分离器设计说明书.docx
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分离器设计说明书
1绪论1
2设计选材及结构3
2.1材料选择3
2.2筒体及封头的选择3
3设计计算4
3.1确定罐体的工艺尺寸4
3.2设计主要技术参数的确定4
3.2.1设计压力4
3.2.2设计温度5
3.2.3厚度及厚度附加量5
3.2.4焊接接头系数7
3.2.5许用应力7
3.3筒体厚度设计8
3.4封头壁厚设计10
3.5水压试验及强度校核10
4附件的选择12
4.1人孔的选择12
4.2人孔补强的计算13
4.2.1补强判别14
4.2.2开孔所需补强面积15
4.3补强圈的设计17
4.4接管选择17
4.5液面计的设计18
4.6压力计的设计19
4.7安全阀的设计20
4.8容器支座的选择20
4.8.1承载核算21
4.8.2鞍座的选择21
4.9密封装置的设计22
4.10视镜的选择24
4.11溢流堰板的设计25
5筒体和封头的强度及稳定性校核25
5.1筒体的弯矩25
5.2剪力26
5.3.筒体应力计算及校核26
5.3.1圆筒轴向应力及校核26
5.3.2筒体和封头切向应力及校核28
5.3.3支座截面处圆筒体的周向应力及校核29
6容器制造工艺30
6.1下料30
6.1.1戈懺30
6.1.2坡口加工30
6.2成形30
6.3纵缝施焊30
6.4筒节复圆33
6.5纵缝无损检测34
6.6筒体组装34
6.7筒节环缝施焊34
6.8筒节环缝无损检测34
6.9划线开孔34
6.10筒体封头总装35
6.11设备附件组焊35
6.12完工总检35
6.13压力试验35
结论37
致谢36
参考文献37
附
录
.......38
1绪论
压力容器是一种密闭的承压容器，通常是由板、壳组合而成的焊接结构。
其应用广泛且用量大，但又比较容易发生事故且事故往往是严重的。
压力容器的设计一般有筒体、封头、密封装置、支座、接口管、人孔及安全附件等组成。
与任何工程设计一样，压力容器的设计目标也是对新的或改进的工程系统和装置进行创新和优化，以满足人们的愿
望与需要。
具体来说，压力容器的设计人员应根据设计任务的特定要求，遵循设计工作的基本规则或规范，以及材料控制、结构细节、制造工艺、检验及质量管理等方面的规则，并尽可能地采用标准⑴。
本储罐是石油工业中必不可少的分离容器，所以本设计过程的内容包括容器的材质
的选取、容器筒体结构和强度的设计，密封的设计、罐体及封头的强度设计、确定支座,人孔及接管、开孔补强的情况以及焊接形式的设计与选取。
在设计过程中要综合考虑经济性、实用性和安全可靠性。
设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标准设备。
各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。
此次设计主要原理来自《过程设备设计》一书以及相关的标准及规范［2］。
。
原油经过电脱盐后的颜色是由石油中含有的其它物质所形成的。
原油相对密度一般
在0.75—0.95之间，少数大于0.95或小于0.75，相对密度在0.9-1.0的称为重质原油，小于0.9的称为轻质原油。
原油粘度变化较大，一般在1-100mPa.s之间，粘度大的
原油俗称稠油，稠油由于流动性差而开发难度增大。
一般来说，粘度大的原油密度也较大。
原油的凝固点大约在-50C-35C之间。
凝固点的高低与石油中的组分含量有关，轻质组分含量高，凝固点低，重质组分含量高，尤其是石蜡含量高，凝固点就高。
原油很难溶于水中，但却能溶于普通的有机溶剂，如苯、氯仿、酒精、乙醚、四氯化碳等。
虽然原油几乎完全不能和水相溶解，但仍有少量水分会“包溶”于原油中，一定条件下可自然析出。
设计一台具体的化工设备或容器，必须全面考虑设计对象的工况条件，使其有：
1.总体结构合理、符合工艺要求，高效、可靠、经济；
2.保证受压元件强度、刚度和稳定性，密封良好，使用期内具有安全寿命；
3.力求制造、运输、安装、维修简便，易于实现质量监检与控制；
4.符合国家设计规定和标准，符合劳动部门法规。
设计概要
1.强度、稳定性设计
1）根据设计条件及所造的结构、材料进行强度、稳定性及密封计算，以确定设备或容器的机械尺寸。
通过计算，常会对结构加以修改，使之更加合理。
2）施工图设计根据设计计算的结果，绘制施工图，确定制造技术要求，提出各零件质量及设备总重、材料、品种、规格、用量及标准件、外构件等。
2.编写技术文件
1）计算书
2）设计说明书内容应包含技术经济分析，并表明技术经济指标生产能力与消耗系数；材料消耗与生产；维护管理费用
3）设计图纸
设计任务
设计一个容积为50.0m3卧式储罐。
设计数据表如表1-1所列：
表1-1设计数据表
序号
项目
数值
单位
备注
1
名称
初顶回流油罐
2
用途
初顶油分离
3
工作压力
0.05
MPa
4
工作温度
40
C
5
全容积
50
M3
6
物料名称
油水
7
装量系数
0.8
2设计选材及结构
2.1材料选择
根据初顶油的物性选择罐体材料，碳钢对初顶油有良好的耐蚀性，腐蚀率在0.1伽
/年以下，储罐可选用一般钢材，根据储罐的工作压力、工作温度和介质的性质可知该设备为一低压设备，介质对碳钢的腐蚀作用很小。
故选材料时，主要考虑的强度指标（指底和处）和塑性指标适合的材料，内罐贮存中温初顶油，可以考虑Q245、Q235这两
种钢种。
Q235的特点是，塑性好，适合于制作各种型材，如板材、角钢、槽钢、工字钢等；同时它的焊接性能优良，适合于制造各种焊接结构。
所以初选Q235B⑶⑸o
2.2筒体及封头的选择
压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中
凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。
可参阅文献[1]126页。
常见容器凸形封头形式如下图示⑴。
£
图2-1常见容器凸形封头的形式
从受力与制造方面分析来看，球形圭寸头是最理想的结构形式。
但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。
平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。
从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材最多。
因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头较为合理⑹。
筒体结构设计
为圆筒形。
因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。
3设计计算
3.1确定罐体的工艺尺寸
根据工艺要求，初顶油储罐可设计罐身为圆筒形，两端均用标准椭圆形封头的卧式容器⑸。
根据《化工设备标准手册》标准GB9019-88中的表1压力容器的公称直径,筒体的容积、面积及质量查标准GB9019-88表1。
表3-1筒体用钢板卷制时，容器的公称直径表
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
2200
2300
2400
2500
2600
2800
3000
3200
3400
3500
3600
3800
4000
4200
4400
4500
4600
4800
5000
5200
5400
5500
5600
5800
6000
由于容器设计压力为0.25Mpa,容积50立方米，根据HG3154-1985-7卧式椭圆形封头储罐系列，得：
初选筒体内径Di=2800伽，设罐身的长度为L,贝设L=7200伽
对容积的核算[11]:
筒体体积V:
V1=2.823.1447.244.31m3
封头体积V2:
经查表得到V2=3.12m3
总体积V:
VV2V244.3123.1250.55m3>Vs=50m3
式中Vs—设计容积，m3。
所以取筒体：
Di2800mmL=7200伽。
3.2设计主要技术参数的确定
压力容器设计技术参数主要有设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数和许用应力等。
3.2.1设计压力
设计压力为压力容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力。
而最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。
设计压力应视内压或外压
容器分别取值。
当内压容器上装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确
定。
装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力
不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.05-1.10倍；装设爆破片时，
设计压力不得低于爆破片的爆破压力。
对于盛装气液共存的容器，由于容器内介质压力为气体的饱和蒸汽压，在规定的装量系数范围内，与体积无关，仅取决于温度的变化，故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。
此外，还要考虑容器外壁有否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。
计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。
通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。
当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。
本设计的工作状态为真空，工程上常取2.5倍的大气压为设计压力，因此可取设计压力pc0.25MPa可参阅文献[1]114页。
3.2.2设计温度
设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。
当元件金属温度不低于0C时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0°C时，其值不得高于
元件金属可能达到的最低温度。
GB150规定设计温度等于或等于-20C的容器属于低温容器。
元件的金属温度可以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最高（最低）温度确定，或在此基础上增加（或减少）一定数值。
设计温度与设计压力存在对应关系。
当压力容器遇有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。
可参阅文献[1]114页。
由于本设计的工作温度是40C,而操作工况与启动工况或停车工况时压力差别大，而且四季变换也会有温度波动，所以设计温度相应比最高工作温度要高些，故取设计温度为60C。
3.2.3厚度及厚度附加量
由公式所给出的厚度为计算厚度，并未包括厚度附加量。
设计时要考虑的厚度附加量C由钢材的厚度负偏差Ci和腐蚀裕量C2组成，即C=C1+C2,不包括加工减薄量C3。
加工减薄量一般根据具体制造工艺和板材的实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定。
因此，出厂时的实际厚度可能和图样厚度不完全一样。
计算厚度（S）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。
必要时还用计入其他载荷对厚度的影响。
设计厚度（Sd）系计算厚度与腐蚀裕量之和。
名义厚度（凡）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度,及标注在图样上的厚度。
有效厚度（Se）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。
成形后厚度指制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。
一般情况下，只要成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求。
详见文献[1]115页图4-5。
腐蚀裕坦G；
一Wfflggq-i
JS—战庫度BSW宿
SUTMS*
第二次厚度圆整值
图3-1各种厚度间的关系
钢板或钢管厚度负偏差Ci应按相应钢材标准的规定选取。
当钢材的厚度负偏差不大于0.25伽，且不超过名义厚度的6%时，可取6=0。
由于GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25伽，一次使用该标准中钢板厚度超过5伽时（如20R、16MnR和16MnDR等），可取C1=0;常用钢板（如20g、Q235-A以及0Cr18Ni9等）的厚度负偏差见表3-2。
表3-2常用钢板的厚度负偏差C1值
钢板标准
GB/T3274
GB/T3280
GB/T4237
GB/T4238
钢板厚度
>5.5—7.5
>7.5—25
>25—30
>30—34
负偏差C1
0.6
0.8
0.9
1.0
钢板厚度
>34—40
>40—50
>50—60
>60—80
负偏差C1
1.1
1.2
1.3
1.8
腐蚀余量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。
与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。
腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器设计寿命确定。
在无特殊腐蚀情况
下，对于碳素钢和低合金钢，C2不小于1伽；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C2=0。
但腐蚀裕量只对防止发生均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，用增加腐蚀裕量的办法来防止腐蚀效果不佳，此时应着重于选择腐蚀材料或进行适当的防腐蚀处理。
本设计取G0.8mm,C22mm，可参阅文献[1]115~116页。
324焊接接头系数
通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹渣、未熔透、裂纹、气孔等焊接缺陷，且
在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使目的材料的强度或塑性有所降低，因此焊缝
往往成为容器强度比较薄弱的环节。
为弥补焊缝对容器整体强度的削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。
焊接接头系数表示焊缝金属与目的材料强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。
可参阅文献[1]116页。
影响焊接接头系数大小的因素较多，但主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求及长度比例有关。
中国钢制压力容器的焊接接头系数可按表3-3选取。
表3-3钢制压力容器的焊接接头系数值
焊接接头形式
无损检
测比例
值
焊接接头形式
无损检
测比例
值
双面焊对接接头和相当于
100%
1.00
单面焊对接接头（沿焊接根部全
100%
0.90
双面焊的全熔透对接接头
局部
0.85
长又紧贴基本金属的垫板）
局部
0.80
本设计的筒体及封头焊接接头采用双面焊局部无损检测，故取=0.85
3.2.5许用应力
许用应力是容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。
设计时必须合理地选择材料的许用
应力，采用过小的许用应力，会使设计的部件过分笨重而浪费材料，反之则使部件过于
单薄而容易破损。
作为压力容器受压元件设计时的许用应力，即按下式取值
也就是说在设计受压元件时，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。
GB150给出了钢板、钢管、锻件以及螺栓材料在设计温度下的许用应力值，同时也列出了确定钢材许用应力的依据，表3-4所示为钢材（除螺栓材料外）许用应力的确定依据。
可参阅文献[1]116~117页。
表3-4钢制压力容器用材料许用应力的取值方法
材料
许用应力
取下列各值中的最小值/MPa
碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢
ttt
bssDn
?
?
?
?
3.01.61.61.51.0
奥氏体高合金钢
bs（0.2）s（0.2）Dn
?
?
?
?
3.01.51.51.51.0
3.3筒体厚度设计
初顶回流油罐通常置于室外，罐内的温度和压力直接受到大气温度的影响，在夏季
液氨储罐经太阳暴晒，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化。
储罐在夏季最高温度可达到55C。
由于在操作过程中有气体析出，《压力容器安全监察规程》规定液化气体储罐必须安装安全阀，设计压力通常可取最大操作压力的1.05~1.10倍。
设计压力p1.10.250.275MPa
故取设计压力p0.275MPa
由于5%p0.050.2750.014MPa
液柱静压力pgh0.99.828000.025MPa5%p
所以pc0.025+0.275=0.3MPa
在设计温度60C，估计筒体的厚度在6~16伽范围内，为安全取许用应力t=115MPa，焊接接头采用V坡口双面焊接，采用局部无损检测，其焊接接头系数由焊接接头系数表查得=0.85⑴⑶o
根据GB150-2011标准，Q235B的特性如下：
表3-5Q235B的许用应力表
钢号
板厚/伽
在下列温度（C）下的许用应力
/MPa
20
100
150
200
250
300
Q235B
3~16
116
113
108
99
88
81
16~36
116
108
102
94
82
75
取七日伽卩玄
筒体厚度计算：
由于Pc0.3MPa0.4t0.41150.8539.1MPa
式中一筒体计算厚度，伽；
Pc—计算压力，MPa;t—许用应力，MPa;
—焊缝街头系数；
Di—筒体内径，伽。
在《钢制压力容器》中，取G0.8mm，平面腐裕量取C22mm。
nC4.32+0.87.伽
式中n名义厚度，伽。
根据钢板厚度规格，圆整后取名义厚度n,确定选用n8mm的Q235B钢板。
可
参阅文献[1]117页。
现已知圆筒尺寸Di、n，需对圆筒进行强度校核，其应力强度判别按下式进行。
1150.8597.75MPa（3-2）
tU—0.3280082.880.92MPa
2e282.8
式中
有效厚度，e=nC,™；
n――名义厚度，伽；
C—厚度附加量，伽；
MPa。
0.36MPa>0.25MPa
t――设计温度下圆筒的计算应力,满足强度条件。
因此，圆筒的最大允许工作压力Pw为
t
2e282.81150.85
PwDie280082.8
式中Pw――圆筒的最大允许工作压力，MPa。
满足条件。
根据HG3154-1985-7，圆整后选取厚度8伽Q235B钢板。
筒体尺寸表如表所示:
表3-6筒体尺寸表
公称直径
Di
一米高的容积V
（m3）
米冋的内表面
积Fb（m2）
名义厚度n（^）
一米高筒节钢板
质量（kg）
2800
6.154
8.792
8
909
3.4圭寸头壁厚设计
采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同
式中=0.85
设计厚度
C24.3026.30mm
从制造和受力角度考虑,
般与筒体厚度一致，取名义厚度n8伽的Q235B钢板。
椭圆形封头的最大允许工作压力按下式确定
t
2e282.81150.85
Di0.5e1.028000.582.8
0.363MPa0.25MPa
（3-5）
所以封头也符合设计条件。
可参阅文献[1]127页
Q235B钢板的钢材屈服极限s235MPa,在常温水压试验时的许用应力
0.9s0.92350.85179.78MPa
T0.9s，故筒体厚度满足水压试验时的强度要求
4附件的选择
4.1人孔的选择
压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。
人孔主
要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。
一般人孔有两个手柄。
选用时应综合考虑公称压力、公称直径、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。
人孔的类型很多，从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。
从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。
从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。
选择使用上有较大的灵活性。
常见的人孔形状有圆形和椭圆形两种，为使操作人员在能够自由出入，圆形人孔的直径至少应为400伽，椭圆形人孔的尺寸一般为350伽450伽⑴⑺。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，本设计初选一个圆形人孔。
根据储罐的工作温度及最高工作压力为0.25MPa,人孔的标准按公称压力为
0.25MPa等级选取，查标准选回转盖板式平焊法兰人孔（HG/T21516-2005），人孔筒节轴线垂直安装。
公称直径500伽,凸法兰密封面（C型），采用U类20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。
法兰标准号为HGJ50〜53-91，垫片标准号为HGJ69〜72-91，法兰盖标准HGJ61〜65-91材料为20R，螺柱螺母标准HGJ75-91螺柱材料35CrMoA螺母材料30CrMo，吊环转臂的材料为Q235-A•F，垫圈标准为GB95-85，材料100HV，螺母标准GB41-86，吊钩环材料为Q235-A•F,支承板材料为20R。
人孔尺寸表如下表[8][9]。
4-1回转盖板式平焊法兰人孔尺寸表
密封
面形
式
PN/
MPa
DN
dw
s
d
D
D1
H1
H2
b
b1
b2
A
do
螺
柱
螺
母
螺柱
总质量kg
数
量
直径
长
度
突面
530
6
10
3
2
2
35
M20
（RF
0.6
500
6
500
4
600
230
6
2
4
6
5
20
20
40
115
117
型）
5
4.2人孔补强的计算
由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。
开孔以后,除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强。
压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。
当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的
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