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1、 化工容器设计课程设计说明书300m3液氨储罐设计专业：过程装备与控制工程班级：13级过控1班 学号：姓名： 目 录1 设计参数的选择41.1 设计的题目41.2 原始数据41.3 储存量41.4 设计压力51.5 设计温度52 容器的结构设计62.1 筒体的内径和长度的确定62.2 筒体和封头的厚度设计计算62.3 人孔设计72.4 其他零部件的设计72.4.1 液位计的设计72.4.2 管口设计82.5 鞍座选型和结构设计112.5.1 质量确定112.5.2 鞍座的安装位置123 开孔补强设计133.1 补强设计方法判别133.2 补强圈计算133.2.1 圆筒开孔所需补强面积133.2
2、.2 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积143.2.3 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积143.2.4 焊缝金属面积143.2.5 另加补强面积144 强度计算154.1 液压试验154.2 圆筒轴向弯矩154.2.1 载荷分布154.2.2 筒体弯矩164.3 圆筒轴向应力计算并校核165.3.1 筒体应力164.3.2 筒体轴向应力校核174.4 切向剪应力的计算并校核184.4.1 圆筒切向剪应力的计算184.4.2 圆筒被封头加强时，最大剪应力184.4.3 切向剪应力的校核184.5 圆筒周向应力的计算并校核194.5.1 在横截面的最低点处194.5.2 周向应力校核19
3、5 防护及使用管理205.1 防腐205.2 防静电205.3 热处理要求205.4 焊接205.5 使用及管理2019300m2液氨储罐设计1 设计参数的选择1.1 设计的题目300m3液氨储罐设计1.2 原始数据表1.1 设计条件序号项目数值单位备注1名称液氨储罐2用途液氨储存3最高工作压力1.36MPa液氨在50下的压力4工作温度-45485公称容积300m36工作压力波情况可不考虑7装量系数0.98工作介质液化石油气9材料16MnDR10焊接要求单面焊，100%无损探伤11设计寿命20年12腐蚀速率0.1mm/a13其他要求1.3 储存量盛装液化气体的压力容器设计存储量：W=Vt式中，
4、装载系数=0.9压力容器设计V=300m设计温度下的饱和液体密度t =562.87/m则：存储量W=15.20t1.4 设计压力设计压力取饱和蒸气压，p=1.5MPa1.5 设计温度工作温度为 -4548 ，则取 设计温度取502 容器的结构设计2.1 筒体的内径和长度的确定由设计任务书可知：V=300m3L/D=8 取 L=8D则有： 取内径为3700mm，由于筒体的内径较大，所以采用钢板卷制，公称直内径DN3700mm.选用标准椭圆形封头表2.1 EHA椭圆形封头内表面积及容积 公称直径（mm）总深度H/mm内表面积A/m2容积V/m3370096515.30477.0605则筒体长度：圆
5、整：L =26610mm则实际体积： 则体积相对误差为：符合设计要求。2.2 筒体和封头的厚度设计计算（1）设计压力取：p=1.5MPa液柱压力（安装满时计算）：5 所以可以忽略液柱的压力。单面焊，100%无损探伤，焊接接头系数=0.9筒体厚度：计算压力： 计算厚度： 查表2-5得，厚度负偏差C1=0.8mm。设计寿命20年，腐蚀速率0.1mm/a，所以腐蚀裕量C2=2mm。设计厚度=19.75+2=21.75mm；名义厚度=24mm。标准椭圆形封头厚度：计算厚度： 设计厚度： td=t+C1+C2+圆整值=24mm 2.3 人孔设计设置1个人孔，其公称直径取DN450。根据HG/T 2151
6、8-2005 钢制人孔和手孔选取：人孔 RF t-35CM (WD-1232) B 450-2.5 HG/T 21518-2005具体结构和材料见标准HG/T 21518-2005 钢制人孔和手孔。2.4 其他零部件的设计2.4.1 液位计的设计1）液位计类型由于该储罐的介质为液氨，工作温度常温，所以选用磁性液位计。2）液位计中心距可简化容器为一圆筒，液体达到总体积的90%（本储罐的装量系数为0.9），可近似认为截面面积达到全面积的90%，所以下图所示的阴影面积为全面积的10%。即： 即 迭代求解得：=46.6 所以最高液面到筒体中心线的距离为： 所以选用中心距为1400mm的液位计不对称安装
7、。R图 2.1 3）接管与法兰 由于介质为液氨，应采用带颈对焊法兰（突面）、带加强环的缠绕垫片（带外环）和专用级高强度螺栓组合，而且它的腐蚀性不大，所以材料不需要选太好的。为了有良好焊缝，接管材料选16Mn。同时接管伸出较长，需要支撑结构。综上所述，具体见表3.2表2.2 接管与法兰名称标记数量总质量/kg备注液位计HG/T 21584-95 UZ 2.5-1400-0.45 AF 304 C120法兰HG/T 20592 法兰WN20-2.5 RF S=3.522垫片HG 20610 缠绕垫 D 25-25 123222接管253.5 L=395mm10.97接管253.5 L=495mm1
8、.221.22全螺纹螺柱M12280 8.8级 材料 35CrMoA80.48螺母M12 8级 材料 30CrMo16032筋板403 材料Q235A4现场确定长度2.4.2 管口设计1）管口中心线位置的确定根据管口的性质可确定其安放位置，排污管在筒体的下方，其它在筒体的上方。根据GB 150规定，按壳体开孔不另行补强设计要求设计法兰管的位置。要求如下：a.设计压力小于或等于2.5MPa。 b.两相邻开孔中心线的间距应不小于两孔直径之和的两倍。c.接管公称外径小于或等于89mm。d.接管最小壁厚满足下表：表2.3 接管最小壁厚接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.0
9、5.06.01接管的腐蚀余量为1mm集中布管，顺序为：放空口、人孔、安全阀接口、温度计口、压力表接口、液相进口管、气相出口管、排污口在壳体下方、液相出口管在壳体下方。（具体位置见装配图）1.离焊缝最近的人孔，所以它离焊缝距离应该不小于，则取人孔与焊缝距离为640mm；2.两相邻开孔中心线的间距应不小于两孔直径之和的两倍,则放空口与人孔距离为1000mm，人孔与安全阀接口距离为1000，安全阀与温度计口800mm、温度计与压力表的距离为650mm、压力表与液相进口距离为650mm、液相进口与气相出口距离为600mm。（具体位置见装配图）2）接管与法兰选取a根据壳体开孔不另行补强，条件d条可确定接
10、管厚度：b液相进口管，液相出口管，气相进口管，气相出口管，排污管5mmc安全阀接口接管6.0mmd压力表接管，液位计接管3.5mm由于本储罐装的是液氨，法兰采用带颈对焊法兰，缠绕垫片（带外环）。综上所述： 表2.4 接管与法兰标准号名称材料数量总质量/kg备注HG20592法兰 WN50(B)-25 FM S=5.016Mn515.55液相进口管，液相出口管，气相进口管，气相出口管，排污管法兰HG20592法兰 WN25(B)-25 FM S=3.516Mn11.26压力表接管法兰HG20592法兰 WN25(B)-25 RF S=3.516Mn23.0液位计接管法兰HG20592法兰 WN8
11、0(B)-25 FM S=6.016Mn15.0安全阀接管法兰GB6479接管575.0 L=1500,L=12340,L=15516Mn524.76其中L=155取3条，其它一条GB6479接管325.0 L=150 L=495 L=39516Mn32.97压力表接管，液位计接管GB6479接管897.0 L=14516Mn11.77安全阀接管3）焊接结构设计。1壳体A，B类焊接接头的设计该容器上的A,B类接头必须采用对接焊，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。该容器上的接管与壳体以及补强圈之间的焊接一般只能采用角接和搭接。2壳体C，D类
12、焊接接头的设计 平盖，管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体，接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头，但已规定为A，B类的焊接接头除外。接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头均属于D类焊接接头，但已规定为A，B类的除外。3焊接接头坡口设计容器筒体，封头与接管法兰的厚度均在=2050mm的范围，为了减小焊接变形和残余应力，因此可取接头坡口形式为U形。4）常用焊接方法与焊条的选择采用手工电弧焊，该方法设备简单，便于操作，使用于各种焊接，在压力容器制造中应用十分广泛，钢板对接，接管与筒体、封头的连接等都可以采用。考虑母材力学性能与化学成分，对低碳钢
13、和低合金钢构件，要求等强度原则选择焊条，即要求焊缝与母材的强度相等或基本相等，而不要求焊缝的化学成分与木材相同。不同类型的低合金钢之间进行异种钢焊接时，应选与其中强度较低的钢材等强度的焊条进行焊接，再综合考虑金属进行热处理后，对其力学性能的影响构件的结构与刚性和经济性，该容器所用焊条使用型号如下表：表2.5 焊条型号接头母材焊条型号焊条牌号Q345R+Q345RE5016(GB/T5117)J506 Q235-A+Q235-AE4316(GB/T5117)J426Q235-A+Q345RE4303(GB/T5117)J422由于介质为液氨，应采用带颈对焊法兰（突面）、带加强环的缠绕垫（带外环）
14、和专用级高强度螺栓组合，而且它的腐蚀性不大，所以材料不需要选太好的。为了有良好焊缝，接管材料选16Mn。同时接管伸出较长，需要支撑结构。 综上所述，储罐其它部件确定如（表2.6）。表2.6 储罐其他部件名称标记数量总质量/kg备注液位计HG/T 21584-95 UZ 2.5-1400-0.45 AF 304 C120法兰HG/T 20592 法兰WN20-2.5 RF S=3.522垫片HG 20610 缠绕垫 D 25-25 123222接管253.5 L=395mm10.97接管253.5 L=495mm11.22全螺纹螺柱M12280 8.8级 材料 35CrMoA80.48螺母M12
15、 8级 材料 30CrMo16032筋板403 材料Q235A4现场确定长度2.5 鞍座选型和结构设计该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用16MnDR.估算鞍座的负荷 2.5.1 质量确定 由于接管、人孔、液位计等质量相对于筒体和封头的质量较小，所以这里主要考虑筒体和封头质量容器质量： 正常操作状态下最大质量: 水压试验时最大质量：综上所述， mmax =364100.6kg则每个鞍座承受的质量为182050.3kg，即为1785kN。查JB4712.1-2007容器支座第一部分鞍式支座中表1，首先优先选择轻型支座。查JB4712.1-2007容器支座第一部分鞍式支座中表2得（
16、表3.7）表2.7 鞍座尺寸表公称直径DN3700腹板12730允许载荷QkN1330筋板440垫板12鞍座高度h250335e140底板2780430螺栓间距25001612鞍座质量Kg65012垫板弧长4410增加100mm增加的高度Kg47该对鞍座标记为JB/T4712.1-2007 鞍座A2300-S和JB/T4712.1-2007 鞍座A2300-F。2.5.2 鞍座的安装位置根据JB/T4731-2005钢制卧式容器中6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于0.5R无法满足A小于等于0.5R宜大于0.2L。R筒的平均内径。L=L0+4/3H=26910+4/396
17、5=27896.7mm即AR/2=1850/2=925mm取A=850mm鞍座的安装位置如图所示：图2.2 鞍座位置3 开孔补强设计根据GB150中8.3，知该储罐中只有人孔需要补强。3.1 其中开孔直径: 480-152+2（2+0.8）mm=455.6mmdDi/3=3700/3=1233.3mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算3.2 补强圈计算补强圈如图：图4.1 补强圈3.2.1 圆筒开孔所需补强面积开孔直径: d=450+2（2+0.8）mm=455.6mm圆筒计算厚度: =19.75mm接管有效厚度: et=15-1-0.8mm=13.2mm强度削弱系数: f=1.0所以 : A
18、=8998.1mm23.2.2 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积有效补强范围的宽度: B=970.4mm所以: A1=800.58mm23.2.3 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积有效补强范围外侧高度: h1=85.38mm有效补强范围内侧高度: h2=0 mm接管计算厚度 ： 所以: A2=1885.2mm23.2.4 焊缝金属面积焊缝金属面积不考虑，则： A3=03.2.5 另加补强面积A4=A-A1-A2-A3=8998.1-800.58-1885.2=6312.32mm2所以补强圈厚度：考虑焊缝的补强作用，取 c=10mm 标记：dN45010-C-16MnDR JB/T
19、4736质量：21.2kg4 强度计算4.1 液压试验采用水压试验试验压力： 校核有效厚度: te=tn-C=24-2-0.6=21.4mm 而 符合要求。4.2 圆筒轴向弯矩建立力学模型，建立数学模型该卧式容器可简化为外伸梁受均布载荷如图：qF AMVF图4.1 载荷分布4.2.1 载荷分布置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。（1）均布载荷q、支座反力F 首先应把封头折算成和容器直径相同的当量圆筒。长度为2/3H（H凸形封头的深度）故重量载荷作用的长度为L+4/3H如果容器的总重量为2F，则作用在外伸梁上的的单位长度均布载荷为 N/mm= （4-1）则有 : F= N=
20、 （4-2） (2)竖直剪力V和力偶M封头本身和封头物料的重量为，此重力作用在封头的重心上，椭圆形封头重心e=，按照力线平移法则，此重力可用一个作用在梁端点的横向剪力V和一个附加的力偶m1来代替，则有 （4-3）和 （4-4）此外，当封头中充满液体时，液体静压力对封头作用一水平向外推力。这一推力偏离容器轴线，对梁的则形成一个力偶m2为 （4-5）将力偶m1和m2合成一个力偶M，即 （4-6）椭圆封头可近似可做RI=H则有 M=04.2.2 筒体弯矩取：A=850mm1.弯矩，筒体在支座跨中截面的弯矩，可分析两平衡条件得：M1=筒体在支座截面处的弯矩：M2=则最大弯矩为M14.3 圆筒轴向应力计
21、算并校核5.3.1 筒体应力1）鞍座跨中截面上筒体的最大轴向应力截面最高点：1=-=-截面最低点：2=+=+2）支座截面筒体的最大轴向应力截面最高点： 截面最低点：由于AR/2鞍座包角，查表7-1（JB/T4731-2005）得式中折扣系数K1和K2分别都为1.4.3.2 筒体轴向应力校核由以上分析知，筒体的最大轴向应力为14其位置如下图： 3124 图4.2 筒体的轴向应力图最大应力为2=64.8364670MPa计算得到的轴向压应力为; cr= (4-7) pcr=mP设计 （4-8）m为安全系数取3则有：cr= =MPa设计温度下的许用应力t为157MPa容器安全使用的稳定条件为：比较得
22、：2cr ，故均满足强度要求4.4 切向剪应力的计算并校核4.4.1 圆筒切向剪应力的计算根据JB/T 4731-2005中式7-9计算查JB/T 4731-2005中表7-2，得： =4.4.2 圆筒被封头加强时，最大剪应力根据JB/T4731-2005中式7-10，计算得： =4.4.3 切向剪应力的校核圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的0.8倍，即封头的切向剪应力，应满足而 =19.85MPa0.8t=0.8157=125.6MPa即： 故圆筒满足强度要求。4.5 圆筒周向应力的计算并校核4.5.1 在横截面的最低点处5= （b2为圆筒的有效厚度）查,表7-3知，F=892
23、972.3N, e=21.4mm， b2=335mm5=-4.5.2 周向应力校核根据JB/T 4731-2005中7.3.4.3进行校核由于 t=157 MPa所以 ： 故均满足强度要求该容器可以安全使用！5 防护及使用管理5.1 防腐设备制造完毕后，应彻底去污除锈，外表面涂铁红防锈和银粉漆个两遍。为警示，再沿罐体水平中心线四周刷红色色带一道，宽度不应小于150mm，最后在在筒体两边中央用红漆写上“严禁烟火”四字，高度不小于200mm。5.2 防静电 液化石油气本身不但具有爆炸和着火危险，而且其在管道和设备中流动，会因摩擦而产生静电，如果不及时导走，静电聚集产生高达数千伏的电压，从而发生爆炸
24、、着火。为防止储罐电荷聚集，容器必须静电接地，其接地电阻不应大于105.3 热处理要求 设备制造完毕后，焊在容器上的连接件、附件应随容器一起进行消除应力的整体热处理，热处理后不得在容器上动火。5.4 焊接所有焊缝，包括对焊、补焊、管子与筒体焊接、对焊、角焊等均应进行焊接工艺评定和焊制产品的焊接试板。5.5 使用及管理 设备设置的位置应符合GB16-87建筑设计防火规范的规定。有条件的最好在设备上设置喷淋装置，当介质温度接近50时，即打开喷淋水喷淋。以保证储罐的正常工作。按其第一道法兰结构和尺寸，配备适合该法兰的堵漏装置和工具。设置液化气泄漏报警装置。严格控制H2S含量不超过50mg/L。使用单位必须按照容规规定，认真安排设备的定期检验工作。安全阀的排出口应装设导管，将排放介质引至安全地点，并进行妥善处理。不得直接排入大气。