石油液化气储罐

100立方米石油液化气贮罐

设计摘要

贮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：贮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： 1.5 MPa

2、工作温度：30℃

3、物料密度：0.45×103 Kg/m3

4、设备材料：16MnR

5、设备总容积：50 m3

6、充装系数：0.85

7、腐蚀裕度： 1.5 mm

8、设备简图：见下图

，3，5，

4，

9、管口表：

二、方案论证

（１）、结构方案

石油液化气贮罐是圆筒形容器；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个组成部件。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；该石油液化气贮罐采用了卧式支座。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。

拟定压力容器如下图所示：

（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?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，将此容器划分到第三类压力容器。

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GB—6654—1996?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16MnR，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6~12mm，使用温度范围-20~475°C。

16MnR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16MnR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： 1.5 MPa

工作温度：30℃

物料密度：0.45×103 Kg/m3

设备材料：16MnR

设备总容积：50 m3

充装系数：0.85

腐蚀裕度： 1.5 mm

2、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=t

w+20=30+20=50°C

设计温度t为50°C

②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p

2[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p w].

所以p≥(1.05~1.1)p

w 因此

p=1.1×p

w=1.1×1.5=1.65Mp

a

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=1.65Mp

a，

所以该容器属于中低压容器（代号M）:1.6Mp

a≤

p≤10.0Mp

a。

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，中国《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10Mp

a﹒

3

m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（D i

），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《化工设备》第64页，表3—14所取；取压力容器公称直径DN=2800mm ， 因此：

筒体的体积为V=100-2Vf[Vf —由封头设计计算可得：Vf=3.12 m 3] V=100-2×3.12=93.76 m 3 筒体高h(或l)为： h=V/π

2

r

=15235mm

取DN=2800mm 得h=15235mm 筒体周长C=8792mm

④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=Φνp

t

（Ф—充装系数0.85，ν—压力容器的容积3

m ；p

t —物料密度：

0.45×103

Kg/m 3

W=Φν

p

t

=38.25t

⑤确定筒体厚度：

根据《化工设备》第59页所述：单面焊对接接头，100%无损检测Ф=0.9。

工作压力： 1.5 MPa 设计温度t=50°C

容器公称直径DN=2800mm 腐蚀裕度： 1.5 mm 设备材料： 16MnR

16MnR 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16?36mm 之间，故t ][σ=163

MPa ，将数据代入公式δ=

c t

i

c p D p -?σ][2得到

储罐筒体计算厚度：

δ=

c t

i

c p D p -?σ][2=75.2914620

=15.84mm

设计厚度：

δ

d

=δ+

c

2

=17.34mm

根据《化工设备》第60页表3—10查得：

钢板厚度的负偏差：

c

1=0.8mm

因而钢板的名义厚度δn ：

δ

n

=δd +

c

1=18.14mm

根据钢板厚度规格，其取名义厚度圆整为：

δ

n

=20mm

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：

K

=i D D 0

=28002820

=1.007

因此

K

=1.007≤1.2

所以该容器属于薄壁容器。

①经向应力为

1

σ：

根据《化工设备》第25页式（2—1），圆筒横截面的经向应力为：

1

σ=δ4PD =804653

=58.16MPa ≤

t

]

[σ

圆筒横截面的受力分析：

②环向应力为

2

σ：

根据《化工设备》第25页式（2—2），圆筒纵截面的经向应力为：

2

σ=δ2PD

=2

1

σ=116.32 MPa ≤

t

]

[σ。

圆筒纵截面的受力分析：

③板料的选择

20mm 厚的16MnR 钢板的（宽×长）有：1800×8000mm 、2000×10000mm 、2200×12000mm ：根据前面的计算得到筒体长度为15235mm ，筒体的周长C=πDN=8792mm ，DN=2800mm ；根据以上的板材尺寸，选择2000×10000mm 规格；计算如下， 板料（n ）张=8（张） 余料为：16000-15235=765mm 长度的余料为：10000-8792=1208mm

经计算，规格为2000×10000mm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方向上都存在偏差，相邻两板边互相不垂直，不能直接投料来卷制圆筒，因此首先要对板边进行“找正”。在找正后的矩形板料上再按筒体展开尺寸进行划线。首先要划线实际用料线，即下料切割并经过边缘加工以后要保证的尺寸线，然后根据切割方法的不同在实际用料线外围放大到一定尺寸后划出切割线。具体如下图：

根据《化工设备制造技术》第53页可得：不同切割线方法的切割加工余量；

自动气割：4~5mm；

手工气割：6~7mm；

手工等离子切割：8~10mm。

划线的具体要求：

①划线前应首先检查板料的平整度及表面质量，检查板边是否存在重皮、“缺肉”、弯折、斜边及裂纹等缺陷。

②板料上应准确划出实际用料线、切割线、检查线和中心线，其划线尺寸允许下偏差为零，上偏差为+2.0mm，两对角线之差为4.0mm。

③确认无误后方可切割。

5、筒体的直线度允差

根据《化工设备制造技术》第111页可知：壳体直线度是用0.5mm的钢丝两端用滑轮支撑并悬垂重物进行度量，在沿圆角0°、90°、180°、270°四个方位测量。壳体直线度随壳体长度的不同而要求不同，具体控制指标为：

筒体直线度为≤2H/1000,且≤20mm，

因此该直线度为：0.032mm。

6、筒体的基本尺寸

筒体的长度l=15235mm

公称直径DN=2800mm

筒体的壁厚： =20mm

7、筒体的焊接坡口选择

根据《化工设备制造技术》第139页坡口的选择以及筒体的工艺条件的要求，筒

V形坡口形状简单，加工方便，是最常用的坡口形式，体的焊接坡口为V型坡口；

12mm以上一般可考虑开单面坡口，双面焊接，但是背面施焊前应清好根。

焊接坡口的基本形式如下图所示：

以上的V型坡口用于筒体的纵焊缝于环焊缝，其焊缝工艺施行“焊接工艺卡”上得要求。

8、筒体的卷板和校圆工艺

（1）、弯卷前的准备工作

根据《化工设备制造技术》第87页；考虑到冷加工的局部性和热加工的困难及缺点，此筒体采用温卷，将钢板加热到500~600℃，然后在此温度下进行卷制，注意温卷的加热温度应该低于该材料的回火温度。根据卷板需要退火的要求可知：16MnR?30mm不需要退火。卷板前应检查待卷制的板材下料尺寸是否正确，有关展开尺寸的附加量或伸长量是否已经增减过。

（2）、筒体的校圆

根据《化工设备制造技术》第88页：筒体热校圆时将筒体加热到正火温度，校圆完成时筒体的温度必须在650℃以上。随后卸载，让筒体在卷板机上慢慢转动，查到筒体冷却到一定温度方可取下，以防止筒体变形。?1600mm以上的筒体要冷却到300~400℃。

9、筒体制造工艺卡（另附）

10、筒体焊接工艺卡（另附）

11、筒体热处理工艺卡（另附）

12、筒体图纸（另附）

四、封头设计

一、封头结构和计算

1、封头结构

由于椭圆形封头的椭球部分线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀。且椭圆形封头深度半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较为普遍的一种封头形式；故选椭圆形封头。如下图：

2、封头的设计计算 ①、最大综合应力max

σ

根据《化工设备》第三章第三节可知：受内压的椭圆形封头最大综合应力max

σ

与

椭圆形封头长短轴的比值，即a/b=[a=（

δ

+i D ）/2，b=

2δ

+

i h （h 为封头

曲面深度），故b a

=i i

h D 2]有关。工程上对b a

=1.0~2.6的椭圆形封头，引入行状系数K ，由此得到最大综合应力为：

max

σ=δ

2KPD

（3—12）

式中K —椭圆形封头形状系数，其K 值根据b a

=i i

h D 2，按《化工设备》第三章第三节表3—18 （椭圆形封头形状系数K 值）查取：

选取标准椭圆形封头，其b a

=i i

h D 2=2，K=1。 取封头的厚度与筒体的厚度

δ

值一样，其设计压力P 与直径D 值一样，

其

δ

=20mm

P=1.65MPa D=2840mm

因为：b a

=i i

h D 2=2，所以i

h =700mm

将其代入（3--12）得

max

σ=δ

2KPD

=117.15MPa

因封头的材料与筒体的板材一致，为16MnR ；其许用应力为t

]

[δ=163MPa ，其单

面焊对接接头100%无损检测?

=0.9。

因此

max

σ=117.15MPa ≤

t

][δ?

②封头直边段高度h 及作用

根据《化工设备》第三章第三节表3—17 （椭圆形封头材料、厚度和直边高度的对应关系）查取： H=40mm

直边段的作用是避免筒体与封头间的环向连接焊缝处出现边缘应力与热应力叠加，以改善焊接的受力情况。 ③封头厚度的计算

标准椭圆形封头的厚度计算公式：

δ

=[]c t

i

c P D P 5.02-?

σ

=15.8mm ，

腐蚀裕量：

2

C =1.5mm ，

根据《化工设备》第60页表3—10查得：

钢板厚度负偏差：1

C =0.8mm

因此

n δ=

δ

+

1C +

2

C =18.1mm

从计算结果可以知道，标准椭圆形封头厚度大致和其相连接的圆筒厚度相等；因此，筒体和封头即可采用等厚度钢板进行制造。这部仅给选材带来方便，也方便与筒体和封头的焊接加工，故工程上多选用标准椭圆形封头作为圆筒形容器的端盖。

因此，封头厚度与筒体的厚度一样，δ

=20mm

④最大允许工作压力

椭圆形封头最大允许工作压力公式：

[]w

P =[]e i

e

t KD

δ?δσ5.02+

将其数值代入上式得：

[]w

P =[]e i

e

t

KD

δ?δσ5.02+=2.08MPa

因此P=1.65MPa ≤[]w P =2.09MPa

故符合要求。

按上面的计算公式，椭圆形封头虽然满足强度要求，但仍有可能发生周向屈服。目前，工程上采用限制椭圆形封头最小厚度的方法解决这一问题，即标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%（4.2mm ）。 ⑤椭圆形封头的基本尺寸

椭圆形封头的公称直径：DN=2800mm ；

封头曲面深度：

i

h =700mm ；

封头钢板的厚度：

=20mm ；

封头的直边段：h=40mm 。 ⑥封头的容积计算：

a

V =0.1309

3

i

D =2.87

m 3

直边段的容积：

h V =h π2

)

2

(

D

=0.25

m 3

整个封头的容积（包括直边段）；

f V =

a V +

h

V =3.12

m 3

3、封头焊接坡口的选择

根据封头钢板的厚度与《化工设备制造技术》第139页来选择；该封头的坡口为V 形坡口。V 形坡口形状简单，加工方便，是最常用的坡口形式，12mm 以上一般可考虑开单面坡口，双面焊接，但是背面施焊前应清好根。 封头焊接坡口的基本形式如下图：

4、封头的加工余量的工料展开计算：

根据《化工设备制造技术》第50页可知：一般冲压或旋压的椭圆形封头都是近似标准的椭圆形封头，由大半径R=0.8i

D 和小半径r=0.146

i

D 的三段圆弧组成，

高度H= 0.25

i

D ，如下图所示：

其圆板的理论展开计算直径为：

s

D =1.20066（

i D +

）2h+30mm （加工余量）

因此

s

D =3495.86mm

①、内直径公差

根据《化工设备制造技术》第100页可知：以内直径为对接基准的封头切边后，在直边部分实测等距离的四个内直径，取其平均值： 内直径公差为：-3mm~+4mm 。 ②、圆度公差

根据《化工设备制造技术》第100页可知：封头切边后，在直边部分实测等距离分布的四个内直径，以实测最大值与最小值之差作为圆度公差，其圆度公差不得大于0.5%i

D （

i

D 为封头的内径），且不大于25mm ；因此，圆度公差为：14mm 。

③、形状公差

根据《化工设备制造技术》第100页可知：封头成型后的形状公差，用弦长相当于3i

D /4的样板检查封头的间隙。样板与封头内表面的最大间隙，外凸不得大

于1.25%

i

D ，内凹不得大于0。625%

i

D ；

外凸≤35mm ； 内凹≤17.5mm 。

④、封头总深度公差及直边段公差

根据《化工设备制造技术》第101页可知：封头切边后，在封头端面任意两面直径位置上分别放置直尺或拉紧的钢丝，在两直尺交叉处或两根钢丝交叉处垂直测量封头总深度（封头总高度），其公差为（-0.2~0.6）%i

D 。当封头公称直径DN 〉

2000mm 时，直边段H 宜为40mm ，直边段的公差为-5%~10%h 。 封头总深度公差为；-5.6mm~16.8mm 直边段公差为：-2mm~4mm

五、人孔

一、设计条件

人孔的公称直径为：450mm

二、人孔的计算及选择{参考《化工设备》第六章第三节} 1、初步选取人孔类型

因该储罐

i

D 〉2500mm ，在筒体上开设两个人孔，因不需要经常开启，设备工作

压力为中压，选用回转盖带颈对焊法兰人孔。 2、确定人孔筒节及法兰材质

根据储罐的材质，可选择人孔筒节与法兰盖的材质为16MnR ，法兰的材质为16MnRV 锻件，其外伸长量为250mm 。 3、确定人孔的公称直径DN 及公称压力PN

由于该设备露天放置，且不在寒冷地区，人孔的公称直径DN=450mm ， 人孔设计压力P=1.5×1.1=1.65MPa 设计温度t=50℃