卧式液氯储罐设计方案

- 1 - 卧式液氯储罐设计方案 第一章 绪论 务说明 设计一个容积 40m的液氯储罐，采用常规设计方法，综合考虑液氯性质、所在环境等条件并参考相关标准，分别对储罐进行工艺设计、结构设计、设备强度计算，得出储罐的筒体、封头、鞍座、人孔和接管的尺寸，然后用 核软件对其进行强度校核，最终形成合理的设计方案。 氯性质 液氯化学名称液态氯，为黄绿色液体，沸点 溶点 在常压下即气化成气体，吸入人体能严重中毒， 有剧烈刺激作用和腐蚀性，在日光下与其它易燃气 体混合时发生燃烧和爆炸，氯是很活泼的元素，可 以和大多数元素（或化合物）起反应。 危害特性：液氯不会燃烧，但可助燃。一般可燃物大都能在氯气中燃烧，一般易燃气体或蒸汽也都能与氯气形成爆炸性混合物。氯气能与许多化学品如乙炔、松节油、乙醚、氨、燃料气、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应发生爆炸或生成爆炸性物质。它几乎对金属和非金属都有腐蚀作用。 - 2 - 第二章 工艺参数 备的初步选型及轮廓尺寸 根据化工工艺设计手册，目前常温压力储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐，其中圆筒形储罐加工制 造安装简单，安装费用少，金属耗量大占地面积大，多以在总储存量小于 500 单罐容积小于1000 时选用圆筒形储罐比较经济。 计温度 设计温度的定义为：容器在正常工作情况下，所设定元件的金属温度，即金属截面的平均温度。当元件金属温度不低于 0时，设计温度不得低于元件可能达到的最高温度 ;当元件金属温度低于 0时，其值不得高于元件金属可能达到的最高温度。根据 45的工作温度，再考虑温度的波动，外界环境的变化等因素，我们将设计最高温度定为50 ,设计最低温度定为 力容器的设计存储量 W=中： t t/ - 3 - 第三章 结构设计 料选择 根据液氯的特性以及材料的综合机械性能和使用的经济型，选择为筒体材料。 50时的许用应力 t =170 计条件 表 2计条件表 项目 内容 工作介质 液氯 工作压力 计压力 作温度 8 设计温度 50 公称容积 0 计算容积 作容积 量系数 质密度 t/ 质 称直径 400 其他要求 100无损检测 - 4 - 接结构系数 氯气是一种极度危害的戒指，对人的皮肤，呼吸道有害，甚至心力衰竭 而死亡，液氯属于高度危害介质，必须采用双面对接接头并采用 100%无损检测，焊接接头系数取 =1。 高工作压力的确定 设计压力为容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，而最高工作压力指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。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，设计压力不得低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的 。我们取为最高工作压力的 计算压力是指在相应的设计温度下，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。一般情况 下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当元件所承受的液柱静压力小于 5%设计时，可忽略不计。 (锅炉压力容器安全 ) t=50时 ,根据压力容器介质手册可得液氯的密度是 和蒸汽压气压 计压力 P= =柱静压力 = 314 3范围内，符合要求。 公称直径计算容积为 工作容积为 封头尺寸公称直径 400H=640边段圆筒长为 h=640=40 筒厚度的设计 查 力容器中 2，可得：在设计温度 50 下， 屈 服 极限强度 490用应力 t 125 181 235s - 6 - 利用中径公式计算厚度： 40 (查 教材 锅炉压力容器安全 知，钢板厚度负偏差为 有 可 知，当钢 材的厚度负偏差不大于 不超过名义厚度的 6%时，负偏差可以忽略不计，故取1 0C 。 查标准 制化工容器设计基础规定 可 知 ,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量2 设计 取2=2筒体的设计厚度 (圆整后，取名义厚度6筒体的有效厚度221 (头的设计 由 得，总深 H=640头容积V=内表面积 =+4=40V,代入参数得 L=8404圆整至 8500算容积 4 L+2 V=工作容积 8.2 L/600/2400=，在 3范围内，符合要求。 公称直径计算容积为 工作容积为 封头尺寸公称直径 400H=640边段圆筒长为 h=640=40 管和接管法兰设计 管 - 7 - 由化工工艺设计手 册第四版可知，所需的各接管的公称尺寸如下表。 接管代号 公称尺寸 连接尺寸标准 连接面形式 用途或名称 a 凸面 氯进口管 b 凸面（ 安全阀接口 c 凹凸面（ 人 孔 d 凸面（ 空气进口管 e 凸面（ 空气出口管 f 凸面（ 压力表接口 g 凸面（ 液位计接口 h 凸面（ 液氯 出口管 k 凸面（ 排污口 兰与法兰垫片 （ 1）、法兰 法兰形式：带颈对焊 ( 榫槽密封（ 材料： 20（ 其型号为 0592 法兰 0)345R 0592 法兰 0)345R 0592 法兰 00) 兰尺寸如下表 表公称通钢管外径 连接尺寸 法兰厚度法兰颈 法兰高度H - 8 - 径1 法兰外径D 螺栓孔中心圆直径 K 螺栓孔直径L 螺栓孔数量 n 螺纹 N S B 80 89 200 160 18 8 0 110 0 6 50 100 108 220 180 18 8 2 130 2 6 52 25 32 115 85 14 4 6 46 4 40 (二 )垫片 材料 石棉橡胶板 代号 准 3985） 根据设计压力选择钢制管法兰用非金属垫片，使用与 20592 所规定的公称压力 管法兰。（ 20606 垫片型号如下： 20606片 0) G/片 0) G/片 00) 片尺寸如下表 榫槽面法兰用 垫片尺寸 公称直径 DN(垫片内径 D1(垫片外径 D2(垫片厚度 T(20 36 50 0 106 120 00 129 149 - 9 - 孔、垫片、液面计、压力表、安全阀、温度计结构设计 孔 人孔：选用水平吊盖带颈平焊法兰人孔（ T 21523密封形式： 凹凸面（ （见图 2称直径 500孔质量： 232型号为 人孔 T 21523片 垫片选聚四氟乙烯包覆垫 ,折包型（ ,公称通径 其型号为 四氟包覆垫 液面计 由于容器工作温度为 45，选择磁性液位计，其允许工作温度为 300。（ 21584L=800面（ M），结构形式见图 2 其型号为 21584Z F 304/C 力表 由于盛装液氯，混入的少量水分会导致介质的腐蚀性，故选用适用于测量具有一定腐蚀性，非凝固或非结晶的各种流体介质的压力或负压的膜片压力表。 - 10 - 选择型号为 150 安全阀 安全阀选用 用于腐蚀性介质，公称压力 称直径 座结构设 计 103 kg/筒体的质量 V = = 103 =存液氯的质量 氯 个封头质量 件质量 500重 G=( 2g=个鞍座承受的重量 G =2G=据 用载荷 41020包角，具体数据见下 公称直径座高度 h 底板 腹板 筋板 1l 1 2 b 3b 3 2400 250 1720 240 14 10 265 208 290 8 公称直径板 螺栓连接尺寸 鞍座质量加100度增加的质量 长 4b 4 e 间距2l 螺孔d 螺纹M 孔长 l 2400 2800 500 10 100 1520 24 0 234 23 - 11 - 鞍座位置 通常取尺寸 A 不超过 ，中国现行标准 731钢制卧式容器规定 A L+2h）， A 最大不超过 A 于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可 充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此， 731 还规定当满足 A ，应尽量使 A A 上，取 A=600=8600600400接接头设计 容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝、融合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的形式和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全。 回转壳体与封头的焊接接头采用对接接头，坡口形式选 X 型，结构尺寸如下表 带补强圈的接管筒体焊接结头采用角接结构，坡口为 E 型 16 a 60 b 2 p 3 - 12 - 孔补强计算 根据 设计压力小于或等于 壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的 接管公称外径不大于 89管厚度满足要求，不另行补强。 1、补强及补强方法判别 补强计算方法判别 开孔直径 D=C=500+4=504孔直径 D 小于 =1200足等面积法开孔补强 计算的使用条件，故可 以用等面积法进行开孔补强计算。 2、开孔所需补强面积 先计算强度削弱系数 t n/ t =管有效厚度为 0孔补强所需面积按下式计算 A = d 2 (1 )re t f =508 6 (、有效补强范围 (1)有效宽度 B B=2 508=1016=508+16+14+2 10=558大值为 B=10162)有效高度 外侧有效高度按下式确定 1 5 0 8 7 1 . 2 7 mm 20小值 ， 即 - 13 - 内侧有效高度 下式确定 2 5 0 8 7 1 . 2 7 mm 4、有效补强面积 (1)筒体多余金属面积 筒体有效厚度 e=62体多余金属面积 下式计算 21(2)接管多余金属面积 接管计算厚度 1 . 4 6 6 5 0 0 2 . 6 92 2 1 3 7 1 1 . 4 6 6tP c D i 管多余金属面积 下式计算 353)接管区焊缝面积（焊脚取 (4)有效补强面积 1+3=35+36=5)所需另行补强面积 采用补强圈补强。 (6)补强圈设计 根据接管公称直径 补强圈，参照补强圈标准 4736 选取补强圈外径 D=840径 34中， B=101636以补强圈在有效补强范围内。 补强圈厚度为 = 4 1 0 . 6 91A ，圆整到公称厚度 14强圈质量为 - 14 - 第五章 应力校核 体的校核 计算条件 筒体简图 计算压力 设计温度 t C 内径 材料 火 ) ( 板材 ) 试验温度许用应力 设计温度许用应力 t 试 验温度下屈服点 s 钢板负偏差 腐蚀裕量 焊接接头系数 厚度及重量计算 计算厚度 = P it =效厚度 e =n - 2=12 义厚度 n = 16 量 g 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 t = 力试验允许通过 的应力水平 T T s = 验压力下 圆筒的应力 T = p DT i ). 2 = 核条件 T T 校核结果 合格 压力及应力计算 最大允许工作压力 2 e ti e ( )D = 计温度下计算应 力 t = P Dc i )2 = t 核条件 t t 结论 合格 - 15 - 压椭圆封头校核 内压椭圆封头校核 计算单位 计算条件 椭圆封头简图 计算压力 设计温度 t C 内径 曲面高度 材料 16火 ) (板材 ) 试验温度许用应力 设计温度许用应力 t 钢板负偏差 腐蚀裕量 焊接接头系数 厚度及重量计算 形状系数 K = 16 2 2 2 算厚度 = c 5 . = 效厚度 e =n - 2= 小厚度 义厚度 n = 论 满足最小厚度要求 重量 力 计 算 最大允许工作压力 2 0 5 . t ei 2 论 合格 - 16 - 封头计算 右封头计算 计算单位 计算条件 椭圆封头简图 计算压力 设计温度 t C 内径 曲面高度 材料 火 ) (板材 ) 试验温度 许用应力 设计温度许用应力 t 钢板负偏差 腐蚀裕量 焊接接头系数 厚度及重量计算 形状系数 K = 16 2 2 2 算厚度 = c 5 . = 效厚度 e =n - 2= 小厚度 义厚度 n = 论 满足最小厚度要求 重量 力 计 算 最大允许工作压力 2 0 5 . t ei 论 合格 - 17 - 室容器（双鞍座）计算 卧式容器（双鞍座） 计算单位 计 算 条 件 简 图 计算压力 设计温度 t 50 圆筒材料 鞍座材料 圆筒 材料常温许用应力 163 圆筒材料设计温度下许用应力 t 163 圆筒材料常温屈服点 325 鞍座材料许用应力 70 作时物料密度 O562.8 kg/压试验介质密度 T 1000 kg/筒内直径 400 筒名义厚度 筒厚度附加量 C 2 筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 19 头厚度附加量 封头切线间距离 L 8530 座垫板名义厚度 12 座垫板有效厚度 12 座 轴向宽度 b 240 座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A 620 头曲面高度 40 验压力 座高度 H 250 - 18 - 腹板与筋板 (小端 )组合截面积 58324 板与筋板 (小端 )组合截面断面系数 6 震烈度 0 配管轴向分力 圆筒平均半径 1209.5 料充装系数 o支 座 反 力 计 算 圆筒质量 (两切线间 ) 头质量 (曲面部分 ) 件质量 365 头 容积 (曲面部分 ) 9 器容积 (两切线间 ) V = 0 器内充液质量 工作时 , m V = 42207.9 热层质量 0 质量 工作时 , 54321 2 力试验时 , 5 4321 2 位长度载荷 q h 43 qm gL F 1 265579 F F F m a x , 265579 N 筒 体 弯 矩 计 算 圆筒中间处截 面上的弯矩 工作时 341/21422218 压力试验 1422218 N - 19 - 开孔补强计算 计算单位 接 管 : 25 3 计 算 方 法 : 面 积 补 强 法 , 单 孔 设 计 条 件 简 图 计算压力 设计温度 50 壳体型式 圆形筒体 壳体材料 名称及类型 材 壳体开孔处焊接接头系数 壳体内直径 400 壳体开孔处名义厚度 n 19 壳体厚度负偏差 壳体腐蚀裕量 壳 体 材 料 许 用 应 力 t 170 椭圆形封头长短之比 2 接管实际外伸长度 100 接管实际内伸长度 10 管材料 20g(正火 ) 接管焊接接头系数 2 名称及类型 管材 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 强圈外径 50 强圈厚度 10 管厚度负偏差 强圈厚度负偏差 0 管材料许用应力 t 163 强圈许用应力 t 170 孔 补 强 计 算 壳体计算厚度 管计算厚度 t 孔直径 d 77.5 强区有效宽度 B 155 管有效外伸长度 管有效内伸长度 孔削弱所需的补强面积A 974.7 体多余金属面积 管多余金属面积 33.8 强区内的焊缝面积 6 1+3=1212 ，小于 A，需另加补强。 补强圈面积 -(2+论 : 补强满足要求。 - 20 - 第六章 液氯储罐的安全管理 害因素的分析 通过对氯气的危险特性进行分析，可以得出该厂 生产储存 的液氯具有以下危险、危害因素： （ 1）火灾、爆炸：氯气本身不可燃，但可助长其他物质燃烧。氯气能与许多化学品 如乙炔、松节油、乙醚、氨、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应，在使用中如果与这些类物质接触就可能引发火灾或爆炸。 （ 2）毒性危害：氯气属于危险化学品第 储罐 漏损时，在空气中可迅速达到有害浓度，人员接触时会对眼睛、皮肤、呼吸道有较强刺激性，吸入可引起肺炎、肺水肿，可导致反应性呼吸道障碍综合症。液体泄露在空气中可迅速蒸发而引起冻伤，人员高于职业接触限值接触可导致死亡 ， 长期接触对牙齿等 也 可能有 不良 影响。 （ 3）腐蚀性危害：其水溶液是一种强酸，对人体皮肤、金属等物品均具有腐蚀作用。 因此，如果液氯储存场所不合格，储存、管理不善，与禁忌物品混放等，发生泄露时，有造成火灾、爆炸、中毒窒息及 对 物品造成腐蚀危险。 生产过程中的危险性分析 ： 火灾、爆炸危险性 ： 爆炸是物质的一种非常急剧的物理、化学变化，也是大量能量在短时间内迅速释放或急剧转化成机械能的现象。因此，其破坏作用严重，危险性极大，应引起高度重视。该厂在正常生产时，液氯在密闭的容器和管道中运行。一旦泄露，使用和贮存液氯的场所附近若有可燃物、易燃物存在，遇明火有可能会引发火灾、爆炸的事故。液氯 储罐 和管道有缺陷、有裂纹、 储罐 及附件损坏、腐 蚀破损、高温（受热、加热、阳光暴晒等）、超压等也会发生物理爆炸（如 罐体 破裂等）；储罐 受到撞击或从高处坠落也会发生爆炸； 储罐 内可能含有三氯化氮，其会富积在储罐 底部，当达到一定浓度时，遇热或震动等因素就会发生爆炸。 - 21 - 泄漏中毒危险性 ： 该场所在使用和贮存液氯的过程中， 若 管理上疏忽或操作不慎、设备缺陷等，都有可能造成液氯泄漏。一旦大量泄漏，就会使周围人员中毒或环境遭到严重破坏。所以应特别注意，严防泄漏。 起重伤害 ： 为了方便液氯的装卸、搬运，该场所使用 载 重量为 2车 ，根据特种设备安全监察条例该设备为特种设备。按 照有关规定 载 重设备本身制造质量应良好，材料坚固，具有足够的强度而且没有明显的缺陷，必须进行检验检测以保证其完好性，在使用中应严格遵守 装载 设备操作规程。该 载重 设备在使用过程中，如果 装载 不当、操作失误、 液氯泄露 、注意力不集中，极有可能造成起重伤害事故。 电气伤害 ： 该场所运行中使用有部分电气设备，工艺管道上为防止水管被冻，还配有电加热设施，如果保护设施不完善或无保护，电气设备、设施漏电或操作人员误操作、误触带电体等，都有可能发生触电事故造成伤害。 力容器的危险、有害因素分析 压力容器液氯 储罐 以及 与其相连的管道属于压力容器，介质为有毒介质，所以一旦破坏其危害性极大。这不仅是由于容器本身破坏具有极大的威力，而且随之而来发生有毒介质外泄和扩散将导致火灾爆炸、中毒等事故。压力容器的破坏 应对措施如下 : 1、开、停车时注意应开、关的阀门和盲板的抽堵。 2、严格控制工艺指标，加强巡回检查，防止超温和局部过热。 3、定期校验安全附件，保证灵敏可靠。 4、加强压力容器的检验，及时发现壁厚减薄而仍在使用的 储罐 。 5、加强容器的维护保养的定期检测工作。 6、对于低温 储罐 要 加强检查，严格控制下限温度不得过低。 7、减少管道的振动，发现振动应立即加固。 8、从工艺上控制腐蚀介质，避免腐蚀产生。 9、对易腐蚀的部位加强定期监测。 10、加强巡回检查，发现容器泄漏应立即停车卸压检查。 - 22 - 11、对于处在较高温度下的工作设备，要采用抗蠕变的合金钢材料。 重大危险源辨识 ： 根据重大危险源辨识（ 规定，重大危险源的辨识依据是物质危险特性及其数量。辨识指标规定，单元内存在危险物质的数量等于或超过标准（ 规定 的临界量，即被定为重大危险源。单元内存在的危险物质为单一品种，则该物质的数量即为单元内危险物质的总量，若等于或超过相应的临界量，则定为重大危险源。液氯属于重大危险源辨识（ 的有毒物质，其临界量规定：生产场所为 10吨 ， 贮存场所为 25吨。该企业 生产 量大， 不过 都没有超过其生产场所的临界量，故不构成重大危险源。 事故后果分析评价 ： 有毒物质泄漏初期，其毒气形成气团密集在泄漏源周围，随后由于环境温度、地形、风力和湍流等影响气团飘移、扩散，扩散范围变大，浓度减小。在后果分析中，往往不考 虑毒物泄漏的初期情况，即工厂范围内的现场情况，而主要计算毒气气团在空气中飘移、扩散的范围、浓度、接触毒物的人数等。 害防护的措施 危险特性 ： 本品助燃，高