液化石油气卧式储罐设计说明书DOC 77页.doc

专业设计课程任务书

80m 3液化石油气卧式储罐设计

摘要

液化石油气储罐是盛装液化石油气的常用设备，由于该气体具有易燃易爆的特点，因此在设计这种储罐时，要注意安全与防火，和在制造、安装等方面的特点。卧式储罐结构设计是以应力分析为主要途径，以材料力学为基础，对容器的各个主要受压部分进行设计。利用ANSYS软件对进行静力学应力、应变模拟分析，得出的应力作用下的较为精确详尽的储罐响应结果,直观的再现了储油罐在应力作用下的

受力情况和薄弱环节,从为储罐的设计提供了可靠的依据。在焊接过程中，采用多层多道焊，选择合理的焊接工艺措施，如控制焊接电流、电弧电压，选择材料、破口形式、焊丝焊剂、焊条等，不但能控制结构的焊接变形和应力，而且能保证焊缝的组织和性能，有效提高压力容器的品质。此外，除第一层打底焊外，每层都要捶击消除应力，每道焊缝都要清渣，防止夹渣，焊缝要圆滑过渡，防止应力集中。同时，在工程预算方面，从原材料花费、焊接相关花费、人工费几个方面进行统计估算。

关键词：卧式储罐，结构设计，模拟分析，焊接工艺，工程预算

80m3 LIQUEFIED OIL TANK STRUCTURE DESIGN

ABSTRACT

Liquefied petroleum gas storage tank is holding the commonly used equipment, liquefied petroleum gas (LPG) due to the characteristics of the gas is flammable and explosive, so in the design of the tank, pay attention to the safety and fire protection, and in the aspect of manufacture, installation, etc. Horizontal tank structure design is based on stress analysis as the main way, on the basis of mechanics of materials, to design the main compression portion of the container. Using ANSYS software to the stress, strain simulation statics analysis, it is concluded that the stress under the action of response result more accurate and detailed tank, intuitive reproduce the force of the oil tank under the effect of stress and the weak link, from the design provides a reliable basis for storage tank. In the welding process, the use of multi-layer welding, multichannel selecting rational welding process measures,Such as control welding current, arc voltage, material selection, crevasse form, flux welding wire, welding wire, etc., not only can control the welding deformation and stress of structure, and can guarantee organization and properties of the weld, effectively improve the quality of the pressure vessel. In addition, in addition to the first layer of backing welding, each layer to thump of eliminating stress and every way weld slag removal, preventing slag, weld to smooth the transition, prevent stress concentration. At the same time, in the aspect of engineering budget, from raw materials costs, welding related costs and labor statistical estimation.

KEY WORDS:Horizontal tank,Structure design,Simulation analysis, Welding process,Project budg

专业设计课程任务书 (1)

摘要 (2)

ABSTRACT (3)

第一章设计参数的选择 (6)

1.1液化石油气参数的确定 (6)

1.2设计温度 (6)

1.3设计压力 (6)

1.4 设计储量 (7)

1.5 主要元件材料的选择 (8)

1.5.1筒体材料的选择 (8)

1.5.2鞍座材料的选择 (8)

1.5.3地脚螺栓的材料选择 (8)

第二章容器的结构设计 (9)

2.1筒体和封头的设计 (9)

2.1.1 筒体设计 (9)

2.1.2封头设计 (9)

2.3筒体厚度计算 (10)

2.4封头厚度计算 (10)

第三章零部件的确定 (12)

3.1开孔和选取法兰分析 (12)

3.1.1人孔的设计 (12)

3.1.2 接管和法兰 (13)

3.1.3 垫片 (15)

3.1.4 螺栓（螺柱）的选择 (15)

3.1.5液位计的设计 (16)

3.2鞍座选型和结构设计 (17)

3.2.1鞍座选型 (17)

3.2.2 鞍座位置的确定 (18)

3.3开孔补强 (19)

3.3.1补强及补强方法判别 (19)

3.3.2开孔所需补强面积 (20)

3.3.3有效补强范围 (20)

3.3.4有效补强面积 (21)

第四章应力校核 (23)

4.1 圆筒轴向弯矩计算 (23)

4.1.1 圆筒中间截面上的轴向弯矩 (23)

4.1.2 支座截面处的弯矩 (24)

4.2 圆筒轴向应力计算并校核 (25)

4.2.1 圆筒中间截面上的轴向应力 (25)

4.2.2 由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算并校核 (25)

4.2.3 圆筒轴向应力校核 (26)

4.3 切向剪应力的计算及校核 (26)

4.4 鞍座应力计算并校核 (27)

4.5地震引起的地脚螺栓应力 (29)

4.5.1倾覆力矩计算 (29)

4.5.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力 (30)

4.5.3由地震引起的地脚螺栓剪应力 (30)

第五章水压数值模拟 (31)

5.1设定分析作业名和标题 (31)

5.1.1 定义工作文件名 (31)

5.1.2 定义工作标题 (31)

5.1.3 更改工作文件储存路径 (31)

5.1.4 定义分析类型 (31)

5.2实体建模 (31)

5.2.1 生成椭圆封头截面 (31)

5.2.2 建立椭圆局部坐标系 (31)

5.2.3 生成成容圆柱部分截面 (31)

5.2.4生成1/4罐体 (32)

5.2.5 工作平面旋转 (32)

5.2.6 激活总体直角坐标系，映射几何体 (33)

5.3网格划分 (33)

5.3.1 定义单元类型 (33)

5.3.2 选择单元体 (33)

5.3.3 定义材料属性 (33)

5.3.4 切分容器罐模型 (34)

5.3.5 自定义网格 (34)

5.4添加位置约束 (35)

5.4.1 设计压力为1.77MPA的模拟过程 (35)

5.4.2 最高工作压力为1.6MPA的模拟过程 (36)

5.5求解 (37)

5.6后处理查看变形图 (37)

5.6.1 设计压力为1.77MPA的后处理模拟 (37)

5.6.2 最高工作压力为1.6MPA的后处理模拟 (41)

5.7结论 (45)

第六章焊接工艺参数的选择 (46)

6.1母材焊接性 (46)

6.2母材碳当量估测 (46)

第七章焊接方法的选择 (47)

7.1 焊接方法的选择 (47)

7.2焊接设备 (47)

7.2.1手弧焊机 (47)

7.2.2埋弧焊机 (48)

第八章焊接材料选择 (50)

8.1焊接材料选用原则 (50)

8.2焊条电弧焊焊接材料 (51)

8.3埋弧焊焊接材料选择 (51)

8.3.1焊丝的选择 (51)

8.3.2焊剂的选择 (52)

第九章焊接工艺参数的选择 (53)

9.1埋弧焊工艺参数的选择 (53)

9.1.1焊接电流 (53)

9.1.2电弧电压 (53)

9.1.3焊接速度 (53)

9.1.4焊丝直径与伸出长度 (53)

9.1.5其他 (53)

9.2焊条电弧焊焊接工艺参数选择 (54)

9.2.1确定焊条直径 (54)

9.2.2焊接电流的确定 (54)

9.2.3焊接电压的确定 (55)

9.2.4焊接速度V的确定 (55)

9.2.5层数的确定 (55)

9.2.6焊钳，焊接电缆的确定 (56)

第十章焊接顺序 (57)

10.1焊缝位置及说明 (57)

10.2焊接顺序 (58)

第十一章焊接工艺 (59)

11.1铁板弯曲成筒的焊接焊缝 (59)

11.1.1 工艺要求 (59)

11.1.2 工艺顺序 (59)

11.2筒体环向焊缝 (60)

11.2.1 工艺要求 (60)

11.2.2 工艺顺序 (60)

11.2.3焊接操作 (60)

11.3法兰与接管焊缝 (61)

11.4筒体与接管焊缝 (63)

第十二章焊材的消耗及造价 (65)

12.1原材料花费 (65)

12.2 焊接相关花费 (65)

12.3人工花费 (66)

12.4工程预算表 (66)

第十三章焊接工艺实施阶段 (68)

13.1 焊前准备 (68)

13.2成型 (68)

13.2.1 筒体成型（卷板） (68)

13.2.2 封头 (69)

13.3 焊后处理 (70)

13.3.1检验 (70)

13.3.2技术要求 (70)

13.3.3焊后热处理 (71)

13.3.4涂装 (71)

13.3.5返修 (71)

结论 (72)

参考文献 (73)

谢辞 (74)

第一章设计参数的选择

1.1液化石油气参数的确定

液化石油气的主要组成部分由于石油产地的不同，各地石油气组成成分也不同。取产自新疆克拉玛依油田的液化石油气，其具体成分如下：

表1.1 液化石油气组成成分

对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如表1.2：

1.2设计温度

根据本设计工艺要求，使用地点为天津市的室外，用途为液化石油气储配站工作温度为-19~50℃，介质为易燃易爆的气体。

从表中我们可以明显看出,温度从50℃降到-25℃时,各种成分的饱和蒸气压力下降的很厉害,可以推断,在低温状态下,由饱和蒸气压力引起的应力水平不会很高。

由上述条件选择危险温度为设计温度。为保证正常工作，对设计温度留一定的富裕量。所以，取最高设计温度t=50℃，最低设计温度t=﹣25℃。根据储罐所处环境，最高温度为危险温度，所以选t=50℃为设计温度。

1.3设计压力

该储罐用于液化石油气储配供气站，因此属于常温压力储存。工作压力为相应温度下的

饱和蒸气压。因此，不需要设保温层。

根据道尔顿分压定律，我们不难计算出各种温度下液化石油气中各种成分的饱和蒸气分压，如表1.3：

表1.3 各种成分在相应温度下的饱和蒸气分压

有上述分压可计算再设计温度t=50℃时，总的高和蒸汽压力

P=i n i i p y ∑8

1===0.01%×

0+2.25%×7+47.3%×1.744+23.48%×0.67+21.96%×0.5+3.79%×0.2+1.19%× 0.16+0.02%×0.0011=1.25901 MPa （1.1） 因为：P 异丁烷（0.2）

设计压力为1.77MPa ，最高工作压力为1.6MPa 。

1.4 设计储量

参考相关资料，石油液化气密度一般为500-600Kg/m 3，取石油液化气的密度为510Kg/m 3，盛装液化石油气体的压力容器设计储存量为：

表1.4 液化石油气主要成分在50℃的密度 Kg/m 3

参考化工原理：

Kg/m3510542

2196

.05202348.0446493.01

1

=++=

=∑

=n

i i

i

t

w ρρ （1.2） 故设计存储量为：

W=?Vρt =0.9×80×510=36720t （1.3）

1.5 主要元件材料的选择

1.5.1筒体材料的选择

选用筒体材料为Q345R 鞍座 地脚螺栓均选用Q345R 的材料

1.5.2鞍座材料的选择

该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-19~50℃，按国家标准JB/T4712.1-2007选择鞍座材料为Q345R ，使用温度为-20~250℃，许用应力为[σ]sa = 185MPa 。

1.5.3地脚螺栓的材料选择

根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺柱材料。计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345R 。

第二章 容器的结构设计

2.1筒体和封头的设计

对于承受内压，且设计压力P c =1.77MPa<4MPa 的压力容器，根据《化工工艺设计手册》常用设备系列，采用卧式椭圆形封头容器。

2.1.1 筒体设计

查GB150-1998为了有效的提高筒体的刚性，一般取L/D=3~6，为方便设计，此处取

L/D=4 （2.1）

804

2=L

D π

（2.2）

由（2.1）（2.2）连解得：D=3000mm

2.1.2封头设计

查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积得：

表2.1EHA 椭圆形封头内表面积、容积

公称直径DN

/mm 总深度H /mm

内表面积A/2m

容积V 封/3m 3000

790

10.1329

3.8170

图2.1椭圆形封头

由2V 封 +2

D πL/4=V=80 (2.3) 得L=11000mm

则L/D=3.67>3 (2.4)

符合要求。

则v 计=v 筒+2×v 封= 2

D πL/4+2×v 封=87.63m 3 （2.5）

根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性，存放温度为-19~50℃，最高工作压力等条件。根据GB150-2011表4.1，选用筒体材料为低合金钢Q345R （钢材标准为GB713）选用Q345R 为筒体材料，适用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性，壁厚较大（≥8mm ）的压力容器。

Q345R 钢板,根据GB150，初选厚度为6~20mm ，最低冲击试验温度为-20℃，热轧处理，[σ]=185Mpa;面焊接；钢板负偏差由《化工设备机械基础》表14.5查得： mm 8.0C 1=

腐蚀裕量由GB150.1-4-2010查得： 考虑容器运输和安装过程中的稳定性，壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：

a ） 对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3 mm ；

b ） 对高合金钢制容器，一般应不小于2 mm 。本筒体材料Q345R 为碳素钢 mm C 32=,

则壁厚附加量C=0.8+3=3.8mm 。 （2.6）

2.3筒体厚度计算

根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性，存放温度为-20~48℃，最高工作压力等条件。根据GB150-1998表4.1，选用筒体材料为低合金钢Q345R ，适用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性，壁厚较大（≥8mm ）的压力容器。根据GB150，初选厚度为6~25mm ，最低冲击试验温度为-20℃，热轧处理。由GB150附录B 中的式（B.1）可知筒体的计算公式为：

[]mm P D P C

t

i C 11.1477.1118523000

77.12=-???=-=

φσδ （2.7） mm C d 11.17311.142=+=+=δδ （2.8)

对Q345R ，钢板负偏差8.01=C ,可取名义厚度mm n 20=δ

2.4封头厚度计算

根据GB150封头厚度计算公式（5.1）可知：

[]mm P D P C

t

i C 38.1477.15.0118523000

77.15.02=?-???=-=

φσδ （2.9）

mm C d 38.17338.142=+=+=δδ (2.10)

对Q345R ，钢板负偏差8.01=C ,为便于取材可取封头名义厚度mm n 20=δ

第三章 零部件的确定

3.1开孔和选取法兰分析

液化石油气储罐应设置排污口，出液口，进液口，人孔，液位计口，温度计口，压力表口，安全阀口，排空口等。

图3.1液化石油气储罐结构图

3.1.1人孔的设计

查《压力容器与化工设备实用手册》，因筒体长度11000mm>6000mm ，需开两个人孔，选回转盖带颈平焊法兰人孔。

由使用地为室外，确定人孔的公称直径DN=500mm ，以方便工作人员的进入检修。配套法兰与上面的法兰类型相同，根据HG/T 21518-2005回转盖带颈平焊法兰人孔，查表3.1，由P N =2.5MPa 选用凹凸面的密封形式MFM ，采用8.8级35CrMoA 等长双头螺柱连接。其明细尺寸见表3.1：

表3.1 人孔尺寸表 单位：mm

密封面型式 凹凸面MFM

D

730 1b

43 0d

30 公称压力PN /

MPa 2.5 1D 660 2b

48 螺柱数量 20 公称直径DN

500

1H

280 A 405 螺母数量 40 w d s ?

53012?

2H

123 B 200 螺柱尺寸 M33x2x 170 d 506 b

44

L

300

总质量

302

图3.2回转盖带颈平焊法兰人孔

3.1.2 接管和法兰

根据设计压力P N=1.77MPa，查HG/T 20592-97《钢制管法兰》，选用P N=2.5MPa板式平焊钢制管法兰(PL)，由介质特性和使用工况，查密封面型式的选用。选择密封面型式为平面，压力等级为1.0~4.0MPa，接管法兰材料选用Q345R。根据各接管公称通径，查得各法兰的尺寸如下表3.2：

图3.3板式平焊钢制管法兰

3.1.3 垫片

查HG/T 20592-20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》，知板式平焊钢制法兰的尺寸，根据设计压力为P c=1.77MPa，采用金属包覆垫片，选择法兰的密封面均采用平面密封。金属材料为纯铝板L3，标准为GB/T 3880，最高工作温度200℃，最大硬度40HB。填充材料为非石棉纤维橡胶板，代号为NAS，最高工作温度为290℃。得对应垫片尺寸如表3.3：

图3.4平面型垫片

表3.3 垫片尺寸

符号管口名称公称直径

D N(mm)

内径

D1(mm)

外径

D2(mm)

厚度

δ(mm)

a 液位计口32 61.5 82 3

b 放气管80 109.5 142 3

c 安全阀80 109.5 142 3

d 排污口80 109.5 142 3

e 液相出口80 109.5 142 3

f 液相回流管80 109.5 142 3

g 液相进口80 109.5 142 3

h 气相管口80 109.5 142 3

i 压力表20 45.5 61 3

j 温度计20 45.5 61 3

3.1.4 螺栓（螺柱）的选择

根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷，选择合适的螺柱材料。计算螺栓直径与个数，按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345R。

查HG/T 20592-20635-200《钢制管法兰、垫片、紧固件》得螺柱的长度和平垫圈尺寸,如下表3.4：

表3.4螺栓尺寸

符号管口名称公称直径(mm) 螺纹螺柱长(mm)

a 液位计口32 M16 85

b 放气管80 M16 100

c 安全阀80 M16 100

d 排污口80 M16 100

e 液相出口80 M16 100

f 液相回流管80 M16 100

g 液相进口80 M16 100

h 气相管口80 M16 100

i 压力表口20 M12 80

j 温度计20 M12 80

图3.5双头螺柱

图3.6螺母

3.1.5液位计的设计

ρ,查《化根据容器的工作温度-19~50℃，设计压力Pc=1.77MPa，介质密度3

=

510m

/

kg

工容器及设备设计简明手册》，玻璃管液面计适用工作工作压力小于1.6MPa，并不满足工作的需求，所以选用价格稍高的磁性液面计，根据测量范围300~10000mm，工作压力：（高压

ρ，选择了L5770T 型）<4.0MPa，介质温度：（标准型）-20~150℃，介质密度3

≥

450m

kg

/

顶装式的磁性液面计。

根据法兰标准和液面计的型号标准综合考虑，选用公称直径为φ32的液面计，其接管法兰也用公称直径为φ32的平面法兰，其尺寸与压力表连接法兰一致。

图3.7 磁性液面计

3.2鞍座选型和结构设计

3.2.1鞍座选型

该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为-19~50℃按JB/T 4731-2005 表5.1选择鞍座材料为Q345R，许用应力为[σ]sa= 185MPa。

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Q345R普通碳素钢，取ρ=7.85×103kg/m3

∴m1=πDLδ×ρ=π×3×11×20×103×7.85×103=16268.34kg (3.1) 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=πDLδ×ρ=1564.1kg (3.2) m3为充液质量：ρ液化石油气<ρ水

=ρ水×V=1000×V=1000×80=80000kg (3.3) 故m3

（max）

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=16268.34+2×1564.1+80000+331×2+400=100458.54kg。(3.4) ∴每个鞍座承受的重量为G/2=mg / 2=(100458.54×9.8)/2=492.25kN。(3.5) 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表得鞍座尺寸如表3.6，示意图如下图3.7：