液氨儲罐設(shè)計...doc

第一章 緒論1. 1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一液氨貯罐。工藝條件：溫度為40，氨飽和蒸氣壓，容積為20m3, 使用年限15年。1.2設(shè)計要求及成果1. 確定容器材質(zhì)；2. 確定罐體形狀及名義厚度；3. 確定封頭形狀及名義厚度；4. 確定支座，人孔及接管，以及開孔補強情況5. 編制設(shè)計說明書以及繪制設(shè)備裝配圖1張（A1）。1.3技術(shù)要求（1） 本設(shè)備按GBl50-1998鋼制壓力容器進行制造、試驗和驗收 （2） 焊接材料，對接焊接接頭型式及尺寸可按GB985-80中規(guī)定(設(shè)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(yīng)進行無損探傷檢查，探傷長度為100 第二章 設(shè)計參數(shù)確定2.1 設(shè)計溫度題目中給出設(shè)計溫度取402.2 設(shè)計壓力 在夏季液氨儲罐經(jīng)太陽暴曬，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷變化。通過查閱資料可知包頭最高氣溫為40.4，通過查表可知，在40 時液氨的飽和蒸汽壓(絕對壓力)為1.55MPa，密度為580kg/m3，而容器設(shè)計時必須考慮在工作情況下可能遇到的工作壓力和相對應(yīng)的溫度兩者相結(jié)合中最苛刻工作壓力來確定設(shè)計壓力。一般是指容器頂部最高壓力與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工作壓力。 此液氨儲罐采用安全法，依據(jù)化工設(shè)備機械基礎(chǔ)若儲罐采用安全法時設(shè)計壓力應(yīng)采用最大工作壓力的倍，取設(shè)計壓力（已知表壓）所以 。2.3 腐蝕余量查腐蝕數(shù)據(jù)手冊16MnR耐氨腐蝕，其，若設(shè)計壽命為15年，則2.4焊縫系數(shù)該容器屬中壓貯存容器，技壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定，氨屬中度毒性介質(zhì)，容器筒體的縱向焊接接頭和封頭基本上都采用雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透的焊接接頭，所以取或常見。得選取按下表選擇:表2.1 焊接接頭系數(shù)序號焊接接頭結(jié)構(gòu)焊接接頭系數(shù)全部無損探傷局部無損探傷1雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接焊接接頭1.00.852單面焊的對接焊接接頭，在焊接過程中沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板0.90.85此儲罐采用100%無損探傷，故2.5 容器直徑考慮到壓制封頭胎具的規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)件配套選用的需要，容器的筒體和封頭的直徑都有規(guī)定。此儲罐設(shè)計的公稱直徑（內(nèi)徑）選擇。表2.2 公稱直徑公稱直徑300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、40002.6 許用應(yīng)力40oC溫度時，16MnR鋼材的許用應(yīng)力表,知表2.3 溫度時，16MnR鋼材的許用應(yīng)力表鋼材厚度許用應(yīng)力屈服極限16170345163616332536601573052.7、材料選擇 根據(jù)液氨貯罐的工作壓力（作為設(shè)計壓力）、工作溫度（最高工作溫度為40）和介質(zhì)的性質(zhì)可知該設(shè)備為一中壓常溫設(shè)備，介質(zhì)對碳鋼的腐蝕作用很小,主要考慮的強度指標(biāo)（指和）和塑性指標(biāo)適合的材料有：A3R、20g、16MnR、15MnVR、20R。為了節(jié)省金屬，高壓設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選取普通低合金鋼、中強度。凡屬強度計算為主要的中壓設(shè)備亦以采用普通低合金鋼為宜。因為屈服強度分別為 和的普通低合金鋼，其材料價格與碳素鋼差不多，但強度比碳素鋼約高，采用該類鋼材制造壓力容器，可以有效地減少設(shè)備質(zhì)量，降低成本，給設(shè)備的制造、運輸、安裝帶來很大的方便。所以主要考慮16MnR和20R這兩種。 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。第三章 結(jié)構(gòu)的選擇與論證3.1儲罐類型選擇 儲罐可分為立式儲罐、臥式儲罐和球式儲罐。在本設(shè)計中由于設(shè)計體積較小（約為）且設(shè)計壓力較?。ǎ?故可采用臥式圓筒形容器，方形和矩形容器大多在很小設(shè)計體積時采用，因其承壓能力較小且使用材料較多；而球形容器雖承壓能力強且節(jié)省材料，但制造較難且安裝內(nèi)件不方便；立式圓筒形容器承受自然原因引起的應(yīng)力破壞的能力較弱，故選用圓筒形臥式容器。3.2封頭的選擇本液氨儲罐的封頭選用標(biāo)準(zhǔn)型橢圓形封頭。從應(yīng)力分布情況考慮：在直徑、壁厚、設(shè)計壓力相同的條件下各種封頭應(yīng)力分布由好到壞的順序是：半球形、橢圓形、蝶形、錐形、球冠形、平板形。橢圓型封頭的最大應(yīng)力值和與其相連接的圓筒體中的最大應(yīng)力值相等，便于筒體強度設(shè)計；碟心封頭有兩處連接邊界，受力不及橢圓形。 從金屬消耗量考慮：在相同設(shè)計條件下，各種封頭的金屬消耗量按下列順序依次增大：半球形，橢圓形，蝶形，平板形。球形封頭用量最少，比橢圓形封頭節(jié)約25.8，平板封頭的用量最多，是橢圓形封頭的4倍多。 從制造考慮：橢圓形封頭制造方便，平板封頭則因直徑和厚度較大，坯材的獲得、車削加工、焊接等方面都遇到不少困難，且封頭與筒體厚度相差懸殊，結(jié)構(gòu)也不合理。 所以，從強度、結(jié)構(gòu)和制造等方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。3.3出料接管的選擇 材料：容器接管一般應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)GB8163-87。材料為16MnR。結(jié)構(gòu)：接管伸進設(shè)備內(nèi)切成45度，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。接管的壁厚要求：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(yīng)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(dāng)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。 兩相鄰開孔中心的距離應(yīng)不小于兩孔直徑之和的2倍。 接管公稱外徑小于或等于。 接管最小壁厚滿足以下要求。表3.1 接管最小壁厚要求接管公稱直徑/mm57657689最小壁厚/mm5.06.0因此熱軋無縫鋼管的尺寸為。 鋼管理論重量為。取接管伸出長度為。 管法蘭的選擇：根據(jù)平焊法蘭適用的壓力范圍較低（）,選擇突面板式平焊管法蘭，標(biāo)記為：HG20592-1997法蘭RF(A)80-2.5,其中D=190,管法蘭材料鋼號（標(biāo)準(zhǔn)號）:20（GB711）。根據(jù)（歐洲體系）鋼制管法蘭、墊片、墊片、緊固件選配表（HG20614-1997）選擇：墊片型式為石棉橡膠板墊片(尚無標(biāo)準(zhǔn)號)，密封面型式為突面，密封面表面為密紋水線，緊固件型式為六角螺栓雙頭螺柱全螺紋螺柱。在離筒體底以上處安裝容器出料管，容器內(nèi)的管以彎管靠近容器底，這種方式用于臥式容器。出料口的基本尺寸以及法蘭與進料口相同。進出料接管滿足不另行補強的要求，所以不再另行補強。3.4容器支座的選擇容器支座有鞍座,圈座和支腿三種,用來支撐容器的重量?？芍笮团P式儲槽和臥式容器常采用鞍座，多于兩個支撐的長容器常采用圈座，小型容器常采用支腿，由于本設(shè)計采用臥式儲罐，故采用鞍式支座。3.5人孔的選擇人孔的作用：檢查設(shè)備和便于安裝與拆除設(shè)備內(nèi)部構(gòu)件。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。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。 根據(jù)儲罐是在常溫及最高工作壓力為的條件下工作，人孔標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按公稱壓力為的等級選取。從人孔類型標(biāo)準(zhǔn)可知，公稱壓力為的人孔類型很多，本設(shè)計考慮人孔蓋直徑較大較重，故選用水平吊蓋人孔。該人孔結(jié)構(gòu)中有吊鉤和銷軸，檢修時只需松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)一個角度，由吊鉤吊住，不必將蓋板取下。該人孔標(biāo)記為：HG21523-95人孔RF (AG)450-1.6，其中RF面密封，指接管與法蘭的材料為20R，AG指用普通石棉橡膠板墊片，450-1.6是指公稱直徑為、公稱壓力為。表3.2人孔選擇表人孔類型公稱壓力MPa公稱直徑mm板式平焊法蘭人孔0.6400、450、500、600板式平焊法蘭人孔（限用凸面）或帶頸平焊法法蘭1.0400、450、500、6001.6400、450、500、600帶頸對焊法法蘭2.5400、450、500、6004.0400、450、500、6003.6法蘭的選擇法蘭與筒體、封頭或管段以角焊方式聯(lián)接的，稱為平焊法蘭，平焊法蘭制造簡單，廣泛應(yīng)用，但剛性較差，緊用于壓力不高的場合，如管法蘭小于或等于,壓力容器法蘭小于或等于；是筒體、封頭或管段以對焊方式連接用的法蘭，稱為對焊法蘭或帶頸法蘭，對焊法蘭剛性好且對焊縫的強度高，適用于壓力、溫度較高的場合。3.7液面計的選擇 液面計是用以指示容器內(nèi)物料液面的裝置，其類型很多，大體上可分為四類，有玻璃板液面計、玻璃管液面計、浮子液面計和浮標(biāo)液面計。在中低壓容器中常用前兩種。 1玻璃板液面計和玻璃管液面計均適用于物料內(nèi)沒有結(jié)晶等堵塞固體的場合。板式液面計承壓能力強，但是比較笨重、成本較高。2玻璃板液面計一般選易觀察的透光式，只有當(dāng)物料很干凈時才選反射式。3當(dāng)容器高度大于時，玻璃板液面計和玻璃管液面計的液面觀察效果，應(yīng)改用其它適用的液面計。液氨為較干凈的物料，易透光，不會出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象所以在此選用玻璃管液面計。玻璃板液面計有透光式玻璃板液面計（T型）、反射式玻璃板液面計（R型）和試鏡式玻璃板液面計（S型）三種結(jié)構(gòu)，其適用溫度一般在0250。但透光式適用工作壓力較反射式高，試鏡式工作壓力最小。玻璃管液面計適用工作壓力小于，介質(zhì)溫度在的范圍。對于承壓設(shè)備，一般都是將液面計通過法蘭、活接頭或螺紋接頭與設(shè)備連接在一起，分別用于不同型式的液面計。考慮到本設(shè)備的設(shè)計壓力為1.6MPa,而且液氨為較干凈的物料，易透光，不會出現(xiàn)嚴(yán)重的堵塞現(xiàn)象，所以在此選用透光式玻璃板液面計（T型）。由筒體公稱直徑為，選擇長度為的液面計。. 確定液面計為透光式（T型）、公稱壓力、鍛鋼材料（16MnR）、保溫型、排污口配閥門、長頸對焊突面法蘭連接（按HG 20595-97）、公稱長度的液面計,標(biāo)記為：液面計AG 1.6- W-1450第四章 設(shè)計計算4.1儲罐高度確定儲罐容量為20，查表：表4.1 筒身常量公稱直徑DN1米高容器體積V1米高容器內(nèi)表面積Fi1米高容器鋼板質(zhì)量Kg鋼板厚度101416002.0175.0339755720003.1426.2842269522003.8016.8144676424004.5247.5547183326005.3098.17496902表4.2 封頭常量公稱直徑DN曲面高度h1直邊高度h0內(nèi)表面積F容積V厚度質(zhì)量G1600400252.9010.58610224122701431516362184082200590405.52291.5459146162400600406.52216835試選用公稱直徑為2000mm，由工藝尺寸HG-T 3154-1985 得： 罐體長度L=4800mm 則總長為 ,取整。 由于液氨筒體的長徑比值為為合適值，所選的長徑比 所以，選用公稱直徑為2000mm的筒體合適。4.2 設(shè)計與校核4.2.1 筒體壁厚設(shè)計4.2.1.1筒體計算壁厚根據(jù)公式:其中、代入公式：由2.3可知則 得： 根據(jù) ，查書中表可知則可得： 4.2.1.2筒體最小厚度校驗，滿足要求4.2.1.3筒體水壓試驗液壓試驗時 設(shè)計溫度 圓筒的應(yīng)力 因為 , 所以，水壓校驗符合要求4.2.2筒體軸向應(yīng)力計算與校核4.2.2.1筒體軸向彎矩計算筒體中間處截面的彎矩用下式計算： 式中 鞍座反力，；橢圓封頭長軸外半徑，； 兩封頭切線之間的距離，； 鞍座與筒體一端的距離，； 封頭短軸內(nèi)半徑，。其中：。所以：式中 ； ； ；將數(shù)值代入公式得支座處截面上的彎矩 所以： 4.2.2.2筒體軸向應(yīng)力計算由化工機械工程手冊（上卷，P1199）得。因為：，且，所以，最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應(yīng)力。4.2.2.3由彎矩引起的軸向應(yīng)力筒體中間截面上最高點處 式中 所以：筒體中間截面上最低點處： 。鞍座截面處最高點處：鞍座截面處最低點處： 4.2.2.4由設(shè)計壓力引起的軸向應(yīng)力由： 所以：4.2.2.5軸向應(yīng)力組合與校核最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在筒體中間截面最低處，所以，許用軸向拉壓應(yīng)力，由上述計算得： ，合格。最大軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在充滿水時，在筒體中間截面最高處，軸向許用應(yīng)力：從書中查得： ，計算得，取許用壓縮應(yīng)力 ，所以合格。4.2.3 封頭壁厚計算4.2.3.1 封頭計算壁厚根據(jù)公式： 本儲罐選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，故形狀系數(shù)，代入：4.2.3.2 封頭設(shè)計壁厚根據(jù)公式： ，代入：則名義厚度： 4.2.3.3 封頭最小厚度校驗 ，滿足要求4.2.3.4 封頭強度校核經(jīng)強度校核滿足要求4.2.4筒體和封頭切向應(yīng)力校核因筒體被封頭加強，筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力分別按下列計算。4.2.4.1筒體切向應(yīng)力計算由化工機械工程手冊（上卷，P11-100）查得。所以：4.2.4.2封頭切向應(yīng)力計算 因 ， 所以合格。4.2.5.筒體環(huán)向應(yīng)力的計算和校核4.2.5.1.環(huán)向應(yīng)力的計算設(shè)墊片不起作用1）在鞍座處橫截面最低點式中：筒體的有效寬度，。由化工機械工程手冊（上卷，P11-101）查得，。式中，考慮容器焊在鞍座上式中：鞍座軸向?qū)挾?，。所以所?）鞍座邊角處軸向應(yīng)力因為 ，且 所以 4.2.5.2.環(huán)向應(yīng)力的校核，合格。，合格。4.2.5.3鞍座有效斷面平均壓力鞍座承受的水平分力由化工機械工程手冊（上卷，P11-103）查得，。所以 。鞍座有效斷面平g均應(yīng)力式中：鞍座的計算高度，； 鞍座的腹板厚度，。其中取鞍座實際高度（）和中的最小值，即。腹板厚度所以 應(yīng)力校核： ，式中則 由上述計算得： 鞍座材料Q235AF的許用應(yīng)力。4.3人孔設(shè)計與人孔補強確定4.3.1 人孔的尺寸選擇表4.3 人孔尺寸選擇表人孔類型，公稱壓力，公稱直徑DD1帶頸平焊法蘭人孔，公稱壓力為1.6MPa，公稱直徑為450mm480*10640585dbb1（RF）（1）（1）（1）（2）-34383436螺栓或螺柱總質(zhì)量回轉(zhuǎn)蓋規(guī)格數(shù)量M2720171/1814.3.2 人孔開孔補強由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑，壁厚，故補強圈尺寸確定如下：補強圈內(nèi)徑，外徑，根據(jù)補強圈的金屬表面積應(yīng)大于或等于開孔減少的截面積，補強圈的厚度按下式計算： 故補強圈取厚。4.4液面計選擇選用玻璃管液面計(HG 21592-95)，選用材料如下：表4.5玻璃管液面計選用內(nèi)容玻璃管液面計法蘭形式及其代號A型：帶頸平焊突面管法蘭（HG 20594-95）B型：帶頸帶焊凸面管法蘭（HG 20594-95）C型：帶頸平焊突面管法蘭（HG 20616-95）液面計型號G型液面計主要材料代號：16Mn：OCr18Ni9結(jié)構(gòu)形式及其代號無代號：普通型W:保溫型 公稱長度及（透光長度*寬度）mm1450(1160*14)排污結(jié)構(gòu)V：排污口配閥門P：排污口配螺塞 液面積標(biāo)記為AG 1.6- W-14504.5接口管選擇4.5.1液氨進料管用無縫鋼管(強度驗算略)。一端切成45。配用具有突面密封的平焊管法蘭。 法蘭標(biāo)記：HG20593 法蘭SO80-1.6 RF 16MnR。 因為，厚度等于，故不用補強。4.5.2液氨出料管 采用可拆壓出管，用法蘭套在接口管內(nèi)。罐體接口管法蘭：HG20593 法蘭SO50-1.6 RF 16MnR。該法蘭與的接口管相配合并焊接在一起，另一法蘭蓋與該法蘭用焊接緊固，法蘭蓋上穿過的壓出管，兩者焊接牢。其聯(lián)結(jié)尺寸和厚度與HG20592 法蘭SO50-1.6 RF 16MnR相同，但內(nèi)徑。 液氨壓出管端部法蘭(與氨輸送管相連)用HG20592 法蘭SO50-1.6 RF 16MnR。都不必補強。壓出管伸入貯罐。4.5.3排污管貯罐右端最底部安設(shè)排污管1個，管子規(guī)格，管端焊有一與截止閥J41W-16相配的管法蘭：HG20592 法蘭SO50-1.6 RF 16MnR。排污管與罐體聯(lián)接處焊有一厚度為的補強圈。 4.5.4液面計接口管本貯罐采用兩支玻璃管液面計BIW ，HG-5227-80一支。與液面計相配的接管，法蘭為 HG20595 法蘭WN32-2.5 RF 16MnR。4.5.5放空管接口管用無縫鋼管，法蘭為 HG20592 法蘭SO25-1.6 RF 16MnR。4.5.6安全閥接口管其尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用的無縫鋼管，法蘭為 HG20592 法蘭SO25-1.6 RF 16MnR。4.6鞍座設(shè)計 儲罐總質(zhì)量：式中：罐體質(zhì)量 封頭質(zhì)量充液質(zhì)量 附件質(zhì)量4.6.1 罐體質(zhì)量的計算:罐體質(zhì)量，筒節(jié) ，每米質(zhì)量為 ，;故 4.6.2 封頭質(zhì)量的計算：封頭質(zhì)量，直邊高度的橢圓形封頭，其質(zhì)量為，故： 4.6.3充液質(zhì)量V=V式中：儲罐容積 水的密度為 裝料系數(shù)=0.7故：4.6.4附件質(zhì)量： 人孔質(zhì)量為，其他接管總和按計。故： 4.6.5設(shè)備總質(zhì)量。每個鞍座只約承受負(fù)荷，所以選用輕型墊板，包角為的鞍座，即：JB/T74712-92鞍座A2200-F；JB/T74712-92鞍座A2200-S。4.6.6鞍座安放位置筒體長度。式中：兩鞍座間距離鞍座與封頭切線之間距離由于筒體L/D較大，且鞍座所在平面又無加強圈，取 附表 總 圖 材 料 明 細(xì) 表 (mm)22GB8163-87出料接管 1010.521HB20592-95法蘭SO32-1.6 RF16MnR12.0220HB20592-95法蘭內(nèi)徑其它尺寸按SO32-1.6 16MnR13.0819GB8163-87壓料接管1014.518HB20592-95法蘭SO2