10m3汽油储罐设计

1、 西南石油大学课程设计题目： 10m3卧式圆筒储罐设计院系： 机电工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级： 2009级2班 姓名： 何勇 张谦益 指导教师： 杨启明 完成日期：2012年11月14日目录设计任务书1 前言52 设计选材及结构62.1 工艺参数的设定62.1.1设计压力62.1.2筒体、的选材63 设计计算73.1 筒体壁厚计算73.2 封头壁厚计算833筒体和封头的结构设计-8 3.4 压力试验94 附件的选择104.1人孔的选择104.2人孔补强的计算114.3进出料接管的选择134.4液面计的设计144.5 安全阀的选择144.6排污管的选择154.7 鞍座的选择154

2、.7.1鞍座结构和材料的选取154.7.2容器载荷计算164.7.3鞍座选取标准164.7.4鞍座强度校核175 容器焊缝标准215.1压力容器焊接结构设计要求215.2筒体与椭圆封头的焊接接头215.3管法兰与接管的焊接接头215.4接管与壳体的焊接接头216 筒体和封头的校核计算166.1 筒体轴向应力校核226.1.1由弯矩引起的轴向应力226.1.2 由设计压力引起的轴向应力256.1.3 轴向应力组合与校核256.2筒体和封头切向应力校核257 总结27参考文献28设计任务书设计题目： 汽油储罐设计设计任务： 试设计一汽油储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计。包括筒体、封

3、头、零部件的材料的选择及结构的设计；罐的制造施工及焊接形式等；设计计算及相关校核；各设计的参考标准；已知工艺参数如下：1、最高使用温度：T= 50；2、工作温度：-1050；3、要求钢板的腐蚀裕量：1 mm；4、钢板规定的公差为： 0.8 mm；5、全容积：10 6、设计压力：汽油介质储罐一般处于常压下，所以取其工作压力为0.4Mpa即设计压力为P=0.41.1=4.4Mpa；7、设计温度：设计温度取为508、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为1600mm。其他参数由设计计算确定。任务下达时间：2012年11月2日完成截止时间：2010年11月17日1 前言 本设计是针对炼油设备技术

4、这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。本设计的液料为汽油，谈黄色易挥发液体，组成C5C12。具有易燃，易爆，硫含量少，腐蚀性小，抗氧化安定性和抗爆性能好，易启动。其生产方法为，有直馏汽油与二次加工汽油按一定的比例调合而成，并加入适量的抗爆剂和抗氧防胶剂。其质量指标为，无铅汽油质量执行SH004193石化行业标准，按研究辛烷值分90号、93号和95号等3个牌号。油品在储存及使用过程中与空气中的氧接触，特别是在温度较高且有金属催化作用时，容易氧化。设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的

5、选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。2 设计选材及结构2.1 工艺参数的设定2.1.1 设计温度、压力 设计温度为50摄氏度，在-20200条件下工作属于常温容器。 在50摄氏度下，汽油的饱和蒸汽压很小，和常压接近，所以这里取汽油的饱和蒸汽压也就

6、是工作压力为0.4 Mpa，其设计压力为P=0.41.1P=0.44Mpa=0.44 Mpa。设计容器为内压容器。2.1.2 筒体、封头材料的选择钢板标准号为GB150-1998钢制压力容器。16MnR钢板：常温使用时的厚度不宜超过30mm；使用温度建议为-194750C。使用温度低于00C时，建议使用厚度小于35mm；使用温度低于-100C时，建议使用厚度小于20mm，以避免增加试验项目。在这里没有选择其他材料，比如Q235-B,Q235-C，20R等，是因为在在制造费用方面同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济选择16MnR封头的材料和筒体的选取同样的材料。16MnR钢板性质部分数据

7、如下表所示：表1 16MnR许用应力钢号板厚/在下列温度（）下的许用应力/ Mpa2010015020025030016MnR61617017017017015614416361631631631591471343660157157157150138125601001531531501411281163 设计计算3.1 筒体壁厚计算由于该容器储存介质易挥发易启动介质，所以该容器的焊缝都要采用全焊透结构，需要对该储罐进行100%探伤，所以取焊缝系数为。假设圆筒的厚度在616mm范围内， 50下的许用应力为，利用中径公式： =钢板负偏差 腐蚀裕量。则筒体的名义厚度圆整后取为3.2 封头壁厚计算查标

8、准JB/T4746-20024中表1，得公称直径选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2，根据1中椭圆形封头计算中式（7-1）： 同上，取，则封头的名义厚度为圆整后取为封头3.3 筒体和封头的结构设计由封头长短轴之比为2，即，得=400mm查标准4中椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表2和图1。取装料系数为0.9，则即算得圆整后取为表2 封头尺寸表公称直径DN mm总深度H mm封头直边hmm内表面积A 容积V质量MKg1600425252.90070.5864133.4图1 椭圆形封头3.4 压力试验水压试验，液体的温度不得低于5；试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试

9、验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。水压试验时的压力 =水压试验的应力校核：水压试验时的应力Mpa =Mpa查GB150-199816MnR疲劳极限强度，屈服极限强度水压试验时的许用应力为 故筒体满足水压试验时的强度要求。4 附件选择4.1 人孔选择人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖

10、所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。人孔标准HG21524-95规定PN1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。容器上开设人孔规定当Di1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为400。综合考虑后选取回转盖带劲平焊法兰人孔，材料采用16MnR。根据HG/T 21517-20055，查表3-3；选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见表3表3 人孔尺寸表 密封面型式凹凸面MFMD6702324公称压力PN MPa1.062028螺柱数量20公称直径DN500250A365螺母数量405308103B175螺柱尺寸M24120db28L250总质量kg15

11、34.2 人孔补强的计算开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。压力 开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。4.2.1 补强设计方法判别人孔开孔直径为 d=503.6 mm 故可采用等面积法进行补强计算 接管材

12、料选用16MnR，其许用应力 根据GB150-1998中式8-1： 式中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数, 查化工容器设计P109 =1所以 A=1042.452mm 4.2.2 有效补强范围4.2.2.1 有效宽度B按1中式8-7，得： B=1007.2mm4.2.2.2外侧有效高度根据1中式8-8，得： =54.97mm4.2.2.3 内侧有效高度根据1中式8-9，得： =0 4.2.3有效补强面积根据1中式8-10 至式8-13，分别计算如下： 筒体多余面积 =1475.55 mm接管多余面积 A2=234.17 mm焊缝金属截面积，焊脚去6mm，则 A3=4.2.4补强

13、面积 =1745.72 mm因为，所以开孔不需另行补强 4.3 进出料接管的选择材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR。结构：接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强： 设

14、计压力小于或等于2.5Mpa。 两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。 接管公称外径小于或等于89。 接管最小壁厚满足以下要求。 表4 接管最小壁厚要求接管公称直径/mm7689最小壁厚/mm6.0接管大小：因此热轧无缝钢管的尺寸为8012。 钢管理论重量为 801222.79/m。取接管伸出长度为150。 m接管=22.79/m 管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN4.0Mpa）,选择突面板式平焊管法兰，标记为：HG20592-2009 法兰RF(A)80-2.5,其中D=190,管法兰材料钢号（标准号）:20（GB711）。根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、垫片、紧

15、固件选配表（HG20614-2009）选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片(尚无标准号)，密封面型式为突面，密封面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。安装：在离筒体底以上250处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容器底，这种方式用于卧式容器。出料口的基本尺寸以及法兰与进料口相同。进出料接管满足不另行补强的要求所以不再另行补强5。4.4 液面计的设计玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。根据选用表选用：选用反射式玻璃板液面计，标准号HG21590-95，法兰形式及其代号C型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）, HG21590-95

16、液面计型号R型公称压力PN4.0,使用温度0250，液面计的主题材料代号 HG20617-97锻钢（16Mn），结构形式及其代号:普通型（无代号），公称长度为1450mm，排污口结构:V（排污口配螺塞）。液面计标记为：液面计CR4.0-1450V CR4.0-1450V根据筒体公称直径3000选择两个同样的液面计，单个质量为90左右。两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。液面计接管：无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为25124。 2564.5 安全阀的选择由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范围，所以由本设计的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号A21

17、H-40, 80公称通径DN取20，质量约为80。与安全阀和接管连接的法兰选择突面 HG20592-1997板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，与壳体连接的接管为无缝钢 GB8163-87管GB8163-87热轧钢管，尺寸为8012。 80124.6 排污管的选择选择无缝钢管GB8163-87热轧钢为材料的排污管焊接在容器底部，尺寸为 GB8163-878012。 8012管端法兰：突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，法兰一 HG20592-1997端连接排污阀（截止阀），型号J41H-40，取公称通径为80，对应质量为 J41H

18、-4044.4。 44.44.7 鞍座的选择该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q235-A。4.7.1容器载荷计算筒体的质量：查得圆筒体理论质量为236.1/m,筒体长度加上封头的直边长度为5m,则W1=236.15=1180.5。封头的质量:根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为133.4。水压试验时水的质量：由常用压力容器手册查得公称直径1600mm厚6mm的标准椭圆封头的容积为1.1728,则容器容积为： 水重 =1000=11120.32。附件的质量：人孔重256kg,人孔补强重42.3kg,进出料管约100kg,两个液面计共180kg,安全阀80kg,

19、排污阀44.4kg,再加上与阀门相接的接管重量，附件总质量约为750kg.所以设备总质量为13172.095kg.即131.721kN. N=131.721kN4.7.2鞍座选型查得公称直径为1600mm的容器选择轻型(A),120包角、焊制、六筋、带垫板。左鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A3000-F.右鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S. 表5 鞍座尺寸表公称直径DN1600腹板8垫板390允许载荷QkN275筋板2558鞍座高度h250170e70底板1120240螺栓间距9602008鞍座质量Kg11612垫板弧长1870增加100mm增加的高度K

20、g124.7.3鞍座的安装位置应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于，当无法满足A小于等于时，A值不宜大于。为圆筒的平均内径。 =803mm L=5000m即取 鞍座的安装位置如图2所示：图2 鞍座安装位置4.7.4 鞍座强度校核鞍座腹板的水平分力：查得鞍座包角120对应系数 支座反力： F=13.435542KN鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：计算高度，取鞍座实际高度和两者中的较小值，mm鞍座腹板厚度，mm鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度与圆筒体的有效宽度两者中的较小值， mm鞍座垫板有效厚度，8mm则 =0.573Mpa 应力校核：鞍座材料Q235-AF的许用应力，则 故强度适合。4

21、.7.5 地震引起的地脚螺栓应力4.7.5.1 倾覆力矩计算 查 JB/T 4731-2005,钢制卧式压力容器，因地震发生几率小，取a1=0.08则 Fv = 0.0813172.0959.81=10337.5 N Fv=10337.5N钢底板对水泥基础 f=0.4因为 Fvmgf所以压力按下式计算：其中 Hv=R/2+h=1600/2+250=1050mm Hv=1050mm A1= =1708=1360 A1=1360 =4.7.5.2 由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力 根据JB/T 4731-2005,钢制卧式压力容器中式7-34计算 其中：n为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，； n=2为筒

22、体轴线两侧的螺栓间距，； l=960mm为每个地脚螺栓的横截面面积，；则 = =取载荷系数，则由于，所以强度符合要求。4.7.5.3 由地震引起的地脚螺栓剪应力根据JB/T 4731-2005,钢制卧式压力容器中式7-35计算其中:为承受剪应力的地脚螺栓个数，； n=4 = 则 由于 故符合强度要求。4.8垫片 表6 垫片尺寸表管口名称公称直径内径D1外径D2进料口80109.5142出料口80109.5142排污口80109.5142人孔500561624液位计口2561.582安全阀口80109.5142排空口6577.5107注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为

23、L3。2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。3：垫片厚度均为3mm。名称公称直径DN钢管外径法兰焊端外径法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰高度法兰质量进料口8089B200160188M1620504.0出料口8089B200160188M1620504.0排污口8089B200160188M1620504.0人孔500液位计口2538B140100184M1618422.0安全阀口8089B200160188M1620504.0排空口6572B165125184M1618452.5表7 各管口法兰尺寸表5 容器焊缝标准5.1 压力容器焊接结构设计要

24、求焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接的环向接头采用A类焊缝。焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化 采用手工电弧焊的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静

25、止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I型坡口。 I型坡口根据16MnR的抗拉强度=490Mpa和屈服点=325Mpa选择E50系列 E50系列（强度要求：490Mpa；400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较高，脱渣性较好，焊缝表面光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢结构。5.3 管法兰与接管的焊接接头管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97,根据公

26、称通经DN 80选择坡口宽度b=6mm 坡口宽度b=6mm5.4 接管与壳体的焊接接头 所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T形或角接接头。选择 G2接头HG20583-1998标准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为； ；，且，它适用于，因为所选接管 的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为6mm，所以符合要求。选择全焊透工 艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。 6 筒体和封头的校核计算6.1.1 由弯矩引起的轴向应力筒体中间处截面的弯矩： 式中 F鞍座反力，N； 椭圆封头长轴外半径，mm； L两封头切线之间的

27、距离，mm； A鞍座与筒体一端的距离，mm； hi封头短轴内半径，mm。 = = 图3筒体受剪力图支座处截面上的弯矩：所以 = 图4筒体受弯矩图由化工机械工程手册（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因为M1M2，且ARm/2=400mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。筒体中间截面上最高点处 mm所以 =最低点处： =鞍座截面处最高点处： =最低点处： 6.1.2 由设计压力引起的轴向应力由 所以 =6.1.3 轴向应力组合与校核最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处所以 =许用轴向拉压应力t=170MPa，而2t合格。最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处 轴向

28、许用应力：= 根据A值查化工容器设计P161 外压容器设计的材料温度线图得B=68MPa， B=68MPa取许用压缩应力ac=170MPa，1ac，合格。6.2 筒体和封头切向应力校核筒体切向应力计算：K3=0.880由化工机械工程手册（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以K4=0.401 =封头切向应力计算： 因 所以合格。6.3 圆筒周向应力的计算和校核根据鞍座尺寸表知：即，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。6.3.1在横截面的最低点处：根据JB/T 4731-2005,钢制卧式压力容器中式718 其中（容器焊在支座上） 查表7-3知， 则 =-2.10Mpa6.3.2在鞍座边角处由于 根据JB/T 4731-2005,钢制卧式压力容器中式720:由于 查表7-3知，则 =6.3.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力由于， 根据JB/T 4731-2005,钢制卧式压力容器中式722 = 6.3.4周向应力校核根据JB/