液化石油气卧式储罐课程设计解剖.docx
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液化石油气卧式储罐课程设计解剖
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。
1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。
2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:
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:
式中W——设计存储量,kg;
——充装系数;
V——容积,m3;
ρ——液化石油气密度,kg/m3。
3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=1.7588m3。
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。
式中——圆筒内直径,mm;
——筒体计算厚度,mm;
——计算压力,MPa;
——设计温度下封头材料的许用应力,MPa;
——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。
加钢材圆整值后名义厚度。
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)
14
3.2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/T4746-2002《钢制压力容器用封头》,总深H=615mm,内表面积A=6.0233m2。
式中——筒体公称直径,mm;
h——封头直边高度,mm。
封头内曲面深度
(3)封头厚度的计算
根据GB150.3-2011《固定式压力容器第三部分:
设计》计算封头厚度。
储罐设计要求需100%探伤,所以取其焊接系数。
由GB150.3-2011《固定式压力容器第三部分:
设计》中的规定,取K=1.00。
式中——与封头连接的圆筒内直径,mm;
——封头计算厚度,mm;
K——椭圆形封头形状系数;
——计算压力,MPa;
——设计温度下封头材料的许用应力,MPa;
——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。
加钢材圆整值后名义厚度。
根据JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》查得,相应封头的质量为650.1kg。
封头的相关设计汇总如下表3-2。
结构尺寸如图3-1。
表3-2封头的设计
项目
数据
封头材料
Q345R
封头类型
EHA椭圆形封头
封头总深(mm)
615
封头内表面积(mm2)
6.0233
封头直边高度(mm)
40
封头内曲面深度(mm)
575
封头名义厚度(mm)
14
封头质量(kg)
650.1
图3-1封头结构尺寸
3.3法兰和接管的结构及材料选择
液化石油气储罐应设置排污口、气相平衡口、气相口、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。
各接口都应设置相应的接管,通过法兰与外界连接。
(1)法兰的结构及材料选择
设计压力1.771MPa,根据HT/G20592-2009《钢制管法兰》表3.1.4,选用PN=6MPa,板式平焊法兰PL。
根据HT/G20592-2009《钢制管法兰》表8.1.1,PN=6MPa时,液位计口选接管公称直径32mm,压力表口,温度计口选接管公称直径20mm,其余管口可选接管公称直径DN=80mm。
由介质特性和使用工况,根据HT/G20592-2009《钢制管法兰》表3.2.2,选择密封面形式为突面RF。
根据各管公称直径及HT/G20592-2009《钢制管法兰》表8.2.2-1得各法兰的尺寸如表3-3所示。
表3-3各法兰的尺寸(mm)
部件
公称尺寸DN
钢管外径A1
连接尺寸
法兰厚度
C
法兰内径B1
A
B
法兰外径D
螺栓孔中心圆直径K
螺栓孔直径L
螺栓孔数量n(个)
螺栓
Th
A
B
排污口
80
88.9
89
190
150
18
4
M16
18
90.5
91
气相平衡口
80
88.9
89
190
150
18
4
M16
18
90.5
91
气相口
80
88.9
89
190
150
18
4
M16
18
90.5
91
出液口
80
88.9
89
190
150
18
4
M16
18
90.5
91
进液口
80
88.9
89
190
150
18
4
M16
18
90.5
91
液位计口
32
42.4
38
120
90
14
4
M12
16
43.5
39
温度计口
20
26.9
25
90
65
11
4
M10
14
27.5
26
压力表口
20
26.9
25
90
65
11
4
M10
14
27.5
26
安全阀口
80
88.9
89
190
150
18
4
M16
18
90.5
91
排空口
80
88.9
89
190
150
18
4
M16
18
90.5
91
根据HT/G20592—2009《钢制管法兰》表4.0.1,接管法兰材料选用16MnD。
(2)接管的结构及材料选择
接管选用无缝钢管。
根据《压力容器与化工设备实用手册》中表1-2-2确定接管的相关尺寸,如表3-4所示。
表3-4各接管的尺寸(mm)
名称
公称直径
管子外径
管口伸出量
管子壁厚
数量
排污管
80
89
150
4
1
气相平衡管
80
89
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