储罐设计.docx
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毕业设计
容器施工图设计—导热油储罐
院系名称：
化学工程学院
专业名称：
过程装备与控制工程
学生姓名：
陈培培
学号：
2010032306
指导教师：
邓春
企业指导：
马程鹤、武彦巧
完成日期2014年6月10日
I
中国石油大学（北京）本科毕业设计第IV页
容器施工图设计—导热油储罐
摘要
导热油是用于间接传递热量的一类热稳定性较好的专用油品，属于烃类有机物，导热油具有抗热裂化和化学氧化的性能，传热效率好，散热快等特性。
钢制储罐作为重要的基础设施，广泛应用于石油化工行业，本毕业设计主要依据《钢制卧式容器》[1]进行导热油储罐的机械设计计算。
计算部分包括：
设备的选材和焊接的确定、强度及稳定性的设计计算和校核、支座和法兰的选用。
最后，利用AutoCAD绘图软件绘制出满足机械强度设计计算要求的导热油储罐的设备总图。
关键词：
导热油、储罐、机械设计
Designofheattransferoilstoragetank
Abstract
Heattransferoilisatypeofspecialoilproductwithexcellentthermalstabilityandiswidelyusedindirectheattransfer.Itbelongstothehydrocarbonorganics.Heattransferoilhasgoodperformanceofthermalcrackingandchemicaloxidation,highheattransfereffectandfastheatdissipation.Steelstoragetankasanimportantinfrastructure,iswidelyutilizedinpetrochemicalindustry.Thispaperaimstodothemechanicaldesignofheattransferoilstoragetankonthebasisof“JB/T4731-2005Steelhorizontalvesselsonsaddlesupports”Thedesignincludestheselectionofequipmentmaterialanddeterminationofwelding,designandexaminationofstrengthandstability,selectionofsupportandflange.Finally,software,generaldrawingfortheheattransferoilstoragetankisplottedviaAutoCAD.
Keywords:
heattransferoil.storagetank.mechanicaldesign
目录
摘要 I
Abstract II
第1章前言 1
1.1导热油的基本性质 1
1.2储运设备的分类 1
1.3储存介质对储罐的影响 …………1
第2章导热油储罐的设计的条件工艺表 3
2.1导热油储罐设计的条件工艺表 3
2.2导热油储罐设计的管口表 4
第3章导热油储罐厚度的计算 5
3.1储罐基本尺寸和封头厚度的确定 5
3.2圆筒厚度的计算 6
第4章导热油储罐的应力计算 8
4.1支座反力的计算 8
4.2筒体弯矩的计算 12
4.3圆筒轴向应力的计算及其校核 13
4.4圆筒切向剪切力计算及其校核 15
4.5鞍座处圆筒周向应力的计算及应力校核 15
4.6鞍座应力计算及校核 16
第5章温差、地震引起的应力计算 18
5.1温差引起的应力计算及校核 18
5.2由地震引起的支座轴向弯曲强度计算 18
5.3地震引起的地脚螺栓应力 19
第6章开孔补强及焊接简述 21
6.1径向接管的开孔补强计算 21
6.2非径向接管的开孔补强计算 23
6.3焊接结构的选择 24
6.3.1容器接头形式 24
6.3.2焊接方法的选择 25
参考文献 26
致谢 27
附录 28
第1章前言第2页
第1章前言
1.1导热油的基本性质
本课题来自北京燕化正邦设备检测有限公司，导热油是一种可将燃料燃烧产生的热量间接传递给用热设备、本身常压、沸点较高且可以循环使用的有机介质。
导热油属于烃类有机物，可分为天然油和合成油两类。
天然油指矿物油一类的天然产物，它是通过产品蒸馏获得，无须人工合成。
合成油又分为两类，一类是由同分异构体混合而成的有机液体，主要为芳香族化合物；另一类是几个沸点相同或相近的有机物混合物，如二苯醚和联苯的低共熔混合物。
导热油有如下的特点：
沸点高；热稳定好；在操作温度范围内粘度低；对所接触材料腐蚀性低；对杂质（如氧气）不敏感等，因此导热油作为间接传热介质被广泛用于石油化工行业。
1.2储运设备的分类
储运设备主要是指用于储存与运输气体、液体、液化气体等介质的设备，在石油、化工、能源、环保、轻工、制药及食品等行业应用广泛。
大多数储运设备的主体是压力容器。
在固定位置使用、以介质储存为目的的容器称之为储罐。
储罐又有多种分类方法，按几何形状分为卧式圆柱形储罐、立式平底筒形储罐、球形储罐；按温度划分为低温储罐（或称为低温储槽）、常温储罐（）和高温储罐（）;按材料可划分为非金属储罐、金属储罐和复合材料储罐；按所处的位置又可分为地面储罐、地下储罐、半地下储罐和海上储罐等。
单罐容积大于1000的可称为大型储罐。
金属制焊接式储罐是应用最多的一种储存设备，目前国际上最大的金属储罐容量已达到。
1.3储存介质对储罐的影响
储存介质的性质，是选择储罐结构形式与储存系统的一个重要因素。
介质特性包括闪点、沸点、饱和蒸汽压、密度、腐蚀性、毒性程度、化学反应活性（如聚合趋势）等。
储存介质的闪点、沸点以及饱和蒸汽压与介质的可燃性密切相关，是选择储罐结构形式的主要依据。
饱和蒸汽压是指在一定温度下，储存在密闭容器中的液化气体达到气液两相平衡时，气液分界面上的蒸气压力。
饱和蒸汽压与储存设备的容器大小无关，仅依赖于温度的变化，随着温度的升高而增大；对于混合储存介质，饱和蒸汽压还与各组分的混合比例有关。
储存介质的密度，将直接影响罐体载荷分布及其应力大小。
介质的腐蚀性是选择罐体材料的首要依据，将直接影响制造工艺和设备造价。
而介质的毒性程度则直接影响储罐制造与管理的等级和安全附件的配置。
另外，介质的粘度或冰点也直接关系到储存设备的运行成本。
这是因为当介质为具有更高粘度或高冰点的液体时，为保持其流动性，就需要对储存设备进行加热或保温，使其保持便于输送的状态。
当储存设备用于盛装液化气体时，还应考虑液化气体的膨胀性和压缩性。
液化气体的体积会随着温度的上升而膨胀，温度的降低而收缩。
当储罐装满液态气体时，如果温度升高，罐内压力也会升高。
压力的变化程度与液化气体的膨胀系数和温度变化量成正比，而与压缩系数成反比。
装量系数一般取0.9.对于储罐容积经实际测定者，可大于0.9，但不得大于0.95.
环境对储存设备的影响：
对于液化气体储罐，储罐的金属温度主要受使用环境的气温条件影响，其最低设计温度可按该地区气象资料，取历年来月最低气温的最低值。
月平均最低气温是指当月各天的最低气温相加后除以当月的天数。
由于随着温度降低，液化气体的饱和蒸汽压呈下降趋势，因而这类储罐的设计压力主要由可能能达到的最高工作温度下液化石油气的饱和蒸汽压决定。
一般无保冷设施时，通常取最高设计温度为，若储罐安装在天气炎热的南方地区，则在夏季中午时分必须对储罐进行喷淋冷却降温，以防止储罐金属壁温超过，当所在地区的最低设计温度较低时，还应进行罐体的稳定性校核，以防止因温度降低使得罐内压力低于大气压时发生真空失稳。
设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺要求，考虑储存介质的性质、容量的大小、设置的位置、钢材的耗量以及施工的条件等来确定储罐的形式；在设计中还必须考虑场地的条件；环境温度、风载荷、地震载荷、雪载荷、地基条件等，因此设计者在设计储存设备时必须针对上述条件进行综合的考虑，以确定最佳的设计方案。
第2章导热油储罐的设计的条件工艺表第5页
第2章导热油储罐的设计的条件工艺表
2.1导热油储罐设计的条件工艺表：
设计参数及要求
设备内
夹套（管盘）内
工
介质名称
导热油
无
装量系数（%）
作
气相密度（）
全容积（）
0.4
介
液体密度（）
静电接地
1
质
特性
无毒
非易燃
基本风压
450
安全
装置
位置/型式
基本雪压
规格/数量
地震
设防烈度
8
开启（爆破）压力
内件材质
操作压力正常/（最大）MPa
0.1
介质详细
成分
操作温度正常/（最大）
（）
100
设计寿命（）
15
环境温度（）
壁温（）
换热面积（）
主要材料（推荐）
Q235-B
腐蚀速率（）
0.1
衬里防腐要求
保温
材料
名称
厚度（）
2.2导热油储罐设计的管口表：
设备名称：
导热油储罐
设备位号：
符号
公称尺寸
连接尺寸标准
连接面形式
用途或名称
N1
DN150
Class150HG/T20615-2009
RF
导热油进口
N2
DN15
Class150HG/T20615-2009
RF
进气口
N3
DN15
Class150HG/T20615-2009
RF
安全阀口
V
DN50
Class150HG/T20615-2009
RF
排气口
D
DN25
Class150HG/T20615-2009
RF
排液口
N4
DN25
Class150HG/T20615-2009
RF
补油口
N5
DN80
PN40HGT20592-2009
RF
低液位报警口
L1，L2
DN20
PN16HGT20592-2009
RF
液位计口
第3章导热油储罐厚度的计算第8页
第3章导热油储罐厚度的计算
3.1储罐基本尺寸和封头厚度的确定
由于储罐全容积为0.4，所以应该使封头和筒体的容积之和为0.4，查GB/T25198-2010《压力容器封头》[2]，选用DN=600,H=175标准椭圆封头.筒体长度取1200mm（不含封头的直角边高度）内径取600mm，现进行容积核算：
查GB/T25198-2010，知道DN=600,H=175标准椭圆封头的容积为0.0353
筒体容积
储罐总容积为
经过核算该储罐的容积满足设计要求
查GB150.2-2011《压力容器》[3]附录D表D.1
知道钢板Q235-B的厚度在满足3mm<<16mm，当温度为120时，利用内插法，得其许用应力
查GB150，得计算压力不低于操作压力的1.1倍，即：
，因此可以取0.15MPa
根据GB150.3-2011《压力容器》[3]（5-1）式
对于标准椭圆形封头，应力增强系数=1，焊接接头系数=1.0
则封头计算厚度mm
查JB/T3274-2007《碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带》[4]得到对于Q235B，钢板负偏差=0.6mm
对低合金钢制卧式容器，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm
导热油储罐的腐蚀速率为0.1毫米/年，设计寿命为15年，腐蚀裕量等于腐蚀速率与设计寿命的乘积。
则腐蚀裕量=0.1×15=1.5mm
因此名义厚度应该至少取3+1.5+0.6=5.1mm
查JB/T4736-2002《钢制压力容器用封头》[2]，知道标准椭圆封头的规格，可以应选用名义厚度为6mm的封头；当封头公称直径DN≤2000mm时，其直边高度h为25mm；DN≥2000mm时，h为40mm。
故该封头的直边高度h为25mm。
封头厚度校核：
当名义厚度=6mm时没有变化，该椭圆形封头的有效厚度等名义厚度减去厚度附加量，即，最小成形厚度，最小成形厚度可取5.4mm。
以最小成形厚度作为
则
查GB150.3—2011《压力容器》[3]式（5-3），得封头最大允许工作压力按下式确定：
储罐的操作压力仅为0.1MPa，远小于封头的最大允许工作压力1.21MPa，因此封头的名义厚度是合格的，安全的。
3.2圆筒厚度的计算
钢板Q235-B的厚度在满足3mm<<16mm，温度为120时，其许用应力
筒体采用双面焊，焊接接头形式为双面焊对接接头，局部无损检测，其焊接接头系数=0.85，
查GB150《压力容器》[3]，得筒体计算厚度公式：
带入数据：
对低合金钢制卧式容器，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm
腐蚀裕量等于腐蚀速率与设计寿命的乘积，即=0.1×15=1.5mm
对于Q235-B，钢板负偏差=0.6mm
因此名义厚度应该至少取3+1.5+0.6=5.1mm
由钢材标准规格，名义厚度取为6mm。
筒体厚度校核：
当=6mm时，没有变化，查GB150《压力容器》，得设计温度下的圆筒的最大允许工作压力按下时计算：
储罐的操作压力仅为0.1MPa，远小于设计温度下的圆筒最大允许工作压力1.218MPa。
因此该圆筒厚度是合格的，安全的。
鞍式支座支承的卧式容器简图
第4章导热油储罐的应力计算第18页
第4章导热油储罐的应力计算
4.1支座反力的计算
计算压力，计算压力为0.15MPa，设计温度为120，筒体材料为Q235B，鞍座材料同样为Q235B，查JB/T4731-2005《钢制卧式容器》[1]表5-1知，在使用温度为0—250时，鞍座材料Q235B的许用应力为147MPa。
查GB150.2-2011《压力容器》[3]附录D表D.1，圆筒材料Q235B常温下的许用应力为116MPa，由内插法知，圆筒材料Q235设计温度120下的许用应力为111MPa，查GB150《压力容器》[3]，知圆筒材料Q235常温下的屈服强度为235MPa。
工作时储罐内的物料为导热油，导热油是用于间接传递热量的一类热稳定性较好的专用油品，其密度随温度的变化而变化，当工作温度在0—120时，其密度在800—890之间，而且导热油的密度一般随着温度的升高而降低。
因此，在设计计算中，为保险起见，导热油的密度取为900。
储罐进行液压试验时，试验液体采用水，其密度为1000。
圆筒内直径为600mm，圆筒名义厚度为6mm
圆筒厚度附加量
圆筒焊接接头系数=0.85
封头名义厚度为6mm
封头厚度附加量
圆筒厚度附加量
两封头切线间的距离
鞍座包角
鞍座底板中心线至封头切线距离
封头曲面高度
圆筒平均半径
地震设防烈度为8
钢材Q235B的密度
鞍座的选取：
DN500mm—900mm，包角重型带垫板的鞍式支座结构和尺寸应满足JB/T4712.1-2007《容器支座》[5]图4和表6的规定。
因此，选用JB/T4712.1-2007，鞍座，BI600—Fh=500mm和
JB/T4712.1-2007，鞍座，BI600—Sh=500mm，各一个，鞍座材料为Q235B.
鞍座简图
鞍座的轴向宽度
鞍座材料Q235B许用应力为147MPa
鞍座垫板厚度，垫板钢材Q235B的厚度负偏差
因此，鞍座垫板的有效厚度
腹板与筋板组合截面积
腹板与筋板组合截面断面系数
查JB/T4731—2005《钢制卧式容器》[1]，知道卧式容器液压试验压力值按如下确定：
式中为设计压力，为试验压力，单位MPa
为元件材料在设计温度下的许用应力，单位MPa
为元件材料在常温温度下的许用应力，单位MPa
因此，带入数据得
因此液压试验的压力
圆筒质量:
封头质量：
查GB/T25198-2010《压力容器用封头》[2]表B.2知道公称直径DN=600mm，名义厚度为6mm的EHA标准椭圆封头质量
法兰质量：
根据设备条件图，知道该储罐共有9个法兰，根据所提供的管口表，知道这9个法兰的连接面形式均为RF，即突面。
法兰N1的公称尺寸DN为150，法兰N2，N3的公称尺寸DN均为15，法兰V的公称尺寸DN为50，法兰D,N4的公称尺寸DN为25.法兰N1，N2，N3，V，D，N4的连接尺寸标准都为Class150,HG/T20615—2009.
查HG/T20615—2009《钢管制法兰（Class系列）》[6]表3.2.2各种类型法兰的密封面型式及其适用范围，知对于法兰N1，N2，N3，V，D，N4都可以采用带颈平焊法兰（SO），法兰材料均可采用20Ⅱ
各法兰标记如下：
法兰N1：
HG/T20615法兰SO150-150RF20Ⅱ
法兰N2：
HG/T20615法兰SO15-150RF20Ⅱ
法兰N3：
HG/T20615法兰SO15-150RF20Ⅱ
法兰V：
HG/T20615法兰SO50-150RF20Ⅱ
法兰D：
HG/T20615法兰SO25-150RF20Ⅱ
法兰N4：
HG/T20615法兰SO25-150RF20Ⅱ
查HG/T20615—2009《钢管制法兰（Class系列）》[6]附录E,表E-1,Class150的法兰的近似质量，知道各法兰的质量如下：
法兰N1的质量为7.9kg，法兰N2和法兰N3的质量均为0.45kg
法兰V的质量为2.18kg，法兰D和法兰N4的质量均为0.91kg。
此外，法兰N5的公称尺寸DN为80，法兰L1和法兰L2的公称尺寸均为20，这三个法兰的连接面形式均为RF，即突面连接，法兰N5的连接尺寸的标准为PN40HG/T20592-2009，法兰L1和法兰L2的连接尺寸的标准均为PN16HG/T20592-2009。
查HG/T20592-2009《刚管制法兰（PN系列）》[7]表3.1.4管法兰类型和使用范围，知道法兰N5，L1，L2均可以采用带颈平焊法兰（SO），材料均为20Ⅱ。
各法兰标记如下：
法兰N5：
HG/T20952法兰SO80-4020Ⅱ
法兰L1：
HG/T20952法兰SO20-1620Ⅱ
法兰L2：
HG/T20952法兰SO20-1620Ⅱ
查HG/T20606-2009《刚管制法兰用非金属平垫片（PN系列）》[8]表3—3非金属垫片的使用条件，知法兰N5，L1，L2的垫片材料可以选用耐油石棉橡胶板，垫片的形式为RF-E型，法兰L1和法兰L2的垫片可以标记为：
HG/T20606垫片RF-E20-16NY400.法兰N5的垫片可以标记为：
HG/T20606垫片RF80-40NY400.
查HG/T20627-2009《刚管制法兰用非金属平垫片（Class系列）》[9]表3.0.3非金属垫片使用条件，知法兰N1,N2,N3,N4,V,D的垫片材料可以选用耐油石棉橡胶板，垫片的形式为RF-E型，法兰D和法兰D4的垫片可以标记为：
HG/20627垫片RF-E25-150NY400.法兰N2和法兰N3的垫片可以标记为：
HG/20627垫片RF-E15-150NY400.法兰N1的垫片可以标记为：
HG/20627垫片RF-E150-150NY400.法兰V的垫片可以标记为：
HG/20627垫片RF-E50-150NY400.
查HG/T20592-2009《刚管制法兰（PN系列）》[8]附录D法兰的近似质量，知道各法兰的质量如下：
法兰N5的质量为4.5kg，法兰L1和L2的质量均为1.0kg。
因此各个法兰的质量之和:
储罐内装有导热油时，一般来说，储罐的物料充装系数，设计时为了保险起见，储罐的物料充装系数取为1，在操作温度下，同样为保险起见，导热油的密度取为900
因此，在操作工况下，储罐内充液质量：
在液压试验时，储罐内的充液质量:
储罐在操作工况时的总质量：
储罐在液压试验时的总质量：
储罐在操作工况时的支座反力:
储罐在液压试验时的支座反力:
因此，支座反力F=Max（，）=2830.24N=2.83KN
查JB/T4712.1—2007《容器支座》[5]表6，知道所选鞍座的允许载荷Q=165KN。
支座反力F小于允许载荷Q,因此所选鞍座是安全的，可靠的。
4.2筒体弯矩的计算
圆筒轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座截面上，筒体中间截面上的轴向弯矩，按JB/T4731—2005《钢制卧式容器》[1]中式7-2计算：
储罐工作时，筒体中间截面上的轴向弯矩的计算：
储罐在液压试验时，筒体中间截面上的轴向弯矩的计算
鞍座平面上的轴向弯矩，按JB/T4731—2005《钢制卧式容器》[1]中式7-3计算：
储罐工作时，筒鞍座平面上的轴向弯矩的计算：
储罐在液压试验时，鞍座平面上的轴向弯矩的计算：
4.3圆筒轴向应力的计算及其校核
圆筒中间截面上，由压力及弯矩引起的轴向力，按JB/T4731—2005《钢制卧式容器》[1]中式7-4和7-5计算
最高点处：
最低点处；
鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按按JB/T4731—2005《钢制卧式容器》[1]中式7-6和7-7计算
因为该储罐，所以圆筒未被加强，位于靠近水平中心线处，
在横截面最低点处的轴向力：
式中系数,值由JB/T4731—2005《钢制卧式容器》表7-1查的：
，
考虑到卧式容器的特点，JB/T4731—2005《钢制卧式容器》增加了水压试验时充水不加压，=0的情况，此时对容器轴向应力，
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