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40立方米液化石油气储罐设计解析

河北工程大学

《过程设备设计》

课程设计说明书

学院（系）:

装备制造学院

专

业：

过程装备与控制工程

班

级：

过控1101班

作

者：

李鑫

学

号:

110640108

指导教师：

段滋华、张喜亮、刘涛

日

期：

2014年7月1日

设计任务书

课程设计题目:

40m液化石油气储罐设计

课程设计要求及原始数据（资料）

课程设计要求：

1.使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。

2.广泛查询和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。

3.设计计算采用电算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。

4.工程图纸要求计算机绘图

5.毕业设计全部工作由学生本人独立完成。

原始数据:

设计条件表

序号

项目

数值

单位

备注

1

名称

液化石油气储罐

2

用途

液化石油气储备站

3

最高工作压力

MPa

由介质温度确定

4

工作温度

-20〜48

5

公称容积（Vg）

10

M3

6

工作压力波动情况

可不考虑

7

装量系数（©V）

0.90

8

工作介质

液化石油气（丙烷）

9

使用地点

邯郸市，室外

管口表

符号

公称规格

连接法兰标准

密封面

用途或名称

液位计口

放气管

人孔

安全阀口

排污口

液相进口

液相出口

气相口

压力表口

三、课程设计主要内容:

1.设备工业设计

2.设备结构设计

3.设备强度计算

4.计算条件编制

5.绘制设备总装配图

6.编制设计说明书

四、学生应交出的设计文件（论文）

1.设计说明书一份

2.

主要参考资料:

[1]

[2]

2009

[3]

[4]

[5]

[6]

总装配图一张（折合A1图纸一张）

国家质量计算监督局，GB150-1998《钢制压力容器》，中国标准出版社，1998

国家质量监督检验检疫总局，TSGR0004-2009《固定式压力容器安全计算监察规程》

全国化工设备设计技术中心站，《化工设备图样技术要求》，2000，,11

郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2010

黄振仁、魏新利，《过程装备成套技术设计设计指南》，化学工业出版社，2003

国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1996

10

第一章设备的工艺设计

第一节容器设计储存量得确定

第二节设备的初步选型及轮廓尺寸的确定

1.2.1设备的初步选型1.2.2设备轮廓尺寸的确定

第二章设备的机械设计

第一节设计条件的确定

2.1.1设计压力的确定2.1.2设计温度的确定2.1.3设计条件表

第二节设备的结构设计

3.5.1接管和法兰列表

3.5.2垫片的选择及尺寸列表

21

第六节人孔的选取

第七节开孔补强

3.7.1

补强及补强方法判别

21

3.7.2

开孔所需补强面积

22

3.7.3

有效补强范围

22

3.7.4

有效补强面积的计算

23

3.7.5

补强圈设计及尺寸确定

23

第八节鞍座选型和结构设计

24

3.8.1鞍座选型

24

3.8.2鞍座位置的确定

25

第九节焊接接头的设计

26

3.9.1筒体和封头的焊接

26

3.9.2人孔补强圈焊接形式

27

3.9.3焊接方法与材料

27

第四章强度校核

28

第一节设备详细尺寸

28

第二节筒体校核

29

第三节封头应力校核

30

第四节封头应力校核

26

第五节鞍座应力校核

32

第六节无补强圈处应力校核

44

第五章结束语

45

第六章参考文献

46

第一章设备的工艺设计

第一节容器设计储存量得确定

根据公式：

W=*V^t

式中，W—储存量，t；

0—装量系数;

Vg—压力容器公称容积，m3;

Pt—设计温度下饱和液体密度，t/m3;

其中*=0.9;Vg=40m3根据任务书取得，工作介质为液化石油气，取丙烷,

工作温度为-20P的密度；B=0.57t/m3（见表一）

故W=0.9>40X）.57=20.52t

根据物料的物理及化学性质，按最危险工况设计，取丙烯为液化石油气的主要成分。

表1-1丙烯饱和蒸汽压及饱和液密度

温度9

-20

20

40

50

饱和蒸汽压Bar

2.96

9.65

15.86

19.99

饱和液密度kg/升

0.57

0.515

0.475

0.45

第二节设备的初步选型及轮廓尺寸的确定

1.2.1设备的初步选型

对于承受内压的压力容器，根据化工工艺设计手册（下）常用设备系列，采用卧式椭圆形封头容器。

即主体结构采用卧室储罐，筒体采用圆柱形筒体，封头采用标准椭圆封头。

1.2.2设备轮廓尺寸的确定

（1）筒体尺寸确定

根据公式V=-dN1+2V封

4

式中，V—压力容器容积，

L—筒体长度，mm；

V封一封头体积，mm。

查GB150,为了有效的提高筒体的刚性，一般取L/Dn=3~6,为方便设计，此

处取L/D=4。

所以=40,

4

得D=2335mm圆整得D=2400mm

（2）圭寸头尺寸确定

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

表面积、容积得:

表1-2EHA椭圆形封头内表面积、容积

公称直径DN/mm

总深度H/mm

内表面积a/m2

容积V封/m3

2400

640

6.5453

1.9905

得L=7966mm圆整得L=8000mm

则L/D=8000/2400=3.33符合要求

23

则V实=2V封+9L/4=40.15m

（V实-V）/V=（40.15-40）/40=0.0375v5%符合要求

3

故工作体积Vw=40.15乂0.9=36.14m

第二章设备的机械设计

第一节设计条件的确定

2.1.1设计压力的确定

液化石油气的主要组成部分由于石油产地的不同，各地石油气组成成分也不同。

现以新疆克拉玛依油田所产液化石油气为标准，得其组分为：

表2-1液化石油气组成成分

组成成分

异辛烷

乙烷

丙烷

异丁烷

止丁烷

异戊烷

正戊烷

乙炔

百分比

0.01

2.25

49.3

23.48

21.96

3.79

1.19

0.02

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：

对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如下:

表2-2各温度下各组分的饱和蒸气压力

温度C

饱和蒸汽压力，MPa

异辛烷

乙烷

丙烷

异丁烷

止丁烷

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

有上述分压可计算再设计温度t=50C时，总的高和蒸汽压力

nz8

p="yipi=0.01%X0+2.25%X7+47.3%X1.744+23.48%X0.67+21.96%X

0.5+3.79%X0.2+1.19%X0.16+0.02%x0.0011=1.25901MPa

因为：

P异丁烷（0.2）vP液化气（1.25901）vP丙烷（1.744）

当液化石油气在50C时的饱和蒸汽压力高于异丁烷在50r时的饱和蒸汽压

力时，若无保冷设施，则取50r时丙烷的饱和蒸汽压力作为最高工作压力。

对于设置有安全泄放装置的储罐，设计压力应为1.05~1.1倍的最高工作压力。

所

以有PC=1.1X1.744=1.92MPa

2.1.2设计温度的确定

根据GB150第4.3.4条，容器在正常工作情况下，设定元件金属温度（沿元件金属截面的平均温度值）。

涉及温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。

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=50r,最低设计温度t=-25r。

根据储罐所处环境，最高温度为危险温度，所以选t=50r为设计温度。

2.1.3设计条件表

表2-3设计条件表

项目

内容

备注

工作介质

丙烯

液化石油气

工作压力MPa

1.744

设计压力MPa

1.92

工作温度乜

-20~48

设计温度乜

50

公称容积（Vg）m3

40

计算容积（V计）m3

40.15

工作容积（V工）m3

36.14

装量系数（磴）

0.9

介质密度（P）t/m3

0.57

材质

Q345R

保温要求

无

其它要求

无

材质：

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

-20~48C,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（钢材标准为GB6654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。

保温要求：

容器内物料温度随季节温度变化，工作压力为相应温度下的饱和蒸汽压，此储罐为常温压力储存，此类储存不设保温层。

第二节设备的结构设计

2.2.1筒体和封头的结构设计

筒体的内径在工艺计算中已经求出为2400mm,长度为8000mm。

JB/T4746----2002标准规定了以内径为公称直径的标准椭圆形封头的直边高

度只与公称直径有关：

当DN<2000mm时，直边高度为25mm；当DN>2000mm

时，直边高度为40mm。

封头参数：

取公称直径DN=2400mm，总深度H=640mm,内表面积A=6.5453m2，容积V封=1.9905m3,直边高度h=40mm。

封头图样参考图1-1椭圆形封头。

222筒体壁厚的计算

（1）壁厚附加量的计算

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-20~48C,

最高工作压力等条件。

根据GB150表4-1,选用筒体材料为低合金钢Q345R（钢材标准为GB6654）选用Q345R为筒体材料，适用于介质含有少量硫化物，具有

定腐蚀性，壁厚较大（》8mm）的压力容器。

Q345F钢板在-20Cs48E范围内的许用应力有《化工设备机械基础》表14-3

查取，根据GB150初选厚度为3-16mm最低冲击试验温度为-20C,热轧处理,

[（T]=189Mpa;面焊接；钢板负偏差由《化工设备机械基础》表14-5查：

C^G.Smm,腐蚀裕量由《化工设备机械基础》表14-6查得：

C^2mmo

则壁厚附加量C=0.3+2=2.3mm

（2）筒体壁厚计算

根据GB150对接焊缝全熔透，采用100%£损检测，故取焊缝系数取1.0。

J则，设计厚度悅=6+C2=12.25+2=14.25mm

对Q345R钢板负偏差C^0.3mm,可取名义厚度£=16mm。

223封头壁厚的计算

则，设计厚度6=6+C2=12.22+2=14.22mm

对Q345R钢板负偏差G=0.3mm,为便于取材可取封头名义厚度6=16mm

2.2.4压力试验校核

水压实验强度校核：

规定的实验压力由《化工设备机械基础》表14-7可知,

Pt=1.25P=1.25X1.92=2.4Mpa

水压实验时的应力:

Q345R钢制容器在常温水压实验时许可应力，查表知16mm冈板

=345MPa

J则，匕Log=0.9咒345=310.5MPa

因为S<0」，故筒体厚度满足水压实验时强度要求。

第三章设备附件及零部件的确定

第一节开孔分析与法兰选取

3.1.1开孔分析

液化石油气储罐应设置排气口，人孔，测温口，测压口，进料口，出料口,安全阀口，气相口，液位计口，排污口。

根据工艺设计，应使进出口、排污口、放空口满足同一工艺条件。

查《化工工艺手册》表25-5，液化石油气属于易燃易爆液体，选取开孔流速为u=0.8m/s，压缩空气流量^^2=12%。

假设液化石油气流量Qi=7.6xl0/mZ，

空气流量Q2=9.05>M0」my得，液化石油气进出口接管内径d^徑=0.0747m，

FsY砂

取d_,=80mm。

3.1.2法兰的选取

查《钢制管法兰、垫片、紧固件》HG20592-20635-97表6.0.2法兰类型与

密封面型式，按照公称压力由低到高的原则，首先选用板式平焊法兰（PL）,得

到如下表:

表3-1凸面板式平焊法兰密封数据

法兰类型

密封面型式

压力等级PN（MPa

板式平焊法兰（PL）

凸面（RF）

0.25-2.5

全平面（FF）

0.25-1.6

又根据上表和设计压力

Pc=1.92MPa应该选用公称压力为2.5MPa的凸面板

式平焊法兰（PL）。

图3-1凸面板式平焊法兰

第二节安全阀设计

液化石油气储罐的设计压力在1.6MPe以上，属于三类压力容器，必须设置

安全阀。

在安全阀的计算和选型时，首先确定防止设备超压所需的最大泄放量，然后根据最大泄放量计算安全阀的喷嘴面积，计算过程需要很多参数。

本文针对液化石油气的性质，参考《炼油技术与工程》第34卷第7期液化石油气储罐安全阀的工艺计算。

3.2.1安全阀最大泄放量的计算

一般情况下，液化石油气储罐不保温，储罐安全泄放量可按式计算:

2.55沢105FA；.82

q

q——液相液化石油气的蒸发潜热，

q=300（kJ/kg）（500C）

F――系数储罐在地面上，取F=1A――储罐的受热面积，m。

式中：

W――液化石油气储罐的安全泄放量，kg/h；kJ/kg；液化石油气的汽化潜热

为储罐外径；I为卧式储罐总长，单位均为

D0=Dj+2®=2.432m

I=L+2H+26=9.816m

A=^Do（l+O.3Do）=80.71m2

则叫=31124kg/h3.2.2安全阀喷嘴面积的计算

液化石油气储罐安全阀起跳排放出的是气体，其喷嘴面积可按一般气体安全

阀喷嘴面积通用公式计算，安全阀的排气能力决定于安全阀的喷嘴面积。

即根据安全阀出口压力（背压）的大小不同，安全阀的排气能力应按临界条件和亚临界条件两种状况进行计算:

式中：

P0——安全阀的出口侧压力（绝压），MPa

Ps――安全阀的定压，MPa

Pd――安全阀的排放压力（绝压），MPa取Pd=Pc=1.92

k――绝热系数，对于液化石油气，

k=1.15

（2）57=0.5744

k+1

液化石油气储罐安全阀放空气体一般排入火炬系统或直接高空排放，其出口

侧压力（背压）Po很小，即Po/PdV0.5744，因此安全阀的排气能力应该按临界条件计算，查《钢制压力容器》得对应的公式为：

式中:

Ws安全阀的排放能力，kg/h;

――安全阀的排放系数，与安全阀的结构型式有关，应根据试验数据确定,

全启式安全阀，取K=0.65;

A――安全阀的喷嘴面积，单位mm

C=520*占）（kg对于液化石油气，绝热指数k".15，计算得C=332

Z――安全阀进口处气体的压缩系数，液化石油气的压缩系数

Z27;

T――安全阀进口处介质的热力学温度，K;安全阀排放温度T=323〜343K。

取T=330K

M气体的摩尔质量，kg/kmol。

摩尔质量Ms：

50kg/kmol

Ws

所以得:

A>5r=2124.5mm

7.6x105PdJM/ZT

得出安全阀喷嘴面积为

最后得出安全阀的内径d^48.9mm323安全阀的选型

查《化工管路手册》上册444页，（九）安全阀，1各种安全阀的产品名称、

型号、技术数据，根据介质为石油气，发现无公称压力为2.5MPa勺安全阀，所以

选用公称压力为4.0Mpa的安全阀,型号为A40Y-40A40Y-40I，其尺寸参数如下表:

324.安全阀法兰的确定

查HG5016-58知安全阀进口法兰的型号为凹凸面对焊法兰，其尺寸参数如下:

表3-3安全阀法兰数据

公称直径：

80管子外径：

89

法兰

重量

双头螺栓

橡胶石棉垫

D

Di

D2

D4

D6

b

h

凸面

凹面

数

量

直径/长

度

外

径

内

径

厚度

195

160

138

120

121

24

58

5.02

4.64

8

M16X85

120

90

1.5

第三节压力表及其连接件的确定

取其在筒体上的开孔序号为C,根据《压力表选型手册》和经济耐用型原则,首先选用通用型压力表，又由于工作地点在室外，容易腐蚀，所以选择全不锈钢压力表。

故最后确定选用Y-B系列的全不锈钢压力表。

其外形尺寸系列如下，根据尺寸表和压力值，应选择Y-100B,连接压力表的法兰外形图如下：

图3-2压力表法兰

表3-3压力表安全阀数据

代号

量程

（Mpa

法兰标准代

号

凸面法兰尺寸

D

K

d

f

L

C

B

MF

4

2.5-4.0DIN

115

85

65

3

M12

26

25

根据法兰的内径，和强度要求，选择接管©32X8,其强度校核将在后面给出。

第四节液位计及其连接件的确定

根据容器的工作温度-20~48C,设计压力Pc=1.92MPa介质密度

P=510kg/m3,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）<4.0MPa,介质温度：

（标准型）-20C-150C,介质密度P>450kg/m3，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©32的液面

计，其接管法兰也用公称直径为©32的凹凸面法兰，其尺寸与压力表连接法兰一致。

第五节接管，法兰，垫片和螺栓的选择

3.5.1接管和法兰列表接管数据如表3-4（除人孔）：

表3-4接管详细数据

序号

名称

公称

直径

管子外径

数量

管口伸

出量

管子

壁厚

A

排气口管

80

89

1

150

4

C

测温口接管

32

38

1

100

3

D

测压口接管

32

38

1

100

3

E

进料口管

80

89

1

150

4

F

安全阀接管

80

89

1

150

4

G

气相口管

80

89

1

150

4

H1-2

液位计接管

32

38

2

100

3

J1-2

排污口接管

80

89

2

150

4

K

出料口

80

89

1

150

4

法兰数据如表3-5（除人孔）：

本页法兰数据

3.5.2垫片的选择及尺寸列表

根据介质为液化石油气、公称压力为2.5MPa、工作温度为500OC以及密封面为凸面得出垫片的形式可以选用缠绕垫、柔性石墨复合垫，其材料可以选用

0Cr13、钢带-石棉板、石墨-0Cr13等骨架。

图3-3凹凸面型垫片

P,

表3-6垫片尺寸

符号

管口名称

公称直径

CN（mm）

内径

D（mm）

外径

C2（mm）

厚度

5（mm）

A

排气口管

80

120

142

3

C

测温口接管

32

61.5

82

3

D

测压口接管

32

61.5

82

3

E

进料口管

80

120

142

3

F

安全阀接管

80

120

142

3

G

气相口管

80

120

142

3

H1-2

液位计接管

32

61.5

82

3

J1-2

排污口接管

80

61.5

82

3

K

出料口接管

80

61.5

82

3

3.5.3螺栓（螺柱）的选择及尺寸列表

的长度和平垫圈尺寸:

表3-7螺栓及垫圈尺寸

名

称

管口名称

公称直径

螺纹

螺柱长

紧固件用平垫圈mm

d1

d2

h

A

排气口管

80

M16

85

17

30

3

C

测温口接管

32

M16

100

17

30

3

D

测压口接管

32

M16

100

17

30

3

E

进料口管

80

M16

100

17

30

3

F

安全阀接管

80

M16

100

17

30

3

G

气相口管

80

M16

100

17

30

3

H1-2

液位计接管

32

M10

85

17

30

3

J1-2

排污口接管

80

M16

85

17

30

3

K

出料口接管

80

M16

85

17

30

3

第六节人孔的选取

查《压力容器与化工设备实用手册》，因筒体长度7600mm>6000mmS开两个人孔，选回转盖带颈平焊法兰人孔。

由使用地为邯郸市室外，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。

其明细尺寸见下表:

表3-8人孔尺寸表单位：

mm

密封面型式

凹凸面mfm

D

730

b,

43

d0

30

公称压力MP