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1、毕业设计（论文）38m 3液化石油储罐结构工艺及焊接工艺设计摘 要液化石油气贮罐是盛装液化石油气的常用设备，由于该气体具有易燃易爆的特点，因此在设计这种贮罐时，要注意与一般气体贮罐的不同点，尤其是安全与防火，还要注意在制造、安装等方面的特点。卧式储罐设计是以应力分析为主要途径，以材料力学为基础，对容器的各个主要受压部分进行设计。其设计的目的主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等方面要求，设计中主要从强度和刚度两方面进行设计保证容器不因过渡变形而发生泄露失效，最终达到安全可靠的工作性能的要求。 该液化石油储罐依据GB150、JB/T4732等设计标准、严格执行TSG
2、 R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程的规定，充分考虑节能降耗的要求，基于弹性失效准则，完成对液化石油气储罐的设计；在AUTOCAD中正确绘出装配图；以储罐的 建模，分析储罐整体的 应力，数据显示在人孔接管与壳体连接处发生应力集中，同时经过查阅资料，运用公式也证明了只有人孔接管需要补强；然后对该储罐进行了补强设计。关键词：卧式储罐，应力，刚度，强度，结构设计38m3 LIQUEFIED OIL TANK STRUCTURE DESIGN PROCESS AND WELDING PROCESSABSTRACTLiquefied petroleum gas storage tank
3、is holding common equipment of liquefied petroleum gas (LPG), due to the characteristics of the gas is flammable and explosive, so in the design of the storage tank, to pay attention to the differences and common gas storage tank, especially for security and fire prevention, note also that in the as
4、pect of manufacture, installation, etc.Horizontal tank design is based on stress analysis as the main way, on the basis of mechanics of materials, to design the main compression portion of the container. Its design purpose is mainly to determine the reasonable, economic structure, and satisfy the fa
5、brication, inspection, assembly, transportation and maintenance requirements, mainly from two aspects of strength and stiffness in the design of design to ensure container does not leak due to transition of deformation failure, eventually reached the requirements of safe and reliable work performanc
6、e.The liquefied oil tank based on GB150, JB/T4732 Design standards, strict enforcement of TSG R0004-2009 stationary pressure vessels safety technology supervision procedures provisions, give full consideration to saving energy and reducing consumption, based on the elastic failure criteria (Design b
7、y Rule), and complete Design of LPG storage tank; Correct draw assembly drawings in AUTOCAD; Tank model, was used to analyze the overall stress of the storage tank, the data displayed in the manhole pipe and casing joint stress concentration occurs, through access to information at the same time, us
8、ing the formula is also proved that only need manhole over reinforcement; Then has carried on the reinforcement to the tank design.KEY WORDS: Horizontal tank, Stress, Stiffness, Strength, Structure design目录摘 要IABSTRACTII目录III前言1第1章 设计参数的选择31.1 液化石油气参数的确定31.2 设计温度31.3 设计压力41.4 设计储量51.5 主要元件材料的选择51.5.
9、1 筒体材料的选择51.5.2 鞍座材料的选择51.5.3 地脚螺栓的材料选择5第2章 容器的结构设计62.1 圆筒厚度的设计62.2 封头壁厚的设计62.3 筒体和封头的结构设计72.3.1 筒体设计72.3.2 封头设计72.4 人孔的选择82.5 通用件的选用92.5.1 接管和法兰92.5.2 垫片122.5.3 螺栓（螺柱）的选择132.6 鞍座选型和结构设计142.6.1 鞍座选型142.6.2 鞍座的安装位置152.7人孔补强圈设计152.8 其他附件的设计162.8.1 液面计的设计162.8.2 安全阀的设计16第3章 应力校核173.1 水压试验应力校核173.2 圆筒轴向
10、弯矩计算173.2.1 圆筒中间截面上的轴向弯矩173.2.2 支座截面处的弯矩183.3 圆筒轴向应力计算并校核183.3.1 圆筒中间截面上的轴向应力183.3.2 由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算并校核193.3.3 圆筒轴向应力校核193.4 切向剪应力的计算及校核203.4.1 圆筒切向剪应力的计算203.5 鞍座应力计算并校核203.6 地震引起的地脚螺栓应力21第4章 焊接工艺设计224.1 储罐的基本构成224.2 技术要求234.3 材料的选择244.4 焊接技术特性及要求254.4.1 技术特性254.4.2 技术要求254.5 焊接工艺流程264.5.1 焊缝编号及示意
11、图274.5.2 接管与壳体封头的焊接274.5.3 各筒节纵向焊缝焊接工艺分析324.5.4 各筒节环向焊缝焊接工艺分析344.5.5 焊后热处理工艺参数35结论36谢 辞37参考文献38外文资料翻译39前言随着科技发展的日新月异，由于我国石油资源的限制，必须充分利用国外石油资源。目前我国每年均要进口几千万吨原油和几百万吨液化石油气，才能满足国民经济和人民生活的需要。（储罐，压力容）另一方面，随着全球经济一体化的发展和我国即将加入世界贸易组织(WTO)，我国必须大力增加石油储备资源，以减少国际局势动荡对我国经济的影响。以上情况迫切要求我们大力增加石油储存能力，发展大型储罐。目前(1015)万
12、m3的浮顶罐是世界各国储存原油的主体罐型。日本已建成了单罐容量为16万m3的大型储罐，还设计出了18万m3和30万m3的特大型储罐。 我国陆续在秦皇岛、黄岛、浙江舟山和大连等地建造了十几座10万m3的浮顶原油罐(系引进日本的技术与主要材料)，使得5万m3和10万m3浮顶罐已成为我国目前原油储存的主体罐型。由于大容量储罐的单位容量的耗钢量、投资及运营费用较低，为了适应我国原油进口和适当储备的形势，我们面临建造更大容量储罐的任务。 在选材方面，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。根据国标规定选用16MnR为筒体材料，适用于介质含有少量硫化物，具
13、有一定腐蚀性，壁厚较大（8mm）的压力容器。为了得到良好的焊接工艺，封头材料和筒体材料一致，也是16MnR。对于汽油、喷气燃料和柴油等大宗油料的储罐，随着石油和石油化工企业生产加工装置的大型化，也正朝着大型化发展。深圳某些石化企业已建成了一批(25)万m3的内浮顶成品油料储罐。 对于液化石油气的储存，在沿海地区要大力开发大型常压低温储罐，以满足液化石油气需求量日益增长(主要由国外进口)的储存要求。对于液化石油气的生产企业，它的主体罐型将是在常温压力下储存l0003000 m3的球罐。因为在这些企业中，液化石油气的储罐储存能力一般为7天10天的生产量。由于油料周转快，要采用常压低温储存，就必须设
14、置庞大的致冷设备，将生产装置生产的温度为40左右的液化石油气降至-4(丁烷)-42(丙烷)，而液化石油气的出厂手段一般为铁路罐车、汽车罐车或水运装船，用户都不要求进低温的液化石油气，这样就会造成能量的巨大浪费和作业困难，所以在这些液化石油气的生产企业中采用大容量常压低温储罐在经济上是不可行的。 本课题针对于38m3液化石油储罐的设计，主要是为了了解中小型储罐存在的意义和对一些场合特殊的用途。通过此次对该储罐的结构及焊接工艺的研究中，更能够加深理解储罐类产品对化工工业发展的重要性。第1章 设计参数的选择1.1 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
15、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0.012.2549.323.4821.963.791.190.02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-2501.30.20.060.040.0250.0070-2001.380.270.0750.0480.030.0090002.3550.4660.1530.1020.0340.02402003.7210.8330.2940.2050.0760.058050071.744
16、0.670.50.20.160.00111.2 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。1.3 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
17、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，如下表:表1-3 各种成分在相应温度下的饱和蒸气分压温度/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-2500.0290.09460.0140.00880.00090.000080-2000.0310.1270.01760.01050.00110.000110000.0530.22040.03590.02240.00130.0002602000.0840.3940.0690.0450.00290.0006305000.1580.08250.15730.10980
18、.00760.00190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+23.48%0.67+21.96%0.5+3.79%0.2+1.19%0.16+0.02%0.0011=1.25901 MPa （1-1）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。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=1.11.744=1.9184MPa。1.4
19、 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580Kg/m3，盛装液化石油气体的压力容器设计储存量为：W=Vt=0.938580=19836t （1-2）1.5 主要元件材料的选择1.5.1 筒体材料的选择选用筒体材料为16MnR(钢材标准：GB 6654）。1.5.2 鞍座材料的选择 该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-2048，按国家标准选择鞍座材料为16MnR，使用温度为-20250，许用应力为sa= 170MPa。1.5.3 地脚螺栓的材料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
20、准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345。第2章 容器的结构设计2.1 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=170MPa。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。=mm （2-1）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知，钢板厚
21、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=14.51+2=16.51mm （2-2）n=d+C1=16.51+0=16.51mm （2-3）圆整后取名义厚度n=18mm，t没有变化，故取名义厚度18mm合适。2.2 封头壁厚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。 =14.465 mm （2-4）同理，选取C2=2 mm ，C1=0 mm 。 n=+C1+C2=14.465+2+0=16.465 mm （2-5）圆整后取名义厚度为n=18mm跟筒体一样，选择厚度
22、为18mm的16MnR材料合适。2.3 筒体和封头的结构设计对于承受内压，且设计压力Pc=1.9184MPa35m且比较接近，所以结构设计合理。2.4 人孔的选择查压力容器与化工设备实用手册，因筒体长度7600mm6000mm，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HG/T21518-2005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2-2 回转盖带颈对焊法兰人孔表2-2
23、 人孔尺寸表密封面形式公称压力公称直径dSdDD1H1H2bb1b2ABLd0螺柱数量螺母数量螺柱尺寸总质量凹凸面2.5Mpa50053012500730660270134485455405200300302040M361803312.5 通用件的选用2.5.1 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，选用PN2.5MPa带颈平焊法兰（SO），由介
24、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16MnR。根据各接管公称通径，查得各法兰的尺寸如下：图2-3 带颈平焊钢制管法兰表2-3 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法兰颈法内兰径B1坡口宽度b法兰理论质量Kg法兰外径DD螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓通径a液位计口3238140100188M161830603952.02b放气管8089200160188M1624401189164.86d安全阀口8089200160188M164401189164.86e排污口808
25、9200160188M1624401189164.86f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图2-4 筒体整体、接管、人孔分布图接管外径的选用以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
26、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表：表2-4 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2025110030.2442.5.2 垫片查钢制管法兰、垫片、紧固件，知凹凸面法兰用MFM型垫片尺寸，根据
27、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2-5 凹凸面型垫片表2-5 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80120142
28、3i气相管口2045.5613j压力表2045.5613k温度计2045.56132.5.3 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Q345。查钢制管法兰、垫片、紧固件得螺柱的长度和平垫圈尺寸：图2-6 双头螺柱图2-7 螺母表2-6 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80M
29、1610017303h液相进口80M1610017303i气相管80M1610017303j压力表口20M127513242.5k温度计口20M127513242.52.6 鞍座选型和结构设计2.6.1 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 （2-9）其中：m1 为筒体质量：对于16MnR普通碳素钢，取=7.85103kg/m3L=DL= =8571.936kg （2-8）m2为单个封头的质量：查标
30、准JB/T 4746-2002 钢制压力容器用封头中椭圆形封头质量，可知m2=839.3kg m3为充液质量：液化石油气水故m3（max）=水V=1000V=122701.84 kg （2-10） 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。m=m1+2m2+m3+m4=134344.18kg134344kg （2-11） 每个鞍座承受的重量为 G/2=mg / 2=1343449.8/2=658.286 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
31、鞍座尺寸如下：表2-7 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kg2152.6.2 鞍座的安装位置因为当外伸长度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
32、 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 （2-12）有 h=H-Di / 4=615-2300 / 4=40mm故 A0.2(L+2h)=0.2(8400+240)=1696mm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
33、=1159mm 。A0.5Rm =0.51159=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）2.7 人孔补强圈设计图2-8 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16mm,质量41.5kg。查钢制管法兰、垫片、紧固件得人孔法兰。2.8 其他附件的设计2.8.1 液面计的设计储罐总高H=h+D=40+2300=23403000m，容器盛装液化石油气，物料没有结晶等易堵塞固体，所以选用玻璃管式液面计。液面计通过法兰与设备连接在一起。2
34、.8.2 安全阀的设计 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。第3章 应力校核3.1 水压试验应力校核试验压力试验压力：PT=1.25P MPa （3-1）圆筒的薄膜应力： MPa （3-2） 0.9Rel=0.90.9345279.45 MPaT173.555MPa ， 合格即，所以水压试验合格。3.2 圆筒轴向弯矩计算3.2.1 圆筒中间截面上的轴向弯矩圆筒的平均半径Ra=Di/2+n/2=1159mm，座
35、反力F=679895N根据JB/T 4731-2005得：M1= （3-3） = 化简得：M1=F（C1L-A）其中C1=.006 Mi=F（C1L-A）=338.792 kN.m其中，剪力弯矩图如下图所示：图3-1剪力弯矩示意图3.2.2 支座截面处的弯矩M2= （3-4）式中： C2=2 C3=0.05 M2=-331.96 kN.m3.3 圆筒轴向应力计算并校核3.3.1 圆筒中间截面上的轴向应力计算截面最高点（压应力） 1= （3-5） =63.84 MPa截面最低点（拉应力） 2=74.04 MPa （3-6）3.3.2 由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算并校核鞍座平面上，由压力及轴
36、向弯矩引起的轴向应力，按下式计算：1当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强（即）时，轴向应力位于横截面最高点处. 取鞍座包角，查资料得，.则：鞍座横截面最高点轴向应力（拉应力） 3= （3-7）=73.936MPa 2 在横截面最低点处的轴向应力鞍座很截面最低点处轴向应力（压应力）4= （3-8）=73.936 MPa3.3.3 圆筒轴向应力校核A=1.307810-3 （3-9）查过程设备设计得,则B=EA=21051.370810-3=182.773Mpa （3-10）压应力不应超过tcr=min（t，B）=min（0.8182.773）=146.22 MPa在操作工况条件下，
37、轴向拉应力不得超过材料在设计温度下的许用应力t，压应力不应超过轴向许用临界应力cr和材料的t。t=0.9146=131.40 MPacr=B=182.77MPa在水压试验条件下，轴向拉应力不得超过0.9Rel=0.90.9345=279.45 MPa，压应力不应超过min0.8Rel，B=min0.8345,182.77=182.77MPa 1， 2t=182.77MPa 合格 压应力：|1|， |4|tcr=146.22 MPa 合格 Tcr=146.22MPa 合格3.4 切向剪应力的计算及校核3.4.1 圆筒切向剪应力的计算因A0.5Rm，带来的加强作用，根据包角=120查JB/T473
38、1-2005得K3=0.88，K4=0.401，其最大剪应力位于2=2（/2 +/20）的支座角点处。=K3=0.88=32.52 MPa （3-11）圆筒的切应力不应超过设计温度下的许用应力的0.8倍。即 0.8t=0.8182=145.60 MPa 合格圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力h=K4=0.401=14.82 MPa （3-12）由内压引起的拉伸应力（K=1.0）h=119.9 MPa （3-13）h+h=14.82+119.9=134.72 1.25t=227.5MPa 合格3.5 鞍座应力计算并校核1 水平应力 由包角=120，查JB/T 4731-2005 K9=0.204 水平分力 Fs=K9F=0.204679.895
