1、摘要本设计按过程装备与控制工程专业教学计划要求，在完成专业核心课程过程设备设计学习后，这对此课程安排的课程设计。其目的是强化理论知识，并进行实践训练，培养学生解决工程实际问题的能力。我的主要任务是完成 20M3液化石油气储罐设计。儿储罐属于存储压力容器（代号 C）主要用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器。按照国家最新压力容器标准、规范进行设计，本着可靠、经济、适用的原则选取。本次设计分成两个阶段，一为设计计算、绘制装备图草图，二为用 CAD 绘制总装配图。本次设计按照工艺人员给定的工艺条件，计算确定储罐的轮廓尺寸的设计计算及相关的结构设计，其具体内容包括工艺设计、机械设计、技术条
2、件的编制等等。本次储罐设计是在孙海洋 XX 老师的耐心指导下完成的，XX 老师对本次设计给予了莫大的帮助，对此表示由衷感谢。1前言 1第一章 工艺计算 21.1 设计存储量 .21.2 设计压力 .21.3 设计温度确定 .3第二章 机 械 设 计 32.1 承压壳体设计 .32.2 零部设计 .6第三章 各种接管总体布局 14第四章 强度计算校核 154.1 水压试验 .154.2 应力校核 .154.3 稳定性条件 .174.4 补强计算 .174.5 气密性试验 .20总结 21参考文献: 222前言压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起
3、着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。 根据设计要求和任务条件，通过工艺设计、工艺计算、材料选择、容器类别等进行初步的设计计算和草图的绘制。在前期工作的基础上进行结构设计、支座设计等机械设计，并根据实际情况选择焊接类型和封面类型。当设计基本完成后再根据设计的任务条件进
4、行强度计算和压力试验、气密性试验等。设计完成后，编写说明书。 本次设计主要是设计储罐，储罐属于存储压力容器（代号 C）主要用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器。液化石油气储罐即为此类压力容器。液化石油气主要由丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等物质组成的。通常情况下，灌装的压力容器中液化石油气极易挥发，体积能矿大 250-300 倍，且气态液化石油比空气重，因此一旦出现泄漏，遇到明火、电火花等火源就会发生燃烧甚至爆炸。本次 20M3属中压容器，根据固定式压力容器安全技术监督管程液化石油气为易燃气体，故液化石油气储罐归为第二类压力容器。3第一章 工艺计算1.1 设计存储量盛装液化气体的压力容器
5、设计存储量 tVW式中： 装载系数（ =0.90） ； V压力容器容积（20m） ；设计温度下的饱和溶液的密度， （0.485 ）t 3mt3t根据设计条件 =0.9200.485=8.730ttW1.2 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饱和蒸气压。因此，不需要设保冷层。表 1 常温储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力液化气体临界温度 无保冷设施规定温度下的工作压力50 50饱和蒸汽压力50 设计规定的最大装量下位 50的气体压力表 2 常温储存混合液化气体压力容器规定温度下的工作压力混合液化石油气 50饱和蒸汽压力 无保冷规定温度下的工
6、作压力异丁烷 50饱和蒸汽压力 =异丁烷 50异丁烷 50饱和蒸汽压力丙烷 50饱和蒸汽压力 =丙烷 50饱和蒸汽压力丙烷 50饱和蒸汽压力 =丙烷 50饱和蒸汽压力表 3 液化气体饱和蒸汽压及饱和密度温度 -15 10 30 50液化石油气 0.183 0.319 0.722 1.182饱和蒸汽压 Mpa丙烷 0.279 0.616 1.058 1.710饱和液密度 Kg/m 液化石油气 571 543 512 485因为：P 异丁烷 P 设 静筒体厚度计算GB713和 GB3551低温压力容器用钢板中列举的压力容器专用钢板的厚度负偏差按 GB/T709 中的类要求。Q345，Q245R 等
7、压力容器的钢板负偏差-0.30mm。考虑到，介质的腐蚀程度，和材料 Q345R,Q245R 的抗腐蚀能力，暂设Q345R C2 为 2mm，而 Q245R 的 C2 为 3mm。计算厚度 mm（材料 Q345R）1.7089.citpD.49设计厚度 mm2.04.d名义厚度 mm(在设定范围之内 )1nCA有效厚度 mm.397e最小厚度 mmmin210同理材料为 Q245R 时，其厚度为计算厚度 =12.113mm名义厚度 =16mm（在 3-16 范围内）12nCA从上诉叙述得，Q345R 的厚度设计比 Q245R 要大，暂选 Q345 为容器材料。封头厚度计算（采用标准椭圆形封头）根
8、据标准椭圆形封头的计算厚度公式得：计算厚度 mm1.7209.38789.520.5citcpD名义厚度 mm（与筒体相等）12nCA有效厚度 mm.397e7图 3 筒体封头配合示意材料选择：低合金钢的强度指标高于碳素钢，以安全性和经济性为主要 设计原则。由于设计温度 T=50，设计压力 P=1.77MPa，介质为液化石油气。Q245R 和 Q345R 使用温度范围相近，设计压力属于低压，对容器介质无要求，均符合要求 Q245R，Q345R 比较。1）耗材：Q245R 厚度越大，耗用量越大。Q345R 属低合金钢，厚度小，省材料，重量小，但 Q345 价格贵，由此看来，两者均可。2）制造、运
9、输、安装费用：Q345R 板厚小，重量少，设备运输与安装较方便。 综合上述，从耗量和价格及运费综合考虑，薄的好，因此选用 Q345R。表 6 设计条件表项 目 内 容 备 注工作介质 液化石油气 混合液化气工作压力 MPa 1.170 丙烷饱和蒸汽压设计压力 MPa 1.77 公称压力工作温度 -2050设计温度 50 最高工作温度公称容积（V g） m 3 20.0计算容积（V 计 ） m 3 20.158工作容积（V 工 ） m 3 18.142装量系数 ( V) 0.9介质密度（ t） t/m 3 0.485材 质 Q345R 低碳钢保温要求 无保冷设备其它要求82.2 零部设计容器法兰
10、设计介质：液化石油气，易燃、易爆，第类介质，设计压力 P=1.77MPa容积：20M，操作温度：50 ，材料 Q345R，公称压力 PN=2.5Mpa接管法兰设计PN=2.5Mpa， 便于安装使用，选用标准带颈对焊法兰（WN） ，密封面选凹面 M。法兰面的选择：位于封头上侧，筒体两侧的法兰选用凹面以免擦伤，位于封头下侧，筒体腹部的法兰焊凸面法兰。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,带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，法兰的密封面均采用 MFM（凹凸面密封） 。接管和法兰布置如图 3 所示，法兰简图如图所示：图
11、 4 法兰的封面形式9图 5 带颈对焊钢制管法兰表 7 接管法兰一览表法兰颈序号 名称 法兰外径中心圆直径 K螺栓直径螺栓个数螺栓Th N S法兰高度接管直径a1-2 液位计接口 105 75 14 4 M12 40 2.3 40 20b 人孔 715 650 33 20 M30 548 8.0 90 500c 温度计口 G3/4”d 压力计口 105 75 14 4 M12 40 2.3 40 M201.5e1-2 安全阀口 220 180 18 8 M16 105 3.2 50 100f 排空口 165 125 18 4 M16 74 2.9 45 50g 排污口 165 125 18 4
12、 M16 74 2.9 45 50h 气相平衡口 165 125 18 4 M16 74 2.9 45 50i 气相口 165 125 18 4 M16 74 2.9 45 50j 出液口 165 125 18 4 M16 74 2.9 45 50k 进液口 165 125 18 4 M16 74 2.9 45 50l 联通排污口 105 75 14 4 M12 40 2.3 40 20垫片设计查钢制管法兰用金属包覆垫片 ，得：10图 6 垫片示意图表 8 管口与法兰垫片配合表公称规格 密封面PNMPa DNmm FM HG/T20592-2009用途 D1 D22.5 20 MFM HG/T
13、20592-2009 液位计接口 27 252.5 500 FM HG/T20592-2009 人孔 580 6242.5 G3/4” FM HG/T20592-2009 温度计口2.5 M201.5 FM HG/T20592-2009 压力计口 27 502.5 100 FM HG/T20592-2009 安全阀口 145 1682.5 50 FM HG/T20592-2009 排空口 30 872.5 50 FM HG/T20592-2009 排污口 30 872.5 50 FM HG/T20592-2009 气相平衡口 30 872.5 50 FM HG/T20592-2009 气相口
14、30 872.5 50 FM HG/T20592-2009 出液口 30 872.5 50 FM HG/T20592-2009 进液口 30 872.5 20 FM HG/T20592-2009 联通排污口 27 50注： 1：垫片的公称压力 PN2.5，故垫片的材料选橡胶板垫片，密封面型为凹凸型。2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。3：垫片厚度均为 3mm。螺柱的选择表 9 所用螺栓尺寸直径 DNmm 螺栓螺纹 M 螺栓数量 n 螺栓长度 L20 10 4 1550 12 4 60100 16 4 65注：紧固件选择的主要是保证设备安全不泄露，为此好需要相应的螺母与之配合，螺母和螺栓的公称直
15、径要相同。故还是 20,50,100，螺母 硬度要比螺栓的硬度小近 30HB，为保证安全法兰环上，螺栓个数要多，11一般是 4 或 8 个，这样可以使垫片受力均需，密封性效果要好,紧固件 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 数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345。图 7 双头螺柱图 8 螺母人孔设计容器的公称直径大于 1000mm，故设置人孔，筒体长度小于 6000mm，只需 设置一个人孔。标准为现行人孔标准钢制人孔和手孔 。筒体 DN=2000mm，故人孔 DN=500mm。密封面：根据公称压力选凹凸面 MFM。材料选 Q345R。紧固
16、螺栓代号 S-35CM 表【2-5】垫片代号：NMXB350不快开吊盖人孔盖轴耳型式代号：A 型轴耳12公称压力：2.5MPa非标准高度 =350mm1H标准编号：HG/T 21518-2005人孔:MFM III S-35CM （NMXB350 ）A 500-2.5 mm3501H表 10 吊盖人孔明细表封面 PN DN ds d D D1 H1 H2 bMFM 2.5 500 53012 506 730 660 350 213 44数量 螺柱尺寸 总质量b1 b2 A螺柱 螺母43 48 415 20 40M332170 320图 9 人孔示意图液位计N=2.5MPa,温度-2045，密度
17、为 0.571g/ 0.45 g/ 满足磁性3cm3c液位计的使用要求。因为筒体 DN=1600mm，所以选液位计中心距 L=3500mm材料选择 0Cr18Ni9(304)报警器选择上下限位报警器 C根据液位计标记准则 此容器选取磁性液位计，安装在最高液面以上。标记为：UZ2.5M-3000-0.571 AY304C焊接接头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13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，各种焊接结构如图图 10 焊接接头示意采用 X 型对接接头和手工电弧焊,如图上图带补强
18、圈的接管的焊接接头形式对于人孔、补强圈与壳体的接头选用 B 类接头形式选择双面 100%无损探伤，即:由于液柱静压力 P =0.00952MPa静P 5%=0.089Mpa P设 静又有：钢号选择 Q345R，属于低合金钢，选择低合金钢焊条，A、B 类焊缝，结构如下图 11 对接焊缝14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。焊条类型：E5015筒体厚度，在 6-16mm 之间，满足条件，名义厚度为 12mm，所以选用nV 形对接接头焊缝。表 11 焊缝的检测焊缝结构和无损检测焊接接头
19、类别检测率 级别 标准 备注A/B 类 100% RT_II JB/T3430.1-2005筒体与接管接头 100% UT-I JB/T3430.1-2005筒体与补强圈接头 100% UT-I JB/T3430.1-2005C/D类 法兰与接管接头 100% UT-I JB/T3430.1-2005钢板逐张 UT 检验，热处理，外表面防护涂漆，设备安装等要求 支座结构设计鞍式支座是卧式容器经常的支座型式，本设备采用 JB/T 4712.1-2007容器支座标准。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
20、保持等强度，考虑到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。15鞍座选型：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，JB 4731 还规定当满足A0.2L 时，最大 A0.25L，即 A0.25700=1140mm，最大
21、 A0.255700=1425mm最好使 A0.5R m（ ）,即 2RinRa=Di2+n2=1000mmA0.5R a=0.51000=500 故可取 A=500mm 等综上有 A=600mm,注：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图 12 鞍座示意图材料选择支座材料与筒体一致，选用 Q345R。选用双鞍座，一个为固定支座，一个为滑动支座，可防止温差应力。安全阀设计16由操作压力 P=1.701MPa，工作温度为-2050，盛放介质为液化石油气体。选安全阀的公称压力 PN=2.5MPa，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
22、称直径 DN=100mm.第三章 各种接管总体布局下图即是本次设计的结构外形图，储罐的公称压力 1.77MPa，公称直径2000mm，公称容积 20m，该罐的表示为 WG-2.5-2000-20，NB/T47001-2009该储罐的公称容积在 8-50m，公称直径在 1400-3800mm 之间，故储罐要设计一个人孔，内设 1 个内梯。该容器为卧式容器，采用鞍式支座 。卧式 7容器一般采用双支座，一个固定式（F） ，一个滑动式（S） 。选取支座 JBT 4712.12007，支座 A 2100F，JBT 4712.12007，支座 A 2100F。图 13 接管布局图第四章 强度计算校核4.1
23、 水压试验容器的筒体和封头厚度设计相等，在试验中器壁和焊缝，以“张开”17状态接受检验，无须温度修正。耐压试验式容器在使用的第一次承压，且试验压力比容器的最高工作压力高，容器在承受相同容器下，试验介质的压缩系数越高，容器越容易爆炸，液体的压缩系数比气体的小，水作为介质洁净，安全系数大。液压试验 =1.25所以 MPaPtT 213.70.125,1= =229.25MPa()2eTDi.3(9.)Pas 5.1049.0. 符合要求sT4.2 应力校核卧式容器按体积等效，长度可等校为 L=5700m，H=525mm 长度折算后=6400mm，的容器可看作是受均布载荷作业，查表得钢材密度43LH
24、7850kg/m 3,椭圆形封头 n12mm, A4.4930m,则 封头 M 封头 2A n278500.0124.4930846.48kg筒体 M 筒 VDiL n3.142.05.70.01278503371.98kg 装 90%的液化石油气质量 M1=4850.920=8730kg装满水水的质量 M2=100020=20000 kg人孔组合件总质量：M3=340.7kg（包括补强圈）其他接管螺母法兰总质量：M4=383.71kg正常操作时质量 M=M 封头 +M 筒 +M1+M3+M4=13672.87kg水压试验时质量 M=M 封头 +M 筒 +M2+M3+M4=24942.87kg
25、18=（13672.879.81 ）/6.4=20957.95N/m (正常操作)MgqL=(24942.879.81)/6.4=38232.74N/m （水压试验）对等效后的容器进行受力分析，在中点处有最大弯矩，则有=48671.56Nmmin=88730.55NmaxM在正常操作条件下：=73.751MPamax2iceieRp=73.748MPa2iniceie19强度条件： =1890.85=160.65 MPa 满足tmax在水压试验条件下：=92.21MPamax2TTeiepRiM=-0.0024MPa2inTTie=310.5 MPa 满足s9.0max可知筒体强度符合要求。4
26、.3 稳定性条件crTminin,ax=1.12810，eRA094.得 B=150MPa 即 =150MPacr可知，筒体的稳定性也符合要求。 4.4 补强计算可不另行补强的条件1. 设计压力小于或等于 2.5Mpa2. 两相邻开孔中心间距应不小于两孔直径之和的两倍3.接管工程外径小于或等于 89mm4.接管最小壁厚满足下表要求的：表 12 不另行不强的接管厚度接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0接管的直径有满足上诉条件的不需另行不强注：所有接管的材料均选用 Q345R 钢。20人孔本次设计人孔的公称外径为 500mm89
27、mm，所以进行补强圈补强 本次设计的储罐的筒体长度 L=5700，由于容积 20m，故开一个人孔。选取人孔的公称直径 DN=500。取人孔的中心线到焊缝的距离为 615。由于介质是液化石油气易燃易爆，所以密封面选择为 MFM为了保障人孔的开启安全方便选用 A 型盖轴耳。 出于安全性的考虑，人孔必须补强。补强圈厚度计算流程如下：有效补强范围内的补强面积计算：按 HG/T21518-2005 选用回旋盖带颈对焊法兰人孔，开孔直径 2504idCm采用等面积法进行开孔补强计算。3012iDm封头和筒体计算厚度均取有效厚度 9.7mm。接管材料 Q345接管有效厚度 mm1280.357etntC强度
28、削弱系数 1则开孔所需补强面积为： 1etrAdf5049.72.5718.m有效强度范围21有效宽度 B 的确定1250418dm2854nt m12ax,B有效高度的确定外侧有效高度 的确定1h1504863.nthdm实 际 外 伸 高 度11mi,.内侧有效高度 的确定2h2504863.nthdm实际内伸高度为 0212mi,h有效补强面积筒体多余面积 1A121eet rBdf08549.705.79.40126.m接管多余面积 2A接管计算厚度 1.7502.3289.cittnPdm接管多余金属面积：2122etretrAhfhCf63.50.710222467.3m接管区焊接
29、面积 可忽略不计，3A则有效补强面积 212346.7.3614.0e m4.5 气密性试验气密性试验目的是考核的容器密封性能，检查的重点是可拆的密封装 置和焊接接头等部位。泄漏试验应在耐压试验合格后进行的。它并不是压力容器制造过程中必须要做的实验项目，并不是多数容器没有严格的致密 性要求。注：1 钢瓶在水压试验合格后再进行气密性试验，气密性试验按GB/T 12137 规定进行，试验压力为 PT=1.77MPa。2 试验时应缓慢升高压力，达到试验压力后，保持压力不变，检查钢瓶不得有泄漏现象。3 进行气密性试验时应采取有效的防护措施，以保证操作人员的安全。23总结两周的课程设计终于完了，对大学以
30、来已修学科过程装备、工程制图等课程的复习，巩固了我们所学的知识，也让我们体会到了其中的乐趣。开始时的兴奋，但后来就是一大堆的计算，画图，和电脑跟前的画图让我觉得好吃力，腰酸背痛，真是刻骨铭心的回忆，正是这样我又巩固了以前的知识同时与同组间的讨论也增进了同学间的友谊。在课程设计的工程中，我更加明白了科学严谨的重要性，深深的懂得凡是没有最好只有更好的深刻含义。可以说是对自己综合知识、能力的挑战。从刚开始设计时的蒙头苍蝇到如今的灵活运用。在设计期间我锻炼了很多，也收获了很多！首先，通过液化石油气储罐的设计，我全面综合的了解了液化石油气的组成成分和各参数的确定。其次，通过大量相关资料和书籍的参考，我对
31、液化石油气储罐的设计过程有了初步的了解。着手开始设计的那段时间确实比较痛苦，感觉无从下手。正所谓万事开头难，通过与同学们的讨论合作，我们找到了一种绝处逢生的感觉，有了头绪和思路之后设计就显得水到渠成了。不管是筒体、封头、鞍座、法兰、接管还是螺栓螺柱，每一种结构的设计都需要有相关工具书作指导和标准的参考，设计起来的工作量很大。不过我们在设计过程中也找了很多快乐，大家讨论时的积极劲儿，这让大伙儿设计起来非常有动力。我们按着设计的时间安排一步一步的完成设计。到画草图和 CAD制图时我们又迎来了新的挑战，这次 CAD 的制图，让我们的 CAD 制图技术得到了很大提高。总之，这次的设计让我们收获的不只是
32、知识，同时也是各种能力的提升与锻炼。这次课程设计不仅在学习上有所收获，也体会到了合作的快乐，互帮互助，还有老师的耐心辅导与指点，在这里我要感谢辛勤的 XX 老师和帮助过我的同学。24参考文献:太原理工大学， 化工设备机械基础课程设计指导书，2011 国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器 ，中国标准出版社，1998国家质量技术监督局， 压力容器安全技术监察规程 ，中国劳动社会保障出版社，1999全国化工设备设计技术中心站， 化工设备图样技术要求 ，2000，11郑津洋、董其伍、桑芝富， 过程设备设计 ，化学工业出版社，2001黄振仁、魏新利， 过程装备成套技术设计指南 ，化学工业出版社，2002国家医药管理局上海医药设计院， 化工工艺设计手册 ，化学工业出版社，1996 朱孝钦， 过程设备基础 ，化学工业出版社，2006
