液化石油气卧式储罐课程设计

前言随着我国石油化工行业的快速发展，液化石油气作为炼油化工的副产品，以其经济高效、清洁环保以及灵活方便的优势占据着城乡能源市场，储配站的液化石油气通常采用球形储罐或卧式储罐进行储存。液化石油气是一种低碳的烃类混合物，主要由乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯及少量的戊烷、戊烯等组成。常温常压下是气态，在加压和降低温度的条件下变成液体。气态相对密度为空气的2倍，液化石油气的饱和蒸气压随温度升高而急剧增加，其膨胀系数较大,一般为水的10倍以上，气化后体积膨胀250～300倍。液化石油气是一种极易燃烧、爆炸的石油化工原料，其储罐属于具有较大危险的储存容器之一。因此，在满足设施功能要求下，储罐具有良好的安全性是设计的首要问题。目前我国普遍采用的常温压力贮罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。球形储罐与圆筒形储罐相比，前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般储存总量大于500m3或单罐容积大于200m3时选用球形储罐比较经济。而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单，安装费用少等优点，但金属耗量大占地面积大。所以在总贮量小于500m3，单罐容积小于100m3时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形贮罐,，只有某些特殊情况下（站内地方受限制等）才选用立式。本次设计对液化石油气卧式储罐进行设计计算。主要内容包括储罐工艺参数计算、储罐的结构设计、储罐的强度计算、应力校核、绘制设备总图以及针对一些安全问题提出对策措施。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。目录1概述...................................................................11.1设计任务及原始参数................................................11.2液化石油气的性质..................................................12工艺参数计算...........................................................32.1设计压力的确定....................................................32.2设计温度的确定....................................................32.3设计存储量的确定..................................................33储罐的结构设计.........................................................43.1筒体的材料选择及结构设计..........................................43.2封头的材料选择及结构设计..........................................53.3法兰和接管的结构及材料选择........................................63.4人孔的结构设计....................................................83.5支座的材料选择及结构设计..........................................83.6安全装置的设计...................................................103.6.1安全阀的选用...............................................103.6.2液位计的选用...............................................123.6.3压力表的选用...............................................133.7焊接接头设计.....................................................134储罐的补强设计........................................................145储罐的强度计算及应力校核..............................................165.1储罐的强度计算...................................................165.1.1圆筒轴向应力...............................................165.1.2圆筒切向剪应力.............................................185.1.3封头切向剪应力.............................................185.1.4圆筒周向应力...............................................185.2储罐的应力校核...................................................185.2.1圆筒及封头的应力校核.......................................185.2.1支座的应力校核.............................................196安全管理..............................................................207设计总结..............................................................21参考文献................................................................2211概述1.1设计任务及原始参数本次设计要求根据给定的资料和数据，设计一个液化石油气储配站使用的液化石油气卧式储罐。相关要求及数据如下表1-1所示。表1-1液化石油气储罐的原始数据存储介质液化石油气工作压力（MPa）1.61工作温度（℃）-20~50公称直径（mm）2300容积（m3）60充装系数0.9其他要求100%探伤1.2液化石油气的性质液化石油气在常温常压下呈气态，在常温加压或常压低温下很容易从气态转变为液态，便于运输及贮存，故称液化石油气。液化石油气主要组成有丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等四种。除上述主要成分外，有的还含有少量的戊烷、硫化物和水等。通常所说的液化石油气都存在液、气两种形态，液、气态处于动态平衡中。液化石油气沸点很低，储罐内液化石油气受热膨胀，很可能会将储罐内空间充满，导致钢瓶胀裂发生爆炸。液化石油气的饱和蒸汽压是随温度而变化的，温度升高，蒸汽压也增大。此外液化石油气的蒸汽压和组份有关，不同组份有不同的蒸汽压。大约温度每升高1℃，蒸汽压力增大约0.02—0.03MPa。液化石油气极易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物。遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。此外，液化石油气还具有易爆性，液化石油气的爆炸极限为1.5%—9.5%，其爆炸极限范围比汽油大，爆炸下限低，比汽油更易发生燃烧爆炸。易产生静电积聚，在收发作业中易产生大量的静电积聚，易引起静电事故。易膨胀性，液化石油气的膨胀系数大约是同温度下水的10—15倍。当温度升高时，液化石油气的体积增大，压力急剧升高，一旦超过容器承压极限，就会造成容器破裂，增大火灾爆炸的危险性。具有冻伤危险性，液化石油气气化潜热很大，平时液化石油气是加压液化储于钢瓶或罐中，在使用时减压后由液态汽化变为气体，这时会吸收大量热量。若容2器破裂，液化石油气由容器中喷出，溅到人身上，将会造成冻伤；毒性，当人大量吸入液化石油气后会中毒，使人昏迷、呕吐、不适，严重时可使人窒息死亡，也可引起多种慢性病。32工艺参数计算2.1设计压力的确定根据TSG_R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，设计压力是指设定的卧式容器顶部的最高压力，其值不低于工作压力。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，设计压力不得低于安全阀的开启压力。安全阀开启压力是指阀瓣在运行条件下开始升起，介质连续排出的瞬时压力，其值小于等于1.05~1.1倍容器的工作压力。规定的工作压力为1.61MPa，取设计压力为工作压力的1.1倍，即设计压力应为：Pd=1.1×P=1.1×1.61=1.771Mpa式中Pd——设计压力，MPa；P——工作压力，MPa。2.2设计温度的确定设计温度是指容器在正常操作时，在相应的设计压力下，壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度（壳体沿截面厚度的平均温度）。当壳壁或元件金属的温度低于-20℃，按最低温度确定设计温度，除此之外，设计温度一律按最高温度选取。液化气储罐的工作温度为-20℃~50℃，所以设计温度取最高温度50℃。2.3设计存储量的确定液态丙烷的密度为507kg/m3，液态丁烷的密度为583kg/m3，在丙烷:丁烷=5:5时，液态液化石油气的密度为545kg/m3。设液态液化石油气的密度为545kg/m3进行计算，液化气储罐的设计存储量应为：W=φVρ=0.9×60×545=29430kg式中W——设计存储量，kg；φ——充装系数；V——容积，m3；ρ——液化石油气密度，kg/m3。43储罐的结构设计3.1筒体的材料选择及结构设计（1）筒体的材料选择根据GB150.2-2011《固定式压力容器第二部分：材料》中表2的规定，储罐筒体的材料选用Q345R，钢板标准为GB713。由于储罐的工作温度为-20℃~50℃，相应温度下选许用应力为189MPa，钢板厚度为3~16mm。（2）筒体长度设计筒体直径DN=2300mm，根据JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》，选用EHA椭圆形封头，封头容积V封=1.7588m3。V筒+2V封=V𝜑2.32π4×L+2×1.7588m3=60m30.9L=15.20m式中L——筒体长度，m。筒体长度取整为15200mm。（3）筒体厚度的设计根据GB150.3-2011《固定式压力容器第三部分：设计》计算筒体厚度。储罐设计要求需100%探伤，所以取其焊接系数φ=1.00。δ=pcDi2[σ]tφ−pc=1.771×23002×189×1.00−1.771=10.827mm式中Di——圆筒内直径，mm；δ——筒体计算厚度，mm；pc——计算压力，MPa；[σ]t——设计温度下封头材料的许用应力，MPa；φ——焊接接头系数。根据《锅炉压力容器安全》中的建议，取钢板厚度负偏差C1=0.8mm，腐蚀裕度C2=2mm。δ+C1+C2=10.827+0.8+2=13.627mm加钢材圆整值后名义厚度δn=14mm。5筒体的相关设计汇总如下表3-1。表3-1筒体的设计项目数据筒体材料Q345R筒体长度（mm）15200筒体名义厚度（mm）143.2封头的材料选择及结构设计（1）封头的材料选择根据GB150.2-2011《固定式压力容器第二部分：材料》中表2的规定，封头材料选用Q345R，钢板标准为GB713。由于储罐的工作温度为-20℃~50℃，相应温度下选许用应力为189MPa，钢板厚度为3~16mm。（2）封头的结构设计由上一节筒体的长度设计的结论可知，选用EHA椭圆形封头。根据JB/T4746-200