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液化石油气课程设计

前言

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,尤其是安全与防火,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,常温贮罐一般有两种形式:

球形贮罐和圆筒形贮罐。

球形贮罐和圆筒形贮罐相比:

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500m3或单罐容积大于200m3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500m3,单罐容积小于100m3时选用卧式贮罐比较经济。

圆筒形贮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贮罐,只有某些特殊情况下（站内地方受限制等）才选用立式。

本文主要讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐的设计。

　液化石油气呈液态时的特点。

（1）容积膨胀系数比汽油、煤油以及水等都大,约为水的16倍,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;

（2）容重约为水的一半。

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。

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、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。

第一章设计参数的选择

1.1原始数据：

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

1.61

MPa

4

工作温度

-20-50

℃

5

公称直径

3300

mm

6

公称容积

55

7

装量系数

0.9

8

工作介质

液化石油气（易燃）

9

其他要求

100%探伤

1.2设计压力

设计压力取工作压力的1.1倍，即P=1.1*1.61MPa=1.771MPa

1.3设计温度

设计温度取50℃

1.4主要元件材料的选择

1.4.1筒体材料的选择：

查表得，选用筒体材料为16MnR。

此外16Mn比较经济，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。

钢板标准号为GB6654-1996

1.4.2鞍座材料的选择：

根据JB/T4731,鞍座选用材料为Q235-B，其许用应力

1.4.3地脚螺栓的材料选择：

地脚螺栓选用符合GB/T700规定的Q235，Q235的许用应力

第二章容器的结构设计

2.1、圆筒厚度的设计

该容器需100%探伤，所以取其焊接系数为

。

假设圆筒的厚度在6~16mm范围内，查GB150-2011中表，可得：

疲劳极限强度

，屈服极限强度

，

下

利用中径公式，

δn=

=

=17.23mm

钢板厚度负偏差

在无特殊腐蚀情况下，查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-5知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量

则筒体的名义厚度δn

17.23mm+1mm+0.8mm=19.03mm

圆整后，取δn=20mm

2.2、封头壁厚的设计

查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表1，得公称直径DN=D=3300mm

选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，取

，根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式计算：

δn=

=

=17.23mm

同上，取

C1=0.8mm

封头的名义厚度δn

17.23mm+0.8+1mm=19.03mm

圆整后，取封头的名义厚度δn=20mm

封头记做EHA3300

-16MnRJB/T4746

2.3筒体和封头的结构设计

由封头长短轴之比为2，即

得hi=

=

=825mm

封头的容积：

查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1EHA和B.2EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表。

表1封头尺寸表

公称直径DNmm

总深度Hmm

内表面积A

容积

质量

Kg

3300

865

12.2195

5.0463

1883.2

而充装系数为0.9

计算容积V

=

D

L+2*V=61m

即

3.32

算得L=6.74m

圆整后，取L=6.8m

2.4人孔的选择

根据HG/T21517-2005[5]，查表3-3，选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见表3-2：

表3-2人孔尺寸表单位：

mm

密封面型式

凹凸面MFM

D

670

23

24

公称压力PNMPa

1.0

620

28

螺柱数量

20

公称直径DN

500

250

A

365

螺母数量

40

103

B

175

螺柱尺寸

d

b

28

L

250

总质量kg

153

2.5接管、法兰、垫片和螺栓（柱）

3.5.2法兰的选择

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。

根据设计压力1.77MPa，以及液化石油储罐的的形状，查HTG20592—2009《钢制管法兰》表3.1.4，选用PN=6MPa带颈平焊法兰（SO），根据HTG20592—2009《钢制管法兰》表，PN=6MPa时，液位计口选接管公称直径32mm，压力表口，温度计口选接管公称直径20mm，其余管口可选接管公称通径DN=80mm。

如图3—3所示。

由介质特性和使用工况，查密封面形式的选择，查HTG20592—2009《钢制管法兰》表3.2.2，选择密封面形式为突面（RF）。

由于带颈的法兰应采用锻（或锻轧工艺）件和铸（钢）件制作，不得采用钢板，拼焊或板卷等工艺制作，查HTG20592—2009《钢制管法兰》表4.0.1，接管法兰材料选用16MnD。

根据各管公称直径，查HTG20592—2009《钢制管法兰》表

图3—3

表3—3

部件

公称直径DN

钢管外径A1

连接尺寸

法兰厚度C

法兰内径B1

法兰颈

法兰高度H

A

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（个）

螺栓

Th

A

B

N

R

A

B

排污口

80

88.9

89

190

150

18

4

M16

16

90.5

91

110

110

8

34

气相平衡口

80

88.9

89

190

150

18

4

M16

16

90.5

91

110

110

8

34

气相口

80

88.9

89

190

150

18

4

M16

16

90.5

91

110

110

8

34

出液口

80

88.9

89

190

150

18

4

M16

16

90.5

91

110

110

8

34

进液口

80

88.9

89

190

150

18

4

M16

16

90.5

91

110

110

8

34

液位计口

32

42.2

38

120

90

14

4

M12

14

43.5

39

60

60

6

26

温度计口

20

26.9

25

90

65

11

4

M10

14

27.5

26

40

40

4

24

压力表口

20

26.9

25

90

65

11

4

M10

14

27.5

26

40

40

4

24

安全阀口

80

88.9

89

190

150

18

4

M16

16

90.5

91

110

110

8

34

排空口

80

88.9

89

190

150

18

4

M16

16

90.5

91

110

110

8

34

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0.25MPa≤PN≤25MPa的接管，查《压力容器与化工设备实用手册》普通无缝钢管，选材为16MnD，接管的尺寸如下表3—4所示

表3—4接管尺寸表

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

排污管

80

89

1

150

4

1.26

气相平衡管

80

89

1

150

4

1.26

气相管

80

89

1

150

4

1.26

出液管

80

89

1

150

4

1.26

进液管

80

89

1

150

4

1.26

液位计管

32

38

2

100

3.5

0.447

温度计管

20

25

1

100

3

0.244

压力表管

20

25

1

100

3

0.244

安全阀管

80

89

1

150

4

1.26

排空孔

80

89

1

150

4

1.26

人孔

500

520

1

200

8

5.24

排污口

80

89

1

150

4

1.26

查HG/T20609-2009[7]，得各管口的垫片尺寸如表3-4：

表3-4垫片尺寸表

管口名称

公称直径

内径D1

外径D2

进料口

80

109.5

142

出料口

80

109.5

142

排污口

80

109.5

142

人孔

500

561

624

液位计口

32

61.5

82

温度计口

20

45.5

61

压力表口

20

45.5

61

安全阀口

80

109.5

142

查HG/T20613-2009[8]中表,得螺柱的长度和平垫圈尺寸如表3-5：

表2-5螺栓及垫片

名称

紧固件用平垫圈mm

公称直径

螺纹

螺柱长

H

进料口

80

M16

92

17

30

3

出料口

80

M16

92

17

30

3

排污口

80

M16

92

17

30

3

人孔

500

液位计口

32

M16

85

17

30

3

温度计口

20

M12

75

13

24

2.5

压力表口

20

M12

75

13

24

2.5

安全阀口

80

M16

92

17

30

3

排空口

50

M16

90

17

30

3

2.6鞍座选型和结构设计

该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q235-B。

估算鞍座的负荷：

储罐总质量

（3-3）

—筒体质量：

m1=πDLδρ=3.14*3.3*6*0.02*7.85*103=9761kg

—单个封头的质量，m2=1883.2kg

—充液质量：

，水压试验充满水，故取介质密度为

，

V=V筒+2V封=

=

=61.4m3

则m3=ρ水V=1000

—附件质量：

人孔质量为

，其他接管总和为200kgm4=353kg

综上所述，m=m1+2m2+m3+m4=9761+2*1883.2+61400+352=75279.4kg

则每个鞍座承受的质量为37639.7kg，即为368.86KN。

查JB4712.1-2007[9]表1，优先选择轻型支座。

查[9]中表2，得出鞍座尺寸如表2-6：

表2-6鞍座尺寸表

公称直径

DN

3300

腹板

22

垫板

100

允许载荷

Q

kN

3044

筋板

452

14

鞍座高度

h

2500

330

e

80

底板

2760

425

螺栓间距

2250

380

16

鞍座质量

Kg

962

22

垫板

弧长

4900

增加100mm增加的高度

Kg

79

根据[2]中，应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于

，当无法满足A小于等于

时，A值不宜大于

。

为圆筒的平均内径。

Ra=

+

=

+

=1660mm

L=L0+2h=L0+2（H-hi）=50900+2*（890-850）=6800mm

即A

=0.5*1660=830mm

取

鞍座的安装位置如图所示：

第三章开孔补强设计

根据GB150知该储罐中只有人孔需要补强。

3.1、补强设计方法判别

其中开孔直径

d

=1650mm

故可以采用等面积法进行开孔补强计算

接管材料选用16MnR，其许用应力

根据GB150-1998中式8-1，

壳体开孔处的计算厚度δ=17.23mm

接管的有效厚度

强度削弱系数

，所以A=dδ+2δδet（1-fy）=502*17.23=8649.4mm2

3.2有效补强范围

按GB150中式8-7，得：

B2=d+2δn+2δnt=502+2*20+2*12=566

根据GB150中式8-8，得：

根据GB150-1998中式8-9，得：

3.3、有效补强面积

根据GB150中式8-10~式8-13，分别计算如下：

3.3.1筒体多余面积

A1=（B-d）（δε-δ）-2δεt（δε-δ）（1-fy）

=（1004-502）（18.2-17.23）-0=486.9454mm2

A2=2h1（δet—δt）fr+2h2（δet—C2）f2=2h1[（δnt—Ct2）—δt]ft

=2*77.6（18.2-17.23）*1=150.54mm2

焊角去6mm

3.4、补强面积

AE=A1+A2+A3=

因为

，所以开孔需另行补强

另行补强面积为A4

A-AE

673.48=7975.92mm2

第四章各部分应力计算及校核

4.1、钢制卧式容器

钢制卧式容器

计算单位

计算条件

简图

设计压力p

1.771

MPa

设计温度t

50

℃

筒体材料名称

16MnR（正火）

封头材料名称

16MnR（正火）

封头型式

椭圆形

筒体内直径

Di

3300

mm

筒体长度L

6400

mm

筒体名义厚度δn

20

mm

支座垫板名义厚度δrn

8

mm

筒体厚度附加量C

2

mm

腐蚀裕量C1

0.8

mm

筒体焊接接头系数Φ

1

封头名义厚度δhn

20

mm

封头厚度附加量Ch

2

mm

鞍座材料名称

Q235-A.F

鞍座宽度b

240

mm

鞍座包角θ

120

°

支座形心至封头切线距离A

1180

mm

鞍座高度H

250

mm

地震烈度

低于7

度

4.2内压圆筒校核

内压圆筒校核

计算单位

计算条件

筒体简图

计算压力Pc

1.771

MPa

设计温度t

50.00

︒C

内径Di

3300.00

mm

材料

16MnR（正火）（板材）

试验温度许用应力[σ]

170.00

MPa

设计温度许用应力[σ]t

170.00

MPa

试验温度下屈服点σs

345.00

MPa

钢板负偏差C1

0.80

mm

腐蚀裕量C2

1.00

mm

焊接接头系数φ

1.00

厚度及重量计算

计算厚度

δ=

=17.23

mm

有效厚度

δe=δn-C1-C2=18.2

mm

名义厚度

δn=20.00

mm

重量

5546.95

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

=2.01

MPa

压力试验允许通过

的应力水平[σ]T

[σ]T≤0.90σs=310.50

MPa

试验压力下

圆筒的应力

σT=

=154.68

MPa

校核条件

σT≤[σ]T

校核结果

合格

压力及应力计算

最大允许工作压力

[Pw]=

=1.93182

MPa

设计温度下计算应力

σt=

=140.62

MPa

[σ]tφ

170.00

MPa

校核条件

[σ]tφ≥σt

结论

合格

4.3封头校核

封头计算

计算单位

计算条件

椭圆封头简图

计算压力Pc

1.771

MPa

设计温度t

50.00

︒C

内径Di

3300

mm

曲面高度hi

525.00

mm

材料

16MnR（正火）（板材）

试验温度许用应力[σ]

170.00

MPa

设计温度许用应力[σ]t

170.00

MPa

钢板负偏差C1

0.80

mm

腐蚀裕量C2

100

mm

焊接接头系数φ

1.00

厚度及重量计算

形状系数

K=

=1.0000

计算厚度

δ=

=17.32

mm

有效厚度

δe=δn-C1-C2=19

mm

最小厚度

δmin=3.15

mm

名义厚度

δn=20.00

mm

结论

满足最小厚度要求

重量

545.22

Kg

压力计算

最大允许工作压力

[Pw]=

=1.849

MPa

结论

合格

4.4卧式容器（双鞍座）计算校核

卧式容器（双鞍座）

计算单位

计算条件

简图

计算压力pC

1.771

MPa

设计温度t

50

℃

圆筒材料

16MnR（正火）

鞍座材料

Q235-A.F

圆筒材料常温许用应力[σ]

170

MPa

圆筒材料设计温度下许用应力[σ]t

170

MPa

圆筒材料常温屈服点σσ

345

MPa

鞍座材料许用应力[σ]sa

147

MPa

工作时物料密度

500

kg/m3

液压试验介质密度

1000

kg/m3

圆筒内直径

Di

3300

mm

圆筒名义厚度

20

mm

圆筒厚度附加量

1

mm

圆筒焊接接头系数

1

封头名义厚度

20

mm

封头厚度附加量Ch

1

mm

两封头切线间距离

7680

mm

鞍座垫板名义厚度

8

mm

鞍座垫板有效厚度

8

mm

鞍座轴向宽度b

240

mm

鞍座包角θ

120

°

鞍座底板中心至封头切线距离A

1180

mm

封头曲面高度

525

mm

试验压力pT

2.01

MPa

鞍座高度H

250

mm

4.5支座反力计算

腹板与筋板（小端）组合截面积

9216

腹板与筋板（小端）组合截面断面系数

442368

地震烈度

0

配管轴向分力

0

圆筒平均半径

1057

物料充装系数

0.9

支座反力计算

圆筒质量（两切线间）

5605.49

封头质量（曲面部分）

532.399

附件质量

0

封头容积（曲面部分）

1.21226e+09

容器容积（两切线间）

V=2.9025e+10

容器内充液质量

工作时,

13061.3

压力试验时,

=29025

耐热层质量

0

总质量

工作时,

19731.5

压力试验时,

75279

单位长度载荷

23.1033

41.795

支座反力

96803

175121

175121

筒体弯矩计算

圆筒中间处截

面上的弯矩

工作时

=6.09698e+07

压力试验

=1.10297e+08

4.6圆筒轴向应力计算

支座处横

截面弯矩

工作时

-2.07651e+07

压力试验

-3.75651e+07

N·mm

系数计算

K1=0.106611

K2=0.192348

K3=1.17069

K4=

K5=0.760258

K6=0.0528518

筒体轴向应力计算

轴向应力计算

操作状态

79.9305

83.1066

MPa

-1.44829

-2.5644

MPa

水压试验状态

-2.61869

-4.63913

MPa

91.8044

97.5501

水平分力

35641

N

腹板水平应力

计算高度

250

mm

鞍座腹板厚度

8

mm

鞍座垫板实际宽度

8

mm

鞍座垫板有效宽度

8

mm

腹板水平应力

无垫板或垫板不起加强作用,

17.8205

垫板起加强作用,

MPa

应力判断

σ9<

[σ]sa=93.3333合格

MPa

第五章储罐的使用及安全措施

5.1压力容器的安全管理

压力容器使用单位的安全管理工作主要包括以下内容：

（1）贯彻执行本规程和压力容器有关的法律、法规、安全技术规范；

（2）建立健全压力容器安全管理制度，制定压力容器安全操作规程；

（3）办理压力容器使用登记，建立压力容器技术档案；

（4）负责压力容器的设计、采购、安装、使用、改造、维修、报废等全过程管理；

（5）组织开展压力容器安全检查