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液化石油气卧式储罐课程设计

发布时间:2020-11-16 17:14

  液化石油气卧式储罐课程设计_工学_高等教育_教育专区。吉林建筑大学课程设计

  前言 随着我国石油化工行业的快速发展,液化石油气作为炼油化工的副产品,以其经济 高效、清洁环保以及灵活方便的优势占据着城乡能源市场,储配站的液化石油气通常采 用球形储罐或卧式储罐进行储存。 液化石油气是一种低碳的烃类混合物,主要由乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁 烯及少量的戊烷、戊烯等组成。常温常压下是气态,在加压和降低温度的条件下变成液 体。气态相对密度为空气的 2 倍,液化石油气的饱和蒸气压随温度升高而急剧增加,其 膨胀系数较大,一般为水的 10 倍以上,气化后体积膨胀 250~ 300 倍。液化石油气是一 种极易燃烧、爆炸的石油化工原料,其储罐属于具有较大危险的储存容器之一。因此, 在满足设施功能要求下,储罐具有良好的安全性是设计的首要问题。 目前我国普遍采用的常温压力贮罐一般有两种形式:球形储罐和圆筒形储罐。球形 储罐与圆筒形储罐相比,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。一般储存总量大于 500m3 或单罐 容积大于 200m3 时选用球形储罐比较经济。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 500m3,单罐容积小于 100m3 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。 本次设计对液化石油气卧式储罐进行设计计算。主要内容包括储罐工艺参数计算、 储罐的结构设计、储罐的强度计算、应力校核、绘制设备总图以及针对一些安全问题提 出对策措施。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准,这样让设计有章可 循,并考虑到结构方面的要求,合理地进行设计。 目录 1 概述 ................................................................... 1 1.1 设计任务及原始参数 ................................................ 1 1.2 液化石油气的性质 .................................................. 1 2 工艺参数计算 ........................................................... 3 2.1 设计压力的确定 .................................................... 3 2.2 设计温度的确定 .................................................... 3 2.3 设计存储量的确定 .................................................. 3 3 储罐的结构设计 ......................................................... 4 3.1 筒体的材料选择及结构设计 .......................................... 4 3.2 封头的材料选择及结构设计 .......................................... 5 3.3 法兰和接管的结构及材料选择 ........................................ 6 3.4 人孔的结构设计 .................................................... 8 3.5 支座的材料选择及结构设计 .......................................... 8 3.6 安全装置的设计 ................................................... 10 3.6.1 安全阀的选用 ............................................... 10 3.6.2 液位计的选用 ............................................... 12 3.6.3 压力表的选用 ............................................... 13 3.7 焊接接头设计 ..................................................... 13 4 储罐的补强设计 ........................................................ 14 5 储罐的强度计算及应力校核 .............................................. 16 5.1 储罐的强度计算 ................................................... 16 5.1.1 圆筒轴向应力 ............................................... 16 5.1.2 圆筒切向剪应力 ............................................. 18 5.1.3 封头切向剪应力 ............................................. 18 5.1.4 圆筒周向应力 ............................................... 18 5.2 储罐的应力校核 ................................................... 18 5.2.1 圆筒及封头的应力校核 ....................................... 18 5.2.1 支座的应力校核 ............................................. 19 6 安全管理 .............................................................. 20 7 设计总结 .............................................................. 21 参考文献 ................................................................ 22 1 概述 1.1 设计任务及原始参数 本次设计要求根据给定的资料和数据,设计一个液化石油气储配站使用的液化石油 气卧式储罐。相关要求及数据如下表 1-1 所示。 表 1-1 液化石油气储罐的原始数据 存储介质 工作压力(MPa) 工作温度(℃) 公称直径(mm) 容积(m3) 充装系数 其他要求 液化石油气 1.61 -20~50 2300 60 0.9 100%探伤 1.2 液化石油气的性质 液化石油气在常温常压下呈气态,在常温加压或常压低温下很容易从气态转变为液 态,便于运输及贮存,故称液化石油气。液化石油气主要组成有丙烷、丙烯、丁烷、丁 烯等四种。除上述主要成分外,有的还含有少量的戊烷、硫化物和水等。通常所说的液 化石油气都存在液、气两种形态,液、气态处于动态平衡中。液化石油气沸点很低,储 罐内液化石油气受热膨胀,很可能会将储罐内空间充满,导致钢瓶胀裂发生爆炸。液化 石油气的饱和蒸汽压是随温度而变化的,温度升高,蒸汽压也增大。此外液化石油气的 蒸汽压和组份有关,不同组份有不同的蒸汽压。大约温度每升高 1℃,蒸汽压力增大约 0.02—0.03MPa。 液化石油气极易燃,与空气混合能形成爆炸性混合物。遇热源和明火有燃烧爆炸的 危险。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。其蒸气比空气重,能在较低处扩散到相 当远的地方,遇明火会引着回燃。此外,液化石油气还具有易爆性,液化石油气的爆炸 极限为 1.5%—9.5%,其爆炸极限范围比汽油大,爆炸下限低,比汽油更易发生燃烧爆 炸。易产生静电积聚,在收发作业中易产生大量的静电积聚,易引起静电事故。易膨胀 性,液化石油气的膨胀系数大约是同温度下水的 10—15 倍。当温度升高时,液化石油 气的体积增大,压力急剧升高,一旦超过容器承压极限,就会造成容器破裂,增大火灾 爆炸的危险性。具有冻伤危险性,液化石油气气化潜热很大,平时液化石油气是加压液 化储于钢瓶或罐中,在使用时减压后由液态汽化变为气体,这时会吸收大量热量。若容 1 器破裂,液化石油气由容器中喷出,溅到人身上,将会造成冻伤;毒性,当人大量吸入 液化石油气后会中毒,使人昏迷、呕吐、不适,严重时可使人窒息死亡,也可引起多种 慢性病。 2 2 工艺参数计算 2.1 设计压力的确定 根据 TSG_R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》,设计压力是指设定的 卧式容器顶部的最高压力,其值不低于工作压力。当容器上装有安全阀时,考虑到安全 阀开启动作的滞后,容器不能及时泄压,设计压力不得低于安全阀的开启压力。安全阀 开启压力是指阀瓣在运行条件下开始升起,介质连续排出的瞬时压力,其值小于等于 1.05~1.1 倍容器的工作压力。规定的工作压力为 1.61MPa,取设计压力为工作压力的 1.1 倍,即设计压力应为: 式中 Pd——设计压力,MPa; P——工作压力,MPa。 2.2 设计温度的确定 设计温度是指容器在正常操作时,在相应的设计压力下,壳壁或元件金属可能达到 的最高或最低温度(壳体沿截面厚度的平均温度)。当壳壁或元件金属的温度低于-20℃, 按最低温度确定设计温度,除此之外,设计温度一律按最高温度选取。 液化气储罐的工作温度为-20℃~50℃,所以设计温度取最高温度 50℃。 2.3 设计存储量的确定 液态丙烷的密度为 507kg/m3,液态丁烷的密度为 583kg/m3,在丙烷:丁烷=5:5 时, 液态液化石油气的密度为 545kg/m3。设液态液化石油气的密度为 545kg/m3 进行计算, 液化气储罐的设计存储量应为: 式中 W——设计存储量,kg; ——充装系数; V——容积,m3; ρ——液化石油气密度,kg/m3。 3 3 储罐的结构设计 3.1 筒体的材料选择及结构设计 (1)筒体的材料选择 根据 GB150.2-2011《固定式压力容器第二部分:材料》中表 2 的规定,储罐筒体的 材料选用 Q345R,钢板标准为 GB713。由于储罐的工作温度为-20℃~50℃,相应温度下 选许用应力为 189MPa,钢板厚度为 3~16mm。 (2)筒体长度设计 筒体直径 DN=2300mm,根据 JB/T 4746-2002《钢制压力容器用封头》, 选用 EHA 椭圆形封头,封头容积 封=1.7588m3。 筒 封 式中 L——筒体长度,m。 筒体长度取整为 15200mm。 (3)筒体厚度的设计 根据 GB150.3-2011《固定式压力容器第三部分:设计》计算筒体厚度。 储罐设计要求需 100%探伤,所以取其焊接系数 。 式中 ——圆筒内直径,mm; ——筒体计算厚度,mm; ——计算压力,MPa; ——设计温度下封头材料的许用应力,MPa; ——焊接接头系数。 根据《锅炉压力容器安全》中的建议,取钢板厚度负偏差 C1=0.8mm,腐蚀裕度 C2=2mm。 加钢材圆整值后名义厚度 。 4 筒体的相关设计汇总如下表 3-1。 项目 筒体材料 筒体长度(mm) 筒体名义厚度(mm) 表 3-1 筒体的设计 3.2 封头的材料选择及结构设计 数据 Q345R 15200 14 (1)封头的材料选择 根据 GB150.2-2011《固定式压力容器第二部分:材料》中表 2 的规定,封头材料选 用 Q345R,钢板标准为 GB713。由于储罐的工作温度为-20℃~50℃,相应温度下选许用 应力为 189MPa,钢板厚度为 3~16mm。 (2)封头的结构设计 由上一节筒体的长度设计的结论可知,选用 EHA 椭圆形封头。根据 JB/T 4746-2002 《钢制压力容器用封头》,总深 H=615mm,内表面积 A=6.0233m2 。 式中 ——筒体公称直径,mm; h——封头直边高度,mm。 封头内曲面深度 (3)封头厚度的计算 根据 GB150.3-2011《固定式压力容器第三部分:设计》计算封头厚度。 储罐设计要求需 100%探伤,所以取其焊接系数 。 由 GB150.3-2011《固定式压力容器第三部分:设计》中的规定,取 K=1.00。 式中 ——与封头连接的圆筒内直径,mm; ——封头计算厚度,mm; 5 K——椭圆形封头形状系数; ——计算压力,MPa; ——设计温度下封头材料的许用应力,MPa; ——焊接接头系数。 根据《锅炉压力容器安全》中的建议,取钢板厚度负偏差 C1=0.8mm,腐蚀裕度 C2=2mm。 加钢材圆整值后名义厚度 。 根据 JB/T 4746-2002《钢制压力容器用封头》查得,相应封头的质量为 650.1kg。 封头的相关设计汇总如下表 3-2。结构尺寸如图 3-1。 项目 封头材料 封头类型 封头总深(mm) 封头内表面积(mm2) 封头直边高度(mm) 封头内曲面深度(mm) 封头名义厚度(mm) 封头质量(kg) 表 3-2 封头的设计 数据 Q345R EHA 椭圆形封头 615 6.0233 40 575 14 650.1 图 3-1 封头结构尺寸 3.3 法兰和接管的结构及材料选择 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。各接口都应设置相应的接管,通过 法兰与外界连接。 (1)法兰的结构及材料选择 设计压力 1.771MPa,根据 HT/G 20592-2009《钢制管法兰》表 3.1.4,选用 PN=6MPa, 6 板式平焊法兰 PL。根据 HT/G 20592-2009《钢制管法兰》表 8.1.1,PN=6MPa 时,液位 计口选接管公称直径 32mm,压力表口,温度计口选接管公称直径 20mm,其余管口可 选接管公称直径 DN=80mm。由介质特性和使用工况,根据 HT/G 20592-2009《钢制管法 兰》表 3.2.2,选择密封面形式为突面 RF。根据各管公称直径及 HT/G 20592-2009《钢 制管法兰》表 8.2.2-1 得各法兰的尺寸如表 3-3 所示。 部件 表 3-3 各法兰的尺寸 (mm) 钢管外径 公 A1 称 连接尺寸 法兰内径 法 B1 兰 尺 寸 DN A B 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(个) 厚 螺栓 度 Th C A B 排污口 80 88.9 89 190 150 18 气相平衡口 80 88.9 89 190 150 18 气相口 80 88.9 89 190 150 18 出液口 80 88.9 89 190 150 18 进液口 80 88.9 89 190 150 18 液位计口 32 42.4 38 120 90 14 温度计口 20 26.9 25 90 65 11 压力表口 20 26.9 25 90 65 11 安全阀口 80 88.9 89 190 150 18 排空口 80 88.9 89 190 150 18 4 M16 18 90.5 91 4 M16 18 90.5 91 4 M16 18 90.5 91 4 M16 18 90.5 91 4 M16 18 90.5 91 4 M12 16 43.5 39 4 M10 14 27.5 26 4 M10 14 27.5 26 4 M16 18 90.5 91 4 M16 18 90.5 91 根据 HT/G 20592—2009《钢制管法兰》表 4.0.1,接管法兰材料选用 16MnD。 (2)接管的结构及材料选择 接管选用无缝钢管。根据《压力容器与化工设备实用手册》中表 1-2-2 确定接管的 相关尺寸,如表 3-4 所示。 名称 排污管 气相平衡管 气相管 出液管 进液管 液位计管 温度计管 压力表管 安全阀管 排空管 公称直径 80 80 80 80 80 32 20 20 80 80 表 3-4 各接管的尺寸 管子外径 管口伸出量 89 150 89 150 89 150 89 150 89 150 38 100 25 100 25 100 89 150 89 150 管子壁厚 4 4 4 4 4 3.5 3 3 4 4 (mm) 数量 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 接管材料选用 16MnD。 7 3.4 人孔的结构设计 人孔是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷的结构。 人孔从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看,承压人孔有板 式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔。在人孔法兰与人孔盖之间的 密封面,根据人孔承压的高低、介质的性质,可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接 面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看,人孔又可分为回转盖人孔、垂 直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。 人孔的结构采用带整体锻件凸缘补强的回转盖,采用板式平焊法兰连接,密封面采 用突面 RF 形式。人孔的公称直径取 DN=500mm,以方便工作人员的进入检修。根据 HG/T 21517-2014《回转盖带颈对焊法兰人孔》表 3-3 确定人孔。人孔的相关尺寸如下表 3-5 所示。 密封 面型 式 突面 公称压力 PN (MPa) 2.5 A 46 48 405 表 3-5 人孔的相关尺寸 公称直径 d D 500 530× 12 BL 200 300 30 506 730 螺柱 螺母 数量 20 40 660 280 螺柱 直径×长度 M33×2×170 (mm) b 128 44 总质量(kg) 303 根据 HG/T 21517-2014《回转盖带颈对焊法兰人孔》表 3-1,人孔筒节的材料选用 Q345R。人孔位置选在距封头切线 支座的材料选择及结构设计 (1)支座负荷的计算 储罐总质量 式中 ——筒体质量,kg; ——Q345R 钢材密度,查阅资料,为 ; ——封头质量,kg; 8 ——充液质量,kg; 筒 封 式中水的密度大于液化石油气,水压试验充满水,故取密度 1000kg/m3。 ——附件质量,人孔质量为 303kg,其余接管质量为 200kg,附件质量为 503kg。 储罐总质量为 单个支座负荷 (2)支座型式和尺寸的选择 根据 JB/T 4712-2007《容器支座》,液化石油气储罐支座选用轻型鞍式支座。支座型 式特征如下表 3-6 所示,支座尺寸如下表 3-7 所示。 型式 轻型 焊制 表 3-6 支座的型式特征 包角 垫板 120° 有 筋板数 6 公称直 径 DN 2300 允许载荷 鞍座高 Q(kN) 度 h 410 250 垫板 1660 弧长 e 2680 500 10 100 表 3-7 支座的尺寸 底板 腹板 240 间距 1460 14 10 螺栓配置 螺孔 d 螺纹 24 M20 255 孔长 l 40 筋板 (mm) 208 鞍座 质量 kg 215 290 8 增加 100mm 高 度增加的质量 kg 20 (3)支座位置的确定 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,根据 JB/T 4731-2005《钢制卧式容器》规定 A≤0.2L 总 =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。 9 标准椭圆封头 h=40mm,故 A≤0.2L 总=0.2(L+2h)=0.2×(15200+2×40)=3056mm 由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度,故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的 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/T 4731-2005《钢制卧式容器》还规定当满足 A≤0.2L 时,最好使 A≤0.5Rm,其 中 Rm=Ri+δn/2。即 A≤0.5×(1150+ )=578.5mm 取 A=550mm。 式中 A——支座中心到封头切线的距离; L 总——为筒体和两封头的总长。 鞍座标记为:JB/T 4712.1-2007,支座 A2300-F。 3.6 安全装置的设计 3.6.1 安全阀的选用 本液化石油气储罐的设计压力在1.6MPa以上,属于第三类压力容器,必须设置安全 阀。 (1)安全阀最大泄放量的计算 一般情况下,液化石油气储罐不保温,储罐安全泄放量可按下式计算。 式中 W——液化石油气储罐的安全质量泄放量,kg/h; ——液相液化石油气的蒸发潜热,液化石油气50℃时的汽化潜热取300kJ/kg; F——容器外壁校正系数,储罐在地面上无保温,取F=1.0; ——储罐的湿润面积,m2。 对椭圆形封头的卧式储罐有 式中 D0——储罐外径,mm; l——为卧式储罐总长,mm。 10 (2)安全阀喷嘴面积及内径的计算 液化石油气储罐安全阀起跳排放出的是气体,其喷嘴面积可按一般气体安全阀喷嘴 面积通用公式计算,安全阀的排气能力决定于安全阀的喷嘴面积。即根据安全阀出口压 力的大小不同,安全阀的排气能力应按临界条件和亚临界条件两种状况进行计算。 液化石油气储罐安全阀放空气体一般排入火炬系统或直接高空排放,其出口侧压力 P0 很小,因此安全阀的排气能力可按临界条件计算。根据《安全阀的设置和选用》 式中 W——安全阀的质量泄放流量,kg/h; A——安全阀的最小泄放面积,mm2; X——气体的特性系数,仅与气体的绝热系数k有关,对于液化石油气,绝热指数 k≈1.15,根据《安全阀的设置与选用》表16.1,得X=332; ——流量系数,与安全阀的结构型式有关,应根据试验数据确定,无参考数据 时,可按下述规定选取: 对全启式安全阀: =0.6~0.7; 对带调节圈的微启式安全阀: =0.4~0.5; 对不带调节圈的微启式安全阀: =0.25~0.35; 液化石油气储罐设置的安全阀,需要有较大的排气能力,应选用全启式安全阀, 取 =0.65; Z——安全阀进口处气体的压缩因子,液化石油气的压缩因子Z≈0.7; T——安全阀进口处介质的热力学温度,安全阀排放温度T=323~343 K。 M——气体的摩尔质量,取50 kg/kmol。 11 全启式安全阀内径d为 根据《锅炉压力容器安全》表 5-5 安全阀的公称直径,取内径 d 为 80mm,流通直 径 d0 则为 50mm。 根据《化工管路手册》,选用 A42F-16C 液化石油气安全阀。 3.6.2 液位计的选用 常用液面计有玻璃管液面计、玻璃板液面计、磁性液面计和彩色石英管液面计等。 玻璃管液面计:主要用于公称压力不大于 1.6MPa,使用温度为 0℃~200℃,介质 流动性较好的液体。虽然其结构简单、操作方便、维修方便、价格低廉,但存在适用范 围较窄,怕碎、不坚固、不安全、不耐压、显示不清楚、使用温度低等弱点。 玻璃板液面计:主要用于透明或较透明的介质中,其公称压力比玻璃管液面计稍高, 可达到 6.3MPa,使用最高温度达到了 250℃。它不仅有结构简单、观察直观、安装方便、 维修简单等优点,且比玻璃管液面计适用范围更为广泛。但其也具有与玻璃管液面计相 似的缺点即:指示清晰度差;测量范围较小,在超过其测量范围时要采用组合式玻璃板 液面计,其体积大、笨重、且存在观察盲区;易破裂等。 磁性液面计:常用于密度不小于 0.45g/cm3 的液体,主要是透明和半透明的介质, 但有时也可用于原油等较高粘度介质的液位检测,其测量范围较之玻璃管液面计和玻璃 板液面计大很多,最大可达到 7m,且适用的公称压力达到了 16MPa,适用温度范围也 达到了-40℃~300℃。 彩色石英管液面计:适用于水、油、酸等多种介质,特别适用于两种混合不易分辨 的介质液位,如油水混合液体等,且适用与重油等高粘度介质的液位检测。其优点有: 气、液相显示清晰,特别适用于远距离观察与夜间巡视;无盲区、密封性能好、耐高温 高压、防粘稠、质量轻、寿命长等。缺点有:测量范围不大,不适用于一些高液位的测 量。 综上所述,从经济角度考虑,在满足设计要求的情况下,选用玻璃管液面计。 12 3.6.3 压力表的选用 压力表的选型主要参照使用环境、测量介质、精度、量程以及外形尺寸。由于储罐 工作压力为 1611kPa,压力在 40kPa 以上,选用弹簧管压力表。根据生产工艺、经济实 用、检测方法等要求,液化石油气储罐为一般测量用压力表,精度等级选用 1.6 级。压 力表在管道和设备上安装,表盘直径选用 l00mm。 3.7 焊接接头设计 压力容器受压部分的焊接接头分为 A、B、C、D 四类,封头与圆筒连接的环向接头 采用 A 类焊缝。 焊接方法:采用手工电弧焊,其原理是利用电弧热量融化焊条和母材,由融化的金 属结晶凝固而形成接缝,焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢,应用范围广,适用短小 焊缝及全位置施焊,可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接,这 种方法灵活方便,适应性强,设备简单,维修方便,生产率低,劳动强度高。 封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为双面 V 型坡口。 根据 Q345R 的抗拉强度为 490Mpa 和屈服点为 325Mpa 选择 E50 系列的焊条,型号 为 E5014。该型号的焊条是铁粉钛型药皮,适用于全位置焊接,熔敷效率较高,脱渣性 较好,焊缝表面光滑,焊波整齐,角焊缝略凸,能焊接一般的碳钢结构。 插入式接管插入壳体,接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种,它们的焊接 接头均属 T 形或角接接头。选择 HG20583-1998 标准中代号为 G2 的接头形式。选择全 焊透工艺,可用于交变载荷,低温及有较大温度梯度工况。 各装置及接管、人孔的定位尺寸见装配图。 13 4 储罐的补强设计 根据 GB150.3-2011《固定式压力容器第三部分:设计》中的规定,壳体开孔满足下 述全部要求时,可不另行补强: a)设计压力 p≤2.5 MPa; b)两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和;对 于三个或以上相邻开孔,任意两孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔 直径之和的 2 倍; c)接管外径小于或等于 89 mm; d)接管壁厚满足表 4-1 要求。 表 4-1 接管壁厚要求 (mm) 接管外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89 接管壁厚 ≥3.5 ≥4.0 ≥5.0 ≥6.0 注:1.钢材的标准抗拉强度下限值 Rm≥540 MPa 时,接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构 型式。 2.表中接管壁厚的腐蚀裕量为 1 mm,需要加大腐蚀裕量时,应相应增加壁厚。 所以,只需要对人孔进行开孔补强即可。 (1)因开孔而削弱的金属截面积 A 式中 ——筒体计算壁厚,mm; d——开孔直径,为接管内径加 2 倍附加厚度,附加厚度取 2mm,即 d=664mm; ——强度削弱系数,因与筒体采用相同材料,取 1; ——人孔钢板厚度,mm; (2)补强面积 Ae 筒体富裕金属截面积 A1 式中 ——筒体名义厚度,mm。 人孔接管的富裕金属截面积 A2 14 式中 ——接管计算壁厚,取 30mm; h1——外侧有效高度, ; 焊缝金属的截面积 A3 补强面积 Ae 需要补强的金属截面积 A4 (3)确定补强圈的结构尺寸 取补强圈厚度 与筒体相同,则补强圈外径为 取补强圈外径为 1150mm。 15 5 储罐的强度计算及应力校核 根据 JB/T 4731-2005《钢制卧式容器》中的要求及步骤进行储罐的强度计算及应力 校核。 计算中的符号说明: m——容器质量,kg; g——重力加速度,取 9.81m/s2; L——封头切线间距离,mm; ——圆筒平均半径,1157mm; ——封头曲面深度,mm; A——鞍座底板中心线到封头切线的距离,mm; ——计算压力,MPa; ——圆筒有效厚度,mm; K1~K9——系数,由 JB/T 4731-2005《钢制卧式容器》查得; ——设计温度下容器壳体材料的许用应力,MPa; ——封头的有效厚度,mm; K——系数,容器不焊在支座上,k 取 1; b——支座的轴向宽度,mm; —— 圆 筒 的 有 效 宽 度 , 取 ; 5.1 储罐的强度计算 5.1.1 圆筒轴向应力 (1)支座反力 (2)筒体轴向弯矩计算 筒体轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上。 圆筒中间截面上的轴向弯矩 16 鞍座平面上的轴向弯矩 (3)圆筒轴向应力计算 圆筒中间横截面上,由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算: 最高点处 最低点处 鞍座平面上,由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算: 轴向应力 17 在横截面最低点处的轴向应力 5.1.2 圆筒切向剪应力 因为 A≤Ra/2,圆筒被封头加强,故圆筒切向剪应力 5.1.3 封头切向剪应力 因为 A≤Ra/2,圆筒被封头加强,故封头切向剪应力 5.1.4 圆筒周向应力 圆筒无加强圈,其周向应力按下式计算: 在横截面的最低点处 在鞍座边角处 5.2 储罐的应力校核 5.2.1 圆筒及封头的应力校核 (1)圆筒轴向应力校核 18 ,,, 圆筒轴向应力符合强度要求。 (2)圆筒切向剪应力校核 圆筒切向剪应力符合强度要求。 (3)封头切向剪应力校核 式中 ——内压在封头中引起的应力,按下式计算: 式中 K——椭圆形封头形状系数,按下式计算: 封头切向剪应力符合强度要求。 (4)圆筒周向应力校核 圆筒周向应力符合强度要求。 5.2.1 支座的应力校核 (1)支座腹板的水平分力 支座腹板的水平分力为 支座腹板有效截面内的水平方向平均拉应力为 式中 ——计算高度, 250mm; ——支座腹板厚度,8mm。 (2)支座腹板的应力校核 式中 ——支座材料的许用应力,170MPa。 支座设计符合强度要求。 19 6 安全管理 (1)液化石油气的危险性 液化石油气的危险性质主要是极易燃,与空气混合能形成爆炸性混合物。遇热源和 明火有燃烧爆炸的危险。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。其蒸气比空气重,能 在较低处扩散到相当远的地方,遇明火会引着回燃。此外,液化石油气还具有易爆性, 液化石油气的爆炸极限为 1.5%—9.5%,其爆炸极限范围比汽油大,爆炸下限低,比汽 油更易发生燃烧爆炸。易产生静电积聚,在收发作业中易产生大量的静电积聚,易引起 静电事故。易膨胀性,液化石油气的膨胀系数大约是同温度下水的 10—15 倍。当温度 升高时,液化石油气的体积增大,压力急剧升高,一旦超过容器承压极限,就会造成容 器破裂,增大火灾爆炸的危险性。具有冻伤危险性,液化石油气气化潜热很大,在使用 时减压后由液态汽化变为气体,这时会吸收大量热量。若容器破裂,液化石油气由容器 中喷出,溅到人身上,将会造成冻伤;毒性,当人大量吸入液化石油气后会中毒,使人 昏迷、呕吐、不适,严重时可使人窒息死亡,也可引起多种慢性病。 (2)液化石油气储罐的安全管理 为保证液化石油气储罐的安全,应做好相应安全管理工作,杜绝的危险发生,做到 以下几点: a.储罐在首次投入使用前,罐内含氧量应小于 2%。首次充装时,应先开启气相阀门, 待两罐压力平衡后,缓慢进行充入; b.液化气存储和使用人员必须经过相关安全培训,要掌握液化气的特性及安全使用基 本知识,其他人员禁止擅自使用; c. 液化石油气贮罐应按设计要求设置喷淋降温或其他降温隔热设施,并加强定期检 查和维修,随时保持完好的工作状态。 d.安全状况等级为 1、2 级的储罐,每 6 年检验一次,安全状况等级为 3 级的储罐, 每 3 年检验一次; e. 组织开展压力容器作业人员的教育培训,制定事故救援预案并组织演练; f. 按规定报告压力容器事故,组织、参加压力容器事故的救援、协助调查和善后处 理。 g. 压力容器使用单位应当对出现故障或者发生异常情况的压力容器及时进行全面检 查,消除事故隐患;对存在严重事故隐患,无改造、维修价值的压力容器,应当及时予 以报废。 20 7 设计总结 本次设计是根据设计任务的要求,设计一个液化石油气储罐。设计中先确定了储罐 的工艺参数,对储罐的结构、强度等进行设计,后进行强度校核并确定了相关的安全管 理对策。 通过本次课程设计,进一步巩固了以前所学的专业知识,真正做到了学有所用﹑学 以致用,将理论与实际结合起来,也是对所学知识的一次大检验,使我真正明白了,搞 设计不是凭空想象,而是很具体的。每一个环节都需要严密的分析和强大的理论做基础。 从整个设计的过程来看,存在着一定的不足,尽管如此收获还是很大。相信这次设计对 我以后从事类似的工作有很大的帮助。 设计中的主要尺寸汇总如下表 7-1 所示。 表 7-1 液化石油气储罐的主要尺寸 结构 数据 设计存储量(kg) 筒体材料 筒体长度(mm) 筒体名义厚度(mm) 封头材料 封头类型 封头总深(mm) 封头名义厚度(mm) 封头质量(kg) 人孔内径(mm) 人孔外径(mm) 补强圈外径(mm) 29430 Q345R 15200 14 Q345R EHA 椭圆形封头 615 14 650.1 660 730 1150 21 参考文献 1. 国家质量监督检验检疫总局 . TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察 规程》 . 中国劳动社会保障出版社,2009 2. 国家质量监督检验检疫总局 . GB150-2011《固定式压力容器》 . 中国标准出 版社,2011 3. 国家经济贸易委员会 . JB/T 4746-2002《钢制压力容器用封头》. 中国标准出版 社,2002 4. 中华人民共和国工业和信息化部 . HT/G 20592-2009《钢制管法兰》 . 中国标 准出版社,2009 5. 董大勤,袁凤隐 . 《压力容器与化工设备实用手册》 . 化学工业出版社,2000 6. 中华人民共和国国家发展和改革委员会 . HG/T 21517-2014《回转盖带颈对焊法 兰人孔》 . 中国标准出版社,2005 7. 中华人民共和国国家发展和改革委员会 . JB/T 4712-2007《容器支座》. 中国标 准出版社,2007 8. 中华人民共和国国家发展和改革委员会 . JB/T 4731-2005《钢制卧式容器》. 中 国标准出版社,2005 9. 中国石化集团兰州设计院 . 《安全阀的设置和选用》 . 1999 10. 孟燕华 . 《锅炉压力容器安全》 . 劳动社会保障出版社,2008 11. 林瑜筠,张秉涛,熊五利 . 《化工管路手册》 . 化学工业出版社,2005 12. 全国化工设备设计技术中心站 . 《化工设备图样技术要求》 . 2000 22

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