石油气缓冲罐设计

《化工设备机械基础》课程设计石油气缓冲罐设计

系部：化学工程系

专业：应用化工技术

班级：应化10-5（1）

姓名：**

指导老师：薛风

完成时间：2012.12.28

新疆工程学院

课程设计评定意见

设计题目：石油气缓冲灌设计

学生姓名：********

评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）：年月日

符号公称压力管路尺寸法兰类型

密封面型式用途伸出长度a PN1.0DN25SO RF 物料进口120b PN1.0DN50SO RF 物料出口120c PN0.6

DN150SO RF 手孔100d N27*2

SO 内螺纹温度计口60e PN1.0DN20SO RF 压力口120f PN2.5DN20SO RF 液位计口120q pN1.0

DN20SO RF 安全阀口120h

ZG1/2

SO

外螺纹

压力表口

60

a

b

g

日程安排（4周）

1.课程介绍，安排任务

2.布置强度计算

3.强度计算和考虑结构设计

4.检查强度计算结果和布置出施工图

5.完成2张1#纸施工图

6.交图纸

7.完成设计说明书8.交设计书明书9.设计答辩

设计任务书

第一章.概述 ............................................................................................................................................... - 4 - 第二章.罐体设计及计算........................................................................................................................... - 6 -

2.1罐体设计指标.............................................................................................................................. - 6 -

2.1-1罐体壁厚设计.................................................................................................................. - 6 -

2.2封头厚度设计.............................................................................................................................. - 7 -

2.2-1计算封头厚度.................................................................................................................. - 7 -

2.2-2校核水压试验强度.......................................................................................................... - 8 -

2.3立式容器支座设计...................................................................................................................... - 8 -

2.4手孔的设计及计算.................................................................................................................... - 10 -

2.5手孔补强 ................................................................................................................................... - 11 -

2.5-1确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径.................................................................... - 11 -

2.5-2确定壳体和接管实际厚度............................................................................................ - 11 -

2.5-3计算需要补强的金属面积和作为补强的金属面积.................................................... - 11 -

2.6 接管的设计及计算................................................................................................................... - 12 -

2.6-1石油气的进料管............................................................................................................ - 12 -

2.6-2排污管............................................................................................................................ - 12 -

2.6-3液位计接管.................................................................................................................... - 13 -

2.6-4安全阀接口.................................................................................................................... - 13 -

2.6-5压力表口........................................................................................................................ - 13 - 设计总结 .................................................................................................................................................. - 14 - 符号说明 .................................................................................................................................................. - 15 - 附表 .......................................................................................................................................................... - 17 - 参考资料 .................................................................................................................................................. - 19 -

石油气缓冲罐设计：

设备设计主要技术指标：设计压力为0.1Mpa，最高工作压力为0.08Mpa，设计温度为50℃，工作温度为50℃的石油气缓冲罐。

设备主要材质为16MnR，设备容积为0.3m3，介质名称为石油气。

石油气缓冲罐的设计步骤：（1）罐体壁厚设计（2）封头厚度设计（3）立式容器支座（4）手孔（5）手孔补强（6）接管。

关键词：封头厚度、接管、手孔补强、手孔、支座

第一章.概述

压力容器一般是指在工业生产中用来完成反应、传热、传质、分离、贮存等工艺过程，并承受0．1MPa表压以上压力的容器。化工生产过程中使用的压力容器形式多样，结构复杂，工作条件苛刻，危险性较大。

压力容器分类：(1)中压容器1．6MPa≤P＜10MPa。；(2)低压容器0．1MPa ≤P＜1．6MPa。；(3)低压反应容器和低压储存容器；(4)低压管壳式余热锅炉；(5)低压搪玻璃压力容器。

由于压力容器是在压力状态下运行，内部介质又有可能是有毒可燃的。所以压力容器一旦发生事故必须进行周密检查和必要的技术措施。一般压力容器破裂原因可分为韧性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂和蠕变破裂等五种形式。

本设计属于低压容器。

化工装置的压力容器绝大多数为钢制的。制造材料多种多样，比较常用的有如下几种。

（1）Q235—A：0235—A钢，含硅量多，脱氧完全，因而质量较好。

（2）20g：20g锅炉钢板与一般20号优质钢相同，含硫量较Q235—A钢低，具有较高的强度。

（3）16MnR：16MnR普通低合金容器钢板，制造中、低压容器可减轻温度较高的容器重量。

（4）高温容器用钢：温度＜400、可用普通碳钢，使用温度400～500℃可用15MnVR、14MnMoVg，使用温度500～600℃可采用15CrMo、12Cr2Mol，使

用温度600～700℃应采用0Cr13Ni9和1Cr18Ni9Ti等高合金钢。

（5）低温容器(低于－20℃)材料

主要是要求在低温条件下有较好的韧性以防脆裂，一般低温容器用钢多采用锰钒钢。

本设计主要选用16MnR型号钢材。

第二章.罐体设计及计算

2.1罐体设计指标

设备设计主要技术指标：

设计压力为0.1Mpa ，最高工作压力为0.08Mpa ，设计温度为50℃，工作温度为50℃的石油气缓冲罐。

设备主要材质为16MnR ，设备容积为0.3m 3，介质名称为石油气。 2.1-1罐体壁厚设计

设备主要材质为16MnR ，根据/7132008GB T -《锅炉和压力容器用钢板》16MnR 时为Q345R ，所以本罐采用Q345R 制作罐体和封头。 壁厚δ根据式[]2C i t

C

P D P δσφ=

-计算；

δ ——圆筒或球壳的计算厚度，㎜；

C P ——计算压力，Mpa ； i

D ——圆筒或球壳的内径，㎜；

[]t

σ——圆筒或球壳材料在设计温度下的许用应力；

φ ——焊接接头系数，在计算应力时φ=1

本石油气缓冲罐的工作温度为50℃，查表得Q345R 钢板在50℃的

[]t

σ=163Mpa ，s δ=325Mpa ，φ=1，i D =600㎜

为防止容器由于腐蚀导致厚度减弱应考虑介质对金属材料的腐蚀裕度C2 介质为空气或水蒸气，水的碳素钢容器其腐蚀裕度不得小于1.0mm 当介质腐蚀性极微小可取0mm ，介质为石油气查表其腐蚀裕度应>=1故去腐蚀裕度

取2C =1.5㎜，于是 []2C i t

C

P D P δσφ=

- 0.1600

2163 1.00.1

?=

??-0.18mm ≈

所以2b C δδ=+0.182=+ 2.18mm =

根据b δ 2.18mm =，查表得10.25C mm =，又因为该值小于名义厚度6%；所以钢板厚度负差可以忽略不计。

1 2.180.25 2.43b C mm δ+=+=圆整后取

3n mm δ=；确定选用3n mm δ=厚的Q345R 型钢板制作罐体。

2.2封头厚度设计

2.2-1计算封头厚度

容器封头又称盖瑞，按其形状可分为三类：凸型封头，锥型封头和平板封头。其中凸型封头包括半球形封头，椭圆型封，碟型封头和球冠型封头四种有设计指标可知，罐体采用标准椭圆形封头

厚度δ按式[]20.5C i

t

C

P D P δσφ=

-计算

δ ——圆筒或球壳的计算厚度，㎜；

C P ——计算压力，Mpa ； i

D ——圆筒或球壳的内径，㎜；

[]t

σ——圆筒或球壳材料在设计温度下的许用应力；

φ ——焊接接头系数，在计算应力时φ=1

于是 []20.5C i

t

C

P D P δσφ=

-

0.1600

2163 1.00.10.5

?=

??-?0.18mm ≈

且12C C C =+0.252 2.25=+=㎜ 故 2.250.18 2.43C mm δ+=+= 圆整后取 3n mm δ=

确定选用3n mm δ=厚的Q345R 型钢板做封头。

2.2-2校核水压试验强度

根据式 ()0.92T i e T s e

P D δσφσδ+=

≤ 式中 1.25 1.250.10.125T P P MPa ==?=

e n C δδ=-321()mm =-= MPa s 345=σ

则()

2T i e T e

P D δσδ+= 0.125(6001)

37.621

?+=

≈?Mpa

而MPa s 5.3103450.19.09.0=??=φσ 因 0.9T s σφσ＜ ；所以试验强度足够。

2.3立式容器支座设计

2.3-1计算支座负荷 贮罐总质量 1234m=m m m m +++

1m —罐体质量 2m —封头质量

3m —液氨质量

4m —附件质量

1.罐体质量

DN=600mm ；3mm δ=；820L mm =；7850ρ=

所以，1 3.14(6003)3820785037i m D L kg πδρ==?+???≈ 2.封头质量

DN=600mm ；3mm δ=；7850ρ=

所以，2220.3520.35 3.14(6003)37850218i m D kg πδρ=?=??+???= 3.石油气质量

3m V ?ρ= 其中，装置系数0.9?= 贮罐容积 2V V V =+封筒 2

234

i i V D h π=

?封 所以，322224

4

i V D D L π

π

=?+

32(0.60.003)(0.60.003)0.8272

4

π

π

=

?++

+?30.3()m =

石油气在常温常压下的密度为1.94g/L=1940kg/3m

319400.90.3523.8m kg =??=

4.附件质量

手孔150DN 查附表11-10得手孔约为5.14kg 其他接管质量总和Kg 04.4 所以，49.18m kg =

所以贮罐总质量：1234m=m m m m +++=3718532.89.18588kg +++=

5889.81

1.444

mg F KN ?=

=≈ 所以每个支座只承受1.4KN 的负荷，

可选用HG5-1579-85-38A 型Ⅲ号4个支座。

2.4手孔的设计及计算

根据贮罐的设计温度、最高工作压力、材质及使用要求等条件，选用公称压力0.6Mpa 的水平吊杆带颈对焊法兰手孔(2059297HG -),手孔公称直径选定为150㎜，采用平面密封面（RF 型）和石棉橡胶板垫片，手孔结构如图所示；手孔各零件名称，材质见表。 该水平吊杆带颈对焊法兰手孔的标记为： 手孔 SO RF - 1500.6- 2059297HG -

2

2.5手孔补强

2.5-1确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径 由已知条件知，壳体计算厚度0.18mm δ=， 按式[]0

20.5C t t

C

P D P δσφ=

-

接管计算厚度为: []0

20.5C t t

C

P D P δσφ=

-0.1150

0.04521631

0.1

mm ?=

=

??+

开孔直径为：12(150122)22150d d C =+=-?+?=㎜ 2.5-2确定壳体和接管实际厚度

开孔有效补强宽度B 及外侧有效补强高度1h 。 已知壳体名义厚度3n mm δ=

补强部分厚度3nt mm δ=；接管有效补强宽度为：

22150300B d mm ==?=

接管外侧有效补强高度为：121h mm === 2.5-3计算需要补强的金属面积和作为补强的金属面积 需要补强的金属面积为：

22718.0150mm d A =?==δ

可以作为补强的金属面积为：

1()()e A b d δδ=--2(300150)(10.18)123mm =--=

2212()221(10.045)140.11()et t r A h f mm δδ=-=??-?= 22111.163mm A A A e =+=

比较e A 与A 的大小，同时考虑接管与壳体焊缝面积之后，该开孔接管补强的强度足够了。

2.6 接管的设计及计算

2.6-1石油气的进料管

采用253mm mm φ?无缝钢管，管的一端切成45° 另一端伸出长度为120㎜， 配用突面板式平焊法兰管：

20592HG 法兰251So - RF 16Mn Ⅲ

因为该接管为253mm mm φ?，厚度小于5㎜ 故该接管开孔需要补强。6.2石油气出料管 采用50 3.5mm mm φ?无缝钢管，配用带颈平焊法兰：

20592HG 法兰 SO 501PL - RF 16Mn Ⅲ

2.6-2排污管

贮罐最底部安放一个排污管，管子规格203mm mm φ? 管端装有一与截止阀4116J W -相配的 管法兰 20592HG 法兰 SO 20 RF 16Mn Ⅲ

2.6-3液位计接管

采用203mm mm φ?无缝钢管，配用带颈平焊法兰： 20592HG 法兰 SO 20 2.5PL - RF 16Mn Ⅲ 2.6-4安全阀接口

采用203mm mm φ?无缝钢管，配用带颈平焊法兰： 20592HG 法兰 SO 201PL - RF 16Mn Ⅲ 2.6-5压力表口

采用2G1/2英寸无缝钢管，管螺纹，伸出长度为120mm 由于壳体开孔满足下属全部要求时不需要补强： (1)设计压力P ≤2.5a Mp ；

(2)两相邻开孔中间距离应不小于两空直径的两倍； (3)接管外径≤89mm ；

(4)接管最小厚度满足下表要求。

管最小厚度

设计总结

13n mm δ=厚的Q345R 型钢板制作罐体。 2采用标准椭圆形封头

3选用3n mm δ=厚的Q345R 型钢板做封头。

4罐体质量37Kg 封头质量18Kg 石油气质量523.8Kg 附件质量 9.18Kg 贮罐总质量588Kg

5 手孔选用 SO RF - 1500.6- 205929HG -

6 手孔开孔直径150mm

7开孔有效补强宽度300mm ，外侧有效补强高度1h 21mm 8补强的金属面积为227mm

9石油气的进料管20592HG 法兰 SO 501PL - RF 16Mn Ⅲ 10排污管的管法兰 20592HG 法兰 SO 20 RF 16Mn Ⅲ 11液位计接管203mm mm φ?无缝钢管

配用带颈平焊法兰20592HG 法兰 SO 20 2.5PL - RF 16Mn Ⅲ 12安全阀接口 采用203mm mm φ?无缝钢管，配用带颈平焊法兰 20592HG 法兰 SO 201PL - RF 16Mn Ⅲ 13压力表口采用2G1/2英寸无缝钢管 14选用HG5-1579-85-38A 型Ⅲ号4个支座。

符号说明

c P ——计算压力 a Mp i D ——圆筒的内径 mm O D ——圆筒的外径 mm

[]w P ——圆筒的最大容许压力 a Mp

δ——圆筒的计算厚度 mm

d δ——圆筒的设计厚度 mm 2d C δδ=+ n δ——圆筒的名义厚度 mm 1n d C δδ=+

e δ——圆筒的有效厚度 其值 e n C δδ=+

[]t

δ——圆筒材料在设计温度下的许用应力 a Mp

t σ——圆筒材料在设计温度下的计算应力 a Mp

——焊接接头系数

1C ——钢板厚度的负偏差 mm 2C ——腐蚀余量 mm

C ——厚度附加量 mm 12C C C =+

t σ——圆筒壁在试验压力下的计算应力 a Mp s σ——圆筒材料在试验温度下的屈服点 a Mp

i h ——封头内壁曲面高度 mm

T P ——实验压力 a Mp

P ——设计压力 a Mp F ——每一支座承受的压力 KN

et s ——接管有效厚度 mm nt s ——补强有效厚度 mm

d ——开孔直径 mm

r f ——强度削弱系数

1A ——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 2mm 2A ——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 2mm

3A ——焊缝金属减去计算厚度之外的多余面积 2mm t f ——接管的计算厚度 mm

e A ——补强面积 2mm

4A ——有效补强范围内另加的补强面积 2mm

B ——有效宽度 mm

附表附表1

附表2