20立方米石油液化气储罐

设计摘要储罐是石油液化气储存的重要设备之一，石油液化气主要成分：乙烯、乙烷、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等；这些化学成分都对工艺设备腐蚀，在生产过程中设备盛装的介质还具有高温、高压、高真空、易燃易爆的特性，甚至是有毒的气体或液体。根据以上的特点，确定其设备结构、工艺参数、零部件。在设备生产过程中，没有连续运转的安全可靠性，在一定的操作条件下（如温度、压力等）有足够的机械强度；具有优良的耐腐蚀性能；具有良好的密封性能；高效率、低耗能。关键词：储罐设备结构工艺参数机械强度耐腐蚀强度密封性能前言在与普通机械设备相比，对于处理如气体、液体等流体材料为主的化工设备，其所处的工艺条件和过程都比较复杂。尤其在化学工业、石油化工部门使用的设备，多数情况下是在高温、低温、高压、高真空、强腐蚀、易燃易爆、有毒的苛刻条件下操作，加之生产过程具有连续性和自动化程度高的特点，这就需要要求在役设备既要安全可靠地运行，又要满足工艺过程的要求，同时还应具有较高的经济技术指标以及易于操作和维护的特点。生产过程苛刻的操作条件决定了设备必须可靠运行，为了保证其安全运行，防止事故发生，化工设备应该具有足够的能力来承受使用寿命内可能遇到的各种外来载荷。就是要求所使用的设备具有足够强度、韧性和刚度，以及良好的密封性和耐腐蚀性。化工设备是由不同的材料制造而成的，其安全性与材料的强度密度切相关。在相同的设计条件下，提高材料强度无疑可以保证设备具有较高的安全性。由于材料、焊接和使用等方面的原因，化工设备不可避免地会出现各种各样的缺陷；在选材时充分考虑材料在破坏前吸收变形能量的能力水平，并注意材料强度和韧性的合理搭配。设备的设计应该确保具有足够的强度抵抗变形能力。在相同工艺条件下，为了获得较好的效果，设备可以使用不同的结构内件、附件等。并充分利用材料性能，使用简单和易于保证质量的制造方法，减少加工量，降低制造成本。化工设备除了要满足工艺条件和考虑经济性能，使设备操作简单，便于维护和控制；在结构设计上就应该考虑易损零部件的可维护性和可修理性。对于化工设备提出的基本要求比较多，全部满足显然是比较困难的，但是主要还是化工设备的安全性、工艺性和经济性，且核心是安全性要求。由此，可以针对化工设备的具体使用情况，优先考虑主要要求，再适当兼顾次要要求。一、设计条件：1、工作压力：1.5MPa2、工作温度：30℃3、物料密度：0.45×103Kg/m34、设备材料：Q345R5、设备总容积：20m36、充装系数：0.857、焊接接头系数：1.08、腐蚀裕度：1.5mm9、设备简图：见下图10、管口表：管口符号公称尺寸用途管口符号公称尺寸用途a1～220液面计g50排污口B500人孔h50气相平衡口C20温度计口i50气相口D20压力计口j50出液口e1~2100安全阀k50进液口F50排空口l20连通管排污口二、方案论证（１）、结构方案石油液化气储罐是圆筒形容器；具有制造容易，安装内件方便，承压能力较强等特点。圆筒形容器是由筒体（筒身）、封头（端盖）、密封装置、人孔、接管和支座等６个部件组成。筒体和封头是用板材卷制而成的具有典型几何形状的焊接构件，构成了整个压力容器实现化学反应或储存物料的压力空间，是压力容器是主要的受压元件。压力容器使用的密封装置较多，其主要目的是在压力容器某一可能发生介质泄露而需要加入密封的部位设置一个完善的物理壁垒；保证压力容器正常、安全可靠运行的又一个重要部件。因为工艺过程的要求和检修的需求，在压力容器的管体和封头上开设有不同尺寸的安装孔和工艺接管，如：人孔、物料进出口接管以及安装压力表、液面计、安全阀和各类检测仪的接管等。在压力容器壳体上开孔后，器壁会因去除一部分承载的材料而强度被削弱，并使容器结构出现局部的的不连续；对筒体和封头上开设的孔，当尺寸超过某一规定值后，就要进行开孔补强设计，选用合理的补强结构，确保压力容器所需的强度。支座是支撑和固定设备的一个基础部件，通常是由板材或成型材组焊而成；该石油液化气储罐采用了卧式支座。根据容器的质量、结构、承受的载荷以及操作和维修要求来选定的，压力容器采用的是卧式支座中的一种典型结构的，现拟用鞍式支座。（２）、材料选用方案储存压力容器主要用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器；现为液化石油气储罐。根据«固定式压力容器安全技术监察规程»采用了既考虑容器的压力等级、容积大小，又考虑介质危害程度以及在生产过程中的作用的分类方法，将此容器划分到第二类压力容器。根据«化工设备»第十页，压力容器用钢要求：根据工作环境和操作条件，压力容器用钢应具有较高的强度，同时应有良好的朔性、韧性和优良的焊接性能，另外还要满足耐腐蚀要求。①压力容器需要承受压力或其他载荷，钢材应该具有足够的强度。压力容器的强度指标是确定壁厚的依据，但钢材的各项力学性能相互联系又相互制约，因此，选材时不能单看强度，而要全面分析。材料强度过低，势必要增强容器元件的厚度；但无原则地选用高强度的材料，将会带来材料和制造成本的提高以及抗脆断能力的降低。②在考虑强度要求的同时，钢材应有良好的韧性。在压力容器的结构上不可避免地会有小圆角或缺口结构；在焊接制造中也不可能没有如气孔、夹渣、未焊透、未溶合等缺陷，甚至裂纹。这些都会在容器的局部位置形成应力集中，这时就要求材料应具有良好的韧性，以防止因载荷波动、冲击、过载或低温而造成压力容器的裂纹。③从制造工艺考虑，钢材还要有良好的焊接性能和较好的冷（热）加工性能。压力容器多数情况下是用钢材采用冷（热）卷，热冲压成型以及焊接等加工工艺制造出来的；要求材料应具有良好的塑性和焊接性能，以保证冷卷和热冲时不断裂，而且能得到质量可靠的焊接结构。④为了满足工艺条件需要，钢材应具有较好的耐腐蚀能力。⑤考虑到压力容器的使用性能，钢中的硫和磷含量应较低。因为硫和磷是最主要的有害元素。硫能促进非金属夹杂物的形成，是塑性和韧性降低；磷元素尽管能够提高钢材的强度，但会增加钢材的脆性，特别低温的脆性。压力容器用钢的硫和磷含量就要求分别低于0.02%和0.03%。钢材所具有的各种性能都是通过钢中化学成分的设计或采用不同的热处理方法来获得的，为了保证钢材的使用质量，压力容器制造厂在接受钢厂来货时，都需要按照钢材的质量保证书，对于保证钢材基本要求的化学成分、抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、冲击功等指标进行检查。有必要时要进行100%无损检测。压力容器用碳素钢和低合金钢板，这类材料属于一般压力容器专用钢板。其中低合金钢是在普通结构钢的基础上加入了少量或微量的合金元素，如：Mn、Si、Mo、V、Ni、Cr等，从而使钢材的强度和综合力学性能得到明显改善。中国GB713-2008«锅炉与压力容器用钢板»提供了多个钢板品种，根据设计条件给出设备材料为Q345R，工作温度30°C，符合（《化工设备》表1—2压力容器用碳素钢和低合金钢板使用性能）；厚度范围6~16mm，使用温度范围-20~475°C。Q345R是在低碳钢的基础上加入合金元素Mn而得到的低合金钢。与20R钢相比，含碳量相仿，但加入适量的Mn元素后，使Q345R的强度显著提高。三、筒体设计一、强度计算1、设计条件：工作压力：1.5MPa工作温度：30℃物料密度：0.45×103Kg/m3设备材料：Q345R设备总容积：20m3充装系数：0.85焊接接头系数：1.0腐蚀裕度：1.5mm2、压力容器壁厚的计算：①设计温度选用（根据《化工设备》第48页表3—3）；设计温度t：t=tw+20=30+20=50°C设计温度t为50°C②设计压力P:根据《化工设备》第47页所述：当容器上装有安全阀时考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力P不得低于安全阀的开启压力p2[开启压力是指阀瓣在运行条件下开始升起，介质连续排除的瞬间时压力其值小于或等于（1.05~1.1）倍容器的工作压力pw].所以p≥(1.05~1.1)pw因此p=1.05×pw=1.05×1.5=1.57Mpa根据《化工设备》第8页:内压容器按压力大小分等级可知：因p=1.57Mpa，所以该容器属于低压容器（代号L）:0.1Mpa≤p1.6Mpa。为了对不同安全要求的压力容器进行更好的技术管理和监督检查，《固定式压力容器安全技术监察规程》采用了既考虑容器的压力等级、容积大小，又考虑介质危害程度以及在生产过程中的作用的分类方法，将压力容器划分成了三个类别。根据第三类压力容器情况为：易燃或毒性程度为中度危害介质，且pv乘积大于10Mpa﹒3m的中压储存容器。因此，该储存容器属于第三压力容器。③压力容器的公称直径DN:根据《化工设备》第61页所述：规定公称直径的目的是使容器的直径成为以系列规定的数值，以便零部件的标准化，以符号DN表示，单位为mm。用钢卷制而成的筒体，其公称直径即等于内径（Di），现行标准中规定的压力容器公称直径系列，封头的公称直径与筒体一致。根据NB/T47001-2009《钢制液化石油气卧式储罐型式与基本参数》第286页，表4所取：取压力容器公称直径DN=2000mm；根据JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》查得：DN2000封头容积Vf=1.1257因此：筒体的体积为V=20-2VfV=20-2×1.1257=17.7486m3筒体高h(或l)为：h=V/π2r=5649.5mm经圆整得：h=5700mm取DN=2000mm得h=5700mm筒体周长C=6283mm④储存量W《容规》宣贯第三章设计介质为液化气体（含液化石油气）的固定式压力容器设计储存量；W=Φνpt（Ф—充装系数0.85，ν—压力容器的容积3m；pt—物料密度：0.45×103Kg/m3W=Φνpt=7.65t⑤确定筒体厚度：根据《化工设备》第59页所述：双面焊对接接头，100%无损检测Ф=1.0。设计压力：1.57MPa设计温度：t=50°C容器公称直径：DN=2000mm腐蚀裕度：1.5mm设备材料：Q345RQ345R钢板在50°C的许用应力由（《化工设备》第50页表3—6查取，估计壁厚在6～16mm之间，故t][=170MPa，将数据代入公式δ=cticpDp][2得到储罐筒体计算厚度：δ=cticpDp][2=43.3383140=9.27mm设计厚度：d=+c2=10.77mm根据GB713-2008《锅炉与压力容器用钢板》第2页5.2条款查得：钢板厚度的负偏差：c1=0.3mm因而钢板的名义厚度n：n=d+c1=11.07mm根据钢板厚度规格，其取名义厚度圆整为：n=12mm因此，计算得出的厚度符合估计厚度的范围内符合要求。3、筒体强度计算与板料的选择：直径之比：=iDD0=20002024=1.012因此=1.012≤1.2所以该容器属于薄壁容器。①经向应力为1：根据《化工设备》第25页式（2—1），圆筒横截面的经向应力为：1=4PD=483140=65.4MPa≤t][圆筒横截面的受力分析：②环向应力为2：根据《化工设备》第25页式（2—2），圆筒纵截面的经向应力为：2=2PD=21=130.8MPa≤t][。圆筒纵截面的受力分析：③板料的选择12mm厚的Q345R钢板的（宽×长）有：1800×8000mm、2000×8000mm、2000×10000mm：根据前面的计算得到筒体长度为5700mm，筒体的周长C=πDN=6283mm，DN=2000mm；根据以上的板材尺寸，选择2000×8000mm规格；计算如下，板料（n）张=3（张）余料为：6000-5700=300mm长度的余料为：8000-6283=1717mm经计算，规格为2000×8000mm剩余的余料最少，因此选该规格为最佳方案。4、圆筒体的号料与划线①号料的方法及要求根据以上所计算得尺寸，在远离切割线的中间部位进行标记。如下图：根据《化工设备制造技术》第51页的号料工序要求如下：A、号料前要核对所号原料的材质和规格应于施工图纸及工艺技术文件一致；B、号料的标记要清晰。②划线的内容和要求由于钢板原材料在宽度及长度