雙鞍座臥式液氨儲罐設(shè)計

1、課程設(shè)計題 目：100m雙鞍座臥式液化石油氣儲罐設(shè)計學 院： 榆林學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 指導老師： 范曉勇 學生姓名： 李云玲 學 號： 0806250208 完成日期2011年7月16日星期六前言1第一章 課程設(shè)計任務書11.設(shè)計目的：12.設(shè)計內(nèi)容及要求：13.課程設(shè)計要求：11）設(shè)計內(nèi)容：12）設(shè)計工作任務：2第二章 設(shè)計選材及結(jié)構(gòu)22.1 工藝參數(shù)的設(shè)定2設(shè)計壓力2筒體的選材及結(jié)構(gòu)2封頭的結(jié)構(gòu)及選材3第三章 設(shè)計計算33.1筒體壁厚計算33.2封頭壁厚計算43.3壓力試驗4水壓試驗4水壓試驗的應力校核：5第四章 附件選擇54.1人孔選擇54.2人孔補強的計算6內(nèi)壓容器開孔

2、后所需的補強面積:6最大開孔的限制64.2.3有效補強面積即已有的加強面積74.3進出料接管的選擇84.4液面計的設(shè)計94.5安全閥的選擇104.6排污管的選擇104.7法蘭的選取104.8鏍栓的選取104.9鞍座的選擇11鞍座結(jié)構(gòu)和材料的選取11容器載荷計算12鞍座選取標準12鞍座強度校核13第五章 容器焊縫標準135.1壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計要求135.2筒體與橢圓封頭的焊接接頭145.3管法蘭與接管的焊接接頭145.4接管與殼體的焊接接頭14第六章 筒體和封頭的校核計算156.1筒體軸向應力校核15由彎矩引起的軸向應力15由設(shè)計壓力引起的軸向應力：166.1.3 軸向應力組合與校核166.

3、2筒體和封頭切向應力校核16第七章 總結(jié)17參考文獻17前言本設(shè)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

4、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。設(shè)計基本思路：本設(shè)計綜合考慮環(huán)境條件、介質(zhì)的理化性質(zhì)等因素，結(jié)合給定的工藝參數(shù)，機械按容器的選材、壁厚計算、強度核算、附件選擇、焊縫標準的設(shè)計順序，分別對儲罐的筒體、封頭、人孔接管、人孔補強、接管、管法蘭、液位計、鞍座、焊接形式進行了設(shè)計和選擇。設(shè)備的選擇大都有相應的執(zhí)行標準，設(shè)計時可以直接選用符合設(shè)計條件的標準設(shè)備零部件，也有一些設(shè)備沒有相應標準，則選擇合適的非標設(shè)備。各項設(shè)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(shè)計有章可循，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理地進行設(shè)計。第一章 課程設(shè)計任務書1.設(shè)計目的：l（1）掌握過程設(shè)備設(shè)

5、計過程l（2）掌握查閱、分析資料的綜合能力l（3）掌握計算機的操作和相關(guān)軟件的操作l（4）掌握使用計算機繪制工程圖紙2.設(shè)計內(nèi)容及要求：表1：原始數(shù)據(jù)：序號項目數(shù)值單位備注1名稱雙鞍座臥式液氨儲罐設(shè)計2用途液氨儲存3罐體長度6450不包括封頭4工作溫度50夏季最高溫度5飽和蒸汽壓2.07絕對壓力6筒體內(nèi)徑21007工作介質(zhì)液化石油氣8使用壽命20年9使用地點室外10其他要求無損檢測3.課程設(shè)計要求：1）設(shè)計內(nèi)容：l（1）設(shè)備工藝l（2）設(shè)備強度計算與校核l（3）技術(shù)調(diào)劑編制l（4）繪制設(shè)備總裝配圖l（5）編制設(shè)計說明書2）設(shè)計工作任務：(1)設(shè)計說明書一份(2)總裝配圖一張（A1圖紙一份）第二

6、章 設(shè)計選材及結(jié)構(gòu)2.1工藝參數(shù)的設(shè)定設(shè)計壓力根據(jù)化學化工物性數(shù)據(jù)手冊查得50蒸汽壓為2032.5，可以判斷設(shè)計的容器為儲存內(nèi)壓壓力容器，按壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定，盛裝液化氣體無保冷設(shè)施的壓力容器，其設(shè)計壓力應不低于液化氣50時的飽和蒸汽壓力，可取液氨容器的設(shè)計壓力為2.16，屬于中壓容器。而且查得當容器上裝有安全閥時，取1.051.3倍的最高工作壓力作為設(shè)計壓力；所以取2.16 的壓力合適。屬于中壓容器。設(shè)計溫度為50，在-20200條件下工作屬于常溫容器。筒體的選材及結(jié)構(gòu)根據(jù)液氨的物性選擇罐體材料，碳鋼對液氨有良好的耐蝕性腐蝕率在0.1以下，且又屬于中壓儲罐，可以考慮20R和16Mn

7、R這兩種鋼材。如果純粹從技術(shù)角度看，建議選用20R類的低碳鋼板， 16MnR鋼板的價格雖比20R貴，但在制造費用方面，同等重量設(shè)備的計價，16MnR鋼板為比較經(jīng)濟。所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。鋼板標準號為GB6654-1996。筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱形。因為作為容器主體的圓柱形筒體，制造容易，安裝內(nèi)件方便，而且承壓能力較好，這類容器應用最廣。封頭的結(jié)構(gòu)及選材圖1：封頭 封頭有多種形式，半球形封頭就單位容積的表面積來說為最小，需要的厚度是同樣直徑圓筒的二分之一，從受力來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。

8、橢圓形封頭的應力情況不如半球形封頭均勻，但對于標準橢圓形封頭與厚度相等的筒體連接時，可以達到與筒體等強度。它吸取了蝶形封頭深度淺的優(yōu)點，用沖壓法易于成形，制造比球形封頭容易，所以選擇橢圓形封頭，結(jié)構(gòu)由半個橢球面和一圓柱直邊段組成。查橢圓形封頭標準（JB/T4737-95）以內(nèi)直徑為公稱直徑的封頭表2: 橢圓封頭標準內(nèi)徑曲面高度h1直邊高度h2內(nèi)表面積Fi/m2容積V/m32100525405.031.36封頭取與筒體相同材料。第三章 設(shè)計計算3.1 筒體壁厚計算 查 壓力容器材料使用手冊-碳鋼及合金鋼得16MnR的密度為7.85t/m3，熔點為1430，許用應力 列于下表：表3: 16MnR許

9、用應力鋼號板厚/20在下列溫度（）下的許用應力/ Mpa10015020025030016MnR6161701701701701561441636163163163159147134366015715715715013812560100153153150141128116圓筒的計算壓力為2.16 Mpa,容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭都采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)為1.0,全部無損探傷。取許用應力為163 Mpa。筒體計算厚度為：鋼板厚度負偏差mm,查材料腐蝕手冊得50下液氨對鋼板的腐蝕速率小于，所以雙面腐蝕取腐蝕裕量。mm圖2：筒體的相關(guān)尺寸所以設(shè)計厚度

10、為：圓整后取名義厚度為：3.2封頭壁厚計算標準橢圓形封頭 封頭計算公式故封頭厚度近似等于筒體厚度，取同樣厚度，則名義厚度。因為封頭壁厚20mm則標準橢圓形封頭的直邊高度。3.3壓力試驗水壓試驗，液體的溫度不得低于5；試驗方法：試驗時容器頂部應設(shè)排氣口，充液時應將容器內(nèi)的空氣排盡，試驗過程中，應保持容器外表面的干燥。試驗時壓力應緩慢上升，達到規(guī)定試驗壓力后，保壓時間一般不少于30min。然后將壓力降至規(guī)定試驗壓力的80%，并保持足夠長的時間以便對所有焊接接頭和連接部位進行檢查。如有滲漏，修補后重新試驗。水壓試驗時的壓力水壓試驗的應力校核：水壓試驗時的應力水壓試驗時的許用應力為故筒體滿足水壓試驗時

11、的強度要求。第四章 附件選擇4.1人孔選擇人孔的作用：為了檢查壓力容器在使用過程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷。人孔的結(jié)構(gòu)：既有承受壓力的筒節(jié)、端蓋、法蘭、密封墊片、緊固件等受壓元件，也有安置與啟閉端蓋所需要的軸、銷、耳、把手等非受壓件。圖3：法蘭人孔類型：從是否承壓來看有常壓人孔和承壓人孔。從人孔所用法蘭類型來看，承壓人孔有板式平焊法蘭人孔、帶頸平焊法蘭人孔和帶頸對焊法蘭人孔，在人孔法蘭與人孔蓋之間的密封面，根據(jù)人孔承壓的高低、介質(zhì)的性質(zhì)，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或環(huán)連接面。從人孔蓋的開啟方式及開啟后人孔蓋的所處位置看，人孔又可分為回轉(zhuǎn)蓋人孔、垂直吊蓋人孔和水平吊蓋人孔三種。人孔標準H

12、G21524-95規(guī)定PN1.0Mpa時只能用帶頸平焊法蘭人孔或帶頸對焊法蘭人孔。容器上開設(shè)人孔規(guī)定當Di1000時至少設(shè)一個人孔，壓力容器上的開孔最好是圓形的，人孔公稱直徑最小尺寸為400mm。綜合考慮選擇水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔（HG21524-95）,公稱壓力PN2.5、公稱直徑DN450、H1=320、RF型密封面、采用類20R材料、墊片采用外環(huán)材料為低碳鋼、金屬帶為0Cr19Ni9、非金屬帶為柔性石墨、C型纏繞墊。標記為：人孔RF（WC-1220）450-2.5HG21524-95總質(zhì)量為256kg.法蘭標準號為HGJ5053-91,墊片標準號為HGJ6972-91,法蘭蓋標準HGJ

13、6165-91材料為20R，螺柱螺母標準HGJ75-91螺柱材料40Cr螺母材料45，吊環(huán)轉(zhuǎn)臂和材料Q235-AF,墊圈標準為GB95-85材料100HV,螺母標準GB41-86，吊鉤和環(huán)材料Q235-AF，無縫鋼管材料為20，支承板材料為20R。尺寸表如下表4: 人孔標準尺寸表密封面型式PN/MpaDNdwsdDD1H1H2總質(zhì)量kg突面2.5450480124506706003202142564.2人孔補強的計算 開孔補強結(jié)構(gòu)：壓力容器開孔補強常用的形式可分為補強圈補強、厚壁管補強、整體鍛件補強三種。補強圈補強是使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、原材料易解決、安全、可靠等優(yōu)

14、點。在一般用途、條件不苛刻的條件下，可采用補強圈補強形式。但必須滿足規(guī)定的條件。 壓力容器開孔補強的計算方法有多種，為了計算方便，采用等面積補強法，即殼體截面因開孔被削弱的承載面積，必須由補強材料予以等面積的補償。當補強材料與被削弱殼體的材料相同時，則補強面積等于削弱的面積。補強材料采用16MnR。4.2.1內(nèi)壓容器開孔后所需的補強面積: 中國容器標準規(guī)定當時，接管公稱直徑小于或者等于80mm、當時，接管公稱直徑小于或者等于50mm的單個開孔允許不另行補強。4.2.2最大開孔的限制 當筒體內(nèi)徑，開孔最大直徑式中開孔直徑：強度削弱系數(shù)：殼體開孔處的計算厚度：接管有效厚度：則 4.2.3有效補強面

15、積即已有的加強面積殼體開孔后，在有效補強范圍內(nèi)，可作為補強的截面積（包括來自殼體、接管、焊縫金屬、補強元件）筒體上多余金屬面積：有效補強寬度 B=2d筒體的有效厚度 ：所以人孔接管上多余的面積：外側(cè)有效高度：內(nèi)側(cè)有效高度即實際內(nèi)伸高度：接管計算厚度：所以焊縫金屬截面積：則 比較的滿足以下條件的可選用補強圈補強：剛材的標準常溫抗拉強度Mpa；補強圈厚度應小于或等于殼體壁厚的1.5倍；殼體名義厚度；設(shè)計壓力；設(shè)計溫度?？芍驹O(shè)計滿足要求，則采用補強圈補強。所需補強圈的面積為：補強圈的結(jié)構(gòu)及尺寸：為檢驗焊縫的緊密型，補強圈上鉆M10的螺孔一個，以通入壓縮空氣檢驗焊縫質(zhì)量。按照根據(jù)焊接接頭分類，接管、

16、人孔等與殼體連接的接頭，補強圈與殼體連接的接頭取D類焊縫。根據(jù)補強圈焊縫要求，并查得結(jié)構(gòu)圖為帶補強圈焊縫T型接頭，補強圈坡口取B型（查化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計手冊）。查標準HG 21506-92 得補強圈外徑,內(nèi)徑則取485mm。計算補強圈厚度：查標準補強圈厚度取10mm，計算的補強圈厚度也滿足補強圈補強的條件。查得對應補強圈質(zhì)量為21.2kg。4.3進出料接管的選擇材料：容器接管一般應采用無縫鋼管，所以液體進料口接管材料選擇無縫鋼管，采用無縫鋼管標準GB8163-87。材料為16MnR。結(jié)構(gòu)：接管伸進設(shè)備內(nèi)切成45，可避免物料沿設(shè)備內(nèi)壁流動，減少物料對壁的磨損與腐蝕。圖4：儲罐上的各接管位置接

17、管的壁厚要求：接管的壁厚除要考慮上述要求外，還需考慮焊接方法、焊接參數(shù)、加工條件、施焊位置等制造上的因素及運輸、安裝中的剛性要求。一般情況下，管壁厚不宜小于殼體壁厚的一半，否則，應采用厚壁管或整體鍛件，以保證接管與殼體相焊部分厚度的匹配。不需另行補強的條件：當殼體上的開孔滿足下述全部要求時，可不另行補強。設(shè)計壓力小于或等于2.5Mpa。兩相鄰開孔中心的距離應不小于兩孔直徑之和的2倍。接管公稱外徑小于或等于89mm。接管最小壁厚滿足以下要求。表5: 接管最小壁厚要求接管公稱直徑/mm57766589最小壁厚/mm5.06.0因此熱軋無縫鋼管的尺寸為8912mm。 鋼管理論重量為22.79/m。取

18、接管伸出長度為150mm。管法蘭的選擇：根據(jù)平焊法蘭適用的壓力范圍較低（PN320.237kN,為使封頭對鞍座處的圓筒起加強作用，可取 ，則選A=710mm。左鞍座標記為JB/T4712-1992 鞍座 A3000-F.右鞍座標記為JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S.具體尺寸如下表：表7： 鞍座標準尺寸表公稱直徑DN允許載荷Q/kN鞍座高度h螺栓間距l(xiāng)2鞍座質(zhì)量/kg增加100mm高度增加的質(zhì)量/kg2100404250130017419鞍座強度校核鞍座腹板的水平分力：查得鞍座包角120對應系數(shù) 支座反力：鞍座腹板有效界面內(nèi)的水平方向平拉應力： 計算高度，取鞍座實際高度和兩者中的

19、較小值，mm 鞍座腹板厚度，8mm 鞍座腹板有效寬度，取墊板寬度 = 400mm與圓筒體的有效寬度兩者中的較小值，mm鞍座墊板有效厚度，8mm則鞍座腹板水平拉應力為：應力校核：鞍座材料Q235-AF的許用應力，則，。第五章 容器焊縫標準5.1壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 焊縫分散原則；避免焊縫多條相交原則；對稱質(zhì)心布置原則；避開應力復雜區(qū)或應力峰值去原則；對接鋼板的等厚連接原則；接頭設(shè)計的開敞性原則；焊接坡口的設(shè)計原則（焊縫填充金屬盡量少；避免產(chǎn)生缺陷；焊縫坡口對稱；有利于焊接防護；焊工操作方便；復合鋼板的坡口應有利于減少過渡層焊縫金屬的稀釋率）。5.2筒體與橢圓封頭的焊接接頭壓力容器受壓部分的焊

20、接接頭分為A、B、C、D四類，查得封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭采用A類焊縫。焊接方法：采用手工電弧焊，其原理是利用電弧熱量融化焊條和母材，由融化的金屬結(jié)晶凝固而形成接縫，焊接材料為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼，應用范圍廣，適用短小焊縫及全位置施焊，可適用在靜止、沖擊和振動載荷下工作的堅固密實的焊縫焊接，這種方法靈活方便，適應性強，設(shè)備簡單，維修方便，生產(chǎn)率低，勞動強度高。封頭與圓筒等厚采用對接焊接。平行長度任取。坡口形式為I型坡口。根據(jù)16MnR的抗拉強度=490Mpa和屈服點=325Mpa選擇E50系列（強度要求：490Mpa；400Mpa）的焊條，型號為E5014.該型號的焊條是鐵粉鈦型藥皮（藥皮成

21、分：氧化鈦30%，加鐵粉），適用于全位置焊接，熔敷效率較高，脫渣性較好，焊縫表面光滑，焊波整齊，角焊縫略凸，能焊接一般的碳鋼結(jié)構(gòu)。5.3管法蘭與接管的焊接接頭 管法蘭與接管焊接接頭形式和尺寸參照標準HG20605-97,根據(jù)公稱通經(jīng)DN 80選擇坡口寬度b=6mm，如附圖中的局部放大圖所示。5.4接管與殼體的焊接接頭所設(shè)的接管都是不帶補強圈的插入式接管，接管插入殼體，接管與殼體間的焊接有全焊透和部分焊頭兩種，它們的焊接接頭均屬T形或角接接頭。選擇HG20583-1998標準中代號為G2的接頭形式，基本尺寸為；，且，它適用于，因為所選接管的厚度都為殼體厚度的一半，殼體的厚度為26mm，所以符合要

22、求。選擇全焊透工藝，可用于交變載荷，低溫及有較大溫度梯度工況。如附圖中的局部放大圖所示。第六章 筒體和封頭的校核計算6.1筒體軸向應力校核 由彎矩引起的軸向應力筒體中間處截面的彎矩：式中 F鞍座反力，N； 橢圓封頭長軸外半徑，mm； L兩封頭切線之間的距離，mm；圖6：筒體受的薄膜內(nèi)力 A鞍座與筒體一端的距離，mm； hi封頭短軸內(nèi)半徑，mm。 支座處截面上的彎矩：所以由化工機械工程手冊（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因為M1M2，且ARm/2=863mm，故最大軸向應力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應力。筒體中間截面上最高點處 所以最低點處： 鞍座截面處最高點：最低點處：由設(shè)計壓力引起的軸向應力： 6.1.3 軸向應力組合與校核最大軸向拉應力出現(xiàn)在筒體中間截面最低處所以許用軸向拉壓應力，而。最大軸向壓應力出現(xiàn)在充滿水時，在筒體中間截面最高處軸向許用應力：根據(jù)A值查外壓容器設(shè)計的材料溫度線圖得B=150MPa，取許用壓縮應力，。圖7：儲罐的剪力圖與彎矩圖6.2筒體和封頭切向應力校核筒體切向應力計算：由化工機械工程手冊（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以 封頭切向應力計算：因所以合格。第七章 總結(jié) 通過這次課程設(shè)計，讓我對化工容器設(shè)計這門課有了進一步的認識。這次課設(shè)是對這門課程的一個總結(jié)，對化工機械