硫酸储罐化工设备课程设计.doc

化工设备机械基础化工设备机械基础 课程设计课程设计 题题 目目： 贮存槽罐贮存槽罐 教教 学学 院：院： 化学与材料工程学院化学与材料工程学院 专专 业：业：应用化工技术（专）应用化工技术（专）2011（1） 学学 号：号： 14 08 17 09 学生姓名：学生姓名：薛振东薛振东 谌磊谌磊 万晓慕万晓慕 叶渊叶渊 指导教师：指导教师： 夏贤友夏贤友 2013 年年 07 月月 01 日日 湖北理工学院 课程设计 2 大型作业任务书大型作业任务书 1 20122013 学年第 2 学期 学生姓名：学生姓名： 薛薛 振振 东东 专业班级：专业班级：应用化工技术（专）应用化工技术（专） 2011（1） 指导教师：指导教师：夏夏贤贤友友 胡胡燕燕辉辉 工作部门：工作部门： 化工教研室化工教研室 一、大型作业题目：一、大型作业题目：贮存槽罐 二、大型作业内容二、大型作业内容（含技术指标） 1贮存介质：50 吨 30%的硫酸； 2贮存地点：黄石某地区； 3. 作业成果：计算书 1 份，设备图 1 张（A2 图纸手工绘制图纸手工绘制） 。 三、进度安排三、进度安排 16 月 24 日：分配任务； 26 月 24 日-6 月 30 日：查询资料、初步设计； 37 月 01 日-7 月 07 日：设计计算，完成报告。 四、基本要求四、基本要求 1设计方案：根据给定的条件合理选择设备的结构以及合适的材料，立式容器 或卧式容器的筒体和封头、钢板卷制焊接结构接头、钢板材料的型号及热处理条件 等； 2设计计算：依据材料的性能，对选用设备的壁厚进行计算、稳定性进行校核； 3辅助设备的选型：包括典型辅助设备的主要尺寸计算及型号规格：人孔或手 孔设计、法兰的型号规格、接管开孔结构、视镜或液面镜以及容器的支座选型等。 。 教研室主任签名：教研室主任签名： 2013 年年 月月 日日 湖北理工学院 课程设计 3 目录 绪论 .1 1 设计参数的选择 .2 1.1 筒体材料的选择.2 1.2 公称直径的确定.2 1.3 设计压力.2 1.4 设计温度.2 1.5 焊接接头系数.3 2 设备的结构设计 .4 2.1 圆筒厚度的设计.4 2.2 封头的设计.4 2.2.1 封头厚度的设计 .5 2.2.2 封头的结构尺寸 .5 2.3 鞍座选型和结构设计.5 2.3.1 鞍座选型 .5 2.3.2 鞍座位置的确定 .6 2.4 卧式贮罐的附件及其选用.7 2.4.1 接管和法兰 .8 2.4.2 垫片的选用 .9 2.4.3 螺栓的选择10 2.5 人孔的选择.10 湖北理工学院 课程设计 4 2.6 液面计的选择.10 3 容器强度的校核 .11 3.1 水压试验应力校核.11 3.2 开孔补强设计.11 3.2.1 补强设计方法判断 .11 3.2.2 有效补强范围 .12 3.3 有效补强面积.12 3.4 补强面积.13 4 卧式贮罐的焊接 .14 4.1 焊缝布置 14 4.1.1 接头的分类及其选择14 4.1.2 焊缝的布置14 4.2 焊接方法.15 4.3 焊接顺序.16 4.3.1 焊前清理 16 4.3.2 焊接过程和顺序 16 4.3.3 焊接处理 16 致谢 .18 参考文献 .19 绪论 近年，压力容器被广泛应用于现代的工业、民用及军用等部门。压力容器在社会 各行各业的生产、储存、运输等方面具有不可取代的地位，在发展国民经济、巩固国 防、解决人们衣食住行等方面起着极为重要的作用。 目前我国普遍采用常温压力贮罐, 常温贮罐一般有两种形式: 球形贮罐和圆筒形贮 罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 前者具有投资少, 金属耗量少, 占地面积少等优点, 但加工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高。一般贮存总量大于 500 3 m或 单罐容积大于 200m3时选用球形贮罐比较经济; 而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总贮量小于 500 m3, 单罐容积小 于 100 3 m时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。 一般选用卧式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式。本 文主要讨论卧式圆筒形浓硫酸贮罐的设计。 本储罐的焊接结构主要设计了筒体壁厚，支座，封头，法兰，加强圈等。根据储 存介质的要求来进行储罐的选材，本次设计的介质为硫酸，储体选用 Q-235C。根据施 工现场的环境要求及罐体厚度等选择合适的焊接方法。设计的封头为标准椭圆形封头， 设计的支座为鞍式支座。 卧式硫酸贮罐设计的特点，应按 GB150钢制压力容器进行制造、试验和验收; 并接受劳动部颁发压力容器安全技术监察规程(简称容规) 的监督。贮罐主要有筒 体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。贮罐上设有排污管以及安全阀、压力表、 温度计、液面计等。 湖北理工学院大型作业 2 1 设计参数的选择 1.1 筒体材料的选择 根据文献 1 表 4-1 并结合实际情况，选用筒体材料为碳素合金钢 Q-235C（钢 材标准为文献 1 。 Q-235C适用范围规定如下： 容器设计压力p2.5MPa； 钢板使用温度为0-400; 用于壳体时，钢板厚度不大于30mm。 由于容器大多都是金属，所以要考虑到容器的腐蚀效应。容器与稀硫酸发生的是 均匀腐蚀，这类腐蚀的危害性比较小，故可以在反映的界面上渡漆，防止容器腐蚀。 1.2 公称直径的确定 设筒体直径为 D， 筒体长度为 L=2D， 选用标准椭圆封头， 则其体积可表示为: 9.0 43 2 4 2 24 23 21 D DD VVV 由此可求得 D=2971mm 所以粗定 D=3000mm。 1.3 设计压力 设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷， 其值不得低于工作压力。 液柱静压力：MPa5410 . 00 . 38 . 91048 . 1 3 1 ghP 查饱和蒸汽压：Pc=0.0118MPa 工作压力：MPa1128 . 0 0118 . 0 101. 0 0 c PPPw 设计压力：MPa1241 . 0 1128 . 0 1 . 11 . 1PwP 计算压力：p=0.1241+0.0541=0.1782 MPa 1.4 设计温度 设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的 湖北理工学院大型作业 3 温度平均值） 。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。 设计温度取 50。 1.5 焊接接头系数 焊接接头系数是以焊接强度与母材强度之比值表示的。它与焊缝位置焊接方法 以及检验等因素有关。文献 12 中要求受压元件焊缝必须 100%无损检测，取焊缝系数 1.00。 设计参数总结如下表 1-1。 表 1-1 设计数据 序号项目数值单位备注 1名称 50 吨硫酸卧式贮存槽罐 2筒体材料Q-235C 3设计压力0.1241MPa 4设计温度50C 5公称直径3000mm 6公称容积48 3 m 7充装系数0.9 8工作介质30%硫酸 9其他要求100%无损检测 湖北理工学院大型作业 4 2 设备的结构设计 2.1 圆筒厚度的设计 查文献 4 中表 4-1，可得：在设计温度 50下，屈服极限强度，MPa 235 t 许用应力MPa 235 t 利用中径公式计算厚度：mm 14 . 2 1782 . 0 -12512 30001782. 0 -2 p p c t c D 查文献4表 7-1 知，钢板厚度负偏差为 0.25mm，而文献 4 3.5.5.1 知，当钢材 的厚度负偏差不大于 0.25mm，且不超过名义厚度的 6%时，负偏差可以忽略不计，故 取 1 0C 。 查文献4表 7-5 知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量 2 C不小于 1mm,本例取 2 C=2mm 则筒体的设计厚度mm4.14 21 CC i 圆整后，取名义厚度mm8 n 筒体的有效厚度mm6 21 CC ne 2.2 封头的设计 2.2.1 封头厚度的设计 查文献2中表 1，得公称直径mm0003 ni DD 选用标准椭圆形封头,型号代号为 EHA，则 2 2 i i D h ，根据 GB150-1998 中椭圆形封头 计算中式 7-1 计算：mm 14 . 2 1782. 00.5-12512 30001782 . 0 0.5P-2 t i PD 同上，取 2 C=2mm， 1 0C 。 封头的设计厚度mm4.14 21 CC d 圆整后，取封头的名义厚度mm ，8 n 有效厚度 mm6 21 CC ne 湖北理工学院大型作业 5 2.2.2 封头的结构尺寸（封头结构如下图 1） 由 2 2 i D Hh ，得mm40750790 4 i D Hh 查文献 2 中表 B.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积，如下表 2.1 表 2.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积 公称直径 DN /mm 曲面高度 hi /mm 直边高度 h/mm 总深度 H /mm内表面积 A/ 2 m容积 V封/ 3 m 30007504079010.13.82 图 2.1 封头的示意图 2.3 鞍座选型和结构设计 2.3.1 鞍座选型 该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用 Q235-C。 82 . 3 2 4 2 9 . 0 43 2 21 L D vv L=11.8496m 储罐总质量 1234 2mmmmm 1 m筒体质量：kgDLm2533.4241085 . 7 006. 05.710 . 314 . 3 3 1 2 m单个封头的质量：查文献4中表 B.2 EHA 椭圆形封头质量，可知， kgm487 2 湖北理工学院大型作业 6 充液质量 kg， 3 m 3 1050 4 m附件质量：人孔质量为 302kg，其他接管质量总和估为 400kg，即 4 702kgm 综上所述， kgmmmmm54209.422 4321 531252N8 . 954209.42 mgG 则每个鞍座承受的重量为 416.7695kN 由此查 JB4712.1-2007容器支座 ，选取轻 型，焊制为 A,包角为 120，有垫板的鞍座。 查文献1表 8 设计鞍座结构尺寸如下表 2.2。 表 2.2 鞍式支座结构尺寸 单位 mm 公称直径DN3000腹板 2 10 4 b550 允许载荷Q/kN785 3 l341 4 10 鞍座高度h250 2 b316 垫板 e65 1 l2180 3 b406 2 l1940 1 b360 筋板 3 10螺孔/孔长D/l28/60底板 1 14垫板弧长3490Kg405 2.3.2 鞍座位置的确定 因为当外伸长度 A=0.207L 时，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 0.2L 值，为此中国现行标准 JB 4731钢制卧式容器 规定 A0.2L=0.2（L+2h） ，A 最大不超过 0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截 面处的应力过大。 由标准椭圆封头，有 2 22 . 0 D hL i 故mm1158)4025.71(2 . 0)2(2 . 0hLA 鞍座的安装位置如图 2.2 所示： 湖北理工学院大型作业 7 图 2-2 鞍座的安装示意图 此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具 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。因此，JB 4731 还规定当满足 A0.2L 时，最好使 A0.5R a，即 mm D a 150441500 22 R n mm，取 A=750mm7525 . 0ARa 综上有：A=750mm(A 为封头切线至封头焊缝间距离，L 为筒体和两封头的总长) 2.4 卧式贮罐的附件及其选用 液化石油气储罐应设置出料口，进料口，人孔，液位计口，压力表口，温度计口， 排污口，排空口等。 图 2-4 储罐接管设置示意图 湖北理工学院大型作业 8 2.4.1 接管和法兰 查文献5表 8.2.2-2 PN10 带颈对焊焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各 法兰的尺寸。 查文献5附录 D 中表 D-3,得各法兰的质量。 查文献5表 3.2.2，法兰的密封面均采用 MFM（凹凸面密封） 。 图 2-3 带颈对焊钢制管法兰示意图 表 2-3 接管和法兰尺寸 单位 mm 法兰颈法兰 高度 法兰 质量 管口名称 公称 直径 DN 钢管外 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 Th 法兰 厚度 C NSH1R H 出料口8089B200160188M16201053.2106504 进料口8089B200160188M16201183.2106504 液位计口3238B140100184M1618562.666422 温度计口2025B10575144M1218402.364401 压力表口2025B10575144M1218402.364401 排污口8089B200160188M16201053.2106504 排空口6576B185145188M1618922.9106452.5 湖北理工学院大型作业 9 2.4.2 垫片的选用 查文献6，垫片尺寸如表 2.4 所示 表 2.4 垫片尺寸表 单位 mm 管口名称公称直径内径 D1外径 D2 出液口8089120 进液口8089120 人孔500530575 液位计口324365 温度计口202750 压力表口202750 排污口8089120 排空口6577109 注：1.选耐酸石棉橡胶板 2.垫片厚度均为 1.5mm，人孔选 3mm。 2.4.3 螺栓（螺柱）的选择 查文献7表 5.0.7-9 和附录中表 A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸： 表 2.5 螺栓及垫片 单位 mm 紧固件用平垫圈 管口名称 公称直径螺纹螺柱长 1 d 2 dh 出液口80M169017303 进液口80M169017303 液位计口32M168517303 温度计口20M127513242.5 压力表口20M127513242.5 排空口65M168517303 排污口80M169017303 湖北理工学院大型作业 10 2.5 人孔的选择 查文献3表 3-3，选用凹凸面型，其明细尺寸见表 2.6： 表 2.6 人孔尺寸表 单位：mm 密封面型式公称压力 PN/MPa 公称直径 DN 总质量 kg螺栓尺寸螺母数量螺栓数量 凹凸面1.650022230 2 110M 2020 1 b 2 b B 0 d 1 D D w ds 313620024650715530 10 1 H 2 H AdbL 2601113902434300 2.6 液面计的选择 查文献8，选磁性液面计。 3 容器强度的校核 3.1 水压试验应力校核水压试验应力校核 试验压力：1.251.25 0.19580.24475 T PPMPa 圆筒的薄膜应力 ()0.24475 (40006) 81.7057 22 6 te r e P D MPa 故合格 rs 5 . 21123519 . 09 . 0 3.2 开孔补强设计开孔补强设计 根据文献 13 规定，当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。 (1)设计压力小于或等于 2.5MPa。 湖北理工学院大型作业 11 (2)两相邻开孔中心的距离（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的 2 倍。 (3)接管公称外径小于或等于 89mm。 故该储罐中只有 DN=500mm 的人孔需要补强。 3.2.1 补强设计方法判别补强设计方法判别 按文献 3 选用回转盖带颈对焊法兰人孔。 开孔直径mm50422500C2dd 2i mm1000 3 3000 3 d i D 故可以采用等面积法进行开孔补强计算。 接管材料选用 Q-235C 钢，其许用应力 t 125MPa 根据 GB150-1998 中式 8-1，A=d2(1) r etf 其中：壳体开孔处的计算厚度mm2.14 接管的有效厚度 12 826 etnt CCmm 强度削弱系数 r f =1 所以开孔所需补强面积为mm56.107814 . 2 504-12dA ret f 3.2.2 有效补强范围有效补强范围 有效宽度 B 的确定 按 GB150 中式 8-7，得： 1 2nnt 12 B2d25041008mm Bd22504282 10540mm BmaxBB1008mm （，） 有效高度的确定 (1）外侧有效高度 1 h的确定 根据 GB150 中式 8-8，得： 1nt hd504 1070.99mm 11 h280mmH 111 hminhh70.99mm（，） 湖北理工学院大型作业 12 (2）内侧有效高度 2h的确定 根据文献 13 中式 8-9，得： 2nt hd504 870.99mm 2 h0 222 hminhh0（，） 3.3 有效补强面积有效补强面积 根据文献 8 中式 8-10 式 8-13，分别计算如下： 123e AAAA 筒体多余面积 1A 2 r 2953.44mm2.14)-(8504)-(1008)f-(1)-(2-)-(d)-(BA eete 接管厚度 mm 14 . 2 1782. 05 . 0-12512 30001782. 0 0.5-2 e P PD t i 接管的多余面积 2 r2et212 832.17mm12.14-870.992fC-2f-2hA）（h rtet 焊角取 6.0mm， 2 3 A36mm 3.4 补强面积补强面积 2 321e 3824.44mm368322953.44AAAA 因为所以开孔不需另加补强 2 e 2 3824.44mmA1078.56mmA 湖北理工学院大型作业 13 4 卧式贮罐的焊接 4.1 焊缝布置焊缝布置 4.1.1 接头的分类及其选择接头的分类及其选择 压力容器受部分的焊接接头分为 A，B，C，D 四类： A 类焊缝：受压部分的纵向接头（多层包扎压力容器层板层纵向接头除外）球形 封头与圆筒联接的环向接头，各类凸形封头中所有拼焊接头以及嵌入式接管与圆筒， 封头联接的对接接头等。 B 类焊缝：受压部分的环向接头，椭圆形封头小端与接管连接的接头。长颈法兰 与接管连接的接头。但已规定的 A，C，D 类焊缝除外。 C 类焊缝：平盖，管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体接管的接头，内封 头与圆筒的搭接填角接头以及多层包扎压力容器层板层纵向接头。 D 类焊缝：接管孔与壳体非对接连接的接头凸缘，补强圈与壳体连接的接头。但 已规定的 A，B 类的焊接接头除外。 由上述四类接头的说明设计如下： 椭圆形封头与圆筒连接的环向接头A 类 受压部分的环向接头（筒节与筒节的对接）B 类 接管与人孔等与壳体非对接的接头D 类 4.1.2 焊缝的布置焊缝的布置 焊接是压力容器设计、制造过程中不可避免的连接方式。压力容器筒体的周向应 力是轴向应力的 2 倍,因此,在制造过程中,对纵向焊缝的质量要求要比环向焊缝要高。对 于容器,焊缝是一个薄弱区域。因此,对焊缝的布置从设计上有一定的要求。焊缝的交叉、 湖北理工学院大型作业 14 重叠或距离太近都将增加焊接应力,恶化焊缝区域的组织和性能,从而容易形成裂纹等缺 陷。所以,在容器组焊时,应尽量避免十字焊缝;相邻两筒节纵缝、封头拼缝与相邻筒节的 纵缝应错开,其焊缝中心间距应大于筒壁厚度的 3 倍,且不小于 100mm;封头各种不相交 的拼接焊缝中心线间距至少应为钢板厚度的 3 倍,且不小于 100mm;封头由成形瓣片和顶 圆板拼成时,焊缝方向只允许是径向和环向的。受压元件主要焊缝及其邻近区域，应避 免焊接零件。如不能避免时，焊接零件的焊缝可穿过主要焊缝，而不要在焊缝及其邻 近区域中止。开孔、焊缝和转角要错开。开孔边缘与焊缝的距离应不小于开孔处实际 壁厚的 3 倍，且不小于 100mm。在凸形封头上开孔时，孔的边缘与封头周边间的投影 距离应不小于封头外径的 10。开孔及焊缝不允许布置在部件转角处或扳边圆弧上， 并应离开一定距离。 4.2 焊接方法焊接方法 A，B 类焊缝，查焊接手册第三卷：由于壁厚 8mm，所以选择 3 至 26mm 的 Y 形坡口如图： 图 4.1 A,B 类焊缝的坡口形式,及焊后效果 坡口尺寸： =4060（） 0b3（mm） 1P4（mm） C 类焊缝，查表：由于壁厚 8mm，所以选择 3-40mm 的 V 形坡口如图：坡口尺 /mm： =3550（） b=04(mm) P=0（mm） 湖北理工学院大型作业 15 图 4.2 C 类焊缝的坡口形式,及焊后效果 4.3 焊接顺序焊接顺序 4.3.1 焊前清理焊前清理 工件焊接前必须进行清理，除去工件表面的锈渍，油污和工件表面的毛刺。焊前 处理能够有效防止焊接过程中产生气孔、夹杂等焊接缺陷的形成。 4.3.2 焊接过程和顺序焊接过程和顺序 焊接过程至关重要，施工人员必须严格按照合理的结构顺序，选择合理的焊接工 艺参数，严格施工。首先将两侧的半圆点焊在一起，然后将点固好的两侧拼接在一起。 焊接过程应该保持结构的对称性，以减少变形和焊接残余应力。 a.钢板气割下料和卷制。 b.单个筒节的纵向对接焊接. c.筒节间的环向对接焊接。 d.筒体与封头的环向对接焊接。 e.开人孔和各种接管口。 f.接管和各种法兰的焊接。 湖北理工学院大型作业 16 g. 支座的组焊。 4.3.3 焊后处理焊后处理 工