中原石化乙烯壓力儲罐的設(shè)計(jì)

前言石化產(chǎn)業(yè)是我國主要的能源產(chǎn)業(yè)，也是我國支柱產(chǎn)業(yè)之一，它在改善人民生活水平的同時也使國民經(jīng)濟(jì)得到巨大發(fā)展，在國民經(jīng)濟(jì)之中起著非常重要的作用，國家也一直支持并且鼓勵石油化工行業(yè)的發(fā)展。但是，石化行業(yè)在發(fā)展的同時也導(dǎo)致化工安全事故不斷發(fā)生。石化行業(yè)采用的生產(chǎn)原料，中間產(chǎn)物以及制成產(chǎn)品大多都是易燃易爆且含有毒性的物品，一旦發(fā)生事故就有可能造成難以想象的后果。而壓力儲罐作為化工企業(yè)常用的特種設(shè)備，其內(nèi)承裝的介質(zhì)通常也是具有容易燃燒和爆炸性質(zhì)，并且含有毒性的壓縮氣體或者液化氣體，要是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)而導(dǎo)致儲罐強(qiáng)度失效或者介質(zhì)泄漏，就很可能發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，甚至引發(fā)周圍生產(chǎn)裝置或其他壓力儲罐的二次事故。因此，壓力儲罐的安全設(shè)計(jì)對于保證化工企業(yè)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。在1974年4月15日，羅馬尼亞波特什蒂就曾經(jīng)因?yàn)橐蚁毫薜闹圃觳牧喜缓细穸鴮?dǎo)致其每年生產(chǎn)20萬噸的乙烯裝置儲罐發(fā)生破裂，同時引發(fā)臨近的三臺乙烯壓力儲罐相繼爆炸。造成了一人死亡，近50人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)一千多萬美元。乙烯（ethylene）是目前世上產(chǎn)量最多的化學(xué)品之一，是石化行業(yè)的核心，其產(chǎn)品約占石化品的75.0%，在國民經(jīng)濟(jì)中有著非常重要的地位。乙烯是一種易燃、易爆并且具有輕微毒性的化學(xué)物品，當(dāng)乙烯與空氣混合時，混合物中乙烯的濃度在2.70%～37.0%的范圍內(nèi)，遇到明火、高溫或氧化劑，就可能引起燃燒爆炸。1997年6月27日，北京東方化工廠乙烯罐區(qū)就發(fā)生過特大火災(zāi)爆炸事故，造成9人死亡，37人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.17億元，造成了極大的社會影響。由該事故可以看出來，一旦乙烯儲罐發(fā)生安全事故，就有可能導(dǎo)致大量的人員傷亡和重大的財(cái)產(chǎn)損失，甚至可能引發(fā)極其惡劣的社會后果?，F(xiàn)階段我國經(jīng)濟(jì)正處于飛速上升階段，我國的工業(yè)也在迅速發(fā)展，這就使得乙烯的需求量會大幅度地上升。因此，研究乙烯壓力儲罐對于乙烯的安全生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲甚至是保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全起到非常重要的作用。本次設(shè)計(jì)是對中原石化而進(jìn)行的乙烯壓力儲罐設(shè)計(jì)。通過本次設(shè)計(jì)，可以了解到乙烯化工廠基本概況，加強(qiáng)對專業(yè)基礎(chǔ)知識、化工以及壓力儲罐安全知識等方面的了解及應(yīng)用，提高在工作中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力，為將來參加工作奠定一個夯實(shí)的基礎(chǔ)。通過對該企業(yè)乙烯壓力儲罐的設(shè)計(jì)，可以保證乙烯的安全使用和存儲，最大限度地保障廣大從業(yè)人員生命及財(cái)產(chǎn)安全，使企業(yè)生產(chǎn)工作可以安全、有序地開展。

1化工廠概述本章主要是對中原石化的基本情況進(jìn)行概括性介紹，并且簡要闡述壓力儲罐介質(zhì)——乙烯的一些理化性質(zhì)及其危害性。1.1企業(yè)概況中原石化全稱為中國石化中原石油化工有限責(zé)任公司，在民間也會被稱作中原乙烯，企業(yè)主要生產(chǎn)乙烯、乙二醇、丁烯、甲醇以及各種類型的聚乙烯、聚丙烯以及聚丙烯樹脂等。中原石化坐落于河南省濮陽市，企業(yè)西面緊靠京廣鐵路，東面臨近京九鐵路，可以經(jīng)過高速公路直接到達(dá)市區(qū)，交通運(yùn)輸十分方便。濮陽市地處中緯地帶，常年受到東南季風(fēng)環(huán)流的控制影響。該城市年每平均氣溫在13℃左右，最高氣溫曾經(jīng)達(dá)到43.1℃，最低氣溫在-16℃左右。年平均風(fēng)速在2.7m/s左右，南風(fēng)和北風(fēng)是該城市的主導(dǎo)風(fēng)向。中原石油化工有限責(zé)任公司現(xiàn)占地154公頃，在公司剛成立時就有員工2320人，經(jīng)過幾年的裁員增效工作，現(xiàn)有員工1500人左右，中專及以上學(xué)歷的員工大約有1100人左右，約占總員工的73.3%。公司內(nèi)部實(shí)行兩級管理，設(shè)有16個機(jī)關(guān)工作室以及10個基層車間，其中有6個輔助生產(chǎn)的車間以及4個主要生產(chǎn)車間，主要生產(chǎn)車間為聚乙烯、聚丙烯、丁烯及乙烯生產(chǎn)車間。中原石化采用美國魯姆斯專利技術(shù)的乙烯生產(chǎn)裝置，建廠之初裝置的生產(chǎn)能力為140kt/a；在2014年時，中原石化乙烯原料路線改造（\t"/item/%E4%B8%AD%E5%8E%9F%E4%B9%99%E7%83%AF/_blank"MTO）項(xiàng)目竣工，該項(xiàng)目是我國自主研發(fā)的首套MTO工藝裝置，項(xiàng)目建成后中原石化乙烯、聚乙烯、聚丙烯生產(chǎn)能力分別達(dá)到240kt/a、260kt/a和160kt/a。近年來，中原乙烯又新建利用乙烯為生產(chǎn)原料的100kt/a高密度聚乙烯（HDPE）裝置、150kt/a環(huán)氧乙烷/乙二醇（EO/EG）裝置、30kt/a超高分子量聚乙烯（UHMWPE）裝置。通過對乙烯壓力儲罐的設(shè)計(jì)可以提高中原石化以乙烯為原料的生產(chǎn)裝置安全性。本次壓力儲罐放置在室外，應(yīng)特別注意儲罐因陽光照射而導(dǎo)致筒體熱量積累從而使儲罐溫度升高，因此壓力儲罐應(yīng)存放在陽光不能直射的場合，或者做好遮陽防護(hù)工作，避免罐內(nèi)溫度易隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化。1.2乙烯的理化性質(zhì)在目前已知的所有化學(xué)物質(zhì)之中，結(jié)構(gòu)最簡單的烯烴類有機(jī)化合物就是僅由四個氫原子以及兩個碳原子組合而成的乙烯，其中兩個碳原子是通過碳碳雙鍵連接在一起的，所以乙烯的不飽和度為1。C2H4是乙烯的分子式，其分子量為28。在273.15K（0℃）和101.325kPa（即標(biāo)況下），乙烯密度為1.256g/L，略小于空氣密度，熔點(diǎn)為-169.4℃，沸點(diǎn)為-103.9℃。乙烯臨界溫度為282.85K，臨界壓力為5.157MPa，即在溫度高于282.85K時，不管施加多大的壓力均不能使乙烯變成液態(tài)；在壓力高于5.157MPa時，不論乙烯處于何種溫度下，也不能使其變成液態(tài)。乙烯是一種沒有顏色、略微有烯烴類氣味的氣體；一般來說，乙烯和水很難相溶，在乙醇、酮、苯等物質(zhì)中可以溶有微量的乙烯，而四氯化碳等有機(jī)溶劑與乙烯很容易相溶。乙烯易與空氣會形成爆炸性混合物，其爆炸濃度為2.70%～37.0%，遇到明火、高溫或氧化劑就能引起燃燒爆炸。乙烯的爆炸下限小于10%，屬于甲類火災(zāi)物質(zhì)。乙烯和氟、氯等接觸是也會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中會放出大量的熱量，所以乙烯應(yīng)該與氟、氯等物質(zhì)分開保存。1.3乙烯的危害乙烯的毒性較低，屬于低性毒物。當(dāng)吸入含有37.5%乙烯的混合氣體時，可以使得人體在15min之內(nèi)產(chǎn)生明顯的記憶障礙；在混合氣體之中含有50%的乙烯時，可以使氣體中的含氧量降低到10%，會使人體喪失意識；75%～90%乙烯與氧氣的混合氣體，能夠引起人體麻醉，但不存在明顯的興奮期，在吸入新鮮的空氣后就可以很快蘇醒。乙烯有較強(qiáng)的麻醉作用，可對眼、呼吸道粘膜產(chǎn)生輕微刺激，液態(tài)乙烯和皮膚接觸后，可以使人體產(chǎn)生凍傷；一旦吸入高濃度的乙烯，就可以引起人體意識喪失，甚至有可能會因?yàn)橹舷⒍斐扇梭w死亡；長期接觸低濃度乙烯可引起頭昏、全身不適、乏力、思維不集中等癥狀；同時乙烯還會對水體、土壤和大氣造成污染。綜上所述，乙烯對于人體和環(huán)境都具有一定的危害性，一旦發(fā)生泄漏會與空氣形成爆炸性混合物，易產(chǎn)生安全事故，同時乙烯還會對危害人體健康，甚是危及人體生命。乙烯的泄漏也會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良的影響，使生態(tài)資源遭受破壞。因此對于乙烯生產(chǎn)存儲裝置的安全設(shè)計(jì)尤為重要。

2壓力容器簡述壓力容器指盛裝氣體或液體且承載一定壓力的密閉設(shè)備。根據(jù)我國TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，當(dāng)容器符合下列所有條件時，則歸為我國安全監(jiān)察范圍內(nèi)的壓力容器：（1）工作壓力不小于0.1MPa；（2）容積不小于0.03m3且內(nèi)直徑不小于150mm；（3）介質(zhì)為氣體、液化氣體或容器內(nèi)液體標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)不大于裝置最大工作溫度。2.1主要參數(shù)壓力容器主要設(shè)計(jì)參數(shù)常包括壓力、溫度、公稱直徑及壁厚等幾個方面的內(nèi)容。在GB150.1-2011《壓力容器》通用要求部分中對壓力容器相關(guān)術(shù)語作出了闡述。容器壓力有工作壓力、設(shè)計(jì)壓力以及計(jì)算壓力等幾個部分。壓力容器正常運(yùn)行時，設(shè)備最高處所能達(dá)到的最大壓力被稱作工作壓力；在設(shè)計(jì)壓力容器的時候，設(shè)備最高處所能達(dá)到最大壓力被稱作設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)壓力值的取值應(yīng)該高于容器的工作壓力；在設(shè)計(jì)條件下，用來計(jì)算元件厚度的壓力稱之為計(jì)算壓力，通常計(jì)算壓力包括了設(shè)備的一些附加載荷，比如液柱靜壓力等。容器的溫度主要包括兩種類型，即工作溫度和設(shè)計(jì)溫度。容器正常工作時，器壁能達(dá)到的溫度被稱為工作溫度；正常條件下，元件設(shè)定的金屬溫度稱為設(shè)計(jì)溫度，設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力一起作為壓力容器設(shè)計(jì)條件。公稱直徑（DN）指按容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化系列選定的元部件直徑。壓力容器常用的壁厚參數(shù)主要包含以下幾種類型，即計(jì)算厚度、設(shè)計(jì)厚度、名義厚度和有效厚度。計(jì)算厚度是按公式所算得的厚度；設(shè)計(jì)厚度為計(jì)算厚度和腐蝕裕量之和；名義厚度指設(shè)計(jì)厚度加上材料負(fù)偏差后向上圓整至材料標(biāo)準(zhǔn)的厚度；有效厚度為名義厚度減腐蝕裕量和材料負(fù)偏差。通過查閱相關(guān)資料，中原石化位于河南濮陽，其年最高氣溫曾達(dá)到43.1℃，儲罐內(nèi)介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度有關(guān)，因此本次設(shè)計(jì)溫度定為50℃。由資料查得，中原石化乙烯儲罐的工作壓力在1.45MPa～1.67MPa之間，由此可知其最大工作壓力為1.67MPa。一般情況下，計(jì)算壓力為1.0~1.1倍的工作壓力，計(jì)算壓力也等于設(shè)計(jì)壓力加上液柱靜壓力。乙烯臨界溫度為282.85K，因此在設(shè)計(jì)溫度50℃下乙烯的存在狀態(tài)為氣體，所以設(shè)備不含液柱靜壓力。在本次設(shè)計(jì)中計(jì)算壓力與設(shè)計(jì)壓力相等為。綜上得出本次設(shè)計(jì)條件，儲罐設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃，設(shè)計(jì)儲罐容積定為100m3。2.2容器分類壓力容器種類可以按照多種方法進(jìn)行劃分。根據(jù)壁厚程度可將其分為薄壁及厚壁容器；按容器殼體形狀可分為球形、圓筒形及圓錐形容器；按照容器工作溫度可劃分為高溫、常溫及低溫容器；除按上述方法劃分之外，還可以從容器承壓形式、制造方法以及制造材料等方面進(jìn)行分類。從安全監(jiān)察的角度可將固定式壓力容器劃分為以下幾個類型：（1）按照設(shè)計(jì)壓力大小劃分容器種類。在TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》附錄A中，按壓力大小將壓力容器劃分為低壓、中壓、高壓及超高壓容器四種類型：設(shè)計(jì)壓力P在0.1MPa≤P＜1.6MPa的范圍內(nèi)則劃分為低壓容器；滿足1.6MPa≤P＜10MPa的條件，則歸為中壓容器；設(shè)計(jì)壓力P在10MPa≤P＜100MPa范圍內(nèi)，則屬于高壓容器；設(shè)計(jì)壓力P不小于100MPa時，則歸屬超高壓容器。（2）按照工藝用途進(jìn)行劃分，可將壓力容器分為反應(yīng)、儲存、換熱和分離容器四種類型。（3）由容器內(nèi)介質(zhì)危害程度、工作壓力及生產(chǎn)生活中起到的重要作用將其分為三種類型進(jìn)行安全監(jiān)管。（A）第三類壓力容器。符合以下任意情形就可將其劃分為第三類壓力容器：①高壓容器；②介質(zhì)有高度危害或含極高毒性的中壓容器；③中壓儲運(yùn)容器（易燃或毒性為中毒介質(zhì)且PV＞10MPa·m3）；④中壓反應(yīng)容器（易燃或毒性為中毒介質(zhì)且PV＞0.5MPa·m3）；⑤低壓容器（毒性為極度和高危害物質(zhì)且PV＞0.2MPa·m3）；⑥球罐（容積≥50m3）；⑦低溫液體儲罐容器（容積≥5m3）。（B）第二類壓力容器。符合下列任一情況的可劃分為第二類壓力容器：中壓容器；低壓容器（毒性程度為極度和高危害物質(zhì)）；低壓反應(yīng)容器和低壓儲運(yùn)容器（易燃介質(zhì)或毒性程度為中毒危害介質(zhì)。（C）第一類壓力容器。低壓容器（除二類、三類容器外）。由上述條件，本次乙烯壓力儲罐設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，在1.6MPa～10MPa范圍內(nèi)，屬于中壓容器；由設(shè)計(jì)溫度為50℃，在-20℃～200℃范圍內(nèi)，屬于常溫容器；根據(jù)乙烯的性質(zhì)等綜合分析，本次設(shè)計(jì)的壓力儲罐屬于第二類壓力容器。2.3壓力容器的結(jié)構(gòu)薄壁容器廣泛用于石油化工等生產(chǎn)領(lǐng)域中，若壓力容器外徑與內(nèi)徑的比值小于或等于1.2，則屬于薄壁殼體容器。目前使用最多的薄壁殼體容器有球形器及圓筒形兩種形式，本文主要介紹圓筒形容器的結(jié)構(gòu)。圓筒形壓力容器是由筒體、封頭（端蓋）、法蘭、容器支座、人孔、接口管和相關(guān)安全附件等組成。（1）筒體筒體和封頭（端蓋）共同組合成壓力容器的承壓殼體，筒體是壓力容器最主要的部分，是容器存儲介質(zhì)或完成化學(xué)反應(yīng)所需的空間。薄壁圓筒形殼體常用于大多數(shù)中、低壓容器。殼體一般是通過卷焊制造的，也就是說壓力容器鋼板卷成圓筒狀之后焊接制成。若容器的公稱直徑比較小，則圓筒體只含有一條縱向焊縫；對于公稱直徑比較大的壓力容器，圓筒體可以含有兩條甚至是多條縱向焊縫。如果筒體的長度較短，則在圓筒形殼體兩端焊接上封頭或者端蓋后就可以形成密閉的空間，因此其只含有兩條環(huán)向焊縫；對于容器筒體非常長時，則可以先將兩段或者多段筒節(jié)焊接至容器筒體所需長度，這樣的圓筒體就會含有兩條以上的環(huán)向焊縫。（2）封頭（端蓋）封頭是壓力容器端部不可拆卸的結(jié)構(gòu)，通常是和容器筒體結(jié)構(gòu)焊接在一起；而端蓋則是容器端部的一種可拆卸結(jié)構(gòu)，常用法蘭將其與筒體連接。平時說的封頭結(jié)構(gòu)實(shí)際上包括了封頭和端蓋這兩種形式。封頭按其結(jié)構(gòu)形狀可以分為以下三種類型，分別是：凸形、錐形以及平板封頭，其中使用最為廣泛的就是凸形封頭。凸形封頭按其結(jié)構(gòu)形狀一般又可分為橢圓形、碟形、球冠形以及半球形封頭等四種類型；錐形封頭一般僅用在一些具有特殊作用的壓力容器之中；而平板封頭一般很少采用，但其經(jīng)常用作人孔或者是手孔的蓋板。（3）法蘭法蘭是壓力容器中常見的可拆卸結(jié)構(gòu)，是用來保證各種壓力容器連接部件壓緊密封的基本元件。按連接元件類型可分為容器及管道法蘭兩種類型。法蘭常與墊片、螺栓或者是螺柱、螺母等零件組合使用，以使受壓元件緊密連接，保證其內(nèi)介質(zhì)不會泄漏。按照法蘭的密封面類型可將法蘭分為平面、凹凸面、榫槽面及梯形面等幾種，按法蘭整體性的程度可分為整體式、松式及任意式三種類型。（4）支座支座是用來支撐整個容器及介質(zhì)的重量，并將其固定在某一位置的附件。按容器結(jié)構(gòu)可將支座分為三類，分別為立式容器支座、臥式容器支座、球形容器支座。耳式、支承式、腿式及裙式是立式容器支座的幾種主要形式，中小型立式容器常采用耳式、支承式及腿式支座，裙式支座常用于塔式容器。鞍座式、圈座式以及支腿式支座常被用于臥式容器，其中鞍座式支座使用最為廣泛。柱式、裙式、半埋式和高架式這四種類型支座常被用于球形容器，柱式以及裙式是如今使用最多的球形容器支座。選擇壓力容器支座的類型要根據(jù)容器的總重量、結(jié)構(gòu)、支座所需承受的載荷以及操作維修要求等因素綜合考慮。（5）人孔為便于安裝、拆卸、修理壓力容器內(nèi)部附件以及對壓力容器內(nèi)部進(jìn)行檢查、維護(hù)、清理等工作，常開設(shè)壓力容器人孔、手孔或者是檢查孔。同時也能檢查容器裂紋、變形、腐蝕等安全問題產(chǎn)生情況。（6）安全附件安全附件是保證壓力容器安全運(yùn)行而安裝的容器附屬裝置，也可稱為安全裝置。壓力容器安全附件通常有安全閥、壓力表、溫度計(jì)、閥門等幾種類型。2.4壓力容器常用材料為了保證壓力容器的安全運(yùn)行，就必須選用符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的材料。常用的壓力容器用鋼材料主要有碳素鋼、低合金鋼、高合金鋼及低溫用鋼等種類型。對于受壓元件和受壓元件所使用的鋼板、鋼管、鋼鍛件和螺柱等的鋼材應(yīng)該滿足GB150.2-2011《壓力容器》中作出的相關(guān)規(guī)定。（1）碳素鋼碳素鋼有良好塑性、韌性及有良好的加工性能，特別是可焊性非常好。雖強(qiáng)度相對較低，但仍能滿足一般壓力容器對受壓元件的要求。常用的容器碳素鋼主要有兩種類型，分別為碳素結(jié)構(gòu)鋼以及專用碳素鋼。碳素鋼一般可用于制造中、低壓容器的殼體、法蘭或者管板等。（2）低合金鋼低合金鋼是在普通低碳鋼加入總量低于3%合金元素的鋼材，低合金鋼通常具有強(qiáng)度高、韌性好并且有著良好的可焊性能以及耐腐蝕性能。壓力容器常經(jīng)常使用的低合金鋼四種類型，分別為鋼板、鋼管、鍛件以及螺柱，其中鋼板的使用量是最大的。常用的鋼板有：Q345R、Q370R、15CrMoR等幾種。常用的鋼管有：16Mn、09MnD、12CrMo等幾種類型。（3）高合金鋼使用加熱或者冷卻的方法均不能使高合金鋼發(fā)生相變，通過熱處理等手段也不能改變高合金鋼的組織性能。其通常用于腐蝕性不強(qiáng)和防污染的設(shè)備。常用的高合金鋼材有0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti等。0Cr13是鐵素體鋼，是以鉻為主要的合金元素，一般含碳≤0.15%，含鉻量在12%～13%。（4）低溫用鋼低溫容器是指設(shè)計(jì)溫度不大于20℃的壓力容器，低溫壓力容器發(fā)生破壞的主要原因就是在低溫下材料產(chǎn)生脆性斷裂。隨著溫度降低，會增加大部分鋼材的強(qiáng)度，但同時會使其韌性減少，并且鋼材中存在的微量元素，如硫、磷等會對其低溫韌性產(chǎn)生不良影響，氮、氫、氧等元素也會對低溫韌性產(chǎn)生不利的影響，因此低溫壓力容器所采用的鋼材含有的硫、磷元素往往低于普通的合金鋼材。常用的低溫壓力容器用鋼材的鋼號主要有：16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR等幾種類型。綜上所述，因低合金鋼有著良好的材料性能，因此本次設(shè)計(jì)儲罐的主體材料，即筒體和封頭材料選用低合金鋼。因Q345R是目前最常用的壓力容器用鋼，所以本次主體材料選用Q345R。由GB150.2《壓力容器》材料部分中的要求，壓力容器用鋼板每張應(yīng)進(jìn)行超聲波檢測，并有Q345R的質(zhì)量等級不低于Ⅱ級。所以本次采用質(zhì)量等級為Ⅱ級的壓力容器專用鋼板Q345R。2.5壓力儲罐結(jié)構(gòu)選型（1）儲罐類型工業(yè)上通常使用球形儲罐、臥式圓筒形壓力儲罐以及立式儲罐來存儲乙烯。球形儲罐一般受力較為均勻，而且制作球罐所需要的材料比較少，經(jīng)常被用來儲存液化氣體；但是球形儲罐在制造、焊接以及組裝等的工序都有非常嚴(yán)格的要求，球形儲罐需要檢驗(yàn)的工作量很多，制作成本比其他類型儲罐也要高得多，球罐殼體為雙向曲面結(jié)構(gòu)，很難在現(xiàn)場組裝焊接且難以保證其焊接質(zhì)量，需要焊接技術(shù)較高的焊接工人，同時球罐也不方便在內(nèi)部安裝安全附件。立式儲罐經(jīng)常被用作常壓容器，而臥式儲罐常被用于常壓容器以及壓力容器；臥式壓力儲罐占地面積一般大于立式儲罐；在設(shè)計(jì)過程中，立式儲罐需要考慮風(fēng)載荷對其帶來的影響，而臥式儲罐則不需要考慮；臥式儲罐不直接與地面接觸，而是通過支座支撐，故較容易通過外部檢測發(fā)現(xiàn)儲罐的缺陷。綜上所述，本次乙烯壓力儲罐形式選用臥式壓力儲罐。（2）封頭形式按照容器封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，可將封頭分為三種類型，即凸形封頭、錐形封頭以及平板封頭三大類型，凸形封頭是使用最為廣泛的封頭形式。凸形封頭按其形狀可分為半球形、橢圓形、碟形以球冠形封頭四種類型。半球形封頭沖壓成型比較困難，而且存在較多焊縫，封頭深度較深，壓力儲罐使用較少；橢圓形封頭深度比半球形封頭小得多，且比半球形封頭易沖壓成型，是如今在中、低壓容器領(lǐng)域中使用較多類型之一；碟形封頭球面部分曲率半徑與過渡區(qū)的不相等，且過渡區(qū)的曲率半徑與直邊段也不相同，這會造成封頭結(jié)構(gòu)上的不圓滑連接，使得在封頭各部分結(jié)構(gòu)連接處會有局部高應(yīng)力的產(chǎn)生；在壓力容器中兩個獨(dú)立受壓室的中間封頭經(jīng)常采用球冠形封頭，封頭球面和圓筒體連接處沒有轉(zhuǎn)角進(jìn)行過渡，所以會在封頭的連接處附近產(chǎn)生很大的不連續(xù)應(yīng)力。綜上所述，本次乙烯壓力儲罐設(shè)計(jì)的封頭形式選用凸形封頭中的橢圓形封頭。

3儲罐筒體設(shè)計(jì)在本次儲罐設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力相等均為1.837MPa，設(shè)計(jì)溫度取為50℃，儲罐容積為100m3。根據(jù)HG/T3154-1985《臥式橢圓形封頭貯罐系列》1.2.12中的內(nèi)容（如表3-1），對于公稱容積為100m3的臥式壓力儲罐，其全容積與公稱直徑均有兩種形式，本次設(shè)計(jì)選用全容積為101.08m3，公稱直徑為3000mm的形式，儲罐材料為Q345R。其許用應(yīng)力應(yīng)該滿足GB150-2011《壓力容器》中的要求（如表3-2）。表3-1臥式儲罐基本參數(shù)Tab.3-1Basicparametersofhorizontalstoragetanks公稱容積/m3全容積/m3公稱直徑/mm筒體長度/mm8080.2528001200079.8730001020010099.96280015200101.08300013200表3-2鋼材許用應(yīng)力Tab.3-2Steelusestress鋼材型號名義厚度/mm在下列溫度下的許用應(yīng)力≤20100150200Q345R3～16189189189183＞16～36185185183170＞36～60181181173160＞60～1001811811671503.1筒體壁厚計(jì)算（1）計(jì)算壁厚圓筒體壁厚可按下式計(jì)算：（3-1）式中：——筒體計(jì)算壁厚，mm；——計(jì)算壓力，MPa；——筒體直徑，mm；——設(shè)計(jì)溫度下筒體材料的許用應(yīng)力，MPa；——焊接接頭系數(shù)，見表3-3。焊接系數(shù)φ取值與焊接方法及檢測方法有關(guān)，根據(jù)GB150-2011《壓力容器》中規(guī)定，其取值應(yīng)符合下表要求：表3-3焊接接頭系數(shù)Tab.3-3Weldingjointcoefficient焊接方法檢測方法焊接系數(shù)取值雙面焊接全部無損檢測1.0局部無損檢測0.85單面焊接全部無損檢測0.9局部無損檢測0.8本次設(shè)計(jì)擬用雙面焊接，全部無損檢測方法，由表3-3焊接接頭系數(shù)φ可取值：φ=1。假定容器名義厚度在16～36mm的范圍內(nèi)，由表3-2中得出，Q345R在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力約為185MPa，將數(shù)據(jù)帶入式3-1可算得：（2）設(shè)計(jì)壁厚筒體設(shè)計(jì)厚度為筒體計(jì)算壁厚與材料腐蝕裕度之和，即：（3-2）式中：——筒體設(shè)計(jì)壁厚，mm；——材料腐蝕裕量，mm。GB150-2011《壓力容器》中的內(nèi)容對材料的腐蝕裕量作出相應(yīng)的規(guī)定：選用低合金鋼或碳素鋼制成的壓力儲罐，其腐蝕裕量應(yīng)不小于3mm；當(dāng)儲罐的材料是選擇高合金鋼的時候，則腐蝕裕量的取值應(yīng)該不小于2mm。因本次所選用的筒體材料為Q345R，屬于低合金鋼材料，所以本設(shè)計(jì)取腐蝕裕量C2=3mm，將數(shù)據(jù)帶入式3-2得：（3）名義壁厚筒體名義壁厚為設(shè)計(jì)壁厚加上材料厚度負(fù)偏差，并向上圓整至材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸厚度，計(jì)算公式如下所示：（3-3）式中：——筒體名義壁厚，mm；——厚度負(fù)偏差，mm；由GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》5.1.1可知，筒體材料厚度允許偏差應(yīng)滿足GB/T709-2006中B類偏差規(guī)定，而GB/T709-2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》中對B類厚度偏差的要求如表3-4所示。表3-4材料厚度允許偏差（B類）Tab.3-4Materialthicknesstolerance(ClassB)公稱厚度/mm負(fù)偏差/mm正偏差/mm＞8.00～15.0-0.3+0.80＞15.0～25.0-0.3+1.00＞25.0～40.0-0.3+1.10由表3-4可知，本次所選材料負(fù)偏差可選為0.3mm。將數(shù)據(jù)帶入式3-3可算出名義壁厚為：因此本次設(shè)計(jì)筒體的名義壁厚為20mm。在假定的16～36mm的范圍之中，符合設(shè)定條件要求。3.2筒體強(qiáng)度校核（1）強(qiáng)度校核第三強(qiáng)度理論常被用來對壓力容器進(jìn)行強(qiáng)度校核，第三強(qiáng)度理論又稱作最大切應(yīng)力強(qiáng)度理論。該理論認(rèn)為容器材料無論處于怎樣的應(yīng)力狀態(tài)，其發(fā)生屈服失效的原因都是由于容器內(nèi)最大的切應(yīng)力τmax達(dá)到了極限值。該理論強(qiáng)度條件為：（3-4）式中：——筒體內(nèi)承受最大應(yīng)力，MPa；——筒體內(nèi)承受最小應(yīng)力，MPa；——設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力，MPa。對于圓筒體而言σ3=0，而σ1可通過以下公式計(jì)算出來：（3-5）式中：——筒體內(nèi)所承受的最大應(yīng)力，MPa；——計(jì)算壓力，MPa；——筒體半徑，mm；——筒體計(jì)算壁厚，mm。儲罐設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，筒體直徑為3000mm，因此筒體半徑R為1500mm，筒體計(jì)算壁厚δ為14.97mm，將數(shù)據(jù)帶入式3-5可得：材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為185MPa，將數(shù)據(jù)帶入第三強(qiáng)度條件式得到：滿足第三強(qiáng)度理論的條件，因此本次儲罐強(qiáng)度滿足使用要求。（2）最大工作壓力設(shè)計(jì)儲罐最大允許工作壓力按下式計(jì)算：（3-6）式中：——最大允許工作壓力，MPa；——設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力，MPa；——筒體有效壁厚，mm。筒體有效壁厚為筒體名義厚度減去材料腐蝕裕量及材料厚度負(fù)偏差，即：（3-7）式中：——筒體有效壁厚，mm；——筒體名義壁厚，mm；——厚度負(fù)偏差，mm；——腐蝕裕量，mm。由式3-7可計(jì)算出筒體的有效壁厚為：設(shè)計(jì)儲罐的最大允許工作壓力可由公式3-6算出：因本次設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa＜2.05MPa，設(shè)計(jì)儲罐的允許最大工作壓力符合設(shè)計(jì)壓力要求。（3）應(yīng)力校核筒體應(yīng)力校核計(jì)算公式為：（3-8）由公式3-8算出在設(shè)計(jì)條件下筒體所受到的應(yīng)力為：在設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力為185＞165.92MPa，因此符合材料的許用要求。綜上所述，本次設(shè)計(jì)的儲罐筒體材料選用Q345R，筒體的名義厚度為20mm，有效厚度為16.7mm，選購鋼材厚度與名義厚度相同均為20mm。3.3壓力試驗(yàn)根據(jù)GB150.1-2011《壓力容器》中的內(nèi)容可知，儲罐氣壓試驗(yàn)壓力值如下式：（3-9）式中：——試驗(yàn)壓力，MPa；——計(jì)算壓力，MPa；——試驗(yàn)溫度下材料許用應(yīng)力，MPa；——設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力，MPa。本次儲罐設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，取試驗(yàn)溫度等于設(shè)計(jì)溫度為50℃，因此壓力試驗(yàn)溫度下材料許用應(yīng)力等于設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力，均為185MPa，將數(shù)據(jù)帶入公式3-9得：氣壓試驗(yàn)時筒體受到的應(yīng)力σT由下式計(jì)算：（3-10）試驗(yàn)壓力為2.0207MPa，筒體直徑為3000mm，筒體的有較壁厚為16.7mm，焊接接頭系數(shù)φ取1.0，將數(shù)據(jù)帶入公式3-10算得：氣壓試驗(yàn)時，應(yīng)該滿足條件：，其中材料的屈服強(qiáng)度由下表3-5得出為325MPa。因此σT＜0.8×325×1.0=260MPa。滿足試驗(yàn)條件，因此儲罐筒體的氣壓試驗(yàn)合格。表3-5Q345R力學(xué)性能參數(shù)Tab.3-5MechanicalpropertiesofQ345R材料交貨狀態(tài)厚度mm抗拉強(qiáng)度Rm（MPa）屈服強(qiáng)度ReL（MPa）Q345R熱軋、控扎或熱火3～6510～640345＞16～36500～630325＞36～60490～620305＞60～100480～610285綜上所述，在筒體直徑為3000mm時，選用壓力容器用鋼Q345R制成的名義厚度為20mm的筒體，可以滿足氣壓試驗(yàn)條件的要求，設(shè)計(jì)溫度50℃的要求。

4儲罐封頭設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)儲罐選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，封頭材料與筒體相同為Q345R。由上一章可得材料的負(fù)偏差C1為0.3mm，腐蝕裕量C2為3mm。由GB/T25198-2010《壓力容器封頭》附錄C表C-1得出標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭相關(guān)參數(shù)如表4-1所示，圖4-1是橢圓形封頭示意圖。表4-1標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭相關(guān)參數(shù)Tab.4-1Standardellipticalheadrelatedparameters公稱直徑DN/mm總深度H/mm內(nèi)表面積A/mm容積V/m329007659.48073.4567300079010.13293.8170310081510.80674.2015圖4-1橢圓形封頭示意圖Fig.4-1Schematicdiagramoftheellipticalhead4.1封頭壁厚計(jì)算（1）計(jì)算厚度橢圓形封頭計(jì)算厚度公式如下：（4-1）式中：——封頭計(jì)算壁厚，mm；——橢圓形封頭形狀系數(shù)；——計(jì)算壓力，MPa；——封頭內(nèi)徑或與圓筒內(nèi)直徑，mm；——設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力，MPa；——焊接接頭系數(shù)，取。橢圓形封頭形狀系數(shù)K可按公式計(jì)算，也可以根據(jù)GB150.3-2011《壓力容器》5.3中的內(nèi)容（如表4-2）選取K值。表4-2橢圓形封頭形狀系數(shù)K取值Tab.4-2EllipticalheadshapecoefficientKvalueDi/2hi2.602.502.402.3001.901.80K1.461.371.271.000.930.87Di/2hi1.701.601.501.401.300K0.810.760.710.660.610.570.530.50對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭而言：Di/2hi=2（hi為封頭曲面深度），由上表可得K=1。因本次所選用的封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，所以可以確定K=1。封頭材料采用Q345R，若封頭名義厚度在16～36mm范圍內(nèi)，由表3-2可得其在設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力為185MPa，將數(shù)據(jù)帶入式4-1得：（2）設(shè)計(jì)厚度封頭設(shè)計(jì)厚度為計(jì)算厚度與腐蝕裕度之和，即：（4-2）式中：——封頭設(shè)計(jì)厚度，mm；——腐蝕裕量，mm。封頭設(shè)計(jì)厚度可由公式4-2得出：（3）名義厚度封頭名義厚度δnh為設(shè)計(jì)厚度加上材料厚度負(fù)偏差，并向上取至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度，如下式：（4-3）式中：——封頭名義厚度，mm；——材料厚度負(fù)偏差，mm。封頭名義厚度可由式4-3可算出：因此本次設(shè)計(jì)筒體的名義厚度為20mm。在假定范圍16～36mm內(nèi)，符合要求。（4）有效厚度封頭有效厚度δeh為名義厚度減材料厚度負(fù)偏差以及腐蝕裕量，即：（4-4）式中：——有效壁厚，mm；——名義壁厚，mm；——厚度負(fù)偏差，mm；——腐蝕裕量，mm。根據(jù)GB150.3-2011《壓力容器》5.3.5中的內(nèi)容：若橢圓形封頭滿足條件Di/2hi≤2，則其有效厚度應(yīng)不小于內(nèi)直徑的0.15%，對于符合Di/2hi＞2條件的橢圓形封頭，其有效厚度值應(yīng)不小于內(nèi)直徑的0.3%。本次設(shè)計(jì)封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，因此得到Di/2hi=2，滿足條件Di/2hi≤2的要求，因此可知封頭的有效厚度應(yīng)滿足不小于內(nèi)直徑0.15%的要求。由式4-4可計(jì)算出封頭有效厚度為：而封頭內(nèi)直徑的0.15%為：3000×0.15%=4.5mm＜16.7mm，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。4.2封頭強(qiáng)度校核（1）最大允許工作壓力由下式可算出本次設(shè)計(jì)封頭最大允許工作壓力：（4-5）式中：——最大允許工作壓力，MPa；——設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力，MPa；——封頭有效壁厚，mm。由公式4-5可計(jì)算出設(shè)計(jì)封頭的最大允許工作壓力為：因本次設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa＜2.05MPa，設(shè)計(jì)封頭允許的最大工作壓力符合儲罐設(shè)計(jì)壓力要求。（2）應(yīng)力校核封頭應(yīng)力校核公式為：（4-6）由式4-6算得：在設(shè)計(jì)溫度50℃下材料Q345R的許用應(yīng)力為185MPa，其值大于165.46MPa，滿足封頭材料許用要求。4.3封頭壓力試驗(yàn)本次設(shè)計(jì)封頭材料與筒體材料相同為Q345R，所以氣壓試驗(yàn)條件與筒體條件相同，即試驗(yàn)壓力PT為2.0207MPa，試驗(yàn)溫度為50℃。封頭氣壓試驗(yàn)公式如下所示。（4-7）由上式可算出氣壓試驗(yàn)時，封頭受到的應(yīng)力σT為：封頭氣壓試驗(yàn)時，同樣應(yīng)滿足，其中材料的屈服強(qiáng)度由表3-5得出為325MPa。因此σT＜0.8×325×1.0=260MPa。滿足試驗(yàn)條件，因此儲罐封頭的氣壓試驗(yàn)合格。綜上所述，本次封頭材料選用Q345R，儲罐封頭名義厚度為20mm，有效厚度為16.7mm，計(jì)算厚度為14.93mm，設(shè)計(jì)厚度為17.93mm。該封頭在設(shè)計(jì)條件以及氣壓試驗(yàn)條件下滿足使用要求。

5安全裝置安全裝置是保證壓力儲罐安全運(yùn)行而裝設(shè)的附屬設(shè)備，也稱為安全附件。為預(yù)防由于超載而導(dǎo)致壓力儲罐發(fā)生安全事故，壓力儲罐除了從根本上消除和減少有可能引起超載的各種因素外，增設(shè)安全裝置也是一種非常關(guān)鍵的措施。5.1安全泄壓裝置安全泄壓裝置可以使儲罐內(nèi)壓力超過限定值后，及時排出罐內(nèi)部分介質(zhì)，保證罐內(nèi)壓力在安全范圍內(nèi)；當(dāng)儲罐正常運(yùn)行時，安全泄壓裝置會保持著嚴(yán)密不漏的狀態(tài)，但當(dāng)儲罐工作壓力超過限定值，泄壓裝置就會自動、迅速地排出儲罐內(nèi)的介質(zhì)，使得儲罐內(nèi)壓力始終在最高允許壓力范圍內(nèi)。安全泄壓裝置分為閥形、斷裂形、溶化形和組合型幾種。若泄壓裝置類型及形式選用不當(dāng)，就有可能會造成儲罐超壓爆炸。安全裝置的選用必須與工藝條件相適應(yīng)，包括運(yùn)行條件、物料特性等；同時泄壓裝置的最小排放量應(yīng)不小于儲罐安全泄放量。（1）閥形泄壓裝置閥形泄壓裝置又稱為安全閥，當(dāng)壓力超過限定值，安全閥會自動開啟并排出罐內(nèi)部分介質(zhì)，保證罐內(nèi)壓力值不大于限定值。安全閥的優(yōu)點(diǎn)是只排出儲罐內(nèi)高于限定值的壓力，當(dāng)罐內(nèi)壓力降到限定值以下時，安全閥會自動關(guān)閉，終止介質(zhì)排放，這樣可以避免壓力儲罐內(nèi)的壓力超過限定值后，泄壓裝置就將罐內(nèi)的介質(zhì)全部排出從而造成物料上的浪費(fèi)以及生產(chǎn)中斷；安全閥在使用過之后還可以繼續(xù)使用，其安裝調(diào)整較為簡便。但安全閥密封性較差，而且安全閥的啟動會有滯后效應(yīng)，泄壓速度比較慢，同時裝置有可能會被介質(zhì)中的雜質(zhì)堵住或者粘住。介質(zhì)比較干凈的氣體裝置通常采用安全閥，但含有劇毒介質(zhì)的壓力儲罐不應(yīng)采用，安全閥不能在可能有劇烈化學(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致內(nèi)部壓力迅速上升的容器中使用。（2）斷裂形泄壓裝置常見的斷裂形泄壓裝置有爆破片和爆破帽兩種，爆破片常用于中、低壓容器中，爆破帽常用于超高壓容器。當(dāng)儲罐內(nèi)的壓力達(dá)到限定值時，泄壓裝置就會斷裂以排出儲罐介質(zhì)，使罐內(nèi)壓力下降，防止儲罐壓力過高而發(fā)生炸裂事故。斷裂形泄壓裝置通常具有較好的密封性、泄壓速度快且介質(zhì)中的雜質(zhì)對裝置動作壓力影響較小。但斷裂形泄壓裝置在泄壓之后將不能繼續(xù)使用，容器也將停止工作，而且裝置通常工作在壓力較高的條件之下，容易發(fā)生疲勞性損壞，因此其壽命較短。壓力上升速度較快或者容器介質(zhì)含有毒性等特性，可以采用斷裂形泄壓裝置，但其不宜用在容器壓力波動較大的場合之中。（3）熔化形泄壓裝置熔化形泄壓裝置可以稱作易熔塞，裝置內(nèi)設(shè)置有低熔點(diǎn)合金，其在特定溫度下會發(fā)生融化并且打開通道，使氣體從通道孔中排出以達(dá)到泄壓的目的。熔化形泄壓裝置的結(jié)構(gòu)比較簡單而且容易更換，通過金屬融化溫度來確定裝置動作壓力的方式比較容易控制。但是裝置在泄壓之后將不能繼續(xù)使用，并且儲罐也得停止工作，而且該類型的泄放面積比較小。熔化形泄壓裝置一般用在罐內(nèi)壓力完全由介質(zhì)溫度所確定的小型容器。（4）組合形泄壓裝置組合形泄壓裝置通常具有兩種以下組合形式，即閥形和斷裂形、閥形與熔化形的組合形式。其中。最常見的組合形式為彈簧式安全閥和爆破片的串聯(lián)組合。組合形泄壓裝置將兩種安全泄放裝置的特點(diǎn)結(jié)合在了一起，取其所長補(bǔ)其所斷，可防止安全閥泄漏缺點(diǎn)，同時在儲罐排放完過高壓力之后還可以繼續(xù)工作運(yùn)行。組合形泄壓裝置被頻繁使用在儲罐介質(zhì)含有劇毒或者是罐內(nèi)介質(zhì)較為稀有的場合之中，但是其往往不可用在壓力升高速度極快的設(shè)備之中。因安全閥只排出超過規(guī)定壓力的介質(zhì)，可避免儲罐超壓后就將乙烯全部排出，造成原材料浪費(fèi)的問題，而且安全閥在使用過后還可以繼續(xù)工作，使壓力儲罐安全連續(xù)運(yùn)行，所以本次選擇安全閥作為儲罐的安全泄壓裝置。5.1.1計(jì)算儲罐安全泄放量由GB150.1-2011《壓力容器》附錄B中B.7.2內(nèi)容可知：氣體壓力儲罐安全泄放量可按下式計(jì)算：（5-1）式中：——儲罐安全泄放量，kg/h；——泄放條件下介質(zhì)密度，kg/m3；——容器進(jìn)料管流速，m/s；——容器進(jìn)料管內(nèi)直徑，mm。由相關(guān)資料顯示，一般性氣體進(jìn)料管中的流速在10～15m/s的范圍內(nèi)，在本次設(shè)計(jì)條件下的乙烯為一般氣體，因此其進(jìn)料管流速應(yīng)在10～15m/s，選定儲罐進(jìn)料管內(nèi)的流速為15m/s。在設(shè)計(jì)條件下的乙烯密度為20.95kg/m3，選定進(jìn)料管的公稱管徑DN為50mm，由公式5-1算得：由此可知，本次設(shè)計(jì)乙烯儲罐的安全泄放量為2223.32kg/h。5.1.2確定安全閥泄放面積按整體結(jié)構(gòu)對安全閥進(jìn)行分類可分為彈簧式、脈沖式及重錘杠桿式三大類型。重錘杠桿式安全閥常用在溫度較高場合中，但因其開啟后難以保證密封性，現(xiàn)已逐漸被取締；脈沖式安全閥現(xiàn)僅用于安全泄放量比較大的鍋爐或者壓力儲罐當(dāng)中，且其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；彈簧式安全閥可以分為兩種類型，即全啟式和微啟式。全啟式安全閥通常使用在介質(zhì)為氣體以及泄放量比較大的場合中，而微啟式安全閥常用在液體介質(zhì)當(dāng)中，但當(dāng)氣體介質(zhì)的泄放量比較小時也可使用微啟式安全閥。微啟式安全閥可分為帶調(diào)節(jié)圈與不帶調(diào)節(jié)圈，調(diào)節(jié)圈經(jīng)常用來增大安全閥閥瓣啟動高度，并且其可以調(diào)節(jié)安全閥回座與安全閥排放壓力，使彈簧式安全閥一直保持在最佳的運(yùn)行狀態(tài)。綜合分析各個安全閥的特點(diǎn)和使用范圍，并結(jié)合儲罐安全泄放量，本次選擇帶調(diào)節(jié)圈的封閉微啟式彈簧安全閥。根據(jù)GB150.1-2011《壓力容器》附錄B中B.8.3.1的內(nèi)容得出氣體介質(zhì)的泄放裝置泄放面積為：（1）臨界條件，即符合條件時，安全閥泄放面積可按下式計(jì)算：（5-2）式中：——安全閥最小泄放面積，mm2；——儲罐安全泄放量，kg/h；——?dú)怏w特性系數(shù)；——安全閥泄放系數(shù)；——?dú)怏w壓縮系數(shù)；——安全閥泄放溫度，K；——?dú)怏w摩爾質(zhì)量，kg/kmol。——安全閥泄放壓力（絕壓），MPa；——安全閥出口側(cè)壓力，MPa；——?dú)怏w絕熱指數(shù)，可由5-1得出。（2）亞臨界條件，即符合條件時，安全閥的泄放面積公式為：（5-3）表5-1部分氣體的性質(zhì)Tab.5-1Propertiesofsomegases名稱分子式摩爾質(zhì)量M/kg·kmol-1絕熱指數(shù)k臨界壓力Pc/MPa（絕壓）臨界溫度Tc/K甲烷CH416.041.314.641190.65乙炔C2H226.021.266.282309.15乙烯C2H428.051.255.157282.85乙烷C2H630.051.224.945305.25丙烯C3H642.081.154.560365.45在GB150.1-2011《壓力容器》附錄B中B.3.2.1對安全泄壓裝置作出了相應(yīng)的規(guī)定：若壓力儲罐只裝設(shè)一個安全泄放裝置時，儲罐超壓限度值不應(yīng)大于設(shè)計(jì)壓力的10%或者20kPa的最大值。本次儲罐設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，所以設(shè)計(jì)壓力的10%為183.7KPa。綜合標(biāo)準(zhǔn)與儲罐安全考慮，取本次設(shè)計(jì)儲罐的超壓限度為100KPa。安全閥的泄放壓力是由設(shè)計(jì)壓力以及超壓限度值這兩部分組成，因此，本次設(shè)計(jì)儲罐所用安全閥的泄放壓力（絕壓）為Pf=1.837+0.1+0.1=2.037MPa，安全閥出口處壓力與大氣壓相等，所以Po=0.1MPa。由表4-1中可知乙烯的絕熱指數(shù)k為1.25，得到泄放面積計(jì)算條件如下：由此可知，安全閥泄放條件滿足臨界條件的要求，泄放面積應(yīng)按臨界條件公式進(jìn)行計(jì)算。氣體特性系數(shù)C可由下式算出：（5-4）由表5-1中可知乙烯的絕熱指數(shù)k為1.25，帶入式5-4算得氣體特性指數(shù)C為：通過氣體壓縮系數(shù)曲線圖可以查到，乙烯在設(shè)計(jì)條件下的壓縮系數(shù)Z約為0.9。取泄放溫度與設(shè)計(jì)溫度相等為50℃，通過查詢相關(guān)的資料可以得出，帶調(diào)節(jié)圈的微啟式安全閥泄放系數(shù)K的范圍為0.40～0.50，本次設(shè)計(jì)選取安全閥泄放系數(shù)K為0.4，由表5-1得出乙烯的摩爾質(zhì)量M為28.05kg/kmol。將數(shù)據(jù)帶入式5-2得出臨界條件下安全閥的泄放面積為：由此可知本次選用安全閥泄放面積應(yīng)不小于337.9mm2。5.1.3確定安全閥參數(shù)及型號微啟式安全閥開啟高度往往小于四分之一管道的直徑，即滿足h＜d0/4的條件，通常選取1/40～1/20的管道直徑。本次采用的微啟式安全閥開啟高度為管道直徑的1/20，即閥瓣高度為h=d0/20，本次設(shè)計(jì)選用的安全閥采用平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封，則泄放面積A又可由下式計(jì)算：（5-5）式中：——泄放面積，mm2；——安全閥最小流通直徑，mm；——安全閥開啟高度，mm安全閥的公稱直徑DN往往不小于其最小的流通直徑d0，而最小流通直徑可以通過公式5-5計(jì)算出來：根據(jù)GB/T12241-2005《安全閥一般要求》中的內(nèi)容可以知道安全閥的公稱通徑應(yīng)該滿足GB/T1047標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，經(jīng)查詢選擇最接近的管道直徑為DN=50mm，所以本設(shè)計(jì)中安全閥的公稱直徑DN為50mm。安全閥公稱壓力為安全閥最高許用應(yīng)力，在《安全閥一般要求》中規(guī)定了安全閥公稱壓力等級要滿足GB/T1048的規(guī)定，本次壓力儲罐設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，公稱壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)壓力，查詢GB/T1048本次設(shè)計(jì)閥門公稱壓力PN選為25（2.5MPa）。按照安全閥公稱直徑、公稱壓力以及介質(zhì)性質(zhì)等因素選擇安全閥型號，部分微啟式安全閥型號及相關(guān)參數(shù)如表5-2所示。表5-2部分微啟式安全閥型號及相關(guān)參數(shù)Tab.5-2Partialmicro-opensafetyvalvemodelsandrelatedparameters型號公稱壓力/MPa最高適用溫度/℃閥體材料適用介質(zhì)公稱直徑/mmA41H-16C1.6300鑄鋼水、空氣、石油氣25～100A41H-252.5300鑄鋼水、空氣、石油氣25～100A41H-404.0300鑄鋼水、空氣、石油氣25～80A41H-646.4300鑄鋼水、空氣、石油氣25A41W-16P1.6200不銹鋼腐蝕性介質(zhì)25～100A41W-40P4.0200不銹鋼腐蝕性介質(zhì)25～80A41H-16016.0150鑄鋼氮、氫氣、氨15、32A41H-32032.0150鑄鋼氮、氫氣、氨15、32由表5-2選定本次設(shè)計(jì)安全閥型號為A41H-25，其公稱壓力為2.5MPa，公稱直徑為50mm。5.1.4檢驗(yàn)安全閥安全閥公稱壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)壓力，本次選用安全閥公稱壓力為2.5MPa，而設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，滿足安全閥使用條件。下面通過計(jì)算來確定安全閥排量是否滿足儲罐安全泄放量的要求。臨界條件下安全閥排量可由下式計(jì)算：（5-6）式中：G——安全閥排量，kg/h；——?dú)怏w特性系數(shù)；——安全閥泄放系數(shù)；——安全閥排放壓力MPa；——安全閥流通面積，mm2；——介質(zhì)摩爾質(zhì)量，kg/kmol；——?dú)怏w壓縮系數(shù)；——安全閥泄放溫度，K。由前文知，氣體特性系數(shù)C為342.2，排放系數(shù)K為0.4，排放壓力Pf為2.037MPa，氣體摩爾質(zhì)量M為28.05kg/kmol，氣體壓縮系數(shù)為0.9，泄放溫度為50℃。將數(shù)據(jù)帶入式5-5算得安全閥流通面積為：將數(shù)據(jù)全部帶入公式5-6算出安全閥的排量G為：本次壓力儲罐最小安全泄放量為2223.32kg/h，小于安全閥排量2583kg/h，符合要求。因此本次選用安全閥滿足儲罐安全需求。5.2選擇儲罐壓力表壓力表是用來測量壓力儲罐內(nèi)的介質(zhì)壓力的裝置，同時也是壓力儲罐較為重要的安全附件。操作人員能根據(jù)壓力表顯示的數(shù)值時刻監(jiān)測儲罐內(nèi)的壓力，以保證儲罐壓力處于安全狀態(tài)，防止罐內(nèi)壓力超過限定值而導(dǎo)致安全事故發(fā)生。5.2.1壓力表選用原則壓力儲罐所選用的壓力表應(yīng)該符合以下要求：（1）要根據(jù)儲罐的工作壓力范圍來選擇壓力表的量程，通常在工作壓力的1.5～3.0倍的范圍內(nèi)，最好是工作壓力的兩倍。（2）選擇壓力表量程時，要綜合考慮被測壓力的波動范圍。若儲罐內(nèi)壓力波動不大時，測量介質(zhì)壓力浮動的范圍應(yīng)該在壓力表1/3～3/4量程內(nèi)；如果壓力儲罐內(nèi)介質(zhì)壓力波動較大時，則待測壓力的浮動應(yīng)在1/3～2/3量程范圍內(nèi)。（3）低壓儲罐選用的壓力表精度應(yīng)不低于2.5級，中壓儲罐壓力表精度不應(yīng)小于1.5級，高壓儲罐壓力表精度應(yīng)該不小于1級。（4）為了使觀測人員清晰讀取壓力表數(shù)值，壓力表表盤直徑不應(yīng)低于100mm；當(dāng)壓力表安裝高度達(dá)到5m時，表盤直徑應(yīng)不小于200mm；若安裝高度超過5m，直徑應(yīng)不小于300mm。5.2.2壓力表種類及適用范圍本節(jié)主要對壓力表常用種類及其適用條件進(jìn)行介紹，以選出符合本次設(shè)計(jì)的壓力表類型。按照測量介質(zhì)特性來分，可將壓力表分為一般型、耐腐蝕型、防爆型及專用型壓力表四種類型。（1）一般型壓力表常用在沒有爆炸危險(xiǎn)以及腐蝕的化學(xué)特性、同時不會產(chǎn)生結(jié)晶、不發(fā)生凝固的氣體、蒸汽或者液體當(dāng)中。其工作溫度在-40℃～70℃范圍之中。（2）耐腐蝕型壓力表常用來測量含有腐蝕性介質(zhì)和易對儀表腐蝕的環(huán)境之中。其通?？煞譃椴讳P鋼型、隔膜型、耐酸型和防強(qiáng)腐全塑隔膜型壓力表等幾種。（3）防爆型壓力表常用于測量易形成爆炸性混合物的使用環(huán)境當(dāng)中。（4）專用型壓力表是對特定的介質(zhì)進(jìn)行測量的儀表。較常用的專用型壓力表有以下幾種：氮?dú)?、丙烷以及氫氣壓力表。綜上所述，乙烯具有易燃易爆等危險(xiǎn)特性，因此宜選用防爆型壓力表。5.2.3確定壓力表型號本次儲罐的設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，屬于中壓儲罐的范疇，因此儲罐選擇的壓力表精度應(yīng)該大于或者等于1.5級；儲罐的最大工作壓力為1.67MPa，而所選擇壓力表的最大量程約為工作壓力的兩倍，即3.34MPa，因此本次選定壓力表的量程為4MPa。通過查閱相關(guān)防爆型壓力表型號，本次選用防爆型壓力表型號為：YTQ-100H0-4MPa，M40×1.5。該壓力表測量精度為1.5級，測量量程為0～4MPa，表盤尺寸為100mm，接口規(guī)格為M40×1.5，壓力表外殼選用304不銹鋼材料制成、內(nèi)機(jī)則采用316不銹鋼材料，接口連接方式采用徑向連接。5.3選擇儲罐溫度計(jì)測溫儀器是用來測量壓力儲罐內(nèi)介質(zhì)以及儲罐金屬壁面的溫度，以便于監(jiān)測儲罐內(nèi)溫度，使其保持在金屬材料的許用溫度內(nèi)。按測量溫度方式來分，可將測溫儀表分為接觸式和非接觸式兩種形式。接觸式又可分為膨脹式、壓力式、熱電阻及熱電偶等幾種；而非接觸式則主要有光學(xué)高溫計(jì)、光電高溫計(jì)和輻射式高溫計(jì)等幾種類型。非接觸式溫度計(jì)是利用被測物體表面亮度和輻射能強(qiáng)弱來間接測量溫度。表5-3為幾種溫度計(jì)常用的溫度范圍及適用場合。表5-3溫度計(jì)測量范圍及應(yīng)用場合Tab.5-3Thermometermeasurementrangeandapplication溫度計(jì)類型測量溫度范圍℃應(yīng)用膨脹式-200～600常用于軸承、定子等處的溫度作現(xiàn)場指示壓力式-80～400常用于測量易燃、有振動處的溫度、傳送距離不是很遠(yuǎn)熱電阻鉑-200～650常用于液體、氣體、蒸汽的中、低溫測量，能遠(yuǎn)距離傳送銅-50～150常用于液體、氣體、蒸汽的中、低溫測量，能遠(yuǎn)距離傳送熱電偶0～1600常用于測量火焰、鋼水等不能直接測量的高溫場合輻射式600～2000常用于軸承、定子等處的溫度作現(xiàn)場指示根據(jù)儲罐的設(shè)計(jì)溫度以及罐內(nèi)介質(zhì)性，由表5-3中各溫度計(jì)的適用范圍以及測量范圍，本次選擇熱電阻（銅）溫度計(jì)。查詢熱電阻（銅）溫度計(jì)相關(guān)型號，本次選擇溫度計(jì)型號為WZC-CU100，量程范圍為-50℃～150℃。5.4小結(jié)本次壓力儲罐的安全泄放裝置選用封閉微啟式彈簧安全閥，其型號為A41H-25。安全閥公稱壓力為2.5MPa，公稱直徑為50mm，安全閥排量為2583kg/h，泄放面積為392.5mm2，安全閥排放壓力Pf為2.037MPa。壓力表選用防爆型壓力表，其型號為YTQ-100H0-4MPa。壓力表精度為1.5級，量程為0～4MPa，表盤尺寸為100mm。溫度計(jì)選用熱電阻（銅）溫度計(jì)，型號為WZC-CU100，量程范圍為-50℃～150℃。

6開孔及其零部件為方便職工對儲罐內(nèi)部進(jìn)行清理以及安裝或者拆裝各類附加裝置，壓力儲罐應(yīng)該設(shè)置人孔、手孔或安全檢查孔。同時為安裝各類容器附件以及物料流通，還應(yīng)開設(shè)各類孔洞和接管。為使壓力儲罐有良好的密封性，還需要選擇各種零件將儲罐各部分緊密地連接在一起，以保證壓力容器能夠正常的運(yùn)行。比如保證容器緊密連接的法蘭及墊片，將各部分固定連接的螺柱和螺栓。6.1人孔設(shè)計(jì)（1）選擇人孔類型根據(jù)HG/T20583-2011《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》中第8章有關(guān)人孔、手孔以及檢查孔內(nèi)容：（1）當(dāng)壓力儲罐的公稱直徑不小于1000mm時，應(yīng)開設(shè)人孔。（2）若儲罐公稱直徑比1000mm小，則應(yīng)該設(shè)置手孔或者是安全檢查孔。（3）當(dāng)儲罐公稱直徑比300mm小時，儲罐可不設(shè)檢查孔。（4）臥式、立式儲罐筒體的單獨(dú)長度不小于6000mm時，應(yīng)該考慮裝設(shè)2個以上人孔。（5）儲罐孔洞開閉頻繁時，應(yīng)該選擇手孔或者快開式人孔。在空間位置比較狹小的場合，應(yīng)該選擇回轉(zhuǎn)蓋式人孔或者手孔。（6）孔蓋質(zhì)量大于35kg時，宜選吊蓋式人孔。（7）公稱直徑大于1000mm時，應(yīng)選公稱直徑DN500以上的人孔。（8）在北方或者較為寒冷的地區(qū)，人孔的公稱直徑DN應(yīng)該大于500mm。綜上所述，本次設(shè)計(jì)的乙烯壓力儲罐筒體直徑為3000mm，罐壁長度為13200mm，因此本文設(shè)計(jì)儲罐應(yīng)開設(shè)2個公稱直徑為DN600的人孔，分別位于筒體頂部兩端，各距兩邊筒體3000mm。根據(jù)HG/T21514-2014《鋼制人孔和手孔的類型與技術(shù)條件》的要求，本次儲罐的設(shè)計(jì)壓力為1.837MPa，因此選用公稱壓力為25PN（2.5MPa）的水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔，人孔選用突面（RF）作為密封面。本次選用的人孔結(jié)構(gòu)示意圖如附錄A中圖A-1所示。人孔的材料應(yīng)符合表A-1水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔材料明細(xì)表中的選用要求，其中法蘭蓋、筒節(jié)均采用與筒體相同的材料Q345R，采用纏繞式墊片，法蘭材料選擇16MnⅡ（鍛件），其余構(gòu)件材料均如表A-1所示。人孔各參數(shù)如下表6-1所示。表6-1水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔型式尺寸（mm）Tab.6-1Horizontalhangingcoverwithneckbuttflangemanholetypesize（mm）公稱直徑DNdw×sdDD1H1H2b600630×1260684577036022858b1b2Ad0螺柱數(shù)量螺母數(shù)量螺柱總質(zhì)量kg5658475482040M36×3×205499由表6-1可以得出，人孔筒節(jié)外徑dw為630mm，筒節(jié)名義厚度δnt為12mm，筒節(jié)長度為360mm，筒節(jié)與儲罐內(nèi)壁平齊，人孔筒節(jié)與筒體的焊腳高度與人孔筒體厚度相同為12mm。（2）人孔輔梯本次人孔設(shè)在筒體頂部，為方便工作人員進(jìn)出儲罐，應(yīng)在儲罐垂直方向上內(nèi)設(shè)置人孔輔梯及把手。由《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》可知，本次設(shè)計(jì)輔梯間距為300mm，輔梯寬度為200mm，長度為350mm，輔梯采用直徑為20mm的Q345R制成，其示意圖如下圖6-1所示。圖6-1輔梯示意圖Fig.6-1Schematicdiagramoftheauxiliaryladder6.2接口及接管壓力儲罐除了需要開設(shè)供人員安裝維修的人孔之外，還需開設(shè)儲罐附件安裝以及物料流通的各類接口，包括進(jìn)料口、出料口、排污口、排空口、壓力表口、溫度計(jì)口、安全閥口等。根據(jù)HG/T20583-2011《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》中9.3接管的要求：（1）壓力容器用接管應(yīng)采用無縫鋼管；（2）接管最小外伸長度應(yīng)不小于；（3）接管與帶頸對焊法蘭連接時，其外伸長度應(yīng)不小于50mm。因此本設(shè)計(jì)接管采用無縫鋼管，由HG/T20553-2011《化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸》中表2.0.2列舉了Ia系列鋼管的相關(guān)參數(shù)，如下表6-2所示。表6-2Ia系列鋼管尺寸和理論質(zhì)量Tab.6-2SizeandtheoreticalqualityofIaseriessteeltubes公稱尺寸DN外徑mm壁厚與單位長度理論質(zhì)量Sch.80SSch.80Sch.120Sch.140Sch.160mmkg/mmmkg/mmmkg/mmmkg/mmmkg/m3242.45.04.615.04.616.35.614048.35.05.345.05.347.17.215060.35.67..555.67..558.811.18（65）87.112.0810.016.30注：1.壁厚系列號（Sch.No）后綴加S者，僅用于不銹鋼鋼管；2.帶括號的規(guī)格尺寸盡量不采用。通過相關(guān)資料查得，儲罐接管一般伸出長度為150mm～200mm，因此接管外伸長度取150mm，各接管內(nèi)側(cè)與內(nèi)側(cè)罐壁平齊，即內(nèi)伸長度為0。由上表6-2選定本次儲罐各接管的公稱尺寸以及壁厚系列，接管壁厚系列均選用Sch.160，各接口接管的相關(guān)參數(shù)如下表6-3所示。表6-3接管相關(guān)參數(shù)Tab.6-3Takeoverrelatedparameters名稱公稱直徑DN接管外徑/mm接管壁厚/mm質(zhì)量/kg·m-1外伸長度/mm進(jìn)料口5060.38.811.8150出料口5060.38.811.8150排污口5060.38.811.8150排空口5060.38.811.8150壓力表口401150溫度計(jì)口401150安全閥口5060.38.811.8150在GB150.2-2011《壓力容器》材料部分5.1.3中對10、20號鋼以及Q345D的使用條件作出了相應(yīng)規(guī)定：（1）壓力容器的設(shè)計(jì)壓力不得大于4.0MPa；（2）10號、20號鋼和Q345D的使用溫度下限分別為-10℃、0℃、-20℃；（3）鋼管壁厚應(yīng)不大于10mm；（4）上述材料不得在介質(zhì)毒性程度為極度或者高度的容器之中。本次壓力儲罐的設(shè)計(jì)溫度為1.837MPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃，接管壁厚為8.8mm或者7.1mm，乙烯處于經(jīng)毒物質(zhì)，所以無縫鋼管的使用環(huán)境均符合以上條件，因此無縫鋼管的材料可以選用Q345D。本次儲罐進(jìn)料口、壓力表口、溫度計(jì)口、安全閥口、排空口設(shè)置在儲罐筒體頂部，出料口以及排污口設(shè)置在筒體下部。6.3選擇接管法蘭按照法蘭連接方式來分，接管法蘭大概可分為以下幾種：板式平焊、帶頸平焊、帶頸對焊、螺紋、承插焊、帶頸對焊環(huán)松套以及平焊環(huán)松套等多種類型。法蘭密封面形式主要有平面、突面、凹凸面、榫槽面以及環(huán)連接面等幾種。各法蘭及其密封面的適用壓力范圍如下表所示。帶頸對焊法蘭不容易產(chǎn)生形變、有良好的密封性能，成本上也相對較低，適用于壓力、溫度較高的場合之中，因此本次接管法蘭選用帶頸對焊法蘭，帶頸對焊法蘭結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。圖6-2帶頸對焊法蘭結(jié)構(gòu)圖Fig.6-2Structurewithneckbuttweldflange根據(jù)HG/T20592-2009《鋼制管法蘭（PN系列）》中表8.2.3-3中得出PN25（2.5MPa）帶頸對焊法蘭相關(guān)參數(shù)，下表6-4所示。表6-4帶頸對焊法蘭相關(guān)參數(shù)Tab.6-4Relatedparametersofneckbuttweldflange公稱尺寸ADKLn螺栓CNS≥H1H3242.4140100184M1618562.66424048.3150110184M1618642.67455060.3165125184M1620752.98486576.1185145188M1622902.91052接管法蘭公稱直徑與接管相適應(yīng)，根據(jù)上表6-4可得出，選擇帶頸對焊鋼制管法蘭的尺寸，各接管口法蘭部分參數(shù)如下表所示。表6-5接管法蘭參數(shù)（mm）Tab.6-5Takeoverflangeparameters（mm）名稱公稱直徑DN法蘭外徑D法蘭厚度C法蘭高度H螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺栓進(jìn)料口501652048184M16出料口501652048184M16排污口501652048184M16排空口501652048184M16壓力表口401501845184M16溫度計(jì)口401501845184M16安全閥口501652048184M16在《鋼制管法蘭（PN系列）》第4.0.1條中對鋼制管法蘭的材料作出了相應(yīng)的規(guī)定：鋼制管法蘭應(yīng)該采用鍛件或者是鑄件制作而成，本次鋼制管法蘭材料選用鍛件制成，常見得鍛件材料有A105、16MnD、16Mn、09MnNiD等幾種，本次法蘭材料選用16Mn。HG/T20614-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件選用配合規(guī)定（PN系列）》中表3.0.1列舉了帶頸對焊法蘭各密封面的適用范圍為如下表所示。表6-6帶頸對焊法蘭密封面適用范圍Tab.6-6Applicablescopeofnecksealingflangesealingsurface密封面形式公稱壓力PN2.561016254063100突面RF-DN10～DN2000DN10～DN600DN10～DN400DN10～DN350凹面FM凸面M-DN10～DN600DN10～DN400DN10～DN350榫面T槽面G-DN10～DN600DN10～DN400DN10～DN350全平面FF-DN10～DN2000-環(huán)連接面RJ-DN15～DN400本次選用公稱壓力PN25（2.5MPa）的帶頸對焊法蘭，由上表選擇法蘭的密封面為凸面（M）。6.4選用法蘭墊片根據(jù)HG/T20606-2009《鋼制管法蘭用非金屬平墊片（PN系列）》3.3非金屬墊片的使用條件可知，石棉橡膠板適用于：（1）公稱壓力PN等級不大于25（2.5MPa）；（2）工作溫度在-40℃～300℃的范圍內(nèi)；（3）使用壓力P（MPa）與使用溫度T（℃）的乘積不能超過650。本次法蘭墊片的使用環(huán)境條件均符合上述條件，因此可采用非金屬平墊片石棉橡膠板，墊片示意圖如下圖所示。圖6-3墊片示意圖Fig.6-3Schematicdiagramofthegasket由《鋼制管法蘭用非金屬平墊片（PN系列）》中表4.0.2-3凹凸面法蘭用墊片選用公稱直徑為40mm以及50mm的墊片相關(guān)尺寸參數(shù)，如下表所示。表6-7墊片尺寸（mm）Tab.6-7Gasketsize(mm)名稱公稱尺寸DN墊片內(nèi)徑D1墊片外徑D2墊片厚度進(jìn)料口5061871.5出料口5061871.5排污口5061871.5排空口5061871.5壓力表口4049751.5溫度計(jì)口4049751.5安全閥口5061871.56.5緊固件選擇根據(jù)HG/T20613-2009《鋼制管法蘭用緊固件（PN系列）》5.0.3以及表5.0.4中的內(nèi)容可知，公稱壓力PN大于16，且介質(zhì)具有易燃特性的場合中，應(yīng)該選用專用型全螺紋螺柱和Ⅱ型六角螺母，材料為35CrMo。由HG/T20613-2009附錄A可得緊固件用平墊圈尺寸如下表6-8所示。表6-8緊固件用平墊圈尺寸表（mm）Tab.6-8Flatwashersizetableforfasteners（mm）規(guī)格M12M14M16M20M24M27內(nèi)徑131517212528外徑242830374450厚度2.52.53344由HG/T20613-2009表5.0.7-11得出PN25帶頸對焊法蘭用螺柱長度、質(zhì)量以及所用墊圈相關(guān)參數(shù)如下表6-9所示。表6-9螺栓參數(shù)Tab.6-9Boltparameters名稱法蘭公稱尺寸DN螺紋數(shù)量螺柱平墊圈長度/mm質(zhì)量kg/1000個內(nèi)徑外徑厚度進(jìn)料口50M1649014417303出料口50M1649014417303排污口50M1649014417303排空口50M1649014417303壓力表口40M1648513617303溫度計(jì)口40M1648513617303安全閥口50M16490144173036.6選擇管道閥門閥門是管道系統(tǒng)中調(diào)節(jié)管道流量，防止介質(zhì)回流，并且將儲罐與管道系統(tǒng)隔離開來的主要元件，可以控制配備管路中的介質(zhì)流動或者停止。按照閥門用途可將其分為截?cái)嚅y、調(diào)節(jié)閥、止回閥以及分流閥等幾大類。截?cái)嚅y主要是將流體介質(zhì)截?cái)嗷蛘呓油?，包括截止閥、碟閥、閘閥、隔膜閥以及球閥等幾種；調(diào)節(jié)閥主要是調(diào)節(jié)管道內(nèi)流體的流量和壓力，主要包括減壓閥、節(jié)流閥以及調(diào)節(jié)閥等幾種；止回閥主要是預(yù)防管道內(nèi)流體介質(zhì)倒流情況的發(fā)生；分流閥主要是對介質(zhì)進(jìn)行分配、分離或者混合，包括疏水閥以及分配閥等幾種。壓力管道上的進(jìn)料口、出料口需要安裝截?cái)嚅y，以在特殊情況時將管內(nèi)的流體介質(zhì)截?cái)嗷蛘呓油?，?dāng)發(fā)生危險(xiǎn)情況時，截?cái)鄡迌?nèi)介質(zhì)和管道中的聯(lián)系，防止系統(tǒng)的危險(xiǎn)性擴(kuò)大。本次進(jìn)料管、出料管上選擇的截?cái)嚅y類型為截止閥，其主要有以下特點(diǎn)：閥門啟閉時不會有摩擦產(chǎn)生，可保證其密封問題；采用上裝式結(jié)構(gòu)，有利于閥門管道的檢驗(yàn)及維修；閥門采用單閥座設(shè)計(jì)，可以消除閥門中腔介質(zhì)壓力的異常增大而導(dǎo)致的安全問題；采用楔形密封結(jié)構(gòu)，閥門的密封性不會受到由于管道內(nèi)壓力差變化而帶來的影響，可以保證在各種工況下都可以保持嚴(yán)密狀態(tài)；密封面設(shè)置有自清潔結(jié)構(gòu)，管道中的介質(zhì)沿密封面均勻通過時，會沖走密封面上的聚積物，可達(dá)到清潔密封面的作用。查閱截止閥相關(guān)型號，本次壓力儲罐中的進(jìn)料管、出料管上的截止閥選用公稱壓力PN為25（2.5MPa），公稱直徑DN為50mm的鑄鋼法蘭截止閥，其型號為J41H-25CDN50。儲罐上的排空管、排污管在使用時需將管道打開，未使用時要保持密封狀態(tài)，而截止閥有較好的密封性能，能夠滿足使用的要求，因此排空管、排污管閥門類型選用截止閥，其型號采用與進(jìn)料管、出料管的型號相同為J41H-25CDN50。為在壓力表發(fā)生故障或者對儀表進(jìn)行校驗(yàn)時，可在系統(tǒng)運(yùn)行條件下對壓力表進(jìn)行更換、維修或者校核，因此需要在壓力表前安裝閥門。通常情況下，壓力表前安裝閥門類型為球閥，若在高溫高壓的條件下也可安裝與管路相適應(yīng)的截止閥。綜上所述，本次在壓力表前安裝閥門類型為球閥，型號選用QGM1DN40，表6-10為接口各閥門類型。表6-10管道閥門Tab.6-10Pipelinevalves名稱公稱尺寸DN閥門類型閥門型號進(jìn)料口50截止閥J41H-25C出料口50截止閥J41H-25C排污口50截止閥J41H-25C排空口50截止閥J41H-25C壓力表口40球閥QGM1

7開孔補(bǔ)強(qiáng)開孔會使壓力儲罐的強(qiáng)度減弱，開孔的大小與強(qiáng)度成反比，即開孔越大，應(yīng)力在孔邊就越集中，強(qiáng)度減弱越厲害。在儲罐厚度設(shè)計(jì)時應(yīng)該留有一定的安全裕量，也可將開孔直徑的大小限制在一定的范圍內(nèi)，使得開孔所造成的強(qiáng)度減弱正好可由容器富裕壁厚來補(bǔ)償。根據(jù)GB150.3-2011《壓力容器》6.1.3以及相關(guān)資料的要求，當(dāng)同時滿足下列條件時，壓力儲罐可以不需另行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)：（1）設(shè)計(jì)壓力≤2.5MPa；（2）儲罐上兩相鄰開孔的中心距離要大于或者等于兩開孔直徑的和；對于3個或者3個以上相鄰的開孔，任意兩開孔間的中心距離不應(yīng)小于兩開孔直徑之和的2.5倍；（3）接管公稱外徑≤89mm；（4）接管壁厚滿足表7-1中的條件（表中接管的腐蝕裕量取為1mm，若接管腐蝕裕量增加時，接管壁厚也應(yīng)相應(yīng)增加）。表7-1接管壁厚條件（mm）Tab.7-1Contactwallthicknessconditions(mm)接管公稱壁厚253238454857657689接管壁厚≥3.5≥4.0≥5.0≥6.0本次設(shè)計(jì)儲罐的人孔公稱直徑DN為600mm，不滿足GB150-2011《壓力容器》中不需要另行補(bǔ)強(qiáng)（公稱外徑≤89mm）的要求，因此本次所設(shè)計(jì)的壓力儲罐需要對人孔進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，而其他的儲罐開孔均滿足標(biāo)準(zhǔn)中不需另行補(bǔ)強(qiáng)的要求，因此不需要另外進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。7.1計(jì)算方法及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)由相關(guān)資料可知，在壓力儲罐殼體、接管以及焊縫中都會存在壁厚超過承受基本應(yīng)力以外的多余金屬，這些金屬稱為富裕金屬。富裕金屬可以彌補(bǔ)因開孔而導(dǎo)致的強(qiáng)度減弱以及在開孔的邊緣所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。若總富裕金屬面積比需要補(bǔ)強(qiáng)的面積大，則不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，否則儲罐需要采用補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。（1）開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法儲罐開孔補(bǔ)強(qiáng)主要用等面積法和分析法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)GB150.3-2011《壓力容器》6.1.1中的內(nèi)容，等面積補(bǔ)強(qiáng)法一般適用于以下幾種情況：1）當(dāng)壓力儲罐筒體的內(nèi)徑Di不大于1500mm時，開孔直徑需要滿足以下兩個條件：dop≤Di/2并且dop≤520mm；當(dāng)儲罐圓筒體內(nèi)徑Di大于1500mm時，最大開孔直徑應(yīng)該滿足下列條件：dop≤Di/3且dop≤1000mm；2）當(dāng)凸形封頭或者球殼上需要開孔時，其最大允許直徑應(yīng)該滿足dop≤Di/2的條件。本次設(shè)計(jì)儲罐筒體直徑為3000mm，人孔直徑為600mm，Di/3=1000mm，符合上述要求，故可用等面積法對儲罐進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。（2）補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式儲罐開孔補(bǔ)強(qiáng)通常有兩種結(jié)構(gòu)形式，即整體補(bǔ)強(qiáng)和補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。整體補(bǔ)強(qiáng)是通過將開孔處的元件進(jìn)行整體加厚，使之達(dá)到不需要另加補(bǔ)強(qiáng)的要求。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)是一種局部補(bǔ)強(qiáng)手段，是在開孔部位增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈以達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)效果。在GB150.3-2011《壓力容器》中規(guī)定采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時應(yīng)符合以下要求：（1）低合金鋼的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rm小于540MPa；（2）補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度≤1.5δn；（3）殼體的名義厚度δn≤38mm。查閱GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》6.3.1中的內(nèi)容（如表7-2所示）可知，筒體材料Q345R在厚度為16～36mm時的抗拉強(qiáng)度Rm范圍在500MPa～630MPa，抗拉強(qiáng)度下限為500MPa小于540MPa。綜上所述本設(shè)計(jì)可采用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行人孔補(bǔ)強(qiáng)。表7-2Q345R力學(xué)性能參數(shù)Tab.7-2MechanicalpropertiesofQ345R材料交貨狀態(tài)厚度/mm抗拉強(qiáng)度Rm/MPa屈服強(qiáng)度ReL/MPaQ3