m3-液氨储罐设计-毕业论文.doc

目录附：课程设计任务书一 序言（一）设计任务（二）设计思想（三）设计特点二 储罐总装配示意图三 材料及结构的选择（一）材料的选择（二）结构的选择四 设计计算内容（一）设计温度和设计压力的确定（二）名义厚度的初步确定（三）容器的压力实验（四）容器应力的校核计算（五）封头的设计（六）人孔的设置（七）支座的设计确定（八）各物料进出管位置的确定及其标准的选择（九）液位计的设计（十）焊接接头设计五 设计小结六 参考资料附：课程设计任务书题目：（15）液氨储罐设计设计条件表序号项目数值单位备注1最高工作压力由介质温度确定2工作温度-20483公称容积（）154装量系数（）0.855工作介质液氨6使用地点太原市，室外管口条件：液氨入口 DN40; 液氨出口 DN40; 气氨出口DN40; 放空口DN25; 排污管DN32; 安全阀接口DN80; 压力表接口DN25。液位计接口和入孔按需设置。一 序言（一）设计任务： 针对化工厂中常见的液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图和零件图，并编写设计说明书。（二）设计思想： 综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。（三）设计特点： 容器的设计一般由筒体，封头，法兰，支座，接口管及人孔等组成。常，低压化工设备通用零件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的筒体，封头的设计计算，低压通用零件的选用。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理的进行设计。 二 储罐总装配示意图三 材料及结构的选择（一） 材料的选择氨作为一种重要的化工原料，应用广泛，为运输及储存便利，通常，将气态的氨气通过加压或冷却，得到液态氨。液氨，又称为无水氨，是一种无色液体，有强烈的刺激性气味，液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，采用钢瓶和槽车装运。纯液氨腐蚀性小，储罐可选用一般钢材，但由于压力较大，可以考虑20R，16MnR这两种钢材。如果纯粹从技术角度看，可用20R类的低碳钢板，16Mn钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板较为经济，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头的材料。（二） 结构的选择1 封头的选择 从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小的多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度，结构和制造方面综合考虑，采用椭圆封头最为合理。2 人孔的选择 压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节，法兰，盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力，公称直径，工作温度以及人，手孔的结构和材料等诸多方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有很大的灵活性。在此，考虑到人孔盖直径较大较重，可选用MFM型，A型盖轴耳，公称压力为2.5MPa，公称直径为500mm,H为280mm的回转盖对焊法兰人孔。3 法兰的选择法兰连接的主要优点是密封可靠，强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸，制造成本较高。压力容器的法兰分平焊法兰和对焊法兰。法兰设计的优化原则是：法兰设计应使各项应力分别接近许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到充分的发挥。4 液面计的选择液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型大体上可以分为四类：有玻璃板液面计，玻璃管液面计，浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度在0250摄氏度。玻璃管液面计适用于工作压力小于1.6MPa，介质温度在0250摄氏度情况下。玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料没有结晶等堵塞固体的场合。板式5液面计承压能力强但比较笨重，成本较高。液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重堵塞现象，所以在此选用玻璃管液面计。5 鞍式支座的选择鞍式支座是应用较为广泛的一种卧式支座。从应力分析来看，理论上支座数目越多越好。但实际上，卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点过多时，各支撑平面的影响均会影响支座反力的分布，因而采用多支座不仅体现不出理论上的优越性反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利影响。在此选择轻型的鞍式双支座，一个S型，一个F型。四 设计计算内容（一）设计温度和设计压力的确定 设计温度的确定根据液氨储罐工作温度为-2048所以选择设计温度t=50设计压力的确定 的临界温度 对于承装临界温度大于的液化气体的压力容器，设计有可靠的保冷措施，则其最高工作压力为所盛液化气体在可能达到的最高工作温度下的保和蒸汽压。氨的最高工作温度为。在范围内用内插法求时的压力为：（其中由下表一查得：表一 液化气饱和蒸汽压及饱和液密度温度-20204050饱和蒸汽压Bar氨1.931.9315.2019.25氯0.825.6510.2713.03丙烷2.558.9614.4817.93丙烯2.969.6515.8619.99饱和液密度Kg/升氨0.66500.61030.57950.5663氯1.5281.4061.3421.307丙烷0.560.530.470.45丙烯0.570.5150.4750.45（三） 名义厚度的初步确定1 所需参数的确定1.1 筒体长度的确定（以长宽尽量符合黄金比例为准） 若取公称直径时： 同理： 时： 时： 时： 时： 再取，则有： 取最接近0.618的值为： 于是筒体长度确定为3.55m.1.2 计算压力的确定（由设计压力与液柱静压力来确定） 设计压力； 液柱静压力为： ，于是忽略了液柱静压力的影响，得到1.3 （）-设计温度下的许用应力 对于的低合金钢钢管，在的设计温度下。1.4 -焊接接头系数 （取值根据接头形式及无损检测的长度比例来确定）采用双面对接接头或相当于双面对接接头的全焊透对接头，进行100%无损检测时，。2 名义厚度的计算2.1 计算厚度筒：封头：2.2 设计厚度（加入腐蚀裕量）筒：封头：2.3 名义厚度（设计厚度+钢板厚度负偏差）筒：封头：根据钢板的常用规格，取筒和封头的名义厚度均为2.4 有效厚度筒：封头：（四） 容器的压力实验 所谓压力试验，就是用液体或气体作为工作介质，在容器内施加比它的设计压力还要高的试验压力，以检查容器在试验压力下是否有渗漏、明显的塑性变形以及其他缺陷。压力试验分为液压试验和气压试验两种，一般采用液压试验，而且普遍采用水为液压试验介质，故本次设计采用水压试验。根据GB150标准的规定，液压试验时 取设计实验温度为，查表有所以 而圆筒的应力 所以 查表得到 所以，厚度校核合格。（五） 容器应力的校核计算1计算容器质量1.1容器自重，包括筒体质量和封头质量 容器自重1.2 充液质量 充水时： 充液氨时：2建立力学模型计算圆筒中的弯距2.1 鞍座位置的确定鞍座位置的选择一方面要考虑到利用封头的加强效应，另一方面又要考虑到不使壳体中因荷重引起的弯曲应力过大。由此，鞍座的位置按，并尽量使的条件来确定，其中a为鞍座中心线至圆筒端部的距离，L为圆筒长度（两封头切线间距离），为筒体内半径。取q2.2 力学模型LBAaa2.3 圆筒最大弯矩的计算将由上述计算所得的质量产生的重力简化为沿容器轴线作用的均布载荷，计算跨中截面处的弯矩M。取而支座位置分析受力图可知 由于两支座距罐两端距离相等，两支座A,B受力相同，均为罐重力的一半，且在罐中心截面上弯矩最大。液压实验时：正常操作时：3计算圆筒跨中截面最大拉应力和最大压应力，进行应力校核 最大拉应力由介质压力及弯矩M引起，位于该截面的最低点即 其强度条件为 条件符合。 最大压应力位于该截面的最高点，并且在盛满物料而升压时压应力有最大值，故有最大压应力为： 其强度条件为 条件符合。 稳定性条件为：，式中为稳定许用压缩应力。 由以上计算可知此稳定性条件符合。（五）封头的设计 标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头形式,其最新的标准为JB/T4746-2002.该标准规定以内径为公称直径的标准椭圆形封头(代号EHA)的直边高度只与公称直径有关DN2000mm时,直边高度为25mm；DN2000mm时,直边高度为40mm。由于所设计的筒体公称直径DN=2100mm2000mm，所以直边高度为40mm，又根据EHA椭圆形封头内表面积及容积查得：DN=2100mm时，总深度H=565mm，内表面积A=5.0443，容积V=1.3508所以，封头设计为EHA210018-16MnR JB/T4746-2002示意图如下：402100565（六） 人孔的设置1 人孔位置和尺寸的设置人孔即检查孔。压力容器开设检查孔目的是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹，变形，腐蚀等缺陷以及装拆设备的内部零部件，一般设备的公称直径在900mm以下时可根据需要设置适当数量的手孔，超过900mm时应开设人孔。人孔有圆形和长圆两种。人孔大小的设置原则是方便人的进出，因此，圆形人孔的公称直径规定为400600mm，所以本次设计选择人孔公称直径为500 mm。外伸170mm。人孔位置的确定：人孔的壁厚，：人孔的公称直径，：筒体壁厚，：筒体公称直径取2 人孔补强的计算 2.1 圆筒开孔所需补强面积 式中：d-开孔直径，506mm。 -圆筒计算厚度，11.946mm。 -接管有效厚度，10.946mm。 -强制削弱系数，等于设计温度下接管材料的许用应力与壳体材料的许用应力之比，当比值大于1时，取=1。 于是 2.2 有效补强范围内补强面积的计算 为壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积为接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积上式中： 外侧高度 人孔实际外伸170mm 取 内侧高度 人孔内伸0 取 所以： 由于，所以需要补强补强面积补强厚度取补强厚度为（七） 支座的设计确定容器支座有鞍式支座，腿式支座，支承式支座，耳式支座和裙式支座,本次设计为卧式容器，所以采用鞍式支座。鞍式支座分为轻型(代号为A)和重型(代号为B)，对于一般直径在1000 mm以上的容器，选用轻型鞍座就可满足要求，鞍座与基础的安装形式有固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种，一般为满足容器的热胀冷缩的位移要求，固定式和滑动式应配对使用。故设计中选用轻型鞍座，采用固定式和滑动式。查表得时，允许载荷；而此设计储罐每个支座所需承受载荷为，符合条件，于是选取支座： JB/T4712.1-2007，支座A2100-F JB/T4712.1-2007，支座A2100-S（八）各物料进出管位置的确定及其标准的选择开孔：液氨入口DN40，液氨出口DN40，气氨出口DN40，放空口DN25，排污管DN32，安全阀接口DN80，压力表接口DN25两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍，其他管口如液相出口管，安全阀接口，压力表接口，气相管，放气管，排污管等管间的间距均由下述来设计并计算： 上部：从罐的右侧至左侧依次设置：人孔，压力表接口，安全阀接口，气氨出口，放空口，液氨入口。压力表接口中心线与人孔中心线间距: 取安全阀接口中心线与压力表接口中心线间距： 取气氨出口中心线与安全阀接口中心线的间距: 取放空口中心线与气氨出口中心线的间距:取液氨入口中心线与放空口中心线的间距:取下部：罐左侧设置液氨出口，右侧设置排污管：排污管和液氨出口管中心线与焊缝间距分别为：250mm。 附：各管设计条件表：液氨入口液氨出口气氨出口放空口排污管安全阀接口压力表接口DN40404025328025外径45454532388932壁厚4.04.04.03.53.56.03.5安装位置上部下部上部上部下部上部上部外伸尺寸100100100100100100100内伸尺寸1500000000（九）液位计的设计1 液位计型式有很多种，本次设计采用磁性液位计。2 根据罐内工作压力选取压力等级为2.5 MPa。3 选普通型，外加保温层的液位计。4中心距L的选择： 液位： 液位计位置在处： 取的液位计5材质选择：0Cr18Ni9Ti（321）。6 介质 。7 采用规格为DN25的接管 外伸500，内伸0。8采用带对焊法兰，法兰规格为DN32，密封面型式采用突面。（十）焊接接头设计 容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝,熔合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的型式直接影响到焊接的质量与容器的安全。焊接接头的型式及焊接材料应在化工设备的装配图及零部件图中以适当的方式表示出来。1) 回转壳体的焊接结构设计回转壳体的拼接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向及环向接头，凸形接头上的拼接接头，即A，B类接头，是容器要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要，必须采用对接焊，不允许采用搭接焊.对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损检测，可获得最好的焊接接头质量。2) 接管与壳体的焊接结构设计接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与对容器的强度与安全的要求有关，涉及到是否开坡口，单面焊与双面焊，焊透与否等问题。1. 无补强圈接管的焊接结构 中低压容器不需另作补强的小直径接管可直接插入壳体所开孔内，有平齐式和内伸式两种。插入出接管与壳体总有一定间隙，但此间隙不大于3 mm，过大的间隙在焊接收缩时易产生裂纹或其他焊接缺陷。 2. 带补强圈的接管的焊接结构 作为开孔补强元件的补强圈，一方面要求尽量与补强出的壳体贴合紧密，另外与接管与壳体之间的焊接结构设计也应力求完善合理。 五 设计小结 对于液氨储罐，此次设计着重进行了筒体和封头的厚度设计以及以及强度的校核，开孔及补强的计算，钢瓶的设计和附件的选取，附件包括安全阀，温度计，压力计，液位计和管道设计等内容。参考查阅了各种书籍及相关资料，考虑了诸多可能因素，对所设计设备的结构，强度性能都作了详细的计算。是尽作者水平提出的较为完整合理的设计方案。六 参考资料1GB105-1998钢制压力容器。北京：中国标准出版社，19982国家质量技术监督局。压力容器安全技术监察规程。北京：中国劳动社会保障出版社，19993国家医药管理局上海医药设计院。化工工艺设计手册（第二版）。北京：化学工业出版社，19964吴粤主编。压力容器安全技术手册。北京：机械工业出版社，19995HG/T20668-2000化工设备设计文件编制规定。国家石油和化学工业局发布，2001.06实施6全国化工设备设计技术中心站。化工设备图样技术要求。2000年11月7JB/T4712-2007容器支座。北京：新华出版社，20078HG2059220637-97钢制管法兰、垫片、紧固件。9JB47004707-2000。压力容器法兰。昆明：云南科技出版社，200010HG/T21584-85磁性液位计11JB/T4736-2002，JB/T4746-2002。补强圈、钢制压力容器用封头12HG/T2058020585钢制化工容器设计基础规定等六项标准13JB/T4730-2005承压设备无损检测。北京：新华出版社，200514JB/T4709-2000钢制压力容器焊接规程。昆明：云南科技出版社，200015HG/T2151421535-2005钢制人孔和手孔。北京：中国计划出版社，200516李世玉主编。压力容器设计工程师培训教程。北京：新华出版社，200517过程装备基础 朱孝钦 化学工业出版社 2006.7