液化丙烷储罐设计 (1)

1、太原科技大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 田 晔 学 号： 201121220214 学 院： 化学与生物工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： （23）M3液化丙烷储罐设计 指导教师： 罗彩霞 郭晓霞 2012年12月24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) 设计全部工作由学生本人独立完成。2设计内容和要求（包括原始

2、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 称液化丙烷储罐2用 途液化丙烷储配站3最高工作压力1.744MPa由介质温度确定4工作温度-20405公称容积（Vg）23M36工作压力波动情况可不考虑7装量系数(V)0.868工作介质液化丙烷（易燃）9使用地点 太原市，室外10其它要求管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称a80HG20592-1997MFM液相进口管b80HG20592-1997MFM液相出口管c80HG20592-1997MFM放气管d80HG20592-1997MFM安全阀接口e25HG20592-1997MFM

3、压力表接口f450HG/T21514-2005MFM人 孔g25HG20592-1997MFM液位计接口课 程 设 计 任 务 书2设计内容1）设备工艺设计；2）设备结构设计；3）设备强度计算与校核；4）技术条件编制；5）绘制设备总装配图；6）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

4、写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。 目录第一章 工艺设计11、设计温度12、设计压力13、设计储量1第二章 机械设计21、筒体和封头的设计2第三章 结构设计41、液柱静压力42、圆筒厚度的设计43、椭圆封头厚度的设计44、接管，法兰的选择54.1法兰54.2 接管65、人孔的设计75.1人孔的选取75.2补强设计方法判别85.3有效补强范围95.4 有效补强面积95.5补强面积105.6补强圈设计106、液面计设计117、安全阀设计128、鞍座选型和结构设计128.1鞍座选型128.2 鞍座位置的确定149、焊接接头的设计149.1筒体和封头的焊接149.2接管与筒体的焊接15第四

5、章 容器强度的校核161、圆筒的校核162、封头的校核173、鞍座的校核184、人孔的校核24结束语25参考文献26太原科技大学化学与生物工程学院第一章 工艺设计1、设计温度 根据本设计工艺要求，使用地点为太原市的室外，用途为液化石油气储配站工作温度为-2040，介质为易燃易爆的气体。 从表中我们可以明显看出,温度从50降到-25时,丙烷的饱和蒸气压力下降的很厉害,可以推断,在低温状态下,由饱和蒸气压力引起的应力水平不会很高。由上述条件选择危险温度为设计温度。为保证正常工作，对设计温度留一定的富裕量。所以，取最高设计温度t=50，最低设计温度t=25。根据储罐所处环境，最高温度为危险温度，所以

6、选t=50为设计温度。50下丙烷的饱和蒸汽压为P=1.744MPa，取最高工作压力Pw=1.744MPa。2、设计压力 该储罐用于液化丙烷储备站，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。当液化石油气在50时的饱和蒸汽压力高于异丁烷在50时的饱和蒸汽压力时，若无保冷设施，则取50时丙烷的饱和蒸汽压力作为最高工作压力。对于设置有安全泄放装置的储罐，设计压力应为1.051.1倍的最高工作压力。所以有Pc=1.1×1.744=1.9184MPa。3、设计储量参考相关资料，液化丙烷的密度为580Kg/m3，盛装液化丙烷的压力容器设计储存量为：W=ø

7、;Vt=0.86×23×580=11472t第二章 机械设计1、筒体和封头的设计对于承受内压，且设计压力Pc=1.9184MPa<4MPa的压力容器，根据化工工艺设计手册（下）常用设备系列，采用卧式椭圆形封头容器。筒体和封头的选形 a、 筒体设计：查GB150-1998，为了有效的提高筒体的刚性，一般取L/D=36，为方便设计，此处取 L/D=4 。所以 。 由 连解得：D=1.942m=1942mm 。圆整得D=2000mmb、封头设计：查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表B.1 EHA椭圆形封头内表面积、容积得： 公称直径DN /mm总深度H /

8、mm内表面积A/容积/20005254.49301.1257表2-1，EHA椭圆形封头内表面积、容积 图2-1椭圆形封头由2V +L/4=35 得L=6608mm圆整得 L=7000mm 则L/D= 3.5 符合要求.则V =2 V+L/4=24.231m>23m且0.0502所以结构设计合理。第三章 结构设计1、液柱静压力 根据设计为卧式储罐，所以储存液体最大高度h maxD=2000mm。P静（max）=gh maxgD=580×9.8×2.0=11.368Kpa 则P静可以忽略不记。2、圆筒厚度的设计根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性，存放温度为-2

9、040，最高工作压力等条件。根据GB150-1998表4-1，选用筒体材料为低合金钢Q345R（钢材标准为GB6654）t=189MPa。选用为筒体材料Q345R，适用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性，壁厚较大（8mm）的压力容器。根据GB150，初选厚度为625mm，最低冲击试验温度为-20，热轧处理。 =10.20mm 对于低碳钢和低合金钢，需满足腐蚀裕度C21mm，取C2=2mm按GB3531低温压力容器用低合金钢板中，例举的压力容器专用钢板的厚度负偏差按GB/T709中的B类要求，Q345R压力容器常用钢板的负偏差为-0.30mm。 设计厚度d=+C2=10.20+2=12.20m

10、m ， n=d+C1=12.20+0.3=12.50mm 圆整后取名义厚度n=14mm ，t没有变化，故取名义厚度14mm合适。3、椭圆封头厚度的设计 为了得到良好的焊接工艺，封头材料的选择同筒体设计，同样采用Q345R。 =10.18mm同理，选取C2=2 mm ，C1=0.3mm 。 n=+C1+C2=13.774+2+0.3=12.48 mm 圆整后取名义厚度为n=14mm 跟筒体一样，选择厚度为14mm的Q345R材料合适。4、接管，法兰的选择4.1法兰液化丙烷储罐应设置排污口，气相口，放空口，出液口，进液口，人孔，液位计口，温度计口，压力表口，安全阀口。根据压力容器与化工设备实用手册

11、PN=2.5MPa时，可选接管公称通径DN=80mm。根据设计压力PN=1.9184MPa，查HG/T 20592-97钢制管法兰，选用PN2.5MPa带颈对焊焊法兰（WN），由介质特性和使用工况，查密封面型式的选用。选择密封面型式为凹凸面（MFM），压力等级为1.04.0MPa，接管法兰材料选用Q345R。根据各接管公称通径，得各法兰的尺寸。 图3-1带颈对焊钢制管法兰法兰尺寸如表：序号名称公称通径DN钢管外径B连接尺寸法兰厚度C法兰高度H法兰颈法兰内径B1坡口宽度b法兰理论质量kg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螺栓ThB系列A液相进口8089200160188M162

12、4401189164.86B液相出口8089200160188M1624401189164.86C放气管8089200160188M1624401189164.86D安全阀口8089200160188M1624401189164.86E压力表口3238140100188M1618301183952.02F液位计口3238140100188M161830603952.02表3-1法兰尺寸4.2 接管接管外径的选用以B国内沿用系列（公制管）为准，对于公称压力0.25PN25MPa的接管，查压力容器与化工设备实用手册普通无缝钢管，选材料为Q345。对应的管子尺寸如下如表：序号名称公称直径管子外径数量

13、管口伸出量管子壁厚A液相进口323822006B液相出口8089120046C放气管808912006D安全阀808912006E压力表口323811503.5F人孔口45047823009G液位计管32382见图3.5表3-2 管子尺寸5、人孔的设计5.1人孔的选取查压力容器与化工设备实用手册，可选回转盖带颈对焊法兰人孔，。由使用地为太原市室外，确定人孔的公称直径DN=450mm，以方便工作人员的进入检修。配套法兰与上面的法兰类型相同，根据HG/T 21518-2005回转盖带颈对焊法兰人孔，查表3-1，由PN=2.5MPa选用凹凸面的密封形式MFM，采用8.8级35CrMoA等长双头螺柱连

14、接。其明细尺寸见下表：图3-2回转盖带颈对焊法兰人孔密封面形式公称压力公称直径dw×sdDbABL螺柱数量螺母数量螺柱尺寸总质量kg凹凸面2.5MPa450478×9456660600250121424146375175250242040M33×165245表3-3人孔尺寸表根据GB150中8.3，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=400mm的 人孔需要补强。5.2补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用回转盖

15、带颈对焊法兰人孔。开孔直径d=di+2c=460+2×2=464mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用16Mn（热轧），其许用应力根据GB150-1998中式8-1，其中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以开孔所需补强面积为5.3有效补强范围1有效宽度B的确定按GB150中式8-7，得：2有效高度的确定(1) 外侧有效高度的确定根据GB150中式8-8，得：(2)内侧有效高度的确定根据GB150-1998中式8-9，得：5.4 有效补强面积根据GB150中式8-10 式8-13，分别计算如下：1 筒体多余面积2接管的多余面积接管厚度：3焊缝金属截面积焊角

16、取6.0mm，5.5补强面积因为，所以开孔需另行补强所需另行补强面积：5.6补强圈设计根据接管公称直径DN=400mm，参照补强圈标准JB/T4736取补强圈外径D2=680mm。因为B=817>D2，所以在有效补强范围。补强圈内径D1=478+4=482mm补强圈厚度：圆整得名义厚度：。考虑钢板负偏差并圆整，取补强圈名义厚度为14mm.6、液面计设计图3-4磁性液面计由于储罐工作温度为-2040，查压力容器与化工设备实用手册，选取磁性液面计。7、安全阀设计图3-5安全阀由操作压力P=1.9184MPa，工作温度为-2048，盛放介质为液化石油气体。选择安全阀的公称压力PN=25kg/c

17、m2，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=80mm。8、鞍座选型和结构设计8.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-2040，按JB/T 4731-2005 表5-1选择鞍座材料为Q345，使用温度为-20250，许用应力为sa= 170MPa。估算鞍座的负荷：计算储罐总重量 m=m1+2m2+m3+m4 。其中：m1 为筒体质量：对于16MnR普通碳素钢，取=7.85×103kg/m3 m1=DL×=×2×7×14×10-3×7.85×103=

18、4831.2kgm2为单个封头的质量：查标准JB/T 4746-2002 钢制压力容器用封头中标B.2 EHA椭圆形封头质量，可知m2=839.3kg 。m3为充液质量：液化石油气<水故m3（max）=水×V=1000×V=1000×（/4×22×7.0+2×1.1257）=24205.14 kg 。m4为附件质量：选取人孔后，查得人孔质量为245 kg，其他接管质量总和估为400 kg。综上述：总质量 m=m1+2m2+m3+m4=4831.2+2×485.2+24205.14+245+400=30984.94kg。

19、 每个鞍座承受的重量为 G/2=mg / 2=30985×9.8/2=231.51kN由此查JB 4712.1-2007 容器支座。选取轻型，焊制A，包角为120°，有垫板的鞍座.，筋板数为4。查JB 4712.1-2007表3得鞍座尺寸如表5，示意图如下图：公称直径DN2100腹板210垫板b4430允许载荷Q/kN300 筋板l3330410鞍座高度h250b2190e80底板l11420b3260螺栓间距l21260b124038螺孔/孔长D/l24/40112弧长2330重量kg160表3-4鞍座支座结构尺寸图3-6鞍座8.2 鞍座位置的确定因为当外伸长度A=0.2

20、07L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 ，有 h=H-Di / 4=525-2000 / 4=25mm故 A0.2L=0.2×7000=1400mm由于接管比较多，所以固定支座位于储罐接管较多的左端。此外，由于封头的抗

21、弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚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（Rm=Ri+n/2），即A0.5Rm =0.5×(2000/2+14/2)=503.5mm ,取A=500 mm 。综上述：A=500 mm （A为封头切线至封头切线边距离，L为筒体和两封头直边段的总长）9、焊接接头的设计9.1筒体和封头的焊接=1220 =50°+5° b=2+1 p=2+1 采用Y型对接接头和手工电弧焊，综合考虑材料选用Q345R. 焊条类型：

22、E5018 铁粉低氢钾型图3-7 Y型坡口 9.2接管与筒体的焊接=45°+5° b=2±0.5 p2±0.5 H1=t t = 8 k30.78图3-8带补强圈焊接接头结构第四章 容器强度的校核1、圆筒的校核内压圆筒校核计算单位压力容器专用计算软件 ? 计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.92MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 2000.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀

23、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 = = 10.20mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 11.70mm名义厚度 dn = 14.00mm重量 4867.35Kg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 = 2.3980 (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 = = 206.16 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= = 2.19844MPa设计温度下计算应力

24、 st = = 164.93MPastf 189.00MPa校核条件stf st结论 合格2、封头的校核内压椭圆封头校核计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.92MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 2000.00mm曲面高度 hi 525.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm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 = = 0.9380计算厚度 d = = 9.55mm有效厚度 de =

25、dn - C1- C2= 11.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dn = 14.00mm结论 满足最小厚度要求重量 497.41 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.35009MPa结论 合格3、鞍座的校核卧式容器（双鞍座）计算单位压力容器专用计算软件 ? 计 算 条 件 简 图 计算压力 pC1.9184MPa 设计温度 t50 圆筒材料Q345R 鞍座材料16MnR 圆筒材料常温许用应力 s189MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st189MPa 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 580kg/m

26、3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di2000mm 圆筒名义厚度 14mm 圆筒厚度附加量 2.3mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 14mm 封头厚度附加量 Ch2.3mm 两封头切线间距离 7050mm 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 A525mm 封头曲面高度 525mm 试验压力 pT2.398MPa 鞍座高度 H250mm腹板与筋板组合截面积 0mm2 腹板与筋板组合截面断面系数0mm3 地震烈度<7圆筒平均半径 Ra 1007mm 物料充装系数

27、 0.86一个鞍座上地脚螺栓个数1地脚螺栓公称直径0mm地脚螺栓根径0mm鞍座轴线两侧的螺栓间距0mm地脚螺栓材料支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)4902.26kg 封头质量(曲面部分)483.221kg 附件质量30938kg 封头容积(曲面部分)1.0472e+09mm3 容器容积(两切线间)V = 2.42426e+10mm3 容器内充液质量工作时, 12092.2压力试验时, = 24242.6kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 48898.9压力试验时, 61049.3kg单位长度载荷61.9092 77.2924N/mm支座反力239898 299508299508N

28、筒 体 弯 矩 计 算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 2.70113e+08压力试验= 3.3723e+08N·mm支座处横截面弯矩操作工况： -8.47887e+06压力试验工况： -1.05857e+07N·mm系 数 计 算K1=0.106611K2=0.192348K3=1.17069K4=K5=0.760258K6=0.0149056K6=0.0122523K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒 体 轴 向 应 力 计 算轴向应力计算操作状态 89.8073 84.6905MPa -7.25054 -1.18325MPa水压试验状态 -9.04756 -

29、1.47726MPa 112.248 105.86MPa应力校核许用压缩应力0.0010998根据圆筒材料查GB150图6-36-10 B = 138.611MPa138.611138.611MPa < 189 合格|,| < 138.611 合格|,| < 138.611 合格sT2 ,sT3 < 0.9ss = 310.5 合格MPa筒体和封头的切应力时(时,不适用)23.0402MPa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 = 151.2 MPa圆筒, t < t = 151.2 M

30、Pa 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405.227mm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/Rm<8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-2.58947MPa鞍座边角处的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm<8时, -40.8173MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm<8时, -61.7419MPa应力校核 |s5| < s t = 189 合格 |s6 |

31、 < 1.25s t = 236.25 合格 |s6 | < 1.25s t = 236.25 合格MPa应力校核|s5| < st = 合格|s6 | < 1.25st = 合格|s7 | < 1.25st = |s8 | < 1.25stR = MPa鞍 座 应 力 计 算水平分力60956.4N腹板水平应力计算高度250mm鞍座腹板厚度10mm鞍座垫板实际宽度430mm鞍座垫板有效宽度405.227mm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, 9.3031MPa应力判断 s9 < s sa = 113.33

32、3 合格MPa腹板与筋板组合截面应力由地震水平分力引起的支座强度计算圆筒中心至基础表面距离 1264mm轴向力 N, MPa, MPa|ssa| 1.2sbt= 地脚螺栓应力拉应力 MPasbt 1.2sbt = MPa 剪应力 MPatbt 0.8×Ko×sbt = MPa 温差引起的应力 N 0MPa|stsa| < ssa = 170 注：带#的材料数据是设计者给定的4、人孔的校核开孔补强计算计算单位压力容器专用计算软件 ? 接 管: #, 478×9计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力

33、 pc1.918MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径 Di2000mm壳体开孔处名义厚度n14mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C22mm壳体材料许用应力t189MPa 接管实际外伸长度200mm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840mm补强圈厚度12mm接管厚度负偏差 C1t 1.125mm补强圈厚度负偏差 C1r 0mm接管材料许用应力t181MPa补强圈许用应力t189MPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 10.2mm接管计算厚度t2.451 mm补强圈强度削弱系数 frr1接管材料强度削弱系数 fr0.958开孔直径 d466.2mm补强区有效宽度 B932.5 mm接管有效外伸长度 h164.78mm接管有效内