堿液貯罐的課程設(shè)計

1、淮南師范學(xué)院課程設(shè)計15設(shè)計任務(wù)書設(shè)計課題：堿液貯罐的機械設(shè)計工藝參數(shù)：最高使用溫度：T=50公稱直徑：DN=2200mm筒體長度（不含封頭）：L0=3819mm設(shè)計內(nèi)容：1.筒體材料的選擇2.罐的結(jié)構(gòu)尺寸3.罐的制造施工4.零部件型號及位置5.相關(guān)校核計算設(shè)計人： 學(xué)號：指導(dǎo)老師： 完成時間： 目錄設(shè)計任務(wù)書I目錄I1前言12堿液貯罐設(shè)計參數(shù)的確定22.1設(shè)計溫度與設(shè)計壓力的確定22.2筒體和附件材料的選擇22.3其他設(shè)計參數(shù)22.3.1封頭的選擇22.3.2許用應(yīng)力32.3.3焊接接頭系數(shù)33工藝計算43.1筒體壁厚的計算43.2封頭壁厚的計算43.3強度檢驗及水壓試驗53.4選擇人孔53

2、.4.1人孔的選擇53.5支座63.5.1支座的選取73.5.2鞍座的計算73.5.3安裝位置84選配工藝接管94.1堿液進料管94.2堿液出料管94.3排污管94.4液面計接管94.5放空管接口管104.6安全閥接口管105設(shè)計結(jié)果一覽表116堿液貯罐裝配圖127總結(jié)131 前言堿液是一種具有很強腐蝕性的堿性化學(xué)品，這意味著它能夠溶解脂肪等粘性物質(zhì)，并且對其他物質(zhì)存在很高的化學(xué)反應(yīng)能力。堿液有片狀，粒狀或液體形式，它很危險，會給物體表面和人體造成損害。在現(xiàn)代堿液生產(chǎn)之前，人們只能從原始材料加工獲得它。幾千年來，人類一直使用堿液制作香皂和制革。他們在極高的溫度下焦化特定硬木產(chǎn)生白灰。蘋果樹，橡

3、樹，海草都是理想的燃料。然后添加水，并混合一些小蘇打滲透進灰質(zhì)清除它們包含的堿液。當灰質(zhì)過濾出去以后，留下的水就含有足夠的堿液一溶解動物皮草上的脂肪，或與其他成分混合制成香皂。為能夠進行連續(xù)的生產(chǎn)，需要有儲存堿液的容器，因此設(shè)計堿液貯罐是制造貯罐的必備步驟，是化工生產(chǎn)能夠順利進行的前提。本次課程設(shè)計是在我們學(xué)完化工設(shè)備機械基礎(chǔ)這門課程后開的課程設(shè)計，目的就是設(shè)計一臺堿液貯罐。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，貯罐形式為圓筒形，由于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。設(shè)計內(nèi)容主要包括，設(shè)計所需參數(shù)的確定，貯罐材料的選取，筒體和封頭壁厚的計算以及相關(guān)校核，另外還有支座以及

4、一些附件的選取與安裝。最后匯出堿液貯罐的裝配圖。由于本人能力有限，設(shè)計過程中難免出現(xiàn)錯誤，還請老師指出。2 堿液貯罐設(shè)計參數(shù)的確定2.1 設(shè)計溫度與設(shè)計壓力的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，所設(shè)計堿液貯罐的最高使用溫度為50，查表可知50時液氨的飽和蒸汽壓為1.87MPa1。容器的設(shè)計壓力應(yīng)該高于其最大工作壓力，對于裝有安全閥的容器，其設(shè)計壓力不得低于安全閥的開啟壓力，安全閥的開啟壓力是根據(jù)容器最大工作壓力調(diào)定，據(jù)此，取最大壓力的1.1倍作為容器的設(shè)計壓力，故設(shè)計壓力為，取。2.2 筒體和附件材料的選擇堿液是一種具有很強腐蝕性的堿性化學(xué)品，貯罐可選用低合金鋼，壓力容器專用鋼板為16MnR。16MnR

5、是345 MPa級的低合金鋼，具有良好的機械性能、焊接性能、工藝性能及低溫沖擊韌性。中溫及低溫的機械性能均優(yōu)于Q235-A、15、20等碳素鋼，是使用十分成熟的鋼種，質(zhì)量穩(wěn)定、可使用-40475場合。所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體的材料。16MnR的含碳量為0.12%0.20%，含Mn量較低，伸長率為19-21%，是目前我國用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板。優(yōu)質(zhì)低碳鋼的強度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設(shè)備制造中常用作熱交換器列管、設(shè)備接管、法蘭的墊片包皮。優(yōu)質(zhì)中碳鋼的強度較高，韌性較好，但焊接性能較差，不宜用作接管用鋼。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故選擇10號優(yōu)質(zhì)低碳鋼

6、的普通無縫鋼管制作各型號接管。由于法蘭必須具有足夠大的強度和剛度，以滿足連接的條件，使之能夠密封良好，故選用20號鋼。2.3 其他設(shè)計參數(shù)2.3.1 封頭的選擇幾何方面，就單位容積的表面積來說，以半球形封頭為最小。橢圓形和蝶形封頭的容積和表面積基本相同，可以近似認為相等。力學(xué)方面，在直徑、厚度和計算壓力相同的條件下，半球形封頭的應(yīng)力最小，二向薄膜應(yīng)力相等，而沿經(jīng)線的分布式均勻的。如果與壁厚相同的圓筒體連接，邊緣附近的最大應(yīng)力與薄膜應(yīng)力并無明顯不同。橢圓形封頭的應(yīng)力情況就不如半球形封頭均勻。由應(yīng)力分析可知，橢圓形封頭沿經(jīng)線各點的應(yīng)力是變化的，頂點處應(yīng)力最大，在赤道上可能出現(xiàn)環(huán)向內(nèi)壓應(yīng)力，對于標準

7、橢圓形封頭與壁厚相等的圓筒體相連接時，其可以達到與筒體等強度。從制造方面分析來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式，但缺點是濃度大，沖壓較為困難；橢圓封頭濃度比半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。因此，從幾何、力學(xué)和制造方面綜合考慮，采用標準橢圓形封頭最為合理。橢圓形封頭的型式及尺寸按JB/T 4737-95橢圓形封頭的規(guī)定標準橢圓形封頭的長短軸比值為2。封頭材料與筒體一樣為16MnR。2.3.2 許用應(yīng)力制造容器所用的鋼板，其在設(shè)計溫度下許用應(yīng)力值的大小，直接決定著容器強度，是主要設(shè)計參數(shù)之一2。在GB 150鋼制壓力容器中，對鋼板、鍛件、緊固件均規(guī)定了材料的許用

8、應(yīng)力，16MnR的許用應(yīng)力見表2-1。表2.1 壓力容器用16MnR鋼板的許用應(yīng)力鋼號鋼板標準使用狀態(tài)厚度mm常溫強度指標在下列溫度()下的需用應(yīng)力/MPabMPasMPa2010015016MnRGB 6654熱軋，正火616510345170170170163649032516316316336604703051571571572.3.3焊接接頭系數(shù)焊縫區(qū)是容器上強度比較薄弱的地方。焊縫區(qū)強度降低的原因在于焊接時可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)；焊接熱影響區(qū)往往形成出大晶粒區(qū)而使強度和塑性降低；由于結(jié)構(gòu)剛性約束造成焊接內(nèi)應(yīng)力過大等。焊縫區(qū)的強度主要決定于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。設(shè)計所需的焊接街

9、頭系數(shù)大小主要根據(jù)焊接接頭的型式和無損檢測的長度比率確定。容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭基本上都采用雙面焊，所以取焊接接頭系數(shù)(雙面焊，全部無損探傷)。3 工藝計算3.1 筒體壁厚的計算筒體的理論計算壁厚公式為2： (3.1)式中 筒體的理論計算壁厚，mm； pc筒體計算壓力，MPa； Di筒體內(nèi)徑，mm； t鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa;焊接接頭系數(shù)，其值為1。取計算壓力pc=p=1.95MPa，筒體內(nèi)徑Di=DN=2200mm，筒體內(nèi)徑L=3400 mm，查表2.1知16MnR在設(shè)計溫度為50時的許用應(yīng)力為t=163MPa，將這些數(shù)值代入公式(3.1)計算出筒體的計算厚度為：

10、由于液氨對金屬有一定的腐蝕，取腐蝕裕量C2=2mm，故筒體的設(shè)計厚度為：由鋼板厚度負偏差表查得C1=0.8mm，故名義壁厚為：圓整后取n=17mm。3.2 封頭壁厚的計算采用的是標準橢圓形封頭，各參數(shù)與筒體相同，其厚度計算式為2：設(shè)計厚度為：名義厚度為：圓整后取n=16mm。查得標準橢圓形封頭的直邊高度(JB/T4737-95)為h0=40mm。3.3 強度檢驗及水壓試驗強度檢驗指的是容器制成后，經(jīng)過熱處理及焊縫處的無損檢驗合格的容器要做液壓試驗或氣壓試驗來檢驗容器的強度，因為在壓力下充以氣體的容器，它具有是裂紋擴展的內(nèi)能要比充以不可壓縮液體的相同容器要大得多，萬一當受壓容器或管道在受氣壓下破

11、壞時，其危險性遠比液壓試驗大。所以通常采用液壓試驗。以水為液壓試驗的介質(zhì)。GB 150-1998鋼制壓力容器規(guī)定液壓試驗壓力如下3： (3.2)式中 PT試驗壓力，MPa；p設(shè)計壓力，MPa； 、t分別為液壓試驗溫度和設(shè)計溫度下殼壁材料的許用應(yīng)力，MPa。將p=1.95MPa， =t=163MPa代入式(3.2)得液壓試驗的試驗壓力為：試驗時器壁的應(yīng)力為： (3.3)其中有效厚度，故查表2.1可知22mm的16MnR鋼板的常溫強度指標s=325MPa。所以，則，故所設(shè)計的器壁厚度滿足水壓試驗要求。3.4 選擇人孔3.4.1 人孔的選擇在化工設(shè)備中，為了便于內(nèi)部附件的安裝，修理和村里，防腐以及對

12、設(shè)備內(nèi)部進行檢查、清洗，往往開設(shè)人孔和手孔。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個手柄。貯罐的工作溫度為常溫，設(shè)計壓力為1.95MPa，故人孔的標準按公稱壓力為2.5MPa等級選取。由于人孔蓋直徑較大且質(zhì)量較重，故選用水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔(HG 21524-95)，公稱直徑為450mm，突面法蘭密封面(RF型)。該人孔結(jié)構(gòu)中有吊鉤和銷軸，在檢修時只需松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉(zhuǎn)，即可輕松進入，而不必將其取下以節(jié)約維修時間。查得該人孔的有關(guān)數(shù)據(jù)如下2：表3.1 水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔(突面)標準尺寸(mm)公稱壓力MPa公稱直徑dW×SDD1dbb1b2AH1H2d02

13、.5450480×1267060045046394438032021436該水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔的標記為：HG21524-95 人孔RF （AG）450-2.5 其中RF指突面密封，指接管與法蘭的材料為16MnR，AG是指用普通石棉橡膠板墊片，450-2.5是指公稱直徑為450mm、公稱壓力為2.0 Mpa。表3.2 人孔PN2.5 DN450(HG21524-95)明細表件號標準號名稱數(shù)量材料尺寸/mm1筒節(jié)116MnRdW×S=480×12，H1=3202HGJ52-91法蘭116Mn(鍛件)3HGJ69-91墊片1石棉橡膠板=3(代號AG)4HGJ63-

14、91法蘭蓋116MnRb1=39， b2=445HGJ75-91P螺柱2035M33×2×1756螺母4025M337吊環(huán)1Q235-A.F8轉(zhuǎn)臂1Q235-A.Fd0=369GB95-85墊圈201100HV10GB41-88螺母M2024級11吊鉤1Q235-A.F12環(huán)1Q235-A.F13無縫鋼管12014支承板116MnR3.4.2 人孔補強得計算由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標準。由表3.1知本設(shè)計所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑d i450mm，壁厚 n t12mm。據(jù)此差得補強圈尺寸(JB/T 4736-2002)為：外徑D2=760mm，內(nèi)徑D1

15、=450+2×12+14=488mm。3.5 支座3.5.1 支座的選取支座用來支撐容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持穩(wěn)定。臥式圓筒形容器的支座分為鞍式支座、圈座、腿式支座三類。由于鞍式支座承壓能力較好且對筒體產(chǎn)生的局部應(yīng)力較小，故此設(shè)計中選用鞍式支座。鞍座分為A型（輕型）和B型（重型）兩類，每種形式的鞍座又分為固定式支座（F）和滑動式支座（S）兩種。由于在此設(shè)計中，貯罐體積較小且長徑比較小，故采用A型雙鞍座，一為固定式，一為滑動式支座。3.5.2 鞍座的計算首先粗略計算鞍座負荷。貯罐總質(zhì)量為5 (3.8)式中 m1罐體質(zhì)量，kg；m2封頭質(zhì)量，kg；m3水的質(zhì)量，kg；

16、m4附件質(zhì)量，kg。1、 罐體質(zhì)量m1公稱直徑DN=2200mm，壁厚=16mm的筒體，所以 2、 封頭質(zhì)量m2公稱直徑DN=2200mm，壁厚=16mm，根據(jù)標準橢圓形封頭計算， 得 ，所以 3、 水的質(zhì)量m3式中 裝量系數(shù)，取0.9；（壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定：介質(zhì)為液化氣體的固定式壓力容器，裝量系數(shù)一般取0.9）V貯罐容積，m3；水的密度，1000kg/m3。筒體公稱直徑DN=2200mm，筒體長度L0=3.40m，查表5（化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)，天津大學(xué)出版社，附表5）得封頭容積為Vh=0.18m3，則貯罐總?cè)莘e為于是4、附件質(zhì)量m4人孔約重200kg，其它接口管的總重約350kg。于是

17、m4=550kg。故設(shè)備總質(zhì)量為每個鞍座承受的負荷為根據(jù)鞍座承受的負荷，查表4（化工設(shè)備機械基礎(chǔ)，大連理工大學(xué)出版社，附錄16）可知，選擇輕型（A）帶墊板，包角為120°的鞍座。即JB/T4712-92 鞍座A2800-F，JB/T4712-92 鞍座A2800-S。其標準尺寸如下：表3.3 A型鞍座標準尺寸(mm)公稱直徑DN允許載荷/kN鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓連接尺寸l1b112l3b2b33弧長b44e間距l(xiāng)2螺孔d螺紋M孔長l28004472502040300121032026835883260500865180024M20403.5.3 安裝位置筒體長度 (3.10

18、)式中A鞍座與封頭切線之間的距離，mm；L1兩鞍座間距，mm。由于筒體L/D較大，且鞍座所在平面又無加強圈，取24 選配工藝接管4.1 堿液進料管進料管伸進設(shè)備內(nèi)部并將管的一端切成45，為的是避免物料沿設(shè)備內(nèi)壁流動以減少磨蝕和腐蝕。為了在短時間內(nèi)將物料注滿容器。采用的無縫鋼管。配用具有突面密封的帶頸對焊管法蘭，法蘭標記：HG20595 法蘭 WN50-2.5 RF 20。接管長500mm，不需補強6。4.2 堿液出料管在化工生產(chǎn)中，需要將液體介質(zhì)運送到與容器平行的或較高的設(shè)備中去，并且獲得純凈無雜質(zhì)的物料。故采用可拆的壓出管，將它用法蘭固定在接口管內(nèi)。罐體的接口管法蘭采用HG20595 法蘭

19、WN32-2.5 RF 20。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HG20595 法蘭 WN32-2.5 RF 20相同，但其內(nèi)徑為25mm。堿液壓出管的端部法蘭采用HG20595 法蘭 WN20-2.5 RF 20。這些小管都不必補強。壓出管伸入貯罐2.6m。4.3 排污管貯罐右端最底部安設(shè)一個排污管，管子規(guī)格：，管端焊有一與截止閥J41W-16相配的管法蘭HG20595 法蘭 WN50-2.5 RF 20。4.4 液面計接管本貯罐采用透光式玻璃板液面計AT 2.5-W-1450V 兩支。與液面計相配的接管尺寸為，管法蘭為HG20595 法蘭WN10-2.5 RF 20。4

20、.5 放空管接口管為了在注入液體時，將容器內(nèi)的空氣排到罐體外以便能順利快速地注入，需安設(shè)一放空管。采用無縫鋼管，法蘭為HG20595 法蘭 WN32-2.5 RF 20。4.6 安全閥接口管 安全閥接管尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用的無縫鋼管，法蘭為HG20595 法蘭 WN32-2.5 RF 20。各接管的長度都是200mm。 5 設(shè)計結(jié)果一覽表序號名稱指標材料1設(shè)計壓力2.16MPa2工作溫度503物料名稱堿液4容積14.18.m35筒體DN2200mm×17mm，L=3819mm16MnR6封頭DN2200mm×17mm，h=40mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A2800-FJB/T4712-92 鞍座A2800-SQ235A.F8人孔HG21524-95 人孔RF （AG）450-2.5組合件