1、 1 前言 本次设计主要在于巩固过程设备设计这门课程所学的相关知识，是该课程的一个总结性教学环节。在整个教学计划中，它培养学生初步掌握化工设备工程设计的过程，熟悉设计之中所设计的标准，规范的内容和使用方法，是毕业设计的一次预演。过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是化工，炼油，轻工，交通，食品，制药，冶金，纺织，城建，海洋工程等传统部门所必需的关键设备。一些新技术领域，如航空航天技术，能源技术等，也离不开过程设备。而压力容器是广泛用于各种行业的特种设备。由于涉及人的生命和工业生产安全，历来受到国家及有关各级行政部门的高度重视，制订了一系列法规、规定和条例。而过程设备设计这门课正是压力容器设
2、计的核心课程。我们这次主要是关于液化石油气储罐的设计。主要指导思想是：1.选材合理，备料方便；2.结构设计保证工艺过程顺利和进行并使得运输，安装盒维修方便。3.全部设计工作均符合现行标准和规范。4.保证设备安全。2 第一章 设计参数的选择 设计题目：液化石油气储罐设计 已知条件：工作压力为0.79MPa，在武汉地区储罐的工作温度为-1950，容积为 853m。分析：此设备为低压容器，液化石油气为易燃气体，因此其应为第二类压力容器。设计压力：取最高工作压力的 1.1 倍，即1.1 0.790.869PMPa。设计温度：最高工作温度为 50，一般当WT15时，介质设计温度应在工作温度的基础上加 1
3、530，故可取设计温度为 70。主要受压元件材料的选择：0.869PMPa，设计温度为 70，综合考虑安全性和经济性，查询有关资料，选择 16MnR（Q345R），假设壳体厚度在6 16mm范围内，查表 GB150 中表 4-1可得 170MPa，170tMPa，R345eLMPa。第二章 容器强度的计算及校核 2.1 封头与筒体的厚度计算：2.1.1 考虑采用双面对接焊，局部无损擦伤，焊接接头系数取0.85。根据长径比在 36 内最为合适，取/4iL D，则4iLD。取充气系数 0.9，则 2222420.944324iiiiiDDVDLVDD 封头 33850.912iiDD3.03iDm
4、 查表圆整为3000iDmm。则33.817Vm封头，总深度790Hmm，代入原式反算：3 8592 3.81712.290.94LLm 则/12.29/34.1iL D 在区间 36 内，符合要求。计算厚度 0.869 30007.692 1700.8692citcP DmmP 厚度超过 5mm，根据 GB3531低温压力容器用低合金钢钢板规定，可取10C，取腐蚀余量21Cmm，则筒体设计厚度27.6918.69dCmm 则筒体名义厚度18.6908.69ndCmm 考虑钢板常用规格厚度，向上圆整可取筒体名义厚度12nmm。2.1.2 封头壁厚设计：选用标准椭圆形封头，其形状系数1k，封头采
5、用钢板整体冲压而成，焊接接头系数取1.0，故封头计算壁厚：1 0.869 30007.682 170 1 0.5 0.86920.5citckP DmmP 取21Cmm，则封头设计厚度27.6818.68dCmm 同上取10C，则封头名义厚度18.6808.68ndCmm 考虑钢板常用厚度规格，以及为了材料采购和焊接上的方便，可取封头壁厚与筒体壁厚相同12nmm。2.1.3 液压试验应力校核：试验压力 1701.251.25 0.8691.0861702TtMPa 故1.086300012 1 0148.62212 1 0TieTePDMPa 而0.90.90.85345263.93eLRMP
6、a 0.9TeLR,液压试验应力校核合格。4 2.2 支座选型和结构确定 2.2.1 鞍座选型 该卧式容器采用双鞍式支座，根据 JB/T4712 中得垫板材料一般应与容器筒体材料相同，故选用 Q345R。估计鞍座负荷：储罐总质量12342mmmmm 1m筒体质量：22124nmLDD 3227.85 1012.293.02434 9118.4kg 2m单个封头质量：查表得2775.7mkg 3m充气质量：水气，水压试验充满水，故取水。2224iVVVDLV筒封封 2312.292 3.81704 394.46m 则3394.46 1094462.9mVkg 4m附件质量：估人孔质量为 200k
7、g，其他接管总和为 400kg，4600mkg。综上，9118.42 775.794462.9600105732.7mkg 105732.79.811037237.8GmgN 则每个鞍座承受约 518618.9N。由此据表 JB/T4712.1-2007 表 3 得相应参数：公称直径 DN 允许载荷QkN 鞍座高度h 底板 腹板 筋板 3000 785 250 1l 1b 1 2 3l 2b 3b 3 2180 360 16 10 340 316 410 10 垫板 螺栓配置 鞍座质量 增加100mm高度增加的质量 kg 5 弧长 4b 4 e 间距2l 螺孔 d 螺纹 孔长l 462 34
8、3490 660 12 120 1940 28 M24 60 2.2.2 鞍座位置确定 根据 JB/T4712-2005 中规定：当满足0.2AL时，最好使0.5mAR2nmiRR.圆整012.30Lm 由标准型椭圆封头27904024iiDDhmmHh 当0.2AL时，00.220.2123002 402476ALhmm 当0.5mAR时，0.50.515006752.522inDAmm 取752.5Amm，圆整为750mm。增加100mm高度增加的质量为34kg。两封头切线间距离02123002 4012380LLhmm。6 2.3 封头、法兰、接管的选型和结构尺寸拟定 2.3.1 封头（
9、图 1）由前边各项数据已定，由 JB/T4746-2002，选用3000 12345EHAQR。2.3.2 法兰（图 2）选用带颈对焊钢制管法兰，按 GB20595-2009 标准，都是 FM（凹面），凹凸面安装时易于对中，且能有效地防止垫片被挤出压紧面，使用于6.4PNMPa的容器法兰和管法兰。选用尺寸见表 1。符号 公称直径 连接尺寸标准 连接面形式 钢管外径1A 法兰外径 D 螺栓孔中心圆直径K 7 1 4a 20 2520PNDN 凹面 25 105 75 1 2e 80 2580PNDN 凹面 89 200 160 d 500 25500PNDN 凹面 530 715 650,f g
10、 h1 2m 50 2550PNDN 凹面 57 165 125,j k 80 2580PNDN 凹面 89 200 160 螺栓孔直径 L 螺栓孔数量 n 螺纹 Th 法兰厚度 N S R H 质量/kg 1 4a 14 4 M12 18 40 2.3 4 40 10 1 2e 18 8 M16 24 105 3.2 8 58 50 d 33 20 M302 34 578 11 12 90 70.7,f g h1 2m 16 4 M16 18 75 2.9 6 48 30,j k 18 8 M16 24 105 3.2 8 58 50 2.4 紧固件的选用 根据紧固件 HG/T2059220
11、635-2009 密封面形式为凸面。垫片的选择：垫片是螺栓法兰连接的核心，决定密封性能，选用非石棉纤维橡胶，尺寸见表 4。公称直径 DN 垫片内径1D 垫片外径2D 垫片厚度 T 包边宽度 b 20 27 61 1.5 3 50 61 107 1.5 3 80 89 142 1.5 3 500 530 624 3 3 2.5 材料的选择 筒体、封头、人孔、鞍座为 Q345R，接管选用 10 号钢。8 第三章 容器及其附件强度校核 3.1 卧式容器的应力校核 3.1.1 圆筒轴向弯矩计算 鞍座支反力518618.92mgFN，79040750ihHhmm，圆筒中间截面上的轴向弯矩：9 22212
12、144413miiRhFLALMhLL 22221.5060.7501518618.9 12.3804 0.75012.3804 0.750412.38013 12.380 1 1 2 9.2K Nm 鞍座平面上的轴向弯矩：222121413miiRhALALMFAhL 220.751.5060.75112.3802 0.75 12.38518618.9 0.75 14 0.75013 12.380 17.88KN m 3.1.2 圆筒轴向应力计算及校核 3.1.2.1 圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 最高点处：311220 1.5061129.2 1014.4123.142
13、 0.0113.14 1.5060.011cmemeP RMMPaR 最低点处：6312220.869 101.5061129.2 1073.923.142 0.0113.14 1.5060.011cmemeP RMMPaR 3.1.2.2 鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 由于2mRA，则圆筒在鞍座平面上呗封头加强，轴向应力3位于横截面最高点，系数1K，2K由 JB/T4731-2005钢制卧式容器表 7-1 得：11.0K，21.0K，则鞍座横截面最高点处轴向应力：63232210.869 101.50617.88 1059.7223.142 0.0113.14 1 1.5060
14、.011cmemeP RMMPaKR 鞍座横截面最高点处轴向应力：10 3242220 1.50617.88 100.2323.142 0.0113.14 1 1.5060.011cmemeP RMMPakR 3.1.2.3 圆筒轴向应力校核 0.0940.0940.00069150011ieAR，查询课本132P图 4-8 得：92BMPa，即 max92acBMPa，故合格。3.1.3 切向剪应力计算及校核 2mRA带来的加强作用，由表 5-2 查得在包角为120o时，30.880K，40.401K，筒体中最大剪应力30.88 518618.927.551506 11meK FMPaR 而
15、 0.80.8 170136tMPa 故切向剪应力校核合格。3.1.4 封头中附加拉伸应力：40.401 518618.912.551506 11hmeK FMPaR 由内压引起的拉伸应力：1 0.8693000118.522 11ciheKP DMPa 1.251.25 170118.594thhMPa，合格。3.1.5 支座封面处圆筒周向应力计算与校核 3.1.5.1 鞍座处横截面的最低点处周向应力 55e bKkFb 当容器焊在支座上时，取0.1k，5k，6k由 JB/T4731-2005 表 7-3 查得：50.76k，60.013k 则50.1 0.76518618.911.3411
16、 316MPa 3.1.5.2 鞍座角边处的周向应力 123808.381500MLR 11 662223518618.93 0.013 518618.9120.88424 11 3162 11eeK FFMPab 3.1.5.3 应力校核 511.34170tMPa 6120.881.25212.5tMPa 3.1.6 鞍座应力计算与校核 3.1.6.1 鞍座有效断面平均应力 鞍座应承受的水平分力9sFK F，查 JB/T4731-2005 表 7-5 得90.204K 0.204518618.9105798.3SFN 鞍座有效断面平均应力：9042.3ssFMPaH b sH计算高度，鞍座
17、实际高度和5023mRmm中较小者，此处取250sHmm。0b鞍座腹板厚度，010bmm。3.1.6.2 鞍座有效断面应力校核 s鞍座材料 Q345R 的许用应力 170sMPa 9242.3113.23sMPa，合格。3.1.6.3 腹板与筋板组合截面应力计算及校核 圆筒中心线至基础表面距离41506250121768VmHRhmm 查表 5-5 可得设计地震烈度为 7 度（0.1g）时的水平地震影响系数10.08，则 轴向力：10.08 1037237.882979EVFmgN 筋板面积：2123316 103160Abmm 腹板面积：221220218020102160Almm 1332
18、18010 1510 15 1034071522lxlmm 317 1 557 2 02Zxm m 12 2137 2 03 4 01 0 6 0ZZlm m 则21266 3160216021120saAAAmm 形心：12266 3160 316 1022146.321120csaA bymmA 2231610146.316.722ccbyymm 3321223112202 31212bylbIA ZZ 332210218020316 10233160 72010601212 1 031.8 81 0 mm 32213122061212bzcclbIA xyA y 321 02 1 8 0
19、2 03 1 61 063 1 6 07 1 51 6.72 1 6 01 4 6.31 21 2 833.85 10 mm 腹板与筋板组合截面断面系数：1max360101017022bmm 1max21801010108022lZmm 1073max1.88 101.74 101080yryIZmmZ 863max3.85 102.26 10170zrzIZmm 63,2.26 10rrzryZZZmm 取鞍座底板与基础间（水泥）静摩擦系数0.4f，1f，故EVmgFf，则 22EVEVVsasarsaFHFHFAZALA 13 65 1 8 6 1 8.98 2 9 7 98 2 9 7
20、 91 7 6 82 1 1 2 022.2 61 02 1 1 2 0 1 2 3 8 07 5 02 2 5.2 2M P a 1.21.2 170204sasMPa，合格。3.1.6.4 地震引起的地脚螺栓应力 鞍座上地脚螺栓2n，筒体轴线两侧螺栓间距2960lmm，每个地脚螺栓的横截面积：22213.14 19.09286.07644btAdmm 倾覆力矩：82979 1768146706872o oEVEVVMFHN mm 地脚螺栓拉应力：1146706872117.62 2180286.076o oEVbtbtMMPanlA 地脚螺栓选 GB/T700 规定的 Q235 147tM
21、Pa，1.25183.75bttMPa，合格。地脚螺栓剪应力：8297972.54 286.076EVbtbtFMPan A 0.8117.6bttMPa，合格。第四章 开孔补强设计 GB150 规定，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两空直径之和的两倍，且接管公称直径外径不大于89mm时，接管厚度满足要求即可不另行补强。故本设计只有500DNmm的人孔需要补强。4.1 补强计算方法判别 按 HG/T21518-2005 选用回旋盖带颈对焊法兰人孔，开孔直径225002 1502iddCmm 3000150022iDdmm采用等面积法进行开孔补强计算。封
22、头和筒体计算厚度均取8.69mm。接管材料选用 10 号刚，其中许用应力 108tMPa 接管有效厚度12120.8 1 10.2etntCCmm 14 强度削弱系数 1080.635170tnrrf 则开孔所需补强面积为：21etrAdf 5 0 28.6 928.6 91 0.210.6 3 5 24 4 2 7.1mm 4.2 有效强度范围 4.2.1 有效宽度 B 的确定 122 5021004Bdmm 2225022 122 12550nntBdmm 12max,1004BB Bmm 4.2.2 有效高度的确定 4.2.2.1 外侧有效高度1h的确定 1502 1277.61nthd
23、mm 1357hmm实际外伸高度 111min,77.61hh hmm 附人孔尺寸参数mm：公称压力 PN：2.5MPa，公称直径 DN：500，:530 12wds:506d :7 3 0D 1:6 6 0D 1:2 8 0H 2:1 2 3H :4 4B 1:43b 2:4 8b :4 0 5A :200B :3 0 0L 0:30d 螺栓数量：20 螺母数量：40 螺柱（直径长度）：332 170M 总质量（kg）：302 4.2.2.2 内侧有效高度2h的确定 2502 1277.61nthdmm 2h实际内伸高度为 0 15 212min,0hh h 4.3 有效补强面积 4.3.1
24、 筒体多余面积111,0.635erAf 121eetrABdef 1 0 0 45 0 21 18.6 921 0.21 18.6 910.6 3 5 21 1 7 6.8 2mm 4.3.2 接管多余面积2A 接管计算厚度 0.869 5002.022 108 1 0.8692cittcnP dmmP 接管多余金属面积：212222ettretrAhfhCf 27 7.6 11 0.22.0 20.6 3 50 28 0 6.2 6mm 4.3.3 接管区焊接面积（焊脚取6.0mm）223162362Amm 则有效补强面积21231176.82806.26362019.08eAAAAmm
25、第五章 焊接结构 筒体的焊接和封头与筒体的连接采用 X 形坡口，因为同厚度下减少焊接量约12，焊接变形及产生内应力也小。壳体与钢管的连接为角接接头。16 设计小结：通过这次的课程设计，理论加上实践，使我对过程设备有了更深刻的认识，尤其是对卧式储罐的理解，各具体零部件功能和规格，特性的认识，也纠正了自己以前很多不对的看法，当然在设计的过程中，我们也遇到了很多困难，在查阅了大量的书籍资料之后，对这次设计有了一个整体的认识，作出了大的装配图，然后经过反复的修改，尽量使其达到完美。这个过程是最困难的过程，也是我收获最大的过程，使自己的作图动手能力有了进一步的提高。总之，这次设计使我受益匪浅，让我对以后
26、的工作学习有了更大的信心。17 参考文献：【1】过程设备设计第二版，郑津洋，董其伍，桑芝富，化学工业出版社，2005【2】GB150-1998钢制压力容器【3】HGJ20580-20585-1998钢制化工容器设计基础规定【4】JB/T4712.1-4712.4-2007容器支座【5】HG/T20592-20635-2009钢制管法兰，垫片，紧固件【6】材料与零部件【7】JB/T4736-2002补强圈【8】JB/T4736钢制压力容器用封头【9】压力容器安全技术监察规程【10】HG/T21514-21535-2005钢制人孔和手孔【11】JB/T4731-2005钢制卧式容器【12】TSGR004-2009固定式压力容器安全技术监察规程【13】机械制图第四版 高等教育出版社
