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毕业论文储罐的设计 0 目录 摘要.1 关键词.1 1绪论.1 1.1 贮罐的应用及意义1 2设计概述.1 2.1 设计任务书1 2.2 设计思想2 2.3 设计特点2 3材料及结构的选择与论证.2 3.1 材料选择2 3.2 结构选择与论证3 3.2.1 封头的选择3 3.2.2 入孔的选择.3 3.2.3 容器支座的选择 .4 3.2.4 法兰型式4 3.2.5 液面计的选择.4 4机械计算.5 4.1 筒体厚度设计.5 4.2 封头壁厚设计 .5 4.3 水压试验及强度校核.6 4.4 人孔并核算开孔补强.6 4.5 核算承载能力并选择鞍座.7 5附件的选择8 5.1 液面计选择.8 5.2 压力表选择.8 5.3 接口管选择.9 6设计结果一览表10 7设计小结10 主要参考资料.11 致谢.12 毕业论文储罐的设计 1 5000 大型贮罐机械设计 化学化工专业学生黄克旺 指导教师赵慧敏 摘要：摘要：压力容器广泛应用于化工生产中的传热、传质、化学反应、物料贮存等各个方面，约占工厂 装备的百分之八十。本文首先介绍容器的基本知识，包括压力容器的分类与结构；封头的种类与选 择；容器的零部件（法兰、支座、接口管、手孔、人孔等） 。然后以液化石油气贮罐的设计为例，讲 述了内压薄壁圆筒和标准椭圆形封头的强度设计，以及容器主要零部件的选用。 关键词：关键词：容器；零部件；封头；强度设计 5000mm mechanical design of liquid ammonia storage tank Student majoring in Chemical Engineering and Technology Hang Ke-wang TutorZhao Hui-min Abstract: Pressure vessels are widely used in heat and mass transfer, chemical reaction, material storage, and other aspects of chemical production.And they account for about 80 percent of the factory equipment. This paper first introduces the basics of container, including the classification and structure of pressure vessels; the types of sealing head and how to select it; the parts of container (flange, bearing, interface tube, hand hole, manhole, etc.). Then take the design of liquid liquefied pentroeum gas(LPG) storage tank for example, tells the strength design of cylinder of internal pressure and standard-elliptical head, and the selection of the main components of container. Key words: Containers; Parts; Sealing head; Strength design 1绪论 1.1 贮罐的应用及意义 贮罐是储存或盛装气体、液体、液化气体 等介质的设备，在化工、石油、能源、 轻 工、环保、制药及食品等行业得到广泛应 用。我们的经济生活中总是离不开大大小 小的钢制贮罐，钢制贮罐，防腐贮罐在国民经济发展中所起的重要作用是无可替代的。 随着现代社会对能源的需求日益增大，对许多企业来讲没有贮罐就无法正常生产，特别 是国家战略物资储备均离不开 各种容量和类型的防腐贮罐等贮罐,并且各 种储存设备 的需求量及要求也在不断的提高，因此我们需要在已有的各种储存设备（贮罐）的基础 上进行结构的创新以及新型材料的应用上得创新。 使贮罐既满足储存物质的需要又符合 国家的新标准。 2设计概述 2.1 设计任务 1.设计课题：贮罐的机械设计 2.工艺参数 最高使用温度：T=50 毕业论文储罐的设计 2 公称直径：DN=5000mm 筒体长度（不含封头） ：L0=5000mm 使用地点：山东菏泽 3.设计内容 1. 筒体材料的选择 2. 罐的结构尺寸 3. 罐的制造施工 4. 零部件型号及位置 5. 相关校核计算 22 设计思想 化工容器设计的基本要求是安全性与经济性，安全是核心问题，在充分保证安全的 前提下尽可能做到经济。 首先根据设计任务及基本参数，查阅各种国家规定的设计标准进行容器的选型、基 本结构的确定和材料的选择，其中包括贮罐类型的选择，容器用钢材料的选择，封头的 选择，人孔的选择，法兰的选择，液面计的选择，支座的选择。 然后再根据设计参数进行工艺计算，设计出容器各组成部分的工艺数据，其中包括 筒体的厚度，封头的厚度，水压实验及强度核算，人孔及开孔补强，承载能力及鞍座的 设计等等 1。 2.3 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 设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的的筒体、 封头的设计计算，低压通用零部件的选用。 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，合理地进行设计 2。 3材料及结构的选择 3.1 材料选择 纯液化石油气腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,可以考虑 20R、 16MnR.这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用 20R 类的低碳钢板， 16MnR 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 钢板为比较经济。 所以在此选择 16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。在 GB 150钢制压力容器 3中， 对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力，16MnR 的许用应力见表 3-1。 毕业论文储罐的设计 3 表 3-1压力容器用 16MnR 钢板的许用应力 钢号钢板标准使用状态 厚度 mm 常温强度指标在下列温度()下的需用应力/MPa b MPa s MPa 20100150 16MnRGB 6654热轧，正火 616510345170170170 1636490325163163163 3660470305157157157 3.2 结构选择 3.2.1 封头的选择 化工容器上常用的封头型号有半球形封头，椭圆形封头，锥形封头，平盖型。 半球形应力小，但深度大，冲压困难，制造困难，一般用于高压容器上。 椭圆形应力分布比较均匀，深度小，易于冲压成型。是目前中低压容器中应用较广 泛的封头之一。所以本设计选用椭圆形封头。 锥形封头一般多用于立式容器上，故不选用。 平盖型结构简单，制造容易，但材料耗费多。故不选用。 总之，从受力情况，制造角度以及费用综合考虑后，本设计选用标准椭圆形封头 1。 本设计上下封头均选用标准椭圆形封头。根据 JB/T 47462002 标准，所选的封头 DN300023，曲面高度 h1=850mm，直边高度 h0=60mm，材料选用 16MnR。下封头与支座焊 接，直边高度取 80 。其形状如图 3-1 4 3-1 椭圆形封头 3.2.2 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(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公 称直径)、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选 择使用上有较大的灵活性。 通常可以根据操作需要,在这考虑到人孔盖直径较大较重,故 选用碳钢水平吊盖人孔，人孔筒节轴线垂直安装 1。 表 3.2水平吊盖带颈对焊法兰人孔(突面)标准尺寸(mm) 公称压力公称dWSDD1dbb1b2AH1H2d0 MPa直径 2.26005801275070060058505656038026442 毕业论文储罐的设计 4 3.2.3 容器支座的选择 容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。 鞍式支座是应用最广泛的 一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多 个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧 式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为 当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平 度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响 支座反力的分市。 因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论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的影响。所以一台卧式容器支座一般情况 不宜多于二个。圈座一般对于大直径薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿， 因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN 1600，L5m） 。综上考虑在此选择双个鞍式支座作为储罐的支座 2,其形式如图 3-24 图 3-2 卧式容器的支座形式 3.2.4 法兰型式 法兰连接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。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲型与乙型两种。甲 型平焊法兰有 PN0.25 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa，在较小范围内（DN300 mm -2000 mm） 适用温度范围为-20-300。乙型平焊法兰用于 PN0.25 MPa-1.6 MPa 压力等级中较大 的直径范围，适用的全部直径范围为 DN300 mm -3000 mm，适用温度范围为-20-350。 对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。用于更高压力的范围（PN0.6 MPa-6.4MPa）适用温度范围为-20-45。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力 分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。 法兰设计时，须注意以下二点：管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照 HG5010 或 GB 9119GB 91126 中的规定 5。 3.2.5 液面计的选择 液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四类，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， 其适用温度一般在 0250。 但透光式适用 毕业论文储罐的设计 5 工作压力较反射式高。玻璃管液面计适用工作压力小于 1.6MPa，介质温度在 0250 的范围。液面计与容器的连接型式有法兰连接、颈部连接及嵌入连接，分别用于不同型 式的液面计。液面计的选用: 1)玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。 板式 液面计承压能力强,但是比较笨重、成本较高。 2)玻璃板液面计一般选易观察的透光式,只有当物料很干净时才选反射式。 3)当容器高度大于 3m 时， 玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果受到限制， 应改用其它适用的液面计。 液化石油气为较干净的物料,易透光,不会出现严重的堵塞现象所以在此选用玻璃 管液面计 5。 4机械计算 4.1 筒体厚度设计 p设计压力。贮罐在夏季最高温度可达到目的 50，其最高工作压力根据混合液 化石油气 50的饱和蒸汽压不同，分别把 50时的异丁烷、丙烷、丙烯作为其最高工 作压力。通常把 50时的丙烷的液体饱和蒸气压 1.61 MPa 作为液化石油气贮罐的最高 设计压力。取此压强的 1.1 倍,故取 P=1.8 MPa 作为设计压力 3。 i D=5000mm 在操作温度-550的范围内,估计些筒体的厚度在 32 mm 左右,为安全计 t=163 MPa(查钢制压力容器中使用的许用应力表) 3。 焊接接头采用V坡口双面焊接,采用局部无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数 表查得=0.85。 壁厚附加量 C， 在 钢制压力容器 4中， 只考虑腐裕量 2 C， 不计钢板厚度负偏差 1 C， 单面腐蚀取 2 C=1 mm。 筒体厚度 mmC p Dp S t ic 7 .33 8 . 185. 01632 50008 . 1 2 2 圆整后选取厚度为 34mm 的 16MnR 钢板来制造筒体。 4.2 封头壁厚设计 按照教材公式计算内压椭圆形封头的壁厚： C p Dp t ic 2 采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同，因为封头的直径较大，需用两块钢板拼 接毛坯，仍取焊缝系数=0.85。 钢制压力容器 4规定封头的壁厚附加量 C 只考虑腐蚀裕量 2 C，不计钢板厚度负 偏差 1 C，也不考虑封头在热压成型时的壁厚减薄量 3 C，这个问题由封头制造工厂考虑， 保证制成的凸型封头厚度符合图纸规定值，故仍取 C1mm。 因此，封头壁厚： mmC p Dp t ic 6 .32 8 . 15 . 085. 01632 50008 . 1 5 . 02 2 毕业论文储罐的设计 6 按要求取两者最大者，故椭圆型封头的壁厚也是 34mm（JB115473;材料与零部 件 6 329 P） 。 4.3 水压试验及强度校核 GB 150-1998钢制压力容器 3规定液压试验压力如下： pP t T 25. 1 式中 t P试验压力，MPa； P设计压力，MPa； 、t分别为液压试验温度和设计温度下壳壁材料的许用应力，MPa。 将 p=1.8MPa， =t=163MPa 代入式(4.2)得液压试验的试验压力为： MPapP t T 25. 28 . 1 163 16325. 1 25. 1 选取前两者中压力较大值作为水压试验压力为 t P=2.25MPa 水压试验时的应力 t 为： MPa DP e eiT T 6 .171 1-342 )335000(25. 2 2 )( 14mm16MnR 钢板在常压下的许用应力： t=a63.24885. 03259 . 0 s MP t t ,故筒体满足水压试验时的强度要求。 4.4 人孔并核算开孔补强 根据储罐是在常温下及最高工作压力为 1.8 MPa 的条件下工作,人孔的标准按公称 压力为 1.8MPa 等级选取，考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔 (JB583-79)，公称直径 450mm,凹凸法兰密封面（C 型） ，该人孔结构中有吊钩和销轴， 检修时只须松开螺栓将盖板旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖松取下。 查得如下图水平吊盖人孔（JB583-7925;材料与零部件 6,486 页）各零件的 名称、材料及尺寸如下： 件号标准号名称数量材料尺寸/mm 1筒节1Q235A480 2GB3076煤栓20A4直径长度=M27120 3GB3076螺母20Q235AM27 4GB4176法兰1Q235AD=640，D1=585 5GB9576垫片1Q235A=3 6盖1Q235AB1=42;b2=44 7吊环1Q235Ad=20 8转臂1Q235Ad=36 9吊钩1Q235A螺纹部分 M20 10螺母2Q235A外径 d=50,内径 d=36 11垫圈1Q235A 12环110673.5 13无缝钢管11Q235A=10 14支承板1 另外,还要考虑人孔补强,确定补强圈尺寸,由于人孔的筒节不是采用无缝钢管,故 毕业论文储罐的设计 7 不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径为 d=450mm,壁厚 m =10mm。故 补强圈尺寸如下： 查表得人孔的筒体尺寸为48010，由标准查得补强强圈内公式 1 D=484mm,外径 2 D=760mm。 不计焊缝系数的筒体计算壁厚 d mm p pD t i d 8 .27 8 . 11632 50008 . 1 2 开孔补强的有关计算参数如下： 考虑腐蚀后的开孔内径 2i c2dd460+21=462 补强区的宽度 B2d=2462=924mm 接管的计算壁厚附加量 mmcccc5 . 211015. 015. 0 221 补强区的外侧高度mm97.6710462ndh1 补强区的内侧高度h2=0mm 二者中取较小值 h2=0mm。 在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算 3210 AAAAA 式中 0 A补强面积, 2 mm； A开孔被削弱的金属面面积, 2 mm； 1 A壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积, 2 mm; 2 A接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积, 2 mm； 3 A焊缝金属截面积, 2 mm。 o 65. 311424628 . 12dp 由教材公式计算因开孔被削弱的金属面面积 A, Ad d =46227.8=12844 2 mm 由教材公式计算筒体超过承压所需的多余金属截面积 1 A 2 11 12014 .10134462924mmCdSA d 2 012 378665. 35 . 23497.6722mmchA 若不计焊缝补强的金属截面面积 3 A， 则补强金属截面面积 0 A 2 3210 758701201378612844mmAAAAA 由教材公式求得补强圈的厚度 1 2 1201 5 .28484760/7587/mmDDA 由于考虑到筒体的厚度为34mm,故选取补强圈为29mm厚的16MnR补强圈,其标记为: 补强圈 Dg45029JB 1207-73。 4.5 核算承载能力并选择鞍座 首先粗略计算鞍座负荷 储罐总质量 321 WWWW 式中 1 W罐体的质量，Kg 2 W水压试验时水的质量，Kg 毕业论文储罐的设计 8 3 W附件的质量，Kg 罐体质量 1 W: 筒体公称直径 N D=5000 mm，那么每米长的容积为 19.625 3 m ，由材料与零部件 6查得封头容积 2 V=1.39 3 m /m，则 LVVVVV625.1939. 122 12筒封 解得L=4.98m 取 L=5m 为宜。 罐体的自重（ 化工设备设计手册第一册，化学工业出版社，328 页 2）可查得，公称 直径为 5000 壁厚为 34mm 的筒体每米长的重量为 3940g,封头的自重为 3399Kg，罐体自 重 1 W为： 103703490533992 1 WKg 水压试验时罐内的水重为 2 W: 2 W=100455Kg 其它附件质量 3 W: 人孔质量约为 210Kg,其他附件重量约为 200 Kg，共 410Kg。 3 W=410Kg 于是，设备总质量为 11160341010738100455 321 WWWWKg 其总重力 Q 为 1116KN，查材料与零部件 9得，公称直径为 5000 mm，高度 H 400 mm 的 A 型鞍座，其单个承载能力为 1178 KN 1116KN.故其承载能力足够。标记为： DN5000-AM-400 JB 1167-81DN1600-AM-200 JB 1167-81。 5附件的选择 51 液面计的选择 储罐常用玻璃液面计,由储罐公称直径 5000 选择长度为 1800mm 液面计两支， 体材料 (针形阀)为碳钢,体温型, 液面计接管为无缝钢管，液面计相配的接口管尺寸为:35 4mm,平焊管法兰 HG5010-58 Pg16Dg20 液面计标记为：玻璃管液面计 AD L1800 HG 5-227-80 5.2 压力计选择 （1）量程装在锅炉、压力容器上的压力表，其最大量程（表盘上刻度极限值）应与 设备的工作压力相适应。 压力表的量程一般为设备工作压力的 1 53 倍， 最好取 2 倍。 若选用的压力表量程过大，由于同样精度的压力表，量程越大，允许误差的绝对值和肉 眼观察的偏差就越大，则会影响压力读数的准确性；反之，若选用的压力表量程过小， 设备的工作压力等于或接近压力表的刻度极限， 则会使压力表中的弹性元件长期处于最 大的变形状态，易产生永久变形，引起压力表的误差增大和使用寿命降低。另外，压力 表的量程过小，万一超压运行，指针越过最大量程接近零位，而使操作人员产生错觉， 造成更大的事故。因此，压力表的使用压力范围，应不超过刻度极限的 6070。 （2）测量精度压力表的精度是以允许误差占表盘刻度极限值的百分数来表示的。精度 等级一般都标在表盘上，选用压力表时，应根据设备的压力等级和实际工作需要来确定 精度。 额定蒸汽压力小于 2.45MPa 的锅炉和低压容器所用的压力表， 其精度不应低于 2 5 级； 额定蒸汽压力大于 2.45MPa 的锅炉和中、 高压容器的压力表， 精度不应低于 1.5 级。 毕业论文储罐的设计 9 （3）表盘直径为了使操作人员能准确地看清压力值，压力表的表盘直径不应过小。在 一般情况下，锅炉和压力容器所用压力表的表盘直径不应小于 100mm，如果压力表装得 较高或离岗位较远，表盘直径还应增大 又考虑到液化石油气有一定腐蚀性,所以综合考虑选用隔膜压力表, 技术指标为：精度等级：(1.)公称直径：50接头螺纹：1.5 G1 测量范围：0-2.4Mpa 7 5.3 接口管选择 1 进料管 采用无缝钢管1006mm (管壁加厚，具有补强作用).管的一端伸入罐切成 45, 管长 400 mm。配用凸面式平焊管法兰 Pg16Dg65GB9119.8-8。 2 出料管 采用可拆的压出管1006mm,伸入到罐内离罐底约 100 mm,外套无缝钢管115 7mm(管壁加厚，具有补强作用),都配用凸面板式平焊管法兰（GB9119.8-88） ，凸面管法 兰盖（GB9119.8-88）和石棉橡胶垫片（GB9126.2-88） 。 3 排污管 在罐的右端最底部设个排污管，规格是805mm，管端焊有与截止阀 J141-16 相 配的管法兰 HG20592法兰 PL50-1.6 RF Q235A。 排污管与罐体连接处焊有一厚度为 12mm 的补强圈。 4 放空管接口管 采用805mm 无缝钢管,管法兰 Pg16Dg50HG 5010-58 。 5 安全阀接口管 安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定.本贮罐选用805mm 的无缝钢管, 管法 兰 Pg16Dg50 HG 5010-58。 6 压力表接口管 压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此选用采用805mm 无缝钢管,管法兰 采用 HG 5010-58 Pg16Dg50。各接管外伸高度都是 300mm。 6设计结果一览表 毕业论文储罐的设计 10 序号名称指标材料 1设计压力1.8MPa 2工作温度50 3物料名称液化石油气 4容积100m3 5筒体DN5000mm34mm，L=5000mm16MnR 6封头DN5000mm34mm，h=80mm16MnR 7鞍座 JB/T4712-92 鞍座 A5000-F JB/T4712-92 鞍座 A5000-S Q235A.F 8人孔HG21524-95 人孔 RF （AG）450-2.5组合件 9补强圈Dg4502916MnR 10液面计液面计 HG 5-227-80组合件 11液面计接管 35mm5mm，L=700mm 10（GBT 8163） 12进料管80mm5mm，L=500mm10（GBT 8163） 13出料管80mm5mm，L=300mm10（GBT 8163） 14压料接管25mm3mm，L=3000mm10（GBT 8163） 15排污管80mm5mm，L=300mm10（GBT 8163） 16放空管80mm5mm，L=300mm10（GBT 8163） 17安全阀接管80mm5mm，L=300mm10（GBT 8163） 18法兰 640mm14mmQ235A 7设计小结 经过液氨贮罐机械设计，其各部分结构如下： 根据 GB/T 90192001 标准，筒体 DN300023，长度为 8000mm，材料选 16MnR。 上下封头均选用标准椭圆形封头。 根据 JB/T 47462002 标准， 封头 DN300023， 曲面高度 h1=850mm，直边高度 h0=60mm，