《壓力容器與管道安全》

1、目錄1. 儲罐的設計要求21.1 設計特點21.2 設計要求21.3 技術(shù)要求32. 臥式液氨儲罐的結(jié)構(gòu)設計32.1儲罐主要結(jié)構(gòu)的設計32.1.1筒體和封頭的結(jié)構(gòu)選擇32.1.2用方案一計算筒體和封頭的厚度42.1.3用第二種方案計算筒體和封頭的厚度52.1.4兩種方案的比較62.2計算鞍座反力72.3支座及其位置選取82.3.1鞍座數(shù)量的確定82.3.2鞍座安裝位置的確定82.3.3鞍座標準的選用102.4儲罐應力校核102.4.1筒體軸向應力校核102.4.2筒體和封頭切向剪應力校核112.4.3筒體周向應力校核122.4.4鞍座有效斷面的平均應力校核132.5 人孔設計132.6開孔補強

2、計算132.7接管與法蘭聯(lián)結(jié)設計16參考文獻18 儲罐是一種用于儲存液體或氣體的密封容器，主要用于存儲或盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)的設備，其種類很多，大體上有：滾塑儲罐，玻璃鋼儲罐，陶瓷儲罐、橡膠儲罐、焊接塑料儲罐等。本設計是針對壓力容器與管道安全這門課程所安排的一次課程設計，是對這門課程的一次總結(jié)，要綜合運用所學的知識并查閱相關(guān)書籍完成設計。本設計的液料為液氨，它是一種無色液體。氨作為一種重要的化工原料，應用廣泛。分子式NH3，分子量17.03，相對密度0.7714g/L，熔點-77.7，沸點-33.35，自燃點651.11，蒸汽壓1013.08kPa(25.7)。蒸汽與空氣混合物爆炸極

3、限1625%(最易引燃濃度17%)。氨在20水中溶解度34%,25時,在無水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是許多元素和化合物的良好溶劑。水溶液呈堿性。液態(tài)氨將侵蝕某些塑料制品,橡膠和涂層。遇熱、明火,難以點燃而危險性較低; 但氨和空氣混合物達到上述濃度范圍遇明火會燃燒和爆炸,如有油類或其它可燃性物質(zhì)存在,則危險性更高。1. 儲罐的設計要求 某廠需添置一臺液氨貯罐，設計原始數(shù)據(jù)：設計壓力P=1.4Mpa，設計溫度T=38，容器內(nèi)徑D=1180mm,容積V=2.6m3，設備充裝系數(shù)0.9。采用鞍式支座。試設計該設備。1.1 設計特點容器的設計一般由筒體、封頭、法蘭、支

4、座、接口管及人孔等組成。常、低壓化工設備通用零部件大都有標準，設計時可直接選用。各項設計參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標準或國家標準，這樣讓設計有章可循，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理地進行設計。1.2 設計要求根據(jù)已知的條件，按照以下順序進行設計：1.主要結(jié)構(gòu)設計筒體、封頭、接管、法蘭密封、鞍座及其位置。2.主要材料焊縫和探傷3.筒體和封頭的厚度計算4.計算鞍座反力5.筒體軸向應力校核6.筒體和封頭切向剪應力校核7.筒體環(huán)向應力校核8.鞍座有效斷面的平均應力校核9.開孔補強計算10.設備結(jié)構(gòu)總圖1.3 技術(shù)要求（1） 本設備按GBl50-1998鋼制壓力容器進行制造、試驗和驗收 （2） 焊接材料，對

5、接焊接接頭型式及尺寸可按GB985-80中規(guī)定(設計焊接接頭系數(shù)) （3） 焊接采用電弧焊，焊條型號為E4303 （四）殼體焊縫應進行無損探傷檢查，探傷長度為100 2. 臥式液氨儲罐的結(jié)構(gòu)設計2.1儲罐主要結(jié)構(gòu)的設計2.1.1筒體和封頭的結(jié)構(gòu)選擇由于純液氨具有一定的腐蝕性，但設計壓力為中等壓力，根據(jù)鋼制壓力容器中使用的鋼板許用應力及其使用范圍的說明，儲罐的主要結(jié)構(gòu)筒體和封頭選材可以考慮使用20R、16MnR、15MnVR等鋼。氨屬于中度危害介質(zhì)(級)，且本設備為PV值小于10Mpa·m3的中壓儲存容器；按照有關(guān)標準劃分，本設備為第二類壓力容器。儲罐選用臥式，液體靜柱壓力很低，可不記

6、入設計壓力中。筒體由鋼板卷制而成，其公稱直徑等于內(nèi)徑，查閱壓力容器的公稱直徑表，并結(jié)合儲罐的容積，初步選擇其公稱直徑DN=Di=1180mm。筒體和封頭的對接焊接，采用全焊透焊縫，并進行l(wèi)00無損探傷，查表取焊縫系數(shù)=1.0。根據(jù)氨的腐蝕程度，取腐蝕裕量C22mm。封頭可以選擇球形、橢圓形、碟形、平板形、圓錐形等幾種形式的封頭，但從材料消耗、受力和加工制造的難易程度等幾個方面的綜合比較考慮，選用標準橢圓形封頭（EHA型）最為理想，故選之。假設標準橢圓形封頭封頭厚度在816mm之間，封頭的公稱直徑應該與筒體相等，取DN=1180mm，按有關(guān)標準JB4746-2002，查得封頭的容積Vh=0.25

7、45 m3，總深度H=325 mm。由于采用的是標準橢圓形封頭，由h/DN=0.25，得出封頭的直邊高度h=25mm，而封頭的曲面深度h1=32525=300mm。筒體長度：取 =1912 mm兩封頭切線之間的距離L=1912+2×25=1962mm現(xiàn)選用16MnR和20R兩個鋼種，對儲罐的主要結(jié)構(gòu)筒體和封頭進行兩個方案的設計，然后對這兩個方案進行比較和選擇。2.1.2用方案一計算筒體和封頭的厚度首先選用16MnR鋼為材料，來計算筒體和封頭的厚度。16MnR鋼板在38時的許用應力查表，根據(jù)筒體厚度計算公式初步估計此筒體的設計厚度在816mm之間，t =170 Mpa，屈服強度s=34

8、5 Mpa。（1）筒體厚度 =mm設計厚度d+C24.88+26.88mm按GS709，取鋼板負偏差C1=0.8mm考慮鋼板厚度系列取名義厚度n10mm因n10mm，查此情況下16MnR鋼的許用應力沒有變化，= 170 Mpa，所以上述計算成立。（2）封頭厚度由于選用標準橢圓形封頭，所以其封頭形狀系數(shù)k=1.0計算厚度=mm設計厚度dC24.8726.87mm取C20.8mm，故名義厚度n10mm，且許用應力也沒有發(fā)生變化，所以上計算成立。（3）水壓試驗校核試驗壓力：PT取水壓試驗壓力PT2. 0MPa筒體應力校核；筒體有效厚度enC1C2102.87.2mm 所以試驗時應力： MPa筒體水壓

9、試驗應力校核滿足要求。封頭應力校核：有效厚度enC1C2l00.827.2mm 所以封頭水壓試驗應力校核滿足要求2.1.3用第二種方案計算筒體和封頭的厚度選用20R鋼作為第二種方案，來計算筒體和封頭的厚度。20R鋼板在40時的許用應力查表，根據(jù)筒體厚度計算公式初步估計此筒體的設計厚度在816mm之間，取此時20R鋼的許用應力t =133 Mpa，屈服強度s=245 Mpa。筒體和封頭的結(jié)構(gòu)和尺寸與第一種方案的設計相同（厚度除外），選用標準橢圓形封頭（EHA型），其它尺寸和參數(shù)如上所敘。（1）筒體厚度 =mm設計厚度d十C24.88十26.88mm按GS709，取鋼板負偏差C1=0.8mm。考慮

10、鋼板厚度系列取名義厚度n12mm因n12mm，查此情況下20R鋼的許用應力沒有變化，= 133 Mpa，所以上計算成立。（2）封頭厚度由于選用標準橢圓形封頭，所以其封頭形狀系數(shù)k=1.0。計算厚度=mm設計厚度dC26.2328.23mm取C20.8mm，故名義厚度n12mm，且許用應力也沒有發(fā)生變化，所以上計算成立。（3）水壓試驗校核試驗壓力：PT取水壓試驗壓力PT2. 0MPa筒體應力校核；筒體有效厚度enC1C2122.89.2mm 所以試驗時應力： MPa筒體水壓試驗應力校核滿足要求。封頭應力校核：有效厚度enC1C2l20.829.2mm因為 所以封頭水壓試驗應力校核滿足要求。2.1

11、.4兩種方案的比較（1）鋼板耗用量鋼板耗用量與板厚成正比，則儲罐的主要結(jié)構(gòu)筒體和封頭采用16MnR時，鋼板比使用20R鋼板可減輕:16.7%16MnR鋼板的價格比20R鋼板略貴，兩者相差不大，從耗材量與價格綜合考慮，兩種鋼板均可考慮，但在上述計算過程中，如16MnR的名義厚度n與設計厚度d很接近，其差值為107.67=2.33mm,而20R的名義厚度n與設計厚度d大很多，其差值為129.26=2.74mm，所以用16MnR鋼時，鋼板耗用量就要省很多，更為適宜。（2）制造費用 總的來說，由于采用16MnR鋼板厚度較薄，質(zhì)量較輕，鞍座的承載重量也更小，而且制造費用目前也按碳鋼設備同等計價，因此制造

12、費用比較經(jīng)濟。（3）材料性能 20R鋼板的抗腐蝕性能比16MnR鋼要好，但是考慮到儲存介質(zhì)液氨的腐蝕性不是很強，而且16MnR鋼比20R鋼板的強度高，機械加工性能和焊接性能指標都明顯要好，所以選用板更合適。（4）方案比較總結(jié)由于上述比較可以看出，說明方案一選用16MnR鋼更合理，那么下面的內(nèi)容就針對方案一的選材和設計數(shù)據(jù)進行相關(guān)的計算和校核。2.2計算鞍座反力（1）計算質(zhì)量筒體質(zhì)量 m1(Die)nL0×10-9 3.14×(1180+10)×10×1912×7850×10-9 561kg單個封頭的質(zhì)量m2128.3.0kg(查JBl

13、l5373)附件質(zhì)量m3(包括入孔，接管、液面計、平臺等)近似取m3400kg充液質(zhì)量 液氨在0時的密度為640kg/m3，小于水的密度，故充液質(zhì)量按水的質(zhì)量考慮， m4 ×11802×1912 +2×0.2545×10-9×1000×10-92091kg 保溫層質(zhì)量 本設備不保溫，故m50設備最大質(zhì)量 mm1m2 m3m4m55612×128.3400209103308.6 kg（2）計算鞍座反力 Fmg/2(3308.6×9.81)/216228.7N2.3支座及其位置選取臥式容器的支座有鞍座、圈座和支腿三種形

14、式。而常用的儲罐、儲槽、換熱器等臥式容器設備常選用鞍式支座予以支承，所以此設備也選用鞍座。臥式儲罐的鞍式支座設計包括以下幾個要點：2.3.1鞍座數(shù)量的確定鞍式支座普遍選用雙鞍座支承，這是因為若采用多鞍座支承，難于保證各鞍座均勻受力。雖然多支座罐的彎曲應力比較小，但是各支座嚴格的保持在同一水平面上，特別是對于大型臥式儲罐很難達到，同時，由于地基的不均勻下沉，多支座 的罐體在支座處的支反力不能均勻分配，故選用雙鞍式支座支承。2.3.2鞍座安裝位置的確定由材料力學可知，將出儲罐的力學模型簡化為雙支座上的受均布載荷的外伸梁，如下圖2.1所示，若梁的全長為L，則當外伸端的長度A=0.207L時，雙支座跨

15、中間截面的最大彎矩和支座截面處的彎矩相等，從而使上述兩截面上保持等強度?？紤]到支座截面處除彎矩以外的其他載荷，而且支座截面處的應力較為復雜，故常取支座截面處的彎矩略小于跨中間截面的彎矩，通常取尺寸不超過0.2L，為此中國現(xiàn)行標準JB4731鋼制壓力容器規(guī)定取0.2L，A值不得大于0.25L。否則由于容器外伸端的作用使支座截面處的應力過大。其中A為封頭切線到支座的距離，此外由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗彎剛度，故封頭對于圓筒的抗彎剛度有局部的加強作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對支座處圓筒截面的加強作用。因此，國標JB4731還規(guī)定當滿足，A0.2L時，最好使（Rm為圓筒的平均半徑，R

16、m Rin/2=605mm，Ri為圓筒的內(nèi)徑）。由于Rm/2=302.5mm, 0.2L=416mm因為0.2L0.5R，鞍座位置ARm/2=302.5mm取鞍座位置 A300mm其中：A為封頭切線到支座的距離為了防止臥式儲罐因操作溫度和安裝溫度不同而引起的熱膨脹，以及由于圓筒及物料的重量使圓筒防止彎曲等原因?qū)εP式儲罐引起的附加應力，對于雙鞍座中的其中一個設計為固定支座（代號F），而另一個應允許為可沿軸線方向移動的活動支座（代號S）?；顒又ё幕A螺栓應沿圓筒軸向開成長圓孔，固定支座通常設置在儲罐配管較多的一側(cè)，活動支座應安裝在沒有配管或配管較少的一側(cè)。圖2.1 液氨儲罐受力分析圖2.3.3鞍

17、座標準的選用 綜上所述，結(jié)合筒體公稱直徑和上述計算的鞍座反力F16228.7N=16.23 KN，查壓力容器手冊，選用JB/T471292標準的鞍式支座，公稱直徑DN1180mm,A型，帶加強墊板，允許支承載荷Q=147 KN，因為QF，所以符合要求。查JB/T471292可得鞍座基本尺寸：包角120°，支座高度H=200mm,鞍座寬度b150mm；腹板厚6mm；墊板寬270mm，墊板厚6mm；底板長880mm底板寬170mm，底板厚10mm；筋板寬140mm，筋板厚度6 mm，鞍座質(zhì)量52kg。鞍座的尺寸和結(jié)構(gòu)見裝配圖和附錄。鞍座墊板材料選16MnR，鞍座其余材料選用Q235AF鋼

18、。鞍座標記：JB/T471292，鞍座A 12002.4儲罐應力校核2.4.1筒體軸向應力校核（1）筒體軸向彎矩計算筒體中間處截面的彎矩 2.51×106N·mm支座處截面上的彎矩 = 5.01 ×105N·mm （2）筒體軸向應力計算由GBl5089表8-1查得由“扁塌現(xiàn)象”引起的抗彎截面模量減少系數(shù)K1K21.0 因為M1M2，且ARm/2=302.5mm,故應力必定出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應力。由彎矩引起的軸向應力最低點處： = MPa最低點處0.184MPa由于設計壓力引起的軸向應力 MPa軸向應力組合與校核軸向拉應力：2p+=58.8+0.18

19、458.98MPa許用軸向拉應力：t170Mpa，2t合格軸向壓應力：10.184Mpa軸向許用壓縮應力根據(jù)A值查GBl5089圖45，得B136MPat=170 MPa取許用壓縮應力 ac136MPa，合格1ac2.4.2筒體和封頭切向剪應力校核因筒體被封頭加強(即ARm/2)，筒體和封頭中的切向剪應力分別按下式計算(1) 筒體切向剪應力查GBl5089，取系數(shù)K30.880，K4=0.401 因為 < 0.8t =0.8×170=136 MPa ， 故合格。(2)封頭切向剪應力因為 1.25t h=1.25×t = 1.25×170 MPa 1.25th

20、，故合格。2.4.3筒體周向應力校核(1)周向應力計算設墊板不起加強作用，查GBl5089，取周向彎矩系數(shù)K6 =0.0132周向壓縮系數(shù)K5 =0.760，在鞍座處橫截面最低點處 MPa式中k=0.1,考慮容器焊接在鞍座上 其中：b2為筒體承受周向壓應力的有效長度。b為支座的軸向?qū)挾劝白吔堑闹芟驊σ騆/Rm=2080/605=3.438,故(2)周向應力校核 5 t170MPa 6 1.25t212.5MPa2.4.4鞍座有效斷面的平均應力校核查GBl5089，取系數(shù)K90.204支座承受的水平分力FsK9·F0.204×162293311N鞍座有效斷面平均應力 Mp

21、a應力校核 92/3t75.3MPa式中：bs為鋼制鞍座的腹板厚度，bs=2=6mm，由于鞍座的實際高度h=200mm1/3Rm=201.7mm，所以Hs取h=200mm。 t113 Mpa，為鞍座腹板材料Q235AF的許用應力。2.5 人孔設計因為筒體長度L=2080mm6000mm時，可以很好的采光、氣體置換，檢驗人員進行內(nèi)外部檢驗和出入方便，所以只需要設置一個人孔即可。由于儲罐的公稱直徑900mmDN2600 mm，而且設計了人孔和適當?shù)膫溆霉芸冢ㄒ娤挛模筒槐匾O計手孔和檢查孔。人孔不應該布置在鞍座處的截面和跨中間截面上，也不適宜在封頭上設置人孔?？紤]到筒體和鞍座的結(jié)構(gòu)尺寸，將人孔設

22、置在筒體的頂部，選取開孔中心距離筒體的邊緣620mm。由于沒有設計手孔和檢查孔，需要經(jīng)常打開人孔蓋進行檢查，為了方便打開人孔蓋，選用快開式，并根據(jù)儲罐的公稱直徑和公稱壓力，查手冊，選擇回轉(zhuǎn)蓋平焊法蘭人孔，標準號為JB580-79，C型密封面，類材料。人孔標記：人孔 C Pg16 Dg450 JB580-79人孔材料：筒節(jié)、法蘭、蓋子材料用Q235-B螺栓、螺母材料用Q235-A，法蘭材料選用16Mn(鍛)。人孔尺寸：公稱直徑Dg=450mm，接管尺寸dw×s480mm×10mm。2.6開孔補強計算 根據(jù)GBl5089規(guī)定，殼體名義厚度為10mm時，當在設計壓力小于或等于2.

23、5 MPa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm的接管可以不另行補強，故補強計算需考慮人孔和液氨進口處的開孔接管補強問題，這里只給出人孔補強計算。（1）人孔補強及補強方法判別補強判別 由于人孔接管的外徑為480 mm，大于允許不另行補強的的最大接管外徑89 mm，所以需要另行考慮補強，補強材料應該與殼體的材料相同，選用16MnR鋼，由前面的人孔設計可知，人孔的接管選用Q235B鋼，選用其厚度附加量C，C1C220.82.8mm，在該設計條件下Q235B鋼的許用應力=113Mpa。補強計算方法判別 開孔直徑dDi2 C，（

24、4802×10）2×2.8465.6mm本筒體開孔直徑d465.6mmDi/2600mm，滿足等面積法開孔補強計算的使用條件，故可以用等面積法進行開孔補強計算。（2）開孔補強所需補強面積削弱系數(shù)fr和接管有效厚度etfr/t113/1700.6647 et=ntC， =10-2.8=7.2mm開孔補強所需補強面積 A d2et (1fr) 465.6×5.662×5.66×7.2×(10.6647) 2689mm2式中：為筒體的計算厚度（3）有效補強范圍 有效寬度B=2d2×465.6931mm B=d2n2nt=465.6

25、2×102×10=525.6mm取兩者的最大值B933mm有效高度h1：外側(cè)有效高度：h1接管實際外伸高度為h1200mm，取兩者的最小值，h168.23mm。內(nèi)側(cè)高度h2：接管實際內(nèi)伸高度為零，故取h20。內(nèi)側(cè)有效高度：h2取兩者的最小值，故取h20。（4）有效補強面積殼體多余金屬面積A1(Bd)(e) 2(ntC)e)(1fr) (931465.6) ×(7.25.66) 2×7.2 ×(7.2 - 5.66)(1- 0.6647)817 mm2式中：e為筒體的計算厚度接管多余金屬面積A2 接管計算厚度tt=Mpa接管多余金屬面積A2A2

26、2h1(ett) fr +2h2(etC2) fr2×68.23×(7.24.81)×0.6647十0=216.7mm2補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積補強圈與筒體，補強圈與接管的焊縫腰高均取8mm。 A32××8×864 mm2有效補強面積Ae=A1A2A3=817216.764=1048.8 mm2A=2689 mm2所以需要另行補強。補強圈補強面積 A4AAe26891048.8 1540.2 mm2 (2)補強圈選用查補強圈標準HG2150692，選用補強圈450×10D16MnR JB/T4736，補強圈外徑D760mm，補強圈

27、內(nèi)徑d484mm，因為B=931 mm2D760mm，在補強圈的有效補強范圍之內(nèi)。所以補強圈的厚度為：考慮鋼板負偏差，并經(jīng)圓整和與殼體的焊接質(zhì)量問題，取補強圈的名義厚度等于筒體的名義厚度，即=n=10mm。2.7接管與法蘭聯(lián)結(jié)設計所有的接管材料選用10號鋼無縫鋼管，法蘭材料選用16Mn(鍛)，接管長度從罐體的外壁算起，罐頂?shù)慕庸荛L度可取150 mm，罐底的接管長度可取100 mm。接管位置示意圖見下圖2.2所示圖2.2 接管位置示意圖（1）液氨進出口 需要設計2個液氨進出口，液氨進口設置在筒體的頂部，出口設在罐底，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。選用凸面板式平焊鋼制管法蘭，公稱直徑80mm，接管

28、外徑89 mm。法蘭標記：HG20593 法蘭 PL801.6RF（2）液位計管口設置兩個液位計管口，兩個均設在左邊封頭上，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。右邊封頭上液位計管口時必須避開邊緣應力區(qū)，隨著離開封頭邊緣處的距離的增大，邊緣應力迅速衰減，所以將管口孔中心距離封頭頂點500mm。由于接管較長，要設計加強筋加強。法蘭標記：HG20593 法蘭 PL201.6RF（3）排污管口為了方便排凈污物，將排污管口設在罐底，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。選用螺紋管法蘭。法蘭標記：HG20598 法蘭 Th251.6（4）安全閥管口、壓力表管口、備用管口三個管口均用同種法蘭、接管結(jié)構(gòu)和尺寸，具體定位尺寸見液氨儲罐裝配圖。法蘭標記