30立方米液化石油气储罐设计.docx
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30立方米液化石油气储罐设计
前言
随着我国化学工业的蓬勃发展，各地建立了大量的液化气储配站。
对于储存量小于500
或单罐容积小于150
时．一般选用卧式圆筒形储罐。
液化气储罐是储存易燃易爆介质．直接关系到人民生命财产安全的重要设备。
因此属于设计、制造要求高、检验要求严的三类压力容器。
本次设计的为30
液化石油气储罐设计即为此种情况。
液化石油气贮罐是盛装液化石油气的常用设备,由于该气体具有易燃易爆的特点,因此在设计这种贮罐时,要注意与一般气体贮罐的不同点,尤其要注意安全,还要注意在制造、安装等方面的特点。
目前我国普遍采用常温压力贮罐,一般贮存总量大于500
或单罐容积大于200
时选用球形贮罐比较经济;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500
单罐容积小于100
时选用卧式贮罐比较经济。
本文主要讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐的设计。
卧式液化石油气贮罐设计的特点。
卧式液化石油气贮罐也是一个储存压力容器,也应按GB150《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》（简称容规）的监督。
液化石油气贮罐,不论是卧式还是球罐都属第三类压力容器。
贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。
贮罐上设有液相管、气相管、排污管以及压力表、温度计、液面计等。
第1章设计参数的选择
1.1设计数据
表1-:
1：
设计数据
序号
项目
数值
单位
备注
1
名称
30
液化石油气储罐
2
用途
液化石油气储存
3
最大工作压力
1.77
MPa
4
工作温度
50
5
公称容积
30
6
装量系数
0.9
t/
7
工作介质
液化石油气
8
工作压力波动
不考虑
9
使用地点
荆门市，室外
10
其他要求
100%无损检测
1.2设计压力
设计压力是根据最高工作压力来确定，原则是根据最危险的操作情况而定。
通常选取工作压力的1.05-1.1倍，本次设计选取1.1，数据见下表1-2。
表1-2：
液化石油气饱和蒸气压及密度
介质
温度
-15
10
30
50
液化石油气
饱和蒸汽压（绝压）MPa
0.183
0.319
0.722
1.182
丙烷
0.279
0.616
1.058
1.710
液化石油气
饱和液体密度kg/
571
543
512
4485
该储罐用于液化石油气的储存，属于常温，工作压力为介质在相应温度下的饱和蒸气压。
其中丙烷占主要部分可以选取丙烷的饱和蒸汽压。
因此取50℃时丙烷的饱和蒸汽压为最高工作压力，由上表知50℃时丙烷的饱和蒸汽压为1.710MPa，则其表压为1.710-0.1=1.610MPa，故设计压力为1.610x1.1=1.77MPa。
1.3设计温度
设计温度是指容器在正常工作情况下，设定的元件金属温度。
其值必须大于或等于正常工作的最高温度。
由于工作环境在荆门室外，取最高温度50℃为设计温度。
1.4选取材料
正确的选材对于设备安全运行和降低生产成本至关重要。
压力容器用材有：
受压壳体及设备零部件又有受压元件与非受压元件，其包含有：
钢板，钢管，钢棒等。
压力容器经钢板成型焊接而成。
法兰视情况采用钢板或者锻件。
螺栓，螺母采用钢棒。
支座选用型钢或者钢管。
常见的碳素钢和低合金钢有Q245R,Q345R等。
无缝钢管材料有：
10Mn，16Mn等。
对于此次储罐，设计压力为中压，温度范围-20—50，综合设备结构工艺和工作条件，参照GB713-2008，查《锅炉与压力容器用钢板》表2，可选用材料为Q345R。
密度ρ=785kg/m³，许用应力[σ]=189MPa。
钢管材料可以选用16Mn等
据JB/T4732，支座材料可用Q235-A，地脚螺栓螺母按照GB/T700-2007规定，可选用Q235。
第2章筒体及封头的设计
2.1筒体的结构设计
长径比L/D，选择时考虑的两个因素，罐体的加工和其受力大小。
综合两方面情况长径比L/D一般取3—6，在这里可选L/D=4。
筒体直径Di的确定
视筒体为圆柱形的，初步计算储罐直径Di
由：
V=
/4L=4Di
得：
Di=
=2.122m=2122mm
由于内径必须符合国家标准，此时内径可圆整为国家标准的公称直径DN故取Di=2200mm
筒体长度
由于储罐的容积是圆柱形筒体容积与两个封头的容积之和，
即：
V=Vt+Vf
式中
Vt—圆柱形筒体的容积m³
Vf—单个封头的容积m³
据JB/T4746-2002可得封头的容积为Vf=1.5459m³
故：
Vt=V-Vf
即：
=V-2Vf
故：
L=4（V-2Vf）/
=4x（30-2x1.5459）/2.2x2.2
=7.079
圆整后取
L=7100mm
此时长径比L/Di=7100/2200=3.23在3—6之间。
2.2封头的结构设计
中低压容器常采用标准椭圆形封头，参照GB/T25198-2010知封头的公称直径与筒体的公称直径一致。
查《化工设备课程设计指导》表3-3得封头见表2-1，示意图样见图2-1：
表2-1：
EHA椭圆封头参数
公称直径DN/mm
总深度H/mm
内表面积A/㎡
容积Vf/m³
2200
590
5.5229
1.5459
图2-1：
EHA椭圆封头示意图
注：
图中Hi表示封头的曲面深度，Di为筒体的内径即：
公称直径DN，δn为封头名义厚度。
2.3计算压力的确定
由于设计为卧室储罐，因此液体最大高度hmax≤Di=2200mm
则：
Pmax静=ρghmax=0.58x9.8x2200=12.50KPa=0.0125MPa
且：
Pmax静/P设=0.0125/1.77=0.0071=0.71%<5%
因此P静可以忽略不计。
故：
设计压力Pc=P=1.77MPa
2.4筒体与封头计算
2.4.1筒体壁厚的确定
内压容器计算厚度有中径公式确定
式中
--材料许用应力MPaPc—计算压力MPa
Di—筒体公称直径mmφ--焊接接头系数
假定筒体壁厚6—16mm，
=189MPa，Pc=1.77MPa，Di=2200mm。
由于介质易燃易爆，采用双面对焊连接，100%无损检测取φ=1
则，
δ=1.77x2200/（2x189x1-1.77）=10.35mm
取钢板负偏差C1=0.3mmC2=2mm
故，
δn=δ+C1+C2=10.35+0.3+2=12.56mm
所以，
取名义厚度δn=14mm
2.4.2封头壁厚的确定
标准椭圆封头壁厚计算为：
取名义厚度δn=14mm
显然，
δn>0.15%Di=0.0015x2200=3.3mm
故，
厚度δn=14mm符合要求。
两封头的型号为：
EHA2200x14-Q345RJB/T4746-2007。
2.5强度校核
筒体水压试验强度校核，试验压力
故：
校核时筒体的薄膜应力:
查《过程设备设计》附录表D-1
得：
Rel=345MPa。
则，
0.9φRel=0.9x1x345=310.5MPa>209.1MPa
故校验合格。
校验过程及数据见附录1，SW6校核。
2.6气密性试验
液化石油气为易燃易爆介质，故不允许出现任何泄漏，因而必须进行气密性试验，气密性试验的压力为1.77MPa。
第3章鞍座选型及结构设计
3.1支座的选取
卧式容器支座包含圈座、支承式支座和鞍式支座。
支承式支座虽然在构造方面简单，可是它的反向作用力对壳体产生的应力值太高，故只适应于小型设备；圈座不尽对圆筒壳具有加强作用，且当支座多于两个时较鞍座受力好，真空容器或壁厚的容器可以采用圈座；对于换热器、卧式容器等，则大多采用鞍式支座，鞍座的结构和尺寸，不包括一些特殊的例子，通常都是按照公称直径和重量选用标准鞍座。
在支座的规范上，我国标准为JB/T4712.1—2007《容器支座》。
鞍式支座分为轻型（A）和重型（B），轻型和重型都包含有固定式和滑动式，直径1000mm以上的，轻型鞍座就即可，为保证容器的热胀冷缩的位移要求，F型和S型应总是配对使用。
所以本设计选择轻型鞍座，其中固定式和滑动式配套使用。
3.2鞍座计算
根据筒体结构和参数，鞍座可采用双鞍式支座，鞍座的材料选用Q235-A。
为确定鞍座的型号，需粗略计算鞍座的负荷。
贮罐总质量：
式中
—筒体质量，kg;；
—封头质量，kg；
—充液质量，kg；
—附件质量，kg。
正常工作下，
为液化石油气的质量。
液压实验中，
为水的质量。
3.2.1筒体质量
根据
的筒节，
3.2.2封头质量
根据
，查标准JB/T4746-2010《钢制压力容器用封头》中EHA椭圆形封头质量，可知，
3.2.3充液质量
因为
水>
液氨，所以充液质量为液氯质量
于是
kg
3.2.4附件质量
人孔质量约400kg，其他接口管总重约100kg,则
=500kg
设备总质量：
每个鞍座的负荷：
=
结合JB4712.1-2007容器支座可知，采用轻型，焊制是A,包角是120
，配垫板的鞍座。
通过JB4712.1-2007得鞍式支座结构尺寸：
表3-1：
鞍式支座结构参数
公称直径
DN/mm
2200
腹板
δ2/mm
10
垫板
弧长
2570
允许载荷
Q/KN
405
千山万水诗情画意四面八方各种各样自言自语万里无云
筋板
zh?
ng（长高）lè（快乐）zhī（一只）kòng（有空）245
辶走之底（过远近）b4
一朵花一颗心一条毛巾500
鞍座高度
千山万水诗情画意四面八方各种各样自言自语万里无云h/mm
3、加偏旁组字,再组词。
250
208
δ4
我帮老师收作业。
我为大家扫地。
10
坐和座跟和根在和再像和象相和向做和作美和没
底板
l1/mm
1580
290
e
100
b1/mm
240
8
l2
1380
δ1mm
14
鞍座质量/kg
205
D/l
24/40
3.3鞍座位置确定
双鞍座卧式储罐受力状态可简化为受均布载荷的外伸简支架。
材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨越中间的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等。
故取A≤0.2L。
其中L为两封头切线间的距离，A为鞍座中心线到封头切线的距离，即：
A≤0.2L=0.2[L（筒体）+2h]=0.2x（7100+2x40）=1436mm。
当鞍座接近封头时，封头对支座有局部加强作用，充分利用这一点在满足A≤0.2L前提下，尽量使A≤0.5Ro（筒体的外径）。
即：
A≤0.5（Di/2+δn）=0.5x（2200/2+14）=557mm。
综上可以取A=550mm。
鞍座与筒体的位置见图3-1。
图3-1：
鞍座与筒体的位置
注：
图中Hi表示封头的曲面深度，L为两封头切线间的距离，A为鞍座中心线到封头切线距离。
左鞍座为固定式鞍座代号：
JB/T4712-2007鞍座A2200-F，右边的鞍座为滑动式鞍座代号：
JB/T4712-2007鞍座A2200-S。
第4章其他零部件的选用
4.1接管和接管法兰确定
4.1.1接管
据标准GB/T8163-2007，接管采用无缝钢管，材料为16Mn，与筒体连接为平齐式。
由于设备位于荆门室外，无需要保温层，可选取长度为100--105mm之间。
确定各接管口参数见下表4-1。
表4-1：
各接管口
符号
用途
公称直径
/mm
壁厚/外径
mm/mm
连接形式
管口伸出长度/mm
A
进料口
40
4/48
FM
100
B
放空口
20
3/25
FM
100
C
出料口
80
4.5/89
FM
150
D
放净口
100
5/110
FM
150
LG1-2
液位计口
20
3/25
FM
100
LT1-2
自动液位计口
40
4/48
FM
100
M
人孔
450
12/480
MFM
4.1.2管法兰
管法兰用于管道间及设备上的接管与管道的连接。
法兰是标准件，据标准JB/T4700-2002《压力容器法兰》制造。
管法兰按照HG/T20592-2009《钢制管法兰》设计。
根据设计压力，操作温度和法兰的材料决定法兰的公称压力PN应该比设计压力稍高，应当大于1.77MPa，故选用PN0.25。
管法兰参数见下表4-2。
表4-2：
接管法兰
符号
公称直径/mm
法兰焊端外径/mm
法兰外径/mm
代号
A
40
45
130
HG/T20592法兰WN40-2.5FMS=4Q345R
B
20
25
90
HG/T20592法兰WN20-2.5FMS=3Q345R
C
80
89
190
HG/T20592法兰WN80-2.5FMS=4.5Q345R
D
100
108
210
HG/T20592法兰WN100-2.5FMS=5Q345R
LG1-2
20
25
90
HG/T20592法兰WN20-2.5FMS=3Q345R
LT1-2
40
45
130
HG/T20592法兰WN40-2.5FMS=4Q345R
M
450
480
595
4.2垫片
垫片的类型和参数取决于对应法兰的公称直径DN，公称压力PN和密封面的形式来确定据标准HG/T20609-2009查《过程设备设计》因介质为液化石油气，公称压力PN为2.5MPa，温度为50℃，密封面为凹凸面则垫片形式可选用缠绕垫材料选用OCr13。
垫片参数见下表4-3。
表4-3：
垫片
符号
公称直径/mm
内径D1/mm
外径D2/mm
厚度/mm
A
40
68
92
3
B
20
45.5
61
3
C
80
109.5
142
3
D
100
131.5
168
3
LG1-2
20
45.5
61
3
LT1-2
40
68
92
3
M
450
503
564
3
4.3螺栓（螺柱）选型
由于介质是液化石油气，属于易燃易爆的物质PN＞1.6MPa，故采用高等级双头螺柱及螺母。
考虑到设备位于荆门室外，可选用六角头粗牙螺纹，材料为Q235，参照HG/T20606-2009，螺柱参数见下表4-4。
表4-4：
螺柱
符号
公称直径/mm
代号
A
40
螺柱GB/T5783-2000M10x30
B
20
螺柱GB/T5783-2000M8x20
C
80
螺柱GB/T5783-2000M12x30
D
100
螺柱GB/T5783-2000M16x35
LG1-2
20
螺柱GB/T5783-2000M8x20
LT1-2
40
螺柱GB/T5783-2000M10x30
M
450
螺柱GB/T5783-2000M24x50
4.4人孔
由于筒体公称直径DN=2200＞1000，公称压力PN2.5MPa，据标准NB/T47042-2014知，筒体长度L=7100＜8000因此可以采用一个人孔。
由于介质是液化石油气，属于易燃易爆的物质故材料选用Q345R。
根据标准HG/T20595-2009查的可用公称直径为450mm的带颈对焊法兰，人孔参数见下表4-5。
表4-5：
带颈对焊法兰
名称
公称直径/mm
Dw*S
D
D1
d
螺栓规格
螺栓数量
质量/kg
带颈对焊法兰
450
480x12
670
600
450
M33x2
20
211
第5章开孔补强设计及储罐焊接
5.1开孔补强设计
据GB/T150标准，当在设计压力小于或者等于2.5MPa的壳体上开孔时，两相邻开孔中心的间距大于两孔之和的两倍。
若接管的公称直径小于或者等于89mm时，不需要进行补强。
其中放净口公称直径DN=100mm，人孔公称直径DN=450mm需要补强。
常见的补强有补强圈补强，厚壁接管补强和整锻件补强三种。
由于此次为中低压容器故采用补强圈补强。
5.1.1人孔（M）的补强
接管材料为16Mn，在50℃时其许用应力
178MPa
所需补强最小面积A=d
+2
（1-fr）
其中
d=di+2Ct，Ct=c1+c2=0.2+2=2.3圆整得Ct=3mm
—筒体计算壁厚
12.65mm
—接管的有效厚度
=
-c2=14-2=12mm
fr=
/
=178/189=0.94
故：
A=454x12.56+2x12.56x12x（1-0.94）=5703.7mm²
有效补强圈范围
有效宽度B1=max{2d，d+2
+2
}={2x454，454+2x14+2x12}=908mm
外侧有效补强高度h1=min{
，接管实际高度}={
14,250}=79.71mm
内侧有效补强高度h2=min{
，接管内侧高度}={
12，0}=0
则：
A1=（B-d）（
-
）-2
（
-
）（1-fr）=（908-454）（14-2-0.3-10.35）-2x12x（14-2-0.3-10.35）（1-0.94）
=611.0mm²
=Pcdi/（2
-Pc）=1.77x450/（2x178x1-1.77）=2.25mm
A2=2h1（
-
）fr+2h2（
-C2t）=2x79.71x（12-2.25）x0.94+2x0=1461.1mm²
A3=
²=6²=36mm²
为焊角可取值为6。
补强面积Ae=A1+A2+A3=611.0+1461.1+36=2108.1mm²＜A=5703.7mm²
需要补强，补强面积A4≥A-Ae=5703.37-2108.1=3595.6mm²
圆整可取A4=3600mm²
5.1.2放净口（D）补强
补强计算过程参照附录SW6校核计算。
5.1.3补强圈
补强圈选用的材料通常选用筒体相同的材料，这里选用Q345R。
补强圈的几何尺寸由对应的开孔公称直径决定，据JB/T4736-2002标准选用补强圈的几何尺寸见下表5-1。
表5-1：
补强圈的几何尺寸
公称直径DN
100
200
450
500
补强圈外径D2
200
400
760
840
由补强圈的计算厚度公式
=A4/（D2-do）
式中
do—接管的外径可参照表4-1
因此，
人孔M处补强圈的计算厚度
m=3600/（760-470）=12.41＜14mm
放净口D处补强圈的计算厚度
D=650/（200-110）=7.22＜14mm
故
取与筒体相同材料和壁厚。
选择型号为：
人孔M处DN450x14-B-Q345R；
放净口D处DN100x14-A-Q345R。
5.2储罐的焊接
5.2.1回转壳体焊接设计
对于不允许泄漏的回转壳体焊接必须采用对焊接头，不允许采用搭接或者其他形式的焊接接头，焊缝必须采用全焊透。
5.2.2接管补强圈的焊接
补强圈与筒体焊接一方面尽可能使两者贴全，紧密，另一方面与接管筒体之间的焊接接头设计也贴合，故不能采用搭接接头。
5.2.3焊接方法及材料
一般压力容器设计中，都是采用电弧焊的要求进行，焊接结构设计选用相应的焊接材料，据标准HG/T20583-1998，焊接型号及材料见下表5-2。
表5-2：
焊接的参数
焊接的材料
焊条型号
焊条牌号
Q345R&Q345R
E5015
J507
Q345R&16Mn
E5015
J507
Q235-A&Q235-A
E4303
J422
16Mn&Q235-A
E4303
J422
设计小结
本次课程设计是结合所学课程的一次综合性设计，最后的设计方案接近真实操作。
设计过程中我们了解了压力容器设计步骤以及要求，学会了查阅各种资料和国际标准以及根据情况进行合理的选择。
但是这其中的过程比较繁琐枯燥，由于经验不足，设计中难免会有出入，甚至在实际中有不到之处，在今后的学习中需要进一步与老师同学请教学习。
在此，对耐心指导此次课程设计的石老师表示衷心的感谢！
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附录SW6校核
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