中北大学15M3液化石油气储罐设计.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date中北大学15M3液化石油气储罐设计中北大学 中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 欧峥 学 号： 1102034342 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 吕海峰 崔宝珍题 目： （15）M3液化石油气储罐设计 指导教师： 职称: 副教授 2014年06月16日 中北大学课程设计任务书 2013/2014 学年 第 二 学期学 院： 机

2、械与动力工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 欧峥 学 号： 1102034342 课程设计题目： （15）M3液化石油气储罐设计 起 迄 日 期： 06 月 16 日06月 27日 课程设计地点： 校内 指 导 教 师： 吕海峰 崔宝珍 系 主 任： 黄晋英 下达任务书日期: 2014年06月16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

3、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1.77MPa由介质温度确定4工作温度-20485公称容积（Vg）10/20/25/40/50M36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a1、a2 20HG20592-1997MFM液位计接口f80HG20592-19

4、97MFM放气管b500MFM人 孔e1、e280HG20592-1997MFM安全阀接口g50HG20592-1997MFM排污管j80HG20592-1997MFM液相出口管h80HG20592-1997MFM液相回流管k80HG20592-1997MFM液相进口管i80HG20592-1997MFM气相管d20HG20592-1997MFM压力表接口c20HG20592-1997MFM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(

5、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，GB150-2011钢制压力容器，中国标准出版社，20112 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，20

6、00，114 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：2014年06月16日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 06月17、18、19、20日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制06月21日06月24日：设

7、计图纸绘制（草图和装配图）06月25日06月26日：撰写设计说明书06月27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 储罐设计介绍及介质特性.1.1液化石油气储罐介绍.1.2液化石油气的发展及应用.1.3液化石油气的组成及物理特性1.4储罐的设计问题以及设计难点第二章 储罐设计参数的确定.2.1设计温度2.2设计压力2.3设计储量第三章 主体材料的确定.第四章 工艺计算.4.1筒体和封头的设计.4.1.1 筒体设计.4.1.2封头设计.4.2筒体长度的确定.4.3圆筒厚度的设计.4.4椭圆封头厚度的设计.第五章 结构设计.5.1接管，法兰，垫片和螺栓的选择.5.1.1接

8、管和法兰.51.2垫片的选择5.1.3 螺栓（螺柱）的选择.5.2人孔的设计.5.2.1人孔的选取5.3人孔补强圈设计.5.3.1补强设计方法判别.5.3.2有效补强范围.5.3.3有效补强面积.5.4鞍座选型和结构设计.5.4.1鞍座选型.5.4.2鞍座位置的确定.5.5视镜设计.5.6液面计设计与安全阀设计5.7焊接的设计5.7.1焊接接头的设计.5.7.2容器焊接接头坡口设计.5.7.3 焊接方法与材料.第六章 强度校核. 第一章 储罐设计介绍及介质特性1.1液化石油气储罐介绍液化石油气储罐是盛放液化石油气的常用设备，常用储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比

9、: 前者具有投资少, 金属耗量少, 占地面积少等优点, 但加工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高。一般贮存总量大于500m 3或单罐容积大于200m 3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500m 3, 单罐容积小于100m 3时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式。本文主要进行卧式圆筒形贮罐的设计。 1.2液化石油气的发展及应用随着石油化学工业的发展，液化石油气

10、作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们的重视。在化工生产方面，液化石油气经过分离得到乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等，用来生产合塑料、合成橡胶、合成纤维及生产医药、炸药、染料等产品。用液化石油气作燃料，由于其热值高、无烟尘、无炭渣，操作使用方便，已广泛地进入人们的生活领域。此外，液化石油气还用于切割金属，用于农产品的烘烤和工业窑炉的焙烧等。液化石油气具有污染少、发热量高、易于运输、压力稳定、储存设备简单、供应方式灵活等特点，所以被广泛用作工业、商业和民用燃料。但液化石油气中含有危害污染物质较多对人体、环境都有很大的伤害，所以对液化石油气储罐的要求也很严格。因而，提高液化石油气储罐的技术水平

11、对安全储备液化石油气具有重要意义。1.3液化石油气的组成及物理特性常温下对天然石油气或石油炼制过程中产生的石油气施加压力，使其以液体状态存在时称液化石油气。液化石油气是以丙烷、丁烷为主要成分的多组分有机混合物，其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0.012.2549.323.4821.963.791.190.02对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如下：表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.

12、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液化石油气常温常压下呈气体状态，适当提高压力或降低温度即可转变为液体，体积将缩小200倍300倍。气态液化石油气比空气重且易燃易爆，比重是空气的1.5倍，爆炸极限仅为2%。为方便运输、储存和分配，通常采用常温常压以保持体积较小的液化状态，所以液化石油储罐为压力容器。液化石油气液体的密度以单位体积的质量表示，即kg/m3.它随

13、着温度和压力的不同而发生变化。因此，在表示液化石油气气体的密度时，必须规定温度和压力的条件。它的密度受温度影响较大，温度上升密度变小,同时体积膨胀。由于液体压缩性很小，因此压力对密度的影响也很小，可以忽略不计。1.4储罐的设计问题以及设计难点液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到大家的重视。由于该气体具有易燃易爆的特点，因此在设计这种储罐时，要注意与一般气体储罐的不同点，尤其要注意安全问题，还要注意在制造、安装方面的特点。储罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有液相管、液相回液管、气相管、排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等。所以对液化石油气的储罐要求

14、也很严格。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。本文主要讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐的设计。在设计过程中，采用整体设计确定卧式液化石油气储罐的主要尺寸，同时要采用有效措施提高储罐的耐腐性和耐热性，并且要防止介质的泄漏。设计时，要注意安全与防火，还要注意在制造、安装等方面的特点。有效提高液化石油气储罐的技术水平对安全储备液化石油气具有重要意义。第二章 储罐设计参数的确定2.1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-2048，介质为易

15、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。2.2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。根据道尔顿分压定律，我们不难计算出各种温度下液化石油气中各种成分的饱和蒸气分压，如表：表2-1各种成分在相应温度下的饱和

16、蒸气分压温度, 饱和蒸气分压, MPa异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戍烷正戍烷乙烯-2500.0290.09460.0140.00880.000950.0000830-2000.0310.1270.01760.01050.001140.0001090000.0530.22040.03590.02240.001290.00025602000.0840.3940.0690.0450.002880.0006305000.1580.08250.15730.10980.007580.00190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.

17、48%0.67+21.96%0.5+3.79%0.2+1.19%0.16+0.02%0.0011=1.25901 MPa因为：P异丁烷（0.2）P液化气(1.25901)P丙烷（1.744）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。根据HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定，对于在规定的充装系数范围内为，常温下盛装液化石油气容器设计压力的确定，确定此时设计压力为MPa。由过程设备设计表4-11，可得出此时液化石油气法兰公称压力为2.5MPa。2.3设计储量表1-4液化石油气主要成分在50的密度 K

18、g/m3温度 丙烷异丁烷正丁烷50446520542参考化工原理相关资料，根据公式 得到取石油液化气的密度为510Kg/m3，盛装液化石油气体的压力容器设计储存量为：第三章 主体材料的确定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GB150-2011表4-1以及材料的经济性，选用筒体材料为低合金钢Q345R（钢材标准为GB713）t=189Pa。选用Q345R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。第四章 工艺计算4.1筒体和封头的设计：对于承受内压，且设计压力Pc=1.77MPa15m且比较接近，

19、所以结构设计合理。4.3圆筒厚度的设计： 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=1700mm。 P静（max）=gh maxgD=5109.81.7=8.497Kpa 则P静可以忽略不记。选用筒体材料为低合金钢Q345（钢材标准为GB713）t=189MPa。选用Q345R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。 =mm 对于低碳钢和低合金钢，需满足腐蚀裕度C21mm，取C2=2mm由常用钢板厚度负偏差表可查的，在的钢板标准下的负偏差。 d=+C2

20、=+2=10.80mm ， n=d+C1=10.80+0.8=11.60mm 圆整后取名义厚度n=12mm ，t没有变化，故取名义厚度12mm合适。水压试验校核压力的确定 取 试验压力：PT=1.25P =1.251.947=2.43MPa水压试验的应力Q345钢制容器在常温水压实验时许可应力因为，故筒体厚度满足水压实验时强度要求。4.4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Q345。 =8.79mm同理，选取C2=2 mm ，C1=0.8 mm 。 n=+C1+C2=8.79+2+0.8=11.59mm 圆整后取名义厚度为n=12mm跟筒体一样，选择

21、厚度为12mm的Q345R材料合适。第五章 结构设计5.1接管，法兰，垫片和螺栓的选择5.1.1接管和法兰查化工工艺手册表25-5液化石油气储罐的具体尺寸，选取开孔流速为u=20m/s，流量Q=45L/s,根据公式，算出管子内径d=59mm,根据强度校核和管子外径规格，可以选用管子的外径为89mm。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，确定选接管公称通径为DN=80mm。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

22、容器与化工设备实用手册普通无缝钢管，选材料为20R。对应的管子尺寸如下如表:表5-1接管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管子理论质量kga1、a2液位计接口202521003.50.244f放气管8089115061.26b人孔5005301300917.34e1、e2安全阀接口8089115061.26g排污管505711503.50.694j液相出口管8089115061.26h液相回流管8089115061.26k液相进口管8089115061.26i气相管8089115061.26d压力表接口202521003.50.244c温度计接口202521003.50.244

23、由于除人孔外的所有接管均满足以上要求，所以其他接管无需补强。人孔补强计算将在下面给出。根据法兰公称压力为PN=2.5MPa，查HG/T 20592-1997 钢制管法兰、垫片、紧固件 标准 表4-4，选用PN=2.5MPa带颈对焊法兰（WN），由介质特性和使用工况，查密封面型式的选用，表3.0.2。选择密封面型式为凹凸面（MFM），压力等级为1.016.0MPa，接管法兰材料选用Q345R。根据各接管公称通径，查表4-4得各法兰的尺寸。根据工艺需要开有不同的孔，对应孔所选用的法兰详细参数及相关标准如下：图3 接管法兰结构法兰尺寸如表：表5-2 接管法兰结构尺寸表【3】序号名称公称直径DN钢管外

24、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螺栓Th法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰质量(Kg)NSRB Ba1、a2液位计口202510575144M1216403.264401.05f放气管8089200160188M16241105.6126585.03b安全阀口8089200160188M16241105.6126585.03e1、e2排污口5057165125184M162074485483.11g液相出口8089200160188M16241105.6126585.03j液相回流管8089200160188M16241105.6126585.03h液相进口808920016

25、0188M16241105.6126585.03k气相管8089200160188M16241105.6126585.03i压力表口202510575144M1216403.264401.05d温度计口202510575144M1216403.264401.055.1.2垫片的选择垫片选用查阅课本P143表4-11垫片选用表，根据介质液化石油气，公称压力PN=2.5MPa及工作温度50选用垫片形式为缠绕垫、柔性石墨复合垫，查钢制管法兰、垫片、紧固件，表4.0.2-1，根据设计压力为Pc=2.5MPa，采用金属缠绕式垫片带内环形（代号为B），选择法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。缠绕金属为

26、304不锈钢，填充材料为柔性石墨或石棉。对应垫片尺寸如表：得对应垫片尺寸如表： 表5-3垫片尺寸符号管口名称公称直径DN(mm)内环内径D1(mm)缠绕垫内环厚度T1(mm)内径D2外径D3厚度Ta液位计口202736502.51.8b放气管80861061202.51.8c人孔5005125495753.22.4d安全阀80861061202.51.8e排污口505773872.51.8f液相出口80861061202.51.8g液相回流管80861061202.51.8h液相进口80861061202.51.8i气相管80861061202.51.8j压力表口202736202.51.8k

27、温度计口202736202.51.85.1.3 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Q345R。螺母的材料选用及具体尺寸应符合以下要求：查HG/T 20592-1997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：螺母的选用要与法兰专用螺栓配合使用，螺母的相关尺寸应满足以下要求:螺母的材料选用及具体尺寸应符合以下要求：表5-4 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20M127513242.5b放气管8

28、0M169017303d安全阀80M169017303e排污口50M169017303f液相出口80M1610017303g液相回流管80M1610017303h液相进口80M1610017303i气相管80M1610017303j压力表口20M127013242.5k温度计口20M127013242.55.2人孔的设计 5.2.1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=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=2.5

29、MPa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5-5人孔尺寸表密封面形式公称压力公称直径dwsdD凹凸面2.5MPa50053012500730660280123bABL螺柱数量螺母数量螺柱尺寸总质量kg444348405200300302040M36180331人孔外伸长度为300mm5.3人孔补强圈设计5.3.1补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔，设：厚度附加量c=2mm开孔直径d=di+2c=500+22=504mm ， 则dDi2=1700/2=850mm故可以采

30、用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用Q345R号钢，其许用应力t=189MPa，根据GB150-2011中，其中：壳体开孔处的计算厚度8.80mm。接管的有效厚度mm强度削弱系数，所以开孔所需补强面积为：A=5048.80=4435.2mm25.3.2有效补强范围2.1补强有效宽度B的确定：按GB150中有：B1=2d=2504=1008 mm，B2=d+2n+2nt=504+212+212=552mmB=max（B1 ， B2）=1008 mm2.2有效高度的确定外侧有效高度的确定，根据GB150中式8-8，得： ，内侧有效高度的确定，根据GB150-2011中式8-9，得：，5.3.3

31、有效补强面积根据GB150中式8-10 式8-13，分别计算如下：Ae=A1+A2+A31筒体多余面积2管的多余面积接管厚度：焊缝金属截面积：焊角取6.0mm，则3补强面积Ae=A1+A2+A3=201.6+1029.67+36=1267.27mm2，因为AeA=4032.00mm2，所以开孔需另行补强。A4= A Ae=4435.2-1267.27=3167.93mm2补强圈设计：根据DN500取补强圈外径D=840mm。因为BD，所以在有效补强范围。补强圈内径d=530+9.2=539.2mm补强圈厚度：=A4(D-d)=10.53mm圆整取名义厚度为12mm,但为便于制造时准备材料，补强

32、圈名义厚度也可以取为封头的厚度为12mm。根据GB-150，JB/T4736-2002，补强圈焊接形式D型， D1=d0+(612)。表3-6 补强圈补强及附件的选择接管公称直径DN/mm外径D2内径D1厚度（）重量（Kg）500840539.21231.15.4鞍座选型和结构设计5.4.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-2048，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= 189MPa。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Q345普通碳素钢，取=7.851

33、03kg/m3m2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。m3为充液质量：液化石油气水 故m3（max）=水V=1000V=1000（/41.726+20.6999）=15018.6 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=3018.57+2302.8+15018.6+3022+400 19647kg。 每个鞍座承受的重量为 G/2=mg / 2=196479.8/2=96.27 kN由此查JB 4712.1-2007

34、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：表3-7鞍座支座结构尺寸公称直径DN1700腹板28垫板b4390允许载荷Q/kN275 筋板l327548鞍座高度h250b2170e70底板l11200b3240螺栓间距l21040b120038螺孔/孔长D/l24/40112弧长1990重量kg122图3-11鞍座5.4.2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 47