液化石油气储罐毕业设计2

1、机械设计设计说明书目录绪论. .2第一章 设计参数的选择1.1 设计题目. .31.2 原始数据. .31.3 设计压力. .31.4 设计温度. .31.5 主要元件材料的选择. .3第二章 容器的结构设计2.1 圆筒厚度的设计. .42.2 封头壁厚的设计. .42.3 筒体和封头的结构设计. .52.4 人孔的选择. .62.5 接管，法兰，垫片和螺栓（柱）. .62.6 鞍座选型和结构设计. .9第三章 开孔补强设计3.1 补强方法判别 . .113.2 有效补强范围. .113.3 有效补强面积. .123.4 补强面积. .12第四章 强度计算4.1 水压试验校核. .134.2

2、圆筒轴向弯矩计算. .134.3 圆筒轴向应力计算并校核. .144.4 切向剪应力的计算及校核. .154.5 圆筒周向应力的计算和校核. .164.6 鞍座应力计算并校核. .184.7地震引起的地脚螺栓应力. .20附录:参考文献. .22绪论液化石油气贮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, 因此在设计这种贮罐时, 要注意与一般气体贮罐的不同点, 尤其是安全与防火, 还要注意在制造、安装等方面的特点。目前我国普遍采用常温压力贮罐, 常温贮罐一般有两种形式: 球形贮罐和圆筒形贮罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 前者具有投资少, 金属耗量少, 占地面积少等优点, 但加

3、工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高。一般贮存总量大于500m 3或单罐容积大于200m 3时选用球形贮罐比较经济; 而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总贮量小于500m 3, 单罐容积小于100m 3时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式。本文主要讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐的设计。液化石油气呈液态时的特点。(1) 容积膨胀系数比汽油、煤油以及水等都大, 约为水的16倍, 因此, 往槽车、贮罐以

4、及钢瓶充灌时要严格控制灌装量, 以确保安全;(2) 容重约为水的一半。因为液化石油气是由多种碳氢化合物组成的, 所以液化石油气的液态比重即为各组成成份的平均比重, 如在常温20时, 液态丙烷的比重为0. 50, 液态丁烷的比重为0. 56 0. 58, 因此, 液化石油气的液态比重大体可认为在0. 51左右, 即为水的一半。卧式液化石油气贮罐设计的特点。卧式液化石油气贮罐也是一个储存压力容器, 也应按GB150钢制压力容器进行制造、试验和验收; 并接受劳动部颁发压力容器安全技术监察规程(简称容规) 的监督。液化石油气贮罐, 不论是卧式还是球罐都属第三类压力容器。贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座

5、以及各种接管组成。贮罐上设有液相管、液相回液管、气相管、排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等。第一章 设计基础承受介质静压力作用的密闭容器统称为压力容器。压力容器设计的一般过程为：按用户提供的设计条件图确定压力容器的设计参数，选择合适材料，按相关标准进行结构设计并进行强度校核，最后出具设计图纸，计算文件及说明文件。对一个刚进行压力容器设计人员来说，还应了解以下一些内容。1.1 压力容器标准体系序号标准号标准名称1压力容器安全技术监察规程90版2TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程3GB 150钢制压力容器4GB 151管壳式换热器5GB 12337钢制球形储罐6JB

6、/T 4710钢制塔式容器7JB/T 4731钢制卧式容器8JB 4732钢制压力容器分析设计标准9JB/T 4734铝制焊接容器10JB/T 4745钛制焊接容器11JB/T 4755铜制压力容器12JB/T 4756镍及镍合金制压力容器13JB/T 4735钢制焊接常压容器14GB16749压力容器波形膨胀节15JB 4730压力容器无损检测16JB 4708钢制压力容器焊接工艺评定17JB/T 4709钢制压力容器焊接规程18GB 713锅炉和压力容器用钢板19GB 3531低温压力容器用低合金钢板20JB 4726压力容器用碳素钢和低合金钢锻件21JB 4727低温压力容器用低合金钢锻

7、件22JB 4728压力容器用不锈钢锻件23JB 4733压力容器用爆炸不锈钢复合钢板24HG/T 20592钢制管法兰、垫片、紧固件1.2 参数定义1.2.1 压力：除注明者外，压力均为表压力。1.2.2 工作压力：在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力。1.2.3 设计压力：设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作历力，一般为工作压力的1.051.1倍。1.2.4 计算压力：在相应设计温度下，用以确定元件厚度压力，其中包括液柱静压力。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。1.2.5 设计温度：容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温

8、度（沿元件金属截面的温度平均值），设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。1.2.6 计算厚度：按各公试计算得到的厚度，需要时，尚应计入其他载荷所需厚度。1.2.7 设计厚度：计算厚度与腐蚀裕量之和。1.2.8 名义厚度：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的厚度，即标注在图样上的厚度。1.2.9 有效厚度：名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。其值小于设计厚度。1.2.10 厚度附加量C：厚度附加量是钢材厚主负偏差C1与腐蚀裕量C2之和。1.2.11 钢材厚度负偏差C1：钢板或钢管的厚度负偏按钢材标准的规定，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%，负偏差可

9、忽略不计。1.2.12 腐蚀裕量C2：为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，而预先增加的一个厚度量。以上是产品设计中要重点区分的几个参数，尤其是几个压力的区别，对刚接触压力容器设计的人极易混淆。1.2 压力容器的设计准则和设计标准 1.2.1 设计准则压力容器的设计准则与失效准则是一个问题的两个方面，采用何种设计准则就是采用何种失效准则的问题。设计压力容器时，首先应确定容器的失效准则，然后按失效准则选择强度理论和计算公式，并确定安全系数。在压力和温度作用下丧失了正常的工作能力为失效，失效的最终表现形式为泄漏、过度变形和断裂，所以失效不完全等同于破坏。压力容器失效形式大致可为强度失

10、效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效。压力容器的设计准则通常有以下四种：1.2.1.1 弹性失效准则。按照弹性强度理论，当容器上远离边缘地区的相当应力达到屈服时，即为容器承载的极限状态。它规定了屈服极限是容器失效的应力。考虑安全系数后，容器实际应力处在弹性范围内。GB对内压圆筒、内压凸形封头等元件的设计公式都是按弹性失效原理制定的。1.2.1.2 塑性失效准则。该准则认为，容器上某一点达到屈服时，并不会导致容器的失效。只有当整体屈服时，才是容器承载的极限状态。它规定了全屈服压力是容器失效的最高压力。仅从压力容器设计中引入塑性失效准则这一点考虑，选材时应尽量选择塑性较好的材料。对于脆性材料，尽管也是

11、承受弯曲应力，但当器壁表面达到材料屈服强度再继续增加外载荷时，器壁表面不能产生较大的塑性变形而将导致开裂。所以，在设计中应避免使用脆性材料，或采取相应的限制性措施。JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准提供了以塑性失效准则为基础的设计方法。GB150对平板、整体法兰连接的圆筒颈部等元件的设计或应力计算公式，都是按塑性失效原理制定的。1.2.1.3 弹塑性失效准则。弹塑性失效准则适用于反复加载过程。按照应力分类的概念，当容器边缘地区出现一定量的局部塑性变形时，即为容器承载的极限状态。它考虑到由于边缘应力产生过大的塑性变形时，将会加速疲劳破坏或造成脆性断裂。由于这一失效准则，允许结构有局

12、部的塑性变形存在，且由于应力在结构各处的分布不均匀，局部塑性区为广大弹性区所包围，故称之为弹塑性失效准则。弹塑性准则也不适用于脆性材料。JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准提供了以弹塑性失效准则为基础的设计方法。GB150对内压锥形封头和圆筒的连接、无折边球形封头对圆筒的连接等的设计公式和图表，都是按弹塑性失效原理制定的。1.2.1.4 疲劳失效准则。该准则认为，容器在交变载荷作用下，当最大交变应力（在循环次数一定时）或循环次数（在最大交变应力一定时）达到疲劳设计曲线的规定值时，即为容器承载的极限状态。当设计规定要求考虎容器的疲劳问题时，除对容器进行强度计算外，还需进行疲劳设计，即

13、进行容器寿命计算。“按分析设计”的容器设计规范化包括疲劳设计方法。由于疲劳设计涉及弹塑性失效准则，所以将疲劳设计列入分析设计体系，应当采用JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准，它在选材、设计、结构、制造、检验等方面都严于按规则设计的GB150标准。以上四个设计准则是压力容器设计最常用的几个准则，其它还有断裂失效准则、蠕变失效准则、腐蚀失效准则等，在此不作详细介绍。1.2.2 设计标准GB150-1998钢制压力容器中采用的是弹性失效准则。具体的解题方法：用平面力系解法，按弹性失效准则来判断容器的强度。对于因压力引起的不同应力状态（拉、弯、扭、剪及其组合），均采用相同的许用应力值，用

14、调整计算公式中的有关系数的方法体现其差别，如封头、平盖、密封结构等的计算。具体说，对于容器中存在的一次局部薄膜应力、弯曲应力、二次应力以及它们的组合，采用极限分析和安定性分析准则将这些应力控制在与使用经验相吻合的安全水平。在标准中，通过限制无件结构的某些相关尺寸、采用应力增大系数、考虑形状系数等方式将这些局部应力控制在许用范围内。所以在确定技术方案时，特别要注意标准中各章节及其相关内容的“前提条件”、“边界条件”。 前面已提到，压力容器设计有两种方法，即规则设计法和分析设计法。前者是基于经验方法的设计，其典型过程是确定设计载荷，选用设计公式，曲线和表格，并对所用材料取一个安全应力，最终给出容器

15、的基本厚度，然后根据规范允许的构造细则及有关设计规则进行制造。 GB150-1998钢制压力容器为规则设计，按弹性失效准则应用解析方法进行应力计算，从而简化了设计计算，与JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准相比具有计算简单、使用方便等特点，故得到广泛应用。在GB150-1998钢制压力容器与JB 4732-1995钢制压力容器分析设计标准两个标准的相互覆盖适用范围内，可按经济效益对比和应用配合考虑任选其一。 压力容器设计是一门学科，其知识面远不止这些，还需要我们在实际工作中不断学习和应用。从下一章开始我们以液化石油气（丙烷）卧式压力容器的常规设计为例，学习压力容器的设计，其参照标准

16、主要是TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程、GB 150钢制压力容器、JB/T 4731钢制卧式容器以及其它相关标准。第一章 设计参数确定及选材1.1、设计课题简介：名称：液化石油气（丙烷）储罐用途：液化石油气储配站1.2、设计参数：按压力容器设计条件图要求，确定以下设计参数：序号项目数值单位备注1设计压力1.77MPa2设计温度503公称直径2000mm4公称容积255装量系数0.96工作介质液化石油气（丙烷）7介质特性易爆8其他要求100%探伤1.3、设计压力：取最高工作压力的1.1倍，即1.4、设计温度：设计温度t取50 OC。1.5、主要元件材料的选择：1.5.1

17、 筒体材料的选择：根据GB 150-1998表4-1，选用筒体材料为16MnR(钢材标准：GB 6654）。1.5.2 鞍座材料的选择： 根据JB/T 4731,鞍座选用材料为Q235-B，其许用应力1.5.3 地脚螺栓的材料选择：地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q235，Q235的许用应力第二章 容器的结构设计2.1、圆筒厚度的设计该容器需100%探伤，所以取其焊接系数为。假设圆筒的厚度在616mm范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：疲劳极限强度，屈服极限强度，下利用中径公式，查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而

18、有GB150-1998中3.5.5.1知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取。查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量。则筒体的名义厚度圆整后，取(厚度一般取偶数)2.2、封头壁厚的设计查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表1，得公称直径选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，取 ，根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：同上，取，。封头的名义厚度圆整后，取封头的名义厚度封头记做2.3、筒体和封头的结构设计由，得封头的容积：查标准JB/T 4746-200

19、2钢制压力容器用封头中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表1和图1。表1 封头尺寸表公称直径DN mm总深度H mm内表面积A 容积质量Kg20005254.49301.1257415.4 而充装系数为0.9即算得圆整后，取图12.4、人孔的选择根据HG/T 21518-2005回转盖带颈对焊法兰人孔，查表3-3，选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见下表： 表2 人孔尺寸表 单位：mm密封面型式凹凸面MFMD7304330公称压力PN MPa2.566048螺柱数量20公称直径DN500280A405螺母数量40123B200螺柱尺寸d506b44L300总质量kg

20、3022.5、接管，法兰，垫片和螺栓（柱）2.5.1、接管和法兰液化石油气储罐应设置排污口，气相平衡口，气相口，出液口，进液口，人孔，液位计口，温度计口，压力表口，安全阀口，排空口。如图3所示：图2 图3查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表8.2 3-3 PN带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中附录D中表D-5,得各法兰的质量。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表3.2.2，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。2.5.2、垫片查HG/T 20609-2009钢制管法兰用金属包覆垫片，得：表3 垫片尺寸表符

21、号管口名称公称直径内径D1外径D2a排污口80109.5142b气相平衡口80109.5142c气相口80109.5142d出液口80109.5142e进液口80109.5142f人孔500561624g1-2液位计口3261.582h温度计口2045.561m压力表口2045.561n安全阀口80109.5142s排空口5077.5107注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3。 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3：垫片厚度均为3mm。第31页（共31页）表4 各管口法兰尺寸表序号名称公称直径DN钢管外径法兰焊端外径法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓

22、孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰颈法兰高度法兰质量NRa排污口8089B200160188M16241053.2128585.0b气相平衡口8089B200160188M16241053.2128585.0c气相口8089B200160188M16241053.2128585.0d出液口8089B200160188M16241053.2128585.0e进液口8089B200160188M16241053.2128585.0f人孔500g1-2液位计口3238B140100184M1618562.666422.0h温度计口2025B10575144M1218402.364401.0m压力表

23、口2025B10575144M1218402.364401.0n安全阀口8089B200160188M16241053.2128585.0s排空口5057B165125184M1620752.986483.02.5.3、螺栓（螺柱）的选择查HG/T 20613-2009 钢制管法兰用紧固件中表5.0.7-11和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸：表5 螺栓及垫片紧固件用平垫圈 mm公称直径螺纹螺柱长Ha80M169217303b80M169217303c80M169217303d80M169217303e80M169217303f500g1-232M168517303h20M1275

24、13242.5m20M127513242.5n80M169217303s50M1690173032.6、鞍座选型和结构设计2.6.1、鞍座选型该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q235-B。估算鞍座的负荷：储罐总质量筒体质量：单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表B.2 EHA椭圆形封头质量，可知，充液质量：，水压试验充满水，故取介质密度为则附件质量：人孔质量为302kg，其他接管总和为300kg，即综上所述，则每个鞍座承受的质量为14556.6kg，即为145.6kN。查JB4712.1-2007容器支座第一部分鞍式支座中表1，首先优先选择轻

25、型支座。查JB4712.1-2007容器支座第一部分鞍式支座中表2，表6 鞍座尺寸表公称直径DN2000腹板10垫板430允许载荷QkN300筋板33010鞍座高度h250190e80底板1420260螺栓间距12602208鞍座质量Kg16012垫板弧长2330增加100mm增加的高度Kg17该对鞍座标记为JB/T4712.1-2007 鞍座A2000-S和JB/T4712.1-2007 鞍座A2000-F。2.6.2、鞍座的安装位置根据JB/T4731-2005钢制卧式容器中6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于，当无法满足A小于等于时，A值不宜大于0.2L。圆筒的平均

26、内径。即取A=0.5m鞍座的安装位置如图3所示：图4第三章 开孔补强设计根据GB150中8.3，知该储罐中只有人孔需要补强。3.1、补强设计方法判别其中开孔直径 故可以采用等面积法进行开孔补强计算接管材料选用16MnR，其许用应力根据GB150-1998中式8-1，壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数， 所以3.2、 有效补强范围3.2.1有效补强B按GB150中式8-7，得：3.2.2外侧有效高度根据GB150中式8-8，得：3.2.3内侧有效高度根据GB150-1998中式8-9，得：3.3、有效补强面积根据GB150中式8-10 式8-13，分别计算如下：3.3.1 筒体多余面

27、积3.3.2接管的多余面积3.3.3焊缝金属截面积焊角去6mm3.4、补强面积因为，所以开孔需另行补强另行补强面积为第四章 强度计算4.1、水压试验应力校核试验压力圆筒的薄膜应力即， 所以水压试验合格。4.2、 圆筒轴向弯矩计算圆筒的平均半径鞍座反力4.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩根据JB/T 4731-2005中式7-2，得：4.2.2鞍座平面上的轴向弯矩根据JB/T 4731-2005中式7-3，得：4.3、圆筒轴向应力计算并校核根据JB/T 4731-2005中式7-4 式7-7计算4.3.1圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力最高点处：最低点处：4.3.2由压力及轴向弯矩引起

28、的轴向应力计算并校核鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算： a).当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强（即）时，轴向应力位于横截面最高点处. 取鞍座包角，查表7-1（JB/T4731-2005）得，.则 b).在横截面最低点处的轴向应力：4.3.3.圆筒轴向应力校核查过程设备设计中图4-8得，,则满足条件4.4、切向剪应力的计算及校核4.4.1圆筒切向剪应力的计算根据JB/T 4731-2005中式7-9计算查JB/T 4731-2005中表7-2，得： 4.4.2圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力根据JB/T4731-2005中式7-10，计算得：4.4.3切向剪应力的校核