2010钢制压力容器用封头中EHA椭圆形封头质量，可知，3.2.3 充液质量因为水液氨，所以充液质量为液氯质量于是kg3.2.4 附件质量人孔质量约400kg，其他接口管总重约100kg,则=500kg设备总质量： 每个鞍座的负荷： =结合JB4712.1-2007容器支座可知，采用轻型，焊制是A,包角是120，配垫板的鞍座。通过JB4712.1-2007得鞍式支座结构尺寸：表3-1： 鞍式支座结构参数公称直径DN/mm2200腹板d2/ mm10垫板弧长2570允许载荷Q/KN405筋板245b4500鞍座高度h/mm250208d410底板l1/mm1580290e100b1/mm2408l21380d1 mm14鞍座质量/kg205D/l24/403.3鞍座位置确定双鞍座卧式储罐受力状态可简化为受均布载荷的外伸简支架。材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨越中间的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等。故取A0.2L。其中L为两封头切线间的距离，A为鞍座中心线到封头切线的距离，即：A0.2L=0.2L（筒体）+2h=0.2x(7100+2x40)=1436mm。当鞍座接近封头时，封头对支座有局部加强作用，充分利用这一点在满足A0.2L前提下，尽量使A0.5Ro（筒体的外径）。即：A0.5（Di/2+dn）=0.5x（2200/2+14）=557mm。综上可以取A=550mm。鞍座与筒体的位置见图3-1。图3-1：鞍座与筒体的位置注：图中Hi表示封头的曲面深度，L为两封头切线间的距离，A为鞍座中心线到封头切线距离。左鞍座为固定式鞍座代号：JB/T4712-2007 鞍座 A2200-F，右边的鞍座为滑动式鞍座代号：JB/T4712-2007 鞍座 A2200-S。第4章 其他零部件的选用4.1接管和接管法兰确定4.1.1接管据标准GB/T8163-2007，接管采用无缝钢管，材料为16Mn，与筒体连接为平齐式。由于设备位于荆门室外，无需要保温层，可选取长度为100-105mm之间。确定各接管口参数见下表4-1。表4-1：各接管口符号用途公称直径/mm壁厚/外径mm /mm连接形式管口伸出长度/mmA进料口404/48FM100B放空口203/25FM100C出料口804.5/89FM150D放净口1005/110FM150LG1-2液位计口203/25FM100LT1-2自动液位计口404/48FM100M人孔45012/480MFM4.1.2管法兰管法兰用于管道间及设备上的接管与管道的连接。法兰是标准件，据标准JB/T4700-2002压力容器法兰制造。管法兰按照HG/T20592-2009钢制管法兰设计。根据设计压力，操作温度和法兰的材料决定法兰的公称压力PN应该比设计压力稍高，应当大于1.77MPa，故选用PN0.25。管法兰参数见下表4-2。表4-2：接管法兰符号公称直径/mm法兰焊端外径/mm法兰外径/mm代号A4045130HG/T20592法兰WN 40-2.5FM S=4 Q345RB202590HG/T20592法兰WN 20-2.5FM S=3 Q345RC8089190HG/T20592法兰WN 80-2.5FM S=4.5 Q345RD100108210HG/T20592法兰WN 100-2.5FM S=5 Q345RLG1-2202590HG/T20592法兰WN 20-2.5FM S=3 Q345RLT1-24045130HG/T20592法兰WN 40-2.5FM S=4 Q345RM4504805954.2垫片垫片的类型和参数取决于对应法兰的公称直径DN，公称压力PN和密封面的形式来确定据标准HG/T20609-2009查过程设备设计因介质为液化石油气，公称压力PN为2.5MPa，温度为50，密封面为凹凸面则垫片形式可选用缠绕垫材料选用OCr13。垫片参数见下表4-3。表4-3：垫片符号公称直径/mm内径D1/mm外径D2/mm厚度/mmA4068923B2045.5613C80109.51423D100131.51683LG1-22045.5613LT1-24068923M45050356434.3螺栓（螺柱）选型由于介质是液化石油气，属于易燃易爆的物质PN1.6MPa，故采用高等级双头螺柱及螺母。考虑到设备位于荆门室外，可选用六角头粗牙螺纹，材料为Q235，参照HG/T20606-2009，螺柱参数见下表4-4。表4-4：螺柱符号公称直径/mm代号A40螺柱 GB/T 5783-2000 M10x30B20螺柱 GB/T 5783-2000 M8x20C80螺柱 GB/T 5783-2000 M12x30D100螺柱 GB/T 5783-2000 M16x35LG1-220螺柱 GB/T 5783-2000 M8x20LT1-240螺柱 GB/T 5783-2000 M10x30M450螺柱 GB/T 5783-2000 M24x504.4人孔由于筒体公称直径DN=22001000，公称压力PN2.5MPa，据标准NB/T47042-2014知，筒体长度L=71008000因此可以采用一个人孔。由于介质是液化石油气，属于易燃易爆的物质故材料选用Q345R。根据标准HG/T20595-2009查的可用公称直径为450mm的带颈对焊法兰，人孔参数见下表4-5。表4-5：带颈对焊法兰名称公称直径/mmDw*SDD1d螺栓规格螺栓数量质量/kg带颈对焊法兰450480x12670600450M33x220211第5章 开孔补强设计及储罐焊接5.1开孔补强设计据GB/T150标准，当在设计压力小于或者等于2.5MPa的壳体上开孔时，两相邻开孔中心的间距大于两孔之和的两倍。若接管的公称直径小于或者等于89mm时，不需要进行补强。其中放净口公称直径DN=100mm，人孔公称直径DN=450mm需要补强。常见的补强有补强圈补强，厚壁接管补强和整锻件补强三种。由于此次为中低压容器故采用补强圈补强。5.1.1人孔（M）的补强接管材料为16Mn，在50时其许用应力178MPaI 所需补强最小面积A=d+2（1-fr）其中d=di+2Ct， Ct=c1+c2=0.2+2=2.3圆整得Ct=3mm 筒体计算壁厚12.65mm 接管的有效厚度=-c2=14-2=12mm fr=/=178/189=0.94故 ： A=454x12.56+2x12.56x12x(1-0.94)=5703.7mmII 有效补强圈范围有效宽度B1=max2d，d+2+2=2x454，454+2x14+2x12=908mm外侧有效补强高度h1=min，接管实际高度=14,250=79.71mm内侧有效补强高度h2=min，接管内侧高度=12，0=0则： A1=(B-d)(-)-2(-)(1-fr)=(908-454)(14-2-0.3-10.35)-2x12x(14-2-0.3-10.35)(1-0.94)=611.0mm=Pcdi/（2-Pc）=1.77x450/(2x178x1-1.77)=2.25mmA2=2h1（-）fr+2h2(-C2t)=2x79.71x(12-2.25)x0.94+2x0=1461.1mmA3=6=36mm 为焊角可取值为6。补强面积Ae=A1+A2+A3=611.0+1461.1+36=2108.1mmA=5703.7mm需要补强，补强面积A4A-Ae=5703.37-2108.1=3595.6mm圆整可取A4=3600mm5.1.2放净口（D）补强补强计算过程参照附录SW6校核计算。5.1.3补强圈补强圈选用的材料通常选用筒体相同的材料，这里选用Q345R。补强圈的几何尺寸由对应的开孔公称直径决定，据JB/T4736-2002标准选用补强圈的几何尺寸见下表5-1。表5-1：补强圈的几何尺寸公称直径DN100200450500补强圈外径D2200400760840由补强圈的计算厚度公式=A4/（D2-do） 式中do接管的外径可参照表4-1因此，人孔M处补强圈的计算厚度m=3600/（760-470）=12.4114mm放净口D处补强圈的计算厚度D=650/（200-110）=7.2214mm故取与筒体相同材料和壁厚。选择型号为：人孔M处DN450x14-B-Q345R；放净口D处DN100x14-A-Q345R。5.2储罐的焊接5.2.1回转壳体焊接设计对于不允许泄漏的回转壳体焊接必须采用对焊接头，不允许采用搭接或者其他形式的焊接接头，焊缝必须采用全焊透。5.2.2接管补强圈的焊接补强圈与筒体焊接一方面尽可能使两者贴全，紧密，另一方面与接管筒