《工程设备机械基础》课程设计-10m3液氯储罐设计.doc

目录1.前言22.工艺设计22.1 工艺计算32.2 材料选择42.3 容器类别的确定62.4 设计条件表73.机械设计83.1 结构设计83.2 接管及接口法兰设计83.3 人孔、液位计设计113.4 支座结构设计133.5 焊接接头结构设计143.6 焊接材料选择164.强度计算174.1 容器筒体壁厚设计174.2 容器封头壁厚设计174.3 开孔补强计算184.4 压力试验184.5 气密性试验205.技术条件的编制246.参考文献247.结束语251.前言工程设备机械基础课程设计是一个教学实践环节，是学生对所学化工设备机械基础理论课知识的一次实际应用，锻炼学生利用所学知识解决实际问题的能力。学生可以自己的实际情况，按照自己的题目进行设计，设计过程中要结合课件和教学参考书及理论课教参。根据设计要求和任务条件，通过工艺设计、工艺计算、材料选择、容器类别等进行初步的设计计算和草图的绘制。在前期工作的基础上进行结构设计、支座设计等机械设计，并根据实际情况选择焊接类型和封面类型。当设计基本完成后再根据设计的任务条件进行强度计算和压力试验、气密性试验等。设计完成后，编写设计说明书和使用说明书。通过课程设计，学生应该熟悉课程设计流程，熟练掌握相关标准的使用方法，能够自主完成完成相关计算、草图绘制和软件制图，加深对化工设备机械基础的认识，达到能够独立进行化工设备设计的能力。2.工艺设计2.1 工艺计算（1）储罐筒体公称直径、储罐长度及封头结构形式与尺寸的确定按照设计任务书的要求，本次设计的储罐容积为v=10m3。 为了使设计的卧式储罐趋于实用和美观，设长度和筒体内径之比为l:di=3:1。则 v=ls=ldi24=3didi24=10解得di=1600经圆整后选用筒体内径为1600。为了使设计的储罐便于应用，本次设计采用标准椭圆形封头。相应的标准椭圆形封头的内表面积及容积如下表：公称直径dn总深度内表面积a容积vm31600 4252.90070.5864筒体长度的确定：di=1600, v总=10m3，v封 =0.5864m3则ldi2/4=v总2v封；代入数据得：l=4437;圆整到l=4400；则v实际=v筒体 +2v封=10.1728m3误差vv=0.02%容积在误差允许范围之内，l、di可以使用。卧式容器总长 l总=l+2h=5470mm由于选用的是标准椭圆形封头，dn2000mm那么封头直角边长度为l封=252.2 材料选择a)壳体材料选择：本次所设计储罐的pw=1.286mpa,属于低压容器，所以选用以强度设计为主的普通低合金钢为宜。鉴于q345r的屈服极限比碳素钢高出很多，如果采用的话，可以显著减少设备重量、降低制造成本，同时给设备的运输和安装也带来很多方便。而且q345r的使用也较为普遍，市场上可以很方便的买到。本储罐的使用温度为50，在q345r的使用温度范围之内，所以，本次设计筒体和封头的材料选用q345r。b)设计压力和设计温度的确定：由上文2-（1）中对设计压力的选择可得，本次设计的设计压力为1.415 mpa。p静=0.9gh=0.02mpa所以p静p=0.020.05 因此p静可以忽略，pc=p=1.415mpa。设计温度采用容器工作的最高温度50。c)筒体厚度的确定：鉴于所设计储罐为低压容器，且介质毒性比较强，基于设计安全性的考虑，必须采用双面焊的形式以及进行全局无损检测，则设计储罐选用的焊接接头系数=1.0。钢板许用应力选择条件如下表钢 号钢板 标准使使用状态厚度/常用强度指标在下列温度()下的许用应力/mpabmpasmpa20100150200250q345gb6654热轧6-1651034517017017017015616-36490325163163163159147假设设计应用的钢板厚度在16mm的范围内，则由上表得t=170 mpa;=pc di 2 t-pc=6.687钢板厚度负偏差为0.3，腐蚀余量取4。即c1=0.3，c2=4。那么c=c1+c2=0.3+4=4.3 n=+c=10.987将已有钢板标准向上圆整到n=11那么设计储罐的有效厚度e= n-c=10.72.3 容器类别的确定液氯的物理性质列表：温度/-15103050饱和蒸汽压/mpa0.21704860.8431.386饱和液密度kg/m31511144113771307设计任务书注明的最高工作温度为50，则可以根据50下液氯的物理性质来确定储罐的工作压力。由上表可知，液氯在最高工作温度下的饱和蒸汽压为1.286mpa。则可以取工作压力pw=1.286mpa。设计压力p=（1.051.10）pw(有安全阀)选取p=1.415mpa。由于p=1.415mpa，该容器属于低压容器。按照压力容器安全技术监察规程的规定，低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pv0.2mpam3)为第类容器。2.4 设计条件表表一: 液氯的物理性质表温度/-15103050饱和蒸汽压/mpa0.21704860.8431.386饱和液密度kg/m31511144113771307表二:结构设计条件表项 目内 容备 注工作介质液氯工作压力 mpa1.286项 目内 容备 注设计压力 mpa1.415工作温度 50设计温度 50公称容积（vg）m310计算容积(v设计) m310.1工作容积（v工）m39装量系数f0.9介质密度 t/ m31307材 质q345保温要求其他要求3.机械设计3.1结构设计参照jb1428-74设计公称直径和筒体长度以及封头的公称直径和深度。详细计算参见2.1工艺计算。3.2接管及接口法兰设计根据gb150规定，壳体开孔满足下述要求时，可不另行补强：1)设计压力小于或者等于2.5mpa；2)两相临开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；3)接管公称直径小于或者等于89mm；接管最小壁厚满足下表要求。接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0注：1.钢材标准接头抗拉强度下限值b540mpa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构形式。2.接管的腐蚀余量为1mm。为了方法便制造，接管间距的确定应尽量满足上述要求。根据设计任务说明书的要求，接管的公称直径有50mm、25mm两种规格。按照不补强的条件3），50mm管的壁厚为6mm，25mm管的壁厚为3.5mm。为了使设备协调美观，将接管伸出高度加上外接法兰高度统一定为距设备筒体内壁150mm。安全阀接口、压力表接口、空气进口管、空气出口管均与筒体内壁平齐。液相进口管伸入筒体，向下过中心线425mm。为了减小从该管进入的介质对筒体内壁对应处的冲击，使筒体内壁所受冲击趋于均匀，液相进口管底部应做成45倒角。考虑到为了使进入筒体的液相介质最大可能的排尽，应该使液相出口管的底部与筒体底部尽量靠近，所以，选用液相出口管的底部距筒体内部底部的距离为35mm。根据不补强条件，假设第一个管道与焊缝之间的距离为l1则l12.5rn=194 取l1=200从左到右依次为液相进口管、液相出口管、空气进口管、空气出口管、安全阀接口、压力表接口。根据不补强条件2），确定所有管的管距为300。所有接管的材料均选用q345r钢。接管法兰的确定：本次设计的储罐所用接管法兰均依照有关标准选定。为了确保使用安全，法兰密封面统一选用凹凸面。法兰的相关尺寸表公称通径钢管外径连接尺寸法兰外径螺栓孔中心园直径螺栓孔直径螺栓孔数量螺纹202510575144m12253211585144m125057165125184m16法兰厚度法兰径法兰高度法兰理论重量（kg）nsh1r18403.264401.018463.264401.51874485482.53.3人孔、液位计设计本次设计的储罐的筒体长度l=4400，由于容积不是太大，故开一个人孔。选取人孔的公称直径dn=450。取人孔的中心线到焊缝的距离为800。由于液氯属于危险介质，所以密封面选择为mfm，垫片选择缠绕式垫，其代号为w。为了保障人孔的开启安全方便选用a型盖轴耳。 出于安全性的考虑，人孔必须补强。补强圈厚度计算流程如下：补强圈的直径d补强圈=760；因为接管的材料与壳体相同，所以f=1，那么圆筒开孔所需补强的面积a=d+2et（1-f）=4796.032（d=450+22.3=454.6；=10.55；et=6-1.3=4.7） 富余补强量：a1=(b-d)（e-）-2et（e-）（1-f）=68.192a2=2h1（et-t）f+2h2（et-c2）f=162.962（b=2d） h1= 55.23mm； h2= mindnt，接管实际内伸高度=0； a3焊缝金属面积忽略。ae=a1+a2+a3=231.152所需补强面积 a4a-ae=4564.882则c a-aed2-d1 =10.68mm 取c=11回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表法兰面形式凹凸面（mfm）公称压力/ mpa2.5公称直径dn450dws48012d456d670d1600h1250h2121b42b141b246a375b175l250d024螺柱螺母螺柱直径长度m332165总质量245数量2040 回转盖带颈对焊法兰人孔明细表件号标准号名称数量材料类别代号1筒节1q345r2hg20613等长双头螺柱见尺寸表8.8级 35crmoa3螺母8级 35crmo4hg20595法兰116mn5hg20610垫片1缠绕式垫6hg20601法兰盖116mnr7把手1q235-af8轴销1 9gb/t 91销2q21510gb/t 95垫圈2100hv11盖轴耳（1）1q235-af12法兰轴耳（1）113法兰轴耳（2）114盖轴耳（2）13.4支座结构设计本次设计的卧式容器选用比较常见的鞍式支座。由于所设计卧式容器的直径在1000mm以上，所以选用轻型鞍座就可以满足要求。为了满足容器热胀冷缩的位移要求，鞍座采用固定式和滑动式配对使用。筒体直径为1600, 根据直径值及课程设计指南表3-2，选择的支座为型号jb/t 4712.1-2007,支座a2300-f，支座a2300-s的鞍座。所选支座相关信息公称直径dn允许载荷q鞍座高度h底板腹板l1b11216002202007201501010筋板垫板l3b2b33弧长b44e40017012010940260665螺栓配置鞍座质量/kg增加100mm高度增加的质量/kgl2d螺纹l53024m204021520鞍座材料参考实际应用经验选用q235-a。根据应力校核选取的a值，可知支座中心线距离焊缝为300mm。3.5焊缝接头结构设计对于壳体和封头的焊接。常用的对接坡口有v、u、x三种形式。 经综合考虑后决定采用v型坡口形式，具体原因如下：1.板厚较薄采用v型坡口，在清根后再作双面焊2.为保证焊透，按操作视野、空间位置、焊条运动角度来分析，v型坡口比较好； 3.x型坡口加工方便； 本次设计储罐满足v型坡口的焊接条件，所以予以采用。本储罐所有接管均无加强圈，分为平齐式a和内伸式b两种。由于所储介质危险，所以采用全焊透的形式。选用给定的a、b两种接头形式。建议焊接完成后将平齐式接管的内侧施焊处磨平磨圆。人孔与筒体的焊接处需加补强圈，其符合d类接头的适用条件：ntn/2（n16），低温储存有毒介质或腐蚀介质的容器。所以选用d类接头。3.6焊接材料选择由于手工电弧焊可以有效地排除周围空气对熔化金属的有害影响，所得焊缝质量较高。而且手工电弧焊设备简单、便于操作。所以本次设计采用手工电弧焊的形式。焊条的选择应综合考虑以下因素，以便得到适用的焊条：a.考虑母材性能与化学成分；b.考虑构件的结构复杂程度和刚性；c.考虑焊件加工工艺的影响；d.考虑操作的工艺和施工条件。 该容器所选用的焊条使用型号如下表：接头母材焊条型号q345r+q345re5015(gb/t5117)q345r+16mne4303(gb/t5117)本储罐在室外使用，出于防氧化的考虑，应该在表面涂以合适的保护性油漆。故本储罐的外表面涂铁红环氧酯底漆（h06-19）2道，灰酚醛防锈面漆（f53-2）一道。4.强度计算4.1容器筒体壁厚设计鉴于所设计储罐为低压容器，且介质高度危害，基于设计安全性的考虑，必须采用双面焊的形式以及进行全局无损检测，则设计储罐选用的焊接接头系数=1.0。钢板许用应力选择条件如下表钢 号钢板 标准使使用状态厚度/常用强度指标在下列温度()下的许用应力/mpabmpasmpa20100150200250q345gb6654热轧6-1651034517017017017015616-36490325163163163159147假设设计应用的钢板厚度在16mm的范围内，则由上表得t=170 mpa;=pc di 2 t-pc=6.687钢板厚度负偏差为0.3，腐蚀余量取4。即c1=0.3，c2=4。那么c=c1+c2=0.3+4=4.3 n=+c=10.987将已有钢板标准向上圆整到n=11那么设计储罐的有效厚度e= n-c=10.74.2容器封头壁厚设计假设设计应用的钢板厚度在16mm的范围内，则由上表得t=170 mpa;则封头壁厚有公式计算有:=6.673钢板厚度负偏差为0.3，腐蚀余量取4。即c1=0.3，c2=4。那么c=c1+c2=0.3+4=4.3 =10.673将已有钢板标准向上圆整到n=11那么设计储罐封头的有效厚度e= n-c=10.7与封头尺寸保持一致.4.3开孔补强计算a)可不另行补强的条件1. 设计压力小于或等于2.5mpa2. 两相邻开孔中心间距应不小于两孔直径之和的两倍3.接管工程外径小于或等于89mm4.接管最小壁厚满足下表要求的：接管公称直径25.3238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0b)根据不补强条件，假设第一个管道与焊缝之间的距离为l1则l12.5rn=194 取l1=200从左到右依次为液相进口管、液相出口管、空气进口管、空气出口管、安全阀接口、压力表接口。根据不补强条件2），确定所有管的管距为330。所有接管的材料均选用q345r钢。c)人孔的确定、补强：本次设计的储罐的筒体长度l=6380，由于容积不是太大，故开一个人孔。选取人孔的公称直径dn=450。取人孔的中心线到焊缝的距离为615。由于液氯属于危险介质，所以密封面选择为mfm，垫片选择缠绕式垫，其代号为w。为了保障人孔的开启安全方便选用a型盖轴耳。 出于安全性的考虑，人孔必须补强。补强圈厚度计算流程如下：补强圈的直径d补强圈=760；因为接管的材料与壳体相同，所以f=1，那么圆筒开孔所需补强的面积a=d+2et（1-f）=4796.032（d=450+22.3=454.6；=10.55；et=6-1.3=4.7） 富余补强量：a1=(b-d)（e-）-2et（e-）（1-f）=68.192a2=2h1（et-t）f+2h2（et-c2）f=162.962（b=2d） h1= 55.23mm； h2= mindnt，接管实际内伸高度=0； a3焊缝金属面积忽略。ae=a1+a2+a3=231.152所需补强面积 a4a-ae=4564.882则c a-aed2-d1 =14.72mm 取c=164.4压力试验a)压力试验种类的确定：由于所设计储罐的储存介质为液态，如果选用液压试验的话，可以在进行压力试验校核的同时检查容器是否存在渗漏、明显的塑性变形以及其他缺陷。而且进行液压试验的安全性比气压试验要高，液压试验如无特殊要求时使用的介质水的取得也比较经济方便，同时，并不存在不允许进行液压试验的条件。综上所述，压力试验的类型确定为液压试验。b)液压实验的实验压力为：pt=1.25pt=1.65mpa查阅表可知，试验温度下筒体材料的屈服极限为345mpa。则筒体的校核用应力：t=pt(di+e)2e=178.2mpa0.9s=310.5mpat由上述计算可知液压试验合格。c)卧式容器的应力校核:要将上文得到的名义厚度作为设计的最终值。必须要满足在各种载荷共同作用下的强度及稳定性的要求。对于卧式储罐主要考虑在容器及介质重力作用下的弯曲强度及稳定性问题。卧式容器应力校核应按照jb/t4731钢制卧式容器的规定。本次校核将卧式容器简化为受均布载荷的外伸梁，仅对中截面的正应力进行校核。当量长度le=vdi24=4.41m7221mm并假设重量是沿等效长度均匀分布，建立力学模型如图所示:鉴于卧式容器支座多为双鞍座对称安放，综合考虑应该使支座安放位置a0.2l，并尽量使a0.5ri 。则选取a=1.276 m比较接近要求。具体计算过程如下：正常操作情况下：m=m筒+m封 =（dinl+2s封内n）=5477.4m介=介（0.9v总）=35289 m总=mm介=40766.4g=m总g=13.6399.51knq= gle =55.33knm r= 12 g=199.755kn在中间处弯矩最大：mmax= r( l 2 a)- 12 q（l 2）2 =100.8knm最大拉应力：max= pc di 4e + mmax0.785edi2 =80.75mpa最大压应力：min= pc di 4e - mmax0.785edi2 =75.74mpa0表明整个跨中截面不会出现压应力。液压试验： m水=v总水=2580 m总=m +m水= 12600g=m总g=11.916347.68knq= gle =48.15knm r= 12 g=173.84kn在中间处弯矩最大：mtmax= r( l 2 a)- 12 q（l 2）2 =87.74knm最大拉应力：tmax= ptdi 4e + mmax0.785edi2 =99.99mpa最大压应力：tmin= - mtmax0.785edi2 =-2.18mpa正常操作时的强度条件为：maxt=170mpa液压试验时的强度条件为：tmax0.9s=310.5mpa其稳定性条件为：maxcr按照外压圆筒的图算法：a= 0.094r0e =7.8610-4根据圆筒的材料选择相应的系数b图，查出a位于曲线的右方，则b=105mpab值就是稳定许用压缩应力，即b=cr ，所以壳体稳定。4.4气密性试验气密性试验是否需要做，用什么介质气密性试验，应根据对容器中介质的密封要求等情况由设计者来确定，试验压力、试验介质等事项应在数据表中或文字条款中注明，本说明书中不再赘述。5.技术条件的编制技术条件的编制应