石油液化气储罐的设计

石油液化气储罐的设计摘要卧式储罐设计是以应力分析为主要途径，以材料力学为基础，对容器的各个主要受压部分进行设计。

其设计的目的主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运输和维修等方面要求，设计中主要从强度和刚度两方面进行设计，保证强度不失效，即材料不发生强度破坏；刚度满足要求，即材料的形变量控制在一定范围内，保证容器不因过渡变形而发生泄露失效，最终达到安全可靠的工作性能的要求。

关键词：卧式储罐、应力、刚度、强度、设计目录第1章 前言 (1)第2章 卧式储罐一般结构 (2)第3章 选材要求 (4)3.1 材料各种机械性能参数 (4)3.1.1 R的含义 (4)3.1.2 Q235系列的含义 (4)3.2 机械性能指标及符号 (5)3.2.1 强度 (5)3.2.2 塑性 (6)3.2.3 冲击韧性 (7)3.2.4 硬度 (7)3.2.5 冷弯 (8)3.2.6 断裂韧性 (8)3.3 压力容器常见的失效形式 (8)3.3.1 强度失效 (8)3.3.2 刚度失效 (8)3.3.3 稳定性失效 (9)3.3.4 腐蚀失效 (9)3.4 主要部件的选材 (10)3.4.1 筒体、封头 (10)3.4.2 接管 (10)3.4.3 法兰 (10)第4章 焊接 (12)4.1 焊接结构的特点和常用的焊接方法 (12)4.2 焊缝类型及施焊方法 (12)4.3 对接焊缝构造 (13)4.3.1 对接焊缝施工要求 (13)4.3.2 对接焊缝的构造处理 (13)4.3.3 对接焊缝的强度 (13)4.4 对接焊缝连接的计算 (14)4.5 焊条的选用 (14)第5章 液压试验 (15)5.1 试验目的和作用 (15)5.2 试验要求 (15)5.3 试验方法步骤 (16)第6章 卧式储罐校核 (17)6.1 剪力弯矩载荷计算 (17)6.2 内力分析 (19)6.2.1 弯矩计算 (19)6.2.2 剪力计算 (20)6.2.3 圆筒应力计算和强度校核 (21)参考文献 (26)致谢 (27)附录 (28)第1章 前言 第1页第1章 前言储存设备又称储罐，主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用，如氢气储罐、液化石油储罐、石油储罐、液氨储罐等。

储罐内的压力直接受温度的影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。

储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐。

储罐按制作材料可分为金属储罐，如钢、铅等，非金属罐，如砖砌、预应力混凝土、塑料等；按建造位置可分为地上储罐、地下储罐和半地下储罐；按形状和结构可分为立式、卧式、球形、扁平椭球形和液滴形储罐等。

立式储罐使用最多，主要用于储存数量较大的原油、轻质油和润滑油；卧式储罐用于储存小量的油品、氨、酸、碱、液化石油气等；球形储罐主要用于储存液化石油气、丙烷、丁烷、丙烯等；液滴形储罐适用于储存易挥发的油品，但其结构复杂，制作困难、成本高，故用得很少。

地上储罐一般用金属材料制作，罐内最低液面略高于附近地坪，这类罐投资少、施工快、日常管理和维护方便，但罐内温度受环境温度的影响大，不利于易挥发性油品降低蒸发损耗和重质油品的加热传温。

石油液化气储罐通常采用卧式储罐。

本设计也采用卧式结构。

第2章 卧式储罐一般结构卧式储罐由罐体、支座及附件等组成。

罐体包括筒体和封头，筒体由钢板拼接卷板，组对焊接而成，各筒节间的环缝可以是对接也可以是搭接连接；封头常用椭圆形、碟形及平封头，见图2-1。

图2-1 卧式储罐结构卧式储罐的支座有鞍式支座、圈式支座和支承式支座。

大中型卧式罐通常设置在两个对称布置的鞍式支座上，其中一个固定在地脚螺栓上是不动的，称为固定支座；另一个其底板上与地脚螺栓配套的孔采用长圆形，当罐体受热膨胀时可沿轴向移动，避免产生温差应力。

由于鞍座处罐体受力复杂，为提高罐体的局部强度和刚度，一般在鞍座处筒体内壁设置用角钢煨弯成的加强环，当罐直径大于3m时还应在加强环上设置三角支撑。

卧式容器壳体由筒体和封头组成，封头通常采用椭圆封头。

当容器组装后不需要开启时，封头可直接与筒体焊在一起，从而有效地保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量。

对于因检修或更换内件的原因而需要多次开启的容器，封头和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和筒体之间就必须要有一个密封装置。

压力容器上需要有许多密封装置，如封头和筒体间的可拆式连接、容器接管与外管道间的可拆式连接以及人孔、手孔盖的连接等，可以说压力容器能否正常、安全地运行在很大程度上取决于密封装置的可靠性。

法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰。

用于容器封头与筒体间，以及两筒体间连接的法兰叫容器法兰；用于管道连接的法兰叫管道法兰。

在高压容器中，用于顶盖和筒体连接并与筒体焊在一起的容器法兰，又称为筒体端部。

由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。

手孔和人孔是用来检查、装拆和洗涤容器内部的装置。

手孔内径要使操作人员的受嫩自由地通过，因此，手孔的直径一般不应小于150mm。

考虑到人的手臂长约650~700mm，所以直径大于1000mm的容器就不宜再设手孔，而应改设人孔。

常见的人孔形状有圆形和椭圆型两种，为使操作人员能够自由出入，圆形人孔的直径至少应为400mm，椭圆形人孔的尺寸一般为350X450mm。

筒体或封头上开孔后，开孔部位的强度被削弱，并使该处的应力增大。

这种削弱程度虽开孔直径的增大而加大，因而容器上应尽量减少开孔的数量，尤其要避免开大孔，对容器上已开设的孔，还用进行开孔补强设计，以确保所需的强度。

压力容器靠支座支承并固定在基础上。

圆筒形容器和球形容器的支座各不相同。

随安装位置不同，圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，其中立式容器支座有右腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种；而球形容器多采用柱式或裙式支座。

由于压力容器的使用特点及其内部介质的化学工艺特性，往往需要在容器上设置一些安全装置和测量、控制仪表阿里监控工作介质的参数，以保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。

压力容器的安全附件主要有安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全连锁装置、压力表、液面计、测温仪表等。

第3章 选材要求压力容器的选材是有特别严格要求的，材料的各种力学性能和化学性能都和设计密切相关。

选材的目的就是为了选择安全、经济的材料，保证容器的安全可靠工作。

各种金属储罐虽然结构和用途都不尽相同，但总体而言都是能够承受一定压力(大多为常压或低压)的密闭容器，所充装的介质基本上都是易燃、易爆、有腐蚀和一定的毒害作用，这些介质都具有一定的压力和温度，从储罐的受力状况看都相当于一般的压力容器，其壳体可按一般压力容器进行选材和分析计算。

金属储罐常用的材料为碳钢和低合金钢钢板，如Q235—A、20R、16MnR、15MnVR等，厚度大都在4～16mm之间，罐壁最大不超过32mm，对罐壁材料，其强度、焊接性、冲击韧性是三项基本要求；对公称容量小于10000m3的储罐可选Q235—A，公称容量在10000～50000m3的储罐，其由强度决定的罐体及罐底边板采用16MnR，公称容量大于50000m3的储罐，其由强度决定的罐体及罐底边板选15MnVR、由刚度决定的罐体可采用Q235—A。

无论哪种储罐，都是以钢板卷制、冲压焊接而成，小型立式罐和卧式罐壳体筒节间采用对接结构，两端通常用椭圆形封头或平封头连接；大型立式圆筒形储罐的罐体也是采用钢板卷制焊接而成筒节，筒节之间可采用对接焊接，也可采用采用搭接焊接；球形罐是用钢板冲压成若干片，再组对焊接而成。

3.1材料各种机械性能参数3.1.1 R的含义根据GB6654-96中牌号表示方法中的规定：本标准所列牌号后面的“R”是指压力容器“容”字的汉语拼音第一个字母。

3.1.2 Q235系列的含义根据GB700-88中牌号表示方法、代号和符号中的规定：钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值（235表示屈服点为235 MPa）、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。

Q — 钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；A、B、C、D— 分别为质量等级；F— 沸腾钢“沸”字汉语首位字母；b— 半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母；z— 镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；TZ— 特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母；在牌号组成表示方法中，“z”与“TZ”符号予以省略。

3.2机械性能指标及符号3.2.1强度强度是指在外力的作用下，抵抗变形和破坏的能力，应用最普遍的，强度极限σb。

强度指标是屈服极限σs或σ0.23.2.1.1屈服极限(σs和σ)0.2材料受外力超过一定值时，变形会突然增加，这时虽然载荷不再增加，而仍断续发生塑性变形的现象叫屈服。

开始出现屈服时的应力叫屈服极限。

含碳量较高，合金含量较高和淬火回火的钢，屈服现象不明显,这时就将引起残余伸长相当于原试样标距长度0.2%的应力，规定为“条件屈服应力”，以σ0.2表示。

σs=P s /F0 , σ=P0.2/F00.2P s –试样开始出现屈服时的外力，MPa。

P0.2–残余伸长相当于原试样标距长度0.2%的外力，MPa。

F 0 - 试样的原始横截面积，。

2m 3.2.1.2强度极限b σ材料受外载荷断续增大，在断裂前承受的最大载荷时的应力称为材料的抗拉强度极限，单位MPa 。

σb =P b /F 0P b –试样断裂前承受的最大载荷时的外力，MPa 。

3.2.1.3屈强比(σs /σb )工程上比较重视屈强比，这个值越小，表示材料屈服极限与强度极限的差距越大，即塑性越好，从而保证了使用中的安全可靠。

但无疑也使材料在弹性变形范围内承受载荷小，相反屈强比高，说明屈服限接近强度限。

材料在断裂前塑性“储备”太少，对应力集中敏感，耐疲劳抗力下降。

在设计中必然要对应力状态有充分估计(局部应力，应力集中，二次应力)。

制造中要尽量避免加工硬化,裂纹及残余应力，所以设计中要考虑屈强比。

一般屈强比大于0.7的材料在设计中和制造中应予以重视；大于0.8~0.85的材料要特殊对待。

3.2.2塑性金属的塑性是指在外力作用下能引起永久变形而不发生破裂，并在外力取消后，仍能保持变形后形状的能力。

塑性值也可通过拉伸试验测得。

通常用伸长率δ(延伸率)和断面收缩率Ψ来表示。

3.2.2.1延伸率δδ=( l k -l 0 )/ l 0 X100%l 0 ─ 表示原标距长，m 。

l k ─ 表示拉伸后标距长，m 。

从压力容器本身工作条件看，一般材料延伸率是足够的。

但必须考虑如下情况：(a) 材料由于冷作(冷卷、锤击、剪切)、焊接引起伸长率降低是不可估量的。