液氯卧式储罐设计

1、 目录第1章 绪论1第2章工艺设计32.1 储罐存储量32.2 储罐设备的选型3第3章 结构设计53.1 筒体及封头设计53.1.1材料的选择53.1.2 筒体壁厚设计53.1.3 封头壁厚设计63.2 接管的选取63.3 法兰的选取73.4 垫片的选取83.5 螺栓的选取83.6 人孔的选取93.6.1 人孔的结构设计93.6.2 核算开孔补强103.7 安全阀、液位计和压力表的选取123.8 容器支座的设计143.8.1 支座的选择143.8.2 鞍座位置的确定153.9 总体布局16第4章 强度计算174.1 弯矩和剪力的计算174.2 圆筒轴向应力计算及校核184.2.1 圆筒轴向应力

2、计算184.2.2 圆筒轴向应力校核194.3 圆筒和封头切应力计算及校核194.4 鞍座截面处圆筒的周向应力计算及校核 19第5章 焊接结构设计225.1 焊接接头设计225.2 焊条的选择23设计心得24参考文献25 第1章 绪论在固定位置使用、以介质储存为目的的容器称为储罐，如加氢站用高压氢气储罐、液化石油气储罐、战略石油储罐、天然气接收站用液化天然气储罐等；储罐有多种分类方法，按几何形状分为卧式圆柱形储罐、立式平底筒形储罐、球形储罐；按温度划分为低温储罐(或称为低温储槽)、常温储罐(90) 和高温储罐(90250 )；按材料可划分为非金属储罐、金属储罐和复合材料储罐；按所处的位置又可分

3、为地面储罐、地下储罐、半地下储罐和海上储罐等。单罐容积大于1000m3 的可称为大型储罐。金属制焊接式储罐是应用最多的一种储存设备，目前国际上最大的金属储罐的容量已达到2105m3。储罐通常是由板、壳组合而成的焊接结构。圆柱形筒体、球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头、锥形封头和膨胀节所对应的壳分别是圆柱壳、球壳、椭球壳、球冠+环壳、球冠、锥壳和环形板+环壳，而平盖（或平封头）、环形板、法兰、管板等受压元件分别对应于圆平板、环形板(外半径与内半径之差大10倍的板厚)、环(外半径与内半径之差小于10倍的板厚）以及弹性基础圆平板。上述7种壳和板可以组合成各种储罐结构形式，再加上密封元件、支座

4、、安全附件等就构成了一台完整的储罐。图1.1为一台卧式储罐的总体结构图，下面结合该图对储罐的基本组成作简单介绍。图1.1 储罐总体结构(1) 筒体筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是储罐最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。圆柱形筒体(即圆筒) 和球形筒体是工程中最常用的筒体结构。圆筒按其结构可分为单层式和组合式两大类。(2) 封头根据几何形状的不同，封头可以分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几种，其中球形、椭圆形、碟形和球冠形封头又统称为凸形封头。(3) 法兰储罐上需要有许多密封装置，如封头和筒体间的可拆式连接、容器接管与外管道间的可拆连接以及人孔、手孔盖的连

5、接等，储罐能否正常、安全地运行在很大程度上取决于密封装置的可靠性。(4) 开孔与接管由于工艺要求和检修的需要，常在储罐的筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。筒体或封头上开孔后，开孔部位的强度被削弱，并使该处的应力增大。这种削弱程度随开孔直径的增大而加大，因而容器上应尽量减少开孔的数量，尤其要避免开大孔。对容器上已开设的孔，还应进行开孔补强设计，以确保所需的强度。(5) 支座储罐靠支座支承并固定在基础上。圆筒形容器和球形容器的支座各不相同，圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，其中立式容器支座又

6、有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种；而球形容器多采用柱式或裙式支座。(6) 安全附件由于储罐的使用特点及其内部介质的化学工艺特性，往往需要在容器上设置一些安全装置和测量、控制仪表来监控工作介质的参数，以保证储罐的使用安全和工艺过程的正常进行。储罐的安全附件主要有安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等。上述六大部件(筒体、封头、法兰、开孔接管、支座及安全附件) 即构成了一台储罐的外壳。对于储存用的容器，这一外壳即为容器本身；对于用于化学反应、传热、分离等工艺过程的容器，则须在外壳内装入工艺所要求的内件，才能构成一个完整的产品。第2章 工艺设计2.1

7、储罐存储量盛装液氯的储罐设计存储量式中：W-存储量，t；-装量系数；V-储罐容积，m3；t-设计温度下的饱和溶液的密度，t/m3。由某些无机物重要物理性质表查得，液氯的密度为1314kg/m。根据设计条件2.2 储罐设备的选型目前我国普遍采用常温压力储罐一般有两种形式，球形储罐和圆筒型储罐。因为圆筒形储罐加工制造安装简单，安装费用少，但金属耗量大，占地面积大，所以在总储量小于500m3，单罐容积小于100m3时，选用卧式储罐比较经济。粗略计算储罐的内径：=25m3一般=36，取=4，得mm，圆整为2000mm。就力学性能而言，半球形封头效果较好，但是冲压工艺较难，不易成型。根据GB/T2519

8、8-2010储罐封头选用EHA椭圆形封头，公称直径=2000mm，总深度H=525mm，内表面积A=4.493m，容积V=1.1257m。图2.1椭圆形封头储罐体积V=则 ，圆整得L=7800mm。符合设计要求5% 符合设计要求综上所述，筒体的公称直径为=2000mm，长度L=7800mm。第3章 结构设计3.1 筒体及封头设计3.1.1材料的选择考虑液氯的特性以及材料的综合机械性能和使用的经济性，根据过程设备设计选择Q345R作为制造筒体和封头的材料。Q345R为储罐专用钢板，50时的许用应力（=616mm）。3.1.2 筒体壁厚设计（1）设计压力P液氯储罐的工作温度-1050，故取设计温度

9、t=50。由储罐介质手册查得该温度下的绝对饱和蒸气压为1.401MPa。在本次设计中的液氯储罐上装有安全阀，通常认为设计压力为工作压力的1.051.1倍，所以设计压力P=1.1（1.4010.1）=1.432MPa。（2）液柱静压力（3） 计算压力5%， 可忽略液柱静压力影响，所以 =P=1.432MPa。（4） 焊接接头系数本次液氯储罐的设计采用双面焊对接接头，100%无损检测，焊接接头系数取1。（5） 筒体计算厚度取厚度负偏差，腐蚀裕度；设计厚度查钢材标准规格，将其圆整为12mm；即名义厚度，有效厚度。检查：在616mm范围，故名义厚度取12mm合适。（6） 水压试验水压试验时，液体的温度

10、不低于5，取20；Q345R：MPa，MPa。MPa水压试验时应力： MPa水压试验许用应力：MPa 故筒体满足水压试验要求。3.1.3 封头壁厚设计标准椭圆形封头形状系数k=1。取厚度负偏差，腐蚀裕度；设计厚度查钢材标准规格，将其圆整为12mm与筒体相等；即名义厚度，有效厚度。检查：在616mm范围，故名义厚度取12mm合适。3.2 接管的选取液氯储罐应设置物料进口，物料出口，安全阀口，排污口，进气口，放气口，液位计口，压力表口，人孔。根据MPa查无缝钢管标准GB/T8163-2013，材料为20钢时，各接管尺寸如表3-1。表3-1 接管表名称公称直径外径壁厚连接尺寸标准理论质量kg/m物料

11、进管505712HG20595-200912.48物料出管505712HG20595-200912.48安全阀管505712HG20595-200912.48排污管505712HG20595-200912.48进气管505712HG20595-200912.48放气管505712HG20595-200912.48液位计管404510HG20595-200911.21压力表管404510HG20595-200911.21人孔45048012HG20595-20092653.3法兰的选取查HG/T20592-2009钢制管法兰，=2.5MPa时，法兰材料用20钢。设计温度为50时，最大允许工作压力

12、为2.25MPa，故公称压力选用2.5MPa。查HG/T20592-2009钢制管法兰，根据公称压力2.5MPa，公称直径50mm和40mm选择法兰，但考虑到连接面形式和剧毒介质液氯的密封要求较高，综合各种因素，故选用带颈对焊法兰，如图3.1所示，密封面型式为FM。法兰参数如表3-2所示。图3.1 带颈对焊法兰表3-2 法兰尺寸表管口名称公称直径DN钢管外径A1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螺栓Th法兰厚度C法兰高度H法兰颈法兰理论质量（kg）NSH1RBB物料进管5057165125184M162048744853.11物料出管5057165125184M1620487

13、44853.11安全阀管5057165125184M162048744853.11排污管5057165125184M162048744853.11进气管5057165125184M162048744853.11放气管5057165125184M162048744853.11液位计管4045150110184M161845642.6762.05压力表管4045150110184M161845642.6762.053.4垫片的选取因为公称压力为2.5MPa，而且工作温度不是太高，液氯的腐蚀性可以忽略，该密封属于静密封，压紧面安装时易于对中，还能有效的防止金属垫片被挤出压紧面，所以垫片选用石棉橡胶垫

14、片即可满足要求，查HG/T20606-2009钢制管法兰用非金属平垫片得垫片尺寸，如表3-3。垫片结构如图3.2所示。图3.2 垫片结构表3-3 垫片尺寸表管口名称公称直径DN(mm)内径D1(mm)外径D2(mm)厚度(mm)物料进管5061871.5物料出管5061871.5安全阀管5061871.5排污管5061871.5进气管5061871.5放气管5061871.5液位计管4045751.5压力表管4045751.53.5螺栓的选取根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺柱材料。计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q235-A。查HG20613-2

15、009钢制管法兰用紧固件的螺栓长度和平垫片尺寸，如表3-4。表3-4 螺栓及垫圈尺寸管口名称公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈 mmd1d2h物料进管50M169017303物料出管50M169017303安全阀管50M169017303排污管50M169017303进气管50M169017303放气管50M169017303液位计管40M169017303压力表管40M1690173033.6 人孔的选取3.6.1 人孔的结构设计查储罐与化工设备实用手册，采用回转盖带颈对焊法兰人孔。人孔的公称直径=450mm，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/T 21518-2

16、005回转盖带颈对焊法兰人孔，由=2.5MPa选用突面的密封形式RF型，采用8.8级35CrMoA等长双头螺柱连接。人孔尺寸如表3-5，结构如图3.3。表3-5 人孔尺寸结构密封面型式公称压MPa公称直径dWSdDD1RF2.545048012456670600H1H2bb1b2AB250121424146375175Ld0螺柱数量螺母数量螺柱尺寸总质量 kg回转盖250242040M332165265带颈对焊法兰图3.3人孔结构示意图3.6.2 核算开孔补强根据GB150，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中间的间距大于两孔直径之和的2.5倍，且接管公称外径不大于8

17、9mm时，接管厚度满足要求，不另行补强。本次设计人孔的公称外径为450mm，大于89mm，所以进行补强圈补强。（1）补强设计方法判别开孔直径 满足等面积开孔补强计算的适用条件，故采用等面积法进行开孔补强计算。（2）开孔所需补强面积接管材料选用20号钢，根据材料许用应力表查得137MPa；其中：壳体开孔处计算厚度=8.4592mm。接管有效厚度 强度削弱系数 开孔所需补强面积为mm2（3）有效补强范围有效补强范围的宽度B取二者中较大值，故B=909mm。有效补强范围的外侧高度取二者中较小值，故=73.85mm。有效补强范围的内侧高度取二者中较小值，故=0mm。（4）补强范围内补强金属面积-壳体有

18、效厚度减去计算厚度之外的多余面积。-接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。接管计算厚度 -有效补强区内焊缝金属截面积。由于本次设计的储罐是存放有毒介质的，所以选用D类接头形式焊接;（5） 补强圈的选取 因为A，所以需另加补强，其补强面积为：查表JB/T4736-2012规定的补强圈尺寸系列，应选用的补强圈厚度为10mm，补强材料与筒体材料相同，为Q345R。3.7 安全阀、液位计和压力表的选取（1）安全阀的选用安全阀的作用是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。其优点是仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体

19、排出而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易。但密封性能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。安全阀主要由阀座、阀瓣和加载机构组成。阀瓣与阀座紧扣在一起形成一密封面，阀瓣上面是加载机构。图3.4为弹簧式安全阀。图3.4 弹簧式安全阀当容器内的压力处于正常工作压力时，容器内介质作用于阀瓣上的力小于加载机构施加在它上面的力，两力之差在阀瓣与阀座之间构成密封比压，使阀瓣紧压着阀座，容器内的气体无法排出；当容器内压力超过额定的压力并达到安全阀的开启压力时，介质作用于阀瓣上的力大于加载机构加在它上面的力，于是阀瓣离开阀座，安全阀开启，容器内的气体通过阀座排出。如果容器的安全泄放量小于安

20、全阀的额定排放量，经一段时间泄放后，容器内压力会降到正常工作压力以下(即回座压力)，此时介质作用于阀瓣上的力已低于加载机构施加在它上面的力，阀瓣又回落到阀座上，安全阀停止排气，容器可继续工作。安全阀通过作用在阀瓣上的两个力的不平衡作用，使其关闭或开启，达到自动控制储罐超压的目的。 安全阀的选用应综合考虑储罐的操作条件、介质特性、载荷特点、容器的安全泄放量、防超压动作的要求(动作特点、灵敏性、可靠性、密闭性)、生产运行特点、安全技术要求，以及维修更换等因素。对于易燃、毒性程度为中度以上危害的介质，必须选用封闭式安全阀，如需带有手动提升机构，须采用封闭式带扳手的安全阀；对空气或其他不会污染环境的非

21、易燃气体，可以选用敞开式安全阀；高压容器及安全泄放量较大而壳体的强度裕度又不太大的容器，应选用全启式安全阀；微启式安全阀宜用于排量不大，要求不高的场合；高温容器宜选用重锤杠杆式安全阀或带散热器的安全阀，不宜选用弹簧式安全阀。由于液氯属于有毒介质，高度危害，所以需要气体全部通过排气管排放，介质不能向外泄漏故选用弹簧全启全封闭安全阀。根据由本设计的温度、压力、介质等基本参数，选择型号为A42H- 16C 的安全阀。（2）液位计的选用本次设计选用磁性浮子液位计。由于工作温度最低-10最高50， 密度粘度也随之变化，又根据简体内径=2000mm，公称压力=1.6MPa，所以选用此液位计。采用磁性浮子液

22、位计，普通型，压力等级为1.6 MPa。根据实际要求，选用液位计的长度为2400mm。标记HG/T21584-1995UZ1.6M-2400- 1.314 BF321C。（3）压力表的选择压力表是用来测量压力的仪表，在储罐上装设压力表后，可直接测出容器内介质的压力值，以便一旦发生异常情况时，可及时发现和作出处理。图3.5为Y-B系列压力表。图3.5Y-B系列全不锈钢压力表压力表的最大量程，即表盘刻度极限值应与容器的工作压力相适应。压力表的量程一般为容器最高工作压力的1.53倍，最好取2倍。在稳定压力下，最高工作压力不应超过刻度极限的70%；在波动压力下，不应超过60%。如果压力表的量程与容器的

23、工作压力相比过大，则由于同样精确度的压力表，量程越大时，其允许误差的绝对值和肉眼观察的偏差就越大，会影响压力读数的准确性。反之如果容器的工作压力接近或等于压力表刻度的极限值，则会使压力表中的弹性元件长期处于最大的变形状态下，容易产生永久变形，引起压力表的误差较大和使用寿命降低。更值得注意的是，选择量程过小的压力表后，万一储罐超压运行，压力表指针转一圈接近零位会误认为无压力，从而造成不应发生的事故。储罐用压力表必须具有足够的精度，低压容器上装设的压力表精度应不低于2.5 级，中、高压和超高压容器上应不低于1.5级。根据压力表选型手册和经济耐用性原则，首先选用通用型压力表，又由于工作地点在室外，容

24、易腐蚀，所以选择全不锈钢压力表。根据尺寸表和压力值，故最后确定选用Y-60B 型号的全不锈钢压力表。3.8 容器支座的设计3.8.1 支座的选择本卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-A.F。（1）估算鞍座的负荷: 储罐总质量：筒体质量：kg单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002钢制储罐用封头，kg充液质量：kg附件质量：人孔质量为265kg，其他接管质量总和估100kg，即=365kg所以，kgN，每个鞍座承受的重量为200257N，查JB/T4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为A，包角为120，有垫板的鞍座。鞍座尺寸如表3-6，结构如图3.6。表3-6鞍座结构尺寸

25、公称直径允许载荷鞍座高度底板腹板筋板DNQ/kNhl1b112l3b2b332000300250142022012103301902608垫板螺栓配置鞍座质量增加100mm高度增加的质量kg弧长b44el2dl螺纹2330430108012602040M1616017图3.6 鞍式支座3.8.2 鞍座位置的确定中国现行标准JB/T 4731-2005钢制卧式容器规定A0.2(L+2h)，A 最大不超过0.25L，否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。由标准椭圆封头 ，mm故A 0.2(L+ 2h)=0.2(7800+ 225)= 1750mm 由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，

26、故封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此JB/T 4731还规定当满足A0.2(L+2h)时，最好使A0.5，即A0.51000=500mm综上所述：A=500mm鞍座标记为：JB/T4712.1-2007支座A 2000-FJB/T4712.1-2007 支座A 2000-S3.9 总体布局液氯卧式储罐总体布局如图3.7所示。液氯进口管外伸高度150mm，液氯出口管外伸高度150mm，排污管外伸高度150mm，进/出气管外伸高度150mm；安全阀管外伸高度150mm，压力表管外伸高度150mm，液位计管外伸300mm，人孔外

27、伸高度400mm。接管与接管间距700mm，接管与封头间距900mm，接管与人孔间距1100mm，与焊缝距离不小于150mm，鞍座距封头切线500mm。图3.7 卧式储罐第4章 强度计算4.1 弯矩和剪力的计算双鞍座卧式储罐结构简图如图所示。图4.1 双鞍座卧式储罐鞍座的反力：N圆筒内半径：mm封头曲面深度：H=500 mm封头切线间距离：L=7850mm鞍座离封头切线距离：A=500mm（1）鞍座跨中截面处的弯矩Nmm（2）鞍座截面处的弯矩（3）鞍座截面处的剪力 因为鞍座离封头切线距离，故鞍座截面处的剪力。 剪力图、弯矩图如图所示。图4.2 剪力图图4.3 弯矩图4.2 圆筒轴向应力计算及校

28、核4.2.1圆筒轴向应力计算（1）两鞍座跨中截面处圆筒的轴向应力跨中截面最高点MPa跨中截面最低点MPa（2）鞍座截面处圆筒的轴向应力鞍座截面最高点MPa鞍座截面最底点MPa4.2.2 圆筒轴向应力校核在操作工况条件下，轴向拉应力不得超过材料在设计温度下的许永应力，压应力不应超过轴向许用临界应力和材料的。，MPa，均小于，故满足强度要求。4.3 圆筒和封头切应力计算及校核（1）鞍座截面处无加强圈但被封头加强的圆筒最大切应力；MPa（2）封头切应力MPa（3）圆筒和封头切应力校核 圆筒的切应力不应超过设计温度下的材料许永应力的0.8倍，即满足 一般情况下，封头与筒体材料均相同，其有效厚度往往小于

29、筒体的有效厚度，故封头中的切应力不会超过筒体，所以不必单独对封头中的切应力另行校核。故满足强度要求。4.4 鞍座截面处圆筒的周向应力计算及校核（1）圆筒截面最低点处的周向压应力mmMPa（2）无加强圈圆筒鞍座处最大周向应力 鞍座边角处的最大周向应力MPa 鞍座垫板边缘处圆筒中周向应力MPa（3）周向应力的校核周向压应力不得超过材料的许用应力，即；、应不大于材料许用应力的1.25倍，即，。故满足强度要求。NmmMPaMPaMPaMPaMPaMPaMPaMPaMPa综上所述，本次设计的容器弯矩和剪力、圆筒轴向应力、圆筒和封头切应力、鞍座截面处圆筒的周向应力经校核均满足强度要求。第5章 焊接结构设计

30、5.1 焊接接头设计由于筒体、封头与筒体焊接为A类、B类，不允许采用搭接焊，所以采用对接接头焊接。对接接头焊接特点：受热均匀、受力对称、便于无损检测，焊接质量容易得到保证。该容器上的接管与壳体以及补强圈之间的焊接一般只能采用角接和搭接。综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介质是高毒性介质，容器筒体，封头与接管法兰的厚度均在326mm的范围内，为了减小焊接变形和残余应力，因此可取接头坡口为V 型。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。接管与筒体的焊接接头坡口为。人孔处接管、补强圈的焊接采用角焊，坡口为。所以本次设计的壳体A、B 类焊接接头应为X 型的。对于人孔、补强圈与壳体的接头选用采用角接和搭接。各部位焊接详图如图所示图5.1 壳体对接焊缝图5.2 接管与壳体焊接图5.3 内伸式接管与壳体焊接图5.4 补强圈与壳体、人孔焊接5.2 焊条的选择考虑母材力学性能与化学材料，构件的结构与刚性和经济性，该容器所用焊条使用型号如下表：表5-1 焊条型号及牌号接头母材焊条型号焊条牌号Q345R+Q345RE5015J507碳钢+Q345RE4315J427碳钢+碳钢E4315J427设计心得本次过程设备课程设计历时三周，是学习专业知识以来第三次独立的设计。从刚开始的茫然到逐渐摸清思路进入状态，我们通过唐老师的指导和独自动手思考