储存设备(详细)

1,第一节概述,第二节卧式储罐,第三节球形储罐,2,教学重点：基本概念介绍。教学难点：无。,5.1概述,5.1概述,3,5.1概述,第一节概述,特点,储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备。,石油、化工、食品、制药、轻工、能源、环保等行业。,4,应用,举例,特点,氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等；,燕化炼油厂储罐区,5.1概述,5,应用,举例,特点,储罐内的压力直接受温度的影响；介质往往易燃、易爆或有毒。,5.1概述,6,结构形式,卧式,立式,球形储罐,常识,石油化工工业中，储罐可按照储存介质的物理状态、储罐形状、储罐内部压力三种方法分类,5.1概述,7,介质的物理状态,储存气体的,大气环境温度下，储存接近常压气体的储罐=气柜；,大气环境温度下，储存经过加压的气体，通常采用卧式、球形储罐和高压气瓶。,5.1概述,8,储存液体的,大气环境温度和气相压力接近于常压的条件下，储存液体（如石油、汽油、煤油、柴油等石油液体产品），一般用立式圆筒形储罐；当在容量不大于100m3条件下，也经常用卧罐。,大气环境温度下，压力储存的液化气体（如液化石油气体）容量大于100m3时，通常用球形储罐；容量不大于100m3时，常用卧罐。,在低温和接近于常压条件下，储存液化石油气，通常用立式圆筒形储罐。,5.1概述,9,介质的物理状态,储存固体的,称为料仓,5.1概述,储罐的设计应考虑哪些因素,介质性质,场地条件,液化气体,10,介质性质,可燃性饱和蒸气压密度腐蚀性毒性化学反应活性等,5.1概述,11,介质特性,可燃性的分类和登记可以在有关消防规范中查得。,5.1概述,12,介质特性,一定温度下的密闭容器中，达到气液两相平衡时气液分界面上的蒸气压力，随温度而变化与容积大小无关,5.1概述,13,介质特性,重力载荷,选材的首要依据,毒性程度直接影响设备制造技术与管理登记，以及安全附件的配置。,5.1概述,14,场地条件,环境温度保温与否,室内、外载荷的影响,地基影响振动频率，还与基础的设计密切相关,5.1概述,15,盛装液化气体,介质特性,场地特性,液化气体的膨胀性、压缩性,充装量,失稳校核,设计温度下介质的饱和液体密度,温度过低,5.1概述,装量系数,16,第五章储存设备,第一节概述,第二节卧式储罐,第三节球形储罐,17,5.2.1基本结构,5.2.2设计计算,第二节卧式储罐,18,教学重点：卧式储罐的设计计算。教学难点：卧式储罐的设计计算。,5.2卧式储罐,本章重点,本章计算难点,本章计算重点,19,5.2.1基本结构,一、地面卧式储罐,1.基本结构,20,鞍式支座,21,根据内压或外压设备的设计方法初步计算厚度,考虑支座形式及结构的影响,校核附加载荷下周向、轴向强度和稳定性,从而确定实际的圆筒厚度,5.2.1基本结构,圈座,22,A.鞍式支座,设计要点,支座数量的决定,安装位置的安排,鞍座包角的选取,鞍座标准的选用,5.2.1基本结构,23,支座数量的决定,安装位置的安排,双鞍座结构较普遍，多支座结构难于保证各支座受力均匀,一般，A0.2L，且最好A0.5RmA最大不超过0.25L,双支座,影响鞍座处圆筒截面上的应力分布，影响稳定性和储罐-支座系统重心的高低,常用包角120、135、150我国JB/T4712用120、150,5.2.1基本结构,过程设备设计,24,鞍座标准的选用,利用标准选用支座时要充分考虑,设计温度,地震设防烈度,支座允许载荷,是否设有垫板等,应用情况,因自身重量而可能造成严重挠曲的薄壁容器,多于两个支承的长容器,5.2.1基本结构,过程设备设计,25,1-牺牲阳极2-浮子液面计3-金属导线4-电线保护测试点5-压力表6-护罩7-安全阀8-罐装气相阀门9-罐装液相阀门10-排污和倒空管阀门11-罐间气相连接管12-罐体13-罐间液相连接管14-支座,图5-2地下储罐结构示意图,5.2.1基本结构,过程设备设计,结构,26,优点,减少占地面积和安全防火距离,避开环境温度的影响,地下室,埋土,地下支座,涂沥青防锈层或牺牲阳极法,地土埋设，达到预期埋土高度,5.2.1基本结构,过程设备设计,27,过程设备设计,5.2.1基本结构,5.2.2设计计算,第二节卧式储罐,28,给定设计条件：压力、温度、直径、长度、材料等,计算圆筒和封头厚度n，h,设置鞍座位置A,计算容器质量、鞍座反力、轴向弯矩m、F、M1、M2,计算轴向应力14,计算切向应力、h,计算周向应力5-8、6,计算鞍座应力9,四类应力按此顺序逐一符合要求，则设计结束。,若四类应力中有任何一个不符合许用要求，则需要做相应调整。,5.2.2设计计算,29,调整方法,增加圆筒或封头厚度,调整鞍座位置,调整鞍座形式,设置加强件、加强板或加强圈,调整方法和顺序，见课本238页,5.2.2设计计算,30,1.压力：内压或外压,2.储罐重量：圆筒+封头+附件的总重量,3.物料重量：正常操作时=物料重量水压试验时=充水重量,4.其他载荷：环境影响下的载荷，如风载、雪载、地震载等,卧罐总重量作用的总长度为L=L+（4/3）H,两凸形封头折算成同直径圆筒长度,5.2.2设计计算,31,单位长度的均布载荷,若忽略储罐自身重量,将储罐简化后的力学模型,5.2.2设计计算,32,简化过程,图5-3双鞍座卧式储罐受力分析（a)受力分析,5.2.2设计计算,33,力学模型的简化,简化为长度L，受均布载荷q作用的外伸简支梁,图5-3双鞍座卧式储罐受力分析（b)两支点外伸梁,5.2.2设计计算,34,封头本身和其中物料的总量,作用在其重心上,凸形封头（包括物料）重心近似,到封头切线距离,凸形封头（包括物料）重量近似在简支梁端点的等效载荷为,剪力：,力偶：,5.2.2设计计算,35,图5-4液体静压力及其合力,罐内充满的液体对平板封头推力力矩近似：,过程设备设计,对其他凸形封头的推力力矩均简化为,5.2.2设计计算,36,得梁端点的力偶,通过以上简化,卧罐的力学简化模型,过程设备设计,5.2.2设计计算,37,剪力,弯矩,过程设备设计,5.2.2设计计算,38,二、内力分析,（1）弯矩,A.圆筒在支座跨中截面处的弯矩,简化,整理几何参数,正：上半部圆筒受压缩下半部圆筒受拉伸,过程设备设计,5.2.2设计计算,39,B.圆筒在支座截面处的弯矩,简化,整理几何参数,负：上半部圆筒受拉伸下半部圆筒受压缩,过程设备设计,5.2.2设计计算,40,（2）剪力,A.支座跨距中点处截面的剪力等于0,B.支座截面上的剪力：,a.当A0.5Ri时：,b.当A0.5Ri时：,保守做法,应计及外伸圆筒和封头两部分重量的影响,过程设备设计,（5-5a）,（5-5b）,5.2.2设计计算,41,三、圆筒应力计算和强度校核,（1）圆筒上的轴向应力,（2）支座截面处圆筒和封头上的切向切应力和封头的附加拉伸应力,（3）支座截面处圆筒的周向弯曲应力,（4）支座截面处圆筒的周向压缩应力,（5）周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核,（6）加强圈设计,圆筒周向应力,过程设备设计,5.2.2设计计算,42,（1）圆筒上的轴向应力,除支座附近截面外，其他各处圆筒在承受轴向弯矩时，仍然可以看成抗弯截面模量为Rie的空心圆截面梁，而并不承受周向弯矩的作用。,如果圆筒不设加强圈，且A0.5Ri，由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩，在周向弯矩的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象，见图5-5。,“扁塌”一旦发生，那么支座处圆筒截面的上部就成为难以抵抗轴向弯矩的“无效截面”，而剩下的圆筒下部截面才是能够承担轴向弯矩的“有效截面”。,“扁塌”现象,过程设备设计,2,5.2.2设计计算,43,齐克据实验测定结果认为，与“有效截面”弧长对应的半圆心角等于鞍座包角之半加上/6，即,图5-5“扁塌”现象,过程设备设计,5.2.2设计计算,44,跨距中点处圆筒截面由轴向弯矩引起的轴向应力,跨距中点处圆筒截面由内压引起的轴向应力,跨距中点处圆筒截面总的轴向应力,a,最高点（压缩应力）,最低点（拉伸应力）,过程设备设计,（5-6）,（5-7）,5.2.2设计计算,45,b,支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向应力,惯性矩、抗弯截面模量变化,支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向(拉伸)应力3,当圆筒在鞍座平面上有加强圈或被封头加强（即A0.5Ri的筒体：,=时，最大,图5-7未被加强圆筒上的切向切应力,过程设备设计,（5-11）,5.2.2设计计算,53,C,D,图5-8被封头加强的圆筒上的切向切应力,c.被封头加强的圆筒：,此时外伸部分重量忽略，由此假设外伸部分无剪力，看右图,截面上上下力相等,其中，剪力V=F,当分别为120、135和150时，K3=0.880、0.645和0.485。,过程设备设计,（5-12）,5.2.2设计计算,54,d.封头中的附加拉伸应力（A0.5Ri，封头对圆筒起加强作用）,过程设备设计,（5-13）,5.2.2设计计算,55,切向切（剪）应力的校核,筒体中的切向切应力，应小于材料的许用切应力,即,作用在封头上的附加拉伸应力和由内压所引起的拉伸应力相叠加后,其中，K是椭圆形封头形状系数，如果是碟形或圆形，请同学考虑。,当封头承受外压时，5-14中不必计算内压引起的拉伸应力h,过程设备设计,（5-14）,5.2.2设计计算,56,（3）支座截面处圆筒的周向弯曲应力,（4）支座截面处圆筒的周向压缩应力,+,周向应力,过程设备设计,5.2.2设计计算,57,（3）支座截面处圆筒的周向弯曲应力,支座截面上的切向切应力引起的周向弯矩,有加强圈、无加强圈、封头是否加强的周向弯矩M,有加强圈、无加强圈、封头是否加强的抗弯截面模量W,周向弯矩引起的周向弯曲应力,与周向压缩应力一同校核,过程设备设计,5.2.2设计计算,58,a.在支座截面上有加强圈的筒体周向弯矩M,图5-9在鞍座平面内有加强圈时半环上的作用力,在圆环顶点A处,存在周向弯矩和周向力。利用边界条件,即A点的水平位移和转角为零,可以确定MA和Pt。,在MA、Pt和圆环上切向切应力作用下,可得出任意角度处的周向弯矩M为：,过程设备设计,MA,dl,Pt,U,K,d,Ri,N,A,5.2.2设计计算,59,过程设备设计,（5-15）,5.2.2设计计算,60,由图5-11查K6从而得M,图5-10周向弯矩M在圆筒上的分布,过程设备设计,当=时具有最大值,（5-16）,5.2.2设计计算,61,b.在支座截面处没有加强圈的筒体周向应力,包括A0.5Ri，封头对支座处截面的筒体不起加强作用以及筒体虽有加强圈，但加强圈不是位于支承截面附近时。,由切向切应力分布可知，在鞍座边角处的最大周向弯矩小于按有加强圈时推导得出的值，按值计算。,齐克研究指出，在支座截面处筒体承受周向弯矩的有效宽度，可取4Ri或L/2中的较小值，因此筒体的抗弯截面模量W为：,过程设备设计,5.2.2设计计算,62,则在支座截面处没有加强圈的筒体周向应力为:,包括A0.5Ri，封头对支座处截面的筒体不起加强作用以及筒体虽有加强圈，但加强圈不是位于支承截面附近时,过程设备设计,（5-17）,（5-18）,5.2.2设计计算,63,c.被封头加强的圆筒的周向弯曲应力,过程设备设计,（5-19）,（5-20）,5.2.2设计计算,64,（4）支座截面处圆筒的周向压缩应力,通过鞍座作用于筒体上的载荷导致在支座截面处筒体上产生周向压缩,a.用加强圈加强圆筒,b.未用任何形式加强的圆筒,c.被封头加强的圆筒,无加强圈,过程设备设计,（在“加强圈设计”中讨论）,5.2.2设计计算,65,b.未用任何形式加强的圆筒,由支承反力对筒体截面处所引起的周向压缩载荷，可由筒体上的微内力和鞍座作用于筒体的径向反力对筒体中心取力矩平衡求取。,图5-12周向压缩载荷,过程设备设计,（5-21）,5.2.2设计计算,66,c.被封头加强的圆筒,过程设备设计,（=时）,（5-22）,5.2.2设计计算,67,未被加强的筒体和被封头加强的筒体在截面最低处存在最大的压缩力Tmax,但在此处不存在周向弯矩M;而在鞍座边角处存在最大的周向弯矩M,并存在一定的周向压缩力T,齐克认为,其值可取T=F/4,周向压缩应力为,承受周向压缩力的“有效长度”,过程设备设计,（5-23）,5.2.2设计计算,68,（5）周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核,(3)、(4)求得的应力叠加后，进行校核,过程设备设计,5.2.2设计计算,69,（5）周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核,无垫板或垫板不起加强作用时,垫板起加强作用时,横截面最底点处5,鞍座边角处6,横截面最底点处5,鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力6,鞍座边角处6,过程设备设计,5.2.2设计计算,70,无垫板或垫板不起加强作用时,横截面最底点处5,鞍座边角处6,过程设备设计,（5-24）,（5-25a）,（5-25b）,5.2.2设计计算,71,垫板起加强作用时,横截面最底点处5,鞍座边角处6,过程设备设计,5.2.2设计计算,72,鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力6,过程设备设计,5.2.2设计计算,73,（6）加强圈设计,如卧式储罐支座因结构原因而不能设置在靠近封头处，且圆筒不足以承受周向弯矩时，就需在支座截面处的筒体上设置加强圈，以便与圆筒一起承载。,过程设备设计,5.2.2设计计算,74,位置,加强圈可设置于鞍座截面或靠近鞍座截面的筒体上，可设置在筒体内侧或外侧，见图5-13。,图5-13加强圈结构,过程设备设计,x,x,b1,d,e,e,A,A,b1,b1,x,x,e,d,e,A,x,x,x,b1,b1,d,e,在鞍座截面上的加强圈,靠近鞍座的内加强圈,靠近鞍座的外加强圈,e,5.2.2设计计算,75,情况I：鞍座截面处设置内加强圈时,鞍座边角处筒壁外缘周向应力,鞍座边角处加强圈内缘或外缘表面的周向应力,过程设备设计,（5-26）,（5-27）,5.2.2设计计算,76,情况II:靠近鞍座截面处设置加强圈时,图5-13加强圈结构,靠近鞍座的内加强圈,靠近鞍座的外加强圈,过程设备设计,5.2.2设计计算,77,圆筒截面最低处,鞍座边角处,过程设备设计,（5-28）,（5-29）,（5-30）,5.2.2设计计算,78,过程设备设计,5.2.2设计计算,79,四、鞍座强度校核,鞍座包角一般为120150,一般规定钢制鞍座的宽度b一般可取大于或等于，初步决定鞍座宽度b值后，必须通过上述一系列校核后，最终确定b值。如难以满足周向应力的校核条件，则可增加鞍座托板宽度至不小于，以降低筒体上的周向应力水平。,鞍座有效断面的平均应力,JB/T4712,过程设备设计,5.2.2设计计算,80,注意：如鞍座的实际高度小于，则以鞍座的实际高度计算鞍式支座有效截面的平均应力,过程设备设计,5.2.2设计计算,81,计算轴向应力14,计算切向应力、h,计算周向应力5-8、6,计算鞍座应力9,若四类应力中有任何一个不符合许用要求，则需要做相应调整。,过程设备设计,5.2.2设计计算,82,随堂小测验,一、请阐述“扁塌”现象。,二、双鞍座卧式容器设计中应计算哪些应力？并简述这些应力是如何产生的。,83,第五章储存设备,第一节概述,第二节卧式储罐,第三节球形储罐,84,5-3球形储罐,5.3.1罐体,5.3.1支座,5.3.1人孔和接管,5.3.4附件,85,过程设备设计,教学重点：球罐的基本结构和支座。教学难点：无。,5.3球形储罐,86,分类,外观,壳体构造方式,支撑方式,球形,椭球形,单数,球壳层数,多数,桔瓣式,足球瓣,混合式,支柱式支座,筒形或锥形裙式支座,球壳组合方案,过程设备设计,87,典型结构示例,圆球形单层纯桔瓣式赤道正切球罐,支柱,拉杆,操作平台,盘梯,人孔、接管、液面计压力计、温度计、安全泄放装置等,上下极板、上下温带板、赤道板,附件,罐体,过程设备设计,图5-16赤道正切柱式支承单层壳球罐1-球壳；2-液位计导管；3-避雷针；4-安全泄放阀；5-操作平台；6-盘梯；7-喷淋水管；8-支柱；9-拉杆,88,5.3.1罐体,5.3.1罐体,作用,球形储罐主体，储存物料、承受物料工作压力和液柱静压力,按其组合方式分,纯桔瓣式罐体,足球瓣式罐体,混合式罐体,过程设备设计,89,5.3.1罐体,（1）纯桔瓣式罐体,球壳全部按桔瓣片形状进行分割成型后再组合,过程设备设计,图5-16赤道正切柱式支承单层壳球罐1-球壳；2-液位计导管；3-避雷针；4-安全泄放阀；5-操作平台；6-盘梯；7-喷淋水管；8-支柱；9-拉杆,90,5.3.1罐体,特点,缺点,应用,球壳拼装焊缝较规则，施焊组装容易，加快组装进度并实施自动焊；便于布置支柱，焊接接头受力均匀，质量较可靠。,球瓣在不同带位置尺寸大小不一，互换有限；下料成型复杂，板材利用率低；球极板尺寸往往较小，人孔、接管等容易拥挤，有时焊缝不易错开。,适用于各种容量的球罐。,过程设备设计,91,5.3.1罐体,（2）足球瓣式罐体,由四边形或六边形组成,过程设备设计,图5-17足球瓣式球罐1-顶部极板；2-赤道板；3-底部极板；4-支柱；5-拉杆；6-扶梯；7-顶部操作平台,92,特点,缺点,应用,每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，材料利用率高，互换性好，组装焊缝较短，焊接及检验工作量小。,焊缝布置复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高。,容积小于120m3的球罐。,5.3.1罐体,过程设备设计,93,过程设备设计,5.3.1罐体,（3）混合式罐体,1-上极2-赤道带3-支柱4-下极,图5-18混合式球罐,94,5.3.1罐体,特点,赤道带、温带桔瓣式极板足球瓣式材料利用率高焊缝长度缩短球壳板数量减少适用于大型球罐,球罐支柱与球壳板焊接接头避免搭在一起，球壳应力分布均匀,极板尺寸比纯桔瓣式大，易布置人孔及接管,过程设备设计,95,5.3.1罐体,过程设备设计,96,5.3.1罐体,过程设备设计,97,5.3.1罐体,桔瓣式和混合式罐体基本参数见-GB/T17261-钢制球形储罐型式与基本参数,过程设备设计,98,5.3.2支座,5.3.2支座,作用,用以支承本体重量和物料重量的重要结构部件,分类,柱式支座,裙式支座,赤道正切柱式支座结构特点：多根圆柱状支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心线与球壳相切或相割而焊接起来。相割时，支柱的中心线与球壳交点同球心连线与赤道平面的夹角约为100200。柱式之间设置连接拉杆稳定（风载、地震）,优点受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，安装方便；缺点球罐重心高，相对而言，稳定性差。,过程设备设计,99,5.3.2支座,图5-19支柱结构图,1-球壳8-可熔塞2-上部支柱9-接地凸缘3-内部筋板10-底板4-外部端板11-下部支耳5-内部导环12-下部支柱6-防火隔热层13-上部支耳7-防火层夹子,支柱的结构,过程设备设计,100,5.3.2支座,支柱的结构,支柱,底板,端板,单段式,双段式,单段式,由一根圆管或卷制圆筒组成，其上端与球壳相接的圆弧形状通常由制造厂完成，下端与底板焊好，然后运到现场与球罐进行组装和焊接。主要用于常温球罐,过程设备设计,101,5.3.2支座,双段式,适用于低温球罐（设计温度为-20-100）；深冷球罐（设计温度-100）等特殊材质的支座。上段支柱-必须选用与壳体相同的低温材料，一般在制造厂内与球瓣进行组对焊接，并对连接焊缝进行焊后消除应力热处理，其设计高度一般为支柱总高度的30%40%左右；下段支柱-可采用一般材料；上下两段支柱采用相同尺寸的圆管或圆筒组成，在现场进行地面组对.,双段式支柱结构较为复杂，但它与球壳相焊处的应力水平较低，故得到广泛应用。,过程设备设计,102,5.3.2支座,我国GB12337钢制球形储罐标准还规定,过程设备设计,103,5.3.2支座,支柱与球壳的连接,直接连接结构形式,加托板的结构形式,U形柱结构形式,支柱翻边结构形式,过程设备设计,104,5.3.2支座,直接连接结构形式,加托板的结构型式,对大型球罐比较合适,可解决由于连接部下端夹角小，间隙狭窄难以施焊的问题,过程设备设计,105,5.3.2支座,U形柱结构型式,支柱翻边结构型式,不但解除了连接部位下端施焊的困难，确保了焊接质量，而且对该部位的应力状态也有所改善，但由于翻边工艺问题，故尚未被广泛采用。,特别适合低温球罐对材料的要求,过程设备设计,106,5.3.2支座,拉杆,作用,类型,用以承受风载荷与地震载荷作用，增加球罐的稳定性,可调式,固定式,a.单层交叉可调式拉杆,b.双层交叉可调式拉杆,c.相隔一柱单层交叉可调式拉杆,过程设备设计,107,5.3.2支座,可调式,a单层交叉可调式拉杆,b双层交叉可调式拉杆,每根拉杆的两段之间采用可调螺母连接，以调节拉杆的松紧度,可以改善拉杆的受力状况，从而获得更好的球罐稳定性,过程设备设计,108,5.3.2支座,C相隔一柱单层交叉可调式拉杆,图5-23相隔一柱单层交叉可调式拉杆,过程设备设计,109,5.3.2支座,固定式,拉杆常用钢管制作，管状拉杆必须开设排气孔。拉杆一端焊在支柱加强板上，另一端焊在交叉节点的中心固定板上。也可取消中心板