中原石化乙烯压力储罐的设计

前言石化产业是我国主要的能源产业，也是我国支柱产业之一，它在改善人民生活水平的同时也使国民经济得到巨大发展，在国民经济之中起着非常重要的作用，国家也一直支持并且鼓励石油化工行业的发展。但是，石化行业在发展的同时也导致化工安全事故不断发生。石化行业采用的生产原料，中间产物以及制成产品大多都是易燃易爆且含有毒性的物品，一旦发生事故就有可能造成难以想象的后果。而压力储罐作为化工企业常用的特种设备，其内承装的介质通常也是具有容易燃烧和爆炸性质，并且含有毒性的压缩气体或者液化气体，要是由于设计不当而导致储罐强度失效或者介质泄漏，就很可能发生火灾爆炸事故，甚至引发周围生产装置或其他压力储罐的二次事故。因此，压力储罐的安全设计对于保证化工企业的安全生产至关重要。在1974年4月15日，罗马尼亚波特什蒂就曾经因为乙烯压力储罐的制造材料不合格而导致其每年生产20万吨的乙烯装置储罐发生破裂，同时引发临近的三台乙烯压力储罐相继爆炸。造成了一人死亡，近50人受伤，直接经济损失达一千多万美元。乙烯（ethylene）是目前世上产量最多的化学品之一，是石化行业的核心，其产品约占石化品的75.0%，在国民经济中有着非常重要的地位。乙烯是一种易燃、易爆并且具有轻微毒性的化学物品，当乙烯与空气混合时，混合物中乙烯的浓度在2.70%～37.0%的范围内，遇到明火、高温或氧化剂，就可能引起燃烧爆炸。1997年6月27日，北京东方化工厂乙烯罐区就发生过特大火灾爆炸事故，造成9人死亡，37人受伤，直接经济损失达1.17亿元，造成了极大的社会影响。由该事故可以看出来，一旦乙烯储罐发生安全事故，就有可能导致大量的人员伤亡和重大的财产损失，甚至可能引发极其恶劣的社会后果。现阶段我国经济正处于飞速上升阶段，我国的工业也在迅速发展，这就使得乙烯的需求量会大幅度地上升。因此，研究乙烯压力储罐对于乙烯的安全生产、运输、存储甚至是保障人民生命财产安全起到非常重要的作用。本次设计是对中原石化而进行的乙烯压力储罐设计。通过本次设计，可以了解到乙烯化工厂基本概况，加强对专业基础知识、化工以及压力储罐安全知识等方面的了解及应用，提高在工作中发现问题、分析问题及解决问题的能力，为将来参加工作奠定一个夯实的基础。通过对该企业乙烯压力储罐的设计，可以保证乙烯的安全使用和存储，最大限度地保障广大从业人员生命及财产安全，使企业生产工作可以安全、有序地开展。

1化工厂概述本章主要是对中原石化的基本情况进行概括性介绍，并且简要阐述压力储罐介质——乙烯的一些理化性质及其危害性。1.1企业概况中原石化全称为中国石化中原石油化工有限责任公司，在民间也会被称作中原乙烯，企业主要生产乙烯、乙二醇、丁烯、甲醇以及各种类型的聚乙烯、聚丙烯以及聚丙烯树脂等。中原石化坐落于河南省濮阳市，企业西面紧靠京广铁路，东面临近京九铁路，可以经过高速公路直接到达市区，交通运输十分方便。濮阳市地处中纬地带，常年受到东南季风环流的控制影响。该城市年每平均气温在13℃左右，最高气温曾经达到43.1℃，最低气温在-16℃左右。年平均风速在2.7m/s左右，南风和北风是该城市的主导风向。中原石油化工有限责任公司现占地154公顷，在公司刚成立时就有员工2320人，经过几年的裁员增效工作，现有员工1500人左右，中专及以上学历的员工大约有1100人左右，约占总员工的73.3%。公司内部实行两级管理，设有16个机关工作室以及10个基层车间，其中有6个辅助生产的车间以及4个主要生产车间，主要生产车间为聚乙烯、聚丙烯、丁烯及乙烯生产车间。中原石化采用美国鲁姆斯专利技术的乙烯生产装置，建厂之初装置的生产能力为140kt/a；在2014年时，中原石化乙烯原料路线改造（\t"/item/%E4%B8%AD%E5%8E%9F%E4%B9%99%E7%83%AF/_blank"MTO）项目竣工，该项目是我国自主研发的首套MTO工艺装置，项目建成后中原石化乙烯、聚乙烯、聚丙烯生产能力分别达到240kt/a、260kt/a和160kt/a。近年来，中原乙烯又新建利用乙烯为生产原料的100kt/a高密度聚乙烯（HDPE）装置、150kt/a环氧乙烷/乙二醇（EO/EG）装置、30kt/a超高分子量聚乙烯（UHMWPE）装置。通过对乙烯压力储罐的设计可以提高中原石化以乙烯为原料的生产装置安全性。本次压力储罐放置在室外，应特别注意储罐因阳光照射而导致筒体热量积累从而使储罐温度升高，因此压力储罐应存放在阳光不能直射的场合，或者做好遮阳防护工作，避免罐内温度易随环境温度而发生变化。1.2乙烯的理化性质在目前已知的所有化学物质之中，结构最简单的烯烃类有机化合物就是仅由四个氢原子以及两个碳原子组合而成的乙烯，其中两个碳原子是通过碳碳双键连接在一起的，所以乙烯的不饱和度为1。C2H4是乙烯的分子式，其分子量为28。在273.15K（0℃）和101.325kPa（即标况下），乙烯密度为1.256g/L，略小于空气密度，熔点为-169.4℃，沸点为-103.9℃。乙烯临界温度为282.85K，临界压力为5.157MPa，即在温度高于282.85K时，不管施加多大的压力均不能使乙烯变成液态；在压力高于5.157MPa时，不论乙烯处于何种温度下，也不能使其变成液态。乙烯是一种没有颜色、略微有烯烃类气味的气体；一般来说，乙烯和水很难相溶，在乙醇、酮、苯等物质中可以溶有微量的乙烯，而四氯化碳等有机溶剂与乙烯很容易相溶。乙烯易与空气会形成爆炸性混合物，其爆炸浓度为2.70%～37.0%，遇到明火、高温或氧化剂就能引起燃烧爆炸。乙烯的爆炸下限小于10%，属于甲类火灾物质。乙烯和氟、氯等接触是也会发生剧烈的化学反应，在反应过程中会放出大量的热量，所以乙烯应该与氟、氯等物质分开保存。1.3乙烯的危害乙烯的毒性较低，属于低性毒物。当吸入含有37.5%乙烯的混合气体时，可以使得人体在15min之内产生明显的记忆障碍；在混合气体之中含有50%的乙烯时，可以使气体中的含氧量降低到10%，会使人体丧失意识；75%～90%乙烯与氧气的混合气体，能够引起人体麻醉，但不存在明显的兴奋期，在吸入新鲜的空气后就可以很快苏醒。乙烯有较强的麻醉作用，可对眼、呼吸道粘膜产生轻微刺激，液态乙烯和皮肤接触后，可以使人体产生冻伤；一旦吸入高浓度的乙烯，就可以引起人体意识丧失，甚至有可能会因为窒息而造成人体死亡；长期接触低浓度乙烯可引起头昏、全身不适、乏力、思维不集中等症状；同时乙烯还会对水体、土壤和大气造成污染。综上所述，乙烯对于人体和环境都具有一定的危害性，一旦发生泄漏会与空气形成爆炸性混合物，易产生安全事故，同时乙烯还会对危害人体健康，甚是危及人体生命。乙烯的泄漏也会对生态环境产生不良的影响，使生态资源遭受破坏。因此对于乙烯生产存储装置的安全设计尤为重要。

2压力容器简述压力容器指盛装气体或液体且承载一定压力的密闭设备。根据我国TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定，当容器符合下列所有条件时，则归为我国安全监察范围内的压力容器：（1）工作压力不小于0.1MPa；（2）容积不小于0.03m3且内直径不小于150mm；（3）介质为气体、液化气体或容器内液体标准沸点不大于装置最大工作温度。2.1主要参数压力容器主要设计参数常包括压力、温度、公称直径及壁厚等几个方面的内容。在GB150.1-2011《压力容器》通用要求部分中对压力容器相关术语作出了阐述。容器压力有工作压力、设计压力以及计算压力等几个部分。压力容器正常运行时，设备最高处所能达到的最大压力被称作工作压力；在设计压力容器的时候，设备最高处所能达到最大压力被称作设计压力，设计压力值的取值应该高于容器的工作压力；在设计条件下，用来计算元件厚度的压力称之为计算压力，通常计算压力包括了设备的一些附加载荷，比如液柱静压力等。容器的温度主要包括两种类型，即工作温度和设计温度。容器正常工作时，器壁能达到的温度被称为工作温度；正常条件下，元件设定的金属温度称为设计温度，设计温度和设计压力一起作为压力容器设计条件。公称直径（DN）指按容器零部件标准化系列选定的元部件直径。压力容器常用的壁厚参数主要包含以下几种类型，即计算厚度、设计厚度、名义厚度和有效厚度。计算厚度是按公式所算得的厚度；设计厚度为计算厚度和腐蚀裕量之和；名义厚度指设计厚度加上材料负偏差后向上圆整至材料标准的厚度；有效厚度为名义厚度减腐蚀裕量和材料负偏差。通过查阅相关资料，中原石化位于河南濮阳，其年最高气温曾达到43.1℃，储罐内介质温度与环境温度有关，因此本次设计温度定为50℃。由资料查得，中原石化乙烯储罐的工作压力在1.45MPa～1.67MPa之间，由此可知其最大工作压力为1.67MPa。一般情况下，计算压力为1.0~1.1倍的工作压力，计算压力也等于设计压力加上液柱静压力。乙烯临界温度为282.85K，因此在设计温度50℃下乙烯的存在状态为气体，所以设备不含液柱静压力。在本次设计中计算压力与设计压力相等为。综上得出本次设计条件，储罐设计压力为1.837MPa，设计温度为50℃，设计储罐容积定为100m³。2.2容器分类压力容器种类可以按照多种方法进行划分。根据壁厚程度可将其分为薄壁及厚壁容器；按容器壳体形状可分为球形、圆筒形及圆锥形容器；按照容器工作温度可划分为高温、常温及低温容器；除按上述方法划分之外，还可以从容器承压形式、制造方法以及制造材料等方面进行分类。从安全监察的角度可将固定式压力容器划分为以下几个类型：（1）按照设计压力大小划分容器种类。在TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》附录A中，按压力大小将压力容器划分为低压、中压、高压及超高压容器四种类型：设计压力P在0.1MPa≤P＜1.6MPa的范围内则划分为低压容器；满足1.6MPa≤P＜10MPa的条件，则归为中压容器；设计压力P在10MPa≤P＜100MPa范围内，则属于高压容器；设计压力P不小于100MPa时，则归属超高压容器。（2）按照工艺用途进行划分，可将压力容器分为反应、储存、换热和分离容器四种类型。（3）由容器内介质危害程度、工作压力及生产生活中起到的重要作用将其分为三种类型进行安全监管。（A）第三类压力容器。符合以下任意情形就可将其划分为第三类压力容器：①高压容器；②介质有高度危害或含极高毒性的中压容器；③中压储运容器（易燃或毒性为中毒介质且PV＞10MPa·m3）；④中压反应容器（易燃或毒性为中毒介质且PV＞0.5MPa·m3）；⑤低压容器（毒性为极度和高危害物质且PV＞0.2MPa·m3）；⑥球罐（容积≥50m3）；⑦低温液体储罐容器（容积≥5m3）。（B）第二类压力容器。符合下列任一情况的可划分为第二类压力容器：中压容器；低压容器（毒性程度为极度和高危害物质）；低压反应容器和低压储运容器（易燃介质或毒性程度为中毒危害介质。（C）第一类压力容器。低压容器（除二类、三类容器外）。由上述条件，本次乙烯压力储罐设计压力为1.837MPa，在1.6MPa～10MPa范围内，属于中压容器；由设计温度为50℃，在-20℃～200℃范围内，属于常温容器；根据乙烯的性质等综合分析，本次设计的压力储罐属于第二类压力容器。2.3压力容器的结构薄壁容器广泛用于石油化工等生产领域中，若压力容器外径与内径的比值小于或等于1.2，则属于薄壁壳体容器。目前使用最多的薄壁壳体容器有球形器及圆筒形两种形式，本文主要介绍圆筒形容器的结构。圆筒形压力容器是由筒体、封头（端盖）、法兰、容器支座、人孔、接口管和相关安全附件等组成。（1）筒体筒体和封头（端盖）共同组合成压力容器的承压壳体，筒体是压力容器最主要的部分，是容器存储介质或完成化学反应所需的空间。薄壁圆筒形壳体常用于大多数中、低压容器。壳体一般是通过卷焊制造的，也就是说压力容器钢板卷成圆筒状之后焊接制成。若容器的公称直径比较小，则圆筒体只含有一条纵向焊缝；对于公称直径比较大的压力容器，圆筒体可以含有两条甚至是多条纵向焊缝。如果筒体的长度较短，则在圆筒形壳体两端焊接上封头或者端盖后就可以形成密闭的空间，因此其只含有两条环向焊缝；对于容器筒体非常长时，则可以先将两段或者多段筒节焊接至容器筒体所需长度，这样的圆筒体就会含有两条以上的环向焊缝。（2）封头（端盖）封头是压力容器端部不可拆卸的结构，通常是和容器筒体结构焊接在一起；而端盖则是容器端部的一种可拆卸结构，常用法兰将其与筒体连接。平时说的封头结构实际上包括了封头和端盖这两种形式。封头按其结构形状可以分为以下三种类型，分别是：凸形、锥形以及平板封头，其中使用最为广泛的就是凸形封头。凸形封头按其结构形状一般又可分为椭圆形、碟形、球冠形以及半球形封头等四种类型；锥形封头一般仅用在一些具有特殊作用的压力容器之中；而平板封头一般很少采用，但其经常用作人孔或者是手孔的盖板。（3）法兰法兰是压力容器中常见的可拆卸结构，是用来保证各种压力容器连接部件压紧密封的基本元件。按连接元件类型可分为容器及管道法兰两种类型。法兰常与垫片、螺栓或者是螺柱、螺母等零件组合使用，以使受压元件紧密连接，保证其内介质不会泄漏。按照法兰的密封面类型可将法兰分为平面、凹凸面、榫槽面及梯形面等几种，按法兰整体性的程度可分为整体式、松式及任意式三种类型。（4）支座支座是用来支撑整个容器及介质的重量，并将其固定在某一位置的附件。按容器结构可将支座分为三类，分别为立式容器支座、卧式容器支座、球形容器支座。耳式、支承式、腿式及裙式是立式容器支座的几种主要形式，中小型立式容器常采用耳式、支承式及腿式支座，裙式支座常用于塔式容器。鞍座式、圈座式以及支腿式支座常被用于卧式容器，其中鞍座式支座使用最为广泛。柱式、裙式、半埋式和高架式这四种类型支座常被用于球形容器，柱式以及裙式是如今使用最多的球形容器支座。选择压力容器支座的类型要根据容器的总重量、结构、支座所需承受的载荷以及操作维修要求等因素综合考虑。（5）人孔为便于安装、拆卸、修理压力容器内部附件以及对压力容器内部进行检查、维护、清理等工作，常开设压力容器人孔、手孔或者是检查孔。同时也能检查容器裂纹、变形、腐蚀等安全问题产生情况。（6）安全附件安全附件是保证压力容器安全运行而安装的容器附属装置，也可称为安全装置。压力容器安全附件通常有安全阀、压力表、温度计、阀门等几种类型。2.4压力容器常用材料为了保证压力容器的安全运行，就必须选用符合标准规范的材料。常用的压力容器用钢材料主要有碳素钢、低合金钢、高合金钢及低温用钢等种类型。对于受压元件和受压元件所使用的钢板、钢管、钢锻件和螺柱等的钢材应该满足GB150.2-2011《压力容器》中作出的相关规定。（1）碳素钢碳素钢有良好塑性、韧性及有良好的加工性能，特别是可焊性非常好。虽强度相对较低，但仍能满足一般压力容器对受压元件的要求。常用的容器碳素钢主要有两种类型，分别为碳素结构钢以及专用碳素钢。碳素钢一般可用于制造中、低压容器的壳体、法兰或者管板等。（2）低合金钢低合金钢是在普通低碳钢加入总量低于3%合金元素的钢材，低合金钢通常具有强度高、韧性好并且有着良好的可焊性能以及耐腐蚀性能。压力容器常经常使用的低合金钢四种类型，分别为钢板、钢管、锻件以及螺柱，其中钢板的使用量是最大的。常用的钢板有：Q345R、Q370R、15CrMoR等几种。常用的钢管有：16Mn、09MnD、12CrMo等几种类型。（3）高合金钢使用加热或者冷却的方法均不能使高合金钢发生相变，通过热处理等手段也不能改变高合金钢的组织性能。其通常用于腐蚀性不强和防污染的设备。常用的高合金钢材有0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti等。0Cr13是铁素体钢，是以铬为主要的合金元素，一般含碳≤0.15%，含铬量在12%～13%。（4）低温用钢低温容器是指设计温度不大于20℃的压力容器，低温压力容器发生破坏的主要原因就是在低温下材料产生脆性断裂。随着温度降低，会增加大部分钢材的强度，但同时会使其韧性减少，并且钢材中存在的微量元素，如硫、磷等会对其低温韧性产生不良影响，氮、氢、氧等元素也会对低温韧性产生不利的影响，因此低温压力容器所采用的钢材含有的硫、磷元素往往低于普通的合金钢材。常用的低温压力容器用钢材的钢号主要有：16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR等几种类型。综上所述，因低合金钢有着良好的材料性能，因此本次设计储罐的主体材料，即筒体和封头材料选用低合金钢。因Q345R是目前最常用的压力容器用钢，所以本次主体材料选用Q345R。由GB150.2《压力容器》材料部分中的要求，压力容器用钢板每张应进行超声波检测，并有Q345R的质量等级不低于Ⅱ级。所以本次采用质量等级为Ⅱ级的压力容器专用钢板Q345R。2.5压力储罐结构选型（1）储罐类型工业上通常使用球形储罐、卧式圆筒形压力储罐以及立式储罐来存储乙烯。球形储罐一般受力较为均匀，而且制作球罐所需要的材料比较少，经常被用来储存液化气体；但是球形储罐在制造、焊接以及组装等的工序都有非常严格的要求，球形储罐需要检验的工作量很多，制作成本比其他类型储罐也要高得多，球罐壳体为双向曲面结构，很难在现场组装焊接且难以保证其焊接质量，需要焊接技术较高的焊接工人，同时球罐也不方便在内部安装安全附件。立式储罐经常被用作常压容器，而卧式储罐常被用于常压容器以及压力容器；卧式压力储罐占地面积一般大于立式储罐；在设计过程中，立式储罐需要考虑风载荷对其带来的影响，而卧式储罐则不需要考虑；卧式储罐不直接与地面接触，而是通过支座支撑，故较容易通过外部检测发现储罐的缺陷。综上所述，本次乙烯压力储罐形式选用卧式压力储罐。（2）封头形式按照容器封头结构进行分类，可将封头分为三种类型，即凸形封头、锥形封头以及平板封头三大类型，凸形封头是使用最为广泛的封头形式。凸形封头按其形状可分为半球形、椭圆形、碟形以球冠形封头四种类型。半球形封头冲压成型比较困难，而且存在较多焊缝，封头深度较深，压力储罐使用较少；椭圆形封头深度比半球形封头小得多，且比半球形封头易冲压成型，是如今在中、低压容器领域中使用较多类型之一；碟形封头球面部分曲率半径与过渡区的不相等，且过渡区的曲率半径与直边段也不相同，这会造成封头结构上的不圆滑连接，使得在封头各部分结构连接处会有局部高应力的产生；在压力容器中两个独立受压室的中间封头经常采用球冠形封头，封头球面和圆筒体连接处没有转角进行过渡，所以会在封头的连接处附近产生很大的不连续应力。综上所述，本次乙烯压力储罐设计的封头形式选用凸形封头中的椭圆形封头。

3储罐筒体设计在本次储罐设计中，设计压力与计算压力相等均为1.837MPa，设计温度取为50℃，储罐容积为100m³。根据HG/T3154-1985《卧式椭圆形封头贮罐系列》1.2.12中的内容（如表3-1），对于公称容积为100m³的卧式压力储罐，其全容积与公称直径均有两种形式，本次设计选用全容积为101.08m³，公称直径为3000mm的形式，储罐材料为Q345R。其许用应力应该满足GB150-2011《压力容器》中的要求（如表3-2）。表3-1卧式储罐基本参数Tab.3-1Basicparametersofhorizontalstoragetanks公称容积/m³全容积/m³公称直径/mm筒体长度/mm8080.2528001200079.8730001020010099.96280015200101.08300013200表3-2钢材许用应力Tab.3-2Steelusestress钢材型号名义厚度/mm在下列温度下的许用应力≤20100150200Q345R3～16189189189183＞16～36185185183170＞36～60181181173160＞60～1001811811671503.1筒体壁厚计算（1）计算壁厚圆筒体壁厚可按下式计算：（3-1）式中：——筒体计算壁厚，mm；——计算压力，MPa；——筒体直径，mm；——设计温度下筒体材料的许用应力，MPa；——焊接接头系数，见表3-3。焊接系数φ取值与焊接方法及检测方法有关，根据GB150-2011《压力容器》中规定，其取值应符合下表要求：表3-3焊接接头系数Tab.3-3Weldingjointcoefficient焊接方法检测方法焊接系数取值双面焊接全部无损检测1.0局部无损检测0.85单面焊接全部无损检测0.9局部无损检测0.8本次设计拟用双面焊接，全部无损检测方法，由表3-3焊接接头系数φ可取值：φ=1。假定容器名义厚度在16～36mm的范围内，由表3-2中得出，Q345R在设计温度下的许用应力约为185MPa，将数据带入式3-1可算得：（2）设计壁厚筒体设计厚度为筒体计算壁厚与材料腐蚀裕度之和，即：（3-2）式中：——筒体设计壁厚，mm；——材料腐蚀裕量，mm。GB150-2011《压力容器》中的内容对材料的腐蚀裕量作出相应的规定：选用低合金钢或碳素钢制成的压力储罐，其腐蚀裕量应不小于3mm；当储罐的材料是选择高合金钢的时候，则腐蚀裕量的取值应该不小于2mm。因本次所选用的筒体材料为Q345R，属于低合金钢材料，所以本设计取腐蚀裕量C2=3mm，将数据带入式3-2得：（3）名义壁厚筒体名义壁厚为设计壁厚加上材料厚度负偏差，并向上圆整至材料标准规格尺寸厚度，计算公式如下所示：（3-3）式中：——筒体名义壁厚，mm；——厚度负偏差，mm；由GB713-2014《锅炉和压力容器用钢板》5.1.1可知，筒体材料厚度允许偏差应满足GB/T709-2006中B类偏差规定，而GB/T709-2006《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》中对B类厚度偏差的要求如表3-4所示。表3-4材料厚度允许偏差（B类）Tab.3-4Materialthicknesstolerance(ClassB)公称厚度/mm负偏差/mm正偏差/mm＞8.00～15.0-0.3+0.80＞15.0～25.0-0.3+1.00＞25.0～40.0-0.3+1.10由表3-4可知，本次所选材料负偏差可选为0.3mm。将数据带入式3-3可算出名义壁厚为：因此本次设计筒体的名义壁厚为20mm。在假定的16～36mm的范围之中，符合设定条件要求。3.2筒体强度校核（1）强度校核第三强度理论常被用来对压力容器进行强度校核，第三强度理论又称作最大切应力强度理论。该理论认为容器材料无论处于怎样的应力状态，其发生屈服失效的原因都是由于容器内最大的切应力τmax达到了极限值。该理论强度条件为：（3-4）式中：——筒体内承受最大应力，MPa；——筒体内承受最小应力，MPa；——设计温度下材料许用应力，MPa。对于圆筒体而言σ3=0，而σ1可通过以下公式计算出来：（3-5）式中：——筒体内所承受的最大应力，MPa；——计算压力，MPa；——筒体半径，mm；——筒体计算壁厚，mm。储罐设计压力为1.837MPa，筒体直径为3000mm，因此筒体半径R为1500mm，筒体计算壁厚δ为14.97mm，将数据带入式3-5可得：材料在设计温度下的许用应力为185MPa，将数据带入第三强度条件式得到：满足第三强度理论的条件，因此本次储罐强度满足使用要求。（2）最大工作压力设计储罐最大允许工作压力按下式计算：（3-6）式中：——最大允许工作压力，MPa；——设计温度下材料许用应力，MPa；——筒体有效壁厚，mm。筒体有效壁厚为筒体名义厚度减去材料腐蚀裕量及材料厚度负偏差，即：（3-7）式中：——筒体有效壁厚，mm；——筒体名义壁厚，mm；——厚度负偏差，mm；——腐蚀裕量，mm。由式3-7可计算出筒体的有效壁厚为：设计储罐的最大允许工作压力可由公式3-6算出：因本次设计压力为1.837MPa＜2.05MPa，设计储罐的允许最大工作压力符合设计压力要求。（3）应力校核筒体应力校核计算公式为：（3-8）由公式3-8算出在设计条件下筒体所受到的应力为：在设计温度下材料许用应力为185＞165.92MPa，因此符合材料的许用要求。综上所述，本次设计的储罐筒体材料选用Q345R，筒体的名义厚度为20mm，有效厚度为16.7mm，选购钢材厚度与名义厚度相同均为20mm。3.3压力试验根据GB150.1-2011《压力容器》中的内容可知，储罐气压试验压力值如下式：（3-9）式中：——试验压力，MPa；——计算压力，MPa；——试验温度下材料许用应力，MPa；——设计温度下材料许用应力，MPa。本次储罐设计压力为1.837MPa，取试验温度等于设计温度为50℃，因此压力试验温度下材料许用应力等于设计温度下材料许用应力，均为185MPa，将数据带入公式3-9得：气压试验时筒体受到的应力σT由下式计算：（3-10）试验压力为2.0207MPa，筒体直径为3000mm，筒体的有较壁厚为16.7mm，焊接接头系数φ取1.0，将数据带入公式3-10算得：气压试验时，应该满足条件：，其中材料的屈服强度由下表3-5得出为325MPa。因此σT＜0.8×325×1.0=260MPa。满足试验条件，因此储罐筒体的气压试验合格。表3-5Q345R力学性能参数Tab.3-5MechanicalpropertiesofQ345R材料交货状态厚度mm抗拉强度Rm（MPa）屈服强度ReL（MPa）Q345R热轧、控扎或热火3～6510～640345＞16～36500～630325＞36～60490～620305＞60～100480～610285综上所述，在筒体直径为3000mm时，选用压力容器用钢Q345R制成的名义厚度为20mm的筒体，可以满足气压试验条件的要求，设计温度50℃的要求。

4储罐封头设计本次设计储罐选用标准椭圆形封头，封头材料与筒体相同为Q345R。由上一章可得材料的负偏差C1为0.3mm，腐蚀裕量C2为3mm。由GB/T25198-2010《压力容器封头》附录C表C-1得出标准椭圆形封头相关参数如表4-1所示，图4-1是椭圆形封头示意图。表4-1标准椭圆形封头相关参数Tab.4-1Standardellipticalheadrelatedparameters公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/mm容积V/m329007659.48073.4567300079010.13293.8170310081510.80674.2015图4-1椭圆形封头示意图Fig.4-1Schematicdiagramoftheellipticalhead4.1封头壁厚计算（1）计算厚度椭圆形封头计算厚度公式如下：（4-1）式中：——封头计算壁厚，mm；——椭圆形封头形状系数；——计算压力，MPa；——封头内径或与圆筒内直径，mm；——设计温度下材料许用应力，MPa；——焊接接头系数，取。椭圆形封头形状系数K可按公式计算，也可以根据GB150.3-2011《压力容器》5.3中的内容（如表4-2）选取K值。表4-2椭圆形封头形状系数K取值Tab.4-2EllipticalheadshapecoefficientKvalueDi/2hi2.602.502.402.3001.901.80K1.461.371.271.000.930.87Di/2hi1.701.601.501.401.300K0.810.760.710.660.610.570.530.50对于标准椭圆形封头而言：Di/2hi=2（hi为封头曲面深度），由上表可得K=1。因本次所选用的封头为标准椭圆形封头，所以可以确定K=1。封头材料采用Q345R，若封头名义厚度在16～36mm范围内，由表3-2可得其在设计温度下材料许用应力为185MPa，将数据带入式4-1得：（2）设计厚度封头设计厚度为计算厚度与腐蚀裕度之和，即：（4-2）式中：——封头设计厚度，mm；——腐蚀裕量，mm。封头设计厚度可由公式4-2得出：（3）名义厚度封头名义厚度δnh为设计厚度加上材料厚度负偏差，并向上取至钢材标准规格厚度，如下式：（4-3）式中：——封头名义厚度，mm；——材料厚度负偏差，mm。封头名义厚度可由式4-3可算出：因此本次设计筒体的名义厚度为20mm。在假定范围16～36mm内，符合要求。（4）有效厚度封头有效厚度δeh为名义厚度减材料厚度负偏差以及腐蚀裕量，即：（4-4）式中：——有效壁厚，mm；——名义壁厚，mm；——厚度负偏差，mm；——腐蚀裕量，mm。根据GB150.3-2011《压力容器》5.3.5中的内容：若椭圆形封头满足条件Di/2hi≤2，则其有效厚度应不小于内直径的0.15%，对于符合Di/2hi＞2条件的椭圆形封头，其有效厚度值应不小于内直径的0.3%。本次设计封头为标准椭圆形封头，因此得到Di/2hi=2，满足条件Di/2hi≤2的要求，因此可知封头的有效厚度应满足不小于内直径0.15%的要求。由式4-4可计算出封头有效厚度为：而封头内直径的0.15%为：3000×0.15%=4.5mm＜16.7mm，符合标准的要求。4.2封头强度校核（1）最大允许工作压力由下式可算出本次设计封头最大允许工作压力：（4-5）式中：——最大允许工作压力，MPa；——设计温度下材料许用应力，MPa；——封头有效壁厚，mm。由公式4-5可计算出设计封头的最大允许工作压力为：因本次设计压力为1.837MPa＜2.05MPa，设计封头允许的最大工作压力符合储罐设计压力要求。（2）应力校核封头应力校核公式为：（4-6）由式4-6算得：在设计温度50℃下材料Q345R的许用应力为185MPa，其值大于165.46MPa，满足封头材料许用要求。4.3封头压力试验本次设计封头材料与筒体材料相同为Q345R，所以气压试验条件与筒体条件相同，即试验压力PT为2.0207MPa，试验温度为50℃。封头气压试验公式如下所示。（4-7）由上式可算出气压试验时，封头受到的应力σT为：封头气压试验时，同样应满足，其中材料的屈服强度由表3-5得出为325MPa。因此σT＜0.8×325×1.0=260MPa。满足试验条件，因此储罐封头的气压试验合格。综上所述，本次封头材料选用Q345R，储罐封头名义厚度为20mm，有效厚度为16.7mm，计算厚度为14.93mm，设计厚度为17.93mm。该封头在设计条件以及气压试验条件下满足使用要求。

5安全装置安全装置是保证压力储罐安全运行而装设的附属设备，也称为安全附件。为预防由于超载而导致压力储罐发生安全事故，压力储罐除了从根本上消除和减少有可能引起超载的各种因素外，增设安全装置也是一种非常关键的措施。5.1安全泄压装置安全泄压装置可以使储罐内压力超过限定值后，及时排出罐内部分介质，保证罐内压力在安全范围内；当储罐正常运行时，安全泄压装置会保持着严密不漏的状态，但当储罐工作压力超过限定值，泄压装置就会自动、迅速地排出储罐内的介质，使得储罐内压力始终在最高允许压力范围内。安全泄压装置分为阀形、断裂形、溶化形和组合型几种。若泄压装置类型及形式选用不当，就有可能会造成储罐超压爆炸。安全装置的选用必须与工艺条件相适应，包括运行条件、物料特性等；同时泄压装置的最小排放量应不小于储罐安全泄放量。（1）阀形泄压装置阀形泄压装置又称为安全阀，当压力超过限定值，安全阀会自动开启并排出罐内部分介质，保证罐内压力值不大于限定值。安全阀的优点是只排出储罐内高于限定值的压力，当罐内压力降到限定值以下时，安全阀会自动关闭，终止介质排放，这样可以避免压力储罐内的压力超过限定值后，泄压装置就将罐内的介质全部排出从而造成物料上的浪费以及生产中断；安全阀在使用过之后还可以继续使用，其安装调整较为简便。但安全阀密封性较差，而且安全阀的启动会有滞后效应，泄压速度比较慢，同时装置有可能会被介质中的杂质堵住或者粘住。介质比较干净的气体装置通常采用安全阀，但含有剧毒介质的压力储罐不应采用，安全阀不能在可能有剧烈化学反应从而导致内部压力迅速上升的容器中使用。（2）断裂形泄压装置常见的断裂形泄压装置有爆破片和爆破帽两种，爆破片常用于中、低压容器中，爆破帽常用于超高压容器。当储罐内的压力达到限定值时，泄压装置就会断裂以排出储罐介质，使罐内压力下降，防止储罐压力过高而发生炸裂事故。断裂形泄压装置通常具有较好的密封性、泄压速度快且介质中的杂质对装置动作压力影响较小。但断裂形泄压装置在泄压之后将不能继续使用，容器也将停止工作，而且装置通常工作在压力较高的条件之下，容易发生疲劳性损坏，因此其寿命较短。压力上升速度较快或者容器介质含有毒性等特性，可以采用断裂形泄压装置，但其不宜用在容器压力波动较大的场合之中。（3）熔化形泄压装置熔化形泄压装置可以称作易熔塞，装置内设置有低熔点合金，其在特定温度下会发生融化并且打开通道，使气体从通道孔中排出以达到泄压的目的。熔化形泄压装置的结构比较简单而且容易更换，通过金属融化温度来确定装置动作压力的方式比较容易控制。但是装置在泄压之后将不能继续使用，并且储罐也得停止工作，而且该类型的泄放面积比较小。熔化形泄压装置一般用在罐内压力完全由介质温度所确定的小型容器。（4）组合形泄压装置组合形泄压装置通常具有两种以下组合形式，即阀形和断裂形、阀形与熔化形的组合形式。其中。最常见的组合形式为弹簧式安全阀和爆破片的串联组合。组合形泄压装置将两种安全泄放装置的特点结合在了一起，取其所长补其所断，可防止安全阀泄漏缺点，同时在储罐排放完过高压力之后还可以继续工作运行。组合形泄压装置被频繁使用在储罐介质含有剧毒或者是罐内介质较为稀有的场合之中，但是其往往不可用在压力升高速度极快的设备之中。因安全阀只排出超过规定压力的介质，可避免储罐超压后就将乙烯全部排出，造成原材料浪费的问题，而且安全阀在使用过后还可以继续工作，使压力储罐安全连续运行，所以本次选择安全阀作为储罐的安全泄压装置。5.1.1计算储罐安全泄放量由GB150.1-2011《压力容器》附录B中B.7.2内容可知：气体压力储罐安全泄放量可按下式计算：（5-1）式中：——储罐安全泄放量，kg/h；——泄放条件下介质密度，kg/m3；——容器进料管流速，m/s；——容器进料管内直径，mm。由相关资料显示，一般性气体进料管中的流速在10～15m/s的范围内，在本次设计条件下的乙烯为一般气体，因此其进料管流速应在10～15m/s，选定储罐进料管内的流速为15m/s。在设计条件下的乙烯密度为20.95kg/m3，选定进料管的公称管径DN为50mm，由公式5-1算得：由此可知，本次设计乙烯储罐的安全泄放量为2223.32kg/h。5.1.2确定安全阀泄放面积按整体结构对安全阀进行分类可分为弹簧式、脉冲式及重锤杠杆式三大类型。重锤杠杆式安全阀常用在温度较高场合中，但因其开启后难以保证密封性，现已逐渐被取缔；脉冲式安全阀现仅用于安全泄放量比较大的锅炉或者压力储罐当中，且其结构较为复杂；弹簧式安全阀可以分为两种类型，即全启式和微启式。全启式安全阀通常使用在介质为气体以及泄放量比较大的场合中，而微启式安全阀常用在液体介质当中，但当气体介质的泄放量比较小时也可使用微启式安全阀。微启式安全阀可分为带调节圈与不带调节圈，调节圈经常用来增大安全阀阀瓣启动高度，并且其可以调节安全阀回座与安全阀排放压力，使弹簧式安全阀一直保持在最佳的运行状态。综合分析各个安全阀的特点和使用范围，并结合储罐安全泄放量，本次选择带调节圈的封闭微启式弹簧安全阀。根据GB150.1-2011《压力容器》附录B中B.8.3.1的内容得出气体介质的泄放装置泄放面积为：（1）临界条件，即符合条件时，安全阀泄放面积可按下式计算：（5-2）式中：——安全阀最小泄放面积，mm2；——储罐安全泄放量，kg/h；——气体特性系数；——安全阀泄放系数；——气体压缩系数；——安全阀泄放温度，K；——气体摩尔质量，kg/kmol。——安全阀泄放压力（绝压），MPa；——安全阀出口侧压力，MPa；——气体绝热指数，可由5-1得出。（2）亚临界条件，即符合条件时，安全阀的泄放面积公式为：（5-3）表5-1部分气体的性质Tab.5-1Propertiesofsomegases名称分子式摩尔质量M/kg·kmol-1绝热指数k临界压力Pc/MPa（绝压）临界温度Tc/K甲烷CH416.041.314.641190.65乙炔C2H226.021.266.282309.15乙烯C2H428.051.255.157282.85乙烷C2H630.051.224.945305.25丙烯C3H642.081.154.560365.45在GB150.1-2011《压力容器》附录B中B.3.2.1对安全泄压装置作出了相应的规定：若压力储罐只装设一个安全泄放装置时，储罐超压限度值不应大于设计压力的10%或者20kPa的最大值。本次储罐设计压力为1.837MPa，所以设计压力的10%为183.7KPa。综合标准与储罐安全考虑，取本次设计储罐的超压限度为100KPa。安全阀的泄放压力是由设计压力以及超压限度值这两部分组成，因此，本次设计储罐所用安全阀的泄放压力（绝压）为Pf=1.837+0.1+0.1=2.037MPa，安全阀出口处压力与大气压相等，所以Po=0.1MPa。由表4-1中可知乙烯的绝热指数k为1.25，得到泄放面积计算条件如下：由此可知，安全阀泄放条件满足临界条件的要求，泄放面积应按临界条件公式进行计算。气体特性系数C可由下式算出：（5-4）由表5-1中可知乙烯的绝热指数k为1.25，带入式5-4算得气体特性指数C为：通过气体压缩系数曲线图可以查到，乙烯在设计条件下的压缩系数Z约为0.9。取泄放温度与设计温度相等为50℃，通过查询相关的资料可以得出，带调节圈的微启式安全阀泄放系数K的范围为0.40～0.50，本次设计选取安全阀泄放系数K为0.4，由表5-1得出乙烯的摩尔质量M为28.05kg/kmol。将数据带入式5-2得出临界条件下安全阀的泄放面积为：由此可知本次选用安全阀泄放面积应不小于337.9mm2。5.1.3确定安全阀参数及型号微启式安全阀开启高度往往小于四分之一管道的直径，即满足h＜d0/4的条件，通常选取1/40～1/20的管道直径。本次采用的微启式安全阀开启高度为管道直径的1/20，即阀瓣高度为h=d0/20，本次设计选用的安全阀采用平面结构进行密封，则泄放面积A又可由下式计算：（5-5）式中：——泄放面积，mm2；——安全阀最小流通直径，mm；——安全阀开启高度，mm安全阀的公称直径DN往往不小于其最小的流通直径d0，而最小流通直径可以通过公式5-5计算出来：根据GB/T12241-2005《安全阀一般要求》中的内容可以知道安全阀的公称通径应该满足GB/T1047标准中的规定，经查询选择最接近的管道直径为DN=50mm，所以本设计中安全阀的公称直径DN为50mm。安全阀公称压力为安全阀最高许用应力，在《安全阀一般要求》中规定了安全阀公称压力等级要满足GB/T1048的规定，本次压力储罐设计压力为1.837MPa，公称压力应大于设计压力，查询GB/T1048本次设计阀门公称压力PN选为25（2.5MPa）。按照安全阀公称直径、公称压力以及介质性质等因素选择安全阀型号，部分微启式安全阀型号及相关参数如表5-2所示。表5-2部分微启式安全阀型号及相关参数Tab.5-2Partialmicro-opensafetyvalvemodelsandrelatedparameters型号公称压力/MPa最高适用温度/℃阀体材料适用介质公称直径/mmA41H-16C1.6300铸钢水、空气、石油气25～100A41H-252.5300铸钢水、空气、石油气25～100A41H-404.0300铸钢水、空气、石油气25～80A41H-646.4300铸钢水、空气、石油气25A41W-16P1.6200不锈钢腐蚀性介质25～100A41W-40P4.0200不锈钢腐蚀性介质25～80A41H-16016.0150铸钢氮、氢气、氨15、32A41H-32032.0150铸钢氮、氢气、氨15、32由表5-2选定本次设计安全阀型号为A41H-25，其公称压力为2.5MPa，公称直径为50mm。5.1.4检验安全阀安全阀公称压力应大于设计压力，本次选用安全阀公称压力为2.5MPa，而设计压力为1.837MPa，满足安全阀使用条件。下面通过计算来确定安全阀排量是否满足储罐安全泄放量的要求。临界条件下安全阀排量可由下式计算：（5-6）式中：G——安全阀排量，kg/h；——气体特性系数；——安全阀泄放系数；——安全阀排放压力MPa；——安全阀流通面积，mm2；——介质摩尔质量，kg/kmol；——气体压缩系数；——安全阀泄放温度，K。由前文知，气体特性系数C为342.2，排放系数K为0.4，排放压力Pf为2.037MPa，气体摩尔质量M为28.05kg/kmol，气体压缩系数为0.9，泄放温度为50℃。将数据带入式5-5算得安全阀流通面积为：将数据全部带入公式5-6算出安全阀的排量G为：本次压力储罐最小安全泄放量为2223.32kg/h，小于安全阀排量2583kg/h，符合要求。因此本次选用安全阀满足储罐安全需求。5.2选择储罐压力表压力表是用来测量压力储罐内的介质压力的装置，同时也是压力储罐较为重要的安全附件。操作人员能根据压力表显示的数值时刻监测储罐内的压力，以保证储罐压力处于安全状态，防止罐内压力超过限定值而导致安全事故发生。5.2.1压力表选用原则压力储罐所选用的压力表应该符合以下要求：（1）要根据储罐的工作压力范围来选择压力表的量程，通常在工作压力的1.5～3.0倍的范围内，最好是工作压力的两倍。（2）选择压力表量程时，要综合考虑被测压力的波动范围。若储罐内压力波动不大时，测量介质压力浮动的范围应该在压力表1/3～3/4量程内；如果压力储罐内介质压力波动较大时，则待测压力的浮动应在1/3～2/3量程范围内。（3）低压储罐选用的压力表精度应不低于2.5级，中压储罐压力表精度不应小于1.5级，高压储罐压力表精度应该不小于1级。（4）为了使观测人员清晰读取压力表数值，压力表表盘直径不应低于100mm；当压力表安装高度达到5m时，表盘直径应不小于200mm；若安装高度超过5m，直径应不小于300mm。5.2.2压力表种类及适用范围本节主要对压力表常用种类及其适用条件进行介绍，以选出符合本次设计的压力表类型。按照测量介质特性来分，可将压力表分为一般型、耐腐蚀型、防爆型及专用型压力表四种类型。（1）一般型压力表常用在没有爆炸危险以及腐蚀的化学特性、同时不会产生结晶、不发生凝固的气体、蒸汽或者液体当中。其工作温度在-40℃～70℃范围之中。（2）耐腐蚀型压力表常用来测量含有腐蚀性介质和易对仪表腐蚀的环境之中。其通常可分为不锈钢型、隔膜型、耐酸型和防强腐全塑隔膜型压力表等几种。（3）防爆型压力表常用于测量易形成爆炸性混合物的使用环境当中。（4）专用型压力表是对特定的介质进行测量的仪表。较常用的专用型压力表有以下几种：氮气、丙烷以及氢气压力表。综上所述，乙烯具有易燃易爆等危险特性，因此宜选用防爆型压力表。5.2.3确定压力表型号本次储罐的设计压力为1.837MPa，属于中压储罐的范畴，因此储罐选择的压力表精度应该大于或者等于1.5级；储罐的最大工作压力为1.67MPa，而所选择压力表的最大量程约为工作压力的两倍，即3.34MPa，因此本次选定压力表的量程为4MPa。通过查阅相关防爆型压力表型号，本次选用防爆型压力表型号为：YTQ-100H0-4MPa，M40×1.5。该压力表测量精度为1.5级，测量量程为0～4MPa，表盘尺寸为100mm，接口规格为M40×1.5，压力表外壳选用304不锈钢材料制成、内机则采用316不锈钢材料，接口连接方式采用径向连接。5.3选择储罐温度计测温仪器是用来测量压力储罐内介质以及储罐金属壁面的温度，以便于监测储罐内温度，使其保持在金属材料的许用温度内。按测量温度方式来分，可将测温仪表分为接触式和非接触式两种形式。接触式又可分为膨胀式、压力式、热电阻及热电偶等几种；而非接触式则主要有光学高温计、光电高温计和辐射式高温计等几种类型。非接触式温度计是利用被测物体表面亮度和辐射能强弱来间接测量温度。表5-3为几种温度计常用的温度范围及适用场合。表5-3温度计测量范围及应用场合Tab.5-3Thermometermeasurementrangeandapplication温度计类型测量温度范围℃应用膨胀式-200～600常用于轴承、定子等处的温度作现场指示压力式-80～400常用于测量易燃、有振动处的温度、传送距离不是很远热电阻铂-200～650常用于液体、气体、蒸汽的中、低温测量，能远距离传送铜-50～150常用于液体、气体、蒸汽的中、低温测量，能远距离传送热电偶0～1600常用于测量火焰、钢水等不能直接测量的高温场合辐射式600～2000常用于轴承、定子等处的温度作现场指示根据储罐的设计温度以及罐内介质性，由表5-3中各温度计的适用范围以及测量范围，本次选择热电阻（铜）温度计。查询热电阻（铜）温度计相关型号，本次选择温度计型号为WZC-CU100，量程范围为-50℃～150℃。5.4小结本次压力储罐的安全泄放装置选用封闭微启式弹簧安全阀，其型号为A41H-25。安全阀公称压力为2.5MPa，公称直径为50mm，安全阀排量为2583kg/h，泄放面积为392.5mm2，安全阀排放压力Pf为2.037MPa。压力表选用防爆型压力表，其型号为YTQ-100H0-4MPa。压力表精度为1.5级，量程为0～4MPa，表盘尺寸为100mm。温度计选用热电阻（铜）温度计，型号为WZC-CU100，量程范围为-50℃～150℃。

6开孔及其零部件为方便职工对储罐内部进行清理以及安装或者拆装各类附加装置，压力储罐应该设置人孔、手孔或安全检查孔。同时为安装各类容器附件以及物料流通，还应开设各类孔洞和接管。为使压力储罐有良好的密封性，还需要选择各种零件将储罐各部分紧密地连接在一起，以保证压力容器能够正常的运行。比如保证容器紧密连接的法兰及垫片，将各部分固定连接的螺柱和螺栓。6.1人孔设计（1）选择人孔类型根据HG/T20583-2011《钢制化工容器结构设计规定》中第8章有关人孔、手孔以及检查孔内容：（1）当压力储罐的公称直径不小于1000mm时，应开设人孔。（2）若储罐公称直径比1000mm小，则应该设置手孔或者是安全检查孔。（3）当储罐公称直径比300mm小时，储罐可不设检查孔。（4）卧式、立式储罐筒体的单独长度不小于6000mm时，应该考虑装设2个以上人孔。（5）储罐孔洞开闭频繁时，应该选择手孔或者快开式人孔。在空间位置比较狭小的场合，应该选择回转盖式人孔或者手孔。（6）孔盖质量大于35kg时，宜选吊盖式人孔。（7）公称直径大于1000mm时，应选公称直径DN500以上的人孔。（8）在北方或者较为寒冷的地区，人孔的公称直径DN应该大于500mm。综上所述，本次设计的乙烯压力储罐筒体直径为3000mm，罐壁长度为13200mm，因此本文设计储罐应开设2个公称直径为DN600的人孔，分别位于筒体顶部两端，各距两边筒体3000mm。根据HG/T21514-2014《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》的要求，本次储罐的设计压力为1.837MPa，因此选用公称压力为25PN（2.5MPa）的水平吊盖带颈对焊法兰人孔，人孔选用突面（RF）作为密封面。本次选用的人孔结构示意图如附录A中图A-1所示。人孔的材料应符合表A-1水平吊盖带颈对焊法兰人孔材料明细表中的选用要求，其中法兰盖、筒节均采用与筒体相同的材料Q345R，采用缠绕式垫片，法兰材料选择16MnⅡ（锻件），其余构件材料均如表A-1所示。人孔各参数如下表6-1所示。表6-1水平吊盖带颈对焊法兰人孔型式尺寸（mm）Tab.6-1Horizontalhangingcoverwithneckbuttflangemanholetypesize（mm）公称直径DNdw×sdDD1H1H2b600630×1260684577036022858b1b2Ad0螺柱数量螺母数量螺柱总质量kg5658475482040M36×3×205499由表6-1可以得出，人孔筒节外径dw为630mm，筒节名义厚度δnt为12mm，筒节长度为360mm，筒节与储罐内壁平齐，人孔筒节与筒体的焊脚高度与人孔筒体厚度相同为12mm。（2）人孔辅梯本次人孔设在筒体顶部，为方便工作人员进出储罐，应在储罐垂直方向上内设置人孔辅梯及把手。由《钢制化工容器结构设计规定》可知，本次设计辅梯间距为300mm，辅梯宽度为200mm，长度为350mm，辅梯采用直径为20mm的Q345R制成，其示意图如下图6-1所示。图6-1辅梯示意图Fig.6-1Schematicdiagramoftheauxiliaryladder6.2接口及接管压力储罐除了需要开设供人员安装维修的人孔之外，还需开设储罐附件安装以及物料流通的各类接口，包括进料口、出料口、排污口、排空口、压力表口、温度计口、安全阀口等。根据HG/T20583-2011《钢制化工容器结构设计规定》中9.3接管的要求：（1）压力容器用接管应采用无缝钢管；（2）接管最小外伸长度应不小于；（3）接管与带颈对焊法兰连接时，其外伸长度应不小于50mm。因此本设计接管采用无缝钢管，由HG/T20553-2011《化工配管用无缝及焊接钢管尺寸》中表2.0.2列举了Ia系列钢管的相关参数，如下表6-2所示。表6-2Ia系列钢管尺寸和理论质量Tab.6-2SizeandtheoreticalqualityofIaseriessteeltubes公称尺寸DN外径mm壁厚与单位长度理论质量Sch.80SSch.80Sch.120Sch.140Sch.160mmkg/mmmkg/mmmkg/mmmkg/mmmkg/m3242.45.04.615.04.616.35.614048.35.05.345.05.347.17.215060.35.67..555.67..558.811.18（65）87.112.0810.016.30注：1.壁厚系列号（Sch.No）后缀加S者，仅用于不锈钢钢管；2.带括号的规格尺寸尽量不采用。通过相关资料查得，储罐接管一般伸出长度为150mm～200mm，因此接管外伸长度取150mm，各接管内侧与内侧罐壁平齐，即内伸长度为0。由上表6-2选定本次储罐各接管的公称尺寸以及壁厚系列，接管壁厚系列均选用Sch.160，各接口接管的相关参数如下表6-3所示。表6-3接管相关参数Tab.6-3Takeoverrelatedparameters名称公称直径DN接管外径/mm接管壁厚/mm质量/kg·m-1外伸长度/mm进料口5060.38.811.8150出料口5060.38.811.8150排污口5060.38.811.8150排空口5060.38.811.8150压力表口401150温度计口401150安全阀口5060.38.811.8150在GB150.2-2011《压力容器》材料部分5.1.3中对10、20号钢以及Q345D的使用条件作出了相应规定：（1）压力容器的设计压力不得大于4.0MPa；（2）10号、20号钢和Q345D的使用温度下限分别为-10℃、0℃、-20℃；（3）钢管壁厚应不大于10mm；（4）上述材料不得在介质毒性程度为极度或者高度的容器之中。本次压力储罐的设计温度为1.837MPa，设计温度为50℃，接管壁厚为8.8mm或者7.1mm，乙烯处于经毒物质，所以无缝钢管的使用环境均符合以上条件，因此无缝钢管的材料可以选用Q345D。本次储罐进料口、压力表口、温度计口、安全阀口、排空口设置在储罐筒体顶部，出料口以及排污口设置在筒体下部。6.3选择接管法兰按照法兰连接方式来分，接管法兰大概可分为以下几种：板式平焊、带颈平焊、带颈对焊、螺纹、承插焊、带颈对焊环松套以及平焊环松套等多种类型。法兰密封面形式主要有平面、突面、凹凸面、榫槽面以及环连接面等几种。各法兰及其密封面的适用压力范围如下表所示。带颈对焊法兰不容易产生形变、有良好的密封性能，成本上也相对较低，适用于压力、温度较高的场合之中，因此本次接管法兰选用带颈对焊法兰，带颈对焊法兰结构图结构示意图如下所示。图6-2带颈对焊法兰结构图Fig.6-2Structurewithneckbuttweldflange根据HG/T20592-2009《钢制管法兰（PN系列）》中表8.2.3-3中得出PN25（2.5MPa）带颈对焊法兰相关参数，下表6-4所示。表6-4带颈对焊法兰相关参数Tab.6-4Relatedparametersofneckbuttweldflange公称尺寸ADKLn螺栓CNS≥H1H3242.4140100184M1618562.66424048.3150110184M1618642.67455060.3165125184M1620752.98486576.1185145188M1622902.91052接管法兰公称直径与接管相适应，根据上表6-4可得出，选择带颈对焊钢制管法兰的尺寸，各接管口法兰部分参数如下表所示。表6-5接管法兰参数（mm）Tab.6-5Takeoverflangeparameters（mm）名称公称直径DN法兰外径D法兰厚度C法兰高度H螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓进料口501652048184M16出料口501652048184M16排污口501652048184M16排空口501652048184M16压力表口401501845184M16温度计口401501845184M16安全阀口501652048184M16在《钢制管法兰（PN系列）》第4.0.1条中对钢制管法兰的材料作出了相应的规定：钢制管法兰应该采用锻件或者是铸件制作而成，本次钢制管法兰材料选用锻件制成，常见得锻件材料有A105、16MnD、16Mn、09MnNiD等几种，本次法兰材料选用16Mn。HG/T20614-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件选用配合规定（PN系列）》中表3.0.1列举了带颈对焊法兰各密封面的适用范围为如下表所示。表6-6带颈对焊法兰密封面适用范围Tab.6-6Applicablescopeofnecksealingflangesealingsurface密封面形式公称压力PN2.561016254063100突面RF-DN10～DN2000DN10～DN600DN10～DN400DN10～DN350凹面FM凸面M-DN10～DN600DN10～DN400DN10～DN350榫面T槽面G-DN10～DN600DN10～DN400DN10～DN350全平面FF-DN10～DN2000-环连接面RJ-DN15～DN400本次选用公称压力PN25（2.5MPa）的带颈对焊法兰，由上表选择法兰的密封面为凸面（M）。6.4选用法兰垫片根据HG/T20606-2009《钢制管法兰用非金属平垫片（PN系列）》3.3非金属垫片的使用条件可知，石棉橡胶板适用于：（1）公称压力PN等级不大于25（2.5MPa）；（2）工作温度在-40℃～300℃的范围内；（3）使用压力P（MPa）与使用温度T（℃）的乘积不能超过650。本次法兰垫片的使用环境条件均符合上述条件，因此可采用非金属平垫片石棉橡胶板，垫片示意图如下图所示。图6-3垫片示意图Fig.6-3Schematicdiagramofthegasket由《钢制管法兰用非金属平垫片（PN系列）》中表4.0.2-3凹凸面法兰用垫片选用公称直径为40mm以及50mm的垫片相关尺寸参数，如下表所示。表6-7垫片尺寸（mm）Tab.6-7Gasketsize(mm)名称公称尺寸DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度进料口5061871.5出料口5061871.5排污口5061871.5排空口5061871.5压力表口4049751.5温度计口4049751.5安全阀口5061871.56.5紧固件选择根据HG/T20613-2009《钢制管法兰用紧固件（PN系列）》5.0.3以及表5.0.4中的内容可知，公称压力PN大于16，且介质具有易燃特性的场合中，应该选用专用型全螺纹螺柱和Ⅱ型六角螺母，材料为35CrMo。由HG/T20613-2009附录A可得紧固件用平垫圈尺寸如下表6-8所示。表6-8紧固件用平垫圈尺寸表（mm）Tab.6-8Flatwashersizetableforfasteners（mm）规格M12M14M16M20M24M27内径131517212528外径242830374450厚度2.52.53344由HG/T20613-2009表5.0.7-11得出PN25带颈对焊法兰用螺柱长度、质量以及所用垫圈相关参数如下表6-9所示。表6-9螺栓参数Tab.6-9Boltparameters名称法兰公称尺寸DN螺纹数量螺柱平垫圈长度/mm质量kg/1000个内径外径厚度进料口50M1649014417303出料口50M1649014417303排污口50M1649014417303排空口50M1649014417303压力表口40M1648513617303温度计口40M1648513617303安全阀口50M16490144173036.6选择管道阀门阀门是管道系统中调节管道流量，防止介质回流，并且将储罐与管道系统隔离开来的主要元件，可以控制配备管路中的介质流动或者停止。按照阀门用途可将其分为截断阀、调节阀、止回阀以及分流阀等几大类。截断阀主要是将流体介质截断或者接通，包括截止阀、碟阀、闸阀、隔膜阀以及球阀等几种；调节阀主要是调节管道内流体的流量和压力，主要包括减压阀、节流阀以及调节阀等几种；止回阀主要是预防管道内流体介质倒流情况的发生；分流阀主要是对介质进行分配、分离或者混合，包括疏水阀以及分配阀等几种。压力管道上的进料口、出料口需要安装截断阀，以在特殊情况时将管内的流体介质截断或者接通，当发生危险情况时，截断储罐内介质和管道中的联系，防止系统的危险性扩大。本次进料管、出料管上选择的截断阀类型为截止阀，其主要有以下特点：阀门启闭时不会有摩擦产生，可保证其密封问题；采用上装式结构，有利于阀门管道的检验及维修；阀门采用单阀座设计，可以消除阀门中腔介质压力的异常增大而导致的安全问题；采用楔形密封结构，阀门的密封性不会受到由于管道内压力差变化而带来的影响，可以保证在各种工况下都可以保持严密状态；密封面设置有自清洁结构，管道中的介质沿密封面均匀通过时，会冲走密封面上的聚积物，可达到清洁密封面的作用。查阅截止阀相关型号，本次压力储罐中的进料管、出料管上的截止阀选用公称压力PN为25（2.5MPa），公称直径DN为50mm的铸钢法兰截止阀，其型号为J41H-25CDN50。储罐上的排空管、排污管在使用时需将管道打开，未使用时要保持密封状态，而截止阀有较好的密封性能，能够满足使用的要求，因此排空管、排污管阀门类型选用截止阀，其型号采用与进料管、出料管的型号相同为J41H-25CDN50。为在压力表发生故障或者对仪表进行校验时，可在系统运行条件下对压力表进行更换、维修或者校核，因此需要在压力表前安装阀门。通常情况下，压力表前安装阀门类型为球阀，若在高温高压的条件下也可安装与管路相适应的截止阀。综上所述，本次在压力表前安装阀门类型为球阀，型号选用QGM1DN40，表6-10为接口各阀门类型。表6-10管道阀门Tab.6-10Pipelinevalves名称公称尺寸DN阀门类型阀门型号进料口50截止阀J41H-25C出料口50截止阀J41H-25C排污口50截止阀J41H-25C排空口50截止阀J41H-25C压力表口40球阀QGM1

7开孔补强开孔会使压力储罐的强度减弱，开孔的大小与强度成反比，即开孔越大，应力在孔边就越集中，强度减弱越厉害。在储罐厚度设计时应该留有一定的安全裕量，也可将开孔直径的大小限制在一定的范围内，使得开孔所造成的强度减弱正好可由容器富裕壁厚来补偿。根据GB150.3-2011《压力容器》6.1.3以及相关资料的要求，当同时满足下列条件时，压力储罐可以不需另行补强设计：（1）设计压力≤2.5MPa；（2）储罐上两相邻开孔的中心距离要大于或者等于两开孔直径的和；对于3个或者3个以上相邻的开孔，任意两开孔间的中心距离不应小于两开孔直径之和的2.5倍；（3）接管公称外径≤89mm；（4）接管壁厚满足表7-1中的条件（表中接管的腐蚀裕量取为1mm，若接管腐蚀裕量增加时，接管壁厚也应相应增加）。表7-1接管壁厚条件（mm）Tab.7-1Contactwallthicknessconditions(mm)接管公称壁厚253238454857657689接管壁厚≥3.5≥4.0≥5.0≥6.0本次设计储罐的人孔公称直径DN为600mm，不满足GB150-2011《压力容器》中不需要另行补强（公称外径≤89mm）的要求，因此本次所设计的压力储罐需要对人孔进行开孔补强设计，而其他的储罐开孔均满足标准中不需另行补强的要求，因此不需要另外进行开孔补强设计。7.1计算方法及补强结构由相关资料可知，在压力储罐壳体、接管以及焊缝中都会存在壁厚超过承受基本应力以外的多余金属，这些金属称为富裕金属。富裕金属可以弥补因开孔而导致的强度减弱以及在开孔的边缘所产生的应力集中。若总富裕金属面积比需要补强的面积大，则不需要进行补强，否则储罐需要采用补强结构。（1）开孔补强计算方法储罐开孔补强主要用等面积法和分析法进行计算。根据GB150.3-2011《压力容器》6.1.1中的内容，等面积补强法一般适用于以下几种情况：1）当压力储罐筒体的内径Di不大于1500mm时，开孔直径需要满足以下两个条件：dop≤Di/2并且dop≤520mm；当储罐圆筒体内径Di大于1500mm时，最大开孔直径应该满足下列条件：dop≤Di/3且dop≤1000mm；2）当凸形封头或者球壳上需要开孔时，其最大允许直径应该满足dop≤Di/2的条件。本次设计储罐筒体直径为3000mm，人孔直径为600mm，Di/3=1000mm，符合上述要求，故可用等面积法对储罐进行补强设计。（2）补强结构形式储罐开孔补强通常有两种结构形式，即整体补强和补强圈补强。整体补强是通过将开孔处的元件进行整体加厚，使之达到不需要另加补强的要求。补强圈补强是一种局部补强手段，是在开孔部位增设补强圈以达到补强效果。在GB150.3-2011《压力容器》中规定采用补强圈补强时应符合以下要求：（1）低合金钢的标准抗拉强度下限值Rm小于540MPa；（2）补强圈的厚度≤1.5δn；（3）壳体的名义厚度δn≤38mm。查阅GB713-2014《锅炉和压力容器用钢板》6.3.1中的内容（如表7-2所示）可知，筒体材料Q345R在厚度为16～36mm时的抗拉强度Rm范围在500MPa～630MPa，抗拉强度下限为500MPa小于540MPa。综上所述本设计可采用补强圈进行人孔补强。表7-2Q345R力学性能参数Tab.7-2MechanicalpropertiesofQ345R材料交货状态厚度/mm抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL/MPaQ3