过程装备设计说明书

前言

液化液氯贮罐是盛装液氯的常用设备, 由于该气体具有易燃易爆有毒的特点, 因此在设计这种贮罐时, 要注意与一般气体贮罐的不同点, 尤其是安全与防火, 还要注意在制造、安装等方面的特点。 目前我国普遍采用常温压力贮罐, 常温贮罐一般有两种形式: 球形贮罐和圆筒形贮罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 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。一般贮存总量大于500m 3或单罐容积大于200m 3时选用球形贮罐比较经济; 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500m 3, 单罐容积小于100m 3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。本文主要讨论卧式圆筒形液氯贮罐的设计。也应按GB150《钢制压力容器》进行制造、试验和验收; 并接受劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程》(简称容规) 的监督。液氯贮罐, 不论是卧式还是球罐都属第三类压力容器。贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。贮罐上设有液相管、液相回液管、气相管、排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计。

I

课程设计任务书

一、课程设计要求：

1.使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。 2.掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。

3.掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。

4.掌握工程图纸的计算机绘图。

5.课程设计全部工作由学生本人独立完成。

二、设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

设计条件表

单序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 项目 名 称 用 途 最高工作压力 工作温度 公称容积（Vg） 工作压力波动情况 装量系数(φV) 工作介质 使用地点 0.9 液氯（高度危害） 邯郸市室外 可不考虑 1.307 -20～45 25 数值 位 液氯储罐 液氯储存 MPa ℃ M3 由介质温度确定 备 注 II

目录

前言 ................................................................................................................................ I 课程设计任务书 .......................................................................................................... II 第一部分 工艺设计 ..................................................................................................... 1 1.1盛装液氯的压力容器设计存储量 ......................................................................... 1 1.2设备的初步选型及轮廓尺寸的确定 ..................................................................... 1

1.2.1设备的初步选型 .......................................................................................... 1 1.2.2设备的轮廓尺寸的确定 .............................................................................. 1 第二部分 机械设计 ..................................................................................................... 3 2.1设计条件的确定 ..................................................................................................... 3

2.1.1设计压力的确定 .......................................................................................... 3 2.1.2设计温度的确定 .......................................................................................... 3 2.1.3设计条件表 .................................................................................................. 4 2.2设备的结构设计 ..................................................................................................... 4

2.2.1筒体和封头的结构设计 .............................................................................. 4 2.2.2接管设计 ...................................................................................................... 5 2.2.3法兰结构设计 .............................................................................................. 7 2.2.4附件设计 .................................................................................................... 11 2.2.5支座结构设计 ............................................................................................ 17 2.3 设备强度校核计算 .............................................................................................. 20

2.3.1设备主体结构的壁厚计算 ........................................................................ 20 2.3.2总体布局 .................................................................................................... 30 第三部分 技术条件的编制 ................................................................................. 31

3.1设备类型，材料选择 ................................................................................... 31 3.2焊接接头设计 ............................................................................................... 31 3.3焊接方法 ....................................................................................................... 33 3.4无损检测 ....................................................................................................... 34 3.5压力试验的选择 ........................................................................................... 34 3.6热处理要求 ................................................................................................... 34 3.7总装配图技术要求 ....................................................................................... 34 参考文献 ..................................................................................................................... 35 结束语 ......................................................................................................................... 36

III

第一部分 工艺设计

1.1盛装液氯的压力容器设计存储量

在液氯在500C，由过程装备指导书的液氯的密度：1.370kg/升 盛装液化气体的压力容器设计存储量[1]

WVt

式中：W——储存量，t；——装载系数； V——压力容器容积；

t——设计温度下的饱和溶液的密度，

tm3；

根据设计条件WVt=0.9³25³1.307=29.408t

1.2设备的初步选型及轮廓尺寸的确定

1.2.1设备的初步选型

选型：目前我国普遍采用常温压力储罐一般有两种形式，球形贮罐和圆筒形贮罐。因为圆筒形贮罐加工制造安装简单，安装费用少，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时选用卧式贮槽比较经济，因此选择卧式压力容器。

1.2.2设备的轮廓尺寸的确定

查GB150压力容器，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=4 设备容积计算[1]

4Di2L

根据VgV筒2V封Di2L2V封25m3

4 1

Vg3

——公称容积 m；

3 V筒——筒体容积 m；

3

V封——封头容积 m；

Di——公称直径 m； L——筒体长度 m； 粗略计算内径： 一般Lπ2DiL25m3 4D3—6 ，取LD4

得Di1996.5mm，圆整得：Di2000mm

选用EHA椭圆封头，查《EHA椭圆形封头内表面积及容积表》可得：深度B=525mm，内表面积A4.493m2，容积V封1.1257m3

LVg2V封Di247241mm，圆整得:L7300mm

V计V筒2V封4Di2L2V封42.027.321.125725.185m3

误差

V计VgVg100%0.74%<5%

V工V计0.925.18522.667m3

所以，筒体的公称直径Di

2

2000mm,长度L=7300mm.

第二部分 机械设计

2.1设计条件的确定

2.1.1设计压力的确定

按《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气50℃时的饱和蒸汽压力，而且查得当容器上装有安全阀时，取1.05～1.1倍的工作压力作为设计压力；根据文献[2]查得50℃蒸汽压为1.303kpa所以P=1.1³1.303=1.4333MPa。0.6Mpap10Mpa属于中压容器 2.1.2设计温度的确定

设计温度为50℃，在-20～200℃条件下工作属于常温容器。

3

2.1.3设计条件表

项目 工作介质 工作压力Mpa 设计压力Mpa 工作温度℃ 设计温度℃ 公称容积mm3 计算容积mm3 工作容积mm3 装量系数 介质密度 材质 保温要求 其他要求 内容 液氯 1.303Mpa 1.4333Mpa -20—45℃ 50℃ 25mm3 25.185 mm3 22.667 mm3 0.9 1.307kg/L Q345R 无 无 备注

2.2设备的结构设计

2.2.1筒体和封头的结构设计

化工设备的结构设计包括设备承压壳体（一般为筒体和封头）及其零部件的设计。设备零部件包括支座、接管和法兰、人孔和手孔、液面计、视镜等。我国已经制订了化工设备通用零部件的系列标准，设计时可根据具体设计条件按照标准进行选用。 （1）筒体的设计

筒体的公称直径DN=2000mm，长度L=7300mm。封头的公称直径DN=2000mm，总深H=525mm （2）封头的结构设计

图1

4

查标准文献[2]表B.1 EHA椭圆形封头内表 面积、容积得：

公称直径DN /mm 2000 总深度H /mm 内表面积A/m2 容积V封/m3 525 4.4930 1.1257 2.2.2接管设计

查文献[3]表25-5，常用介质流速推介值得，液氯流速10.8ms,压缩空气流量

212ms。假设液氯流量Q17.6104m,空气流量Q19.05103m得，液氯

ss进出口接管内径d1334Q110.0347m，取d135mm。

4Q2空气进出口接管内径d120.0310m，取d233mm。

液氯进、出口接管和空气进、出口接管选用热轧无缝钢管。根据PN=2.5MPa及接管内径查文献[4]《无缝钢管标准》GB/T8163-1999,材料为20钢时，各接管尺寸如下：

表2.1热轧无缝钢管的尺寸表

5

用途 公称直径DN 外径壁厚理论质量 Kgmd0nt 空气进口管 空气出口管 排污管 安全阀 液氯进口管 液氯出口管 40 40 456 4.93 455 5.77 表2.2 液位计接口、压力计接口、人孔接管尺寸表

用途 公称直径 DN 厚 dont 外径壁理论质量 kg/m 液位计 压力计 人 孔 40 40 450 455 455 48012 4.93 4.93 表2.3 管口表

接管代号 公称尺寸 A B M1 M2 C D E F I G H DN40 DN40 DN500 DN40 DN40 DN40 DN40 DN40 DN40 连接尺寸标准 HG20594-1997 HG20595-1997 HG20595-1997 HG20595-1997 HG20595-1997 HG20595-1997 HG20595-1997 HG20595-1997 连接面形式 用途或名称 RF RF MFM RF RF RF RF RF RF 液氯进口管 安全阀接口 人 孔 空气进口管 空气出口管 压力表接口 液位计接口 液氯出口管 排污管 6

2.2.3法兰结构设计

(1)公称直径、公称压力确定

查HG/T 20592-20635-2009中表7.0.1-5 PN2.5MPa钢制管法兰用材料最大允许工作压力（表压）得法兰材料用20钢，设计温度为50时，最大允许工作压力为2.5MPa，故公称压力选为2.5MPa。查文献[5]，根据公称压力2.5MPa，公称直径DN=40mm，选择法兰。但考虑到连接面形式和剧毒介质液氯的密封要求较高，综合各种因素，故选用长颈对焊法兰。 (2)法兰尺寸列表

钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。根据设计要求选定法兰后，则会得到与螺栓配套的螺栓。

查HG/T 20592-20635-2009中表4.1得各法兰的尺寸和质量

图2.1 接管法兰结构

7

表2.4 接管法兰结构尺寸表

序号名公 钢法兰螺栓螺螺螺称称 管外径 孔中栓栓栓直外径径 DN B 法兰N 法兰颈 S H 1法兰 法兰质R 高度 量 H (Kg) B C D E G H

D 心圆孔孔TH 厚直径直数度 AK 径 量 L n C B 安全40 45 150 110 18 4 M16 A 阀接口 液氯40 45 150 110 18 4 M16 进口 空气40 45 150 110 18 4 M16 出口 液氯40 45 150 110 18 4 M16 出口 空气40 45 150 110 18 4 M16 进口 F 液位40 45 150 110 18 4 M16 计口 18 70 18 70 18 70 18 70 18 70 6 48 2.36 4 14 6 48 2.36 4 14 5 48 2.36 4 14 5 48 2.36 4 14 5 48 2.36 4 14 5 48 2.36 8 1 70 4 14 5 48 2.36 压力40 45 150 110 18 4 M16 18 70 4 14 表口 排污40 45 150 110 18 4 M16 18 70 4 14 管

8

5 48 2.36

表2.5 接管法兰标记

名称 空气进口管法兰 排污管法兰 空气出口管法兰 安全阀接口管法兰 液氯进口管法兰 液氯出口管法兰 液面计接管法兰 压力表接管法兰 (3)垫片的选择 因为公称压力PN=2.5MPa，而且工作温度不是太高，液氯的腐蚀性可以忽略，而且该密封属于静密封，凸凹压紧面安装时易于对中，还能有效地防止非金属垫片被挤出压紧面，所以垫片选用石棉橡胶垫片即可满足要求，查HG/T 20609-1997《钢制管法兰用金属包覆垫片》，得：

HG 20595 法兰 WN 40-2.5 RF S=4mm 20钢 HG 20595 法兰 WN 40-2.5 RF S=4mm 20钢 HG 20595 法兰 WN 40-2.5 RF S=4mm 20钢 法兰标记 HG 20595 法兰 WN 40-2.5 RF S=4mm 20钢

图2.2 石棉橡胶垫片

9

表2.6 凹凸面法兰用MFM型垫片尺寸表

符号 A B C D E F I G H (4)紧固件的选择 由GB 150-1988，紧固件螺栓连接选用材料为Q235-A。查HG 20613-97 《钢制管法兰用紧固件》得螺柱的长度和平垫圈尺寸：

表2.7 螺栓及垫片

符号 A B C D E F I G H

公称直径 40 40 40 40 40 40 40 50 纹 M16 M16 M16 M16 M16 M16 M16 M16 螺长 90 90 90 90 90 90 90 90 螺柱紧固件用平垫圈 mm d1 管口名称 垫片厚度 公称直径 内径D1 安全阀口 液氯进口 空气出口 液氯出口 空气进口 液位计口 压力表口 排污管口 3 3 3 3 3 3 3 3 40 40 40 40 40 40 40 40 70 70 70 70 70 70 70 70 外径D2 92 92 92 92 92 92 92 92 d2 30 30 30 30 30 30 30 30 h 3 3 3 3 3 3 3 3 17 17 17 17 17 17 17 17 10

2.2.4附件设计 (1)液位计

此容器选用磁性浮子液位计。由于此储罐介质温度在太原地区随四季温度的变化而变化，最低-20度，最高45度，密度粘度也随之变化，又根据需要满足筒体内径DN=2000mm，公称压力PN=2.5,所以选用此液位计。采用磁性浮子液位计，普通型，压力等级为2.5 MPa。根据实际要求，选用液位计的长度为1100mm。标记 HG/T 21584-95 UZ 2.5M-1100-1.307 BF 321C。 (2)压力表

取其在筒体上的开孔序号为F，根据《压力表选型手册》和经济耐用型原则，首先选用通用型压力表，又由于工作地点在室外，容易腐蚀，所以选择全不锈钢压力表。故最后确定选用Y-B系列的全不锈钢压力表。其外形尺寸系列如下，根据尺寸表和压力值，应选择Y-100B，连接压力表的法兰外形图如下。

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法兰尺寸如下表： 代号 量程Mpa） 法兰标准代号 D MF 2.5 2.5-4.0DIN 凸面法兰尺寸 K d f L C B 150 110 65 3 M16 18 25 根据法兰的内径，和强度要求，选择接管φ45³5。 (3)视镜

视镜用来观察设备内部物料的工作情况。用凸缘构成的视镜称为不带颈视镜，其结构简单，不易粘料，有比较宽的视察范围，应优先选用。

(4)人孔

人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。 人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。

人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。

人孔尺寸应根据容器直径大小、压力等级、容器内部可拆构件尺寸等因素决定，

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一般情况下：

容器直径大于或等于900～1000mm时，选用DN400人孔； 容器直径大于1000～1600mm时，选用DN450人孔； 容器直径大于1600～3000mm时，选用DN500人孔； 容器直径大于3000mm时，选用DN600人孔。

容器上开设人孔规定当公称直径大于或等于1000mm且筒体与封头为焊接连接时，至少设一个人孔。卧式容器的筒体长度大于等于6000mm,应考虑设置2个以上人孔。

由于本次设计的介质是高度危害的，所以本次设计采用凹凸法兰密封面（MFM）。 本次设计的储罐设计压力为1.4333MPa，根据文献[6]，采用回转盖带颈对焊法兰人孔，查《压力容器与化工设备实用手册》因筒体长度7300>6000mm,需要设置两个人孔。

该人孔标记为：人孔MFM-35CM B 500-2.5 HG/T21518-2005

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图2.3 人孔结构示意图

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表2.8 人孔结构尺寸

密封面型式 MFM b1 b2 公称压力PN 2.5 A 公称直径DN 500 48012 506 B L d0 730 660 280 螺柱 螺母 数量 直径长度 43 48 405 200 300 30 20 40 123 螺柱 44 总质量 DNS d D D1 H1 H2 b M332170 302 (5)核算开孔补强 根据GB150，当设计压力小于或等于2.5Mpa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的2.5倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不另行补强。本次设计人孔的公称外径为45089mm，所以进行补强圈补强。本次设计人孔的公称直径450>89mm, 所以进行补强圈补偿。

①.补强设计方法判别

开孔直径ddi2C45022.3456.6mm dDi20001000mm 22满足等面积开孔补强计算的适用条件，故采用等面积法进行开孔补强计算。 ②.开孔所需补强面积

接管材料选用20号钢，根据《材料许用应力表》查得其许用应力

t150.125MPa

根据GB150，Ad2et(1fr)

其中：壳体开孔处的计算厚度7.6125mm。 接管的有效厚度etntC1C2120.329.7

tn150.125强度削弱系数fr0.794

189r所以开孔所需补强面积为

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Ad2et(1fr)456.67.612529.77.6125(10.794)3506.290mm2 ③.有效补强范围 有效补强范围内的宽度B

B2d2456.6913.3mm取二者中的较大值，故Bd2n2nt456.6212212504.6mmB913.3mm。

有效高度 有效补强范围的外侧高度h1

dnt有效补强范围的外侧高度h1应取二者中的较小值，其中

接管实际外伸高度dnt456.61274.022mm，接管实际外伸高度200mm。

dnt小于接管实际外伸高度，所以h1dnt=74.022mm。

有效补强范围的内侧高度h2

dnt有效补强范围的内侧高度h2应取二者中的较小值，其中

接管实际内伸高度dnt456.61274.022mm，接管实际内伸高度设计为0mm，接管实际内伸高度小于dnt，所以h20mm。

补强范围内补强金属面积

Ae

A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积

圆筒计算厚度7.6125mm，接管有效厚度et9.7mm

A1(Bd)(e)2et(e)(1fr)(913.3456.6)(9.77.6125)29.7(9.77.6125)(10.794) 945.02mm2A2---接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 接管计算厚度tpcDi1.43334502.158mm t2pc2150.1251.01.4333 16

根据公式:

A22h1(ett)fr2h2(et)fr274.022(9.72.158)0.7940886.539mm2

A3--焊缝金属面积

由于本次设计的储罐是存放有毒介质的，所以选用D类接头形式进行焊接， 因

122此，A32636mm

2有效补强范围内的补强面积根据公式:

Ae

2.559mm AeA1A2A3945.02886.539361867④.补强圈的选取 因为

Ae＜A，所以需要另加补强，其补强面积为：

A4AAe=3506.290-1867.559=1638.731mm2。

nA41638.7315.94mm

D2D1760484查表文献[7]应选用的补强圈厚度为8mm，补强材料一般与壳材料相同，所以补强圈材料为Q345R,可确定补强圈为：dn5008CQ345RJB/T 47362002。 2.2.5支座结构设计

(1)估算鞍座的负荷： 储罐总质量mm12m2m3m4

m1—筒体质量：m1DL3.142.07.31210378504318.5048kg

m2—单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.2 EHA椭圆形封头质量，可知，m2415.4kg

m3—充液质量：水<液氯，m3ρ氯V计130725.18532916.795kg

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m4—附件质量：人孔质量为302kg，其他接管质量总和估100kg，即m4402kg 综上所述，

mm12m2m3m44318.50482415.432916.79540238467.6kg G=mg=376.5kN,每个鞍座承受的重量为188.25kN (2)结构形式确定

由鞍座的负荷查JB4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为A,包角为120，有垫板的鞍座。查得鞍座结构尺寸由公称直径查文献[8]得具体尺寸如下表：

如下表4：

图2.4 鞍座结构图

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表2.9：鞍式支座结构尺寸 单位：mm

公称直允鞍座许载高度h 1底板 l 1腹板 b筋板 l3径DN 荷Q /kN 2000 300 垫板 弧长 b4 1 12 10 2 b2b33 8 250 1420 220 330 190 鞍座质量260 螺栓配置 e 间距l2 螺孔d M16 螺纹 孔长l 40 增加100mm高度增加的质量/kg 4 kg 2330 430 10 80 1260 20 160 17 (3)鞍座位置确定 通常取尺寸A不超过0.2L值，中国现行标准JB 4731《钢制卧式容器》规定A≤0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。

由标准椭圆封头

DDi2,有hH52550025mm

42(Hh)imm 故A0.2(L2h)0.2(7300225)1470由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB 4731还规定当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5R m（RmRin2）,即

Rm

2000n1006mm 22mA0.5R0.51006503mm，取A=503mm

综上有：A=500mm。

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鞍座标记为：JB/T 4712.12007,支座 A2000F

JB/T 4712.12007,支座 A2000S

2.3 设备强度校核计算

2.3.1设备主体结构的壁厚计算 （1） 筒体的厚度计算

钢制卧式容器 计算单位 bt_鮛 简 图 MPa ℃ 计 算 条 件 设计压力 p 设计温度 t 筒体材料名称 封头材料名称 封头型式 筒体内直径 Di 筒体长度 L 筒体名义厚度 n 支座垫板名义厚度 rn 筒体厚度附加量 C 腐蚀裕量 C1 筒体焊接接头系数  封头名义厚度 hn 封头厚度附加量 Ch 鞍座材料名称 鞍座宽度 b 鞍座包角 θ 支座形心至封头切线距离 A 1.4333 50 Q345R Q345R 椭圆形 2000 7300 mm mm 12 10 2.3 2 1 12 2.3 Q235-B 220 120 540 mm ° mm mm mm mm mm mm mm 20

鞍座高度 H 地震烈度 250 低于七 mm 度 （2）压力试验时筒体的校核 内压圆筒校核 计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 1.43 MPa 计算单位 bt_鮛 GB 150.3-2011 筒体简图 设计温度 t 内径 Di 材料 试验温度许用应力  设计温度许用应力  试验温度下屈服点 s 钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数  t 50.00 2000.00 Q345R ( 板材 ) 189.00 189.00 345.00 0.30 2.00 1.00  C mm MPa MPa MPa mm mm 厚度及重量计算 计算厚度 有效厚度 名义厚度 重量  = = 7.61 mm mm mm Kg 压力试验时应力校核 压力试验类型 试验压力值 压力试验允许通过 的应力水平 T 液压试验 e =n - C1- C2= 9.70 n = 12.00 4346.50 PT = 1.25P = 1.5000 (或由用户输入) MPa T 0.90 s = 310.50 MPa 21

试验压力下 圆筒的应力 校核条件 校核结果 T = = 155.39 MPa T T 合格 压力及应力计算 最大允许工作压力 [Pw]= t= 1.82445 MPa 设计温度下计算应力  校核条件 结论 t  = 189.00  ≥ 合格 tt= 148.48 MPa MPa （3）封头的计算和校核 左封头计算 计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 曲面深度 hi 材料 设计温度许用应力  试验温度许用应力  钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数  t计算单位 bt_鮛 GB 150.3-2011 椭圆封头简图 1.43 50.00 2000.00 525.00 Q345R (板材) 189.00 189.00 0.30 2.00 1.00 MPa  C mm mm MPa MPa mm mm 压力试验时应力校核 压力试验类型 试验压力值 液压试验 PT = 1.25Pc= 1.5000 (或由用户输入) MPa MPa MPa 压力试验允许通过的应力t T 0.90 s = 310.50 试验压力下封头的应力 校核条件 校核结果 T = T T 合格 厚度及重量计算 = 145.43 22

形状系数 K = = 0.9380 计算厚度 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 h = = 7.13 mm mm mm mm eh =nh - C1- C2= 9.70 min = 3.00 nh = 12.00 满足最小厚度要求 434.26 压 力 计 算 Kg 最大允许工作压力 结论

右封头计算 [Pw]= 合格 = 1.94940 MPa 计算单位 bt,醎 GB 150.3-2011 椭圆封头简图 计算所依据的标准 计算条件 计算压力 Pc 设计温度 t 内径 Di 曲面深度 hi 材料 设计温度许用应力  试验温度许用应力  钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数  t 1.43 50.00 2000.00 525.00 Q345R (板材) 189.00 189.00 0.30 2.00 1.00 MPa  C mm mm MPa MPa mm mm 压力试验时应力校核 压力试验类型 试验压力值 液压试验 PT = 1.25Pc= 1.5000 (或由用户输入) MPa MPa MPa 压力试验允许通过的应力t T 0.90 s = 310.50 试验压力下封头的应力 校核条件 校核结果 T = T T 合格 = 145.43 23

厚度及重量计算 形状系数 K = = 0.9380 计算厚度 有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论 重量 h = = 7.13 mm mm mm mm eh =nh - C1- C2= 9.70 min = 3.00 nh = 12.00 满足最小厚度要求 434.26 压 力 计 算 Kg 最大允许工作压力 结论

[Pw]= 合格 = 1.94940 MPa （3）筒体的计算和校核

卧式容器（双鞍座） 计算单位 bt,醎 简 图 MPa ℃ 计 算 条 件 计算压力 pC 设计温度 t 圆筒材料 鞍座材料 圆筒材料常温许用应力 [] 圆筒材料设计温度下许用应力[] 圆筒材料常温屈服点 s 鞍座材料许用应力 []sa 工作时物料密度 t 1.4333 50 Q345R Q235-B 189 189 345 MPa MPa MPa 147 1307 1000 2000 MPa kg/m3 kg/m3 mm mm mm mm 液压试验介质密度 圆筒内直径Di 圆筒名义厚度 圆筒厚度附加量 12 2.3 1 12 圆筒焊接接头系数 封头名义厚度 24

封头厚度附加量 Ch 两封头切线间距离 鞍座垫板名义厚度 鞍座垫板有效厚度 鞍座轴向宽度 b 鞍座包角 θ 鞍座底板中心至封头切线距离 A 封头曲面高度 试验压力 pT 鞍座高度 H 腹板与筋板组合截面断面系数 地震烈度 圆筒平均半径 Ra 物料充装系数 腹板与筋板组合截面积 2.3 7380 10 10 220 120 540 525 1.5 250 0 0 <7 1006 0.9 2 24 20.752 1260 Q235-A 支 座 反 力 计 算 mm mm mm mm mm ° mm mm MPa mm mm mm mm mm mm mm 32一个鞍座上地脚螺栓个数 地脚螺栓公称直径 地脚螺栓根径 鞍座轴线两侧的螺栓间距 地脚螺栓材料 圆筒质量(两切线间) 封头质量(曲面部分) 附件质量 封头容积(曲面部分) 413.367 5513.81 1.0472e+09 4394.25 kg kg kg mm3 mm3 容器容积(两切线间) V = 2.52793e+10 工作时, 容器内充液质量 耐热层质量 压力试验时, 0 工作时, 总质量 压力试验时, 49.1461 43.734 36014.1 40470.9 29736.1 = 25279.3 kg kg kg 单位长度载荷 N/mm 支座反力 198550 176685 N 25

198550 筒 体 弯 矩 计 算 工作时 = 2.3642e+08 圆筒中间处截 面上的弯矩 压力试验 N²mm = 2.10385e+08 操作工况： -7.40618e+06 支座处横 截面弯矩 压力试验工况： -6.59059e+06 N²mm 系 数 计 算 K1=0.106611 K4= K6’=0.0132577 K9=0.203522 筒 体 轴 向 应 力 计 算 轴向应力计算 水压试验状态 操作状态 K2=0.192348 K5=0.760258 K7= C4= K3=1.17069 K6=0.0161287 K8= C5= 81.9946 MPa 76.5773 -7.66985 MPa -1.24914 -6.82176 MPa -1.11158 26

84.6087 MPa 79.788 0.000900988 根据圆筒材料查GB150图4-3～4-12 许用压缩应力 B = 119.241 119.241 应力校核 < |||,||,|| < | < 189 合格 119.241 合格 119.241 合格 119.241 MPa MPa MPa T2 ,T3 < 0.9s = 310.5 合格 筒体和封头的切应力 时 封头中： 圆筒中： MPa 时(时,不适用) 18.5726 MPa

椭圆形封头, 封头 碟形封头, 半球形封头, t MPa 应力校核 圆筒 [] = 0.8 [ ] = 151.2封头 MPa 圆筒,  < [  ] = 151.2 MPa 合格 封头, h < [  h] = MPa 鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力 无加强圆筒的有效宽度 无垫在横截面最低板或点处 391.401 mm MPa 27

圈垫板圆不起筒 加强作用时 在鞍座 边角处 L/Rm≥8时, L/Rm<8时, MPa MPa 鞍座垫板宽度横截面最低点处的周向应力 无 加 垫板 起加强 强作 用时 圈 筒 体 t ； 鞍座垫板包角-1.95768 L/Rm≥8时, MPa MPa 鞍座边角处 的周向应力 L/Rm<8时, -33.4268 L/Rm≥8时, 鞍座垫板边 缘处圆筒中 的周向应力 L/Rm<8时, -58.8376 |5| < [ ]= 189 合格 应力校核 |6 | < 1.25[ ]= 236.25 合格 |’6 | < 1.25[ ]= 236.25 合格 t t MPa MPa MPa MPa

加强圈材料, mm mm 个 mm2 mm4 MPa MPa MPa e = d = 有加强圈圆筒 加强圈位于 鞍座平面上 在 鞍 座 边 角 处 ，加 强 圈 内 缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ： 设计温度下许用应力加强圈参数 加强圈数量, n = 组合总截面积, A0 = 组合截面总惯性矩, I0 = 在鞍座边角处圆筒的周向应力： 28

横 截 面 最 低 点 的 周 向 应 力 无垫板时，（ 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 ） 采用垫板时，（垫板起加强作用） 加强圈靠近鞍座 在横截上靠近水平中心线的周向应力： 有加强圈圆筒 加强圈靠近鞍座 鞍座边角处点处的周向应力 采用垫板时，（垫板起加强作用） L/Rm≥8时, 采用垫板时，（垫板起加强作用） L/Rm<8时, MPa MPa 无垫板或垫板不起 加强 作用 L/Rm<8时, MPa 无垫板或垫板不起 加强 作用 L/Rm≥8时, MPa 在横截上靠近水平中心线处，不与筒壁相接的加强圈内缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ： MPa MPa MPa

|5| < []= 合格 应力校核 |6 | < 1.25[]= 合格 |7 | < 1.25[]= |8 | < 1.25[]R= 鞍 座 应 力 计 算 水平分力 腹板水平应力 计算高度 鞍座腹板厚度 10 40409.3 250 N mm mm t t t t MPa 29

鞍座垫板实际宽度 鞍座垫板有效宽度 460 391.401 无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 , mm mm 腹板水平应力 垫板起加强作用, 9 < MPa 6.30016 应力判断 [ ]sa= 98 合格 MPa 由地震水平分力引起的支座强度计算 腹板与筋板组合截面应力 , |sa| 1.2[bt]= 拉应力 地脚螺栓应力 剪应力 MPa 轴向力 , 圆筒中心至基础表面距离 1262 mm N MPa MPa bt 1.2[bt] = MPa MPa bt 0.8Ko[bt] = MPa 温差引起的应 力 t 0 N MPa |sa| < []sa = 147 2.3.2总体布局

液氯进口管外伸度150mm，内伸高度1900mm，液氯出口管外伸高度150mm，排污管外伸高度150mm,内伸高度0mm.

安全阀外伸高度150mm，内伸高度0mm，压力表外伸高度150mm,内伸高度0mm， 空气进/出口管外伸高度150mm,内伸高度0mm，人孔外伸250mm，内伸0mm。

接管与接管间距不小于600mm，接管与封头间距不小于800mm,与人孔间距不小于1000mm，与焊缝距离不小于150mm,鞍座距封头切线500mm。

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第三部分 技术条件的编制

3.1设备类型，材料选择

本设备根据GBl50《压力容器》，钢对液氯有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1㎜/年以下，设计温度为50℃，在-20～200℃条件下工作属于常温容器。又P=1.4333<1.6Mpa又属于低压容器，又因为液氯为高度危害介质，根据GBl50《压力容器》分为第按I类压力容器。照低压高危险进行制造、试验和验收 。

从制造费用上看，由于采用Q345R钢板，厚度较薄，质量较轻，且制造费用目前也按碳钢设备重量同等计价，因此采用Q345R钢板，制造费用较为经济。

综上所述，本设计的储罐材料选用Q345R钢板制作筒体和封头。 3.2焊接接头设计

压力容器焊接结构设计要求,参考文献[9]

焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。

A．壳体A，B类焊接接头的设计

该容器上的A,B类接头必须采用对接焊，不允许采用搭接焊。对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损检测，可获得最好的焊接接头质量。该容器上的接管与壳体以及补强圈之间的焊接一般只能采用角接和搭接。

B．壳体C，D类焊接接头的设计

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，但已规定为A，B类的焊接接头除外。

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

封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为Y型坡口。

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根据16MnR的抗拉强度

=490Mpa和屈服点=325Mpa选择E50系列（强度要求：

≥490Mpa；≥400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较高，其结构如下图

Y型坡口本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图

X型焊接接头

接管与筒体的焊接接头坡口为505。人孔处接管、补强圈的焊接采用角焊，坡口为502。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。

无补强接管与壳体的焊接接头

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带补强圈焊接接头结构

β1=35°±25°2＝50°±5° b2=2+0.5,b1＝5±1,K1＝δn/3 ,K1=c﹙c≤8) k2＝0.7c

筒体和封头的焊接：δ=6~20 α=60~70 b=0~2 p=2 ~3 管法兰与接管的焊接接头

管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97,根据公称通经选择相应的坡口宽度结构如附图中为几种常用的管法兰与结接管焊接形式的局部放大图。

其余焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可按GB985-80中规定。 3.3焊接方法

采用电弧焊，焊条型号及牌号表11 焊条型号及牌号 接头母材 Q345R+Q345R 20 +Q345R Q235-A-F+Q345R 20+20

焊条型号 E5016 E5015 E4303 E4315 焊条牌号 J506 J507 J422 J427 33

3.4无损检测

壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100％ ，表面探伤。射线检测。 3.5压力试验的选择

设备制造完毕后，以1.5MPa表压进行水压试验。进行气密性试验。 3.6热处理要求

1.零件经淬火处理后，硬度应达到50～55HRC。

2.零件进行高频淬火后、回火至40～45HRC，有效硬化层深度0.8~1.6mm。 3.渗碳淬火处理，表面硬度56～62HRC，渗层深度0.3～0.8mm，心部硬度28~33HRC。

4.零件须进行高温时效处理。 5.经调质处理，28～32HRC。

6.零件经淬火处理后，硬度应达到50～55HRC。 3.7总装配图技术要求

1.本设备按GB150《压力容器》，进行制造检验，并接受《压力容器安全技术监察规程》的监察。

2.焊接采用电弧焊，按JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》进行。 3.焊接接头形式及尺寸除图示外，法兰与接管的焊接按相应的法兰标准。 4.壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100％ 。

5.设备进行水压试验，试验过程中无渗漏、无可见的变形和无异常响声为合格。 6.管口及支座方位按本图。

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参考文献

[1]国家质量技术监督局，GB150-2011《压力容器》，中国标准出版社，2011 [2] 国家经济贸易委员会，JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》，2002

[3] 中国石化集团上海工程有限公司，《化工工艺设计手册》，化工工业出版社，2009 [4]《无缝钢管标准》GB/T8163-1999

[5]中华人民共和国工业和信息化部，HG2059～2009《钢制管法兰》，2009 [6] 中华人民共和国工业和信息化部,HG/T21514-2005《钢制人孔和手孔》,2005 [7] 国家经济贸易委员会，JB/T4736-2002《补强圈》，2002

[8]中华人民共和国国家发展和改革委员会，JB/T4712-2007《容器支座》，2007 [9]国家质量技术监督局，《固定式压力容器安全技术监察规程》，中国劳动社会保障出版社，1999

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结束语

压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。

近两个星期的液氯油气储罐设计，可以说是对自己综合知识、能力的挑战。从刚开始设计时的蒙头苍蝇到如今的灵活运用。在设计期间我锻炼了很多，也收获了很多！首先，通过液化石油气储罐的设计，我全面综合的了解了液化石油气的组成成分和各参数的确定。其次，通过大量相关资料和书籍的参考，我对液氯储罐的设计过程有了初步的了解。着手开始设计的那段时间确实比较痛苦，感觉无从下手。正所谓万事开头难，通过与同学们的讨论合作，我们找到了一种绝处逢生的感觉，有了头绪和思路之后设计就显得水到渠成了。

不管是筒体、封头、鞍座、法兰、接管还是螺栓螺柱，每一种结构的设计都需要有相关工具书作指导和标准的参考，设计起来的工作量很大。不过我们在设计过程中也找了很多快乐，大家讨论时的积极劲儿，这让大伙儿设计起来非常有动力。我们按着设计的时间安排一步一步的完成设计。

在此感谢老师的指导和同学们的帮助。

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