液化石油气压力容器设计说明书.docx
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液化石油气压力容器设计说明书
黑龙江科技大学
课程设计
题目：
50M3液化石油气储罐
院系：
材料科学与工程学院
专业：
焊接工程
班级：
姓名：
指导教师：
完成日期：
2013年8月30日
设计任务书
设计题目：
50M3液化石油气储罐（丙烷）
设计任务：
试设计一液化石油气储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计。
包括筒体、封头、零部件的材料的选择及结构的设计；罐的制造施工及焊接形式等；设计计算及相关校核；各设计的参考标准；附CAD图。
已知工艺参数如下：
最高使用温度：
T=50℃；
公称直径：
DN=3000㎜；
筒体长度（不含封头）：
Lo=5900㎜。
任务下达时间：
2013年8月19日
完成截止时间：
2013年8月30日
1前言
本设计是针对《化工设备机械基础》这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。
设计基本思路：
本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。
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。
2设计选材及结构
2.1工艺参数的设定
设计压力
根据《化学化工物性数据手册》查得50℃蒸汽压为2032.5kPa，可以判断设计的容器为储存内压压力容器，按《压力容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气50℃时的饱和蒸汽压力，可取液化石油气容器的设计压力为2.16MPa，属于中压容器。
而且查得当容器上装有安全阀时，取1.05～1.3倍的最高工作压力作为设计压力；所以取2.16MPa的压力合适。
属于中压容器[5]。
设计温度为50摄氏度，在-20～200℃条件下工作属于常温容器。
筒体的选材及结构
根据液化石油气的物性选择罐体材料，碳钢对液化石油气有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1㎜/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。
如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板，16MnR钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济。
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。
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[1，5]。
封头的结构及选材
封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。
椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。
它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。
查椭圆形封头标准（JB/T4737-95）
表2.1椭圆封头标准
公称直径DN
曲面高度h1
直边高度h2
内表面积Fi/m2
容积V/m3
3000
750
50
10.2
3.89
封头取与筒体相同材料[1,5]。
3设计计算
3.1筒体壁厚计算
查《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR的密度为7.85t/m3，熔点为1430℃，许用应力
列于下表：
表3.116MnR许用应力
钢号
板厚/㎜
在下列温度（℃）下的许用应力/Mpa
≤20
100
150
200
250
300
16MnR
6～16
170
170
170
170
156
144
16～36
163
163
163
159
147
134
36～60
157
157
157
150
138
125
>60～100
153
153
150
141
128
116
圆筒的计算压力为2.16Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。
取许用应力为163Mpa。
壁厚：
㎜（3.1）
钢板厚度负偏差
查材料腐蚀手册得50℃下液化石油气对钢板的腐蚀速率小于0.05㎜/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量
㎜。
所以设计厚度为：
㎜
圆整后取名义厚度24㎜。
3.2封头壁厚计算
标准椭圆形封头a:
b=2:
1
封头计算公式：
（3.2）
可见封头厚度近似等于筒体厚度，则取同样厚度。
因为封头壁厚≥20㎜则标准椭圆形封头的直边高度
㎜[1,4].
3.3压力试验
水压试验，液体的温度不得低于5℃；
试验方法：
试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。
试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。
然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。
如有渗漏，修补后重新试验。
水压试验时的压力
（3.3）
水压试验的应力校核：
水压试验时的应力
Mpa（3.4）
水压试验时的许用应力为
故筒体满足水压试验时的强度要求[1]。
4附件选择
4.1人孔选择
人孔的作用：
为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。
人孔的结构：
既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。
人孔类型：
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。
人孔标准HG21524-95规定PN≥1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为φ400㎜。
综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95）,公称压力PN2.5、公称直径DN450、H1=320、RF型密封面、采用Ⅵ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。
标记为：
人孔RFⅥ（W·C-1220）450-2.5HG21524-95总质量为256kg.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40Cr螺母材料45，吊环转臂和材料Q235-A·F,垫圈标准为GB95-85材料100HV,螺母标准GB41-86，吊钩和环材料Q235-A·F，无缝钢管材料为20，支承板材料为20R[2,3,5]。
尺寸表如下
表4.1人孔标准尺寸表
密封面型式
PN/
Mpa
DN
dw×s
d
D
D1
H1
H2
总质量
kg
突面
2.5
450
480×12
450
670
600
320
214
256
4.2人孔补强的计算
开孔补强结构：
压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。
补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。
在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。
但必须满足规定的条件。
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面积。
补强材料采用16MnR。
1、内压容器开孔后所需的补强面积
（4.1）
式中开孔直径：
㎜；
强度削弱系数：
壳体开孔处的计算厚度
㎜
接管有效厚度：
㎜
则
㎜2
2、有效补强面积即已有的加强面积
壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件）
（4.2）
筒体上多余金属面积：
（4.3）
有效补强宽度B=2d
筒体的有效厚度
㎜
所以
㎜2
人孔接管上多余的面积：
（4.4）
外侧有效高度：
㎜
内侧有效高度即实际内伸高度
接管计算厚度：
㎜
所以
㎜2
焊缝金属截面积：
㎜2
则
㎜2
比较的
满足以下条件的可选用补强圈补强：
刚材的标准常温抗拉强度
Mpa；补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的1.5倍；壳体名义厚度
㎜；设计压力
；设计温度
℃。
可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。
所需补强圈的面积为：
㎜2
补强圈的结构及尺寸：
为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。
按照根据焊接接头分类，接管、人孔等与壳体连接的接头，补强圈与壳体连接的接头取D类焊缝。
根据补强圈焊缝要求，并查得结构图为带补强圈焊缝T型接头，补强圈坡口取B型（查《化工容器及设备简明设计手册》）。
查标准HG21506-92得补强圈外径
内径
则取485㎜。
计算补强圈厚度：
㎜（4.5）
查标准补强圈厚度取20㎜，计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。
查得对应补强圈质量为42.3㎏[3,5].
4.3进出料接管的选择
材料：
容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。
材料为16MnR。
结构：
接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。
接管的壁厚要求：
接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。
一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。
不需另行补强的条件：
当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。
1设计压力小于或等于2.5Mpa。
2两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。
3接管公称外径小于或等于89㎜。
4接管最小壁厚满足以下要求。
表4.2接管最小壁厚要求
接管公称直径/mm
57
65
76
89
最小壁厚/mm
5.0
6.0
因此热轧无缝钢管的尺寸为φ89×12㎜。
钢管理论重量为22.79㎏/m。
取接管伸出长度为150㎜。
管法兰的选择：
根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN<4.0Mpa）,选择突面板式平焊管法兰，标记为：
HG20592-1997法兰RF（A）80-2.5,其中D=190,管法兰材料钢号（标准号）:
20（GB711）。
根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、垫片、紧固件选配表（HG20614-1997）选择：
垫片型式为石棉橡胶板垫片（尚无标准号），密封面型式为突面，密封面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。
在离筒体底以上250㎜处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容器底，这种方式用于卧式容器。
出料口的基本尺寸以及法兰与进料口相同。
进出料接管满足不另行补强的要求所以不再另行补强[5]。
4.4液面计的设计
液面计的种类很多，常用的有玻璃板液面计和玻璃板液面计。
它们都是外购的标准件，只需要选用。
玻璃板液面计有三种：
透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。
根据选用表选用：
选用反射式玻璃板液面计，标准号HG21590-95，法兰形式及其代号C型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）,液面计型号R型公称压力PN4.0,使用温度0～250℃，液面计的主题材料代号：
锻钢（16Mn），结构形式及其代号:
普通型（无代号），公称长度为1450mm，排污口结构:
V（排污口配螺塞）。
液面计标记为：
液面计CR4.0-Ⅰ-1450V
根据筒体公称直径3000㎜选择两个同样的液面计，单个质量为90㎏左右。
两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。
液面计接管：
无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12㎜[4]。
4.5安全阀的选择
安装位置：
在离右封头切线处1150处安装一安全阀。
由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范围，所以由本设计的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号A21H-40,公称通径DN取20㎜，质量约为80㎏。
与安全阀和接管连接的法兰选择突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF（A）80-2.5，与壳体连接的接管为无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12㎜[5]。
4.6排污管的选择
安装位置：
在离右鞍座的左侧1000mm处安装一个排污管。
选择无缝钢管GB8163-87热轧钢为材料的排污管焊接在容器底部，尺寸为φ89×12㎜。
管端法兰：
突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF（A）80-2.5，法兰一端连接排污阀（截止阀），型号J41H-40，取公称通径为80㎜，对应质量为44.4㎏。
排污阀的结构是利用装在阀杆下面的阀盘与阀体的突缘部分相配合，一控制阀的启闭。
结构较闸阀简单，制造、维修方便。
可以调节流量，应用广泛[5]。
4.7鞍座的选择
4.7.1鞍座结构和材料的选取
卧式容器的支座有三种形式：
鞍座、圈座、和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。
置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。
当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。
但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。
采用双支座时选取的原则如下：
1双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取
其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。
2当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。
为了充分利用这一加强效应，在满足
下应尽量使
.
此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。
通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。
所以本设计就采用这种支座结构。
根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。
鞍座的材料（除加强垫板除外）为Q235-A·F，加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR。
4.7.2容器载荷计算
筒体的质量
：
查得圆筒体理论质量为1778㎏/m,筒体长度加上封头的直边长度为6m,则W1=1778×6=10668㎏。
封头的质量
:
根据封头的名义厚度查得2:
1标准椭圆形封头理论质量为1901㎏。
水压试验时水的质量
：
由常用压力容器手册查得公称直径3000mm厚24mm的标准椭圆封头的容积为3.887
则容器容积为：
（4.6）
水重
=49.4575×1000=49457.5㎏。
附件的质量
：
人孔重256kg,人孔补强重42.3kg,进出料管约100kg,两个液面计共180kg,安全阀80kg,排污阀44.4kg,再加上与阀门相接的接管重量，附件总质量约为750kg.
所以设备总质量为62776.5kg.即627.765kN[1,3,5].
4.7.3鞍座选取标准
查得公称直径为3000mm的容器选择轻型（A）,120°包角、焊制、六筋、带垫板，高度为250mm的鞍座，允许载荷Q786kN>627.765kN,为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用，可取
，则选A=700mm。
左鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座A3000-F.右鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座A3000-S.
具体尺寸如下表：
表4.3鞍座标准尺寸表
公称直径
DN
允许载荷Q/kN
鞍座高度
h
螺栓间距
l2
鞍座质量
/kg
增加100mm高度
增加的质量/kg
3000
786
250
1940
405
34
4.7.4鞍座强度校核
鞍座腹板的水平分力：
查得鞍座包角120°对应系数
支座反力：
鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：
计算高度，取鞍座实际高度和
两者中的较小值，mm
鞍座腹板厚度，mm
鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度
与圆筒体的有效宽度
两者中的较小值，mm
鞍座垫板有效厚度，10mm
则
应力校核：
鞍座材料Q235-A·F的许用应力
，则
[3]
5容器焊缝标准
5.1压力容器焊接结构设计要求
焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。
5.2筒体与椭圆封头的焊接接头
压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接的环向接头采用A类焊缝。
焊接方法：
采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。
封头与圆筒等厚采用对接焊接。
平行长度任取。
坡口形式为I型坡口。
根据16MnR的抗拉强度
=490Mpa和屈服点
=325Mpa选择E50系列（强度要求：
≥490Mpa；
≥400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：
氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较高，脱渣性较好，焊缝表面光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢结构。
5.3管法兰与接管的焊接接头
管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97,根据公称通经DN80选择坡口宽度b=6mm，如附图中的局部放大图所示。
5.4接管与壳体的焊接接头
所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T形或角接接头。
选择HG20583-1998标准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为
；
；
；
，且
，它适用于
，
，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为24mm，所以符合要求。
选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。
如附图中的局部放大图所示[4,5]。
6筒体和封头的校核计算
6.1筒体轴向应力校核
6.1.1由弯矩引起的轴向应力
筒体中间处截面的弯矩：
（6.1）
式中F—鞍座反力，N；
—椭圆封头长轴外半径，mm；
L—两封头切线之间的距离，mm；
A—鞍座与筒体一端的距离，mm；
hi—封头短轴内半径，mm。
支座处截面上的弯矩：
（6.2）
所以
由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K1=K2=1.0。
因为︱M1︱＞＞︱M2︱，且A＜Rm/2=762mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。
筒体中间截面上最高点处
（6.3）
所以
最低点处：
（6.4）
鞍座截面处最高点处：
（6.5）
最低点处：
（6.6）
6.1.2由设计压力引起的轴向应力
由
（6.7）
所以
6.1.3轴向应力组合与校核
最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处
所以
许用轴向拉压应力[σ]t=163MPa，而σ2＜[σ]t合格。
最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处
轴向许用应力：
根据A值查外压容器设计的材料温度线图得B=150MPa，取许用压缩应力[σ]ac=150MPa，︱σ1︱＜[σ]ac，合格。
6.2筒体和封头切向应力校核
筒体切向应力计算：
由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。
所以
（6.8）
封头切向应力计算：
（6.9）
因
所以合格[6]。
7焊接工艺卡
焊接工艺卡No.：
2
焊接层次顺序示意图：
母材1
16MnR
厚度（mm）
16
焊接工艺卡编号
母材2
16MnR
厚度（mm）
16
图号
母材3
厚度（mm）
接头名称
筒体环缝
焊接顺序
接头型式
对接
坡口型式
V
接头编号
B1、B2、B3、B4、B5
坡口角度（℃）
60°
焊接工艺评
定报告编号
钝边（mm）
2-6
焊缝余高（mm）
焊工持证项目
组装间隙（mm）
2～3
1、在坡口及坡口边缘各20mm范围内，将油、污、锈、垢、氧化皮清除，直至呈现金属光泽。
2、定位焊缝为28条，每2条定位焊缝间距为12°，定位焊缝长度为30mm、厚度为6-10mm。
3、焊完进行RT100%无损探伤。
焊接方法
直通焊
焊接
层次
焊接方法
填充材料
焊接电流
电弧
电压（V）
焊接速度（cm/min）
气体流量（L/min）
预热温度（℃）
型（牌）号
直径（mm）
极性
电流（A）
层间温度（℃）
焊后热处理
定位焊
MIG
H10MnSi
ф2
直流反接
80-115
12-14
10-16
8-10
焊剂烘干温度
250℃
封底焊
MIG
H10MnSi
ф2.5
直流反接
115-150
12-14
10-16
8-10
钨极直径（mm）
正面焊
SAW
H10MnSi+HJ431
ф4
交流
600-650
34-37
48
喷嘴直径（mm）
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