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1、 前 言 随着我国石油化工行业的快速发展，液化石油气作为炼油化工的副产品，以其经济高效、清洁环保以及灵活方便的优势占据着城乡能源市场，储配站的液化石油气通常采用球形储罐或卧式储罐进行储存。液化石油气是一种低碳的烃类混合物，主要由乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯及少量的戊烷、戊烯等组成。常温常压下是气态，在加压和降低温度的条件下变成液体。气态相对密度为空气的 2 倍，液化石油气的饱和蒸气压随温度升高而急剧增加，其膨胀系数较大,一般为水的 10 倍以上，气化后体积膨胀 250 300 倍。液化石油气是一种极易燃烧、爆炸的石油化工原料，其储罐属于具有较大危险的储存容器之一。因此，在满足设施功能要求
2、下，储罐具有良好的安全性是设计的首要问题。目前我国普遍采用的常温压力贮罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。球形储罐与圆筒形储罐相比，前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般储存总量大于 500m3或单罐容积大于 200m3时选用球形储罐比较经济。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 500m3，单罐容积小于100m3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
3、选用立式。本次设计对液化石油气卧式储罐进行设计计算。主要内容包括储罐工艺参数计算、储罐的结构设计、储罐的强度计算、应力校核、绘制设备总图以及针对一些安全问题提出对策措施。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。目 录 1 概述.1 1.1 设计任务及原始参数.1 1.2 液化石油气的性质.1 2 工艺参数计算.3 2.1 设计压力的确定.3 2.2 设计温度的确定.3 2.3 设计存储量的确定.3 3 储罐的结构设计.4 3.1 筒体的材料选择及结构设计.4 3.2 封头的材料选择及结构设计.5 3.3 法兰和接管的结构及材料
4、选择.6 3.4 人孔的结构设计.8 3.5 支座的材料选择及结构设计.8 3.6 安全装置的设计.10 3.6.1 安全阀的选用.10 3.6.2 液位计的选用.12 3.6.3 压力表的选用.13 3.7 焊接接头设计.13 4 储罐的补强设计.14 5 储罐的强度计算及应力校核.16 5.1 储罐的强度计算.16 5.1.1 圆筒轴向应力.16 5.1.2 圆筒切向剪应力.18 5.1.3 封头切向剪应力.18 5.1.4 圆筒周向应力.18 5.2 储罐的应力校核.18 5.2.1 圆筒及封头的应力校核.18 5.2.1 支座的应力校核.19 6 安全管理.20 7 设计总结.21 参
5、考文献.22 22 1 概述 1.1 设计任务及原始参数 本次设计要求根据给定的资料和数据，设计一个液化石油气储配站使用的液化石油气卧式储罐。相关要求及数据如下表 1-1 所示。表 1-1 液化石油气储罐的原始数据 存储介质 液化石油气 工作压力（MPa）1.61 工作温度（）-2050 公称直径（mm）2300 容积（m3）60 充装系数 0.9 其他要求 100%探伤 1.2 液化石油气的性质 液化石油气在常温常压下呈气态，在常温加压或常压低温下很容易从气态转变为液态，便于运输及贮存，故称液化石油气。液化石油气主要组成有丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等四种。除上述主要成分外，有的还含有少量的戊烷、
6、硫化物和水等。通常所说的液化石油气都存在液、气两种形态，液、气态处于动态平衡中。液化石油气沸点很低，储罐内液化石油气受热膨胀，很可能会将储罐内空间充满，导致钢瓶胀裂发生爆炸。液化石油气的饱和蒸汽压是随温度而变化的，温度升高，蒸汽压也增大。此外液化石油气的蒸汽压和组份有关，不同组份有不同的蒸汽压。大约温度每升高 1，蒸汽压力增大约0.020.03MPa。液化石油气极易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物。遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。此外，液化石油气还具有易爆性，液化石油气的爆炸极限为 1.5%9.5
7、%，其爆炸极限范围比汽油大，爆炸下限低，比汽油更易发生燃烧爆炸。易产生静电积聚，在收发作业中易产生大量的静电积聚，易引起静电事故。易膨胀性，液化石油气的膨胀系数大约是同温度下水的 1015 倍。当温度升高时，液化石油气的体积增大，压力急剧升高，一旦超过容器承压极限，就会造成容器破裂，增大火灾爆炸的危险性。具有冻伤危险性，液化石油气气化潜热很大，平时液化石油气是加压液化储于钢瓶或罐中，在使用时减压后由液态汽化变为气体，这时会吸收大量热量。若容 22 器破裂，液化石油气由容器中喷出，溅到人身上，将会造成冻伤；毒性，当人大量吸入液化石油气后会中毒，使人昏迷、呕吐、不适，严重时可使人窒息死亡，也可引起
8、多种慢性病。22 2 工艺参数计算 2.1 设计压力的确定 根据 TSG_R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程，设计压力是指设定的卧式容器顶部的最高压力，其值不低于工作压力。当容器上装有安全阀时，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。安全阀开启压力是指阀瓣在运行条件下开始升起，介质连续排出的瞬时压力，其值小于等于1.051.1倍容器的工作压力。规定的工作压力为1.61MPa，取设计压力为工作压力的 1.1倍，即设计压力应为：Pd=1.1 P=1.1 1.61=1.771Mpa 式中 Pd设计压力，MPa；P工作压力，MPa。2.2 设计温
9、度的确定 设计温度是指容器在正常操作时，在相应的设计压力下，壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度（壳体沿截面厚度的平均温度）。当壳壁或元件金属的温度低于-20，按最低温度确定设计温度，除此之外，设计温度一律按最高温度选取。液化气储罐的工作温度为-2050，所以设计温度取最高温度 50。2.3 设计存储量的确定 液态丙烷的密度为 507kg/m3，液态丁烷的密度为 583kg/m3，在丙烷:丁烷=5:5 时，液态液化石油气的密度为 545kg/m3。设液态液化石油气的密度为 545kg/m3进行计算，液化气储罐的设计存储量应为：W=V=0.9 60 545=29430kg 式中 W设计存储量，
10、kg；充装系数；V容积，m3；液化石油气密度，kg/m3。22 3 储罐的结构设计 3.1 筒体的材料选择及结构设计（1）筒体的材料选择 根据 GB150.2-2011固定式压力容器第二部分：材料中表 2 的规定，储罐筒体的材料选用 Q345R，钢板标准为 GB713。由于储罐的工作温度为-2050，相应温度下选许用应力为 189MPa，钢板厚度为 316mm。（2）筒体长度设计 筒体直径 DN=2300mm，根据 JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头，选用 EHA椭圆形封头，封头容积V封=1.7588m3。V筒+2V封=V 2.324 L+2 1.7588m3=60m30.9 L=
11、15.20m 式中 L筒体长度，m。筒体长度取整为 15200mm。（3）筒体厚度的设计 根据 GB150.3-2011固定式压力容器第三部分：设计计算筒体厚度。储罐设计要求需 100%探伤，所以取其焊接系数=1.00。=pcDi2t pc=1.771 23002 189 1.00 1.771=10.827mm 式中 Di圆筒内直径，mm；筒体计算厚度，mm；pc计算压力，MPa；t设计温度下封头材料的许用应力，MPa；焊接接头系数。根据锅炉压力容器安全中的建议，取钢板厚度负偏差 C1=0.8mm，腐蚀裕度C2=2mm。+C1+C2=10.827+0.8+2=13.627mm 加钢材圆整值后名
12、义厚度n=14mm。22 筒体的相关设计汇总如下表 3-1。表 3-1 筒体的设计 项目 数据 筒体材料 Q345R 筒体长度（mm）15200 筒体名义厚度（mm）14 3.2 封头的材料选择及结构设计（1）封头的材料选择 根据 GB150.2-2011固定式压力容器第二部分：材料中表 2 的规定，封头材料选用 Q345R，钢板标准为 GB713。由于储罐的工作温度为-2050，相应温度下选许用应力为 189MPa，钢板厚度为 316mm。（2）封头的结构设计 由上一节筒体的长度设计的结论可知，选用 EHA 椭圆形封头。根据 JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头，总深 H=615m
13、m，内表面积 A=6.0233m2。DN2(H h)=2 23002 (615 h)=2 h=40mm 式中 DN筒体公称直径，mm；h封头直边高度，mm。封头内曲面深度 hi=615 40=575mm（3）封头厚度的计算 根据 GB150.3-2011固定式压力容器第三部分：设计计算封头厚度。储罐设计要求需 100%探伤，所以取其焊接系数=1.00。Di2hi=23002 575=2 由 GB150.3-2011固定式压力容器第三部分：设计中的规定，取 K=1.00。=KpcDi2t 0.5pc=1.00 1.771 23002 189 1.00 0.5 1.771=10.801mm 式中
14、Di与封头连接的圆筒内直径，mm；封头计算厚度，mm；22 K椭圆形封头形状系数；pc计算压力，MPa；t设计温度下封头材料的许用应力，MPa；焊接接头系数。根据锅炉压力容器安全中的建议，取钢板厚度负偏差 C1=0.8mm，腐蚀裕度C2=2mm。+C1+C2=10.801+0.8+2=13.601mm 加钢材圆整值后名义厚度n=14mm。根据 JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头查得，相应封头的质量为 650.1kg。封头的相关设计汇总如下表 3-2。结构尺寸如图 3-1。表 3-2 封头的设计 项目 数据 封头材料 Q345R 封头类型 EHA 椭圆形封头 封头总深（mm）615
15、封头内表面积（mm2）6.0233 封头直边高度（mm）40 封头内曲面深度（mm）575 封头名义厚度（mm）14 封头质量（kg）650.1 图 3-1 封头结构尺寸 3.3 法兰和接管的结构及材料选择 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。各接口都应设置相应的接管，通过法兰与外界连接。（1）法兰的结构及材料选择 设计压力 1.771MPa，根据 HT/G 20592-2009 钢制管法兰 表 3.1.4，选用 PN=6MPa，22 板式平焊法兰 PL。根据 HT/G 20592-2009钢制管法兰表 8.1.
16、1，PN=6MPa 时，液位计口选接管公称直径 32mm，压力表口，温度计口选接管公称直径 20mm，其余管口可选接管公称直径 DN=80mm。由介质特性和使用工况，根据 HT/G 20592-2009钢制管法兰表 3.2.2，选择密封面形式为突面 RF。根据各管公称直径及 HT/G 20592-2009钢制管法兰表 8.2.2-1 得各法兰的尺寸如表 3-3 所示。表 3-3 各法兰的尺寸 (mm)部件 公称尺寸DN 钢管外径A1 连接尺寸 法兰厚度 C 法兰内径B1 A B 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（个)螺栓 Th A B 排污口 80 88.9 89
17、 190 150 18 4 M16 18 90.5 91 气相平衡口 80 88.9 89 190 150 18 4 M16 18 90.5 91 气相口 80 88.9 89 190 150 18 4 M16 18 90.5 91 出液口 80 88.9 89 190 150 18 4 M16 18 90.5 91 进液口 80 88.9 89 190 150 18 4 M16 18 90.5 91 液位计口 32 42.4 38 120 90 14 4 M12 16 43.5 39 温度计口 20 26.9 25 90 65 11 4 M10 14 27.5 26 压力表口 20 26.9
18、 25 90 65 11 4 M10 14 27.5 26 安全阀口 80 88.9 89 190 150 18 4 M16 18 90.5 91 排空口 80 88.9 89 190 150 18 4 M16 18 90.5 91 根据 HT/G 205922009钢制管法兰表 4.0.1，接管法兰材料选用 16MnD。（2）接管的结构及材料选择 接管选用无缝钢管。根据压力容器与化工设备实用手册中表 1-2-2 确定接管的相关尺寸，如表 3-4 所示。表 3-4 各接管的尺寸 (mm)名称 公称直径 管子外径 管口伸出量 管子壁厚 数量 排污管 80 89 150 4 1 气相平衡管 80
19、89 150 4 1 气相管 80 89 150 4 1 出液管 80 89 150 4 1 进液管 80 89 150 4 1 液位计管 32 38 100 3.5 2 温度计管 20 25 100 3 1 压力表管 20 25 100 3 1 安全阀管 80 89 150 4 1 排空管 80 89 150 4 1 接管材料选用 16MnD。22 3.4 人孔的结构设计 人孔是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷的结构。人孔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。在人孔法兰与人孔盖之间
20、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。人孔的结构采用带整体锻件凸缘补强的回转盖，采用板式平焊法兰连接，密封面采用突面 RF 形式。人孔的公称直径取 DN=500mm，以方便工作人员的进入检修。根据 HG/T 21517-2014回转盖带颈对焊法兰人孔表 3-3 确定人孔。人孔的相关尺寸如下表 3-5所示。表 3-5 人孔的相关尺寸 （mm）密封面型式 公称压力 PN（MPa）公称直径 d D D1 H1 H2 b 突面 2.5 500 53012 5
21、06 730 660 280 128 44 b1 b2 A B L dD 螺柱 螺母 螺柱 总质量（kg）数量 直径长度 46 48 405 200 300 30 20 40 M332170 303 根据 HG/T 21517-2014回转盖带颈对焊法兰人孔表 3-1，人孔筒节的材料选用Q345R。人孔位置选在距封头切线 2000mm 处。3.5 支座的材料选择及结构设计（1）支座负荷的计算 储罐总质量 m=m1+2m2+m3+m4 式中m1筒体质量，kg；m1=V=DL =7.85 103 2.3 0.014 15.2 =12070kg Q345R 钢材密度，查阅资料，为7.85 103kg
22、/3；2封头质量，kg；22 3充液质量，kg；3=(筒+2封)=1000 (2.324 15.2+2 1.7588m3)=66670kg 式中水的密度大于液化石油气，水压试验充满水，故取密度 1000kg/m3。4附件质量，人孔质量为 303kg，其余接管质量为 200kg，附件质量为 503kg。储罐总质量为 m=m1+2m2+m3+m4 =12070+2 650.1+66670+505 =80545.2kg 单个支座负荷 Q=m2=80545.22=40272.6kg （2）支座型式和尺寸的选择 根据 JB/T 4712-2007容器支座，液化石油气储罐支座选用轻型鞍式支座。支座型式特征
23、如下表 3-6 所示，支座尺寸如下表 3-7 所示。表 3-6 支座的型式特征 型式 包角 垫板 筋板数 轻型 焊制 120 有 6 表 3-7 支座的尺寸 (mm)公称直径 DN 允许载荷Q(kN)鞍座高度 h 底板 腹板 筋板 1 1 1 2 3 2 3 3 2300 410 250 1660 240 14 10 255 208 290 8 垫板 螺栓配置 鞍座质量kg 增加 100mm 高度增加的质量kg 弧长 4 4 e 间距 2 螺孔 d 螺纹 孔长 l 2680 500 10 100 1460 24 M20 40 215 20 （3）支座位置的确定 当外伸长度 A=0.207L 时
24、，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸 A 不超过 0.2L 值，根据 JB/T 4731-2005钢制卧式容器规定 A0.2L总=0.2(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。22 标准椭圆封头 h=40mm，故 A0.2L总=0.2(L+2h)=0.2(15200+240)=3056mm 由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
25、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，JB/T 4731-2005钢制卧式容器还规定当满足 A0.2L 时，最好使 A0.5Rm，其中 Rm=Ri+n/2。即 A0.5(1150+142)=578.5mm 取 A=550mm。式中 A支座中心到封头切线的距离；L总为筒体和两封头的总长。鞍座标记为：JB/T 4712.1-2007，支座 A2300-F。3.6 安全装置的设计 3.6.1 安全阀的选用 本液化石油气储罐的设计压力在1.6MPa以上，属于第三类压力容器，必须设置安全阀。（1）安全阀最大泄放量的计算 一般情况下，液化石油气储罐不保温，储罐安全泄放量
26、可按下式计算。W=2.55 105FAe0.82H1 式中 W液化石油气储罐的安全质量泄放量，kg/h；Hl液相液化石油气的蒸发潜热，液化石油气50时的汽化潜热取300kJ/kg；F容器外壁校正系数，储罐在地面上无保温，取F=1.0；Ae储罐的湿润面积，m2。对椭圆形封头的卧式储罐有=0(+0.30)式中 D0储罐外径，mm；D0=Di+2n=2300+2 14=2328mm l为卧式储罐总长，mm。=L+2H+2n=15200+2 615+2 14=16458mm 22 Ae=D0(+0.3D0)=2.328 (16.458+0.3 2.328)=125.48 W=2.55 105FAe0.
27、82H1 =2.55 105 1.0 125.480.82300 =44694kg/h（2）安全阀喷嘴面积及内径的计算 液化石油气储罐安全阀起跳排放出的是气体，其喷嘴面积可按一般气体安全阀喷嘴面积通用公式计算，安全阀的排气能力决定于安全阀的喷嘴面积。即根据安全阀出口压力的大小不同，安全阀的排气能力应按临界条件和亚临界条件两种状况进行计算。液化石油气储罐安全阀放空气体一般排入火炬系统或直接高空排放，其出口侧压力P0很小，因此安全阀的排气能力可按临界条件计算。根据安全阀的设置和选用 A 13.16WC0 X P MZT 式中 W安全阀的质量泄放流量，kg/h;A安全阀的最小泄放面积，mm2；X气体
28、的特性系数，仅与气体的绝热系数k有关，对于液化石油气，绝热指数k1.15，根据安全阀的设置与选用表16.1，得X=332；C0流量系数，与安全阀的结构型式有关，应根据试验数据确定，无参考数据时，可按下述规定选取：对全启式安全阀：C0=0.60.7；对带调节圈的微启式安全阀：C0=0.40.5；对不带调节圈的微启式安全阀：C0=0.250.35；液化石油气储罐设置的安全阀，需要有较大的排气能力，应选用全启式安全阀，取C0=0.65；Z安全阀进口处气体的压缩因子，液化石油气的压缩因子Z0.7；T安全阀进口处介质的热力学温度，安全阀排放温度T=323343 K。M气体的摩尔质量，取50 kg/kmo
29、l。A 13.16WC0 X P MZT 22 =13.16 446940.65 332 1.771 500.7 323 =3273mm2 全启式安全阀内径d为 d=4A=4 3273=64.6mm 根据锅炉压力容器安全表 5-5 安全阀的公称直径，取内径 d 为 80mm，流通直径 d0则为 50mm。根据化工管路手册，选用 A42F-16C 液化石油气安全阀。3.6.2 液位计的选用 常用液面计有玻璃管液面计、玻璃板液面计、磁性液面计和彩色石英管液面计等。玻璃管液面计：主要用于公称压力不大于 1.6MPa，使用温度为 0200，介质流动性较好的液体。虽然其结构简单、操作方便、维修方便、价格
30、低廉，但存在适用范围较窄，怕碎、不坚固、不安全、不耐压、显示不清楚、使用温度低等弱点。玻璃板液面计：主要用于透明或较透明的介质中，其公称压力比玻璃管液面计稍高，可达到 6.3MPa，使用最高温度达到了 250。它不仅有结构简单、观察直观、安装方便、维修简单等优点，且比玻璃管液面计适用范围更为广泛。但其也具有与玻璃管液面计相似的缺点即：指示清晰度差；测量范围较小，在超过其测量范围时要采用组合式玻璃板液面计，其体积大、笨重、且存在观察盲区；易破裂等。磁性液面计：常用于密度不小于 0.45g/cm3 的液体，主要是透明和半透明的介质，但有时也可用于原油等较高粘度介质的液位检测，其测量范围较之玻璃管液
31、面计和玻璃板液面计大很多，最大可达到 7m，且适用的公称压力达到了 16MPa，适用温度范围也达到了40300。彩色石英管液面计：适用于水、油、酸等多种介质，特别适用于两种混合不易分辨的介质液位，如油水混合液体等，且适用与重油等高粘度介质的液位检测。其优点有：气、液相显示清晰，特别适用于远距离观察与夜间巡视；无盲区、密封性能好、耐高温高压、防粘稠、质量轻、寿命长等。缺点有：测量范围不大，不适用于一些高液位的测量。综上所述，从经济角度考虑，在满足设计要求的情况下，选用玻璃管液面计。22 3.6.3 压力表的选用 压力表的选型主要参照使用环境、测量介质、精度、量程以及外形尺寸。由于储罐工作压力为
32、1611kPa，压力在 40kPa 以上，选用弹簧管压力表。根据生产工艺、经济实用、检测方法等要求，液化石油气储罐为一般测量用压力表，精度等级选用 1.6 级。压力表在管道和设备上安装，表盘直径选用 l00mm。3.7 焊接接头设计 压力容器受压部分的焊接接头分为 A、B、C、D 四类，封头与圆筒连接的环向接头采用 A 类焊缝。焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，
33、生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为双面 V 型坡口。根据 Q345R 的抗拉强度为 490Mpa 和屈服点为 325Mpa 选择 E50 系列的焊条，型号为 E5014。该型号的焊条是铁粉钛型药皮，适用于全位置焊接，熔敷效率较高，脱渣性较好，焊缝表面光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢结构。插入式接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属 T 形或角接接头。选择 HG20583-1998 标准中代号为 G2 的接头形式。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。各装置及接管、人孔的定位尺寸见装配图。
34、22 4 储罐的补强设计 根据 GB150.3-2011固定式压力容器第三部分：设计中的规定，壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：a）设计压力 p2.5 MPa；b）两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和；对于三个或以上相邻开孔，任意两孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的 2 倍；c）接管外径小于或等于 89 mm；d）接管壁厚满足表 4-1 要求。表 4-1 接管壁厚要求 (mm)接管外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89 接管壁厚 3.5 4.0 5.0 6.0 注：1.钢材的标准抗拉强度下限值 Rm540 MPa
35、时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。2.表中接管壁厚的腐蚀裕量为 1 mm，需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚。所以，只需要对人孔进行开孔补强即可。（1）因开孔而削弱的金属截面积 A A=d+2(nt C)(1 fr)=664 10.827+2 10.827 (35 2)(1 1)=7189.128mm 式中 筒体计算壁厚，mm；d开孔直径，为接管内径加 2 倍附加厚度，附加厚度取 2mm，即 d=664mm；强度削弱系数，因与筒体采用相同材料，取 1；nt人孔钢板厚度，mm；（2）补强面积 Ae 筒体富裕金属截面积 A1 A1=(B d)n C =(2 664 664)14 2 10
36、.827 =778.872mm2 式中 n筒体名义厚度，mm。人孔接管的富裕金属截面积 A2 A2=2h1(nt 2)tfr 22 =2 26.4 (35 2)30 1 =158.4mm2 式中 t接管计算壁厚，取 30mm；h1外侧有效高度，1=664 35=26.4mm；焊缝金属的截面积 A3 A3=2 12 10 10=100mm2 补强面积 Ae Ae=A1+A2+A3 =778.872+158.4+100 =1037.272mm2 需要补强的金属截面积 A4 A4=A Ae=7189.128 1037.272=6151.856mm2 （3）确定补强圈的结构尺寸 取补强圈厚度与筒体相同
37、，则补强圈外径为 D=4+(660+2 35)=6151.85614+(660+2 35)=1149.4mm 取补强圈外径为 1150mm。22 5 储罐的强度计算及应力校核 根据 JB/T 4731-2005钢制卧式容器中的要求及步骤进行储罐的强度计算及应力校核。计算中的符号说明：m容器质量，kg；g重力加速度，取 9.81m/s2；L封头切线间距离，mm；圆筒平均半径，1157mm；封头曲面深度，mm；A鞍座底板中心线到封头切线的距离，mm；计算压力，MPa；圆筒有效厚度，mm；K1K9系数，由 JB/T 4731-2005钢制卧式容器查得；设计温度下容器壳体材料的许用应力，MPa；封头的
38、有效厚度，mm；K系数，容器不焊在支座上，k 取 1；b支座的轴向宽度，mm；b2 圆 筒 的 有 效 宽 度，取 b2=b+1.56=24+1.561157 14=223mm；5.1 储罐的强度计算 5.1.1 圆筒轴向应力（1）支座反力 F=mg2=80545.2 9.812=395074.2N（2）筒体轴向弯矩计算 筒体轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上。圆筒中间截面上的轴向弯矩 22 1=41+2(2 2)21+434 =395074.2 164304 1+2(11572 5752)1643021+4 5753 164304 55016430 =1339 106N mm=1339
39、kN m 鞍座平面上的轴向弯矩 2=1 1+2 221+43 =395074.2 550 1 1 55016430+11572 57522 550 164301+4 5753 16430 =5.2 106N mm=5.2kN m（3）圆筒轴向应力计算 圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算：最高点处 1=213.142 =1.771 11572 111339 1063.14 11572 11 =64.2MPa 最低点处 2=2+13.142 =1.771 11572 11+1339 1063.14 11572 11 =122.1MPa 鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计
40、算：轴向应力 3=223.1412 =1.771 11572 115.2 1063.14 1.0 11572 11 =93.3MPa 22 在横截面最低点处的轴向应力 4=2+23.1422 =1.771 11572 11+5.2 1063.14 1.0 11572 11 =93MPa 5.1.2 圆筒切向剪应力 因为 ARa/2，圆筒被封头加强，故圆筒切向剪应力 =3=0.88 395074.21157 11=27.32MPa 5.1.3 封头切向剪应力 因为 ARa/2，圆筒被封头加强，故封头切向剪应力=4=0.401 395074.21157 11=12.45MPa 5.1.4 圆筒周向
41、应力 圆筒无加强圈，其周向应力按下式计算：在横截面的最低点处 5=52=1 0.76 395074.211 223=122.4MPa 在鞍座边角处 6=423622 =395074.24 11 2233 0.013 395074.22 112 =104MPa 5.2 储罐的应力校核 5.2.1 圆筒及封头的应力校核（1）圆筒轴向应力校核 22 max1，2，3，4=122.1MPa=189MPa 圆筒轴向应力符合强度要求。（2）圆筒切向剪应力校核 =27.32MPa 0.8=0.8 189=151.2MPa 圆筒切向剪应力符合强度要求。（3）封头切向剪应力校核=12.45MPa 1.25=1.
42、25 189 185.15=51.1MPa 式中 内压在封头中引起的应力，按下式计算：=2=1 1.771 23002 11=185.15MPa 式中 K椭圆形封头形状系数，按下式计算：K=162+(2)2=16 2+(23002 575)2=1 封头切向剪应力符合强度要求。（4）圆筒周向应力校核 5=122.4MPa=189MPa|6|=104MPa 1.25=1.25 189=236.25MPa 圆筒周向应力符合强度要求。5.2.1 支座的应力校核 （1）支座腹板的水平分力 支座腹板的水平分力为 FS=K9F=0.204 395074.2=80595.13N 支座腹板有效截面内的水平方向平
43、均拉应力为 9=FsHsb0=80595.13250 8=40.3MPa 式中 Hs计算高度，250mm；b0支座腹板厚度，8mm。（2）支座腹板的应力校核 9=40.3MPa 23sa=23 113MPa 式中 sa支座材料的许用应力，170MPa。支座设计符合强度要求。22 6 安全管理（1）液化石油气的危险性 液化石油气的危险性质主要是极易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物。遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。此外，液化石油气还具有易爆性，液化石油气的爆炸极限为 1.5%9.5%，其爆炸极限范围比
44、汽油大，爆炸下限低，比汽油更易发生燃烧爆炸。易产生静电积聚，在收发作业中易产生大量的静电积聚，易引起静电事故。易膨胀性，液化石油气的膨胀系数大约是同温度下水的 1015 倍。当温度升高时，液化石油气的体积增大，压力急剧升高，一旦超过容器承压极限，就会造成容器破裂，增大火灾爆炸的危险性。具有冻伤危险性，液化石油气气化潜热很大，在使用时减压后由液态汽化变为气体，这时会吸收大量热量。若容器破裂，液化石油气由容器中喷出，溅到人身上，将会造成冻伤；毒性，当人大量吸入液化石油气后会中毒，使人昏迷、呕吐、不适，严重时可使人窒息死亡，也可引起多种慢性病。（2）液化石油气储罐的安全管理 为保证液化石油气储罐的安
45、全，应做好相应安全管理工作，杜绝的危险发生，做到以下几点：a.储罐在首次投入使用前，罐内含氧量应小于 2%。首次充装时，应先开启气相阀门，待两罐压力平衡后，缓慢进行充入；b.液化气存储和使用人员必须经过相关安全培训，要掌握液化气的特性及安全使用基本知识，其他人员禁止擅自使用；c.液化石油气贮罐应按设计要求设置喷淋降温或其他降温隔热设施，并加强定期检查和维修，随时保持完好的工作状态。d.安全状况等级为 1、2 级的储罐，每 6 年检验一次，安全状况等级为 3 级的储罐，每 3 年检验一次；e.组织开展压力容器作业人员的教育培训，制定事故救援预案并组织演练；f.按规定报告压力容器事故，组织、参加压
46、力容器事故的救援、协助调查和善后处理。g.压力容器使用单位应当对出现故障或者发生异常情况的压力容器及时进行全面检查，消除事故隐患；对存在严重事故隐患，无改造、维修价值的压力容器，应当及时予以报废。22 7 设计总结 本次设计是根据设计任务的要求，设计一个液化石油气储罐。设计中先确定了储罐的工艺参数，对储罐的结构、强度等进行设计，后进行强度校核并确定了相关的安全管理对策。通过本次课程设计，进一步巩固了以前所学的专业知识，真正做到了学有所用学以致用，将理论与实际结合起来，也是对所学知识的一次大检验，使我真正明白了，搞设计不是凭空想象，而是很具体的。每一个环节都需要严密的分析和强大的理论做基础。从整
47、个设计的过程来看，存在着一定的不足，尽管如此收获还是很大。相信这次设计对我以后从事类似的工作有很大的帮助。设计中的主要尺寸汇总如下表 7-1 所示。表 7-1 液化石油气储罐的主要尺寸 结构 数据 设计存储量(kg)29430 筒体材料 Q345R 筒体长度(mm)15200 筒体名义厚度(mm)14 封头材料 Q345R 封头类型 EHA 椭圆形封头 封头总深(mm)615 封头名义厚度(mm)14 封头质量(kg)650.1 人孔内径(mm)660 人孔外径(mm)730 补强圈外径(mm)1150 22 参考文献 1.国家质量监督检验检疫总局.TSG R0004-2009固定式压力容器安
48、全技术监察规程.中国劳动社会保障出版社，2009 2.国家质量监督检验检疫总局.GB150-2011固定式压力容器.中国标准出版社，2011 3.国家经济贸易委员会.JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头.中国标准出版社，2002 4.中华人民共和国工业和信息化部.HT/G 20592-2009钢制管法兰.中国标准出版社，2009 5.董大勤，袁凤隐.压力容器与化工设备实用手册.化学工业出版社，2000 6.中华人民共和国国家发展和改革委员会.HG/T 21517-2014 回转盖带颈对焊法兰人孔.中国标准出版社，2005 7.中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T 4712-2007 容器支座.中国标准出版社，2007 8.中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T 4731-2005 钢制卧式容器.中国标准出版社，2005 9.中国石化集团兰州设计院.安全阀的设置和选用.1999 10.孟燕华.锅炉压力容器安全.劳动社会保障出版社，2008 11.林瑜筠，张秉涛，熊五利 .化工管路手册 .化学工业出版社，2005 12.全国化工设备设计技术中心站 .化工设备图样技术要求 .2000