1、太原理工大學過程設備設計課程設計說明書 題目：20m3液化石油氣儲罐設計 專業：過程裝備與控制工程 班級：1102班 姓名： 學號： 指導老師:晁攸明,張興芳,孫海洋2014年 12 月23 日20m3液化石油氣儲罐設計課程設計要求按照國家壓力容器標準,規范進行設計,掌握典型過程設備設計的過程一工藝設計- 5-1.設計壓力的確定- 5 -2.設計溫度的確定- 6 -二.機械設計- 6 -1.結構設計- 7-1.1設計條件- 7 -1.2結構設計- 8 -材料選擇- 8-筒體和封頭結構設計- 10-筒體整體、接管、人孔分布圖- 10 -法蘭設計- 10 -接管設計- 13 -墊片的選擇- 13

2、-螺栓(螺柱)的選擇- 14-人孔和手孔結構設計- 15-支座結構設計- 17 -焊接接頭設計- 21 -2.強度計算- 23 -2.1液柱靜壓力計算- 23-2.2容器的筒體和封頭厚度設計- 24 -筒體厚度設計- 24-封頭厚度設計- 24-2.2開孔補強圈計算- 25 -3.強度校核- 26 -3.1水壓試驗應力計算并校核- 26-3.2 氣密性實驗- 26 -結束語- 40 -參考文獻- 41 -1 工藝設計1.設計壓力的確定2.設計溫度的確定二.機械設計結構設計1.1設計條件 表22 管口表公稱規格連接法蘭標準密封面用途或名稱PN25 DN20HG/T 20952-2009FM差壓傳

3、感器PN25 DN500HG/T 21518-2005MFM人孔PN25 DN20HG/T 20952-2009FM溫度計接管PN25 DN20HG/T 20952-2009FM壓力計接管PN25 DN100HG/T 20952-2009FM安全閥接管PN25 DN50HG/T 20952-2009FM排空管PN25 DN50HG/T 20952-2009FM排污管PN25 DN50HG/T 20952-2009FM氣相平衡管PN25 DN50HG/T 20952-2009FM氣相管PN25 DN50HG/T 20952-2009FM出液管PN25 DN50HG/T 20952-2009FM進

4、液管PN25 DN20HG/T 20952-2009FM連通排污管PN25 DN50HG/T 20952-2009FM備用管1.2結構設計材料選擇筒體和封頭結構設計1.2.3筒體整體、接管、人孔分布圖法蘭設計 表24 接管設計墊片的選擇查過程設備設計第三版表4-11墊片的選用，根據介質為液化石油氣、公稱壓力為2.5MPa、工作溫度為500oC以及密封面為凸面得出墊片的形式可以選用纏繞墊、柔性石墨復合墊，其材料可以選用0Cr13、鋼帶-石棉板、石墨-0Cr13等骨架。 圖3-5凹凸面型墊片螺栓（螺柱）的選擇 根據密封所需壓緊力大小計算螺栓載荷，選擇合適的螺柱材料。計算螺栓直徑與個數，按螺紋和螺栓

5、標準確定螺栓尺寸。選擇螺栓材料為Q345。查鋼制管法蘭、墊片、緊固件中表5.7-9和附錄中標A.0.1，得螺柱的長度和平墊圈尺寸：圖3-6雙頭螺柱圖3-7螺母人孔和手孔結構設計支座結構設計焊接接頭設計筒體和封頭的焊接：=620 =6070 b=02 p=2 3采用Y型對接接頭和手工電弧焊圖3-11 Y型坡口 接管與筒體的焊接：=45+5 b=20.5 p20.5 H1=t t =8 k30.78圖3-13帶補強圈焊接接頭結構2.強度計算2.1.液柱靜壓力：根據設計為臥式儲罐，所以儲存液體最大高度h maxD=2000mm。P靜（max）=gh max=0.499.82000=0.0096Mpa

6、 P液P設 5%=0.089Mpa 則 P靜 可以忽略不記。 Pc=P設=1.77Mpa2.2容器的筒體和封頭厚度設計筒體厚度設計封頭厚度設計2.3開孔補強圈計算 3.強度校核 3.1水壓試驗應力計算并校核 3.2 氣密性實驗鋼制臥式容器計算單位太原理工大學 過控11計 算 條 件 簡 圖設計壓力 p1.77MPa設計溫度 t50筒體材料名稱Q345R封頭材料名稱Q345R封頭型式橢圓形筒體內直徑 Di2000mm筒體長度 L5700mm筒體名義厚度 dn12mm支座墊板名義厚度 drn10mm筒體厚度附加量 C1.3mm腐蝕裕量 C11mm筒體焊接接頭系數 F1封頭名義厚度 dhn12mm封

7、頭厚度附加量 Ch1.3mm鞍座材料名稱Q235-B鞍座寬度 b220mm鞍座包角 120支座形心至封頭切線距離 A475mm鞍座高度 H250mm地震烈度 八(0.2g)度內壓圓筒校核計算單位太原理工大學 過控11計算所依據的標準GB 150.3-2011 計算條件筒體簡圖計算壓力 Pc 1.77MPa設計溫度 t 50.00 C內徑 Di 2000.00mm材料 Q345R ( 板材 )試驗溫度許用應力 s 189.00MPa設計溫度許用應力 st 189.00MPa試驗溫度下屈服點 ss 345.00MPa鋼板負偏差 C1 0.30mm腐蝕裕量 C2 1.00mm焊接接頭系數 f 1.0

8、0厚度及重量計算計算厚度 d = = 9.41mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 10.70mm名義厚度 dn = 12.00mm重量 3393.84Kg壓力試驗時應力校核壓力試驗類型 液壓試驗試驗壓力值PT = 1.25P = 1.7700 (或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa試驗壓力下圓筒的應力 sT = = 166.31 MPa校核條件 sT sT校核結果 合格壓力及應力計算最大允許工作壓力 Pw= = 2.01154MPa設計溫度下計算應力 st = = 166.31MPastf 189.00MPa校核條件stf

9、 st結論 合格左封頭計算計算單位 太原理工大學 過控11計算所依據的標準GB 150.3-2011 計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc 1.77MPa設計溫度 t 50.00 C內徑 Di 2000.00mm曲面深度 hi 500.00mm材料 Q345R (板材)設計溫度許用應力 st 189.00MPa試驗溫度許用應力 s 189.00MPa鋼板負偏差 C1 0.30mm腐蝕裕量 C2 1.00mm焊接接頭系數 f 1.00壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值 PT = 1.25Pc= 1.7700 (或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力stsT 0.90 ss = 3

10、10.50MPa試驗壓力下封頭的應力sT = = 165.86MPa校核條件sT sT校核結果合格厚度及重量計算形狀系數 K = = 1.0000計算厚度 dh = = 9.39mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 10.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名義厚度 dnh = 12.00mm結論 滿足最小厚度要求重量 415.41 Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力 Pw= = 2.01690MPa結論 合格右封頭計算計算單位 太原理工大學 過控11計算所依據的標準GB 150.3-2011 計算條件橢圓封頭簡圖計算壓力 Pc 1.77MPa設計溫度 t 50.00 C

11、內徑 Di 2000.00mm曲面深度 hi 500.00mm材料 Q345R (板材)設計溫度許用應力 st 189.00MPa試驗溫度許用應力 s 189.00MPa鋼板負偏差 C1 0.30mm腐蝕裕量 C2 1.00mm焊接接頭系數 f 1.00壓力試驗時應力校核壓力試驗類型液壓試驗試驗壓力值 PT = 1.25Pc= 1.7700 (或由用戶輸入)MPa壓力試驗允許通過的應力stsT 0.90 ss = 310.50MPa試驗壓力下封頭的應力sT = = 165.86MPa校核條件sT sT校核結果合格厚度及重量計算形狀系數 K = = 1.0000計算厚度 dh = = 9.39m

12、m有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 10.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名義厚度 dnh = 12.00mm結論 滿足最小厚度要求重量 415.41 Kg壓 力 計 算最大允許工作壓力 Pw= = 2.01690MPa結論 合格臥式容器（雙鞍座）計算單位太原理工大學 過控11計 算 條 件簡 圖 計算壓力 pC1.77MPa 設計溫度 t50 圓筒材料Q345R 鞍座材料Q235-B 圓筒材料常溫許用應力 s189MPa 圓筒材料設計溫度下許用應力st189MPa 圓筒材料常溫屈服點 ss345MPa 鞍座材料許用應力 ssa147MPa 工作時物料密度 485kg

13、/m3 液壓試驗介質密度 1000kg/m3 圓筒內直徑Di2000mm 圓筒名義厚度 12mm 圓筒厚度附加量 1.3mm 圓筒焊接接頭系數 1 封頭名義厚度 12mm 封頭厚度附加量 Ch1.3mm 兩封頭切線間距離 5750mm 鞍座墊板名義厚度 10mm 鞍座墊板有效厚度 10mm 鞍座軸向寬度 b220mm 鞍座包角 120 鞍座底板中心至封頭切線距離 A475mm 封頭曲面高度 500mm 試驗壓力 pT1.77MPa 鞍座高度 H250mm腹板與筋板組合截面積 20080mm2 腹板與筋板組合截面斷面系數369095mm3 地震烈度8(0.2g)圓筒平均半徑 Ra 1006mm

14、物料充裝系數 0.9一個鞍座上地腳螺栓個數2地腳螺栓公稱直徑20mm地腳螺栓根徑17.294mm鞍座軸線兩側的螺栓間距1260mm地腳螺栓材料16Mn支 座 反 力 計 算 圓筒質量(兩切線間)3423.71kg 封頭質量(曲面部分)413.367kg 附件質量0kg 封頭容積(曲面部分)1.0472e+09mm3 容器容積(兩切線間)V = 2.01586e+10mm3 容器內充液質量工作時, 8799.21壓力試驗時, = 20158.6kg 耐熱層質量0kg總質量工作時, 13049.6壓力試驗時, 24409kg單位長度載荷19.9548 37.3248N/mm支座反力64021.6

15、119751119751N筒 體 彎 矩 計 算圓筒中間處截面上的彎矩工作時= 5.58607e+07壓力試驗= 1.04486e+08Nmm支座處橫截面彎矩操作工況： -1.60909e+06壓力試驗工況： -3.00976e+06Nmm系 數 計 算K1=1K2=1K3=0.879904K4=0.401056K5=0.760258K6=0.0132129K6=0.010861K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒 體 軸 向 應 力 計 算軸向應力計算操作狀態 84.8494 83.2538MPa -1.64285 -0.0473229MPa水壓試驗狀態 -3.07134 -0.

16、0885161MPa 86.2794 83.295MPa應力校核許用壓縮應力0.0010058根據圓筒材料查GB150圖4-34-12 B = 131.858MPa131.858131.858MPa 189 合格|,| 131.858 合格|,| 131.858 合格sT2 ,sT3 0.9ss = 310.5 合格MPa筒體和封頭的切應力時(時,不適用)MPa時圓筒中：9.78883封頭中：4.4617MPa應力校核封頭橢圓形封頭, 165.421碟形封頭, 半球形封頭, MPa圓筒封頭 t = 0.8 s t = 151.2 70.8294MPa圓筒, t t = 151.2 MPa 合格

17、封頭, th t h = 70.8294 MPa 合格鞍 座 處 圓 筒 周 向 應 力無加強圈圓筒圓筒的有效寬度391.401mm無墊板或墊板不起加強作用時在橫截面最低點處MPa在鞍座邊角處L/Rm8時, MPaL/Rm8時, MPa無加強圈筒體墊板起加強作用時鞍座墊板寬度 ； 鞍座墊板包角橫截面最低點處的周向應力-1.12369MPa鞍座邊角處的周向應力L/Rm8時, MPaL/Rm8時, -19.1826MPa鞍座墊板邊緣處圓筒中的周向應力L/Rm8時, MPaL/Rm8時, -30.9985MPa應力校核 |s5| s t = 189 合格 |s6 | 1.25s t = 236.25

18、 合格 |s6 | 1.25s t = 236.25 合格MPa有加強圈圓筒加強圈參數加強圈材料, e = mm d = mm加強圈數量, n = 個組合總截面積, A0 = mm2組合截面總慣性矩, I0 = mm4設計溫度下許用應力MPa加強圈位于鞍座平面上 在鞍座邊角處圓筒的周向應力：MPa 在 鞍 座 邊 角 處 ，加 強 圈 內 緣 或 外 緣 表 面 的 周 向 應 力 ：MPa有加強圈圓筒加強圈靠近鞍座橫 截 面 最 低 點 的 周 向 應 力 無墊板時，（ 或 墊 板 不 起 加 強 作 用 ） 采用墊板時，（墊板起加強作用）MPa 在橫截上靠近水平中心線的周向應力：MPa 在

19、橫截上靠近水平中心線處，不與筒壁相接的加強圈內緣 或 外 緣 表 面 的 周 向 應 力 ：MPa加強圈靠近鞍座鞍座邊角處點處的周向應力 無墊板或墊板不起 加強 作用L/Rm8時, MPa 無墊板或墊板不起 加強 作用L/Rm8時, MPa 采用墊板時，（墊板起加強作用）L/Rm8時, MPa采用墊板時，（墊板起加強作用）L/Rm8時, MPa應力校核|s5| st = 合格|s6 | 1.25st = 合格|s7 | 1.25st = |s8 | 1.25stR = MPa鞍 座 應 力 計 算水平分力24371.8N腹板水平應力計算高度250mm鞍座腹板厚度10mm鞍座墊板實際寬度430m

20、m鞍座墊板有效寬度391.401mm腹板水平應力無 墊 板 或 墊 板 不 起 加 強 作 用 , 墊板起加強作用, 3.79978MPa應力判斷 s9 s sa = 98 合格MPa腹板與筋板組合截面應力由地震水平分力引起的支座強度計算圓筒中心至基礎表面距離 1262mm軸向力20486.9 N, -13.1772MPa, MPa|ssa| 1.2sbt= 176.4 合格地腳螺栓應力拉應力 43.742MPasbt 1.2sbt = 204 MPa 合格剪應力 MPatbt 0.8Kosbt = 136 MPa 合格溫差引起的應力 47900.2N -20.5339MPa|stsa| ss

21、a = 147 合格注：帶#的材料數據是設計者給定的開孔補強計算計算單位太原理工大學 過控11接 管: N1, 53010計算方法: GB150.3-2011等面積補強法，單孔設 計 條 件簡 圖計算壓力 pc1.77MPa設計溫度50殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型Q345R板材殼體開孔處焊接接頭系數1殼體內直徑 Di2000mm殼體開孔處名義厚度n12mm殼體厚度負偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應力t189MPa接管軸線與筒體表面法線的夾角() 0凸形封頭上接管軸線與封頭軸線的夾角() 接管實際外伸長度 300mm接管連接型式 插入式接管接管實際內伸長度 0mm

22、接管材料 16Mn接管焊接接頭系數 1名稱及類型 管材接管腐蝕裕量 1mm補強圈材料名稱 Q345R凸形封頭開孔中心至 封頭軸線的距離 mm補強圈外徑 840mm補強圈厚度 12mm接管厚度負偏差 C1t 1mm補強圈厚度負偏差 C1r 0.3mm接管材料許用應力t 181MPa補強圈許用應力t 189MPa開 孔 補 強 計 算非圓形開孔長直徑 514mm開孔長徑與短徑之比 1 殼體計算厚度 9.4091mm接管計算厚度t 2.5059 mm補強圈強度削弱系數 frr 1接管材料強度削弱系數 fr 0.9577開孔補強計算直徑 d 514mm補強區有效寬度 B 1004 mm接管有效外伸長度 h1 71.694mm接管有效內伸長度 h2 0 mm開孔削弱所需的補強面積A 4843mm2殼體多余金屬面積 A1 632 mm2接管多余金屬面積 A2 754mm2補強區內的焊縫面積 A3 180 mm2A1+A2+A3= 1566mm2 ，小于A，需另加補強。補強圈面積 A43627mm2A-(A1+A2+A3)3277mm2結論: