50M3液氯储罐安全压强设计方案

1 50氯储罐安全压强设计方案书 1设计目的： 设计目的 1) 使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。 2) 掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。 3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。 4) 掌握工程图纸的计算机绘图。 2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 1 原始数据 设计条件表 序号 项 目 数 值 单 位 备 注 1 名 称 液氯储罐 2 用 途 液氯储存站 3 最高工作压力 介质温度确定 4 工作温度 45 5 公称容积（ 50 6 工作压力波动情况 可不考虑 7 装量系数 ( V) 8 工作介质 液氯（高度危害） 9 使用地点 室内 10 安装与地基要求 11 其它要求 管口表 接管代号 公称尺寸 连接尺寸标准 连接面形式 用途或名称 a M 液氯进口管 b M 安全阀接口 c G/M 人 孔 d M 空气进口管 e M 空气出口管 f M 压力表接口 g M 液位计接口 2 h M 液氯出口管 课 程 设 计 任 务 书 2设计内容 1）设备工艺、结构设计； 2）设备强度计算与校核； 3）技术条件编制； 4）绘制设备总装配图； 5）编制设计说明书。 3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书 (论文 )、图纸、实物样品等： 1）设计说明书： 主要内容包括：封面 、 设计任务书 、 目录 、 设计方案的分析和拟定 、 各部分结构尺寸的设计计算和确定 、 设计总结 、 参考文献等 ； 2）总装配图 设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。 3 课 程 设 计 任 务 书 4主要参考文献： 1 国家质量技术监督局， 制压力容器，中国标准出版社， 1998 2 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，1999 3 全国化工设备设计技术中心站，化工设备图样技术要求， 2000， 11 4 郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计 ，化学工业出版社， 2001 5 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社， 2002 6 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社， 1996 7 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社， 2003 年 5设计成果形式及要求： 1）完成课程设计说明书一份； 2）草图一张（ 3）总装配图一张 (纸一张 )； 6工作计划及进度： 2014年 06月 16日 ：布置任务、 查阅资料并确定设计方法和步骤 06月 17、 18、 19、 20日 ： 机械设计计算 （强度计算与校核）及技术条件编制 06月 21日 06 月 24日 ：设计图纸绘制（草图和装配图） 06月 25日 06 月 26日 ：撰写设计说明书 06月 27日 ：答辩及成绩评定 4 基层教学负责人审查意见： 签字： 年 月 日 目录 第一章 工艺设计 1 1 第二章 机械设计 构设计 材料的选择 2 壁厚的设计计算 4 接管法兰的选择 4 垫片的选择 6 螺栓的选择 6 人孔的选择 7 视镜的选用 9 液面计的选用 9 5 安全阀的选用 9 支座结构设计及位置的确定 9 焊接接头的设计 12 13 15 15 度校核 17 参考文献 29 6 1 第一章 工艺设计 储量 盛装液化气体的压力容器设计存储量 式中： W 储存量， t； 装载系数； V 压力容器容积； t 设计温度下的饱和溶液的密度，3 将数据代入得到 W= V t=0*备的选型及轮廓尺寸 筒体直径一般由工艺条件决定，但是要符合压力容器的公称直径。标准椭圆型封头是中低压容器经常采用的封头形式。封头公称直径必须与筒体的公称直径相一致。 根据公式 /4*g（ 1+5）； 其中 0， 取 L/ 得 整得 600查标准 4746制压力容器用封头中表 圆形封头内表面积、容积，如下表： 容积 序 号 公称直径 总深度 H（ 内表面积 A（ 容积 V（ 31 2600 690 由 封头 +V 筒体 则： 50* /4*+2V 封 计算得 L=取 L=9000 6，设计合理 计算容积 V 计 = /4*+2V 封 =作容积 V 计 =边段 高度为 690=40二章 机械设计 构设计 体及封头设计 设计温度系指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下，设定受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度，对于 0 设计温度不高于元件金属可能达到的最低金属温度，容器的设计温度是指壳体的设计温度，可知器设计温度选取的依据：其值不得低于最高金属温度或不得高于最低金属温度（ 0 C 以下），最高工作温度为 45 C，则设计温度取 50 C。 根据液氯的物性选择罐体材料，碳钢 对液氯有良好的耐蚀性腐蚀率，且又属于中压储罐，根据 用筒体和封头材料为 材标准为假设厚度范围在 31650时的许用应力 t=189 于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性 ,壁厚较大（ 8压力容器。根据 度负偏差 3 设计压力为容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压 力，而最高工作压力指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不得低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的 。 计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当元件所承受的液柱静压力小于 5%设计时，可忽略不计。 T=50时，根据压力容器介质手册可得液氯的密度是 1314kg/m，饱和蒸汽压 气 压 液氯在 50是的饱和蒸汽压为 于按压力容器安全技术监察规程规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气 50时的饱和蒸汽压力 气压 本次设计中的液氯储罐上装有安全阀，通常认为设计压力为工作压力的 最高工作压力指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压可取液氯容器的设计压力为最大工作压力的 。 即： 设计压力 ： P 设 =v= 液柱静压 ： P 设 = 314*5%*P 设 所以忽略液柱静压力 计算压力： 设 = 本次液氯储罐的设计采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头， 100%无损检测，所以 。 4 1）筒体厚度 根据 知 t=189筒厚度： =2 t = 液氯有强的腐蚀性，所以取腐蚀余量 度负偏差 计厚度： d= + 义厚度： n= d+ 圆整至 16效厚度： e= ）封头厚度 封头厚度： =2 t K=1 设计厚度： d = +义厚度： n = d + 圆整至 16效厚度： e = n 接管及接管法兰设计 1） 接管和法兰的选择 法兰简图如图所5 查 20592制管法兰中表 颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。 查 20592制管法兰中附录 D 中表 兰的质量 ,得各法兰的质量。 查 20592制管法兰中表 兰的密 封面均采用 凸面密封）。 接管和法兰尺寸 序号 名 称 公称直径管外径法兰焊端外径 法兰外径D 螺栓孔中心圆直径 K 螺栓孔直径 L 螺栓孔数量 n（个） 螺 栓 兰厚度 C 法兰颈 法兰高度 H 法兰质量 N S a 液氯进口管 65 76B 185 145 18 4 20 92 10 6 48 b 安全阀接口 50 57B 165 125 18 4 0 74 5 48 c 人 孔 500 530B 715 650 33 20 34 546 11 16 12 90 70.7 d 空气进口管 50 57B 165 125 18 4 0 74 5 48 e 空气出口管 50 57B 165 125 18 4 0 74 5 48 f 压力表接口 25 32B 115 85 14 4 6 46 4 40 g 液位计接口 20 25B 105 75 14 4 6 40 4 40 h 液氯出口管 65 76B 185 145 18 4 20 92 10 6 48 6 2） 垫片的选择 查 20609制管法兰用金属包覆垫片得： 垫片尺寸表 符号 管口名称 公称直径 内径 径 D2 a 液氯进口管 65 27 b 安全阀接口 50 07 c 人 孔 500 561 624 d 空气进口管 50 07 e 空气出口管 50 07 f 压力表接口 25 54 71 g 液位计接口 20 1 h 液氯出口管 65 27 注： 1：包覆金属材料为纯铝板，标准为 3880，代号为 2：垫片厚度均为 3 3） 螺栓（螺柱）的选择 查 20613钢制管法兰用紧固件中表 附录中表 螺柱的长度和平垫圈尺寸： 螺栓尺寸表 型号 紧固件用平垫圈 称直径 螺纹 螺柱长 1a 65 5 17 30 3 b 50 5 17 30 3 c 500 25 25 44 4 d 50 0 17 30 3 e 50 0 17 30 3 f 25 5 13 24 g 20 5 13 24 2.5 h 65 5 17 30 3 4） 人孔的选择 压力容器开设人孔和手孔是为了检查设备内部空间以及装拆设 备的内部零部件。一般当设备的公称直径在 900过 900应开设人孔。人孔也有圆形和长圆形两种。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 400根据容器直径及所在地区的冷暖程度来选择。当人孔经常需要打开时，可选用快开人孔。人手孔已有相应标准，设计师可根据设计条件直接选用。 人孔简图如图所示： 8 根据 转盖带颈平焊法兰人孔 ，查 尺寸表 ，密封面选用凹凸面 法兰，其明细尺寸见下表： 人孔尺寸表 单位： 封面型式 凹凸面 715 1栓螺柱数量 20 公称压力 柱尺寸 115230 M 公称直径 00 1 390 螺柱尺寸 145230 M 30 10 2 200 0b 34 L 300 9 5)视镜的选用 试镜用来观察设备内部物料的工作情况，用凸缘构成的视镜称为不带颈视镜，其结构简单，不易粘料，有比较宽的视察范围，应优先选用。 6)液面计的选用 透光式玻璃面液面 计，型号 T；利用连通器原理，通过液面计的玻璃板视窗可以观察容器内部液面位置的变动情况。结构形式：保温型 W,钢板 00,标准 7)安全阀的选用 安全阀的作用是通过阀的自动开启排除气体来降低容器内过高的压力。其优点是仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体排除而造成浪费和中断生产；可重复使用多次，安装调整也比较容易，但密封性能较差，阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。 考虑由于泄放的液氯有毒、会污 染环境，应采用封闭式安全阀。所以选用弹簧封闭全启式（带扳手）安全阀。 8)支座结构设计及位置的确定 1）支座结构设计 该卧式容器采用双鞍座式支座，根据工作温度为 5，选择鞍座材料为用温度为 50，许用应力为 t = 189 估算鞍座的负荷：计算储罐总重量 m=m2+m3+ 其中： 筒体质量：对于 =103kg/0 9 16 10103=单个 封头的质量：封头质量查 钢制压力容器用封头得，封头质量 m=知 * 充液质量 ,故 = 液氯 V=1314 附件质量取 300综上述：总重量为 G=（ m2+m3+g=(00)*10=个鞍座承受的重量为 G/2= 2=此查 器支座。选取轻型，焊制 A，包角为 120，有垫板的鞍座 .，筋板数为 6。 查 3 得鞍座尺寸如表 5，示意图如下图： 公称直径许载荷Q /座高度h 底板 腹板 筋板 l1 2 l3 b2 2600 440 250 1880 300 14 10 295 268 360 8 垫板 螺栓配置 鞍座质量加 100长 e 间距孔d 螺纹 孔长l 3030 610 10 120 1640 24 0 298 26 11 图 3座 2）鞍座位置的确定 因为当外伸长度 A=，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的 弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸 A 不超过 ，为此中国现行标准 731 钢制卧式容器规定 A L+2h）， A 最大不超过 由标准椭圆封头 （ =2，有 h= 4=690 4=40 A +2h)=000+2 40)=1816于接管比较多，所以固定支座位于储罐接管较多的左端。 此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。 12 因此， 731 还规定当满足 A ，最好使 A m（ i+ n/2），即300+16/2=1308 A 1308=654取 A=600 综上述： A=600 A 为鞍座中心线至封头切线间距离 L 为筒体和两封头直边段的总长 9)焊接接头的设计 容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝、融合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的 主要部分。焊接接头的形式和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全。 对接接头：系两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头，这种焊接接头受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证，是压力容器中最常用的焊接结构形式。 回转壳体与封头的焊接接头选用 型对接接头 =12 60, b=0 3,P=1 3, =40 60 13 带补强圈的接管筒体焊接接头采用角接结构，坡口为带钝边单 V 型坡口 。 =3 26, b=0 3,P=1 4, =40 60 算开孔补强 根据 ，当设计压力小于或等于 ，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍。又本次设计人孔的公称外径 89以应该进行补强圈补强。 1）开孔所需补强面积 A 接管材料选用 20 号钢，正火，由 其许用应力 = t= 150 低合金钢 45时的 t=189强度消弱系数计算公式得： r= t=150/189=管厚度负偏 差 蚀裕量厚度 据 孔接管直径为 500取补强圈外径 840径530 壳体开孔处的计算厚度为 体开孔处的有效厚度为 孔直径 d=C=5302 1+柱开孔所需补强面积： A=2 1* ）补强范围内的补强面积 4 有效补强范围内的宽度 B 根据 有效不强范围内的宽 B=1， d=1017 B2=d+2（ + =然 =2d=1017 有效补强范围的外侧高度 据 ： h1=， 1 5 0 8 . 5 * 1 2 7 8 . 1 2 20以 有效补强范围的内侧高度 据 ： 1 5 0 8 . 5 * 1 2 7 8 . 1 2 , 2 0h ， 2 2 2m i n ( , ) 0h h h 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 筒计算厚度 = 接管有效厚度 1=( (1=(2* *（ 管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 管计算厚度 t =2 t 00/（ 2*189*2=2 t) =2* *缝金属面积 于本次设计的储罐是存放有毒介质的，所以选用 D 类接头形式进行焊接， 15 因此， *2*62=36效补强范围内的补强面积 据公式 6=强圈的选取 根据 47362=840径 30因为 B以在有效补强范围。 因为 A，所以需要另加补强，其补强面积为： c= = 840=2量为 体布局 液氯进气管外伸度 200伸高度 1500氯出口管外伸高度 200伸高度 0 安全阀外伸高度 200伸高度 0力表外伸高度 200伸高度 0空气进 /出口管外伸高度 200伸高度 0孔外伸 300伸 0 接管与接管间距 600管与封头间距 940人孔间距 1500焊缝距离不小于 150座距封头切线 600 接结构设计及焊条的选择 综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介 质是高毒性介质，所以本次设计的壳体 A、 B 类焊接接头应为 X 型的如图。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。 对于人孔、补强圈与壳体的接头选用，如图 16 图 V 型焊接接头 图 接管与筒体的接头 17 度校核 钢制卧式容器 计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 计 算 条 件 简 图 设计压力 p 计温度 t 50 筒体材料名称 头材料名称 头型式 椭圆形 筒体内直径 600 体长度 L 9000 体名义厚度 n 16 座垫板名义厚度 体厚度附加量 C 4.3 蚀裕量 体焊接接头系数 1 封头名义厚度 6 头厚度附加量 .3 座材料名称 座宽度 b 600 座包角 120 支座形心至封头切线距离 A 640 座高度 H 250 震烈度 低于七 度 18 内压圆筒校核 计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 计算所依据的标准 计算条件 筒体简图 计算压力 计温度 t C 内径 料 ( 板材 ) 试验温度许用应力 计温度许用应力 t 验温度下屈服点 s 板负偏差 蚀裕量 接接头系数 度及重量计算 计算厚度 = P it = 效厚度 e =n - 2= 义厚度 n = 量 g 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 t= (或由用户输入 ) 力试验允许通过 的应力水平 T T s = 验压力下 圆筒的应力 T = p DT i ). 2 = 核条件 T T 校核结果 合格 压力及应力计算 最大允许工作压力 2 e ( )D = 计温度下计算应力 t = P Dc i )2 = t 核条件 t t 结论 合格 19 左封头计算 计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 计算所依据的标准 计算条件 椭圆封头简图 计算压力 计温度 t C 内径 面深度 料 (板材 ) 设计温度许用应力 t 验温度许用应力 板负偏差 蚀裕量 接接头系数 力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 t = (或由用户输入 ) 力试验允许通过的应力 t T s = 验压力下封头的应力 T = = 核条件 T T 校核结果 合格 厚度及重量计算 形状系数 K = 2算厚度 h = it 5 . = 效厚度 2= 小厚度 义厚度 论 满足最小厚度要求 重量 力 计 算 最大允许工作压力 20 5 . t ei 论 合格 20 右封头计算 计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 计算所依据的标准 计算条件 椭圆封头简图 计算压力 计温度 t C 内径 面深度 料 (板材 ) 设计温度许用应力 t 验温度许用应力 板负偏差 蚀裕量 接接头系数 力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 t = (或由用户输 入 ) 力试验允许通过的应力 t T s = 验压力下封头的应力 T = = 核条件 T T 校核结果 合格 厚度及重量计算 形状系数 K = 2算厚度 h = it 5 . = 效厚度 2= 小厚度 义厚度 论 满足最小厚度要求 重量 力 计 算 最大允许工作压力 20 5 . t ei 论 合格 21 卧式容器（双鞍座） 计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所 计 算 条 件 简 图 计算压力 计温 度 t 50 圆筒材料 座材料 筒材料常温许用应力 189 筒材料设计温度下许用应力 t 189 筒材料常温屈服点 345 座材料许用应力 70 作时物料密度 O 1314 kg/压试验介质密度 T 1000 kg/筒内直径 600 筒名义厚度 筒厚度附加量 C 4.3 筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 16 头厚度附加量 .3 封头切线间距离 L 9080 座垫板名义厚度 0 座垫板有效厚度 0 座轴向宽度 b 600 座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A 640 头曲面高度 690 验压力 座高度 H 250 板与筋板组合截 面积 0 板与筋板组合截面断面系数 0 震烈度 7 圆筒平均半径 1308 2 物料充装系数 o一个鞍座上地脚螺栓个数 2 地脚螺栓公称直径 0 脚螺栓根径 0 座轴线两侧的螺栓间距 1640 脚螺栓材料 支 座 反 力 计 算 圆筒质量 (两切线间 ) 头质量 (曲面部分 ) 件质量 0 头容积 (曲面部分 ) 9 器容积 (两切线间 ) V = 0 器内充液质量 工作时 , 力试验时 , m V = 52809.8 热层质量 0 质量 工作时 , 54321 2 力试验时 , 5 4321 2 位长度载荷 q h 43 q m gL F 61518 1 314209 F F F m a x , 361518 N 筒 体 弯 矩 计 算 圆筒中间处截 面上的弯矩 工作时 341/214 8 压力试验 N 3 14 8 支座处横 截面弯矩 操作工况： 7 压力试验工况： 7 N 4 系 数 计 算 4=5=6=6 = 4= 筒 体 轴 向 应 力 计 算 轴向应力计算 操作状态 e 2a 1 压试验状态 4 力校核 许用压缩应力 A 根据圆筒材料查 4B = t ),R 2 ， t 189 合格 | 1 |,| 4 | 格 | 1T |,| 4T | 格 0.9s = 合格 体和封头的切应力 A R ( 4时 ,不适用 ) 3/4 2K R 圆筒中： R 头中： R 5 应力校核 封头 椭圆形 封头 , 形封头 , 2 4 筒 封头 = t = 1 25. t 筒 , = 合格 封头 , h h = 合格 鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力 无加强圈圆筒 圆筒的有效宽度 垫板或垫板不起加强作用时 在横截面最低点处 5 5 2 鞍座 边角处 L/8时 , 6 2 6 24 3 2 F b K Fe 8时 , 2 L 加 强 圈 筒 体 垫板起加强作用时 ； 鞍座垫板包角 12 横截面最低点处的周向应力 5 5 2 be 座边角处 的周向应力 L/8时 , 6 2 62 24 32 F b K Fe re e 8时 , 6 2 62 24 12 F b K re me 座 垫板边 缘处圆筒中 的周向应力 L/8时 , 2e6234 8时 , 22 L 力校核 |5| t = 189 合格 |6 | t = 合格 | 6 | t = 合格 6 有加强圈圆筒 加强圈参数 加强圈材料 , e = mm d = 强圈数量 , n = 个 组合总截面积 , = 合截面总惯性矩 , 计温度下许用应力 强圈位于 鞍座平面上 在鞍座边角处圆筒的周向应力： 080747 A m 鞍 座 边 角 处 ，加 强 圈 内 缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ： 080 加强圈圆筒 加强圈靠近鞍座 横 截 面 最 低 点 的 周 向 应 力 无垫板时，（ 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 ） 5 5 2 垫板起加强作用） 5 5 2 be 横截上靠近水平中心线的周向应力： 080 横截上靠近水平中心线处，