液氨貯罐機(jī)械設(shè)計(jì)石賢才 2

1、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)題 目：液氨貯罐的機(jī)械設(shè)計(jì)姓 名：石賢財(cái)學(xué) 號(hào)：2012115107指導(dǎo)教師：徐想娥2014年6月 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課 題：液氨貯罐的機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容：根據(jù)給定工藝參數(shù)設(shè)計(jì)一臺(tái)液氨貯罐已知工藝參數(shù)：最高使用溫度：T=40公稱直徑：DN=2600mm筒體長(zhǎng)度（不含封頭）：L0=4800mm具體內(nèi)容包括：1.罐體及封頭壁厚設(shè)計(jì)2.鞍座的選擇4.人孔的選擇5.各類接管和法蘭的確定設(shè) 計(jì) 人：學(xué) 號(hào)：下達(dá)時(shí)間：完成時(shí)間：目錄1設(shè)計(jì)方案311設(shè)計(jì)原則312設(shè)計(jì)參數(shù)的確定313設(shè)計(jì)結(jié)果42各種參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算621壁厚設(shè)計(jì)6211筒體壁厚設(shè)計(jì)6212封頭壁厚設(shè)計(jì)6213封頭水壓試驗(yàn)與強(qiáng)度校核

2、722鞍座設(shè)計(jì)7221罐體質(zhì)量m17222封頭質(zhì)量m28223液氨質(zhì)量m38224附件質(zhì)量m4823人孔設(shè)計(jì)9231人孔的設(shè)計(jì)9232人孔補(bǔ)強(qiáng)的確定924接口管設(shè)計(jì)9241液氨進(jìn)料管設(shè)計(jì)9242液氨出料管設(shè)計(jì)9243液面計(jì)接管設(shè)計(jì)10244放空閥接口管設(shè)計(jì)10245安全閥接口管設(shè)計(jì)10246排污管103參數(shù)校核1131筒體軸向應(yīng)力校核11311筒體軸向彎矩計(jì)算11312通體軸向應(yīng)力計(jì)算1232筒體和封頭切向剪應(yīng)力校核13321筒體切向應(yīng)力計(jì)算13322封頭切向剪應(yīng)力計(jì)算1333筒體環(huán)向應(yīng)力校核14331環(huán)向應(yīng)力計(jì)算14332環(huán)向應(yīng)力校核1534鞍座有效斷面平均應(yīng)力154符號(hào)及公式對(duì)照表1641

3、符號(hào)對(duì)照表1642公式對(duì)照表175總結(jié)19參考文獻(xiàn)201設(shè)計(jì)方案11設(shè)計(jì)原則本液氨貯罐屬于中壓容器，設(shè)計(jì)以“鋼制壓力容器”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB150）為依據(jù)，嚴(yán)格按照政府部門(mén)對(duì)壓力容器安全監(jiān)督的法規(guī)“壓力容器安全技術(shù)監(jiān)督教程”的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。以安全為前提，綜合考慮質(zhì)量保證的各個(gè)環(huán)節(jié)，盡可能做到經(jīng)濟(jì)合理，可靠的密封性，足夠的安全壽命。其設(shè)計(jì)的主要步驟如下：1）對(duì)設(shè)計(jì)中要用的各種設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和選取，以及根據(jù)制造容器的特殊要求選擇材料。2）利用計(jì)算公式對(duì)容器筒體和封頭壁厚的設(shè)計(jì)，以及封頭類型的選擇。3）根據(jù)鞍座承受的載荷而選用對(duì)稱布置的雙鞍座，再對(duì)容器進(jìn)行各種應(yīng)力分析和校核。4）從連接的密封性，強(qiáng)度等

4、角度出發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)選用各種法蘭。12設(shè)計(jì)參數(shù)的確定1）設(shè)計(jì)溫度：T=402）設(shè)計(jì)壓力：本貯罐在最高使用溫度40下，氨的飽和蒸汽壓為1.555Mpa（絕對(duì)壓強(qiáng)），故取設(shè)計(jì)壓力為p=1.08(1.555-0.10133)=1.5699636Mpa（表壓），原因是因?yàn)槿萜魃涎b有安全閥時(shí)，可取1.05到1.11倍的最高工作壓力作為設(shè)計(jì)壓力，這里取最高設(shè)計(jì)壓力為1.08倍。3）材料的選擇：由操作條件分析，該容器屬于中壓，常溫范疇。在常溫下材料的組織和力學(xué)性能沒(méi)有明顯變化?？紤]到材料的機(jī)械性能、焊接性能、腐蝕情況、強(qiáng)度條件、鋼板價(jià)格、鋼板的耗材量與質(zhì)量等要求，根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤，高炳軍，董俊華，P1

5、96）表86鋼板選用表，筒體和封頭的材料選擇鋼號(hào)為16MnR的鋼板。接管材料選用10號(hào)鋼管（許用應(yīng)力：=t=121Mpa）（化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤，高炳軍，董俊華，P201）表88鋼管許用應(yīng)用表），法蘭材料選用16Mn（鍛），鞍座底板材料選用16MnR，鞍座其余材料選用Q235AF。4）鋼板厚度負(fù)偏差：由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤，高炳軍，董俊華，P211）對(duì)壓力容器用的低合金鋼鋼板（GB713-2008）和不銹鋼（含耐熱鋼）鋼板（GB24511-2009），鋼板負(fù)偏差C1=0.8mm。5)腐蝕裕量：根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤，高炳軍，董俊華，P211）知腐蝕裕量由介質(zhì)對(duì)材料的均勻腐蝕速率與

6、容器的設(shè)計(jì)壽命決定。腐蝕裕量C2=n，其中為腐蝕速率；n為容器的設(shè)計(jì)壽命。根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)（左景伊，左禹編著P216）鋼鐵對(duì)于氨氣和液氨有優(yōu)良的耐蝕性，腐蝕率在0.1mm/a以下。且設(shè)計(jì)貯罐為單面腐蝕，故取C2=2.0mm。6）焊接頭系數(shù)：本次設(shè)計(jì)是液氨貯罐的機(jī)械設(shè)計(jì)。氨屬于中度毒性物質(zhì)，要保證設(shè)備密封性能良好，故筒體焊接結(jié)構(gòu)采用雙面焊接或相當(dāng)于雙面的全焊透的對(duì)接接頭，且全部無(wú)損探傷的，故取焊接頭系數(shù)=1.0。7)許用應(yīng)力：對(duì)于本設(shè)計(jì)是用鋼板卷焊的筒體以內(nèi)徑作為公稱直徑DN=D1=2600mm。假設(shè)16MnR剛的厚度在1636mm之間，設(shè)計(jì)溫度下鋼板的許用應(yīng)力t=163Mpa。常溫強(qiáng)度指

7、標(biāo)b=490Mpa、s=325Mpa。13設(shè)計(jì)結(jié)果罐體：采用16MnR鋼板，DN=2600mm，L0=4800mm，n=18mm封頭：采用DN22001816MnR JB/T4737鞍座：采用JB/T471292 鞍座A2200F JB/T471292 鞍座A2600S人孔：采用HG2152395人孔R(shí)F（AG）4502.5液氨進(jìn)料管：采用57mm3.5mm無(wú)縫鋼管液氨出料罐：采用可拆的壓出管25mm3mm，將它與法蘭套在接口管38mm3.5mm內(nèi)排污管：采用57mm3.5mm的管子液面計(jì)：采用玻璃管液面計(jì)BIW PN1.6，L=1000mm，HG522780放空閥接口管：采用32mm3.5m

8、m無(wú)縫鋼管，法蘭HG20592，法蘭SO251.6RF 16MnR安全閥接口管：采用32mm3.5mm無(wú)縫鋼管，法蘭HG20592 ，法蘭SO251.6RF 16MnR2各種參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算21壁厚設(shè)計(jì)211筒體壁厚設(shè)計(jì)根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤編P172），將計(jì)算厚度與腐蝕裕量作為設(shè)計(jì)厚度，即： + （2-1）式中：d設(shè)計(jì)厚度（mm）； C2腐蝕裕量（mm）； Pc圓筒的設(shè)計(jì)壓力（Mpa）； Di圓筒的公稱直徑（mm）； 焊接接頭系數(shù)； t鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（Mpa）。于是 + =1.5699636Mpa2600/（21631.00-1.5699636）+2.0=14.58177738

9、866mm將設(shè)計(jì)厚度加上鋼板負(fù)偏差后向上圓整到鋼板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，圓筒的名義厚度：n=dC1 （2-2）即 n=dC1=14.6+0.8+=16mm。圓整后取n=16mm厚的16MnR鋼板制作筒體。有效厚度：e=nC1C2 （2-3）所以 e=nC1C2=160.82.0=13.2mm212封頭壁厚設(shè)計(jì)由于橢圓封頭厚度的計(jì)算公式和筒體厚度的計(jì)算公式幾乎一樣，說(shuō)明園筒體采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓圓封頭，其封頭厚度近似等于筒體厚度，這樣筒體和封頭可采用同樣厚度的鋼板來(lái)制造。故采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭。由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤編，P214）知，h=，封頭的直邊高度與封頭公稱直徑有關(guān)，封頭公稱直徑小于等于2000mm

10、時(shí)，=25mm，封頭公稱直徑大于2000mm時(shí)，=40mm。封頭的設(shè)計(jì)厚度： （2-4）即=1.569963626001/（21631.00）+2.0=14.5211821mm考慮鋼板厚度負(fù)偏差及沖壓減薄量，需圓整，封頭的名義厚度仍利用公式（2-2）于是n=dC1=14.5211821+0.8+=16mm。圓整后取n=16mm厚的16MnR鋼板制作封頭。橢圓封頭標(biāo)記為：橢圓封頭DN26001616MnR JBT4737封頭的有效厚度由公式（2-3）計(jì)算，于是e=nC1C2=160.32.0=13.2mm由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤編，P214）得標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的直邊厚度h0=40mm。故兩封頭切線

11、之間的距離為L(zhǎng)= L02h0=4800+240=4880mm。213封頭水壓試驗(yàn)與強(qiáng)度校核根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤編，P460）公式 （2-5）式中:pt試驗(yàn)壓力（Mpa）； e有效厚度（mm）； s強(qiáng)度指標(biāo)（Mpa）。其中pt=1.25p=1.251.5699636=1.9624545Mpa e =13.7mm s=325Mpa于是=194.25326Mpa0.9s=0.93251.0=295.2Mpa因此，水壓試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。22鞍座設(shè)計(jì)首先，粗略計(jì)算鞍座負(fù)荷貯罐總質(zhì)量：m=m1m2m3m4 （2-6）式中：m1罐體質(zhì)量（kg）； m2封頭質(zhì)量（kg）； m3液氨質(zhì)量（kg）； m4

12、附件質(zhì)量（kg）。221罐體質(zhì)量m1根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤P227）表查得，DN=2600mm，壁厚n=16mm條件下筒節(jié)鋼板質(zhì)量q1=1032kg/m，故m1=q1L0 （2-7） 于是m1=q1L0=10324.8=4953.6kg 222封頭質(zhì)量m2根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤P230）續(xù)表查得，DN=2600mm，壁厚n=16mm，h0=40mm條件下， （2-8）于是m2=8.512.6137+24.72.61370.04 0.01371000Kg=831.833658Kg2 23液氨質(zhì)量m39液氨質(zhì)量公式 m3=V （2-9）式中：V主管容積（m3）； 水的密度（kg/m3）

13、。其中根據(jù)化工機(jī)械基礎(chǔ)（陳國(guó)恒編P312，）續(xù)表查得，DN=2600mm,壁厚n=16mm，h0=40mm條件下1m高筒體的體積V1=5.309m3，橢圓型封頭的容積V2=，故 V=V封V筒 （2-10）于是V=V封V筒=2V2+L0V1=22.51296+4.85.309=30.50913m3液氨在0時(shí)的密度為64kg/m3，小于水的密度，故充液氨質(zhì)量按水考慮。即=1000kgm3。所以，m3=V=30.509131000=30509.13kg224附件質(zhì)量m4人孔約重200kg，其他管的總和按300kg計(jì)，故 m4=200300=500kg設(shè)備總質(zhì)量為 m=m1m2m3m4=4953.6+

14、831.833658x2+30509.13+500=37626.397316kg各鞍座的反力為F=mg/2=37.639.81/2=184.5752 KN,由化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)（賀匡國(guó)編P606）表22-3查得，所以選用輕型（A型）120包角帶墊板鞍座，鞍座底板，mm，腹板，墊板弧長(zhǎng)=3030mm，。為防止筒體熱應(yīng)力，故選用一個(gè)固定鞍座和一個(gè)滑動(dòng)鞍座。鞍座標(biāo)記為：JBT4712.12007 鞍座A2600FJBT4712.12007 鞍座A2600S為了充分利用封頭對(duì)筒體臨近部分的加強(qiáng)作用，應(yīng)盡可能將鞍座安放在靠近封頭，即A應(yīng)小于或等于0.5R。但當(dāng)筒體的L/D較小，/D較大，或在鞍座

15、所在的垂直平面內(nèi)裝有加強(qiáng)圈時(shí)，可取A0.5R=650，取鞍座位置A=0.5R=0.51300=650mm。23人孔設(shè)計(jì)231人孔的設(shè)計(jì)根據(jù)貯罐是在常溫及最高工作壓力為1.5699636Mpa的條件下，人孔標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按公稱壓力為1.6Mpa的等級(jí)選取。受壓設(shè)備的人孔蓋較重，一般均選用吊蓋式人孔或回轉(zhuǎn)蓋式人孔。吊蓋式人孔使用方便，墊片壓緊較好，回轉(zhuǎn)蓋式人孔結(jié)構(gòu)就黯淡，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所占空間平面較小，如布置在水平位置時(shí)，開(kāi)啟時(shí)較為費(fèi)力。故選取水平吊蓋式人孔。該人孔標(biāo)記為：HG2152395人孔R(shí)F（AG）4501.6其中RF指突面封閉，指接管于法蘭的材料為20R，AG是指用普通石棉橡膠板墊片，4501.6是指公

16、稱直徑為450mm、公稱壓力為1.6MPa。232人孔補(bǔ)強(qiáng)的確定由于人孔的筒節(jié)不是采用無(wú)縫鋼管，故不能直接選用補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（董大勤編P387）表121查得，接管公稱直徑為di=450mm時(shí)補(bǔ)強(qiáng)圈外徑760mm。而內(nèi)徑按補(bǔ)強(qiáng)圈坡口類型確定。故設(shè)計(jì)選用C型20（C=10）。因此內(nèi)徑為 Di=di+2C+(1216) （2-11）于是內(nèi)徑為 Di=di2C（1216）=45021014=484mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度按下式估算 (2-12)式中：計(jì)算厚度（mm）。于是 故補(bǔ)強(qiáng)圈取26mm厚。24接口管設(shè)計(jì)241液氨進(jìn)料管設(shè)計(jì)根據(jù)化工設(shè)備課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)（方書(shū)起編P133），表610查得，采用5

17、7mm3.5mm無(wú)縫鋼管。管的一端切成45，深入貯罐內(nèi)少許。配用具有突面密封的平焊管法蘭，法蘭標(biāo)記：HG20592法蘭SO502.5 RF 16MnR。因?yàn)闅んw名義厚度d=16mm12mm，接管公稱直徑80mm，故不用不強(qiáng)。242液氨出料管設(shè)計(jì)采用可拆的壓出管25mm3mm，將它用法蘭套在接口管38mm3.5mm內(nèi)，罐體的接口管法蘭采用法蘭HG 20592 法蘭SO322.5 RF 16MnR。與該法蘭相配并焊接在壓出管的法蘭上，其連接尺寸和厚度與HG 20592法蘭SO322.5 RF 16MnR相同，但其內(nèi)徑為25mm。液氨壓出管的端部法蘭HG 20592法蘭SO322.5 RF 16Mn

18、R。這些小管都不補(bǔ)強(qiáng)。壓出管伸入貯罐2m。243液面計(jì)接管設(shè)計(jì)被貯罐采用玻璃管液面計(jì)AIW PN1.6，L=1000mm，HG 522780兩支。與液面計(jì)相配的接口管尺寸為18mm3mm,管法蘭為HG 20592 法蘭SO152.5 RF 16MnR。244放空閥接口管設(shè)計(jì)采用32mm3.5mm無(wú)縫鋼管，法蘭為HG 20592 法蘭SO252.5 RF 16MnR。245安全閥接口管設(shè)計(jì)采用32mm3.5mm無(wú)縫鋼管，法蘭為HG 20592 法蘭SO252.5 RF 16MnR（尺寸由安全閥泄露放量決定）246排污管貯罐右端最底部安設(shè)排污管一個(gè)，管子規(guī)格為57mm3.5mm，管端焊有一與截止閥

19、J41W16相配的管法蘭HG 25092 法蘭SO502.5 RF 16MnR。排污管一罐體連接處焊有一厚度為10mm的補(bǔ)強(qiáng)圈。3參數(shù)校核31筒體軸向應(yīng)力校核311筒體軸向彎矩計(jì)算筒體中間處截面的彎矩 (3-1)式中：F鞍座反力（N）； Rm橢圓封頭外半徑（mm）； L兩封頭切線之間的距離（mm）； A鞍座位置（mm）； Hi筒體內(nèi)半徑（mm）；其中所以支座處截面上的彎矩 （3-2）312通體軸向應(yīng)力計(jì)算由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）P11-19表11.411查得K1=K2=1.0。因?yàn)?且，故最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應(yīng)力。由彎矩引起的軸向應(yīng)力圓筒中間截面上最高點(diǎn)處： （3-3）于是最

20、低點(diǎn)處：鞍座截面處最高點(diǎn)處：最低點(diǎn)處：由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力 （3-4）于是軸向應(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點(diǎn)處 （3-5）于是 許用軸向拉壓應(yīng)力，合格。最大軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在充滿水時(shí)，在筒體中間截面最高點(diǎn)處軸向許用應(yīng)力 （3-6）于是 根據(jù)A值查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（趙軍，張有忱，段成紅編P152）119，外壓容器設(shè)計(jì)的材料溫度線圖，得B=130MPa，取許用壓縮應(yīng)力，合格。32筒體和封頭切向剪應(yīng)力校核因筒體被封頭加強(qiáng)，筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力分別按下列計(jì)算。321筒體切向應(yīng)力計(jì)算 （3-7）由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）P11100表11.412查得K3=0.880，K4=0

21、.401。于是 322封頭切向剪應(yīng)力計(jì)算 （3-8）于是 ，合格。33筒體環(huán)向應(yīng)力校核331環(huán)向應(yīng)力計(jì)算設(shè)墊片不起作用。（1）在鞍座處橫截面最低點(diǎn)處 （3-9）式中：b2筒體有效寬度。由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）P11101表11.413查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中:k=0.1考慮容器焊在鞍座上 式中: b2筒體有效寬度。由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）P11101表11.413查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中：k=0.1考慮容器焊在鞍座上 (3-10)式中: b支座軸向?qū)挾取Ｓ谑枪?（2）鞍座邊角處軸向應(yīng)力因 LRm=49001308=3.758，于是 （3-11

22、）故 332環(huán)向應(yīng)力校核MPaMPa34鞍座有效斷面平均應(yīng)力支座承受的水平分力 (3-12)由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）P11103表11.415查得K9=0.204。于是鞍座有效斷面平均應(yīng)力 (3-13)式中：Hs鞍座計(jì)算高度； B0鞍座腹板厚度。其中Hs取鞍座實(shí)際高度（H=250mm）和Rm3=13083=436mm中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度b0=2C1=100.8=9.2mm于是 應(yīng)力校核MPa式中:MPa，鞍座材料Q235AF的許用應(yīng)力。 4符號(hào)及公式對(duì)照表41符號(hào)對(duì)照表符號(hào)代表參數(shù)符號(hào)代表參數(shù)DN筒體直徑Hs鞍座設(shè)計(jì)高度L0筒體長(zhǎng)度（不含封頭）s屈服極限T溫度V體積P設(shè)計(jì)

23、壓力Pt試驗(yàn)壓力Pc計(jì)算壓力t管件應(yīng)力t許用應(yīng)力m質(zhì)量腐蝕速率L兩封頭切線間距離n設(shè)計(jì)年限h封頭直邊高C2腐蝕裕量F支座反力P1液柱靜壓力H鞍座高度焊接接頭系數(shù)A鞍座中心線與封頭切線間的距離密度Rm橢圓封頭外徑計(jì)算厚度hi封頭曲面深度d設(shè)計(jì)厚度M彎矩n名義厚度p軸向應(yīng)力e有效厚度R封頭內(nèi)徑K有效厚度封頭形狀系數(shù)剪應(yīng)力C1厚度負(fù)偏差b2筒體有效寬度42公式對(duì)照表名稱公式貯罐總質(zhì)量m=m1m2m3m4罐體質(zhì)量m1=q1L0封頭質(zhì)量m2=2q2充液質(zhì)量m3=V筒體中間處截面的彎矩支座處截面上的彎矩由彎矩引起的軸向應(yīng)力（最高點(diǎn)處）由彎矩引起的軸向應(yīng)力（最低點(diǎn)處）設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力軸向拉應(yīng)力軸向壓應(yīng)力軸向許用壓縮應(yīng)力筒體切向剪應(yīng)力封頭切向剪應(yīng)力鞍座處橫截面最低點(diǎn)處周向應(yīng)力鞍座邊角處