100M3濃硝酸臥式儲(chǔ)罐

目錄 第一章設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇 11.1筒體材料的選擇 1.2公稱直徑的確定 11.3設(shè)計(jì)壓力 11.4設(shè)計(jì)溫度 1.5焊接接頭系數(shù) 2第二章設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 32.1圓筒厚度的設(shè)計(jì) 2.2封頭的設(shè)計(jì) 32.2.1封頭厚度的設(shè)計(jì) 2.2.2封頭的結(jié)構(gòu)尺寸 42.3鞍座選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 42.3.1鞍座選型 42.3.2鞍座位置的確定 62.4臥式貯罐的接管、法蘭的選用 7 2.6液面計(jì)的選擇 8第三章容器強(qiáng)度的校核 93.1水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核 93.2筒體軸向彎矩計(jì)算 93.3筒體軸向應(yīng)力計(jì)算及校核 3.4筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力計(jì)算與校核 3.5封頭切向剪應(yīng)力計(jì)算 3.6筒體的周向應(yīng)力計(jì)算與校核 3.7鞍座應(yīng)力計(jì)算與校核 3.7.1應(yīng)力及強(qiáng)度校核 3.7.2板組合截面應(yīng)力計(jì)算及校核 3.8開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 3.8.1補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法判別 3.8.2有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 3.9有效補(bǔ)強(qiáng)面積 3.10補(bǔ)強(qiáng)面積 第四章臥式貯罐的焊接 4.1焊縫布置 4.3焊接順序 4.3.1焊前清理 4.3.2焊接過(guò)程和順序 4.3.3焊后處理 參考文獻(xiàn) 緒論近年，壓力容器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的工業(yè)、民用及軍用等部門。壓力容器在社會(huì)各行各業(yè)的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)确矫婢哂胁豢扇〈牡匚?，在發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)、鞏固國(guó)防、解決人們衣食住行等方面起著極為重要的作用。目前我國(guó)普遍采用常溫壓力貯罐，常溫貯罐一般有兩種形式：球形貯罐和圓筒形貯加工制造及安裝復(fù)雜，焊接工作量大，故安裝費(fèi)用較高。一般貯存總量大于500m3或單罐容積大于200m2時(shí)選用球形貯罐比較經(jīng)濟(jì)；而圓筒形貯罐具有加工制造安裝簡(jiǎn)單，安裝費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，但金屬耗量大占地面積大，所以在總貯量小于500m3,單罐容積小于100m3時(shí)選用臥式貯罐比較經(jīng)濟(jì)。圓筒形貯罐按安裝方式可分為臥式和立式選用臥式圓筒形貯罐，只有某些特殊情況下(站內(nèi)地方受限制等)才選用立式。本文主要討論臥式圓筒形濃硝酸貯罐的設(shè)計(jì)。本儲(chǔ)罐的焊接結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)了筒體壁厚，支座，封頭，法蘭，加強(qiáng)圈等。根據(jù)儲(chǔ)存介質(zhì)的要求來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)罐的選材，本次設(shè)計(jì)的介質(zhì)為濃硝酸，儲(chǔ)體選用Al1060。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境要求及罐體厚度等選擇合適的焊接方法。設(shè)計(jì)的封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，設(shè)臥式濃硝酸貯罐設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，應(yīng)按GB150和JB4734-2002進(jìn)行制造、試驗(yàn)和驗(yàn)收；并接受勞動(dòng)部頒發(fā)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(簡(jiǎn)稱容規(guī))的監(jiān)督。貯罐主要有筒體、封頭、人孔、支座以及各種接管組成。貯罐上設(shè)有排污管以及安全閥、壓力表、溫度計(jì)、液面計(jì)等。第一章設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇1.1筒體材料的選擇由于盛裝溶液為98%濃硝酸溶液，有較強(qiáng)腐蝕性，故選擇鋁作為主要制作原料。根據(jù)JB4734-2002《鋁制焊接容器》表4-1并結(jié)合實(shí)際情況，選用筒體材料為Al1060。A11060鋁板使用溫度-269~200℃,鋁板厚度不大于80mm,20℃許用應(yīng)力15MPa。1.2公稱直徑的確定設(shè)筒體直徑為D,筒體長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2D,選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，則其體積可表示為：由此可求得D=3929mm所以暫定D=3800mm。1.3設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力是指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷，其值不得低于工作壓力。根據(jù)《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)》表3.2.15查得98%濃硝酸的密根據(jù)化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)表3.6.8查飽和蒸汽壓：Pc=0.01MPa(30℃)設(shè)計(jì)溫度指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度(沿元件金屬截面的溫度平均值)。設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力一起作為設(shè)計(jì)載荷條件。設(shè)計(jì)溫度取40℃。1.5焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù)是以焊接強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比值φ表示的。它與焊縫位置焊接方法以及檢驗(yàn)等因素有關(guān)。JB4732標(biāo)準(zhǔn)中要求受壓元件焊縫必須100%無(wú)損檢測(cè)，取焊縫系數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)總結(jié)如下表1.5序號(hào)數(shù)值單位備注1名稱100m398%濃硝酸臥式貯罐2筒體材料Al10603設(shè)計(jì)壓力4設(shè)計(jì)溫度5公稱直徑6公稱容積3m7充裝系數(shù)8工作介質(zhì)濃硝酸9其他要求100%無(wú)損檢測(cè)第二章設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1圓筒厚度的設(shè)計(jì)2.2封頭的設(shè)計(jì)封頭的設(shè)計(jì)厚度δ=δ+C?+C?=24.61mm查標(biāo)準(zhǔn)JB/T4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》中表B.1EHA橢圓形封頭內(nèi)表面積、容積，如下表2.1公稱直徑DN曲面高度h直邊高度總深度H內(nèi)表面積容積m圖2.1封頭的示意圖2.3鞍座選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)臥式容器一般采用雙鞍式支座，材料選用Q235C。L=8.4505m,圓整取L=8m儲(chǔ)罐總質(zhì)量m=m?+2m?+m?+m?m?=πDLδ·p=3.14×3.8×8×0.025×2680=6398.7959kgm,單個(gè)封頭的質(zhì)量：查標(biāo)準(zhǔn)GBT25198-2010《壓力容器用封頭》中表C.2EHA橢圓形封頭質(zhì)量，可知m?=3111.1kgG=mg=160422.9959×9.8=1572145.36N則每個(gè)鞍座承受的重量為786.072kN由此查JB4712-2007《容器支座》表1,選取重型，焊制為BI,包角為120°,有墊板的鞍座，筋板數(shù)為6。查JB4712-2007表8設(shè)計(jì)鞍座結(jié)構(gòu)如下圖2.2,尺寸如下表2.2: 允許載荷墊板鞍座高度h筋板b?螺栓間距e底板δ25墊板弧長(zhǎng)螺孔/孔長(zhǎng)鞍座質(zhì)量2.3.2鞍座位置的確定因?yàn)楫?dāng)外伸長(zhǎng)度A=0.207L時(shí)，雙支座跨距中間截面的最大彎矩和支座截面處的彎矩絕對(duì)值相等，從而使上述兩截面上保持等強(qiáng)度，考慮到支座截面處除彎矩以外的其他載荷，面且支座截面處應(yīng)力較為復(fù)雜，故常取支座處圓筒的彎矩略小于跨距中間圓筒的彎矩，通常取尺寸A不超過(guò)0.2L值，即A≤0.2L=0.2(L+2h),A最大不超過(guò)0.25L.否則由于容器外伸端的作用將使支座截面處的應(yīng)力過(guò)大。由標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭有故A≤0.2(L+2h)=0.2×(8000+2×40)=1616mm鞍座的安裝位置如圖2.2所示：此外，由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗變鋼度，故封頭對(duì)于圓筒的抗彎鋼度具有局部的加強(qiáng)作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對(duì)支座處圓筒截面的加強(qiáng)作用。因此，JB4731還規(guī)定當(dāng)滿足A≤0.2L時(shí)，最好使A≤0.5Ra,即2.4臥式貯罐的接管、法蘭的選用圖2.4儲(chǔ)罐接管設(shè)置示意圖查JB4734-2002《鋁制焊接容器》與NB/T47020-2012《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》中帶頸對(duì)焊焊管法蘭，選取法蘭直徑500mm。由JB4734-2002《鋁制焊接容器》表4-3選取各接管直徑分別為：進(jìn)料口與出料口100mm、其余各孔均取60mm。圖2.5法蘭示意圖根據(jù)HGT21517-2005回轉(zhuǎn)蓋帶頸平焊法蘭人孔，查表3-3,選用凹凸面型，其明細(xì)尺寸見(jiàn)表2.6:表2.3法蘭尺寸表單位：mm密封面型式公稱壓力公稱直徑總質(zhì)量kg螺栓尺寸螺母數(shù)量螺栓數(shù)量凹凸面M30×2×1102.6液面計(jì)的選擇根據(jù)HG/T21584-95選磁性液面計(jì)。第三章容器強(qiáng)度的校核3.1水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核0.9φo=0.9×1×60=54>σ,故合格3.2筒體軸向彎矩計(jì)算圓筒軸向最大彎矩位于圓筒中間截面或鞍座平面上。(見(jiàn)圖3.1)。圖3.1容器載荷、支座反力、剪力及彎矩圖圓筒中間處的軸向彎矩，分析圖3.1得：M?為正值，表示上半部分筒體受壓縮，下半部分筒體受拉伸。支座處圓筒橫截面上的軸向彎矩為：M?一般為負(fù)值表示筒體上半部分受拉伸，下半部分受壓縮。3.3筒體軸向應(yīng)力計(jì)算及校核(1)圓筒中間橫截面上，由壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力(2)支座處圓筒截面上，由壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力因鞍座平面上筒體被封頭加強(qiáng)，取鞍座包角θ=120°,查JB/T4731-2005表7-1可得K?=1.0,K?=1.0最高點(diǎn)處：按下式進(jìn)行計(jì)算最低點(diǎn)處：按下式進(jìn)行計(jì)算(3)筒體軸向應(yīng)力校核因軸向許用臨界應(yīng)力由根據(jù)圓筒材料查圖4-8可得3.4筒體和封頭中的切向剪應(yīng)力計(jì)算與校核因?yàn)锳的取值帶來(lái)的加強(qiáng)作用，查JB/T4731-2005表7-2得K?=0.880,K?=0.401,其最大剪應(yīng)力位于靠近鞍座邊角處3.5封頭切向剪應(yīng)力計(jì)算3.6筒體的周向應(yīng)力計(jì)算與校核=-48.94MPa符合要求，合格3.7鞍座應(yīng)力計(jì)算與校核3.7.2板組合截面應(yīng)力計(jì)算及校核A?=(1?-20)δ?=(2780-20)×25=69000x=1,/2-10-15-l?-δ?=2780/2-10-15-440-18=90Aa=6A?+A?=6×6030+69000=105180mm2則k?=1.2根據(jù)GB150-2010規(guī)定，當(dāng)殼體上的開(kāi)孔滿足下述全部要求時(shí)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)。(2)兩相鄰開(kāi)孔中心的距離(對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的2倍。(3)接管公稱外徑小于或等于89mm。故該儲(chǔ)罐中只有DN=500mm的人孔需要補(bǔ)強(qiáng)。按HG/T21518-2005,選用回轉(zhuǎn)蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔。開(kāi)孔直徑d=d?+2C?=500+2×2=504mm故可以采用等面積法進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。根據(jù)GB150-2011中式8-1,A=dδ+288et(1-f,)強(qiáng)度削弱系數(shù)f,=13.8.2有效補(bǔ)強(qiáng)范圍有效寬度B的確定按GB150中式8-7,得：B?=2d=2×504=1008mmB?=d+2δ+2δ=504+2×25+2×10=574mmB=max(B,B?)=1008mm有效高度的確定根據(jù)GB150中式8-8,得：h?=H?=280mm(2)內(nèi)側(cè)有效高度h?的確定根據(jù)GB150-2011中式8-9,得：h?1=√dδ=√504×25=112.24mmh?`=0h?=min(h?,h?)=0根據(jù)GB150中式8-10～式8-13,分別計(jì)算如下：筒體多余面積A?A?=(B-d)×(δ-δ)-2δ(δ-δ)×(1-f,)=(1008-504)×(25-22.61)=1204.56mm2接管厚度接管的多余面積A?=2h?(δ-δ)f,+2h?(δ-C?)f,=2×70.99×(25-22.61)×1=339.33mm2焊角取6.0mm,A?=36mm2第四章臥式貯罐的焊接壓力容器受部分的焊接接頭分為A,B,C,D四類：A類焊縫：受壓部分的縱向接頭(多層包扎壓力容器層板層縱向接頭除外)球形封頭與圓筒聯(lián)接的環(huán)向接頭，各類凸形封頭中所有拼焊接頭以及嵌入式接管與圓筒，封頭B類焊縫：受壓部分的環(huán)向接頭，橢圓形封頭小端與接管連接的接頭。長(zhǎng)頸法蘭與接管連接的接頭。但已規(guī)定的A,C,D類焊縫除外。C類焊縫：平蓋，管板與圓筒非對(duì)接連接的接頭，法蘭與殼體接管的接頭，內(nèi)封頭與圓筒的搭接填角接頭以及多層包扎壓力容器層板層縱向接頭。D類焊縫：接管孔與殼體非對(duì)接連接的接頭凸緣，補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體連接的接頭。但已規(guī)定的A,B類的焊接接頭除外。封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭A類法蘭與接管焊接接頭C類接管與人孔等與殼體非對(duì)接的接頭———D類焊接是壓力容器設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中不可避免的連接方式。壓力容器筒體的周向應(yīng)力拼接焊縫中心線間距至少應(yīng)為鋼板厚度的3倍，且不小于100mm;封頭由成形瓣片和頂圓接零件。如不能避免時(shí)，焊接零件的焊縫可穿過(guò)主要焊縫，而不要在焊縫及其鄰近區(qū)域中止。開(kāi)孔、焊縫和轉(zhuǎn)角要錯(cuò)開(kāi)。開(kāi)孔邊緣與焊縫的距離應(yīng)不小于開(kāi)孔處實(shí)際壁厚的3倍，且不小于100mm。在凸形封頭上開(kāi)孔時(shí)，孔的邊緣與封頭周邊間的投影距離應(yīng)不小于封頭外徑的10%。開(kāi)孔及焊縫不允許布置在部件轉(zhuǎn)角處或扳邊圓弧上，并應(yīng)離開(kāi)一定距離。綜上所述，再結(jié)合實(shí)際情況(Al1060板厚25mm,鋁板寬度800~2200mm,筒體長(zhǎng)8000mm,直徑3800mm)故筒節(jié)分四部分卷制焊接，筒節(jié)寬分為2200mm、2200mm、2200mm、1400mm四段，封頭采用兩部分拼接，再用旋壓機(jī)旋壓成封頭。筒節(jié)組焊時(shí)四個(gè)縱焊縫距離大于300mm。相交十字焊縫需進(jìn)行清根處理再施焊。由于鋁板與鋼板A,B類焊縫(筒體環(huán)縱焊縫),由JB4734-2002《鋁制焊接容器》附錄E表E.3查得，由于壁厚25mm,所以選擇6至26mm的X形坡口如圖：坡口尺寸：間隙a=1.5~3鈍邊p=2~3角度aα?=(80±5)a?=(70±5)備注雙面焊，反面鏟焊根，每邊焊兩層以上，采用熔化極自動(dòng)氬弧焊。C類焊縫(接管與筒體焊縫),由JB4734-2002《鋁制焊接容器》附錄E表E.3查得坡口形式如圖：采用手工氬弧焊雙面立焊打底，平焊外側(cè)覆蓋。工件焊接前必須進(jìn)行清理，除去工件表面的銹漬，油污和工件表面的毛刺。焊前處理能夠有效防止焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔、夾雜等焊接缺陷的形成。4.3.2焊接過(guò)程和順序焊接過(guò)程至關(guān)重要，施工人員必須嚴(yán)格按照合理的結(jié)構(gòu)順序，選擇合理的焊接工藝參數(shù)，嚴(yán)格施工。首先將兩側(cè)的半圓點(diǎn)焊在一起，然后將點(diǎn)固好的兩側(cè)拼接在一起。焊接過(guò)程應(yīng)該保持結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，以減少變形和焊接殘余應(yīng)力。a.鋼板氣割下料和卷制。b