液化石油气卧式储罐课程设计

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)1.1 设计任务及原始参数 (1)1.2 液化石油气的性质 (1)2 工艺参数计算 (3)2.1 设计压力的确定 (3)2.2 设计温度的确定 (3)2.3 设计存储量的确定 (3)3 储罐的结构设计 (4)3.1 筒体的材料选择及结构设计 (4)3.2 封头的材料选择及结构设计 (5)3.3 法兰和接管的结构及材料选择 (6)3.4 人孔的结构设计 (8)3.5 支座的材料选择及结构设计 (8)3.6 安全装置的设计 (10)3.6.1 安全阀的选用 (10)3.6.2 液位计的选用 (12)3.6.3 压力表的选用 (13)3.7 焊接接头设计 (13)4 储罐的补强设计 (14)5 储罐的强度计算及应力校核 (16)5.1 储罐的强度计算 (16)5.1.1 圆筒轴向应力 (16)5.1.2 圆筒切向剪应力 (18)5.1.3 封头切向剪应力 (18)5.1.4 圆筒周向应力 (18)5.2 储罐的应力校核 (18)5.2.1 圆筒及封头的应力校核 (18)5.2.1 支座的应力校核 (19)6 安全管理 (20)7 设计总结 (21)参考文献 (22)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。

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：P d=1.1×P=1.1×1.61=1.771Mpa式中P d——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。

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D N=2300mm，根据JB/T 4746-2002《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=p c D i2[σ]tφ−p c=1.771×23002×189×1.00−1.771=10.827mm式中D i——圆筒内直径，mm；δ ——筒体计算厚度，mm；p c——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。

筒体的相关设计汇总如下表3-1。

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/T 4746-2002《钢制压力容器用封头》，总深H=615mm，内表面积A=6.0233m2。

D N()=223002×(615−h)=2h=40mm式中D N——筒体公称直径，mm；h——封头直边高度，mm。

封头内曲面深度h i=615−40=575mm（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φ=1.00。

D i 2h i =23002×575=2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。

δ=Kp c D i2[σ]tφ−0.5p c=1.00×1.771×23002×189×1.00−0.5×1.771=10.801mm式中D i——与封头连接的圆筒内直径，mm；δ ——封头计算厚度，mm；K——椭圆形封头形状系数；p c——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=10.801+0.8+2=13.601mm加钢材圆整值后名义厚度δn=14mm。

根据JB/T 4746-2002《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。

封头质量（kg）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/G 20592-2009《钢制管法兰》表3.1.4，选用P N=6MPa，板式平焊法兰PL。

根据HT/G 20592-2009《钢制管法兰》表8.1.1，P N=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D N=80mm。