30立方米液化石油氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

1、前言隨著我國化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，各地建立了大量的液化氣儲(chǔ)配站。對(duì)于儲(chǔ)存量小于500 或單罐容積小于150時(shí)一般選用臥式圓筒形儲(chǔ)罐。液化氣儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存易燃易爆介質(zhì)直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要設(shè)備。因此屬于設(shè)計(jì)、制造要求高、檢驗(yàn)要求嚴(yán)的三類壓力容器。本次設(shè)計(jì)的為30液化石油氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)即為此種情況。液化石油氣貯罐是盛裝液化石油氣的常用設(shè)備, 由于該氣體具有易燃易爆的特點(diǎn), 因此在設(shè)計(jì)這種貯罐時(shí), 要注意與一般氣體貯罐的不同點(diǎn), 尤其要注意安全, 還要注意在制造、安裝等方面的特點(diǎn)。目前我國普遍采用常溫壓力貯罐,一般貯存總量大于500或單罐容積大于200時(shí)選用球形貯罐比較經(jīng)濟(jì); 而圓筒形貯罐具有加工制

2、造安裝簡(jiǎn)單, 安裝費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn), 但金屬耗量大占地面積大, 所以在總貯量小于500, 單罐容積小于100時(shí)選用臥式貯罐比較經(jīng)濟(jì)。本文主要討論臥式圓筒形液化石油氣貯罐的設(shè)計(jì)。臥式液化石油氣貯罐設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。臥式液化石油氣貯罐也是一個(gè)儲(chǔ)存壓力容器, 也應(yīng)按GB150鋼制壓力容器進(jìn)行制造、試驗(yàn)和驗(yàn)收; 并接受勞動(dòng)部頒發(fā)壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程(簡(jiǎn)稱容規(guī)) 的監(jiān)督。液化石油氣貯罐, 不論是臥式還是球罐都屬第三類壓力容器。貯罐主要有筒體、封頭、人孔、支座以及各種接管組成。貯罐上設(shè)有液相管、氣相管、排污管以及壓力表、溫度計(jì)、液面計(jì)等。第1章 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇1.1設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 表1-:1：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 序號(hào)項(xiàng)目數(shù)值單

3、位備注1名稱30液化石油氣儲(chǔ)罐2用途液化石油氣儲(chǔ)存3最大工作壓力1.77MPa4工作溫度505公稱容積306裝量系數(shù)0.9t/7工作介質(zhì)液化石油氣8工作壓力波動(dòng)不考慮9使用地點(diǎn)荊門市，室外10其他要求100%無損檢測(cè)1.2設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力是根據(jù)最高工作壓力來確定，原則是根據(jù)最危險(xiǎn)的操作情況而定。通常選取工作壓力的1.05-1.1倍，本次設(shè)計(jì)選取1.1，數(shù)據(jù)見下表1-2。表1-2：液化石油氣飽和蒸氣壓及密度介質(zhì)溫度-15103050液化石油氣飽和蒸汽壓（絕壓）MPa0.1830.3190.7221.182丙烷0.2790.6161.0581.710液化石油氣飽和液體密度kg/5715435124

4、485該儲(chǔ)罐用于液化石油氣的儲(chǔ)存，屬于常溫，工作壓力為介質(zhì)在相應(yīng)溫度下的飽和蒸氣壓。其中丙烷占主要部分可以選取丙烷的飽和蒸汽壓。因此取50時(shí)丙烷的飽和蒸汽壓為最高工作壓力，由上表知50時(shí)丙烷的飽和蒸汽壓為1.710MPa，則其表壓為1.710-0.1=1.610MPa，故設(shè)計(jì)壓力為1.610x1.1=1.77MPa。1.3設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度是指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件金屬溫度。其值必須大于或等于正常工作的最高溫度。由于工作環(huán)境在荊門室外，取最高溫度50為設(shè)計(jì)溫度。1.4選取材料正確的選材對(duì)于設(shè)備安全運(yùn)行和降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要。壓力容器用材有：受壓殼體及設(shè)備零部件又有受壓元件與非受壓元件，

5、其包含有：鋼板，鋼管，鋼棒等。壓力容器經(jīng)鋼板成型焊接而成。法蘭視情況采用鋼板或者鍛件。螺栓，螺母采用鋼棒。支座選用型鋼或者鋼管。常見的碳素鋼和低合金鋼有Q245R,Q345R等。無縫鋼管材料有：10Mn，16Mn等。對(duì)于此次儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)壓力為中壓，溫度范圍-2050，綜合設(shè)備結(jié)構(gòu)工藝和工作條件，參照GB713-2008，查鍋爐與壓力容器用鋼板表2，可選用材料為Q345R。密度=785kg/m³，許用應(yīng)力=189MPa。鋼管材料可以選用16Mn等據(jù)JB/T 4732，支座材料可用Q235-A，地腳螺栓螺母按照GB/T700-2007規(guī)定，可選用Q235。第2章 筒體及封頭的設(shè)計(jì)2.1筒體

6、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長徑比L/D，選擇時(shí)考慮的兩個(gè)因素，罐體的加工和其受力大小。綜合兩方面情況長徑比L/D一般取36，在這里可選L/D=4。I筒體直徑Di的確定視筒體為圓柱形的，初步計(jì)算儲(chǔ)罐直徑Di由：V=/4 L=4Di得：Di=2.122m=2122mm由于內(nèi)徑必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)內(nèi)徑可圓整為國家標(biāo)準(zhǔn)的公稱直徑DN故取Di=2200mmII筒體長度由于儲(chǔ)罐的容積是圓柱形筒體容積與兩個(gè)封頭的容積之和，即：V=Vt+Vf式中Vt圓柱形筒體的容積m³ Vf單個(gè)封頭的容積 m³據(jù)JB/T4746-2002可得封頭的容積為Vf=1.5459m³故：Vt=V-Vf即：=V-2Vf

7、故：L=4（V-2Vf）/=4x（30-2x1.5459）/2.2x2.2=7.079 圓整后取L=7100mm此時(shí)長徑比L/Di=7100/2200=3.23在36之間。2.2封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中低壓容器常采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，參照GB/T25198-2010知封頭的公稱直徑與筒體的公稱直徑一致。查化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)表3-3得封頭見表2-1，示意圖樣見圖2-1：表2-1：EHA橢圓封頭參數(shù)公稱直徑DN/mm總深度H/mm內(nèi)表面積A/容積Vf/m³22005905.52291.5459圖2-1：EHA橢圓封頭示意圖注：圖中Hi表示封頭的曲面深度，Di為筒體的內(nèi)徑即：公稱直徑DN，dn為封

8、頭名義厚度。2.3計(jì)算壓力的確定由于設(shè)計(jì)為臥室儲(chǔ)罐，因此液體最大高度hmaxDi=2200mm則：Pmax靜=ghmax=0.58x9.8x2200=12.50KPa=0.0125MPa且：Pmax靜/P設(shè)=0.0125/1.77=0.0071=0.71%<5%因此P靜可以忽略不計(jì)。故：設(shè)計(jì)壓力Pc=P=1.77MPa2.4筒體與封頭計(jì)算2.4.1筒體壁厚的確定內(nèi)壓容器計(jì)算厚度有中徑公式確定式中-材料許用應(yīng)力MPa Pc計(jì)算壓力MPaDi筒體公稱直徑 mm -焊接接頭系數(shù)假定筒體壁厚616mm， =189MPa， Pc=1.77MPa，Di=2200mm。由于介質(zhì)易燃易爆，采用雙面對(duì)焊連

9、接，100%無損檢測(cè)取=1則，d=1.77x2200/（2x189x1-1.77）=10.35mm取鋼板負(fù)偏差C1=0.3mm C2=2mm故，dn=d+C1+C2=10.35+0.3+2=12.56mm所以，取名義厚度dn=14mm 2.4.2封頭壁厚的確定標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭壁厚計(jì)算為：取名義厚度dn=14mm顯然，dn>0.15%Di=0.0015x2200=3.3mm故，厚度dn=14mm 符合要求。兩封頭的型號(hào)為：EHA2200x14-Q345R JB/T4746-2007。2.5強(qiáng)度校核筒體水壓試驗(yàn)強(qiáng)度校核，試驗(yàn)壓力故：校核時(shí)筒體的薄膜應(yīng)力:查過程設(shè)備設(shè)計(jì)附錄表D-1得 ：Rel=3

10、45MPa。則，0.9Rel=0.9x1x345=310.5MPa>209.1MPa故校驗(yàn)合格。校驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)見附錄1，SW6校核。2.6氣密性試驗(yàn)液化石油氣為易燃易爆介質(zhì)，故不允許出現(xiàn)任何泄漏，因而必須進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，氣密性試驗(yàn)的壓力為1.77MPa。第3章 鞍座選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 支座的選取臥式容器支座包含圈座、支承式支座和鞍式支座。支承式支座雖然在構(gòu)造方面簡(jiǎn)單，可是它的反向作用力對(duì)殼體產(chǎn)生的應(yīng)力值太高，故只適應(yīng)于小型設(shè)備；圈座不盡對(duì)圓筒殼具有加強(qiáng)作用，且當(dāng)支座多于兩個(gè)時(shí)較鞍座受力好，真空容器或壁厚的容器可以采用圈座；對(duì)于換熱器、臥式容器等，則大多采用鞍式支座，鞍座的結(jié)構(gòu)和尺寸，不

11、包括一些特殊的例子，通常都是按照公稱直徑和重量選用標(biāo)準(zhǔn)鞍座。在支座的規(guī)范上，我國標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 4712.12007容器支座。鞍式支座分為輕型(A)和重型(B)，輕型和重型都包含有固定式和滑動(dòng)式，直徑1000 mm以上的，輕型鞍座就即可，為保證容器的熱脹冷縮的位移要求，F(xiàn)型和S型應(yīng)總是配對(duì)使用。所以本設(shè)計(jì)選擇輕型鞍座，其中固定式和滑動(dòng)式配套使用。3.2鞍座計(jì)算根據(jù)筒體結(jié)構(gòu)和參數(shù)，鞍座可采用雙鞍式支座，鞍座的材料選用Q235-A。為確定鞍座的型號(hào)，需粗略計(jì)算鞍座的負(fù)荷。貯罐總質(zhì)量：式中 筒體質(zhì)量，kg;；封頭質(zhì)量，kg；充液質(zhì)量，kg；附件質(zhì)量，kg。正常工作下，為液化石油氣的質(zhì)量。液壓實(shí)驗(yàn)中，

12、為水的質(zhì)量。3.2.1 筒體質(zhì)量根據(jù)的筒節(jié)， 3.2.2 封頭質(zhì)量根據(jù)，查標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4746-2010鋼制壓力容器用封頭中EHA橢圓形封頭質(zhì)量，可知，3.2.3 充液質(zhì)量因?yàn)樗?gt;液氨，所以充液質(zhì)量為液氯質(zhì)量于是kg3.2.4 附件質(zhì)量人孔質(zhì)量約400kg，其他接口管總重約100kg,則=500kg設(shè)備總質(zhì)量： 每個(gè)鞍座的負(fù)荷： =結(jié)合JB4712.1-2007容器支座可知，采用輕型，焊制是A,包角是120，配墊板的鞍座。通過JB4712.1-2007得鞍式支座結(jié)構(gòu)尺寸：表3-1： 鞍式支座結(jié)構(gòu)參數(shù)公稱直徑DN/mm2200腹板d2/ mm10墊板弧長2570允許載荷Q/KN405筋板

13、245b4500鞍座高度h/mm250208d410底板l1/mm1580290e100b1/mm2408l21380d1 mm14鞍座質(zhì)量/kg205D/l24/403.3鞍座位置確定雙鞍座臥式儲(chǔ)罐受力狀態(tài)可簡(jiǎn)化為受均布載荷的外伸簡(jiǎn)支架。材料力學(xué)知，當(dāng)外伸長度A=0.207L時(shí)，跨越中間的彎矩與支座截面處的彎矩絕對(duì)值相等。故取A0.2L。其中L為兩封頭切線間的距離，A為鞍座中心線到封頭切線的距離，即：A0.2L=0.2L（筒體）+2h=0.2x(7100+2x40)=1436mm。當(dāng)鞍座接近封頭時(shí)，封頭對(duì)支座有局部加強(qiáng)作用，充分利用這一點(diǎn)在滿足A0.2L前提下，盡量使A0.5Ro（筒體的外徑

14、）。即：A0.5（Di/2+dn）=0.5x（2200/2+14）=557mm。綜上可以取A=550mm。鞍座與筒體的位置見圖3-1。圖3-1：鞍座與筒體的位置注：圖中Hi表示封頭的曲面深度，L為兩封頭切線間的距離，A為鞍座中心線到封頭切線距離。左鞍座為固定式鞍座代號(hào)：JB/T4712-2007 鞍座 A2200-F，右邊的鞍座為滑動(dòng)式鞍座代號(hào)：JB/T4712-2007 鞍座 A2200-S。第4章 其他零部件的選用4.1接管和接管法蘭確定4.1.1接管據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T8163-2007，接管采用無縫鋼管，材料為16Mn，與筒體連接為平齊式。由于設(shè)備位于荊門室外，無需要保溫層，可選取長度為10

15、0-105mm之間。確定各接管口參數(shù)見下表4-1。表4-1：各接管口符號(hào)用途公稱直徑/mm壁厚/外徑mm /mm連接形式管口伸出長度/mmA進(jìn)料口404/48FM100B放空口203/25FM100C出料口804.5/89FM150D放凈口1005/110FM150LG1-2液位計(jì)口203/25FM100LT1-2自動(dòng)液位計(jì)口404/48FM100M人孔45012/480MFM4.1.2管法蘭管法蘭用于管道間及設(shè)備上的接管與管道的連接。法蘭是標(biāo)準(zhǔn)件，據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T4700-2002壓力容器法蘭制造。管法蘭按照HG/T20592-2009鋼制管法蘭設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)壓力，操作溫度和法蘭的材料決定法蘭

16、的公稱壓力PN應(yīng)該比設(shè)計(jì)壓力稍高，應(yīng)當(dāng)大于1.77MPa，故選用PN0.25。管法蘭參數(shù)見下表4-2。表4-2：接管法蘭符號(hào)公稱直徑/mm法蘭焊端外徑/mm法蘭外徑/mm代號(hào)A4045130HG/T20592法蘭WN 40-2.5FM S=4 Q345RB202590HG/T20592法蘭WN 20-2.5FM S=3 Q345RC8089190HG/T20592法蘭WN 80-2.5FM S=4.5 Q345RD100108210HG/T20592法蘭WN 100-2.5FM S=5 Q345RLG1-2202590HG/T20592法蘭WN 20-2.5FM S=3 Q345RLT1-24

17、045130HG/T20592法蘭WN 40-2.5FM S=4 Q345RM4504805954.2墊片墊片的類型和參數(shù)取決于對(duì)應(yīng)法蘭的公稱直徑DN，公稱壓力PN和密封面的形式來確定據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20609-2009查過程設(shè)備設(shè)計(jì)因介質(zhì)為液化石油氣，公稱壓力PN為2.5MPa，溫度為50，密封面為凹凸面則墊片形式可選用纏繞墊材料選用OCr13。墊片參數(shù)見下表4-3。表4-3：墊片符號(hào)公稱直徑/mm內(nèi)徑D1/mm外徑D2/mm厚度/mmA4068923B2045.5613C80109.51423D100131.51683LG1-22045.5613LT1-24068923M4505035643

18、4.3螺栓（螺柱）選型由于介質(zhì)是液化石油氣，屬于易燃易爆的物質(zhì)PN1.6MPa，故采用高等級(jí)雙頭螺柱及螺母?？紤]到設(shè)備位于荊門室外，可選用六角頭粗牙螺紋，材料為Q235，參照HG/T20606-2009，螺柱參數(shù)見下表4-4。表4-4：螺柱符號(hào)公稱直徑/mm代號(hào)A40螺柱 GB/T 5783-2000 M10x30B20螺柱 GB/T 5783-2000 M8x20C80螺柱 GB/T 5783-2000 M12x30D100螺柱 GB/T 5783-2000 M16x35LG1-220螺柱 GB/T 5783-2000 M8x20LT1-240螺柱 GB/T 5783-2000 M10x30

19、M450螺柱 GB/T 5783-2000 M24x504.4人孔由于筒體公稱直徑DN=22001000，公稱壓力PN2.5MPa，據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47042-2014知，筒體長度L=71008000因此可以采用一個(gè)人孔。由于介質(zhì)是液化石油氣，屬于易燃易爆的物質(zhì)故材料選用Q345R。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20595-2009查的可用公稱直徑為450mm的帶頸對(duì)焊法蘭，人孔參數(shù)見下表4-5。表4-5：帶頸對(duì)焊法蘭名稱公稱直徑/mmDw*SDD1d螺栓規(guī)格螺栓數(shù)量質(zhì)量/kg帶頸對(duì)焊法蘭450480x12670600450M33x220211第5章 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)及儲(chǔ)罐焊接5.1開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)據(jù)GB/T150標(biāo)

20、準(zhǔn)，當(dāng)在設(shè)計(jì)壓力小于或者等于2.5MPa的殼體上開孔時(shí)，兩相鄰開孔中心的間距大于兩孔之和的兩倍。若接管的公稱直徑小于或者等于89mm時(shí)，不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。其中放凈口公稱直徑DN=100mm，人孔公稱直徑DN=450mm需要補(bǔ)強(qiáng)。常見的補(bǔ)強(qiáng)有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)和整鍛件補(bǔ)強(qiáng)三種。由于此次為中低壓容器故采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。5.1.1人孔（M）的補(bǔ)強(qiáng)接管材料為16Mn，在50時(shí)其許用應(yīng)力178MPaI 所需補(bǔ)強(qiáng)最小面積A=d+2（1-fr）其中d=di+2Ct， Ct=c1+c2=0.2+2=2.3圓整得Ct=3mm 筒體計(jì)算壁厚12.65mm 接管的有效厚度=-c2=14-2=12mm fr=/=1

21、78/189=0.94故 ： A=454x12.56+2x12.56x12x(1-0.94)=5703.7mm²II 有效補(bǔ)強(qiáng)圈范圍有效寬度B1=max2d，d+2+2=2x454，454+2x14+2x12=908mm外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度h1=min，接管實(shí)際高度=14,250=79.71mm內(nèi)側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度h2=min，接管內(nèi)側(cè)高度=12，0=0則： A1=(B-d)(-)-2(-)(1-fr)=(908-454)(14-2-0.3-10.35)-2x12x(14-2-0.3-10.35)(1-0.94)=611.0mm²=Pcdi/（2-Pc）=1.77x450/(2x1

22、78x1-1.77)=2.25mmA2=2h1（-）fr+2h2(-C2t)=2x79.71x(12-2.25)x0.94+2x0=1461.1mm²A3=²=6²=36mm² 為焊角可取值為6。補(bǔ)強(qiáng)面積Ae=A1+A2+A3=611.0+1461.1+36=2108.1mm²A=5703.7mm²需要補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)面積A4A-Ae=5703.37-2108.1=3595.6mm²圓整可取A4=3600mm²5.1.2放凈口（D）補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算過程參照附錄SW6校核計(jì)算。5.1.3補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)圈選用的材料通常選用筒體相同的

23、材料，這里選用Q345R。補(bǔ)強(qiáng)圈的幾何尺寸由對(duì)應(yīng)的開孔公稱直徑?jīng)Q定，據(jù)JB/T4736-2002標(biāo)準(zhǔn)選用補(bǔ)強(qiáng)圈的幾何尺寸見下表5-1。表5-1：補(bǔ)強(qiáng)圈的幾何尺寸公稱直徑DN100200450500補(bǔ)強(qiáng)圈外徑D2200400760840由補(bǔ)強(qiáng)圈的計(jì)算厚度公式=A4/（D2-do） 式中do接管的外徑可參照表4-1因此，人孔M處補(bǔ)強(qiáng)圈的計(jì)算厚度m=3600/（760-470）=12.4114mm放凈口D處補(bǔ)強(qiáng)圈的計(jì)算厚度D=650/（200-110）=7.2214mm故取與筒體相同材料和壁厚。選擇型號(hào)為：人孔M處DN450x14-B-Q345R；放凈口D處DN100x14-A-Q345R。5.2儲(chǔ)罐的焊接5.2.1回轉(zhuǎn)殼體焊接設(shè)計(jì)對(duì)于不允許泄漏的回轉(zhuǎn)殼體焊接必須采用對(duì)焊接頭，不允許采用搭接或者其他形式的焊接接頭，焊縫必須采用全焊透。5.2.2接管補(bǔ)強(qiáng)圈的焊接補(bǔ)強(qiáng)圈與