环氧丙烷储罐结构设计

1.材料及结构选择

 ⑴材料选择

  在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR 钢板为比较经济，且16MnR机械加工性能、强度和塑性指标都比较好，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。

 ⑵结构选择与认证

  1)材料选择

    从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型,是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。

  2)人孔的选择

    压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公称直径)、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性，其尺寸大小及位置以设备内件安装和工人进出方便为原则。通常可以根据操作需要,在这考虑到人孔盖直径较大较重, 可选择水平吊盖带颈平焊法兰人孔。

  3)法兰的选择

    法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速 拆卸、制造成本较高。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲 型与乙型两种。甲型平焊法兰有PN0.25MPa 0.6 MPa 1.0MPa 1.6MPa，在较小范围内(DN300mm～2000mm)适用温度范围为-20℃～300℃。乙型平焊法兰用于PN0.25MPa～1.6MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为 DN300mm～3000mm，适用温度范围为-20℃～350℃。对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。用于更高压力的范围(PN0.6MPa～6.4MPa)适用温度范围为-20℃～45℃。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。 

法兰设计时，须注意以下二点：管法兰、钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照2009年颁布的《中华人民共和国化工行业标准》（HG20592～ HG20635-2009）钢制管法兰、垫片、紧固件的规定。

  4)液面计的选择

    液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四类，有玻璃板液面计、玻璃管液面计、浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度一般在0～250℃。但透光式适用工作压力较反射式高。玻璃管液面计适用工作压力小于1.6MPa，介质温度在0～250℃的范围。液面计与容器的连接型式有法兰连接、颈部连接及嵌入连接，分别用于不同型式的液面计。液面计的选用：（1）玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。（2）玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。（3）当容器高度大于3m 时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果受到，应改用其它适用的液面计。

    环氧丙烷为较干净的物料，不会出现严重的堵塞现象，所以在此 选用玻璃管液面计。

  5)鞍座的选择

    鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载和且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面影响容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。 因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个，在此选择鞍式双支座，一个S型，一个F型。

 (3)圆筒封头厚度的设计

该容器的焊缝都要采用全焊透结构，需要对该储罐进行100%探伤，焊缝系数为=1.0。

  1)筒体和封头的设计 

对于承受内压，且设计压力Pc=0.7MPa<4MPa的压力容器，根据《化工工艺设计手册》（下）常用设备系列，采用卧式椭圆形封头容器。

2)筒体和封头的选形 

   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=6， 

   联立得：D=2.12193m=2121.93mm

   圆整得：D=2200mm

   封头设计： 

   查标GB/T25198-2010《钢制压力容器用封头》中表C.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积得：

表C.1，EHA 椭圆形封头内表面积、容积

  圆整得L=11000，则L/D=5，符合要求。

  则V计=44.999比较接近，所以结构设计合理。

  假设圆筒的厚度在6-16mm 范围内，查《常用压力容器设计手册》表1-7-12，可得：疲劳极限强度σ=510MPa，屈服极限强度σ= 345MPa，25 ℃下的许用应力为[σ]t=170MPa，利用中径公式得：

  选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2，此时K=1 根据《过程设备设计》 中椭圆形封头计算公式 (4-46):

  查标准HG20580-1998 [3]表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而有GB150-1998[1]中3.5.5.1知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取C1=O，腐蚀裕量C2=1.5mm。 

  则封头的名义厚度为。

  圆整后取为。

 (4)筒体与封头的结构设计

由封头长短轴之比为2,即，得

查标准JB/T25198-2010中表C.1 EHA和C.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量

取装料系数为0.9，则  

即得到=12.34

圆整后取为

2.容器主元件的设计 

(1)人孔的选择

   根据《常用压力容器设计手册》《水平吊盖带颈平焊法兰人孔》 ，查表3-4， 选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见表3-1:

表3-1 人孔尺寸表单位：mm

该液化石油气储罐应设置物料入口、物料出口、温度计口、压力表口、安全 阀口、液面计口、排污口和人孔。初步确定各口方位如图3-1：

  (3)接管 

      进料管 

   采用无缝钢管80×4mm,管的一端伸入罐切成45,管长1500mm

      出料管 

      采用可拆的压出管80×4mm,伸入到罐内离罐底约100mm。 

      排污管 

      在罐的左端最底部设个排污管，规格是80×4mm。 

      液位计接口管 

      在左封头设2个液位计接口，规格是32×4mm。

      温度计接口管 

      采用20×4mm 无缝钢管

      安全阀接口 

      安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。

      本贮罐选用80× 4mm的无缝钢管。

      力表接口管 

      压力表接口管由最大工作压力决定。

      因此选用采用50×3.5mm 无缝钢管。 

      排污口接管

      本储罐选用80×4m无缝钢管。 

   (4)法兰

      查HG/T 20592-2009[6]中表8.2 3-1 PN带颈对焊钢制管法兰，

  选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。

      查HG/T 20592-2009[6]中附录D中表D-3,得各法兰的质量。     

      查HG/T 20592-2009 [6] 中表3.2.2，法兰的密封面均采用

  MFM（凹凸面密封)。

    将查得的各参数整理如表3-2

      查HG/T 20609-2009[7]，得各管口的垫片尺寸如表3-3：

表3-3  垫片尺寸表

2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。

3：垫片厚度均为3mm。

  (6)螺栓（螺柱）的选择

 查HG/T 20613-2009[8]中表5.0.7-11和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸如表3-4：

表3-4  螺栓及垫片

 (1)鞍座选型

该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q235-B。

估算鞍座的负荷：

储罐总质量：

                                    （3-3）

筒体质量： 

    —单个封头的质量，由《钢制压力容器用封头》表B.2 EHA椭圆形封头质量可知：

—充液质量：，水压试验充满水，故取介质密度为， 

   则

—附件质量：由《回转盖带颈平焊法兰人孔》表3-3查得：人孔质量为，其他接管总和为200kg，即

综上所述，

则每个鞍座承受的质量为，即为。

查JB4712.1-1992[9]表1，优先选择重型支座。

   查JB4712.1-1992[9]表2，得出鞍座尺寸如表3-5：

表3-5  鞍座尺寸表

公称直径

根据JB/T 4731-2005[2]中6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于，当无法满足A小于等于时，A值不宜大于。为圆筒的平均内径。

由于是标准椭圆封头，则有： mm

故有A≤0.5Ra=552mm

故取

鞍座的安装位置如图3-2所示：

4.鞍座的开孔补强设计

   根据GB 150中第8.3节不另行补强的条件可知，该储罐中只有人孔需要补强。

(1)补强设计方法判别

参考《GB150》8.21.节有，当时，开孔最大直径  其中则开孔直径d≤则人孔需要进行补强。

对人孔采用等面积法进行补强计算：

接管材料选用16MnR，其许用应力

根据《过程设备设计》中式4-91：

                                            （4-1）

式中：

    人孔开孔直径d=+mm

壳体开孔处的计算厚度

接管的有效厚度

强度削弱系数

所以

   (2)有效补强范围

 ①有效宽度B

    按《过程设备设计》中式4-94，得：

 ②外侧有效高度

   根据《过程设备设计》中式4-95，得：

  ③内侧有效高度

     根据《过程设备设计》中式4-96，得：

(3)有效补强面积

     根据《过程设备设计》中式4-97 至式4-99，分别计算如下：

                               （4-3）                

     —筒体多余面积

         —接管多余面积

    —焊缝金属截面积，焊脚去6mm，则

(4)补强圈面积

   因为，所以开孔需另行补强

   另行补强面积为

   拟采用补强圈补强。

(5)补强圈设计

   根据接管公称直径DN150选补强圈，参照补强圈标准  

  JB\\T4736取补强圈外径D=300mm。

    内径d=163mm因B=1008mm大于D=300mm,补强圈在有效范围

  内。

    补强圈厚度为

  5.焊接结构设计

 设计焊接件时不仅要考虑到焊件的使用性能。还要考虑焊件结

  构的工艺性能。使焊 件生产简便，质量优良，成本低廉。焊件结

  构工艺性应包括结构材料的选择、接头形式、焊缝布置等方面。

   (1)焊接接头形式

  1)对接接头

      结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一

  弧面内进行焊接的接头

      特点：受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得 

  到保证。

      应用：最常用的焊接结构形式。

     2)角接接头和T型接头 

      结构：两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成某

  一角度进行焊接的接头。两构件成T字形焊接在一起的接头，叫T 

  型接头。角接接头和T字接头都形成角焊缝   

      特点：结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中

  比较严重，且焊接质量也不易得到保证。

      应用：某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接

  等。

     3)搭接接头

      结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相

  互平行，进行焊接的接

      特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连 

  续，承载后接头部位受力情况较差。

  应用：主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容

  器的焊接。

 (2)坡口形式

根据坡口的形状，坡口分成I形(不开坡口)、V形、Y形、双Y形、U形、双U形、 单边V形、双单边Y形、J形等各种坡口形式。

    V形和Y形坡口的加工和施焊方便(不必翻转焊件)，但焊后容易产生角变形。

    双Y形坡口是在V形坡口的基础上发展的。当焊件厚度增大时，采用双Y形代替V形坡口，在同样厚度下，可减少焊缝金属量约1/2， 并且可对称施焊，焊后的残余变形较小。缺点是焊接过程中要翻转焊件，在筒形焊件的内部施焊。使劳动条件变差。

    U形坡口的填充金属量在焊件厚度相同的条件下比V形坡口小得多，但这种坡口的加工较复杂。

 (3)压力容器焊接接头分类

    为对口错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面有针对性地提出不同的要求，GB150根据位置，根据该接头所连接两元件的结构类型以及应力水平，把接头分成A、B、C、D四类。

A类：圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外）、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均为A类焊接接头。

    B类：壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头，均属B类焊接接头，但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。

    C类：平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头。

    D类：接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头，但已规定为A、B类的焊接接头除外。

    A类焊缝是容器中受力最大的接头，因此一般要求采用双面焊或保证全焊透的单面焊缝；

    B类焊缝的工作应力一般为A类的一半。除了可采用双面焊的对接焊缝以外，也可采用带衬垫的单面焊；

    C类接头的受力较小，通常采用角焊缝联接。对于高压容器，盛有剧毒介质的容器和低温容器应采用全焊透的接头。

    D类焊缝是接管与容器的交叉焊缝。受力条件较差，且存在较高的应力集中。在后壁容器中这种焊缝的拘束度相当大，残余应力亦较大，易产生裂纹等缺陷。因此在这种容器中D类焊缝应采取全焊透的焊接接头。对于低压容器可采用局部焊透的单面或双面角焊注意：焊接接头分类的原则仅根据焊接接头在容器所处的位置而不是按焊接接头的结构形式分类，所以，在设计焊接接头形式时，应由容器的重要性、设计条件以及施焊条件等确定焊接结构。这样，同一类别的焊接接头在不同的容器条件下，就可能有不同的焊接接头形式。

第二章 强度计算

 1.水压试验应力校核

试验压力

圆筒的薄膜应力为

即，所以水压试验合格

  2.圆筒轴向弯矩计算

 圆筒的平均半径为

 鞍座反力为

  (1)圆筒中间截面上的轴向弯矩

 根据《过程设备设计》中式5-5，得：

(2)鞍座平面上的轴向弯矩

    根据《过程设备设计》中式5-6，得

图

5-1(a)筒体受弯矩图

                         5-1(b)筒体受剪力图

3.圆筒轴向应力计算及校核

(1)圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力

根据《过程设备设计》中式5-8至式5-11计算

最高点处：

（5-1）

最低点处   （5-2）

(2)由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核

鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算：

a).当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强（即）时，轴向应力位于横截面最高点处.

取鞍座包角，查《过程设备设计》表5-1得，.则

b).在横截面最低点处的轴向应力：

(3)圆筒轴向应力校核

                                    （5-3）

查《过程设备设计》图4-8得，,则

满足条件

 4.切向剪应力的计算及校核

 (1)圆筒切向剪应力的计算

根据《过程设备设计》中式5-13计算，查《过程设备设计》中表5-2，得：

   （5-4）

  (2)圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力

  根据《过程设备设计》中式5-14，计算得：

                    （5-5）

  (3)切向剪应力的校核

  圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的0.8

  倍，即。封头的切向剪应力，应满足

  而

  故圆筒满足强度要求。

  根据JB/T 4731-2005中式7-12

                   （5-6）

  则

                 （5-7）

  故封头满足强度要求 （5-4）

 5.圆筒周向应力的计算和校核

 根据鞍座尺寸表知： 

 即，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。

 (1)在横截面的最低点处

 根据《过程设备设计》中式5—16

    其中（容器焊在支座上）        （5-8）

 查《过程设备设计》中表5-3知，  

 则

  (2)在鞍座边角处

  由于     根据《过程设备设计》中式5-18:

  由于    则        

  （5-9）

   (3)鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力

 由于，根据《过程设备设计》中式5-20

 (4)周向应力校核

  根据《过程设备设计》中P223页

    故圆筒周向应力强度满足要求

第三章 总结

我设计的是0.7MPa设计压力下，全容积为45m³环氧丙烷储罐，容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了储罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。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。通过查取相关国家标准，根据实际要求按照常规设计的方法与步骤，根据设计取得相关数据，各项数据经校核后符合设计要求。

    经过三周的课程设计，课堂上学的知识得到了运用，一些公式的意义得到了理解，熟悉了各种查国标的方法，CAD的制图能力也得到了锻炼，课程设计是很有意义的一种考核和锻炼。由于课程设计时间和本人知识水平的有限，本设计可能有一些不足或错误，希望得到老师的指正。

 参 考 文 献

[1] GB150-2011,《钢制压力容器》[S].北京:中国标准出版社，2011

[2] NB/T47042-2014,《卧式容器》[S].北京:中国标准出版社，2014

[3] HG/T20580-2011,《钢制化工容器设计基础规定》[S].北京:中国标准出版社，2011

[4] GB/T25198-2010,《钢制压力容器用封头》[S].北京:中国标准出版社，2010

[5] HG/T21517-2005,《回转盖带颈平焊法兰人孔》[S].北京:中国标准出版社，2005

[6] HG/T20592-2009,《钢制管法兰》[S].北京:中国标准出版社，2009

[7] HG/T20609-2009,《钢制管法兰用金属包覆垫片》[S].北京:中国标准出版社，2009

[8] HG/T 20613-2009,《钢制管法兰用紧固件》[S].北京:中国标准出版社，2009

[9] JB4712.1-2007,《鞍式支座》[S].北京:中国标准出版社，2007

[10] 郑津洋等.《过程设备设计》[M].北京:化学工业出版社，2010