1、太原理工大学过程设备设计课程设计说明书题目：20m3 液化石油气储罐设计专业：过程装备与控制工程班级：1102 班姓名：学号：指导老师:晁攸明,张兴芳,孙海洋2014 年 12 月 23 日120m3 液化石油气储罐设计课程设计要求1.按照国家压力容器标准,规范进行设计,掌握典型过程设备设计的过程。2.设计计算采用手算,要求设计思路清晰,计算数据准确,可靠。3.工程图纸要求计算机绘图。4.独立完成。原始数据：序号 项目 数值 备注1 名称 液化石油气储罐2 用途 液化石油气储配站3 最高工作压力 MPa 由介质温度决定4 工作温度 20505 公称容积 M3 206 工作压力波动情况 可不考虑
2、7 装量系数 0.98 工作介质 液化石油气（易燃）9 使用地点 太原市，室外2目录一工艺设计 - 5-1.设计压力的确定 - 5 -2.设计温度的确定 - 6 -二.机械设计 - 6 -1.结构设计 .- 7-1.1 设计条件 .- 7 -1.2 结构设计 .- 8 -1.2.1 材料选择 .- 8-1.2.2 筒体和封头结构设计 .- 10-1.2.3 筒体整体、接管、人孔分布图 .- 10 -1.2.4 法兰设计 - 10 -1.2.5 接管设计 - 13 -1.2.6 垫片的选择 - 13 -1.2.7 螺栓(螺柱)的选择 .- 14-1.2.8 人孔和手孔结构设计 .- 15-1.2
3、.9 支座结构设计 - 17 -1.2.10 焊接接头设计 - 21 -2.强度计算 - 23 -2.1 液柱静压力计算 - 23-2.2 容器的筒体和封头厚度设计 .- 24 -2.2.1 筒体厚度设计 .- 24-32.2.2 封头厚度设计 .- 24-2.2 开孔补强圈计算 .- 25 -3.强度校核 - 26 -3.1 水压试验应力计算并校核 - 26-3.2 气密性实验 - 26 -4.软件强度校核表格 - 27 -结束语 .- 40 -参考文献 .- 41 -4课程设计内容课程设计内容包括工艺设计和机械设计两部分。1工艺设计工艺设计的内容是根据设计任务提供的原始数据和生产工艺要求，
4、通过计算和选型确定设备的轮廓和尺寸。其中设计存储量W=V t式中，W储存量，t;装量系数；V压力容器容积,20.6m3; t设计温度下饱和液体密度，0.485t/m 3;其中 =0.9 V=20.6m3 t=0.485计算可得 W=9.0t。1.设计压力的确定设计压力应根据最高工作压力来确定。设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为容器的基本设计载荷条件，其值不低于工作压力。设计压力的确定原则是应该根据容器最危险的操作情况而定。通常可取最高工作压力的 1.05 1.10 倍。5表 11 液化石油气饱和蒸汽压及饱和液密度温度 15 10 30 50液化石油气 0.183 0
5、.319 0.722 1.182饱和蒸汽压MPa(绝压） 丙烷 0.279 0.616 1.058 1.710饱和液密度Kg/m3液化石油气 571 543 512 485该储罐用于液化石油气储配站，因此属于常温压力存储。工作压力为相应温度下的饱和蒸汽压。因为对于液化石油气的压力起主要贡献的是其中丙烷的饱和蒸汽压，所以可取 50时丙烷的饱和蒸汽压力作为最高工作压力。由上表可知 50时丙烷饱和蒸汽压力1.710MPa,其表压为 1.7100.1=1.610MPa,则其设计压力为1.6101.1=1.77MPa.2.设计温度的确定设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属截面的
6、平均温度值） 。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。该储罐使用地点在太原室外，因取其最高温度为设计温度，所以其设计温度为 50。二.机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两方面。61.结构设计1.1 设计条件表 21 结构设计条件表项目 内容 备注工作介质 液化石油气工作压力 MPa 1.61 由介质温度确定设计压力 MPa 1.77 工作压力1.1工作温度 2050设计温度 50公称容积（Vg）m 3 20计算容积（V 计 ）m 3 20.6工作容积（V 工 ）m 3 18.54装量系数 0.9介质密度（ t）t/m 3 0.485材质 Q345R保温要求 无其他要求 无表
7、 22 管口表公称规格 连接法兰标准 密封面 用途或名称PN25 DN20 HG/T 20952-2009 FM 差压传感器PN25 DN500 HG/T 21518-2005 MFM 人孔PN25 DN20 HG/T 20952-2009 FM 温度计接管PN25 DN20 HG/T 20952-2009 FM 压力计接管PN25 DN100 HG/T 20952-2009 FM 安全阀接管PN25 DN50 HG/T 20952-2009 FM 排空管PN25 DN50 HG/T 20952-2009 FM 排污管PN25 DN50 HG/T 20952-2009 FM 气相平衡管PN25
8、 DN50 HG/T 20952-2009 FM 气相管PN25 DN50 HG/T 20952-2009 FM 出液管PN25 DN50 HG/T 20952-2009 FM 进液管PN25 DN20 HG/T 20952-2009 FM 连通排污管PN25 DN50 HG/T 20952-2009 FM 备用管71.2 结构设计化工设备的结构设计包括设备承压壳（一般为筒体和封头）及其零部件设计。设备零部件包括支座接管和法兰、人孔和手孔、视镜等。我国已经制订了化工设备通用零部件的系列标准，设计时可根据具体条件按照标准进行选用。1.2.1 材料选择正确选择材料对于保证设备的安全使用和降低成本是
9、至关重要的。压力容器用材料包括容器受压壳体用钢和设备零部件用材料。零部件有受压元件（如接管、法兰）和非受压元件（如支座） ，所用材料涉及钢板、钢管、锻件、型钢及钢棒等。压力容器受压元件用钢应符合压力容器GB150 中的有关规定。对于非受压元件用钢，当与受压元件焊接时，也应是焊接性能良好的钢材。压力容器壳体通常采用钢板经过成形焊接而成的，法兰视具体情况可采用钢板或锻件，螺栓和螺柱应采用钢棒，接管一般应采用无缝钢管，支座所用材料涉及钢板、型钢及钢管（视具体结构而定） 。常见用压力容器用碳素钢和低合金钢板有 Q245R、Q345R、Q370R 等；无缝钢管常用材料有 10、20、16Mn 等。对于该
10、储罐，其设计压力属于中压，设计温度为2050，综合设备结构、工艺、实际工作条件及价格等因素，因选择 Q345R 作为筒体的材料，16Mn 为钢管的材料。81.2.2 筒体和封头结构设计筒体直径由工艺条件决定，但要注意符合压力容器的公称直径标准。查表可知 20m3容积的储罐筒体内径为 2000mm，长度为5700mm。标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头形式，其最新标准为压力容器封头GB/T251982010。封头的公称直径必须与筒体的公称直径相一致，查表可得封头参数如表表 23 EHA 椭圆形封头参数公称直径DN/mm总深度 H/mm 内表面积 A/m2 容积 V 封 /m32000 5
11、25 4.493 1.1257图 1 椭圆形封头91.2.3 筒体整体、接管、人孔分布图1.2.4 法兰设计法兰有压力容器法兰和管法兰，二者属于不同的标准体系。容器法兰按JB/T 470047072000压力容器法兰标准设计。管法兰按 HG/T205922009钢制管法兰标准进行设计，设计内容如下：根据设计压力、操作温度和法兰材料决定法兰的公称压力 PN。10公称压力应比设计压力稍高，该储罐设计压力为 1.77MPa,故选 PN为 25。根据公称直径 DN、公称压力 PN 及介质特性决定法兰类型及密封面形式。法兰选带劲对焊法兰（WN), 密封面形式为凹凸面（ MFM)。图 2 带颈对焊法兰图
12、3 法兰的连接尺寸11图 4 密封面形式表 24 PN 2.5 带颈对焊法兰钢制管法兰尺寸（mm)管口符号 管口名称 公称直径DN钢管外径B法兰外径D法兰厚度C法兰高度H法兰理论质量Kga液位计接管202510518 40 1.0c温度计接管202510518 401.0d压力计接管202510518401.0e安全阀接管10010823524656.5f排空管 505716520483.0g排污管 505716520483.0h气相平衡管505716520483.0i气相管 5057 16520483.012j出液管 505716520483.0k进液管 50 5716520483.0l连通
13、管排污口202510518401.0m备用管505716520483.01.2.5 接管设计容器一般采用无缝钢管，使用标准 GB8163。钢管的材料选用16Mn。与壳体连接形式为平齐式。表 25 接管尺寸（mm）管口符号管口名称公称直径 DN钢管外径 B数量 管口伸出量管子壁厚伸长量质量（kg)a 液位计接管 20 25 2 100 3 0.163c 温度计接管 20 25 1 100 3 0.163d 压力计接管 20 25 1 100 3 0.163e 安全阀接管 100 108 2 150 5 1.905f 排空管 50 57 1 150 4 0.7845g 排污管 50 57 1 15
14、0 4 0.7845h 气相平衡管 50 57 1 150 4 0.7845i 气相管 50 57 1 150 4 0.7845j 出液管 50 57 1 150 4 0.7845k 进液管 50 57 1 150 4 0.7845l 连通管排污口 20 25 1 100 3 0.16313m 备用管 50 57 1 150 4 0.78451.2.6 垫片的选择查过程设备设计第三版表 4-11 垫片的选用，根据介质为液化石油气、公称压力为 2.5MPa、工作温度为 500oC 以及密封面为凸面得出垫片的形式可以选用缠绕垫、柔性石墨复合垫，其材料可以选用 0Cr13、钢带-石棉板、石墨-0Cr
15、13 等骨架。图 3-5 凹凸面型垫片1.2.7 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、紧固件中表 5.7-9 和附录中标A.0.1，得螺柱的长度和平垫圈尺寸：图 3-6 双头螺柱14图 3-7 螺母1.2.9 人孔和手孔结构设计一般当设备的公称直径超过 900mm 时应开设人孔，所以该储罐应开设人孔。人孔有圆形和长圆形两种。人孔大小的设置原则是方便人的进出。因此，人孔的公称直径规定为 400600mm，可根据容器直径及所处地区的冷暖程度来选择。容器公称直径大于等
16、于1000mm 且筒体与封头为焊接连接时，容器应至少设置一个人孔。卧式容器筒体长度大于等于 6000mm 时，应考虑设置两个以上人孔。现行的人孔手孔标准为 HG/T21514215352005钢制人孔和手孔 。该储罐人孔选用回转盖带颈对焊法兰人孔。15图 5 回转盖带颈对焊法兰人孔16表 26 回转盖带颈对焊法兰人孔明细表材料件号标准号名称数量类比代号1 筒节 1 16MnR2 HG20613 等长双头螺栓 8.8 级3 HG20613 螺母见尺寸表 8 级4 HG20595 法兰 1 16Mn5 HG20606 垫片 1 非金属平垫6 HG20601 法兰盖 1 16MnR7 把手 18 轴
17、销 1Q235-A.F9 GBT91 销 2 Q21510 GBT95 垫圈 2 100HV11 盖轴耳（1） 112 法兰轴耳(1） 113 法兰轴耳（2） 114 盖轴耳（2） 1Q235A. F表27 回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表密封面形式PN(MPa)DN(mm)dwS(mm)d(mm)D(mm)D1(mm)H1(mm)H2(mm)b (mm)凹凸面 2.5 500 53012 506 730 660 280 123 44螺柱 螺母 螺柱b1 (mm)b2(mm)A (mm)B (mm)L (mm)d0 (mm) 数量 直径长度总质量（kg)43 46 405 200 300 30 2
18、0 40 M332170 3021.2.9 支座结构设计鞍式支座是卧式容器常采用的支座形式，设计时可根据具体情17况通过鞍式支座 第一部分：鞍式支座JB/T4712.12007 确定。设计中鞍式支座的地脚螺栓中心至封头切线位置的距离应不大于 1/4 筒体中径。若无法满足时，应尽量使该距离不大于 0.2 倍的两封头切线间距离。估算鞍座负荷鞍座总负荷量等于各部分质量之和 m=m 1+2m2+m3+m4其中：m 1为筒体的质量，对于 Q345R 的碳素钢，=7850kg/m 3 故 m1=L(R+0.0012) 2-R2=5.79.87850(1.0012 2-12)=3287.13Kg m2为单个
19、封头的质量， 查压力容器封头GB/T25198-2010 中表 C.2 EHA 椭圆形封头质量得 415.3Kgm3为充水质量：故 m3 （max) =V=100020.6=20600Kgm4为附件质量: 选取人孔后，查得人孔及补偿圈质量为 343.5kg ，其他质量总和估计为 100Kg.即 m4=343.5+100=443.5Kg由上可得总质量: m=m1+2m2+m3+m4=3287.13+2415.3+20600+443.5=25161.23kg所以每一个鞍座承受的的重量 G=25161.239.8=246580.054KN。由此查容器支座第一部分：鞍式支座JBT4712.12007
20、选择轻型，焊制 A，包角 120 度，带垫板的鞍座，筋板数为 4。鞍座标记 JBT4712.12007 鞍座 A 2008S JBT4712.12007 鞍座 A 2008F18查表 JB4712.12007 得鞍座尺寸表如下，表 28 鞍座支座结构尺寸 （mm）公称直径 DN 2000 l3 330 弧长 2330允许载荷 Q/kN 300 b2 190 b4 430鞍座高度 h 250 b3 260 4 10l1 1420筋板3 8垫板e 80b1 220 鞍座质量 kg 160 间距 l2 1260孔长 l 40底板 1 12螺孔 d 24腹板 2 10增加 100mm 高度增加的质量
21、kg17螺栓 配置螺纹 M20图 6 鞍式支座结构图19鞍座位置的确定当外伸长度 A=0.207L 时（L 为两封头切线间距离， A 为鞍座中心线距封头切线间距离） ，支座处弯矩的绝对值与跨中截面弯矩的绝对值相等，使其最大弯矩达到最小。通常取尺寸 A 不超过 0.2L 值，否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。对于标准椭圆封头 Di/2(H-h)=2 ，得h=HDi/4=5252000/4=25mm所以 L=5700+252=5750mm 得 A0.2L=0.25750=1150mm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
22、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20A0.2L 时，最好使 A0.5R m（中径） （ ）,2Rinm即 R m=1000+122=1006mmA0.5R m =0.51006=503mm 取 A=525mm L=5750mm材料：鞍座为 Q235A,垫板为 16Mn。1.2.10 焊接接头设计容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝，熔合区和热影响区的总称。焊接接头的型式直接影响到焊接的质量与容器的安全。焊接接头的型式及焊接材料应在化工设备的装配及零部件图中以适当的方式表示出来。（1）回转壳体的焊接结构设计回转壳体的拼接接头必须采用对接
23、接头。壳体上的所有纵向及环向接头，凸形接头上的拼接接头，及 A，B 类接头，必须采用对接焊头，不允许采用搭接焊。对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损检测，可获得最好的焊接接头质量。（2）接管与带补强圈的焊接结构设计接管与壳体及补强圈之间的焊接一般智能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与安全的要求有关，涉及到是否开坡口，单面焊与双面焊，焊透与否等问题。作为开孔补强元件的补强圈，一方面要求就尽量与补强前的壳体贴合紧密，另一方面与接管，壳体之间的焊接接头设计也应力求完善合理。但只能采用搭接和角接，难于保证全融透，也无法进行无损检测，因而焊接质量不易保证21（3）焊接方法和材料选择一般压力容器的设计
24、中，都是按电弧焊的要求来进行焊接结构设计，并选择用相应的焊接材料。手工电弧焊设备简单，便于操作，适用于各种焊接，在压力容器制造中应用十分广泛，钢板对接，接管与筒体，封头的连接等都可以采用手工电弧焊。焊条电弧焊的焊接材料是焊条。表 29 焊条的选用 XX 与 XX 焊接 焊条型号 焊条牌号示例Q345R 与 Q345R E5015 J507Q345R 与 16MnR E5015 J507Q235A 与 Q235A E4303 J42216Mn 与 Q235A E4315 J427筒体和封头的焊接：=620 =6070 b=02 p=2 3采用 Y 型对接接头和手工电弧焊图 3-11 Y 型坡口2
25、2接管与筒体的焊接： =45+5 b=20.5 p20.5 H1=t t 1 1k= 8 k30.7 82kcc图 3-13 带补强圈焊接接头结构2.强度计算依据我国现行压力容器常规设计的标准 GB150-1998钢制压力容器 、JB/T4731-2005钢制卧式容器 。2.1.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 max D=2000mm。P 静（max） =gh max=0.499.82000=0.0096Mpa23P 液 P 设 5%=0.089Mpa 则 P 静 可以忽略不记。 Pc=P 设 =1.77Mpa2.2 容器的筒体和封头厚度设计2.2.1 筒体厚度设计内
26、压容器的计算厚度由中径公式确定 = 2tPcDi式中 t 材料许用应力，假定罐体厚度范围为 =616mm， 查表可得 t=189MPa P c 计算压力 ，P c =P=1.77MPa ，忽略液柱的静压力 D i 罐体内直径，D i =2000mm 焊接接头系数 =1（因为筒体为单面对接接头形式相当于单面对接焊的全焊透对接接头，采用 100无损检测，故取 =1.0）综上得计算厚度 =(1.772000)(21891.0-1.77)=9.409mm取腐蚀余量 C2=1mm得设计厚度 d=+C 2=9.409+1=10.409mm对于 Q345R，取钢板负偏差 C1=0.3mm,因而可取名义厚度
27、n=12mm(满足 616mm),故取 n=12mm。2.2.2 封头厚度设计标准椭圆封头是经常采用的封头形式，其计算公式由下式确定24= 20.5tPcDi假设封头厚度 =616mm,工作条件与筒体相同可得计算厚度 =P CDI 2t -0.5P c =(1.772000)(21891.0 0.51.77)=9.387mm取腐蚀余量 C2=1mm得设计厚度 d=+C 2=9.387+1=10.387mm对于 Q345R，取钢板负偏差 C1=0.3mm因而可取名义厚度 n=12mm(满足 =616mm)，故可取n=12mm。2.3 开孔补强圈计算根据 GB150 壳体开孔满足下述全部要求时，可
28、不另行补圈 设计压力小于等于 2.5MPa 两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍接管工程外径小于等于 89mm接管最小壁厚满足下表要求。表 210 接管最小壁厚 （mm）接管工程直径 25 32 38 45 48 57 65 76 89最小壁厚 3.5 4.0 5.0 6.0253.强度校核3.1 水压试验应力计算并校核试验压力 Pt=1.25Pt=1.251.77189189=2.2138MPa 有效厚度 e=n-C2-C1=12-1-0.3=10.7mm校核圆筒应力：t=Pt(D i+ e)2 e=2.2138106（2000+10.7）（210.7）=207.65MPa0.9
29、e=0.91.0345=310.5MPa校核合格3.2 气密性实验因为液化石油气易燃易爆，故不允许有微量泄漏，所以应进行气密性实验。气密性实验压力为 1.77MPa。264.软件强度校核表格钢制卧式容器 计算单位 太原理工大学 过控 11计 算 条 件 简 图设计压力 p 1.77 MPa设计温度 t 50 筒体材料名称 Q345R封头材料名称 Q345R封头型式 椭圆形筒体内直径 Di 2000 mm筒体长度 L 5700 mm筒体名义厚度 n 12 mm支座垫板名义厚度 rn 10 mm筒体厚度附加量 C 1.3 mm腐蚀裕量 C1 1 mm筒体焊接接头系数 1封头名义厚度 hn 12 m
30、m封头厚度附加量 Ch 1.3 mm鞍座材料名称 Q235-B鞍座宽度 b 220 mm鞍座包角 120 支座形心至封头切线距离 A 475 mm鞍座高度 H 250 mm地震烈度 八(0.2g) 度27内压圆筒校核 计算单位 太原理工大学 过控 11计算所依据的标准 GB 150.3-2011 计算条件 筒体简图计算压力 Pc 1.77 MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2000.00 mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 189.00 MPa设计温度许用应力 t 189.00 MPa试验温度下屈服点 s 345.00 MPa钢板负偏差 C1 0.30 mm腐蚀裕量
31、 C2 1.00 mm焊接接头系数 1.00厚度及重量计算计算厚度 = = 9.41PDcit2 mm有效厚度 e =n - C1- C2= 10.70 mm名义厚度 n = 12.00 mm重量 3393.84 Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.7700 (或由用户输入)t MPa压力试验允许通过的应力水平 TT 0.90 s = 310.50 MPa试验压力下圆筒的应力 T = = 166.31 pDie.()2 MPa校核条件 T T校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力Pw= = 2.011542eti()D MPa28设计温度下
32、计算应力t = = 166.31PDcie()2 MPat 189.00 MPa校核条件 t t结论 合格左封头计算 计算单位 太原理工大学 过控 11计算所依据的标准 GB 150.3-2011 计算条件 椭圆封头简图计算压力 Pc 1.77 MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2000.00 mm曲面深度 hi 500.00 mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 t 189.00 MPa试验温度许用应力 189.00 MPa钢板负偏差 C1 0.30 mm腐蚀裕量 C2 1.00 mm焊接接头系数 1.00压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值 PT = 1
33、.25Pc = 1.7700 (或由用户输入)tMPa压力试验允许通过的应力t T 0.90 s = 310.50 MPa试验压力下封头的应力 T = = 165.86.2)50(eiKDpMPa校核条件 T T校核结果 合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.00002i61h计算厚度h = = 9.39PDcitc205. mm有效厚度 eh =nh - C1- C2= 10.70 mm最小厚度 min = 3.00 mm名义厚度 nh = 12.00 mm结论 满足最小厚度要求重量 415.41 Kg29右封头计算 计算单位 太原理工大学 过控 11计算所依据的标准 GB 150.3-
34、2011 计算条件 椭圆封头简图计算压力 Pc 1.77 MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2000.00 mm曲面深度 hi 500.00 mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 t 189.00 MPa试验温度许用应力 189.00 MPa钢板负偏差 C1 0.30 mm腐蚀裕量 C2 1.00 mm焊接接头系数 1.00压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc = 1.7700 (或由用户输入)tMPa压力试验允许通过的应力t T 0.90 s = 310.50 MPa试验压力下封头的应力 T = = 165.86.2)50(eiKDpMPa校核条件 T T校核结果 合格厚度及重量计算形状系数K = = 1.00002i61h计算厚度h = = 9.39PDcitc205. mm有效厚度 eh =nh - C1- C2= 10.70 mm最小厚度 min = 3.00 mm名义厚度 nh = 12.00 mm结论 满足最小厚度要求重量 415.41 Kg压 力 计 算压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 2.01690205.teiKD MPa结论 合格
