液化石油气储罐设计.doc

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1、第一章 工艺设计 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：表一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：表二，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.

2、8330.2940.2050.0760.058050071.7440.670.50.20.160.00111、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、 设计压力 该储罐用于液化

3、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，如表三：表三，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-2500.0290.09460.0140.00880.000950.0000830-2000.0310.1270.01760.01050.001140.0001090000.0530.22040.03590.02240.001290.00025602000.0840.3940.0690.0450.00

4、2880.0006305000.1580.08250.15730.10980.007580.00190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+23.48%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设计压力。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

5、压力。所以有Pc=1.1*1.744=1.9184MPa。3、 设计储量参考相关文件，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=Vt=0.925.4874500=11469.33 t二、 机械设计 筒体和封头的设计：对于承受内压，且设计压力Pc=1.9184MPa25m3 且比较接近，所以结构设计合理。封头的形状及尺寸如图：图A三、 设备的结构设计1、计算压力Pc：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=5009.82=9.8103 kpa 则P静可以忽略不记。2、 圆筒厚度的设

6、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，由JB 7421-2005选用Q345R为筒体材料，适用温度为-20250。根据GB150，初选厚度为625mm，最低冲击试验温度为-20，热轧处理。根据GB150查得Q345R钢在厚度为316mm，使用温度为-2048时的许用应力=189MPa 。 =mm3mm 对于Q345R ，需满足腐蚀裕度C21mm，取C2=2mm，C1=0.8mm。 d=+C2=11.342+2=13.342mm ， n=d+C1+=13.342+0.8+=15mm Q345R属于普通碳素钢，查工艺设计手册（下）中的板材规范

7、，选择厚度 =16mm的钢板，重量为125.6kg/m2 。 e=16-0.8-2=13.2 mm3、 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。 =11.31 mm同理，选取C2=2 mm ，C1=0.8 mm 。 n=+C1+C2+=11.31+0.8+2=15 mm 跟筒体一样，选择厚度为16mm的Q345R为材料冲压成型。 e=16-0.8-2=13.2 mm4、 容器法兰的设计查JB/T 4700-47072000压力容器法兰， 根据储罐公称直径DN=2000mm，公称压力PN=2.5MPa，查表1 法兰分类及参数表，选取长颈对焊法兰，标准号为JB/T

8、4703，密封面为凹凸面密封。 根据介质有一定的腐蚀能力，选用法兰材料（锻件）为16Mn，查表7 长颈法兰适用材料及最大许用工作压力，可知：16Mn法兰在公称压力PN=2.5MPa、工作温度为 -20200事的最大许用工作压力为2.5MPa ,能满足使用要求。由B/T 4700-47072000压力容器法兰，长颈对焊法兰尺寸表1查得法兰尺寸如下表5：表5 PN=2.5MPa是长颈对焊法兰的尺寸公称直径DN，mm法兰，mm螺柱对接筒体DD1D2D3D4HA12Rd规格数量最小厚度0，mm2000225021802129210921061441546428421839M366 8244.1 压力容

9、器法兰垫片的选择 储罐盛装液化石油气，根据介质性质选择耐油石棉橡胶垫片，其结构尺寸如下表6：表6 容器法兰用垫片公称压力PN，MPa2.5公称直径DN，mmDd2000210820484.2 连接螺柱设计 对于JB/T 4700-47072000压力容器法兰中的长颈对焊法兰连接，选用等长双头螺柱连接。其型式与尺寸按图B和表7的规定。图B （A）型螺柱5、 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

10、=m1+2m2+m3+m4 。m1 为筒体质量：对于16MnR普通碳素钢，取=7.85103kg/m3 m1=DL=3.1427.41610-37.85103=5107.275 kgm2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=485.8kg 。m3为充液质量：液化石油气水故m3（max）=水V=1000V=1000（/4227.4+21.1257）=25596 kg 。为附件质量：选取人孔后，查得人孔质量为302 kg，其他接管质量总和估为400 kg。综上述：总质量 m=m1+2m2+m3+m=5107.273+24

11、85.8+25596+702=32376.873 32377 kg。 每个鞍座承受的重量为 G/2=mg / 2=3237710/2=161.885 kN由此查JB 4712.1-2007 容器支座。选取轻型，焊制BI，包角为120，有垫板的鞍座.，筋板数为4。查JB 4712.1-2007表6得鞍座尺寸如表5，示意图如图B。表5：鞍座支座结构尺寸公称直径DN2000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l21260b122038螺孔/孔长D/l160112弧长2330重量kg174.2 鞍座位置的

12、确定因为当外伸长度A=0.207L时因为当外伸长度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=525-2000 / 4=25 mm故 A0.2(L+2h)=0.2(7400+225)=1490 m

13、m鞍座的安装位置如图B所示，分为F型和S型两种支座配套使用。由于接管比较多，所以固定支座位于储罐接管较多的左端。图B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=1000+16/2=1008mm 。A0.5R =0.51008=504 mm ,取A=500 mm 。综上述：A=500 mm （A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长）5、接管，法兰，垫片和螺栓的选择5.1、接管和

14、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。接管的布置如图5-3：图5-3 筒体接管根据设计压力PN=1.9184MPa，查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表6.0.3，选用PN10板式平焊法兰（PL），由介质特性和使用工况，查附录A，密封面型式的选用，表A.0.1。选择密封面型式为突面（RF），压力等级为0.252.5MPa。根据表4-5选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。接管和法兰布置如图C所示，法兰简图如图所示，：图C法兰尺寸如表6表6法兰尺寸序号名称公称直径DN管子外径B连接尺寸法兰厚度C法兰内径

15、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排污口8089200160188M16249164.31b气相平衡口8089200160188M16249164.31c气相口8089200160188M16249164.31d出液口8089200160188M16249164.31e进液口8089200160188M16249164.31f人孔5005307306603620M332565351276.2g1-2液位计口3238140100184M16183951.86h温度计口202510575144M12162640.68m压力表口2025

16、10575144M12162640.68n安全阀口100108135190228M202611066.29s排空口5057165125184M16205952.77接管外径的选用以B系列（公制管）为准，对于公称压力0.25PN25MPa的接管，查得GB/T 17395-2008普通无缝钢管欧洲体系，材料为20号钢管。对应的管子尺寸如下如表7。表7 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管子理论厚度kg/ma排污口80891150714.16b气相平衡口80891150714.16c气相口80891150714.16d出液口80891150714.16e进液口8089115071

17、4.16f人孔500530130012153.3g1-2液位计口3238210043.55h温度计口2025110031.63m压力表口2025110031.63n安全阀口80892150714.16s排空口5057115056.415.2 垫片的选择查化工工艺手册（下），表26-11，法兰、垫片、紧固件的选配（欧洲体系），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）。紧固件型式选六角螺栓。查HG/T 20609-2009 钢制管法兰用金属包覆垫片。包覆金属材料为纯铝板L3，标准为GB/T 3880，最高工作温度200，最大硬度40HB。

18、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7：表7符号管口名称公称直径DN(mm)内径D1(mm)外径D2(mm)厚度(mm)重量(kg)a排污口80109.51423b气相平衡口80109.51423c气相口80109.51423d出液口80109.51423e进液口80109.51423f人孔500g1-2液位计口3261.5823h温度计口2045.5613m压力表口2045.5613n安全阀口80109.51423s排空口5077.510735.3 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

19、螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345。 查HG/T 20613-2009 钢制管用法紧固件中表5.0.07-9和附录中标A.0.1，得螺柱的长度和平垫圈尺寸：表8 螺栓及垫片名称公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈 mmd1d2ha80M169017303b80M169017303c80M169017303d80M169017303e80M169017303f500M33217025444g1-232M168517303h20M127513242.5m20M127513242.5n80M209017303s50M1685173036 人孔的设计人孔的结构采用带整体锻件凸缘补强的回转盖

20、，采用板式平焊法兰连接，密封面采用凹凸面形式。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：表9 人孔尺寸表密封面型式凹凸面MFMD7304330公称压力PN MPa2.566048螺柱数量20公称直径DN500280A405螺母数量40dws53012123B200螺柱尺寸M332170d506b44L300总质量kg3027 管道留孔 根据化工工

21、艺设计手册（下），对于法兰管道，一般留孔应大于外径加10mm。 管道间距：对于PN2.5MPa的管道，采用化工工艺设计手册（下）系列间距。8 其他附件的设计8.1 液面计的设计储罐总高H=h+D=250+2000=22503000m，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。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。四、 容器强度的校

22、核3.1 水压试验校核 试验压力：PT=1.25P MPa 圆筒的薄膜应力： MPa 0.9Rel=0.90.9345279.45 MPaT182.866MPa ， 合格3.2筒体轴向弯矩计算 双鞍座卧式储罐能简化为一受均布载荷的外伸简支梁。梁的两个端点分别受到横剪力Fq和力偶M的作用。其受力分析如图D： 图D 对应的剪力图和弯矩图如图D.1和D.2。 尺寸计算：对于椭圆形封头，折算为同直径的长度H的圆筒。 曲面深度：Hi=H-h=525-25=500mm 重量载荷作用的总长度为L=2+2h+4H/3=7400+225+4500/3=8116.678117mm 工作时支座支反力：F=G/2=1

23、61.885 kN 作用在总长度上的单位长度均布载荷为： q=2F/L=39.89 kN.m（1） 、弯矩 支座跨中截面处的弯矩 M1= =化简得：M1=F（C1L-A）其中C1= Mi=F（C1L-A）=161.885（0.2027450-500103）=162.648 kN.m 支座截面处的弯矩M2=式中： C2=1.089 C2=0.05 M2=-8.34 kN.m M为正值，表示上半部分圆筒受压缩，下半部分圆筒受拉伸。M为负值时与之相反。3.3 筒体轴向应力计算及校核 由于（Do/D1）max=2032/2000=1.0161.11.2，属于薄壁容器。所以可以按RaRi进行校核。 筒体

24、中间横截面，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力。 截面最高点（压应力） 1= =68.743 MPa 截面最低点（拉应力） 2= =76.591 MPa 由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 因为设计师满足A0.5Rm，即筒体被封头加强，包角=120。查JB/T 4721-2005 表7-1可得：K1=1.0，K2=1.0。 则：鞍座横截面最高点轴向应力（拉应力） 3=72.868 MPa 鞍座很截面最低点处轴向应力（压应力）4=72.466 MPa 筒体轴向应力校核 筒体材料为Q345R，查过程设备设计图4-7可得，碳素钢在T150时，弹性模量E=2.0105。 筒体最大许用应力cr=B由系数A确定。

25、 A=1.240810-3 B=EA=21051.240810-3=165.44 MPa压应力不应超过tcr=min（t，B）=min（0.8170,165）=136 MPa在操作工况条件下，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=0.9170=153 MPacr=B=165.44 MPa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=min0.8345,165.44=165.44 。 1， 2t=153 MPa 合格 压应力：|1|， |4|tcr=13

26、6 MPa 合格 Tcr=165.44 MPa 合格3.4 筒体和封头中的切向剪应力计算与校核 因A0.5Rm，带来的加强作用，根据包角=120查JB/T4731-2005表7-2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=10.79 MPa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=0.8170=136 MPa 合格3.5 封头中切应力h=K4=0.401=4.06 MPa 由内压引起的拉伸应力（K=1.0）h=145.33 MPah+h=4.06+145.33=149.39 1.25t=212.5MPa

27、合格3.6 筒体的轴向应力计算与校核容器焊在支座上，所以k=0.1，查JB/4731-2005表7-3可得 K5=0.76，K6=0.0132。筒体的有效宽带b2=b+1.56=270+1.56=468.11468 mm。其中b=b3+2=260+10=270 mm。 鞍座在横截面最低点处周向应力 判断垫板是否起加强作用：1、4=100.6n=0.616=9.6 mm 2、b4=430b2=468 mm综上述：垫板不起加强作用。所以=e 。 因为支座与筒体是通过垫板焊接，不直接相焊，所以k=1。 5=-=-=19.92 MPa 鞍座边角的周向应力 当L=74508Ri=81000=8000 m

28、m时， 6=- =-=-26.32MPa 鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力同理： 当L=74508Ri=81000=8000 mm时， 6=-=-26.32 MPa应力校核 周向应力不得超过材料的许用应力t，即：|5|t 。 |5|=19.92t=170 MPa 合格 6，6是周向压缩力与周向弯矩产生的合成压应力，属于局部应力，应不大于材料许用应力的1.25倍。|6|=|6|=26.321.25t=1.25170=212.5 MPa 合格3.7 鞍座应力计算与校核 水平应力 由包角=120，查JB/T 4731-2005，表7-5得 K9=0.204 。 水平分力 Fs=K9F=0.204161

29、.885=33.025 kN 腹板水平拉应力 计算高度Hs=min（H，Ra/3）=min（250，）=250mm 鞍座腹板厚度b0=10mm鞍座实际宽度b4=430 mm 鞍座垫片有效宽度b2=b+1.56=468 mm鞍座有效断面平均应力，对于无垫板或者垫板不起加强作用的情况。9=13.21 MPa 应力校核对于16Mn鞍座材料的许用应力sa=345 MPa.9=13.21sa=230 MPa 合格3.8 腹板与筋板组合截面应力计算及校核 基本参数 圆筒中心至基础表面距离 HV=Rm+h+4=1008+250+10=1268 mm 查JB/T 4731-2005 表7-6，水平地震影响系数

30、，使用地太原为轻地震影响带。因此，去地震强度为7度（0.1kg）时，地震影响系数=0.08 。储罐固定于水泥地基础上，因此取 f=0.4 。 轴向地震力 FEV=mg=0.083237710=25901.6 N 鞍座底板与基础间静摩擦力 mgf=32377100.4=129508 N 当 FEVmgf 时，支座腹板与筋板组合截面内产生的压应力为： sa=- Asa为腹板与筋板（小端）组合截面积。 筋板面积：A1=b23=1908=1520 mm2腹板面积：A2=（l1-20）2=（1420-20）10=14000 mm2 x=l1/2-10-15-l3-3=1420/2-10-15-330-8

31、=347 mm z1=x+3/2=347+8/2=351 mm z2=z1+l3=351+330=681 mm因为采用4筋板的鞍座，则Asa=6A1+A2=61520+14000=23120 mm。形心：yc=39.45 mm yc=60.55mm Iy= =2.47109 mm3 Iz= =2.87107 mm组合断面系数： max=b1/2-10=220/2-10=100 mm Zmax=l1/2-10=1420/2-10=700 mm Zry= =3.53106 mm2 Zrz=2.87106 mm2腹板与筋板（小端）组合截面系数 Zr=min（Zry，Zrz）=2.87106 mm2

32、。 sa=- =-=-8.352 MPa |sa|D，所以在有效补强范围。补强圈内径d=530+2=532mm补强圈厚度：=12.98 mm圆整取名义厚度为n=13mm 查GB/T 4736-2002 补强圈，选取厚度为14mm的补强圈。七 焊接的设计7.1 焊接接头的设计为保证焊接质量，易于检查。筒体上的所有焊缝及环向接头、封头上的拼接接头，都采用对接焊。对于人孔和筒体的焊接部位，因为两板厚度差大于3m，必须进行削薄加工，以使两侧面厚度基本相等。7.2容器焊接接头坡口设计7.2.1 壳体对接接头的坡口设计因为筒体的厚度=16mm（3,20），所以选用壳体的纵焊缝为内外压对称的X形坡口，壳体的环焊缝为内外不对称的X形坡口，且内侧较小。坡口的结构尺寸：b=2mm，p=2mm，=60。7.2.1 接管与带补强圈的焊接结构设计接管与客体及补强圈之间的焊接采用角接，为了保证有良好的强度，选用单面全焊投的焊接形式。7.3 焊接方法与材料 对于一般的压力容器焊接，方法均为手工电弧焊。焊接材料为焊条。筒体和接管间的焊接属于低碳钢和低合金钢之间的焊接。应选用强度较低的钢材等强度的焊条焊接。