卧式储罐设计

卧式储罐设计

卧式储罐设计 (1)

一、绪论 (2)

1.1 设计任务： (2)

1.2 设计思想 (2)

1.3 设计特点 (2)

二、设计总论 (3)

2.1 设计任务 (3)

2.2 材料及结构的选择与论证 (3)

2.2.1 材料及结构的选择 (3)

2.2.2 封头的选择 (3)

2.2.3 容器支座的选择 (4)

三、主体设计计算 (5)

3.1 确定罐体的内径及长度 (5)

3.2 筒体厚度设计 (5)

3.2.1 确定参数 (5)

3.2.2 计算壁厚 (6)

3.2.3 圆筒最大允许工作压力 (6)

3.3 封头壁厚设计 (7)

3.3.1 封头壁厚设计 (7)

3.3.2 封头最大允许工作压力 (7)

3.4 水压试验及强度校核 (7)

四、零部件选配及设计 (8)

4.1 人孔选择及补强计算 (8)

4.1.1 人孔选择 (8)

4.1.2 补强计算 (10)

4.2 进出料接管的选择及管法兰选配 (10)

4.2.1 进料管 (10)

4.2.2 出料管 (11)

4.2.3 排污管 (11)

4.2.4 液面计接管 (11)

4.2.5 放空管 (11)

4.3 安全阀的选择 (12)

4.4 鞍座的选择 (12)

4.4.1 罐体质量 (12)

4.4.2 封头质量 (12)

4.4.3 二甲醚质量 (13)

4.4.4 附件质量 (13)

4.4.5 鞍座选择 (13)

五、容器焊缝标准 (14)

5.1 压力容器焊接结构设计要求 (14)

5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头 (14)

5.3 管法兰与接管的焊接接头 (15)

5.4 接管与壳体的焊接接头 (15)

参考文献 (16)

一、绪论

1.1 设计任务：

针对化工厂中的二甲醚储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图，并便携设计说明书。

1.2 设计思想

本设计的液料为二甲醚，二甲醚又称甲醚，简称DME，甲醚在常压下是一种

.

664m

kg，熔

10

无色气体或压缩液体，具有轻微醚香味。相对密度（20℃）3

/

点-141.5℃，沸点-24.9℃，室温下蒸气压约为0.5MPa，与石油液化气（LPG）相似。溶于水及醇、乙醚、丙酮、氯仿等多种有机溶剂。易燃，在燃烧时火焰略带光亮，燃烧热（气态）为1455kJ/mol。常温下DME具有惰性，不易自动氧化，无腐蚀、无致癌性，但在辐射或加热条件下可分解成甲烷、乙烷、甲醛等。1.3 设计特点

容器的设计一般由筒体,封头，法兰，支座，接管等组成。常，低压化工设备通用零部件大都有标准，设计师可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的筒体，封头的设计计算，低压通用零部件的选用。

各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家使用标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理的进行设计。

二、设计总论

2.1 设计任务

序号项目数值单位备注

1 名称卧式二甲醚储罐

2 用途二甲醚储藏

3 最高工作压力 1.15 MPa

4 最高工作温度50 ℃

5 全容积3

m

6 装料系数0.9

7 工作介质名称二甲醚

2.2 材料及结构的选择与论证

2.2.1 材料及结构的选择

二甲醚腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,可以考虑Q245R、Q345R这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用Q245R类的低碳钢板，Q345R钢板的价格虽比Q245R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，Q345R钢板为比较经济。所以在此选择Q345R钢板作为制造筒体和封头材料。

筒体结构设计为圆筒形。

2.2.2 封头的选择

压力容器封头的种类较多，常见容器凸形封头形式如图2-1示。

图2-1 常见容器凸形封头的形式

从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来年：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。

2.2.3 容器支座的选择

容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座.

圈座一般对于大直径薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿，因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备。综上考虑在此选择双个鞍式支座作为储罐的支座。

图2-2 鞍式支座总体图

三、主体设计计算

3.1 确定罐体的内径及长度

已知要求设计的储罐的容积为316m ，选用储罐形式为卧式储罐，根据经验公式计算卧式储罐的直径和筒长，取长径比6~4:=Di L ，筒体的直径和筒长可由式（3-1）计算

）（1-34

12L

D V i ?=π

根据《化工设备标准手册》标准GB 9019-2001，试选用筒体内经Di=1600mm ，

罐身的长度L=8000mm 。 对容积的核算：

筒体体积V 1：V1=16.08m 3

封头体积V 2：经查表得到V2=0.587m 3 总体积：V=V 1+2V 2=17.254m 3＞16m 3 所以取筒体： Di=1600mm L=8000mm

3.2 筒体厚度设计 3.2.1 确定参数

工作压力MPa p w 15.1=

设计压力MPa p p w 21.115.105.105.1=?==

液柱静压力MPa gD p i 008.02.198.910.664=??==ρ液 由于

%5%66.0<=p

p 液

，故不计液柱静压力，

所以计算压力MPa p p c 21.1==

t 为C 。

～5020-，假设厚度为mm 166～，由《钢板许用应力表》可得R Q 345的[]MPa t

170=σ，

因为φ的取值是根据焊接接头的形式，及无损检测的长度比例来确定的。本次储罐的设计采用双面对接接头和相当于双面对接焊的全焊透对接接头，100%无损检

测，所以0.1=φ。

3.2.2 计算壁厚

所以 []mm p D p c

t

i c 71.521.1-117021600

21.12=???=-=

φσδ 式中 δ —筒体计算厚度，mm ；

c p —计算压力,通常可取最高工作压力的1.05-1.10倍，MPa ； []t σ—许用应力，MPa ； φ —焊缝接头系数；

i D —筒体内径，㎜。

在《钢制压力容器》中，只考虑钢板平面腐余量取C 2=1.5㎜。 mm C d 21.75.171.52=+=+=δδ 式中

d δ —设计厚度，㎜。

根据mm d 21.7=δ，得mm C 25.01=， 故mm C d 46.71=+δ,

根据钢板厚度规格，圆整后确定名义厚度mm n 0.8=δ。

复验m m 25.0m m 48.0%6>=?n δ，故最后取mm C 25.01=， 故该储罐用8mm 厚Q345R 钢板制作。

3.2.3 圆筒最大允许工作压力

[]

[]MPa MPa D p e i t

e w 21.132.125

.616001

17025.622>=+???=+=δφσδ， 满足设计条件。

3.3 封头壁厚设计 3.3.1 封头壁厚设计

采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。 计算厚度[]mm 70.521.15.0-117021600

21.15.02=????=-=

c

t

i c p D p φσδ

设计厚度m m 45.75.125.070.521=++=++=C C d δδ 考虑钢板厚度规格，圆整后确定名义厚度mm n 8=δ。

3.3.2 封头最大允许工作压力

椭圆形封头的最大允许工作压力按下式确定

[]

[]MPa MPa KD p e i e t

w 21.133.125

.65.01600125

.6117025.02>=?+????=+=δφδσ 所以封头也符合设计条件。

3.4 水压试验及强度校核

现已知圆筒i D 、n δ，需对圆筒进行强度校核。校核如下： s e

e i T t D p φσδδσ9.02)

(≤+=

式中 MPa p p T 51.121.125.125.1=?==，

mm C C C n n e 25.65.125.0821=--=--=-=δδδ MPa s 345=σ，Q345R 钢板的屈服极限， 则 MPa t 19425

.62)

25.61600(51.1=?+?=

σ

而 MPa s 5.31034519.09.0=??=φσ，所以水压试验强度足够。

四、零部件选配及设计

4.1 人孔选择及补强计算

4.1.1 人孔选择

人孔的作用：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。

人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。

人孔类型：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。

人孔标准HG21524-95规定PN≥1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。

容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为φ400㎜。

综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95），公称压力PN2.5、公称直径DN450、H1=320、RF型密封面、采用Q345R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。标记为：人孔RFⅥ（W·C-1220）450-2.5HG21524-95总质量为256kg.法兰标准号为HGJ50～53-91,垫片标准号为HGJ69～72-91,法兰盖标准HGJ61～65-91材料为20R，螺柱螺母标准HGJ75-91螺柱材料40Cr螺母材料45，吊环转臂和材料Q235-A·F,垫圈标准为GB95-85材料100HV,螺母标准GB41-86，吊钩和环材料Q235-A·F，无缝钢管材料为20，支承板材料为Q345R。

4.1.2 补强计算

开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。

补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。

压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用Q345R。

根据JB/T 4736-2002，确定补强圈内径D1=484mm，外径D2=760mm，补强圈厚度为20mm。

4.2 进出料接管的选择及管法兰选配

材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR。

结构：接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。

接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。

不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时(GB150)，可不另行补强。

4.2.1 进料管

书P322

4.2.2 出料管

书P322

4.2.3 排污管

书P322

4.2.4 液面计接管

书P322

4.2.5 放空管

书P322

6 两相邻开孔中心的间距

管间的间距均由下述来设计并计算：)(2m n d d L

+≥

上部：从罐的右侧至左侧依次设置：安全阀接管口，放空口，进料口，出料口，人孔，

安全阀接管口中心线距右封头mm L 15001=， 安全阀接管口中心线与放空口中心线间距:

mm L 242)3289(22=+≥ 取mm L 4002

=

放空口中心线与进料口中心线间距：

mm L 178)5732(23=+≥取mm L

3003

=

进料口中心线与出料口中心线的间距:

mm L 164)2557(24=+≥ 取mm L

3004

=

出料口中心线与人孔中心线的间距:

mm L 950)45025(25=+≥取mm L

12005

=

下部：罐左侧设置排污管：

封头的左侧放两个液位计接口。

4.3 安全阀的选择

安装位置：在离右封头切线处1150处安装一安全阀。

由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范围，所以由本设计的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号A21H-40,公称通径DN 取20㎜，质量约为80㎏。与安全阀和接管连接的法兰选择突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，与壳体连接的接管为无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12㎜。

4.4 鞍座的选择

首先计算鞍座负荷 储罐总质量

4321m m m m m +++=

式中 1m —罐体质量 2m —封头质量 3m —二甲醚质量 4m —附件质量

4.4.1 罐体质量

Di=1600mm ，L=8000mm ，mm n 0.8=δ，

kg L D m n i 2537785088000)81600(14.31=???+?==ρδπ

4.4.2 封头质量

查JB/T4746-2002，Di=1600mm ，mm n 0.8=δ，直边高度20mm 的标准椭圆封头质量178.4kg,

kg m m 8.3564.178222

2=?='?= 4.4.3 二甲醚质量

ρ?V m =3

储罐容积3254.172m V V V =+=筒封 二甲醚密度3/10.664m kg

kg m 5.1031210.664254.179.03=??=

4.4.4 附件质量

人孔质量200kg,其他接管等质量总和按300kg 记， 故kg m 5004=

4.4.5 鞍座选择

储罐总质量

kg m m m m m 3.137065005.103128.35625374

321=+++=+++=

kN mg F 2.672

8

.93.137062=?==

根据附录12，

五、容器焊缝标准

5.1 压力容器焊接结构设计要求

焊缝分散原则；

避免焊缝多条相交原则；

对称质心布置原则；

避开应力复杂区或应力峰值去原则；

对接钢板的等厚连接原则；

接头设计的开敞性原则；

焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；

避免产生缺陷；焊缝坡口对称；

有利于焊接防护；焊工操作方便；

复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。

5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头

压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得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，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I型坡口。

根据16MnR的抗拉强度=490Mpa和屈服点=325Mpa选择E50系列（强度要求：≥490Mpa；≥400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），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。

5.3 管法兰与接管的焊接接头

管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97,根据公称通经选择坡口宽度

5.4 接管与壳体的焊接接头

所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，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。如附图中的局部放大图所示[4,5]。

参考文献

[1] 赵军，张有忱等编. 化工设备机械基础. 第二版. 北京：化学工业出版社，2007.7

[2] 《压力容器实用技术丛书》编写委员会编. 压力容器设计知识. 北京：化学工业出版社，2005.7

[3] 刘湘秋编. 常用压力容器手册. 北京：机械工业出版社，2004.6

[4] 董大勤编. 化工设备机械基础. 北京：化学工业出版社，2003

[5] 贺匡国. 化工容器及设备简明设计手册，第二版. 2002.4

[6] 余国琮. 化工机械工程手册，上卷. 北京：化学工业出版社

[7] 郑晓梅编. 化工制图. 北京：化学工业出版社，2001.11

[8] 林大军编著. 简明化工制图. 北京：化学工业出版社，2005.6