分离器设计说明书.docx

1、分离器设计说明书1绪论 12 设计选材及结构 32.1材料选择 32.2筒体及封头的选择 33设计计算 43.1确定罐体的工艺尺寸 43.2设计主要技术参数的确定 43.2.1设计压力 43.2.2设计温度 53.2.3厚度及厚度附加量 53.2.4焊接接头系数 73.2.5许用应力 73.3筒体厚度设计 83.4封头壁厚设计 103.5水压试验及强度校核 104附件的选择 124.1人孔的选择 124.2人孔补强的计算 134.2.1补强判别 144.2.2开孔所需补强面积 154.3补强圈的设计 174.4接管选择 174.5液面计的设计 184.6压力计的设计 194.7安全阀的设计 2

2、04.8容器支座的选择 204.8.1承载核算 214.8.2鞍座的选择 214.9密封装置的设计 224.10视镜的选择 244.11溢流堰板的设计 255筒体和封头的强度及稳定性校核 255.1筒体的弯矩 255.2剪力 265.3.筒体应力计算及校核 265.3.1圆筒轴向应力及校核 265.3.2筒体和封头切向应力及校核 285.3.3支座截面处圆筒体的周向应力及校核 296容器制造工艺 306.1下料 306.1.1 戈懺 306.1.2坡口加工 306.2成形 306.3纵缝施焊 306.4筒节复圆 336.5纵缝无损检测 346.6筒体组装 346.7筒节环缝施焊 346.8筒节

3、环缝无损检测 346.9划线开孔 346.10筒体封头总装 356.11设备附件组焊 356.12完工总检 356.13压力试验 35结论 37致谢 36参考文献 37附录 .381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

4、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。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

5、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-50 C- 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、

6、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

7、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50.0m 3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0.05MPa4工作温度40C5全容积50M36物料名称油水7装量系数0.82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/

8、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 Q235Bo2.2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1126页。常见容器凸形封头形式如下图示。图2

9、-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 。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

10、标准椭圆形封头的卧式 容器。根据化工设备标准手册标准 GB 9019-88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 GB 9019-88表1。表3-1筒体用钢板卷制时，容器的公称直径表3003504004505005506006507007508009001000110012001300140015001600170018001900200021002200230024002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000由于容器设计压力为0.25Mp

11、a,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=2.82 3.14 4 7.2 44.31m3封头体积V2 :经查表得到V2=3.12m3总体积 V : V V 2V2 44.31 2 3.12 50.55m3 Vs=50m3式中 Vs 设计容积，m3。所以取筒体：Di 2800 mm L=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

12、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

13、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 pc 0.25MPa可参阅文献1114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

14、 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-20 C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1114页。由于本设计的工作温度是 40 C,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

15、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 60 C。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=C 1+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（S d ）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

16、的厚度, 及标注在图样上的厚度。有效厚度（S e ）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 1115页图4-5。腐蚀裕坦G ； 一 Wfflggq-iJS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

17、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/T 3274GB/T 3280GB/T 4237GB/T 4238钢板厚度 5.5 7.5 7.5 25 25 30 30 34负偏差C10.60.80.91.0钢板厚度 34 40 40 50 50 60 60 80负偏差C11.11.21.31.8腐蚀余量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨

18、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G 0.8mm,C2 2mm，可参阅文献1115116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

19、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1116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

20、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 =0.853.2.5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

21、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1116117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t t tb s s D n? ? ? ?3.0 1.6 1.6 1.5 1.0奥氏体高合金钢b s( 0.2) s( 0.2) D n? ? ? ?3.0 1.5 1.5 1.5 1.03.3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

22、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 1.051.10倍。设计压力 p 1.1 0.25 0.275MPa故取设计压力 p 0.275MPa由于 5%p 0.05 0.275 0.014MPa液柱静压力 p gh 0.9 9.8 2800 0.025MPa 5% p所以 pc 0.025+0.275=0.3 MPa在设计温度60 C，估计筒体的厚度在616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 =0.85o根据GB150-2011标准，Q23

23、5B的特性如下：表3-5 Q235B 的许用应力表钢号板厚/伽在下列温度（C）下的许用应力/MPa20100150200250300Q235B3161161131089988811636116108102948275取 七日伽卩玄筒体厚度计算：由于 Pc 0.3MPa 0.4 t 0.4 115 0.85 39.1MPa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 G 0.8mm，平面腐裕量取C2 2mm。n C 4.3 2+0.8 7.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

24、选用n 8mm的Q235B钢板。可参阅文献1117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 。115 0.85 97.75MPa (3-2)t U0.3 2800 8 2.8 80.92MPa2e 2 8 2.8式中有效厚度，e= n C,；n 名义厚度，伽；C 厚度附加量，伽；MPa 。0.36MPa 0.25 MPat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t2 e 2 8 2.8 115 0.85Pw Di e 2800 8 2.8式中 Pw 圆筒的最大允许工作压力，MPa。满足条件。根据HG3154-1985-7

25、，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)28006.1548.79289093.4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C2 4.30 2 6.30 mm从制造和受力角度考虑,般与筒体厚度一致，取名义厚度n 8伽的Q235B钢板。椭圆形封头的最大允许工作压力按下式确定t2 e 2 8 2.8 115 0.85Di 0.5 e 1.0 2800 0.5 8 2.80.363MPa 0.25MPa(3-5)所以封头也符合设计

26、条件。可参阅文献1127页Q235B钢板的钢材屈服极限 s 235MPa , 在常温水压试验时的许用应力0.9 s 0.9 235 0.85 179.78MPaT 0.9 s，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

27、 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。容器上开设人孔规定当Di1000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/T 21516-20

28、05），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HGJ5053-91，垫片标准号为 HGJ6972-91，法兰盖标准HGJ6165-91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P

29、N/MP aDNdwsdDD1H1H2bb1b2Ado螺柱螺母螺柱总 质 量 kg数量直径长度突面53061032235M20(RF0.65006500460023062465202040115117型）54.2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