55立方米液化石油气储罐设计--本科毕业设计论文.doc

中北大学信息商务学院课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 系 别： 机械工程系 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 55M3液化石油气储罐设计 指导教师： 陆辉山 职称: 副教授 2015年06月29日 2014/2015 学年 第 二 学期中北大学信息商务学院课程设计任务书 2014/2015 学年 第 二 学期系 别： 机械工程 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 55M3液化石油气储罐设计 起 迄 日 期： 06 月 29日07月 10日 课程设计地点： 校内 指 导 教 师： 陆辉山 系 主 任： 暴建刚 下达任务书日期: 2015年06月29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) 掌握工程图纸的计算机绘图。2设计内容和要求（包括原始数据、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 称液化石油气储罐2用 途液化石油气储配站3最高工作压力1.947MPa由介质温度确定4工作温度-20485公称容积（Vg）10/20/25/40/50M347.76工作压力波动情况可不考虑7装量系数(V)0.98工作介质液化石油气（易燃）9使用地点室外10安装与地基要求储罐底壁坡度0.010.0211其它要求100/100探伤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a32HG20592-1997MFM液位计接口b80HG20592-1997MFM放气管c500HG/T21514-2005MFM人 孔d80HG20592-1997MFM安全阀接口e80HG20592-1997MFM排污管f80HG20592-1997MFM液相出口管g80HG20592-1997MFM液相回流管h80HG20592-1997MFM液相进口管i80HG20592-1997MFM气相管j20HG20592-1997MFM压力表接口k20HG20592-1997MFM温度计接口课 程 设 计 任 务 书2设计内容1）设备工艺、结构设计；2）设备强度计算与校核；3）技术条件编制；4）绘制设备总装配图；5）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，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器，中国标准出版社，19982 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，19993 全国化工设备设计技术中心站，化工设备图样技术要求，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，化学工业出版社，20015 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社，20026 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，19967 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社，2003年5设计成果形式及要求：1）完成课程设计说明书一份； 2）草图一张（A1图纸一张）3）总装配图一张 (A1图纸一张)； 6工作计划及进度：2015年6月24日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 6月24日6月26日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制6月27日7月2日：设计图纸绘制（草图和装配图）7月3日7月9日：撰写设计说明书7月10日：答辩及成绩评定系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录第一章、工艺设计····················································1 1.液化石油气参数的确定·········································1 2.设计温度···············································1 3.设计压力··············································1 4.设计储量···············································1第二章、机械设计 ·························································2 1、筒体和封头的设计······················································2 a、筒体设计·····································2 b、封头设计···································2第三章、结构设计 ················································3 1、液柱静压力······································3 2、接管，法兰，垫片和螺栓的选择 ······························3 a、接管和法兰······································3 b、垫片的选择······································6 c、螺栓（螺柱）的选择······································7 3、人孔的设计······································8 a、人孔的选取······································8 b、人孔补强圈设计······································10 4、视镜设计······································10 5、液面计设计······································11 6、安全阀设计······································12 7、鞍座选型和结构设计······································12 a、鞍座选型········································12 b、鞍座位置的确定······································13 8、焊接接头的设计······································14 a、筒体和封头的焊接······································14 b、接管与筒体的焊接······································14第四章 容器强度的校核核······································15第一章 工艺设计1、液化石油气参数的确定液化石油气的主要组成部分由于石油产地的不同，各地石油气组成成分也不同。取其大致比例如下：表1-1液化石油气组成成分组成成分异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷乙炔各成分百分比0.012.2549.323.4821.963.791.190.022、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,各种成分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，所以选t=50为设计温度。3、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，不需要设保温层。对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如下：表1-2各温度下各组分的饱和蒸气压力温度，饱和蒸汽压力，MPa异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷乙炔-2501.30.20.060.040.0250.0070-2001.380.270.0750.0480.030.0090002.3550.4660.1530.1020.0340.02402003.7210.8330.2940.2050.0760.058050071.7440.670.50.20.160.0011有上述分压可计算再设计温度t=50时，总的高和蒸汽压力P=0.01%×0+2.25%×7+47.3%×1.744+23.48%×0.67+21.96%×0.5+3.79%×0.2+1.19%×0.16+0.02%×0.0011=1.947 MPa因为：P异丁烷（0.2）<P液化气(1.25901)<P丙烷（1.947）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=1.1×1.947=2.1417MPa。4、设计储量参考相关资料，石油液化气密度一般为500-600Kg/m3，取石油液化气的密度为500Kg/m3，盛装液化石油气体的压力容器设计储存量为：W=øVt=0.9×47×500=21150kg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=2.1417MPa<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=2365.44mm 。圆整得D=2400mmb、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： 表2-1，EHA椭圆形封头内表面积、容积公称直径DN /mm总深度H /mm内表面积A/容积/24006406.54531.9905 图2-1椭圆形封头 由2V +L/4=(1+5%)V=47250000000 得L=9589mm圆整得 L=9600mm 则L/D= 43 符合要求.则V =2 V+L/4=47.25 m>45m且比较接近，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=2400mm。P静（max）=gh maxgD=500×9.8×2.3=11.27Kpa %5%则P静可以忽略不记。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-2048，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16MnR（钢材标准为GB6654）t=185MPa。选用16MnR为筒体材料，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。 对于低碳钢和低合金钢，需满足腐蚀裕度C21mm，取C2=2mm查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-1知，钢板厚度负偏差C1=0.25mm。而当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取C1=0。 d=+C2=16.02+2=18.02mm ， n=d+C1=18.83+0=18.02mm 圆整后取名义厚度n=19mm ，t没有变化，故取名义厚度19mm合适。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16MnR。 同理，选取C2=2 mm ，C1=0 mm 。 n=+C1+C2=14.94+2+0=16.94mm 圆整后取名义厚度为n=18mm跟筒体一样，选择厚度为20mm的16MnR材料合适。2、接管，法兰，垫片和螺栓的选择 a、接管和法兰 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。 根据压力容器与化工设备实用手册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钢制管法兰表4-4，选用PN2.5MPa带颈平焊法兰（SO），由介质特性和使用工况，查密封面型式的选用，表3.0.2。选择密封面型式为突面（RF），压力等级为1.04.0MPa，接管法兰材料选用16MnR。根据各接管公称通径，查表4-4得各法兰的尺寸。 图3-1筒体整体、接管、人孔分布图 图3-2带颈平焊钢制管法兰法兰尺寸如表：表3-1法兰尺寸序号名称公称通径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液位计口3238140100188M161830603952.02b放气管8089200160188M1624401189164.86d安全阀口8089200160188M1624401189164.86e排污口8089200160188M1624401189164.86f液相出口8089200160188M1624401189164.86g液相回流管8089200160188M1624401189164.86h液相进口8089200160188M1624401189164.86i气相管8089200160188M1624401189164.86j压力表口202510575144M121626452641.03k温度计口202510575144M121626452641.03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16MnR。对应的管子尺寸如下如表：表3-2 管子尺寸序号名称公称直径管子外径数量管口伸出量管子壁厚伸长量质量（kg）a液位计管323821003.50.447b放气管8089115041.26d安全阀8089115041.26e排污口8089115041.26f液相出口8089115041.26g液相回流管8089115041.26h液相进口8089115041.26i气相管8089115041.26j压力表口2025110030.244k温度计口2025110030.244 b、 垫片的选择 查钢制管法兰、垫片、紧固件，表4.0.2-3凹凸面法兰用MFM型垫片尺寸，根据设计压力为Pc=1.9184MPa，采用金属包覆垫片，选择法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。金属材料为纯铝板L3，标准为GB/T 3880，最高工作温度200，最大硬度40HB。填充材料为非石棉纤维橡胶板，代号为NAS，最高工作温度为290。得对应垫片尺寸如表： 图3-3凹凸面型垫片 表3-3垫片尺寸符号管口名称公称直径DN(mm)内径D1(mm)外径D2(mm)厚度(mm)a液位计口3261.5823b放气管801201423c人孔5005305753d安全阀801201423e排污口801201423f液相出口801201423g液相回流管801201423h液相进口801201423i气相管2045.5613j压力表口2045.5613k温度计口2045.5613 c、 螺栓（螺柱）的选择 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。计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345。查钢制管法兰、垫片、紧固件中表5.0.07-9和附录中标A.0.1，得螺柱的长度和平垫圈尺寸：图3-4双头螺柱图3-5螺母表3-4 螺栓及垫圈尺寸名称管口名称公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈 mmd1d2ha液位计管32M168517303b放气管80M1610017303d安全阀80M1610017303e排污口80M1610017303f液相出口80M1610017303g液相回流管80M1610017303h液相进口80M1610017303i气相管80M1610017303j压力表口20M127513242.5k温度计口20M127513242.53、人孔的设计 a、人孔的选取查压力容器与化工设备实用手册，因筒体长度9100>9000mm，需开两个人孔，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=500mm，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等长双头螺柱连接。其明细尺寸见下表：图3-6回转盖带颈对焊法兰人孔表3-5人孔尺寸表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2.5MPa500530×12500730660270134485455405200300302040M36×180331 b、人孔补强圈设计：图3-7补强圈查压力容器与化工设备实用手册，人孔接管直径为500mm，选取补强圈外径840mm，内径510mm，补强圈厚度为18mm,质量41.5kg。查钢制管法兰、垫片、紧固件表4-2，得人孔法兰4、视镜设计查HG/T21619-1986压力容器视镜，所选视镜玻璃用钢化硼硅玻璃，衬垫为石棉橡胶板，压紧环、接缘、螺栓、螺母所用材料为A3，视镜的尺寸如下表： 表3-6视镜尺寸公称直径公称压力DD1b1b2H螺柱重量标准图图号数量直径不锈钢502.451301003426846M125.1HGJ501-86-13图3-8视镜5、液面计设计图3-9磁性液面计由于储罐工作温度为-2048，查压力容器与化工设备实用手册，选取磁性液面计。6、安全阀设计图3-10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/cm2，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。7、鞍座选型和结构设计 a、鞍座选型该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-2048，按JB/T 4731-2005 表5-1选择鞍座材料为16MnR，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×=×2.3×7.6×18×10-3×7.85×103=7759.495kgm2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×（/4×2.32×7.6+2×1.7588）=35093.75 kg 。m4为附件质量：选取人孔后，查得人孔质量为331 kg，其他接管质量总和估为400 kg。综上述：总质量 m=m1+2m2+m3+m4=7759.495+2×839.3+35093.75+331×2+400=45593.845kg 45594kg。 每个鞍座承受的重量为 G/2=mg / 2=45594×9.8/2=223.41 kN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6。查JB 4712.1-2007表3得鞍座尺寸如表5，示意图如下图： 表3-7鞍座支座结构尺寸公称直径DN2300腹板210垫板b4500允许载荷Q/kN410 筋板l3255410鞍座高度h250b2208e100底板l11660b3290螺栓间距l21460b124038螺孔/孔长D/l24/40114弧长2680重量kg215图3-11鞍座b、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=690-2600 / 4=40mm故 A0.2(L+2h)=0.2(7600+2×40)=1536mm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Rm=1150+18/2=1159mm 。A0.5Rm =0.5×1159=579.5 mm ,取A=570 mm 。综上述：A=570 mm （A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头直边段的总长）8、焊接接头的设计： a、筒体和封头的焊接：=620 =6070 b=02 p=2 3采用Y型对接接头和手工电弧焊，综合考虑材料选用16MnR.焊条类型：E5018 铁粉低氢钾型图3-12 Y型坡口 b、接管与筒体的焊接：=45°+5° b=2±0.5 p2±0.5 H1=t t =8 k30.78图3-13带补强圈焊接接头结构第三章 强度计算校核钢制卧式容器计算单位全国化工设备设计技术中心站计 算 条 件 简 图设计压力 p1.6MPa设计温度 t50筒体材料名称16MnR(热轧)封头材料名称16MnR(热轧)封头型式椭圆形筒体内直径Di2400mm筒体长度 L9600mm筒体名义厚度 dn12mm支座垫板名义厚度 drn10mm筒体厚度附加量 C2mm腐蚀裕量 C12mm筒体焊接接头系数 F1封头名义厚度 dhn12mm封头厚度附加量 Ch2mm鞍座材料名称16MnR鞍座宽度 b220mm鞍座包角 120°支座形心至封头切线距离 A725mm鞍座高度 H250mm地震烈度 低于7度内压圆筒校核计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 2400mm材料 16MnR(热轧) ( 板材 )试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = =14.79mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 15.00mm名义厚度 dn = 17.00mm重量 4300.22Kg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 = 2.0000 (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 = = 191.00 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= = 1.78010MPa设计温度下计算应力 st = = 152.80MPastf 170.00MPa校核条件stf st结论 合格左封头计算计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 3000mm曲面高度 hi 475.00mm材料 16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm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 = = 1.0000计算厚度 d = = 8.9mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 10.00mm最小厚度 dmin = 2.85mm名义厚度 dn = 12.00mm结论 满足最小厚度要求重量 375.90 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.78478MPa结论 合格右封头计算计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.60MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 3000mm曲面高度 hi 475.00mm材料 16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm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 = = 1.0000计算厚度 d = = 8.96mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 10.00mm最小厚度 dmin = 2.85mm名义厚度 dn =