課程設計液氨儲罐設計

來源：網(wǎng)絡轉載來源：網(wǎng)絡轉載來源：網(wǎng)絡轉載湖北大學化學化工學院化工設備機械基礎課程設計計算說明書課程設計題目:液氨儲罐設計姓名鄒曉雙學號專業(yè)年級12級化工2班指導教師魯?shù)缕饺掌谥笇Ы處熢u語：成績指導教師簽名年月日學院審查意見院長簽名年月日目錄一、設計任務書..........................................1二、液氨儲罐設計參數(shù)的確定..............................21、根據(jù)要求選擇罐體和封頭的材料........................22、確定設計溫度與設計壓力..............................23、其他設計參數(shù)........................................2三、筒體和封頭壁厚的計算...............................21、筒體壁厚的計算......................................21.1設計參數(shù)的確定.....................................31.2筒體壁厚的設計.....................................31.3剛度條件設計筒體的最小壁厚........................32、罐體封頭壁厚的計算.................................33、罐體的水壓試驗.....................................33.1液壓試驗壓力的確定.................................33.2液壓試驗的強度校核...............................33.3壓力表的量程、水溫的要求...........................33.4液壓試驗的操作過程................................34、罐體的氣壓試驗.....................................44.1氣壓試驗壓力的確定................................44.2氣壓試驗的強度校核................................44.4、氣壓試驗的操作過程...............................4四、罐體的開孔與補強....................................41、開孔補強的設計準則.................................42、開孔補強的計算..................................42.1、開孔補強的有關計算參數(shù).......................52.2、補強圈的設計.....................................5五、選擇鞍座并核算承載能力..............................51、支座的設計.........................................52、鞍座的計算.........................................63、安裝位置...........................................64、人孔的設計.........................................65、液面計的設計.......................................7六、選配工藝接管........................................71、液氨進料管..........................................72、液氨出料管..........................................73、排污管..............................................74、安全閥接口管........................................75、壓力表接口管........................................8七、設計結果一覽表.....................................9八、液氨儲罐裝配圖（見附圖）...............................一、設計任務書試設計一液氨儲罐，其公稱容積、儲罐內(nèi)徑、罐體（不包括封頭）長度見下表。使用地點：家鄉(xiāng)--湖北省十堰市竹溪縣。技術特性表公稱容積(立方米)25公稱直徑(DN)2.0介質液氨筒體長度(L)7.4工作壓力（MPa)1.550工作溫度(℃)≤40使用地點湖北省十堰市竹溪縣推薦材料16MnR編號名稱公稱直徑（mm）編號名稱公稱直徑（mm）a1-a2液面計20e安全閥80b人孔450f放空管65c進料管80g排污管65d出料管80二、液氨儲罐設計參數(shù)的確定1、根據(jù)要求選擇罐體和封頭的材料純液氨腐蝕性小,貯罐可選用一般鋼材,但由于壓力較大,可以考慮20R、16MnR.這兩種鋼種。如果純粹從技術角度看，建議選用20R類的低碳鋼板，16MnR鋼板的價格雖比20R貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價，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。2、確定設計溫度與設計壓力液氨儲罐通常置于室外，雖然設計有保溫措施，但罐內(nèi)液氨的溫度和壓力還是可能直接受到大氣溫度的影響，在夏季液氨儲罐經(jīng)太陽暴曬，液氨溫度可達40℃，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷變化.根據(jù)《化學化工物性數(shù)據(jù)手冊》查得40℃飽和蒸汽壓為1.55MPa,可以判定設計的容器為儲存內(nèi)壓壓力容器，按《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，盛裝液化氣體無保冷設施的壓力容器，其設計壓力應不低于液化氣40℃時的飽和蒸汽壓力，可取液氨的設計壓力為1.70MPa，當液化氣體儲罐安裝有安全閥時，設計壓力可取最大操作壓力的1.05-1.10倍，所以1.7MPa合適。0.6MPa≤p≤10MPa屬于中壓容器。3、其他設計參數(shù)容器公稱直徑見技術特性表即公稱直徑DN=2.0m；罐體和封頭的材料為16MnR，查教材P168表8-7可知其設計溫度下的許用應力[σ]t=170MPa。液氨儲罐封頭從受力方面分析來看，球形封頭是最理想的結構形式。但缺點是深度大，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用較多的封頭之一。平板封頭因直徑各厚度都較大，加工與焊接方面都要遇到不少困難。從鋼材耗用量來年：球形封頭用材最少，比橢圓開封頭節(jié)約，平板封頭用材最多。因此，從強度、結構和制造方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。液氨儲罐筒體為板卷焊，焊接接頭采用V坡口雙面焊接,采用局部無損檢測,根據(jù)焊接接頭結構和無損探傷比例確定焊接接頭系數(shù)為1.0。三、筒體和封頭壁厚的計算1.筒體壁厚的計算1.1設計參數(shù)的確定由文獻查得：焊接接頭系數(shù)φ=1.0（雙面焊對接接頭，100%無損探傷檢查），腐蝕裕量C2=2mm(微弱腐蝕)1.2筒體壁厚的設計圓筒的計算壓力為1.70MPa,由教材P195-P208表8-6，取許用應力[σ]t=170MPa，由上表知Pc=1.7MPa,Di=2*1000mm=2000mm壁厚：δ＝PcDi/(2[σ]tФ-Pc)代入數(shù)據(jù)得δ=10.05mm鋼板厚度負偏差C1=0.8mm，查材料腐蝕手冊得40℃下液氨對鋼板的腐蝕速率小于0.05mm/年，所以雙面腐蝕取腐蝕裕量C2=2mm所以設計厚度為：δd=δ+C2+C1=10.05+0.8+2=12.85mm圓整后取名義厚度14mm.1.3剛度條件設計筒體的最小壁厚因為Di=2000mm<3800mm，所以δmin=2Di/1000=4.0mm，另加C2=2mm，所以δd=6.0mm。按強度條件設計的筒體壁厚δd＝14mm＞δd＝6.0mm，滿足剛度條件的要求。2.封頭的壁厚計算標準橢圓形封頭a:b=2:1封頭計算公式：δ＝PcDi/(2[σ]tФ-0.5Pc)可見封頭厚度近似等于筒體厚度，則可取同樣厚度。3.罐體的水壓試驗3.1、液壓試驗壓力的確定根據(jù)公式，Pt=1.25P[σ]/[σ]t，當設計溫度小于200℃時，[σ]與[σ]t接近，所以Pt=1.25×1.70×1MPa=2.125MPa。3.2、液壓試驗的強度校核根據(jù)公式，σt=Pt(Di+δe)/2δeφ，代入數(shù)據(jù)，σt=2.125×（2000+14—2-0.8）/[2×(14—0.8-2)]MPa=190.8MPa由文獻查得：σs=345MPa，因為σmax＝190.8MPa＜0.9σsФ=0.9×345×1=310.5MPa所以，液壓強度足夠。3.3、壓力表的量程、水溫的要求壓力表的量程：2Pt=2×2.125=4.25MPa，水溫≥15℃3.4、液壓試驗的操作過程在保持罐體表面干燥的條件下，首先用液體將罐體內(nèi)的空氣排空，再將液體的壓力緩慢升至21.25Kgf/cm2,保壓10-30分鐘，然后將壓力緩慢降至17.6Kgf/cm2,保壓足夠長時間（不低于30分鐘），檢查所有焊縫和連接部位，若無泄漏和明顯的殘留變形。則質量合格，緩慢降壓將罐體內(nèi)的液體排凈，用壓縮空氣吹干罐體。若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止4.罐體的氣壓試驗4.1、氣壓試驗壓力的確定根據(jù)公式，Pt=1.15P[σ]/[σ]t，當設計溫度小于200℃時，[σ]與[σ]t接近，所以Pt=1.15×1.70×1MPa=1.955MPa。4.2、氣壓試驗的強度校核根據(jù)公式，σT=Pt(Di+δe)/2δeφ，代入數(shù)據(jù)，σt=1.955×（2000+14—2-0.8）/[2×(14—2-0..8)]MPa=175.5MPa。由文獻[查得：σs=345MPa，因為σmax＝175.5MPa＜0.8σsФ=0.8×345×1=276.0MPa所以，氣壓強度足夠。4.3、壓力表的量程、氣溫的要求壓力表的量程：2Pt=2×1.955=3.91MPa，氣溫≥15℃。4.4、氣壓試驗的操作過程氣壓試驗時緩慢升壓至0.5Kgf/cm2，保持10分鐘并進行初檢，合格后繼續(xù)升壓至10.12Kgf/cm2，然后按級差為1.955Kgf/cm2逐級升至19.55Kgf/cm2，保持10～30分鐘，然后再降至17.6Kgf/cm2，至少保壓30分鐘，同時進行檢查。若無泄露和明顯的殘留變形。則質量合格，若質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。四、罐體的開孔與補強1、開孔補強的設計準則等面積設計法:起補強作用的金屬面積不小于被削弱金屬的面積。2、開孔補強的計算為了滿足各種工藝和結構上的要求，不可避免的要在容器的筒體或封頭上開孔并安裝接管。開孔后，殼壁因除去了一部分承載的金屬材料而被削弱，而出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。為保證容器安全運行，對開孔必須采取適當?shù)拇胧┘右匝a強，以降低峰值應力。這里采用補強圈補強，因其結構簡單、制造方便、使用經(jīng)驗豐富。采用等面積補強法。本設計取人孔筒節(jié)內(nèi)徑di=450mm，壁厚δm=14mm。由標準查得補強圈尺寸為：外徑D2=760mm，內(nèi)徑D1=484mm2.1、開孔補強的有關計算參數(shù)(1)開孔所需補強的面積A開孔直徑：d=di+2C=450+2×2.8mm=455.6mm開孔所需補強面積：A=d·δd=455.6×10.48mm2=4774.688mm2(2)補強有效區(qū)的范圍①有效寬度:B=2d=2×455.6mm=911.2mmB=2d+2δn+2δm=455.6+2×14+2×14mm=511.6mm取兩者之中的最大值B=911.2mm②外側有效高度：h1=(dδm)1/2=(455.6×14)1/2mm=79.86mmh1=接管實際外伸長度=250mm取兩者之中的最小值B=79.86mm內(nèi)側有效高度：h2=0mm(3)有效補強面積A=A1+A2+A3①其中A1=(B-d)(δe-δ)-2δm(δe-δ)(1-fr)筒體有效厚度δe=δn–C=14-2.8=11.2mm接管材料選擇與筒體相同的材料（16MnR）進行補償,故fr=1，代入上式得，A1=(911.2-455.6)×(11.2-10..48)=632.78mm2②接管計算厚度δt＝Pcd/(2[σ]tФ-Pc)=1.7×455.6/(2×163×1-1.7)=2.39mmA2=2h1(δnt—δt)fr+2h2(δnt—C2)fr=2×79.86×(14—2.8—2.39)+0=1407.13mm2③A3=2×1/2×12×12=144mm2④Ae=A1+A2+A3=632.78mm2+1407.13mm2+144mm2=2183.91mm22.2、補強圈的設計因為Ae<A，所以開孔需要另加補強。所需補強面積A4=A—Ae=4774.688-2183.91=2590.778mm2補強圈厚度δ≥A4/(D2—D1)=2590.778/(760—484)=7.92mm圓整后取8mm，補強材料與殼體材料相同，為16MnR五、選擇鞍座并核算承載能力1、支座的設計臥式容器支座又可分為：鞍座、圈座和支座。常見的臥式容器和大型臥式儲罐、換熱器等多采用鞍座，它是應用得最為廣泛的一種臥式容器支座。故本設計選用鞍座。置于支座上的臥式容器，其情況和梁相似，由材料力學分析可知，梁彎曲產(chǎn)生的應力與支點的數(shù)目和位置有關。當尺寸和載荷一定時，多支點在梁內(nèi)產(chǎn)生的應力較小，因此支座數(shù)目似乎應該多些好。但對于大型臥式容器而言，當采用多支座時，如果各支座的水平高度有差異或地基沉陷不均勻，或殼體不直不圓等微小差異以及容器不同部位受力撓曲的相對變形不同，使支座反力難以為各支點平均分攤，導致殼體應力增大，因而體現(xiàn)不出多支座的優(yōu)點，故一般情況采用雙支座。鞍座的底板尺寸應保證基礎的水泥面不被壓壞。根據(jù)底板上的螺栓孔形狀不同，又分為F型（固定支座）和S型（活動支座），除螺栓孔外，F(xiàn)型與S型各部分的尺寸相同。在一臺容器上，F(xiàn)型和S型總是配對使用。綜上所述，本設計選擇鞍式雙支座，一個S型，一個F型。2、鞍座的計算貯罐總質量：m=m1+m2+m3+m4其中，m1——筒體質量，kg；m2——封頭質量，kg；m3——液氨質量，kg；m4——附件質量，kg；液氨質量m3m3=ψρV，式中ψ——裝量系數(shù)，取0.9；（《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定：介質為液化氣體的固定式壓力容器，裝量系數(shù)一般取0.9）。ρ——液氨在-20℃時的密度為665Kg/m3V——貯罐容積(V=V封+V筒=0.854+8.292=9.146m3)所以m3=0.9×665×9.146=5473.88Kg附件質量m4則查得：人孔質量約為201Kg，其它接管等質量總和按300Kg計，m4=501Kg所以設備總質量m=m1+m2+m3+m4=570+1961.12+5474.88+501=8507.00Kg每個鞍座承受的負荷Q=mg/2=8507.00×9.8/2=41684.3Kg≈42KN根據(jù)文獻，由于每個鞍座承受約42KN負荷，故選用輕型帶墊板包角為120°的鞍座。即JB/T4712-92鞍座A2200-F，JB/T4712-92鞍座A2200-S。3、安裝位置為了充分利用封頭對筒體鄰近部分的加強作用，應盡可能將鞍座安放在靠近封頭的位置，即a應小于或等于0.5R（R是容器半徑）。貯罐長度（不含封頭）L=2a+l=4100mm式中a——鞍座離罐體一端的距離；l——兩鞍座之間的距離；取a=0.5R=0.5×1600/2=400mm,所以l=3300mm。所以兩鞍座之間的距離為3300mm。4、人孔的設計人孔是為了檢查壓力容器在使用過程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。選用時應綜合考慮公稱壓力、公稱直徑、工作溫度以及人、手孔的結構和材料等諸方面的因素。人孔的類型很多：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；從人孔蓋的開啟方式及開啟后人孔蓋所處位置看，人孔又可分為回轉蓋人孔、垂直吊蓋人孔和水平吊蓋人孔（重量：水平吊蓋>垂直吊蓋>回轉蓋）。選擇使用上有較大的靈活性，其尺寸大小及位置以設備內(nèi)件安裝和工人進出方便為原則。根據(jù)貯罐是在常溫及最高壓力1.7MPa下工作?？紤]到人孔蓋直徑較大較重，故選用水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔。公稱直徑450mm,凸面法蘭密封面。該人孔標記為：人孔AⅢPg17,Dg450。5、液面計的設計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、磁性液位計和用于低溫設備的防霜液面計。選取玻璃板液面計?？紤]到本設備不大且設計壓力為1.55MPa，選用T型即透光式玻璃板液面計。透光式、公稱壓力PN1.55MPa、碳鋼材料、保溫型、排污口配閥門、長頸對焊突面法蘭連接（按HG20595-97），公稱長度L=1150mm的液面計，標記為：液面計AT2.5-W-1150V。六、選配工藝接管1、液氨進料管采用Φ80×4mm低合金無縫鋼管。進料管伸進設備內(nèi)部并將管的一端切成45℃，為的是避免物料沿設備內(nèi)壁流動以減少磨蝕和腐蝕。配用凸面密封的帶頸對焊管法蘭：HG20595法蘭WN50-2.5RFQ235-A。長度500mm，不必補強。2、液氨出料管采用可拆的壓出管Φ25×3mm，將它套入罐體的固定接口管Φ38×3.5mm內(nèi)，并用法蘭固定在接口管法蘭上。罐體的接口管法蘭采用HG20595法蘭WN32-2.5RFQ235-A，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法蘭：HG20595法蘭WN32-2.5RFQ235-A相同，但其內(nèi)徑為25mm。液氨壓出管的端部法蘭采用HG20595法蘭WN20-2.5RFQ235-A。液氨出料管也不必補強。壓出管伸入貯罐2m。3、排污管貯罐右端最底部，安設排污管一個，管子規(guī)格是Φ80×3.5mm，管端裝有一與截止閥J41W-16相配的管法蘭：HG20595法蘭WN50-2.5RFQ235-A。4、安全閥接口管安全閥是通過閥的自動開啟排出氣體來降低容器內(nèi)過高的壓力。為了操作的安全，因此安設一安全閥。安全閥接口管尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用Φ50×3.5mm的無縫鋼管，管法蘭為：HG20595法蘭WN25-2.5RFQ235-A5、壓力表接口管壓力表工作管由最大壓力決定，因此選用Φ40×2.5mm無縫鋼管，管法蘭采用HG5010-58Pg16Dg65七、設計結果一覽表序號名稱指標材料1設計壓力1.7MPa/2工作溫度40/3物料名稱液氨/4容積25m3/5筒體DN2000m×14mm，L=4120mm16MnR6封頭DN1600mm×14mm，h=40mm16MnR7鞍座JB/T4712-92鞍座A2200-FJB/T4712-92鞍座A2200-SQ235A·F8入孔RFⅢ（A.G）450-2.5組合件9補強圈φ760mm/φ484mm，δ=8mm16MnR10液面計接管φ20mm×2，L=300mm1011玻璃管液面計AT2.5-W-1150V，L=1150mm組合件12進料管φ80mm×4，L=500mm1013出料管φ57mm×4，L=200mm1014壓料接管φ25mm×3，L=2500mm1015排污管φ57mm×3.5，L=200mm1016放空管φ32mm×3.5，L=200mm1017安全閥接管φ32mm×3.5mm，L=200mm1018法蘭配合以上各接管Q235-A八、液氨儲罐裝配圖（見附圖）九、課程設計總結自開始學習化學工程與工藝專業(yè)以來，這是我第二次接觸課程設計并親手完成制作，最初接到老師的任務時，覺得自己完成不了。俗話說，不經(jīng)歷風雨哪能見彩虹，抓住鍛煉自己的機會才會進步！我堅信，有信心，才有沖勁！雖然時間有點緊張，但抓住了零碎的時間，還是可以完成的。通過構思框架，查閱檢索各種資料，剛開始手忙腳亂的，不知從何入手，很多數(shù)據(jù)都要來自于相關資料，并考慮周全，急需一定的耐心，不然很容易放棄，我不斷告訴我自己，對事物的熟悉是建立在一步步的理解之上的，抱此態(tài)度，慢慢摸索，最終完成了課題為《液氨貯罐的設計》的課程設計。過程中遇到了許多難以解決的問題，對課本有了更進一步的了解，加固了對相關課程知識的認知程度，我認為最重要的是學會了很多關于word軟件的使用技巧和排版，認識到了計算機處理問題的重要性，相信在以后的工作和生活中會很有用處。我認為，本次課程設計的重要限不僅僅在于對知識的學習和鞏固，它告訴我做任何事情一定要有端正的態(tài)度和明確的目的，戒驕戒躁，端正態(tài)度，靜心摸索才是永遠要牢記的話。由于時間倉促，水平有限，設計中會存在一些問題，請老師批評指正！致謝非常感謝老師給予我們制做課程設計書的機會，制做這份課程設計書雖然不容易，特別是畫圖部分，因為我個人最不喜歡畫圖了，但做完以后很有成就感，越不容易做到的事情越覺得自己很了不起。特別要謝謝老師給我們提供的課程設計規(guī)范的PPT，對我這次設計起到了很大作用。同時，我也要感謝網(wǎng)絡，網(wǎng)絡讓我查閱資料更快捷，更方便，在以后的學習中我會繼續(xù)努力的。參考資料：[1]董大勤、高炳軍、董俊華等編《化工設備機械基礎》北京：化學工業(yè)出版社.第四版，2011.3[2]蔡紀寧、張莉彥編《化工設備機械基礎課程設計指導書指導書》.北京：化學工業(yè)出版社.第二版，2010.8[3]何銘新錢可強編，《機械制圖》北京高等教育出版社.第六版.2010年[4]董大勤,袁鳳隱編.《壓力容器設計手冊》北京：化學工業(yè)出版社.第二.，2006[5]參考網(wǎng)址：答辯問題1.液氨儲罐的機械設計包括哪些內(nèi)容？答:內(nèi)容：設備總裝配圖一張；零部件圖一至兩張；設計計算說明書一份。2.設計參數(shù)中設計壓力是如何確定的？（具體說明在設計中設計壓力的確定）答：液氨儲罐通常置于室外，雖然設計有保溫措施，但罐內(nèi)液氨的溫度和壓力還是可能直接受到大氣溫度的影響，在夏季液氨儲罐經(jīng)太陽暴曬，液氨溫度可達40℃，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷變化.根據(jù)《化學化工物性數(shù)據(jù)手冊》查得40℃飽和蒸汽壓為1.55MPa,可以判定設計的容器為儲存內(nèi)壓壓力容器，按《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，盛裝液化氣體無保冷設施的壓力容器，其設計壓力應不低于液化氣40℃時的飽和蒸汽壓力，可取液氨的設計壓力為1.70MPa，當液化氣體儲罐安裝有安全閥時，設計壓力可取最大操作壓力的1.05-1.10倍，所以1.70MPa合適。。3.設計參數(shù)中焊接接頭系數(shù)是如何確定？