课程设计张红英 w.doc

设计题目：30m3氯液储罐设计学 院： 化学化工学院 专 业： 化学工程与工艺 指导老师： 王丽萍 学生姓名： 张红英 学 号： 2011133150 完成日期2013年12月9日星期一目 录1引言12设计任务书13设计参数及材料的选择13.1设备的选型与轮廓尺寸13.2设计压力23.2筒体及封头材料的选择33.3许用应力34结构设计34.1筒体壁厚计算34.2封头设计44.2.1半球形封头44.2.2标准椭圆形封头54.2.3标准蝶形封头54.2.4圆形平板封头64.2.5不同形状封头比较74.3压力试验84.4鞍座84.4.1容器支座的选择84.4.2鞍座的位置115结果14参考文献16总结151引言液氯，化学名称：液态氯；分子式：Cl2；分子量：70.91g/mol；液氯为黄绿色的油状液体，有毒；在标准状况下，-34.6下沸腾，在-101.5时凝固；在常温下，氯气是一种黄绿色、有刺激性气味的有毒气体；氯气可溶于水和碱性溶液，易溶于二硫化碳和四氯化碳等有机溶剂。氯气是一种化学性质很活泼的非金属单质，因而自然界中没有游离态的氯。氯原子的最外电子层有7个电子，在化学反应中容易结合一个电子，使最外电子层达到8个电子的稳定状态，因此氯气具有强氧化性。液氯为基本化工原料，可用于冶金、纺织、造纸等工业，并且是合成盐酸、聚氯乙烯、塑料、农药的原料。氯气能与许多化学品如乙炔、松节油、乙醚、氯、燃料气、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应发生爆炸或生成爆炸性物质。会危害生物体健康，引发各种疾病。此外，液氯不会燃烧，但可助燃。一般可燃物大都能在氯气中燃烧，一般易燃气体或蒸汽也都能与氯气形成爆炸性混合物。需要用高压钢瓶包装，贮于阴凉干燥通风处，防火、防晒、防热、防漏。因此，液氯的储存需要考虑其本身的物理化学性质以及诸多的环境因素。2设计任务书综合应用所学的专业知识设计一30m3的液氯储罐，要求设计中需要综合考虑成都的环境条件、液氯的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，设计按容器的选材、储罐设计参数及材料的确定、压力容器结构设计、压力试验及强度校核壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。3设计参数及材料的选择3.1设备的选型与轮廓尺寸筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。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。图1筒体粗略计算内径：一般，取，,代入计算：，得圆整至，则3.2设计压力查阅文献，40oC时，液氯密度为1340kg/m3，由各地区重力加速度表3查的成都地区的重力加速度，则液柱静压为：。本储罐在成都使用，夏季最高温度为38oC，冬季最低温度为-2oC，工作温度在-238oC，取最高工作温度为40oC,。根据化学化工物性数据手册3查得40蒸汽压为1114kPa，可以判断设计的容器为内压容器，按压力容器安全技术监察规程2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40时的饱和蒸汽压力。当容器上装有安全阀时，取1.051.1倍的最高工作压力作为设计压力，即液氨储设计压力为：则所以可忽略静压强，即。由于，故该储罐属于低压容器。3.2筒体及封头材料的选择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小于0.1mm/a，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。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。钢板标准号为GB6654-1996。3.3许用应力设计温度为最高为40C，属于常温容器。当16MnR钢板厚度616mm时，16MnR钢板的强度极限b=510MPa，屈服极限s=345MPa1。常温下，当取强度极限作为16MnR钢板的极限应力时，许用应力，得nb=31，；当取屈服极限作为16MnR钢板的极限应力时，许用应力，ns=1.61，。则许用应力取两者这间的较小值，则t=170MPa。4结构设计4.1筒体壁厚计算计算壁厚按照（4-1）式计算。 （4-1）式中：pc：计算压力，MPaDi：筒体内径，mmt：设计温度下的许用应力，MPa：焊接接头系数容器筒体的纵向焊接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数=1.00，全部无损探伤1。把相关数据带入（4-1）式，得到圆柱形筒体的计算壁厚。查材料腐蚀手册，40下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/n，取双面腐蚀裕量C2=2mm1。所以，筒体的设计壁厚d=+C2=15.14mm。钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.025mm范围内，负偏差C1=0.8mm1。所以，筒体的名义壁厚n=d+C1+圆整量=16mm。在之间，故假设是成立的。查GB9019-20012，得到圆柱形筒体的规格尺寸见表4-1。表4-1筒体标准公称直径DN/mm1m高的容积V1/m31m高的内表面积F1/m21m高筒节质量/kg22003.8016.816554.2封头设计4.2.1半球形封头球形封头的计算壁厚按照（4-2）式计算。 （4-2）式中：pc：计算压力，MPaDi：半球形封头的内径，mmt：设计温度下的许用应力，MPa：焊接接头系数封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数=1.00，全部无损探伤。把相关数据带入（4-2）式，得到半球形封头的计算壁厚。查材料腐蚀手册3，40下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐蚀裕量C2=2mm。所以，筒体的设计壁厚d=+C2=3.99+2=5.99mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.025mm范围内，负偏差C1=0.8mm。所以，筒体的名义壁厚n=d+C1+圆整量=8mm。4.2.2标准椭圆形封头标准椭圆形封头的计算壁厚按照（4-3）式计算。 （4-3）式中：pc：计算压力，MPaDi：椭圆形封头的内径，mmt：设计温度下的许用应力，MPa：焊接接头系数封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数=1.00，全部无损探伤1。把相关数据带入（4-3）式，得到标准椭圆形封头的计算壁厚。查材料腐蚀手册，40下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐蚀裕量C2=2mm。所以，筒体的设计壁厚d=+C2=7.99+2=9.99mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.025mm范围内，负偏差C1=0.8mm。所以，筒体的名义壁厚n=d+C1+圆整量=12mm。4.2.3标准蝶形封头标准蝶形封头的计算壁厚按照（4-4）式计算。 （4-4）式中：pc：计算压力，MPaDi：标准蝶形封头的内径，mmt：设计温度下的许用应力，MPa：焊接接头系数封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数=1.00，全部无损探伤1。把相关数据带入（4-4）式，得到标准蝶形封头的计算壁厚。查材料腐蚀手册，50下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐蚀裕量C2=2mm。所以，筒体的设计壁厚d=+C2=9.59+2=7.59mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.025mm范围内，负偏差C1=0.8mm。所以，筒体的名义壁厚n=d+C1+圆整量=14mm。4.2.4圆形平板封头圆形平板封头的计算壁厚按照（4-5）式计算。 （4-5）式中：pc：计算压力，MPaK：平板封头的结构特征系数Dc：圆形平板封头的计算直径，mmt：设计温度下的许用应力，MPa：焊接接头系数圆形平板封头的计算直径Dc 等于压力容器内径Di，则Dc=2600mm。封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数=1.00，全部无损探伤1。对于圆形平板封头，取K值等于0.25。把相关数据带入（4-5）式，得到圆形平板封头的计算壁厚。查材料腐蚀手册，50下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐蚀裕量C2=2 mm。所以，筒体的设计壁厚d=+C2=93.56+2=95.56mm。查阅钢板厚度负偏差表，负偏差C1=2.2mm。所以，筒体的名义壁厚n=d+C1+圆整量=98mm。4.2.5不同形状封头比较不同形状封头壁厚见表4-2。表4-2不同形状封头的壁厚封头半球形标准椭圆形标准蝶形圆形平板名义壁厚/mm8121698从表4-2可以看出，封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，应首选椭圆形封头。此外标准椭圆形封头的壁厚与筒体的壁厚相同。标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以，选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。查椭圆形封头标准（JB/T4737-95），得到椭圆形封头规格尺寸见表4-3。表4-3标准椭圆封头公称直径DN/mm曲面高度h1/mm直边高度h0/mm内表面积Fi/m2容积V/m32200550405.501.54图2标准椭圆封头4.3压力试验水压试验:液体的温度不得低于5；试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。水压试验时的压力：查表得：16MnR： (4-6)筒体的有效壁厚：e=n-(C1+C2)=12-(0.8+2)=9.2mms=345MPa水压试验时的计算应力： (4-7)水压试验时的许用应力为，故筒体满足水压试验时的强度要求。4.4鞍座4.4.1容器支座的选择图3鞍座位置卧式容器的支座有三种形式：鞍座、圈座、和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。采用双支座时选取的原则如下：双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取 ,其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。为了充分利用这一加强效应，在满足下应尽量使。此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。所以本设计就采用这种支座结构。根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。储罐总质量m按照（4-8）式计算。 （4-8）式中：m1:罐体质量，kgm2:封头质量，kgm3:充液质量，kg罐体质量根据DN=2200mm，n=12mm的筒节，每米质量为q=655kg/m，则 （4-9）封头质量根据DN=2200mm，n=12mm，直边高度h0=40mm的椭圆形封头，其质量为q2=527kg，则 （4-10）充液质量储罐容积V（4-11式）计算。 （4-11）式中：V:储罐容积，m3V1:1m高的筒体容积，m3V2:封头容积，m3根据DN=2200mm，1米高的筒体容积V1=3.801m3。根据DN=2200mm，直边高度h0=40mm的椭圆形封头的容积V2=1.54m3。把相关数据带入式（4-11），得：充液质量按照（3-12）式计算。 （4-12）式中：m3:充液质量，kgV:储罐容积，m3:液氯在-10oC时的的密度，=1482kg/m3设备总质量为：每个支座需承受200kN的负荷。根据筒体DN=2200mm，鞍式支座标准JB/T4712选取轻型带垫板、包角120的鞍座,即JB/T4712-92鞍座A2200-F，JB/T4712-92鞍座A2200-S。4.4.2鞍座的位置卧式容器可以简化成受均布载荷的外伸梁。图4-1表示受均布载荷q作用的筒体总长L=8800mm。qaalLRARBCD图4卧式容器简化图求支反力根据： （4-13） （4-14）得到：写弯矩方程截面1-1处的弯矩方程： （4-15）当x1=a时，弯矩最大值为：截面2-2处的弯矩方程： （4-16）当时，弯矩最大值为：截面3-3处的弯矩方程： （4-17）当时，弯矩最大值为欲使设备受力情况最好，就必须适当选择a和L的比例,使得外伸段和中间段的最大弯矩的绝对值相等，即要，由此得到 (4-18)即 (4-19)则 (4-20)因为,带入（4-15）式，得 （4-21）因此，支座位置应满足a=0.2L=1.76m。鞍座类型及位置如表4-4所示：表4-4 鞍座类型及位置鞍座类型鞍座：B/T4712-92鞍座：A2200-FJB/T4712-92：鞍座A2200-S鞍座位置筒体外伸端到支座的距离a=1.76m5 结果通过计算和核算得到筒体和封头的参数及主要尺寸如下：表5-1筒体和封头的参数及主要尺寸筒体筒体类型圆筒形工作压力Pw/KPa设计压力P/MPa计算压力Pc/MPa许用应力MPa焊接系数11141.231.231701.0筒体厚度计算厚度/mm设计厚度d/mm名义厚度n/mm有效壁厚e/mm7.999.991210.79封头封头类型半球形标准椭圆形标准蝶形圆形平