55M3液化石油气储罐设计

中北大学信息商务学院

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名： 学 号： 系 别： 机械工程系 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 55M3液化石油气储罐设计

指导教师： 陆辉山 职称: 副教授

2015年06月29日

2014/2015 学年 第 二 学期

中北大学信息商务学院

课程设计任务书

2014/2015 学年 第 二 学期

系 别： 机械工程 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 学 号：

课程设计题目： 55M3液化石油气储罐设计 起 迄 日 期： 06 月 29日～07月 10日

课程设计地点： 校内 指 导 教 师： 陆辉山

系 主 任： 暴建刚

下达任务书日期: 2015年06月29日

课 程 设 计 任 务 书

1．设计目的： 1) 使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。 2) 掌握查阅、综合分析文献资料的能力，进行设计方法和方案的可行性研究和论证。 3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。 4) 掌握工程图纸的计算机绘图。 2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 1．原始数据 设计条件表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 项 目 名 称 用 途 最高工作压力 工作温度 公称容积（Vg） 工作压力波动情况 装量系数(φV) 工作介质 使用地点 安装与地基要求 其它要求 公称尺寸 32 80 500 80 80 80 80 80 80 20 20 100/100探伤 0.9 1.947 -20～48 10/20/25/40/50 室外 储罐底壁坡度0.01～0.02 数 值 单 位 液化石油气储罐 液化石油气储配站 MPa ℃ M3 备 注 由介质温度确定 47.7 可不考虑 液化石油气（易燃） 管口表 接管代号 a b c d e f g h i j k 连接尺寸标准 HG20592-1997 HG20592-1997 HG/T21514-2005 HG20592-1997 HG20592-1997 HG20592-1997 HG20592-1997 HG20592-1997 HG20592-1997 HG20592-1997 HG20592-1997 连接面形式 MFM MFM MFM MFM MFM MFM MFM MFM MFM MFM MFM 用途或名称 液位计接口 放气管 人 孔 安全阀接口 排污管 液相出口管 液相回流管 液相进口管 气相管 压力表接口 温度计接口

课 程 设 计 任 务 书

2．设计内容 1）设备工艺、结构设计； 2）设备强度计算与校核； 3）技术条件编制； 4）绘制设备总装配图； 5）编制设计说明书。 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕： 1）设计说明书： 主要内容包括：封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等； 2）总装配图 设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。

课 程 设 计 任 务 书

4．主要参考文献： [1] 国家质量技术监督局，GB150-1998《钢制压力容器》，中国标准出版社，1998 [2] 国家质量技术监督局，《压力容器安全技术监察规程》，中国劳动社会保障出版社，1999 [3] 全国化工设备设计技术中心站，《化工设备图样技术要求》，2000，11 [4] 郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2001 [5] 黄振仁、魏新利，《过程装备成套技术设计指南》，化学工业出版社，2002 [6] 国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1996 [7] 蔡纪宁主编，《化工设备机械基础课程设计指导书》，化学工业出版社，2003年 5．设计成果形式及要求： 1）完成课程设计说明书一份； 2）草图一张（A1图纸一张） 3）总装配图一张 (A1图纸一张)； 6．工作计划及进度： 2015年6月24日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 6月24日～6月26日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制 6月27日～7月2日：设计图纸绘制（草图和装配图） 7月3日～7月9日：撰写设计说明书 7月10日：答辩及成绩评定 系主任审查意见： 签字： 年 月 日

图3-6回转盖带颈对焊法兰人孔

表3-5人孔尺寸表

密公封称面压形力 式 径 量 量 寸 kg 直称dw3s d D 公螺螺母数螺柱尺总质量柱数D1 H1 H2 b b b A B L d0 凹凸面 2.5 MPa 500 5303500 730 660 270 134 48 54 12 55405 200 300 30 20 40 M36331 3180

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b、人孔补强圈设计：

图3-7补强圈

查《压力容器与化工设备实用手册》，人孔接管直径为500mm，选取补强圈外径840mm，内径510mm，补强圈厚度为18mm,质量41.5kg。 查《钢制管法兰、垫片、紧固件》表4-2，得人孔法兰 4、视镜设计

查HG/T21619-1986《压力容器视镜》，所选视镜玻璃用钢化硼硅玻璃，衬垫为石棉橡胶板，压紧环、接缘、螺栓、螺母所用材料为A3，视镜的尺寸如下表： 表3-6视镜尺寸 公称直径 50 公螺柱 称D 压力 2.45 130 100 34 26 84 D1 b1 b2 ≈H 数量 6 直径 M12 标准图图重量 不锈钢 5.1 HGJ501-86-13 号

图3-8视镜

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5、液面计设计

图3-9磁性液面计

由于储罐工作温度为-20~48℃，查《压力容器与化工设备实用手册》，选取磁性液面计。

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6、安全阀设计

图3-10安全阀

由操作压力P=1.9184MPa，工作温度为-20~48℃，盛放介质为液化石油气体。选择安全阀的公称压力PN=25kg/cm2，最高工温度为150℃，材料为可锻铸件的弹簧微启式安全阀，型号为A41H-25。公称直径DN=80mm。 7、鞍座选型和结构设计 a、鞍座选型

该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-20~48℃，按JB/T 4731-2005 表5-1选择鞍座材料为16MnR，使用温度为-20~250℃，许用应力为[σ]sa= 170MPa。 估算鞍座的负荷：计算储罐总重量 m=m1+2m2+m3+m4 。

其中：m1 为筒体质量：对于16MnR普通碳素钢，取ρ=7.853103kg/m3

∴ m1=πDLδ3ρ=π32.337.6318310-337.853103=7759.495kg m2为单个封头的质量：查标准JB/T 4746-2002 《钢制压力容器用封头》中标B.2 EHA椭圆形封头质量，可知m2=839.3kg 。 m3为充液质量：ρ液化石油气<ρ水

故m3（max）=ρ水3V=10003V=10003（π/432.3237.6+231.7588）=35093.75 kg 。

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m4为附件质量：选取人孔后，查得人孔质量为331 kg，其他接管质量总和估为400 kg。 综上述：总质量 m=m1+2m2+m3+m4=7759.495+23839.3+35093.75+33132+400=45593.845kg≈ 45594kg。

∴ 每个鞍座承受的重量为 G/2=mg / 2=4559439.8/2=223.41 kN

由此查JB 4712.1-2007 容器支座。选取轻型，焊制A，包角为120°，有垫板的鞍座.，筋板数为6。查JB 4712.1-2007表3得鞍座尺寸如表5，示意图如下图： 表3-7鞍座支座结构尺寸 公称直径 允许载荷 鞍座高度 底板 DN Q/kN h l1 b1 δ1 2300 410 250 1660 240 14 筋板 腹板 δ2 l3 b2 b3 δ3 弧长 10 255 208 290 8 2680 螺栓间距 螺孔/孔长 重量 垫板 b4 δ4 e l2 D/l kg 500 10 100 1460 24/40 215

图3-11鞍座

b、鞍座位置的确定

因为当外伸长度A=0.207L时，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

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开孔补强计算 接 管: f, φ530312 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简 图 设 计 条 件 计算压力 pc 设计温度 壳体型式 壳体材料 名称及类型 1.6 50 圆形筒体 16MnR(热轧) 板材 MPa ℃ 壳体开孔处焊接接头系数φ 壳体内直径 Di 壳体厚度负偏差 C1 壳体腐蚀裕量 C2 壳体材料许用应力[σ] t1 mm mm mm mm MPa mm mm mm mm mm MPa mm mm mm 接管材料 名称及类型 1900 0 2 170 270 0 1 2 壳体开孔处名义厚度δn 12 接管实际外伸长度 接管实际内伸长度 接管焊接接头系数 接管腐蚀裕量 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 接管厚度负偏差 C1t 接管材料许用应力[σ]t 壳体计算厚度δ 补强圈强度削弱系数 frr 开孔直径 d 接管有效外伸长度 h1 接管多余金属面积 A2 补强圈面积 A4 结论: 补强满足要求。

16Mn(热轧) 管材 840 12 0 170 2.496 1026 0 520.8 64 3127 mm mm mm MPa mm mm mm mm2 mm2 mm2 补强圈材料名称 16MnR(热轧) 补强圈外径 补强圈厚度 1.5 163 8.983 1 513 78.46 903.4 3720 补强圈厚度负偏差 C1r 补强圈许用应力[σ]t 接管计算厚度δt 补强区有效宽度 B 接管有效内伸长度 h2 开 孔 补 强 计 算 接管材料强度削弱系数 fr 0.959 开孔削弱所需的补强面积A 4615 mm2 壳体多余金属面积 A1 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 mm2 A-(A1+A2+A3) A1+A2+A3=1488 mm2 ，小于A，需另加补强。 29

开孔补强计算 接 管: n, φ10834 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简 图 设 计 条 件 计算压力 pc 设计温度 壳体型式 壳体材料 名称及类型 1.6 50 圆形筒体 16MnR(热轧) 板材 MPa ℃ 壳体开孔处焊接接头系数φ 壳体内直径 Di 壳体厚度负偏差 C1 壳体腐蚀裕量 C2 壳体材料许用应力[σ] t1 mm mm mm mm MPa mm mm mm mm mm MPa mm mm mm 接管材料 名称及类型 1900 0 2 170 150 0 1 2 壳体开孔处名义厚度δn 12 接管实际外伸长度 接管实际内伸长度 接管焊接接头系数 接管腐蚀裕量 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 接管厚度负偏差 C1t 接管材料许用应力[σ]t 壳体计算厚度δ 补强圈强度削弱系数 frr 开孔直径 d 接管有效外伸长度 h1 接管多余金属面积 A2 补强圈面积 A4 结论: 补强满足要求。

16Mn(热轧) 管材 210 8 0 170 0.493 210 0 106.6 16 782.2 mm mm mm MPa mm mm mm mm2 mm2 mm2 补强圈材料名称 16MnR(热轧) 补强圈外径 补强圈厚度 0.5 163 8.983 1 105 20.49 39.57 816 补强圈厚度负偏差 C1r 补强圈许用应力[σ]t 接管计算厚度δt 补强区有效宽度 B 接管有效内伸长度 h2 开 孔 补 强 计 算 接管材料强度削弱系数 fr 0.959 开孔削弱所需的补强面积A 944.4 mm2 壳体多余金属面积 A1 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 mm2 A-(A1+A2+A3) A1+A2+A3=162.2 mm2 ，小于A，需另加补强。 30

开孔补强计算 接 管: g, φ5733.5 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简 图 设 计 条 件 计算压力 pc 设计温度 壳体型式 壳体材料 名称及类型 1.6 50 MPa ℃ 接管材料 名称及类型 椭圆形封头 16MnR(热轧) 板材 1 mm mm mm mm MPa 壳体开孔处焊接接头系数φ 壳体内直径 Di 壳体厚度负偏差 C1 壳体腐蚀裕量 C2 壳体材料许用应力[σ] 椭圆形封头长短轴之比 接管实际外伸长度 接管实际内伸长度 接管焊接接头系数 接管腐蚀裕量 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 接管厚度负偏差 C1t 接管材料许用应力[σ]t 壳体计算厚度δ 补强圈强度削弱系数 frr 开孔直径 d 接管有效外伸长度 h1 接管多余金属面积 A2 补强圈面积 A4 结论: 补强满足要求。

t1900 0 2 170 2 150 0 1 2 900 0.438 163 8.962 1 54.88 13.86 21.68 422 壳体开孔处名义厚度δn 12 mm mm mm mm mm MPa mm mm mm 16Mn(热轧) 管材 130 8 0 170 0.247 109.8 0 56.85 12.25 401.8 mm mm mm MPa mm mm mm mm2 mm2 mm2 补强圈材料名称 16MnR(热轧) 补强圈外径 补强圈厚度 补强圈厚度负偏差 C1r 补强圈许用应力[σ]t 接管计算厚度δt 补强区有效宽度 B 接管有效内伸长度 h2 开 孔 补 强 计 算 接管材料强度削弱系数 fr 0.959 开孔削弱所需的补强面积A 492.6 mm2 壳体多余金属面积 A1 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 mm2 A-(A1+A2+A3) A1+A2+A3=90.79 mm2 ，小于A，需另加补强。 31

鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力 圆筒的有效宽度 b2?b?1.56Rm?n?387.088 在横截面kKF?5??5??eb2最低点处 L/Rm≥8时, F3K6F?6????24?b2?e2e L/Rm<8时, mm 无加强圈圆筒 无垫板或垫板不起加强作用时 MPa MPa 在鞍座 边角处 F12K6FRm?6????4?eb2L?e2 MPa 鞍座垫板宽度W?b?1.56Rm?n ； 鞍座垫板包角???12? 横截面最kK5F????低点处的5??e??re?b2-1.41214 周向应力 L/Rm≥8时, 无 垫 板加 起 加强 强 作圈 用 时 筒 体 MPa F3K6F鞍座边角?6????224???b2???处 ere2ere-40.9843 的周向应L/Rm<8时, 力 F12K6FRm?6????24??e??re?b2L??e2??re? ????MPa MPa L/Rm≥8时, 鞍座垫板'3K6FF????6??边 24?eb22?e-69.0308 缘处圆筒中 L/Rm<8时, 的周向应'12K6FRmF力 ????6??4?eb2L?e2 应力校核 MPa MPa |?5| < [? ]t = 170 合格 |?6 | < 1.25[? ]t = 212.5 合格 |?’6 | < 1.25[? ]t = 212.5 合格 MPa

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加强圈材料, e = d = 加强圈参数 有加强圈圆筒 加强圈位于 鞍座平面上 加强圈数量, n = 组合总截面积, A0 = 组合截面总惯性矩, I0 = 设计温度下许用应力???? tR mm mm 个 mm2 mm4 MPa MPa 在鞍座边角处圆筒的周向应力： ?7?C4K7FRmeK8F??I0A0 在 鞍 座 边 角 处 ，加 强 圈 内 缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ： ?8?C5K7RmdFK8F??I0A0 横 截 面 最 低 点 的 周 向 应 力 MPa 无垫板时，（ 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 ） ?5??kK5F??eb2 MPa 采用垫板时，（垫板起加强作用） kK5F?5???加强圈靠近鞍座 ??e??re?b2 在横截上靠近水平中心线的周向应力： C4K7FRmeK8F??I0A0 在横截上靠近水平中心线处，不与筒壁相接的加强圈内缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ： ?7?MPa 有加强圈圆筒 CKRdFK8F?8?57m??I0A0 无垫板或垫板不起 加强 作用 MPa L/Rm≥8时, ?6??F3K6F??4?eb22?e2 MPa 无垫板或垫板不起 加强 作用 L/Rm<8时, 加强 采用垫板时，（垫板起加强作用） 圈鞍座边角处F3K6F靠点处的周向?6????224???b2???????ere2ereL/Rm≥8时, 近应力 鞍座 ?6??F12K6FRm??4?eb2L?e2 MPa MPa 25 采用垫板时，（垫板起加强作用）

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应力校核 |?5| < [?]t = 合格 |?6 | < 1.25[?]t = 合格 |?7 | > 1.25[?]t = |?8 | < 1.25[?]tR = 鞍 座 应 力 计 算 FS?K9F?29266.2 ?1?Hs?min?Rm,H???3?250 MPa 水平分力 N 计算高度 鞍座腹板厚度 mm mm mm mm bo?8 鞍座垫板实际宽b4?430 度 腹板鞍座垫板有效宽br?minb4,b2?387.088 水度 平无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 , 应F?9?S?力 HSb0 腹板水平应力 垫板起加强作用, ??MPa 应力判断 ?9?FS?HSb0?br?re4.98499 23 ?9 < [? ]sa = 113.333 合格 MPa 腹由地震、配管轴向水平分力引起的支座轴向弯曲强度计算 板 与圆筒中心至基础表面距离 Hv?1212 筋板 FE?0.3?Emg? 组轴向力 合截FL?Fp?FE? 面轴向FL?Ff 时, 弯曲FLHVFLHF??????sa应??A2ZAL?2Asarsa 力 FL?Ff时 mm N MPa ?sa 由圆筒温差引起的轴向力 ?F?Ffs?HFLHVF???L??AsaZrAsa?L?2A? MPa Ff?Ff? ?sa??FfHF??AsaZr N 应力判断

MPa MPa 27

?sa < 1.2[?]sa = 注：带#的材料数据是设计者给定的

开孔补强计算 接 管: a, φ8934 计算单位 全国化工设备设计技术中心站 计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔 简 图 设 计 条 件 计算压力 pc 设计温度 壳体型式 壳体材料 名称及类型 1.6 50 圆形筒体 16MnR(热轧) 板材 MPa ℃ 壳体开孔处焊接接头系数φ 壳体内直径 Di 壳体厚度负偏差 C1 壳体腐蚀裕量 C2 壳体材料许用应力[σ] t1 mm mm mm mm MPa mm mm mm mm mm MPa mm mm mm 接管材料 名称及类型 1900 0 2 170 150 0 1 2 壳体开孔处名义厚度δn 12 接管实际外伸长度 接管实际内伸长度 接管焊接接头系数 接管腐蚀裕量 凸形封头开孔中心至 封头轴线的距离 接管厚度负偏差 C1t 接管材料许用应力[σ]t 壳体计算厚度δ 补强圈强度削弱系数 frr 开孔直径 d 接管有效外伸长度 h1 接管多余金属面积 A2 补强圈面积 A4 结论: 补强满足要求。 16Mn(热轧) 管材 180 8 0 170 0.4 172 0 87.3 16 631.2 mm mm mm MPa mm mm mm mm2 mm2 mm2 补强圈材料名称 16MnR(热轧) 补强圈外径 补强圈厚度 0.5 163 8.983 1 86 18.55 39.14 664 补强圈厚度负偏差 C1r 补强圈许用应力[σ]t 接管计算厚度δt 补强区有效宽度 B 接管有效内伸长度 h2 开 孔 补 强 计 算 接管材料强度削弱系数 fr 0.959 开孔削弱所需的补强面积A 773.7 mm2 壳体多余金属面积 A1 mm2 补强区内的焊缝面积 A3 mm2 A-(A1+A2+A3) A1+A2+A3=142.4 mm2 ，小于A，需另加补强。 28

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