过程设备设计课程设计

前言

本次设计主要在于巩固过程设备设计这门课程所学的相关知识，是该课程的一个总结性教学环节。在整个教学计划中，它培养学生初步掌握化工设备工程设计的过程，熟悉设计之中所设计的标准，规范的内容和使用方法，是毕业设计的一次预演。

过程设备在生产技术领域中的应用十分广泛，是化工，炼油，轻工，交通，食品，制药，冶金，纺织，城建，海洋工程等传统部门所必需的关键设备。一些新技术领域，如航空航天技术，能源技术等，也离不开过程设备。而压力容器是广泛用于各种行业的特种设

备。由于涉及人的生命和工业生产安全，历来受到国家及有关各级行政部门的高度重视，制订了一系列法规、规定和条例。而过程设备设计这门课正是压力容器设计的核心课程。

我们这次主要是关于液化石油气储罐的设计。 主要指导思想是：

1.选材合理，备料方便；

2.结构设计保证工艺过程顺利和进行并使得运输，安装盒维修方便。 3.全部设计工作均符合现行标准和规范。 4.保证设备安全。

第一章 设计参数的选择

设计题目：液化石油气储罐设计 已知条件：

工作压力为0.79MPa，在武汉地区储罐的工作温度为-19℃~50℃，容积为85m。

分析：

此设备为低压容器，液化石油气为易燃气体，因此其应为第二类压力容器。

设计压力：

取最高工作压力的1.1倍，即P=1.1⨯0.79=0.869MPa。

设计温度：

最高工作温度为50℃，一般当TW>15℃时，介质设计温度应在工作温度的基础上

加15~30℃，故可取设计温度为70℃。

主要受压元件材料的选择：

P=0.869MPa，设计温度为70℃，综合考虑安全性和经济性，查询有关资料，选择16MnR（Q345R），假设壳体厚度在6~16mm范围内，查表GB150中表4-1

可得[σ]=170MPa，[σ]=170MPa，ReL=345MPa。

t

3

第二章 容器强度的计算及校核

2.1 封头与筒体的厚度计算：

2.1.1 考虑采用双面对接焊，局部无损擦伤，焊接接头系数取ϕ=0.85。

根据长径比在3~6内最为合适，取L/Di=4，则L=4Di。 取充气系数0.9，则

Vππ2⎛D⎫D=DiL+2V封头=Di2⋅4Di+2⨯π⋅ i⎪⋅i 0.9443⎝2⎭4

2

πDi3853

=πDi+∴⇒Di=3.03m 0.912

3

查表圆整为Di=3000mm。则V封头=3.817m，总深度H=790mm，代入原式反

算：

85π

=⨯9L+2⨯3.817⇒L=12.29m 0.94

则L/Di=12.29/3=4.1在区间3~6内，符合要求。 计算厚度δ=

Pc⋅Di2[δ]ϕ-Pc

t

=

0.869⨯3000

=7.69mm

2⨯170-0.869

厚度超过5mm，根据GB3531《低温压力容器用低合金钢钢板》规定，可取C1=0，

取腐蚀余量C2=1mm，

则筒体设计厚度δd=δ+C2=7.69+1=8.69mm 则筒体名义厚度δn≥δd+C1=8.69+0=8.69mm

考虑钢板常用规格厚度，向上圆整可取筒体名义厚度δn=12mm。

2.1.2 封头壁厚设计：

选用标准椭圆形封头，其形状系数k=1，封头采用钢板整体冲压而成，焊接接头系数取

ϕ=1.0，故封头计算壁厚：

δ=

kPc⋅Di2[δ]ϕ-0.5Pc

t

=

1⨯0.869⨯3000

=7.68mm

2⨯170⨯1-0.5⨯0.869

取C2=1mm，则封头设计厚度δd=δ+C2=7.68+1=8.68mm 同上取C1=0，则封头名义厚度δn≥δd+C1=8.68+0=8.68mm

考虑钢板常用厚度规格，以及为了材料采购和焊接上的方便，可取封头壁厚与筒体壁厚相同δn=12mm。 2.1.3 液压试验应力校核：

试验压力σT=1.25

[σ]t

2[σ]

=1.25⨯0.869⨯

170

=1.086MPa 170

故σT=

PT⋅(Di+σe)1.086⨯(3000+(12-1-0))==148.6MPa

2σe2⨯12-1-0而0.9ϕReL=0.9⨯0.85⨯345=263.93MPa

σT

2.2 支座选型和结构确定

2.2.1 鞍座选型

该卧式容器采用双鞍式支座，根据JB/T4712中得垫板材料一般应与容器筒体材料相同，故选用Q345R。估计鞍座负荷：

储罐总质量m=m1+2m2+m3+m4

m1——筒体质量：m1=ρ⋅

π

L⎡(D+2δn)-D2⎤

⎦4⎣

3

2

=7.85⨯10⨯ =9118.4kg

π

4

⨯12.29⨯(3.0242-32)

m2——单个封头质量：查表得m2=775.7kg

m3——充气质量：ρ水>ρ气，水压试验充满水，故取ρ水。

V=V筒+2V封= =

π

4

Di2⋅L+2V封

π

4

⨯32⨯12.29+2⨯3.8170

3

=94.46m

则m3=V⋅ρ=94.46⨯103=94462.9kg

m4——附件质量：估人孔质量为200kg，其他接管总和为400kg，m4=600kg。

综上，m=9118.4+2⨯775.7+94462.9+600=105732.7kg

G=mg=105732.7⨯9.81=1037237.8N

则每个鞍座承受约518618.9N。

2.2.2 鞍座位置确定

根据JB/T4712-2005中规定：当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5Rm Rm=Ri+圆整L0=12.30m 由标准型椭圆封头

⎛⎝

σn⎫

⎪. 2⎭

DiD

=2⇒h=790-i=40mm

2H-h4

当A≤0.2L时，A≤0.2⨯(L0+2h)=0.2⨯(12300+2⨯40)=2476mm 当A≤0.5Rm时，A≤0.5⨯

⎛Diσn⎫

+⎪=0.5⨯(1500+6)=752.5mm 2⎭⎝2

取A=752.5mm，圆整为750mm。 增加100mm高度增加的质量为34kg。

两封头切线间距离L=L0+2h=12300+2⨯40=12380mm。

2.3 封头、法兰、接管的选型和结构尺寸拟定

2.3.1封头（图1）

由前边各项数据已定，由JB/T4746-2002，选用EHA3000⨯12-Q345R。 2.3.2 法兰（图2）

选用带颈对焊钢制管法兰，按GB20595-2009标准，都是FM（凹面），凹凸面安装时易于对中，且能有效地防止垫片被挤出压紧面，使用于PN≤6.4MPa的容器法兰和管法兰。选用尺寸见表1。

2.4 紧固件的选用

根据紧固件HG/T20592~20635-2009密封面形式为凸面。

垫片的选择：垫片是螺栓法兰连接的核心，决定密封性能，选用非石棉纤维橡胶，尺寸筒体、封头、人孔、鞍座为Q345R，接管选用10号钢。

第三章 容器及其附件强度校核

3.1 卧式容器的应力校核

3.1.1圆筒轴向弯矩计算

鞍座支反力F=

mg

2

=518618.9N，hi=H-h=790-40=750mm，圆筒中间截面上的轴向弯矩：

2

⎡2(Rm⎤-hi2)⎢1+⎥2FL⎢4A⎥ M1=⋅-

4⎢L⎥i1+⎢⎥3L⎣⎦

⎡2⨯(1.5062-0.7502)⎤

⎢1+⎥2518618.9⨯12.380⎢4⨯0.750⎥ =-

⎢412.380⎥1+⎢⎥3⨯12.380⎣⎦

K2N⋅m =1129.

鞍座平面上的轴向弯矩：

2

⎡-hi2ARm

⎢1-+M2=-FA⋅⎢1-

4h⎢1+i

⎢3L⎣

⎤

⎥⎥ ⎥⎥⎦

⎡0.751.5062-0.752⎤

⎢1-+⎥

=-518618.9⨯0.75⎢1-⎥

⎢⎥1+

⎢⎥3⨯12.380⎣⎦

=-17.88KN⋅m

3.1.2 圆筒轴向应力计算及校核

3.1.2.1 圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力

最高点处：

Pc⋅RmM10⨯1.5061129.2⨯103

σ1=-=-=-14.41MPa

2σe3.14Rm2⋅σe2⨯0.0113.14⨯1.5062⨯0.011

最低点处：

Pc⋅RmM10.869⨯106⨯1.5061129.2⨯103

σ2=+=+=73.9MPa22

2σe3.14Rm⋅σe2⨯0.0113.14⨯1.506⨯0.011

3.1.2.2 鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力

由于A≤

Rm

，则圆筒在鞍座平面上呗封头加强，轴向应力σ3位于横截面最高点，系2

数K1，K2由JB/T4731-2005《钢制卧式容器》表7-1得：K1=1.0，K2=1.0， 则鞍座横截面最高点处轴向应力：

Pc⋅RmM20.869⨯106⨯1.50617.88⨯103

σ3=-=+=59.72MPa22

2σe3.14K1⋅Rm⋅σe2⨯0.0113.14⨯1⨯1.506⨯0.011

鞍座横截面最高点处轴向应力：

Pc⋅RmM20⨯1.50617.88⨯103

σ4=+=-=-0.23MPa 22

2σe3.14k2⋅Rm⋅σe2⨯0.0113.14⨯1⨯1.506⨯0.011

3.1.2.3 圆筒轴向应力校核

A=

0.0940.094

B=92MPa， ==0.00069，查询课本P132图4-8得：Ri1500

11σe

即[σ]ac=B=92MPa>[σ]max，故合格。 3.1.3 切向剪应力计算及校核

A≤

Rmo

带来的加强作用，由表5-2查得在包角为120时，K3=0.880，K4=0.401， 2

筒体中最大剪应力τ=

t

K3F0.88⨯518618.9

==27.55MPa Rmσe1506⨯11

而[τ]=0.8[σ]=0.8⨯170=136MPa>τ 故切向剪应力校核合格。

3.1.4封头中附加拉伸应力：

τh=

K4F0.401⨯518618.9

==12.55MPa Rmσe1506⨯11

由内压引起的拉伸应力：

σh=

KPc⋅Di1⨯0.869⨯3000

==118.5MPa 2σe2⨯11

t

1.25[σ]-σh=1.25⨯170-118.5=94MPa>τh，合格。

3.1.5 支座封面处圆筒周向应力计算与校核

3.1.5.1 鞍座处横截面的最低点处周向应力

σ5=-

K5⋅kF

σebb

当容器焊在支座上时，取k=0.1，

k5，k6由JB/T4731-2005表7-3查得：k5=0.76，k6=0.013

则σ5=-

0.1⨯0.76⨯518618.9

=-11.34MPa

11⨯316

3.1.5.2 鞍座角边处的周向应力

L12380==8.3≥8 RM1500

∴σ6=-

3KFF518618.93⨯0.013⨯518618.9-62=--=-120.88MPa 2

4σeb22σe4⨯11⨯3162⨯11

t

3.1.5.3 应力校核

5=11.34

3.1.6 鞍座应力计算与校核

3.1.6.1 鞍座有效断面平均应力 鞍座应承受的水平分力Fs=K9F， 查JB/T4731-2005表7-5得K9=0.204

t

∴FS=0.204⨯518618.9=105798.3N

鞍座有效断面平均应力：

σ9=

Fs

=42.3MPa Hsb0

Rm

=502mm中较小者，此处取Hs=250mm。 3

Hs——计算高度，鞍座实际高度和

b0——鞍座腹板厚度，b0=10mm。

3.1.6.2 鞍座有效断面应力校核

[σ]s——鞍座材料Q345R的许用应力[σ]s=170MPa

σ9=42.3

2

[σ]s=113.2MPa，合格。 3

3.1.6.3 腹板与筋板组合截面应力计算及校核

圆筒中心线至基础表面距离HV=Rm+h+δ4=1506+250+12=1768mm 查表5-5可得设计地震烈度为7度（0.1g）时的水平地震影响系数α1=0.08，则 轴向力：FEV=α1mg=0.08⨯1037237.8=82979N 筋板面积：A1=b2δ3=316⨯10=3160mm

腹板面积：A2=(l1-20)δ2=(2180-20)⨯10=2160mm

2

2

x=

l12180

-10-15-δ3-l3=-10-15-10-340=715mm 22

Z1=x+

δ3

2

=715+5=72m0m

Z2=Z1+l3=720+340=10m60m

则A1+A2

=6⨯3160+2160=21120mm2

sa=6A 6A1(b2+δ2)6⨯3160⨯316⨯10

形心：yc=A==146.3mm sa21120yb2+δ2c'=

2-y316+10c=2

-146.3=16.7mm ⎡⎢δ3

2⋅(l1-⎣3⨯b3Ibδ312+A2)⎤⎥20)y=21(Z21+Z2⎦

+12 ⎡316⨯1033

=2⨯⎢⎣3⨯12+3160(7202+10602)⎤⎥10⨯(2180-20)

⎦+12 =1.8⨯

8110

0mm3

I⎡b2bδ3⎤δ3

2⋅(l1-20)z=6⎢⎣12+A1xyc'⎥⎦+12+A2yc

=6⎡⎢

3162

⨯1+0

316⎤3

⎣12

⨯07⨯151⎥+10⋅(218-0)2⎦

12+0

⨯2160 146. =3.85⨯108mm3

腹板与筋板组合截面断面系数：

ϕb1max=

2-10=360

2-10=170mm Zmax

=l12-10=21802

-10=1080mm Z3ry=

IyZ=1.88⨯1010

1080=1.74⨯107mm

maxZIz

=3.85⨯108=2.26⨯106mm3rz=

ϕmax

170

Zr=(Zrz,Zry)=2.26⨯106mm3

取鞍座底板与基础间（水泥）静摩擦系数f=0.4，α1

A-FEVH

2Z-FEVHV sarAsaL-2A 3

=518618.982979

6

21120⨯22.⨯2610

⨯829791768

21120-123⨯807502

2Pa =-25.2M

sa

3.1.6.4 地震引起的地脚螺栓应力

鞍座上地脚螺栓n=2，筒体轴线两侧螺栓间距l2=960mm， 每个地脚螺栓的横截面积：

Abt=

π

1

d2=⨯3.14⨯19.092=286.076mm2 44

o-o

倾覆力矩：MEV=FEV⋅HV=82979⨯1768=146706872N⋅mm o-o

MEV146706872

地脚螺栓拉应力：σbt===117.6MPa

nl1⋅Abt2⨯2180⨯286.076

地脚螺栓选GB/T700规定的Q235[σ]t=147MPa，

σbt

地脚螺栓剪应力：τbt=

FEV82979

==72.5MPa

n'⋅Abt4⨯286.076

τbt

第四章 开孔补强设计

GB150规定，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空直径之和的两倍，且接管公称直径外径不大于89mm时，接管厚度满足要求即可不另行补强。

故本设计只有DN=500mm的人孔需要补强。

4.1 补强计算方法判别

按HG/T21518-2005选用回旋盖带颈对焊法兰人孔， 开孔直径d=di+2C2=500+2⨯1=502mm

d

Di3000==1500mm⇒采用等面积法进行开孔补强计算。 22

封头和筒体计算厚度均取8.69mm。

t

接管材料选用10号刚，其中许用应力[σ]=108MPa 接管有效厚度σet=σnt-C1-C2=12-0.8-1=10.2mm

t

强度削弱系数f[σ]n

r=[σ]

r

=

108

170

=0.635 则开孔所需补强面积为：

A=d⋅δ+2δ⋅δet(1-fr)

=502⨯8.6+9⨯2

8.⨯69(1⨯0.2-1) 0.635

=4427.

mm12

4.2 有效强度范围

4.2.1 有效宽度B的确定

B1=2d=2⨯502=1004mm

B2=d+2δn+2δnt=502+2⨯12+2⨯12=550mm

B=max(B1,B2)=1004mm

4.2.2 有效高度的确定 4.2.2.1 外侧有效高度h1的确定

h1'===77.61mm h1''=实际外伸高度=357mm

h1=min(h1',h1'')

=77.61mm

附人孔尺寸参数(mm)：

公称压力PN：2.5MPa，公称直径DN：500，dw⨯s:530⨯12

d:506 D:730 D1:660 H1:280 H2:123 B:44

b1:43 b2:48

A:405 B:200 L:300 d0:30螺栓数量：20 螺母数量：40 螺柱（直径⨯长度）：M33⨯2⨯170 总质量（kg）：302 4.2.2.2 内侧有效高度h2的确定

h2'===77.61mm h2''——实际内伸高度为0

h2=minh1',h2''=0 4.3 有效补强面积

4.3.1 筒体多余面积A,fr=0.635) 1(δe=11

()

A1=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)

=(1004-5)(02

10.635-11)8.-69⨯2(⨯10.2-)(118.-6)9

82 =1176.mm

4.3.2 接管多余面积A2 接管计算厚度δt=

2

Pc⋅di2[δ]nϕ-Pc

t

=

0.869⨯500

=2.02mm

2⨯108⨯1-0.869

接管多余金属面积：

A2=2h1⋅(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr

=2⨯77.6⨯1(

10.-2

02)2.⨯

6350.+0

mm6 =806.2

4.3.3 接管区焊接面积（焊脚取6.0mm）

2

1

A3=⨯62⨯2=36mm2

2

则有效补强面积Ae=A1+A2+A3=1176.82+806.26+36=2019.08mm2

第五章 焊接结构

筒体的焊接和封头与筒体的连接采用X形坡口，因为同厚度下减少焊接量约变形及产生内应力也小。

壳体与钢管的连接为角接接头。

1

，焊接2

设计小结：

通过这次的课程设计，理论加上实践，使我对过程设备有了更深刻的认识，尤其是对卧式储罐的理解，各具体零部件功能和规格，特性的认识，也纠正了自己以前很多不对的看法，当然在设计的过程中，我们也遇到了很多困难，在查阅了大量的书籍资料之后，对这次设计有了一个整体的认识，作出了大的装配图，然后经过反复的修改，尽量使其达到完美。这个过程是最困难的过程，也是我收获最大的过程，使自己的作图动手能力有了进一步的提高。总之，这次设计使我受益匪浅，让我对以后的工作学习有了更大的信心。

参考文献：

【1】《过程设备设计》第二版，郑津洋，董其伍，桑芝富，化学工业出版社，2005 【2】GB150-1998《钢制压力容器》

【3】HGJ20580-20585-1998《钢制化工容器设计基础规定》 【4】JB/T4712.1-4712.4-2007《容器支座》

【5】HG/T20592-20635-2009《钢制管法兰，垫片，紧固件》 【6】材料与零部件

【7】JB/T4736-2002《补强圈》

【8】JB/T4736《钢制压力容器用封头》 【9】《压力容器安全技术监察规程》

【10】HG/T21514-21535-2005《钢制人孔和手孔》 【11】JB/T4731-2005《钢制卧式容器》

【12】TSGR004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》 【13】《机械制图》第四版 高等教育出版社