20m³液氮立式儲罐結構設計

沈陽理工大學課程設計說明書1結構設計1.1設備設計主要技術指標：表1-1氮氣儲罐工藝參數(shù)項目數(shù)值最高工作壓力，1.6工作溫度，常溫設備容積，20m3立式儲罐介質(zhì)氮氣1.2罐體結構設計Di=1900mm根據(jù)20m3儲罐，長徑比按4:1，粗略計算內(nèi)徑：L=20mDi=1900mm得Di=1853mm圓整為1900mm根據(jù)氮氣的性質(zhì)及設計條件，選用橢圓形封頭容器。就力學性能而言，半球形封頭效果較好，但是沖壓工藝較難，不易成型。根據(jù)JB/T4737-1995選用EHA橢圓形封頭。公稱直徑DN/mm曲面高度h/mm直邊高度h/mm內(nèi)表面積A/m容積V/m1900475254.050.971壓力容器體積V=2V封頭+DL=20m3得L=6369mm圓整得L=6500mmV實=2V封頭+L=20.971+1.926.5=20.25m3L=7000mm100%=1%<5%不符合設計要求L=7000mm要根據(jù)100%>5%可得L=7000mm綜上所述，筒體的公稱直徑為Di=1900mm，長度L=7000mm。2罐體、封頭壁厚的設計2.1材料選擇氮氣腐蝕性小可選用一般鋼材。這里考慮20R、16MnR。20R低碳鋼板價格比16MnR鋼板貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價，16MnR鋼板比較經(jīng)濟，且16MnR機械加工性能、強度和塑性指標相對比較好，所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。根據(jù)標準GB/T713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》規(guī)定原16MnR歸為Q345R。2.2設計條件由于該壓力容器裝有安全閥，設計壓力不低于安全閥開啟壓力1.05~1.10倍的工作壓力，故。2.3筒體壁厚計算[σ]t=170MPa設備主要材質(zhì)為，根據(jù)新標準《鍋爐和壓力容器用鋼板》，由于溫度按常溫計算，則查《常用材料許用應力》可得：假設材料的許用應力[σ]t=170MPa(厚度為6-16mm時)[σ]t=170MPa由《鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)值》表，選擇雙面焊對接接頭無損檢測比例為100%，所以=1.00計算厚度設計厚度對于16MnR,鋼板厚度負偏差查表12-9得名義厚度δn=12mm檢查δn=12mm時，[σ]t沒變化，故取名義厚度δnδn=12mm2.4封頭壁厚計算假設材料的許用應力[σ]t=170MPa(厚度為6-16mm時)由于H——封頭的總高度h——直邊高度查表標準橢圓形封頭的形狀系數(shù)K得K=1.00C2=1mmC2=1mm腐蝕余量C2,取C2=1mm設計厚度對于16MnR,鋼板厚度負偏差查表12-9得名義厚度復檢,并且δn=12mm時，[σ]t沒變化，故取名義厚度δn=12mm。查JB/T4737-95可知，以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓型封頭形狀與尺寸如下所示：表2-4封頭尺寸公稱直徑Dg曲邊高度H-h（mm）直邊高度h（mm）內(nèi)表面積F（m2）容積V（m3）厚度s（mm）1900475254.050.97112圖2-4封頭結構2.5校核2.5.1校核罐體一封頭液壓試驗強度圓筒壁在試驗壓力下的計算應力式中圓筒的有效壁厚圓筒在試驗壓力下的屈服點則而可見所以水壓試驗前度足夠。2.5.2校核罐體一封頭氣壓試驗強度圓筒壁在試驗壓力下的計算式中圓筒的有效壁厚圓筒在試驗壓力下的屈服點則而可見所以氣壓試驗前度足夠。3附件設計3.1支座3.1.1儲罐總質(zhì)量—罐體質(zhì)量—封頭質(zhì)量—液氮質(zhì)量—附件質(zhì)量3.1.2罐體質(zhì)量kgkg3.1.3封頭質(zhì)量kg直邊高度h=25mm的標準橢圓形封頭，其質(zhì)量（JB/T4746—2002），所以kg3.1.4氮氣質(zhì)量由于其中，裝量系數(shù)取0.9（《容規(guī)》規(guī)定；介質(zhì)為液化氣體的固定式壓力容器，量裝系數(shù)一般取0.9）儲罐容積液氮在常溫下的密度為1.25kg/故3.1.5附體質(zhì)量人孔質(zhì)量約為，其他接管質(zhì)量總和按計算于是儲罐總質(zhì)量=3958+768.6+24.5+500=5251.1kg充氣質(zhì)量；ρ水≥ρ氣，水壓實驗充滿水，故取介質(zhì)密度ρ=1000kg/m３V=V筒體+2xV封頭=25.2m３充液質(zhì)量；M3=0.9xρxV=0.95x1000x21.79=20700.5kg故設備總重量；M=m1+m2+M3+m4=3958+768.6+20700.5+500=25927.1根據(jù)支撐式支座標準，A型4號支撐式支座可允許100KN，所以成立公稱直徑DN1900S190墊板b320允許載荷Q/KN100筋板I227014支座高度h500b2200e60底板l1230214螺栓間距L30b1180支座質(zhì)量kg40.3116螺栓直徑dM30距中心的距離S2700支撐座尺寸根據(jù)標準規(guī)定，A支座安裝高度為500mm（即封頭與筒體連接處到地面的距離）在該支座標記為；JB/T4712.4-2007支座A43.2人孔3.2.1人孔的設計查《壓力容器與化工設備實用手冊》，因筒體長度7000mm>6000mm，需開兩個人孔，可選回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔。由使用地為室外，確定人孔的公稱直徑DN=450mm，以方便工作人員的進入檢修。配套法蘭與上面的法蘭類型相同，根據(jù)HG/T21518-2005《回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔》，查表3-1，由PN=4.0MPa選用凹凸面的密封形式MFM，采用8.8級35CrMoA等長雙頭螺柱連接。其明細尺寸見下圖：圖4-1回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔密封面型式凹凸面MFMD6855530公稱壓力PNMPa4.061057螺柱數(shù)量20公稱直徑DN450270A390螺母數(shù)量40127B175螺柱尺寸d451.6b57L250總質(zhì)量kg278表4-1人孔尺寸表3.2.2人孔補強圈設計：圖4-2補強圈a.設計方法判別按HG/T21518-2005，選用回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔，設：厚度附加量C=2mm開孔直徑D=Di+2C=450+4=504mm則=1900/3=633mm故可以采用等面積法進行開孔補強計算。接管材料選用16MnR鋼，其許用應力根據(jù)GB150-1998中，其中：殼體開孔處的計算厚度接管的有效厚度強度削弱系數(shù)則b.補強范圍補強有效寬度B的確定：按GB150中有：有效高度的確定外側有效高度的確定根據(jù)GB150-1998中式8-9，得：內(nèi)側有效高度的確定根據(jù)GB150-1998中式8-9，得：有效補強面積根據(jù)GB150中式8-10~式8-13，Ae=A1+A2+A3分別計算如下：筒體多余面積

管的多余面積接管厚度：焊縫金屬截面積焊角取6.0mm補強面積Ae=A1+A2+A3=599.28+1382.3488+36=2017.6248mm2因為Ae＜A=4772.88mm2，所以開孔需另行補強A4=A–Ae=6664.72-2017.6248=4647.1mm2補強圈設計根據(jù)DN450取補強圈外徑。因為B>，所以在有效補強范圍。補強圈內(nèi)徑補強圈厚度：=A4／()=16.72mm圓整取名義厚度為18mm根據(jù)GB-150，JB/T4736-2002，補強圈焊接形式——D型，D1=d0+(6～12)。表4-2補強圈補強及附件的選擇接管公稱直徑DN/mm外徑D2內(nèi)徑D1厚度（）重量（Kg）4507604821836.33.3接管3.3.1接管補強條件GB150規(guī)定，如果殼體開孔滿足下述全部要求，所以不需要補強（1）設計壓力（2）兩相鄰開孔中心間距（對曲面間距以弧長計算）應不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管外徑（4）接管最小厚度滿足下表要求表3-3-1不另行補強的接管外徑及其最小厚度接管外徑253238454857657689最小壁厚3.53.53.54.04.05.05.06.06.03.3.2氮氣進口管采用無縫鋼管，伸出長度為120mm。管的一端切成，伸入儲罐內(nèi)少許。配用圖面板是對焊法蘭：法蘭根據(jù)該罐的工藝條件,溫度,壓力,介質(zhì)確定采用帶頸對焊法蘭，在根基工作溫度，設計壓力從表14—4可知，所要選用的帶頸對焊法蘭若采用16Mn板材，應按公稱壓力1.6MPa，來查取它的尺寸。由表查得可采用平面型密封面，墊片材料選用石棉橡膠板，查得墊片寬度為1.5mm。帶頸對焊法蘭的各部可以從表帶頸對焊，帶頸平焊和螺紋法蘭尺寸與質(zhì)量中查表得,,由附表查得連接螺栓為M16，共4個，材料由表9—1查得螺柱材料為40MB，螺母材料為40Cr因為該接管厚度小于5mm,故該接管開孔需要補強。3.3.3接管補強確定殼體和接管的計算壁厚及開孔直徑：焊接接頭系數(shù)補強計算殼體與接管的厚度附加量取腐蝕余量接管計算厚度開孔直徑已知殼體名義厚度，補強部分厚度。接管有效補強寬度為接管外側有效補強高度為需要補強的金屬面積可以作為補強的金屬面積焊縫金屬面積焊角取K=4mm所以。有效補強范圍內(nèi)的補強面積根據(jù)公式代入具體數(shù)值的所以需要另加補強，其補強面積，代入具體數(shù)據(jù)得根據(jù)公稱直徑DN=50mm選補強圈,參照補強圈標準JB/T4736，選補強圈內(nèi)徑,外徑，因B=105mm>補強圈在有效范圍內(nèi)。補強厚度查表《規(guī)定的補強圈尺寸系列》應選用的補強圈厚度為，再根據(jù)補強材料一般與殼材料相同，確定補強圈為：3.3.4氮氣出口管采用無縫鋼管，伸出長度為120mm。管的一端切成，伸入儲罐內(nèi)少許。配用圖面板是平焊法蘭：法蘭因為該接管厚度小于5mm,故該接管開孔需要補強，補強計算如4.3.3所示，強圈為：螺栓、螺母及墊片的選擇與氮氣進氣管相同。3.3.5備用口公稱壓力為1.6MPa，公稱直徑為25mm，伸出長度為150mm，采用無縫鋼管，采用帶頸對焊法蘭（WN）法蘭密封面形式采用平面RF配用法蘭:法蘭因為該接管厚度小于5mm,故該接管開孔需要補強，補強計算如4.3.3所示，強圈為：螺栓、螺母及墊片的選擇與氮氣進氣管相同。3.3.6排污口在設備最下端安設一個排污管，管子規(guī)格是Rc1，伸出長度120mm,管段裝有一個與之配套的截止閥。3.4壓力表和安全閥3.4.1壓力表口采用無縫鋼管，伸出長度120mm，配有工程壓力為1.6Mpa的壓力表。3.4.2安全閥口采用無縫鋼管，伸出長度為120mm，帶頸平焊法蘭（）法蘭密封面形式采用平面（）配用法蘭:法蘭補強計算如4.3.3所示。強圈為：螺栓、螺母及墊片的選擇與氮氣進氣管相同。表3-4-2管口表符號公稱壓力公稱尺寸法蘭形式密封面形式用途伸出長度1DN1.6內(nèi)螺紋壓力表口1202DN1.6SOMFM人孔2702DN1.6WNRF安全閥口1203DN1.6內(nèi)螺紋排污口1204DN1.6WNRF氮氣進口1205DN1.6WNRF備用口1204水壓實驗實驗強度校核；為保證水壓實驗時容器材