50m3液化石油气储罐设计.doc

1、 中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： （50）M 3 液化石油气储罐设计 指导教师： 职称: 2011 年 06 月 13 日陆辉山 闫宏伟 高 强中北大学课程设计任务书2010/2011 学年第 二 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 伍建川 学 号： 0902034346 课程设计题目： （50）M 3 液化石油气储罐设计 起 迄 日 期： 06 月 11 日06 月 22 日 课程设计地点： 校内 指 导 教 师： 陆辉山 闫宏伟 高强 系 主 任：

2、 姚竹亭 下达任务书日期: 2011 年 06 月 12 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1) 使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。2) 掌握查阅、综合分析文献资料的能力，进行设计方法和方案的可行性研究和论证。3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。4) 掌握工程图纸的计算机绘图。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1原始数据设计条件表序号 项 目 数 值 单 位 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 1.947 MPa 由介质

3、温度确定4 工作温度 -2048 5 公称容积（V g） 10/20/25/40/50 M3 47.76 工作压力波动情况 可不考虑7 装量系数( V) 0.98 工作介质 液化石油气（易燃）9 使用地点 室外10 安装与地基要求 储罐底壁坡度 0.010.0211 其它要求 100/100 探伤管口表接管代号 公称尺寸 连接尺寸标准 连接面形式 用途或名称a 32 HG20592-1997 MFM 液位计接口b 80 HG20592-1997 MFM 放气管c 500 HG/T21514-2005 MFM 人 孔d 80 HG20592-1997 MFM 安全阀接口e 80 HG20592-

4、1997 MFM 排污管f 80 HG20592-1997 MFM 液相出口管g 80 HG20592-1997 MFM 液相回流管h 80 HG20592-1997 MFM 液相进口管i 80 HG20592-1997 MFM 气相管j 20 HG20592-1997 MFM 压力表接口k 20 HG20592-1997 MFM 温度计接口课 程 设 计 任 务 书2设计内容1）设备工艺、结构设计；2）设备强度计算与校核；3）技术条件编制；4）绘制设备总装配图；5）编制设计说明书。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文) 、图纸、实物样品等：1）设计说明书：主要内容包括：封

5、面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等； 2）总装配图设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器 ，中国标准出版社，19982 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，19993 全国化工设备设计技术中心站， 化工设备图样技术要求 ，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富， 过程设备设

6、计 ，化学工业出版社，20015 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，20026 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，19967 蔡纪宁主编， 化工设备机械基础课程设计指导书 ，化学工业出版社，2003 年5设计成果形式及要求：1）完成课程设计说明书一份； 2）草图一张（A1 图纸一张）3）总装配图一张 (A1 图纸一张)； 6工作计划及进度：2011 年 06 月 13 日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤06 月 13 日06 月 17 日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制06 月 17 日06 月 22 日：设计

7、图纸绘制（草图和装配图）06 月 22 日06 月 24 日：撰写设计说明书06 月 24 日：答辩及成绩评定系主任审查意见：签字： 年 月 日第一章 工艺设计1、液化石油气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 1-1 液化石油气组成成分组成成分 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 0.01 2.25 49.3 23.48 21.96 3.79 1.19 0.022、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-2040，介质为易燃易爆的气体。 从表中我们可

8、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。3、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，不需要设保温层。对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如下：表 1-2 各温度下各组分的饱和蒸气压力饱和蒸汽压力，MPa温度， 异辛烷 乙烷 丙烷 异丁烷 正丁烷

9、异戊烷 正戊烷 乙炔-25 0 1.3 0.2 0.06 0.04 0.025 0.007 0-20 0 1.38 0.27 0.075 0.048 0.03 0.009 00 0 2.355 0.466 0.153 0.102 0.034 0.024 020 0 3.721 0.833 0.294 0.205 0.076 0.058 050 0 7 1.744 0.67 0.5 0.2 0.16 0.0011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.inip

10、y81=19%0.16+0.02%0.0011=1.947 MPa因为：P 异丁烷 （0.2）50m 且比较接近，所以结构设计合理。计 封 23第三章 结构设计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 maxD=2600mm。P 静（max） =gh maxgD=5809.82.3=14.05Kp a则 P 静 可以忽略不记。%56.010147.25/63max c）静2、圆筒厚度的设计：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。根据 GB150-1998 表 4-1，选用筒体材料为低合金钢 16MnR（钢材标准为GB665

11、4） t=185MPa。选用 16MnR 为筒体材料，适用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性，壁厚较大（8mm）的压力容器。根据 GB150，初选厚度为 625mm，最低冲击试验温度为-20，热轧处理。 = mm02.1647.2901852.-2ctiPD 对于低碳钢和低合金钢，需满足腐蚀裕度 C21mm，取 C2=2mm查标准 HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表 7-1 知，钢板厚度负偏差C1=0.25mm。而当钢材的厚度负偏差不大于 0.25mm，且不超过名义厚度的 6%时，负偏差可以忽略不计，故取 C1=0。 d=+C 2=16.02+2=18.83mm ， n= d

12、+C1=16.51+0=18.83mm 圆整后取名义厚度 n=19mm ， t 没有变化，故取名义厚度 19mm 合适。3、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，同样采用 16MnR。 = =16.78 mm147.2509.18265.02cticPD同理，选取 C2=2 mm ，C 1=0 mm 。 n=+C 1+C2=16.77+2+0=18。78mm 圆整后取名义厚度为 n=19mm跟筒体一样，选择厚度为 20mm 的 16MnR 材料合适。4、接管，法兰，垫片和螺栓的选择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，

13、人孔，液位计口，温度计口，压力表口，安全阀口，排空口。根据压力容器与化工设备实用手册P N=2.5MPa 时，可选接管公称通径DN=80mm。根据设计压力 PN=1.9184MPa，查 HG/T 20592-97钢制管法兰表 4-4，选用PN2.5MPa 带颈平焊法兰（SO） ，由介质特性和使用工况，查密封面型式的选用，表 3.0.2。选择密封面型式为突面（RF） ，压力等级为 1.04.0MPa，接管法兰材料选用 16MnR。根据各接管公称通径，查表 4-4 得各法兰的尺寸。图 3-1 筒体整体、接管、人孔分布图图 3-2 带颈平焊钢制管法兰法兰尺寸如表：表 3-1 法兰尺寸连接尺寸 法兰内

14、径B1序号 名称公称通径DN钢管外径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螺栓Th法兰厚度C法兰高度H法兰颈B 系列坡口宽度b法兰理论质量kga 液位计口 32 38 140 100 18 8 M16 18 30 60 39 5 2.02b 放气 管 80 89 200 160 18 8 M16 24 40 118 91 6 4.86d 安全阀口 80 89 200 160 18 8 M16 24 40 118 91 6 4.86e 排污 口 80 89 200 160 18 8 M16 24 40 118 91 6 4.86f 液相出口 80 89 200 160 18 8

15、M16 24 40 118 91 6 4.86g液相回流管80 89 200 160 18 8 M16 24 40 118 91 6 4.86h 液相进口 80 89 200 160 18 8 M16 24 40 118 91 6 4.86i 气相 管 80 89 200 160 18 8 M16 24 40 118 91 6 4.86j 压力表口 20 25 105 75 14 4 M12 16 26 45 26 4 1.03k 温度计口 20 25 105 75 14 4 M12 16 26 45 26 4 1.03接管外径的选用以 B 国内沿用系列（公制管）为准，对于公称压力 0.25P

16、 N25MPa的接管，查压力容器与化工设备实用手册普通无缝钢管，选材料为 16MnR。对应的管子尺寸如下如表：表 3-2 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 伸长量质量（kg）a 液位计管 32 38 2 100 3.5 0.447b 放气管 80 89 1 150 4 1.26d 安全阀 80 89 1 150 4 1.26e 排污口 80 89 1 150 4 1.26f 液相出口 80 89 1 150 4 1.26g 液相回流管80 89 1 150 4 1.26h 液相进口 80 89 1 150 4 1.26i 气相管 80 89 1 150 4 1.

17、26j 压力表口 20 25 1 100 3 0.244k 温度计口 20 25 1 100 3 0.2444.2 垫片的选择查钢制管法兰、垫片、紧固件 ，表 4.0.2-3 凹凸面法兰用 MFM 型垫片尺寸，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） 。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。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：图 3-3 凹凸面型垫片 表 3-3 垫片尺寸符号 管口名称 公称直径DN(mm)内径D1(mm)外径

18、D2(mm)厚度(mm)a 液位计口 32 61.5 82 3b 放气管 80 120 142 3c 人孔 500 530 575 3d 安全阀 80 120 142 3e 排污口 80 120 142 3f 液相出口 80 120 142 3g 液相回流管 80 120 142 3h 液相进口 80 120 142 3i 气相管 20 45.5 61 3j 压力表口 20 45.5 61 3k 温度计口 20 45.5 61 34.3 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

19、法兰、垫片、紧固件中表 5.007-9 和附录中标 A.0.1，得螺柱的长度和平垫圈尺寸：图 3-4 双头螺柱图 3-5 螺母表 3-4 螺栓及垫圈尺寸紧固件用平垫圈 mm名称管口名称公称直径 螺纹 螺柱长d1 d2 ha 液位计管 32 M16 85 17 30 3b 放气管 80 M16 100 17 30 3d 安全阀 80 M16 100 17 30 3e 排污口 80 M16 100 17 30 3f 液相出口 80 M16 100 17 30 3g 液相回流管80 M16 100 17 30 3h 液相进口 80 M16 100 17 30 3i 气相管 80 M16 100 17

20、 30 3j 压力表口 20 M12 75 13 24 2.5k 温度计口 20 M12 75 13 24 2.55、人孔的设计5.1 人孔的选取查压力容器与化工设备实用手册 ，因筒体长度 91009000mm，需开两个人孔，可选回转盖带颈对焊法兰人孔， 。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：图 3-6 回转盖带颈对焊

21、法兰人孔表 3-5 人孔尺寸表密封面形式公称压力公称直径dwsd D 1H2b 12A B L 0d螺柱数量螺母数量螺柱尺寸总质量kg凹凸面2.5MPa500 53012500 730 660 270 134 48 54 55405 200 300 30 20 40 M361803315.2 人孔补强圈设计：图 3-7 补强圈查压力容器与化工设备实用手册 ，人孔接管直径为 500mm，选取补强圈外径 840mm，内径 510mm，补强圈厚度为 18mm,质量 41.5kg。查钢制管法兰、垫片、紧固件表 4-2，得人孔法兰6、视镜设计查 HG/T21619-1986压力容器视镜 ，所选视镜玻璃用

22、钢化硼硅玻璃，衬垫为石棉橡胶板，压紧环、接缘、螺栓、螺母所用材料为 A3，视镜的尺寸如下表：表 3-6 视镜尺寸公称直公称压D D1 b1 b2 H 螺柱重量标准图图号径 力数量直径不锈钢50 2.45 130 100 34 26 84 6 M12 5.1 HGJ501-86-13图 3-8 视镜7、液面计设计图 3-9 磁性液面计由于储罐工作温度为-2048，查压力容器与化工设备实用手册 ，选取磁性液面计。8、安全阀设计图 3-10 安全阀由操作压力 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

23、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。9、鞍座选型和结构设计9.1 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=m1+2m2+m3+m4 。其中：m 1 为筒体质量：对于 16MnR 普通碳素钢，取 =7.85 103kg/m3 m1=DL=2.37.61810 -37.85103=7759.495kgm2 为单个封头的质量：查标准 JB/T 4746-2002 钢制压力

24、容器用封头 中标 B.2 EHA椭圆形封头质量，可知 m2=839.3kg 。m3 为充液质量： 液化石油气 水故 m3（max） = 水 V=1000V=1000（/4 2.327.6+21.7588）=35093.75 kg 。m4 为附件质量：选取人孔后，查得人孔质量为 331 kg，其他接管质量总和估为 400 kg。综上述：总质量 m=m1+2m2+m3+m4=7759.495+2839.3+35093.75+3312+400=45593.845kg 45594kg。 每个鞍座承受的重量为 G/2=mg / 2=455949.8/2=223.41 kN由此查 JB 4712.1-20

25、07 容器支座。选取轻型，焊制 A，包角为 120，有垫板的鞍座.，筋板数为 6。查 JB 4712.1-2007 表 3 得鞍座尺寸如表 5，示意图如下图：表 3-7 鞍座支座结构尺寸公称直径 DN 2300 腹板 2 10 b4 500允许载荷 Q/kN 410 l3 255 4 10鞍座高度 h 250 b2 208垫板e 100l1 1660 b3 290 螺栓间距 l2 1460b1 240筋板 3 8 螺孔/孔长 D/l 24/40底板 1 14 弧长 2680 重量 kg 215图 3-11 鞍座9.2 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

26、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=690-2600 / 4=40mm2)(hHDi故 A0.2(L+2h)=0.2(7600+240)=1536mm由于接管比较多，所以固定支座位于储罐接管较多的左端。此外，由于封

27、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（R m=Ri+ n/2） ，即Rm=1150+18/2=1159mm 。A0.5R m =0.51159=579.5 mm ,取 A=570 mm 。综上述：A=570 mm （A 为封头切线至封头焊缝间距离，L 为筒体和两封头直边段的总长）10、焊接接头的设计：10.1 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，综合考虑材料选用

28、 16MnR.焊条类型：E5018 铁粉低氢钾型图 3-12 Y 型坡口10.2 接管与筒体的焊接： =45+5 b=20.5 p20.5 H1=t 1t = 8 k 30.7 81k2kcc图 3-13 带补强圈焊接接头结构第四章 容器强度的校核1、水压试验校核压力的确定取 试验压力：P T=1.25P MPat 398.214.5=t总结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

29、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。近两个星期的液化石油气储罐设计，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

30、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知识，同时也是各种能力的提升与锻炼。设计过程中我们遇到了很多困难也遇到了很多分歧，但通过大量资料的查询和相关标准的参考我们都

31、一一解决了。这不仅锻炼了我们个人，也锻炼了我们小组和团队的合作能力！再加上中途闫宏伟老师 CAD 制图方面技术和技巧的指导，陆辉山老师在设计方面的答疑和帮助我们解决各种设计上的问题，高强老师在软件校核方面的指导，这些对我们的设计都有很大的帮助！在此，特向三位指导老师表示衷心的感谢！谢谢三位老师！参考文献1 国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器 ，中国标准出版社，19982 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，19993 全国化工设备设计技术中心站， 化工设备图样技术要求 ，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富， 过程设备设计 ，化学工业出版社，20015 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，20026 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，19967 蔡纪宁主编， 化工设备机械基础课程设计指导书 ，化学工业出版社，2003年