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80m3液化石油储罐结构设计及焊接工艺设计

专业设计课程任务书

学院

材料科学与工程

专业

材料成型及控制工程

设计题目

80m3液化石油气卧式储罐设计

设计条件表

序号

项目

数值

单位

备注

1

名称

液化石油气卧式储罐

2

用途

储存

3

最高工作压力

1.6

MPa

由介质温度确定

4

工作温度

-19～50

℃

5

公称容积〔Vg〕

80

M3

6

设计压力

1.77

MPa

7

装量系数（φV）

0.9

8

工作介质

液化石油气

9

材质

Q345R

1.卧式储罐结构设计

（1）结构设计：

董显20214625、刘玉琨20214484

（2）二维结构与二维图纸：

倪贝拓20214637

（3）水压数值模拟：

李高阳20214479、张根红2021606

2.卧式储罐焊接设计

（1）焊接工艺设计：

杨嘉兴20214495、申永成20214486

（2）工艺卡及焊接设计图纸：

魏启迪20214492

（3）工程预算：

宋厚20214677

80m3液化石油气卧式储罐设计

摘要

液化石油气储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，因此在设计这种储罐时，要注意平安与防火，和在制造、安装等方面的特点。

卧式储罐结构设计是以应力分析为主要途径，以材料力学为根底，对容器的各个主要受压局部进行设计。

利用ANSYS软件对进行静力学应力、应变模拟分析，得出的应力作用下的较为精确详尽的储罐响应结果,直观的再现了储油罐在应力作用下的受力情况和薄弱环节,从为储罐的设计提供了可靠的依据。

在焊接过程中，采用多层多道焊，选择合理的焊接工艺措施，如控制焊接电流、电弧电压，选择材料、破口形式、焊丝焊剂、焊条等，不但能控制结构的焊接变形和应力，而且能保证焊缝的组织和性能，有效提高压力容器的品质。

此外，除第一层打底焊外，每层都要捶击消除应力，每道焊缝都要清渣，防止夹渣，焊缝要圆滑过渡，防止应力集中。

同时，在工程预算方面，从原材料花费、焊接相关花费、人工费几个方面进行统计估算。

关键词：

卧式储罐，结构设计，模拟分析，焊接工艺，工程预算

80m3LIQUEFIEDOILTANKSTRUCTUREDESIGN

ABSTRACT

Liquefiedpetroleumgasstoragetankisholdingthecommonlyusedequipment,liquefiedpetroleumgas（LPG）duetothecharacteristicsofthegasisflammableandexplosive,sointhedesignofthetank,payattentiontothesafetyandfireprotection,andintheaspectofmanufacture,installation,etc.Horizontaltankstructuredesignisbasedonstressanalysisasthemainway,onthebasisofmechanicsofmaterials,todesignthemaincompressionportionofthecontainer.UsingANSYSsoftwaretothestress,strainsimulationstaticsanalysis,itisconcludedthatthestressundertheactionofresponseresultmoreaccurateanddetailedtank,intuitivereproducetheforceoftheoiltankundertheeffectofstressandtheweaklink,fromthedesignprovidesareliablebasisforstoragetank.Intheweldingprocess,theuseofmulti-layerwelding,multichannelselectingrationalweldingprocessmeasures,Suchascontrolweldingcurrent,arcvoltage,materialselection,crevasseform,fluxweldingwire,weldingwire,etc.,notonlycancontroltheweldingdeformationandstressofstructure,andcanguaranteeorganizationandpropertiesoftheweld,effectivelyimprovethequalityofthepressurevessel.Inaddition,inadditiontothefirstlayerofbackingwelding,eachlayertothumpofeliminatingstressandeverywayweldslagremoval,preventingslag,weldtosmooththetransition,preventstressconcentration.Atthesametime,intheaspectofengineeringbudget,fromrawmaterialscosts,weldingrelatedcostsandlaborstatisticalestimation.

KEYWORDS:

Horizontaltank,Structuredesign,Simulationanalysis,Weldingprocess,Projectbudg

第一章设计参数的选择

液化石油气的主要组成局部由于石油产地的不同，各地石油气组成成分也不同。

取产自新疆克拉玛依油田的液化石油气，其具体成分如下：

表1.1液化石油气组成成分

组成成分

异辛烷

乙烷

丙烷

异丁烷

正丁烷

异戊烷

正戊烷

乙炔

各成分百分比

0.01

2.25

47.3

23.48

21.96

3.79

1.19

0.02

对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如表1.2：

表1.2各温度下各组分的饱和蒸气压力

温度，℃

饱和蒸汽压力，MPa

异辛烷

乙烷

丙烷

异丁烷

正丁烷

异戊烷

正戊烷

乙炔

-25

0

1.3

0.2

0.06

0.04

0.025

0.007

0

-20

0

1.38

0.27

0.075

0.048

0.03

0.009

0

0

0

2.355

0.466

0.153

0.102

0.034

0.024

0

20

0

3.721

0.833

0.294

0.205

0.076

0.058

0

50

0

7

1.744

0.67

0.5

0.2

0.16

0.0011

根据本设计工艺要求，使用地点为天津市的室外，用途为液化石油气储配站工作温度为-19~50℃，介质为易燃易爆的气体。

从表中我们可以明显看出,温度从50℃降到-25℃时,各种成分的饱和蒸气压力下降的很厉害,可以推断,在低温状态下,由饱和蒸气压力引起的应力水平不会很高。

由上述条件选择危险温度为设计温度。

为保证正常工作，对设计温度留一定的富裕量。

所以，取最高设计温度t=50℃，最低设计温度t=﹣25℃。

根据储罐所处环境，最高温度为危险温度，所以选t=50℃为设计温度。

设计压力

该储罐用于液化石油气储配供气站，因此属于常温压力储存。

工作压力为相应温度下的饱和蒸气压。

因此，不需要设保温层。

根据道尔顿分压定律，我们不难计算出各种温度下液化石油气中各种成分的饱和蒸气分压，如表1.3：

表1.3各种成分在相应温度下的饱和蒸气分压

温度,℃

饱和蒸气分压,MPa

异辛烷

乙烷

丙烷

异丁烷

正丁烷

异戍烷

正戍烷

乙烯

-25

0

0.029

0.0946

0.014

0.0088

0.00095

0.000083

0

-20

0

0.031

0.127

0.0176

0.0105

0.00114

0.000109

0

0

0

0.053

0.2204

0.0359

0.0224

0.00129

0.000256

0

20

0

0.084

0.394

0.069

0.045

0.00288

0.00063

0

50

0

0

0.0825

0.1573

0.1098

0.00758

0.0019

0

有上述分压可计算再设计温度t=50℃时，总的高和蒸汽压力

P=

=0.01%×0+2.25%×7+47.3%×1.744+23.48%×0.67+21.96%×0.5+3.79%×0.2+1.19%×

0.16+0.02%×0.0011=1.25901MPa〔1.1〕

因为：

P异丁烷〔0.2〕

设计压力为1.77MPa，最高工作压力为1.6MPa。

设计储量

参考相关资料，石油液化气密度一般为500-600Kg/m3，取石油液化气的密度为510Kg/m3，盛装液化石油气体的压力容器设计储存量为：

表1.4液化石油气主要成分在50℃的密度Kg/m3

温度℃

丙烷

异丁烷

正丁烷

50

446

520

542

参考化工原理：

〔1.2〕

故设计存储量为：

W=øVρt=0.9×80×510=36720t〔1.3〕

1.5主要元件材料的选择

选用筒体材料为Q345R鞍座地脚螺栓均选用Q345R的材料

鞍座材料的选择

该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-19~50℃，按国家标准JB/T4712.1-2007选择鞍座材料为Q345R，使用温度为-20~250℃，许用应力为[σ]sa=185MPa。

根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择适宜的螺柱材料。

计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。

选择螺栓材料为Q345R。

第二章容器的结构设计

筒体和封头的设计

对于承受内压，且设计压力Pc=1.77MPa<4MPa的压力容器，根据?

化工工艺设计手册?

常用设备系列，采用卧式椭圆形封头容器。

2.1.1筒体设计

查GB150-1998为了有效的提高筒体的刚性，一般取L/D=3~6，为方便设计，此处取

L/D=4〔2.1〕

〔2.2〕

由〔2.1〕〔2.2〕连解得：

D=3000mm

查标准JB/T4746-2002?

钢制压力容器用封头?

中表B.1EHA椭圆形封头内外表积、容积得：

表2.1EHA椭圆形封头内外表积、容积

公称直径DN/mm

总深度H/mm

内外表积A/

容积

/

3000

790

10.1329

3.8170

图2.1椭圆形封头

由2V

+

L/4=V=80（2.3）

得L=11000mm

那么L/D=3.67>3（2.4）

符合要求。

那么v计=v筒+2×v封=

L/4+2×v封=87.63m3〔2.5〕

根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性，存放温度为-19~50℃，最高工作压力等条件。

根据GB150-2021表4.1，选用筒体材料为低合金钢Q345R〔钢材标准为GB713〕选用Q345R为筒体材料，适用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性，壁厚较大〔≥8mm〕的压力容器。

Q345R钢板,根据GB150，初选厚度为6~20mm，最低冲击试验温度为-20℃，热轧处理，[σ]=185Mpa;面焊接；钢板负偏差由?

化工设备机械根底?

表14.5查得：

腐蚀裕量由GB150.1-4-2021查得：

考虑容器运输和安装过程中的稳定性，壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：

a〕对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm；

b〕对高合金钢制容器，一般应不小于2mm。

本筒体材料Q345R为碳素钢

那么壁厚附加量C=0.8+3=3.8mm。

〔2.6〕

根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性，存放温度为-20~48℃，最高工作压力等条件。

根据GB150-1998表4.1，选用筒体材料为低合金钢Q345R，适用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性，壁厚较大〔≥8mm〕的压力容器。

根据GB150，初选厚度为6~25mm，最低冲击试验温度为-20℃，热轧处理。

由GB150附录B中的式〔B.1〕可知筒体的计算公式为：

〔2.7〕

〔2.8）

对Q345R，钢板负偏差

可取名义厚度

根据GB150封头厚度计算公式〔5.1〕可知：

〔2.9〕

（2.10）

对Q345R，钢板负偏差

为便于取材可取封头名义厚度

第三章零部件确实定

液化石油气储罐应设置排污口，出液口，进液口，人孔，液位计口，温度计口，压力表口，平安阀口，排空口等。

图3.1液化石油气储罐结构图

查?

压力容器与化工设备实用手册?

，因筒体长度11000mm>6000mm，需开两个人孔，选回转盖带颈平焊法兰人孔。

由使用地为室外，确定人孔的公称直径DN=500mm，以方便工作人员的进入检修。

配套法兰与上面的法兰类型相同，根据HG/T21518-2005回转盖带颈平焊法兰人孔，查表3.1，由PN=2.5MPa选用凹凸面的密封形式MFM，采用8.8级35CrMoA等长双头螺柱连接。

其明细尺寸见表3.1：

表3.1人孔尺寸表单位：

mm

密封面型式

凹凸面MFM

D

730

43

30

公称压力PN/MPa

2.5

660

48

螺柱数量

20

公称直径DN

500

280

A

405

螺母数量

40

123

B

200

螺柱尺寸

M33x2x170

d

506

b

44

L

300

总质量

302

图3.2回转盖带颈平焊法兰人孔

3.1.2接管和法兰

根据设计压力PN=1.77MPa，查HG/T20592-97?

钢制管法兰?

，选用PN=2.5MPa板式平焊钢制管法兰（PL），由介质特性和使用工况，查密封面型式的选用。

选择密封面型式为平面，压力等级为1.0~4.0MPa，接管法兰材料选用Q345R。

根据各接管公称通径，查得各法兰的尺寸如下表3.2：

图3.3板式平焊钢制管法兰

表3.2接管及法兰尺寸

序号

名称

公称通径DN

钢管外径

B

连接尺寸

法兰厚度C

法兰高度H

法兰颈

法内兰径B1

坡口宽度b

法兰理论质量

Kg

法兰

外径

D

D

螺栓孔中心圆直径K

螺栓孔直径

L

螺栓孔数量

n

螺栓通径

a

液位计口

32

38

140

100

18

8

M16

18

30

60

39

5

2.02

b

放气管

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

c

平安阀口

80

89

200

160

18

8

M16

4

40

118

91

6

4.86

d

排污口

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

e

液相出口

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

f

液相回流管

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

g

液相进口

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

h

气相管

80

89

200

160

18

8

M16

24

40

118

91

6

4.86

i

压力表口

20

25

105

75

14

4

M12

16

26

45

26

4

1.03

j

温度计口

20

25

105

75

14

4

M12

16

26

45

26

4

1.03

3.1.3垫片

查HG/T20592-20635-2021?

钢制管法兰、垫片、紧固件?

，知板式平焊钢制法兰的尺寸，根据设计压力为Pc=1.77MPa，采用金属包覆垫片，选择法兰的密封面均采用平面密封。

金属材料为纯铝板L3，标准为GB/T3880，最高工作温度200℃，最大硬度40HB。

填充材料为非石棉纤维橡胶板，代号为NAS，最高工作温度为290℃。

得对应垫片尺寸如表3.3：

图3.4平面型垫片

表3.3垫片尺寸

符号

管口名称

公称直径DN（mm）

内径

D1（mm）

外径

D2（mm）

厚度

δ（mm）

a

液位计口

32

61.5

82

3

b

放气管

80

109.5

142

3

c

平安阀

80

109.5

142

3

d

排污口

80

109.5

142

3

e

液相出口

80

109.5

142

3

f

液相回流管

80

109.5

142

3

g

液相进口

80

109.5

142

3

h

气相管口

80

109.5

142

3

i

压力表

20

45.5

61

3

j

温度计

20

45.5

61

3

3.1.4螺栓〔螺柱〕的选择

根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择适宜的螺柱材料。

计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。

选择螺栓材料为Q345R。

查HG/T20592-20635-200?

钢制管法兰、垫片、紧固件?

得螺柱的长度和平垫圈尺寸,如下表3.4：

表3.4螺栓尺寸

符号

管口名称

公称直径（mm）

螺纹

螺柱长（mm）

a

液位计口

32

M16

85

b

放气管

80

M16

100

c

平安阀

80

M16

100

d

排污口

80

M16

100

e

液相出口

80

M16

100

f

液相回流管

80

M16

100

g

液相进口

80

M16

100

h

气相管口

80

M16

100

i

压力表口

20

M12

80

j

温度计

20

M12

80

图3.5双头螺柱

图3.6螺母

根据容器的工作温度-19~50℃，设计压力Pc=1.77MPa，介质密度

查?

化工容器及设备设计简明手册?

，玻璃管液面计适用工作工作压力小于1.6MPa，并不满足工作的需求，所以选用价格稍高的磁性液面计，根据测量范围300~10000mm，工作压力：

〔高压型〕，介质温度：

〔标准型〕-20~150℃，介质密度

，选择了L5770T顶装式的磁性液面计。

根据法兰标准和液面计的型号标准综合考虑，选用公称直径为φ32的液面计，其接管法兰也用公称直径为φ32的平面法兰，其尺寸与压力表连接法兰一致。

图3.7磁性液面计

设计

该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-19~50℃按JB/T4731-2005表5.1选择鞍座材料为Q345R，许用应力为[σ]sa=185MPa。

估算鞍座的负荷：

计算储罐总重量m=m1+2m2+m3+m4。

其中：

m1为筒体质量：

对于Q345R普通碳素钢，取ρ=7.85×103kg/m3

∴m1=πDLδ×ρ=π×3×11×20×103×7.85×103=16268.34kg（3.1）

m2为单个封头的质量：

查标准JB/T4746-2002?

钢制压力容器用封头?

中标B.2EHA椭圆形封头质量，可知m2=πDLδ×ρ=1564.1kg（3.2）

m3为充液质量：

ρ液化石油气<ρ水

故m3〔max〕=ρ水×V=1000×V=1000×80=80000kg（3.3）

m4为附件质量：

选取人孔后，查得人孔质量为331kg，其他接管质量总和估为400kg。

综上述：

总质量m=m1+2m2+m3+m4=16268.34+2×1564.1+80000+331×2+400=100458.54kg。

（3.4）

∴每个鞍座承受的重量为G/2=mg/2=（100458.54×9.8）/2=492.25kN。

（3.5）

由此查JB4712.1-2007容器支座。

选取轻型，焊制A，包角为120°，有垫板的鞍座.，筋板数为6。

查JB4712.1-2007表得鞍座尺寸如表3.6，示意图如下列图3.7：

表3.6鞍座支座结构尺寸

公称直径

DN

3000

腹板

δ2

10

垫板

b4

660

允许载荷

Q/kN

785

筋板

l3

340

δ4

12

鞍座高度

h

250

b2

316

e

120

底板

l1

2180

b3

410

螺栓间距

l2

1940

b1

360

δ3

10

螺孔/孔长

D/l

28/60

δ1

16

弧长

3490

重量

kg

462

图3.8鞍座

3.2.2鞍座位置确实定

因为当外伸长度A=0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A不超过0.2L值，为此中国现行标准JB4731?

钢制卧式容器?

规定A≤0.2L=0.2〔L+2h〕，A最大不超过0.25L.否那么由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。

由标准椭圆封头

（3.6）

有h=H-Di/4=790-3000/4=40mm（3.7）

故A≤0.2（L+2h）=0.2（11000+2×40）=2216mm（3.8）

由于接管比拟多，所以固定支座位于储罐接管较多的左端。

此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部的