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真人储罐课程设计

发布时间:2020-09-23 20:49

  II第一章 绪论................................................................................................................ 1.1液化石油气储罐的用途与分类 1.2液化石油气特点 1.3液化石油气储罐的设计特点 第二章工艺计算 2.1设计题目 2.2设计数据 2.3设计压力、温度.................................................................................................. 2.4主要元件材料的选择 第三章结构设计与材料选择 3.2筒体和封头的结构设计 3.3鞍座选型和结构设计 3.4接管,法兰,垫片和螺栓的选择 103.5 人孔的选择....................................................................................................... 15 3.6 安全阀的设计 15第四章 设计强度的校核 194.1 水压试验应力校核 194.2 筒体轴向弯矩计算 204.3 筒体轴向应力计算及校核 204.4 筒体和封头中的切向剪应力计算与校核 214.5 封头中附加拉伸应力 224.6 筒体的周向应力计算与校核 224.7 鞍座应力计算与校核 23第五章 开孔补强设计 265.1 补强设计方法判别............................................................................................ 26 5.2 有效补强范围 265.3 有效补强面积.................................................................................................... 27 5.4.补强面积 28武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 第六章 储罐的焊接设计 296.1 焊接的基本要求 296.2 焊接的工艺设计 30设计总结...................................................................................................................... 33 参考文献...................................................................................................................... 34 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 摘要本次设计的卧式储罐其介质为液化石油气。液化石油气是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。液化石油气是由碳氢化合物所组成,主要成分为丙烷、 丁烷以及其他烷系或烯类等。丙烷加丁烷百分比的综合超过60%,低于这个比 例就不能称为液化石油气。 液化石油气具有易燃易爆的特点,液化石油气储罐属于具有较大危险的储存容 器。针对液化石油气储罐的危险特性,结合本专业《过程设备与压力容器设计》 所学的知识,在设计上充分考虑液化石油气储罐各项参数,确保液化石油气储罐 能安全运行,对化工行业具有重要的现实意义。 本次设计的主要标准有:GB150.3-2010《固定式压力容器》、《压力容器安全 技术监察规程》、JB4731-2005《钢制卧式容器》。各零部件标准主要有:JB/T 4736-2002《补强圈》、HG 20592-20614《钢制管法兰、垫片、紧固件》、JB/T 4712.1-2007《鞍式支座》、HG21514-21535-2005《钢制人孔和手孔》等。 本次设计的步骤为:先根据容器要求确定压力容器所属类别,确定储罐主体及其 接管所用材料、储罐主体的直径和长度,其次进行筒体和封头的壁厚计算并校核, 然后计算人孔的开口补强面积和补强圈的厚度,再根据筒体和各个接管的总质量 选择支座,最后进行安全阀的选型和校核。 关键词:液化石油气,压力容器,卧式储罐,设计 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 II Abstract horizontaldesign itsmedium tanks liquefiedpetroleum gas Liquefiedpetroleum gas basicchemical raw materials newfuel has become more moreattention. chemicalproduction liquefiedpetroleum gas through isolated ethylene propylene,butylene plastics,synthetic rubber syntheticfibers otherproducts. LPG mainlycomposed otherdepartments alkylvinyl Percentpropane plus butane consolidated over 60% lower than ratiocan calledLPG flammableliquefied petroleum gas liquefiedpetroleum gas tanks largestorage containers LPGtanks hazardouscharacteristics processequipment pressurevessel design knowledgelearned designfully consider LPGtanks LPGtanks ensuresafe operation hasimportant practical implications chemicalindustry maindesign criteria StationaryPressure Vessels SafetyTechnology Supervision pressure vessel steelhorizontal container variousparts standard 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书III reinforcing circle HG20592-20614 steelpipe flanges saddlemount steelmanholes handholes designprocedure firstdetermining pressurevessel Category determined over tankbody materialused maintank container according cylinderhead wall thickness calculation manholeopening reinforcement area reinforcementring choosebased totalmass bearingvarious takeover finalselection checkvalve pressurevessels ;horizontal tanks;design 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 第一章绪论 1.1 液化石油气储罐的用途与分类 液化石油气储罐有压缩气体或液化气体储罐等,液化石油气储罐按容器的容 积变化与否可分为固定容积储罐和活动容积储罐两类,大型固定容积液化石油气 储罐制成球形,小型的则制成圆筒形。活动容积储罐又称低压储气罐,俗称气柜, 其几何容积可以改变,密闭严密,不致漏气,并有平衡气压和调节供气量的作用, 压力一般不超过60MPa。 目前我国普遍采用常温压力储罐, 常温储罐一般有两种形式: 球形储罐和圆 筒形储罐。球形储罐和圆筒形储罐相比: 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。一般贮 存总量大于500 立方米或单罐容积大于200 立方米时选用球形储罐比较经济;而 圆筒形储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。圆筒形储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储罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 选用立式。所以在总贮量小于500立方米, 单罐容积小于100 立方米时选用卧式 储罐比较经济。 1.2 液化石油气特点 液化石油气是无色气体或黄棕色油状液体有特殊臭味。液化石油气是从石油 的开采、裂解、炼制等生产过程中得到的石油尾气副产品,通过一定程序,对石 油尾气加以回收利用,采取加压的措施,使其变成液体,装在受压容器内,液化 气的名称即由此而来。它在气瓶内呈液态状,一旦流出会汽化成比原体积大约二 百五十倍的可燃气体,并极易扩散,遇到明火就会燃烧或爆炸。 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 气态的液化石油比空气重约1.5倍,该气体的空气混合物爆炸范围是1.7%~9.7%, 遇明火即发生爆炸。所以使用时一定要防止泄漏,不可麻痹大意,以免造成危害。 因此,往槽车、贮罐以及钢瓶充灌时要严格控制灌装量,以确保安全。因为液化 石油气是由多种碳氢化合物组成的,所以液化石油气的液态比重即为各组成成份 的平均比重,如在常温20时,液态丙烷的比重为0.50,液态丁烷的比重为 0.56~0.58,因此,液化石油气的液态比重大体可认为在0.51 左右,即为水的 一半。 1.3 液化石油气储罐的设计特点 卧式液化石油气储罐也是一个储存压力容器, 也应按GB—150《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 的监督。液化石油气储罐,不论是卧式还是球罐都属第三类压力容器。 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。 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 第二章工艺计算 2.1 设计题目 45 错误!未找到引用源。0.79Mpa 液化石油气储罐的设计 2.2 设计数据 表2-1 设计数据 序号 项目 数值 单位 备注 名称45 用途液化石油气储配站 最大工作压力0.79 MPa 工作温度50 公称直径2200 mm 容积45 单位容积充装量0.42 装量系数0.9 工作介质液化石油气(易燃) 10 其他要求 100%无损检测 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 2.3设计压力、温度 2.3.1 设计压力取最大工作压力的1.1 错误!未找到引用源。 2.3.2 工作温度为 50 ,真人!设计温度取 50 2.4主要元件材料的选择 2.4.1 筒体、封头材料的选择 根据GB150.2-2010 表2,选用筒体、封头材料为低合金钢Q345R(钢材标准为 GB713)。Q345R 适用范围:用于介质含有少量硫化物,具有一定腐蚀性,壁厚较 )的压力容。表2-2 石油化工设备的腐蚀裕mm 腐蚀程度极轻微腐蚀 轻微腐蚀 腐蚀 重腐蚀 腐蚀速率 05 ,钢板负偏差错误!未找到引用源。0.30mm。表2-3 Q345R 在16-36mm 范围下的许用应力 Q345R 在下列温度()下的许用应力(MPa) 20 100150 200 250 185 185 153 143 130 许用应力:假设钢板厚度在16~36mm 之间,查表2-3,得 :根据《压力容器安全技术监察规程》规定,液化石油气储罐应视为第三类压力容器,筒体纵焊缝应采用全焊透双面焊缝,且100%无损探伤,所以 1.0 第三章结构设计与材料选择 3.1 3.1.1筒体壁厚的设计 计算压力 gh=580*9.81*2.2=Pa 10 8625 故液柱静压力可以忽略,MPa 圆筒的厚度在16~36mm范围内,查GB150.2-2010《固定式压力容器第二部分》 中表4-1,可得:在设计温度50 错误!未找到引用源。下,屈服极限强度 利用中径公式,计算厚度:18 2200869 钢板厚度负偏差为0.25mm。查表2-3 取:钢材的腐蚀裕量取 则筒体的设计厚度:18 错误!未找到引用源。圆整后,取名义厚度 筒体的有效厚度65 查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表1,得公称直径2200 选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA,其形状系数K=1根据 GB150.3-2010 中椭圆形封头计算中式5-1 计算: 18 2200869 则,封头的设计厚度18 ,有效厚度65 3.2筒体和封头的结构设计 3.2.1 封头的结构尺寸 根据JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中EHA 椭圆形封头内表面积、容积。 如表3-1 表3-1 :EHA 椭圆形封头内表面积、容积 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 ,得错误!未找到引用源。如下图3.1 图3.1 椭圆形封头简图 3.2.2 筒体的长度计算 根据 错误!未找到引用源。,充装系数为0.9。 即可求得,错误!未找到引用源。, 计算得错误!未找到引用源。。 3.3 鞍座选型和结构设计 3.3.1 鞍座选型 公称直径DN /mm 总深度H /mm 内表面积A/ 2200740 8.8503 3.1198 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 该卧式容器采用双鞍式支座,材料选用Q235-A。估算鞍座的负荷:储罐总质量 错误!未找到引用源。——筒体质量:kg DL 478585 错误!未找到引用源。——单个封头的质量:查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》EHA 椭圆形封头质量, 可知, kg 错误!未找到引用源。——充液质量:kg 1890045 420 错误!未找到引用源。——附件质量:人孔质量为686kg,法兰和紧固件质量1925.6kg,其他接管质量总和估为400kg,即 kg 综上所述,kg 则有:kN mg 错误!未找到引用源。每个鞍座承受的重量为 kN 87 由此查JB4712.1-2007容器支座,选取轻型,焊制为BI,包角为120 ,有垫板的鞍座。查JB4712.1-2007 得鞍座结构尺寸如下表3-2: 表3-2:鞍式支座结构尺寸 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 公称直径DN 2200 腹板 10垫板 610允许载荷 Q/kN 445 10鞍座高度 120底板 360螺栓间距 14垫板 3030螺纹 20 鞍座质量 Kg 298 增加100mm高度,增加的质量26kg 3.3.2 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 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。 由标准椭圆封头由 错误!未找到引用源。鞍座的安装位置如图3.2 所示: 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 10 图3.2 鞍座示意图 此外,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,JB4731 还规定当满足A0.2L 时,最好使 A0.5R 错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。 ,取错误!未找到引用源。,综上有:错误!未找到引用 为封头切线至封头焊缝间距离,L为筒体和两封头的总长) 3.4 接管,法兰,垫片和螺栓的选择 3.4.1 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。法兰简图如图3.3 所示, 接管和法兰布置如图3.4 所示: 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 11 图3.3 法兰结构简图 图3.4 储罐各管口示意图 查HG/T 20592-2009《钢制管法兰》中PN10 带颈对焊钢制管法兰(除人孔法兰外), 选取各管口公称直径,查得各法兰的尺寸、质量,法兰密封面均采用FM 型式。 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 12 表3-3:接管和法兰尺寸 序号 名称 公称 直径 (DN) 钢管外 径法兰 法兰外径 直径K螺栓 螺栓孔数量n 螺栓Th 法兰质量 进气口80 89 200 160 18 M1620 105 3.2 10 排空口50 67 165 125 18 M1618 74 2.9 452.5 8089 200 160 18 M1620 105 3.2 10 8089 200 160 18 M1620 105 3.2 10 排污口50 67 165 125 18 M1618 74 2.9 452.5 出气口80 89 200 160 18 M1620 105 3.2 10 3238 140 100 18 M1218 40 2.3 2025 105 75 14 M1218 40 2.3 2025 105 75 14 M1218 40 2.3 100108 220 180 18 M1620 131 3.6 12 524.5 600630 780 725 30 20 M27 28 660 7.1 1295 56 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 13 3.4.2 垫片 查HG/T 20592-20635《钢制管法兰、垫片、紧固件》得: 表3-4 垫片尺寸表 符号 管口名称 公称直径 内径D1 外径D2 进气口80 89 125 排空口50 61 87 8089 125 8089 125 排污口50 89 125 出气口80 89 125 液位计口32 43 75 温度计口20 27 50 压力表口20 27 50 安全阀口100 115 149 500630 675 注:1:垫片型式为石棉橡胶板。 2:填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3:人孔法兰垫片厚度为3mm,其他法兰垫片厚度为1.5mm 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 14 3.4.3 螺栓(螺柱)的选择 查HG/T 20592-20635《钢制管法兰、垫片、紧固件》,得螺柱的长度和平垫圈尺 表3-5螺栓及垫片 符号 六角头螺栓和螺柱 公称直径 DN 螺纹 数量 质量(kg) 质量 (kg) 80M16 65149 90 144 500M24 20 90 482 125 450 80M16 65149 90 144 20M12 5564 75 60 20M16 5564 75 60 100M16 65149 90 144 k1-2 32 M16 60141 85 136 50M16 60141 85 136 80M16 65149 90 144 80M16 65149 90 144 80M16 65149 90 144 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 15 3.5 人孔的选择 根据HG/T 21518-2005,选用公称压力PN4.0MPa,公称直径DN500mm 的水平吊盖 带颈对焊法兰人孔,密封面为凹凸面(MFM),接管为20 号钢,其明细尺寸见下 表3-6人孔尺寸表(单位:mm) 密封面型式 凹凸面 48公称压力 10 72螺柱数量 20 公称直径 500 495螺母数量 40 60016 1150.4螺柱尺寸 45 300总质量kg 686 3.6 安全阀的设计 3.6.1 安全阀最大泄放量的计算 一般造成设备超压的原因主要有三种:一是操作故障;二是火灾三是动力故障。 根据资料,对于易燃液化气体如液化石油气,在发生火灾时,安全阀的泄放量最 大。在火灾情况下,设备吸热,液相迅速汽化,引起设备的压力升高,这种情况 下液相的汽化量即为安全阀的泄放量。泄放量决定于火灾时单位时间内传人设备 的热量和液体的气化潜热。一般情况下,液化石油气储罐不保温,储罐安全泄放 量可按式计算: 1055 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书16 WS——液化石油气储罐的安全泄放量,kg/h;q——液相液化石油气的蒸发潜热,kJ/kg;液化石油气的汽化潜热 q=427.1(KJ/kg)( 500C) F——系数 储罐在地面上,取F=1 Ar——储罐的受热面积,m2。 对椭圆形封头的卧式储罐,Ar 。以上计算Ar的公式中:D0 储罐外径;l为卧式储罐总长。 则错误!未找到引用源。 3.6.2 安全阀喷嘴面积的计算 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(背压)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: 临界条件下 ——绝热系数,对于液化石油气,武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 17 5744 7.610 Ws——安全阀的排放能力,kg/h;K——安全阀的排放系数,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, K=0.6~0.7; 对带调节圈的微启式安全阀, K=0.4~0.5; 对不带调节圈的微启式安全阀, K=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K=0.65; A——安全阀的喷嘴面积,mm2; C——气体的特性系数,仅与气体的绝热系数k 有关,可按下式算: 1.15,计算得C=332;Z——安全阀进口处气体的压缩系数,液化石油气的压缩系数Z 0.7;T——安全阀进口处介质的热力学温度,K;安全阀排放温度T=323~343 50kg/kmol 武汉工程大学邮电与信息工程学院《压力容器与过程设备》课程设计说明书 18 则安全阀的喷嘴面积为: mm 1493323 5092

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