化工设备机械基础课程设计-液氨储罐机械设计.doc

化工设备机械基础课程设计目录第一章、 概述第一节、 设计的概要介绍第二节、 设计依据和有关说明第二章、 贮罐的设计第一节、 圆筒体和封头材料的选择第二节、 圆筒体的设计第三节、 封头的设计第四节、 圆筒体和封头的压力试验强度校核第三章、 支座、人孔、接管的标准的选择第一节、 选择标准支座并校核其承载能力第二节、 选择标准人孔并校核其开孔补强第三节、 选择各种标准接管第四章、 装配图有关部件的位置确定和计算第一节、 贮罐外形尺寸计算第二节、 支座、人孔、接管位置确定和计算第五章、 设计评价第一节、 设计特点第二节、 改进措施前言压力容器是一种密闭的承压容器，其应用广泛，用量大，但又比较容易发生事故，且事故往往是严重的。与任何工程设计一样，压力容器的设计目标也是对新的或该进的工程系统和装置进行创新和优化，以满足人们的愿望与需要。具体来说，压力容器的设计人员应根据设计任务的特定要求，遵循设计工作的基本规则或规范，以及材料控制结构细节制造工艺检验及质量管理等方面的规则，并尽可能地采用标准。本设计是设计一液氨贮罐。液氨贮罐是用来贮存液态氨的容器。一般规定氨液中含水不应超过0.2%。氨一般用于中温制冷剂制冷剂、硝酸、铵盐、氨肥及炸药。由于液氨贮罐既是压力容器，又是贮存有毒的介质，一旦发生事故，会产生严重后果，所以安装、使用、维修必须严格遵循国家相关法律，法规的规定。液氨贮罐是合成氨工业中必不可少的储存容器，所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体结构和强度的设计，密封的设计、罐体壁厚设计 、封头壁厚设计、确定支座，人孔及接管、开孔补强的情况以及其他接管的设计与选取。此次设计主要原理来自化工过程设备机械基础一书以及其他参考资料。第一章 概述第一节、设计的概要介绍1.1.1 设计任务、设计思想、设计特点(1)设计任务根据罐体公称容积 V=15m3 ,设计一个液氨储罐, 通过设计储罐的厚度，使其能满足工艺要求。设计任务主要分两个阶段： 准备阶段A、准备好设计资料、手册、图纸、说明书的报告纸B、认真研究、分析设计任务及有关设计数据，明确设计要求及设计内容C、认真复习有关教科书内容，熟悉有关资料及步骤D、结合有关图纸，了解设备结构及作用 机械设计阶段A、根据设计参数，论证选材、论证物料的腐蚀性及对环境的污染情况B、根据计算有关壳体的尺寸，根据压力计算壳体壁厚，校核壳体的强度，确定合理尺寸C、选用零部件，查标准及手册，确定尺寸和结构D、计算设备重量，列表有关附件的重量E、绘制设备总装图，进行缩小或放大绘图比例F、提出技术要求，对设备制造、检验、安装提出技术地求，并在总图上标注清楚G、编写设计说明书（2）设计思想 各种石油化工设备，虽然大小不一、形状不同，但都有一个受到内压或外压作用的称之为压力容器的外壳。压力容器是化工生产所用的各种各样化工设备外部壳体的总称。所以，容器设计是所有化工设备设计的基础。（3）设计特点对化工压力容器的基本要求：安全可靠性的要求要求所使用的设备具有足够的强度、韧性和刚度，以及良好的密封性和腐蚀性。工艺条件的要求化工设备是为工艺过程服务的，应保证在指定的生产工艺条件下完成指定的生产任务，即满足相应的工艺条件要求经济合理性要求在满足设备的安全运行和工艺条件的前提下，结构要合理，制造要简单，尽量减少加工量，降低制造成本。便于操作和维护例如所设置的阀门、平台、人孔形位置要合适，易损件便于更换等。环境保护要求所谓化工设备失效的一个新概念是“环境失败”即有害物质泄露到环境中，生产过程残留无法消除的有害物质及噪音等，化工容器在设计时包括化工工厂的选址均应考虑这些因素的影响。第二章 设计参数确定2.1 设计温度通过查阅资料可知芜湖市最高气温为40，所以设计温度取402.2 设计压力 设计压力给定为2.3 腐蚀余量查腐蚀数据手册16MnR耐氨腐蚀，其，若设计寿命为20年，则2.4焊缝系数该容器属中压贮存容器，技压力容器安全技术监察规程规定，氨属中度毒性介质，容器筒体的纵向焊接接头和封头基本上都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，所以取或常见。得选取按下表选择:表2.1 焊接接头系数序号焊接接头形式无损检查的长度比例100%局部1双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊接接头1.00.852单面焊的对接焊接接头，在焊接过程中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板0.90.8此储罐采用100%无损探伤，故2.5 容器直径考虑到压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器的筒体和封头的直径都有规定。此储罐设计的公称直径假设（内径）选择。下面再验算内径的选择是否合适。表2.2 公称直径公称直径300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、40002.6 许用应力温度查表设定第二节、设计依据和有关说明1.2.1 工艺参数技 术 特 性公称容积(m3)15公称直径DN(mm)1800介 质液氨筒体长度L0(mm)5900工作压力(MPa)1.6工作温度(0C)40厂 址芜湖市推荐材料16MnR1.2.2 设计依据 GB1501998钢制压力容器标准。1.2.3 有关符合单位说明 英文字母Di贮罐内径，mm;st钢板的许用应力 MPaP液氨的饱和蒸汽压 MPaC1钢板厚度负偏差, mm;C2介质的腐蚀裕量,mm;希腊字母罐体计算厚度, mm;d罐体设计厚度, mm;n罐体的名义厚度, mm;e罐体的有效厚度, mm;焊接接头系数 第二章 贮罐的设计第一节 圆筒体和封头材料的选择选择容器用钢必须综合考虑：容器的操作条件，如设计压力、设计温度、介质特性和操作压力等；材料的使用性能，如力学性能、物理性能、化学性能（主要是耐腐蚀性能）；材料的加工工艺性能，如焊接性能、热处理性能等；经济合理性及容器结构，如材料价格、制造费用和使用寿命等。纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般碳素钢，压力容器专用钢板为20R，另外还有一些合金钢，如16MnR、15MnVR等也适合作为压力容器的钢板。16MnR是345MPa级的低合金钢，具有良好的机械性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。中温及低温的机械性能均优于Q235-A、15、20等碳素钢，是使用十分成熟的钢种，质量稳定、可使用-40475场合。15MnVR是屈服极限为390MPa级的低合金结构钢，其塑性和冲击韧性较16MnR低，其波动较大。另外从经济的角度考虑，16MnR也较20R制造费用低。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体的材料。16MnR的含碳量为0.12%0.20%，含Mn量较低，伸长率为19-21%，是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。储罐高度确定储罐容量为，查表：表4.1 筒身常量公称直径DN1米高容器体积V11米高容器内表面积F11米高容器钢板质量Kg钢板厚度101416002.0175.0339755618002.5455.6644662722003.8016.8154571424004.5247.55 59683426005.3098.17644903表4.2 封头常量公称直径DN曲面高度h1直边高度h0内表面积F容积V厚度质量G1600400252.890.58712285143341638318431204881800450253.640.8261029712358144192200550405.501.5416588试选用公称直径为，由表知，筒体1米高容器体积，封头的容积为。利用公式 代入，得： 由于液氨筒体的长径比值为为合适值，所选的长径比 所以，选用公称直径为的筒体合适。第2节 圆筒体的设计 根据公式： 式中： 圆筒的计算压力，MPa； 圆筒的内径，mm；t钢板在设计温度t下的许用应力，MPa； 焊接接头系数，1;在本设计中经初步计算设计体积较小（约为3035 m3）且工作压力较小（p=1.932MPa），因此可采用卧式圆筒形容器（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），方形和矩形容器大多只在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力较强且节省材料，但制造较难和安装内件不方便，一般不使用。立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，综合上诉考虑本设计选用圆筒形卧式容器。16MnR在40的时候许用压力为：MPa（见表2.1）罐体直径Di=1800mm，罐体长度L0=5900mm (双面对接焊缝，100%探伤，见表2.2)表2.1 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/MPabMPasMPa2010015016MnRGB 6654热轧，正火61651034517017017016364903251631631633660470305157157157表2.2 焊接接头系数焊接接头形式对接接头100%无损检测局部无损检测焊接工艺特点双面焊相当于双面焊的全焊透接头1.00.85单面焊（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）0.90.8所以筒体的计算厚度为：则筒体的设计壁厚：圆筒的名义厚度为因此采用的16MnR钢制作罐体 第三节 封头的设计封头有多种形式，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，所以选择标准椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。封头取与筒体相同材16MnR钢板。查椭圆形封头标准（JB/T4737-95）。表2.3 椭圆封头标准公称直径DN/mm曲面高度h1/mm直边高度h2/mm内表面积A/m2容积V/m31800450253.640.826本设计采用标准椭圆封头（2:1）即：K（形状系数）=1.0。,根据公式 ( 2.2 )得封头的设计壁厚为： 查附录：取钢板的负偏差，则筒体的名义壁厚为：。考虑冲压减薄量，圆整后取名义厚度的16MnR钢制作封头。第四节 圆筒体和封头的压力试验强度校核 压力试验的目的是检验压力容器承压部件的强度和严密性。在试验过程中，通过观察承压部件有无明显变形或破裂，来验证压力容器是否具有设计压力下安全运行所必需的承压能力。同时，通过观察焊缝、法兰等连接处有无渗漏，检验压力容器的严密性。 由于压力试验的试验压力要比最高工作压力高，所以应该考虑到压力容器在压力试验时有破裂的可能性。由于相同体积、相同压力的气体爆炸时所释放出的能量要比液体大得多，为减轻锅炉、压力容器在耐压试验时破裂所造成的危害，所以通常情况下试验介质选用液体。因为水的来源和使用都比较方便，又具有作耐压试验所需的各种性能，所以常用水作为耐压试验的介质，故耐压试验也常称为水压试验。据GB 150-1998钢制压力容器规定内压容器液压试验压力如下： （ 2.3 ） 式中PT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=3.4MPa， =t=163MPa代入式(2.3)得液压试验的试验压力为：试验时器壁的应力为： 其中有效厚度：，故查表3.1可知22mm的16MnR钢板的常温强度指标s=325MPa。所以： ，则，故所设计的器壁厚度满足水压试验要求。 第三章 支座、人孔、接管的标准的选择第一节 选择标准支座并校核其承载能力3.1.1 支座的选取支座用来支撑容器的重量，固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。卧式圆筒形容器的支座分为鞍座、圈座和支腿三类。常见的卧式容器和大型卧式储罐大多采用鞍座，鞍座标准是（JB/T4712-92）。主要由于鞍座的承压能力较好且对筒体的局部阻力较小，故采用鞍座。鞍座又分为轻型（A）和重型（B）两大类，每种形式的鞍座又分为固定支座（F）和滑动支座（S），在一台容器上F型与S型总是配对使用。鞍座的尺寸是由公称直径确定的。本设计公称直径DN=2800mm 1000mm，则选用轻型A双鞍座，焊制、120包脚、带垫板、一为固定式F型一为滑动式支座S型。3.1.2 鞍座承载能力的核算本设计选用的是轻型A双鞍座，焊制、120包脚、带垫板、一为固定式F型一为滑动式支座S型。首先粗略计算鞍座负荷。贮罐总质量为 式中 m1罐体质量，kg；m2封头质量，kg；m3充液质量，kg；m4附件质量，kg。(1) 罐体质量m1查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表4)公称直径DN=1800mm，壁厚n=22mm的筒体，得每米质量是q1=987kg/m，所以(2) 封头质量m2查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表6)公称直径DN=1800mm，壁厚=22mm，直边高度h0=25mm的标准椭圆形封头，得其质量，所以(3) 液氨质量m3 式中 装量系数，取0.9；(压力容器安全技术监察规程规定：介质为液化气体的固定式压力容器，装量系数一般取0.9)V贮罐容积，m3；水的密度为1000kg/m3。查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表5)得筒体公称直径DN=1600mm，筒体长度L0=4.7m，封头容积为Vh=0.587m3，则贮罐总容积为于是(4) 附件质量m4人孔约重200kg，其它接口管的总重约300kg。于是m4=500kg。故设备总质量为：每个鞍座承受的负荷为（5）位置计算筒体长度式中A鞍座与封头切线之间的距离，mm；L1两鞍座间距，mm。由于筒体L/D较大，且鞍座所在平面又无加强圈，取根据鞍座承受的负荷，查表（化工设备机械基础，大连理工大学出版社，附录16）可知，选择轻型（A）带垫板、包角为120的鞍座。即:JB/T4712-92 鞍座A2800-FJB/T4712-92 鞍座A2800-S其标准尺寸如下：表3.1 A型鞍座标准尺寸（DN1000mmDN2000mm）公称直径DN允许载荷/kN鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓连接尺寸caS1fLbSl3b33c间距l2螺孔d螺纹M孔长l1800 6025020014014701601608 315250840180030M2440第二节 选择标准人孔并校核其开孔补强3.2.1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，其尺寸大小及位置以设备内件安装和工人进出方便为原则。由于贮罐是在常温及最高压力为1.55MPa下工作，人孔标准按公称压力1.6MPa的压力等级选取。因为人孔盖直径较大且质量较重，故选用水平吊盖法兰人孔，因为人孔结构中有吊钩和销轴，在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转，即可轻松进入，而不必将其取下以节约维修时间。查得该人孔的有关数据如下:表4.3 人孔尺寸选择表人孔类型，公称压力，公称直径DD1带颈平焊法兰人孔，公称压力为1.6MPa，公称直径为450mm480*10640585dbb1（RF）（1）（1）（1）（2）-34383436螺栓或螺柱总质量回转盖规格数量M2720171/1814.3.2 人孔开孔补强由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径，壁厚，故补强圈尺寸确定如下：补强圈内径，外径，根据补强圈的金属表面积应大于或等于开孔减少的截面积，补强圈的厚度按下式计算： 故补强圈取厚。该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为：HG21523-95 人孔RF I（AG）450-1.6 其中RF指突面密封，指接管与法兰的材料为20R，AG是指用普通石棉橡胶板垫片，450-1.6是指公称直径为450mm、公称压力为1.6 MPa。表3.3 人孔PN2.5 DN500 (HG21524-95)明细表件号标准号名称数量材料尺寸/mm1筒节116MnRdWS=53012，H1=3502HGJ52-91法兰116Mn(锻件)3HGJ69-91垫片1石棉橡胶板=3(代号A.G)4HGJ63-91法兰盖116MnRb1=46， b2=485HGJ75-91P螺柱2035M3321706螺母4025M337吊环1Q235-A.F8转臂1Q235-A.Fd0=489GB95-85垫圈201100HV10GB41-88螺母M2024级11吊钩1Q235-A.F12环1Q235-A.F13无缝钢管12014支承板116MnR第3节 选择各种标准接管管 口 表编号名称公称直径(mm)编号名称公称直径(mm)a1-2液位计15e安全阀25b进料管40f放空管25c出料管20g人孔450d压力表25h排污管403.3.1 液氨进料管进料管伸进设备内部并将管口的一端切成450 ，为了是避免物料沿设备内壁流动一减少磨蚀和腐蚀。进料管长500mm,伸入筒体内300mm。取用38mm3.5mm的低合金无缝钢管。配用具有凸面密封的平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰 SO50-1.6 RF 16MnR因为该管采用38mm3.5mm，厚度5mm，故该接管开孔需要补强（接管开孔补强参见GB1501998钢制压力容器）。3.3.2 液氨出料管在化工生产中，有时需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。故采用可拆的压料管排料方式。取压出管，将它用法兰固定接口管内。筒体的接口管法兰采用HG20592 法兰SO32-1.6 RF 16MnR。与该法兰相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与HG20592 法兰SO32-1.6 RF 16MnR内径为25mm液氨压出管的端部法兰采用HG20592 法兰SO20-1.6 RF 16MnR。这些小管都不必补强。压料管伸入贮罐2.5m3.3.3 排污管在清洗储罐时候，为了能将废液完全排除储罐外，液氨介质会腐蚀管壁而出现沉淀，故需在离右鞍座的左侧500mm处安装一个排污管。因此管子规格取为：，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的法兰HG20592 法兰SO50-1.6 RF 16MnR。排污管与罐体连接处焊有一厚度10mm的补强管。3.3.4 液面计接管液面计是用来观察设备内部液位变化的一种装置，通过测量液位来确定容器中物料的数量。由于设备不大且压力较小，物料洁净。故采用玻璃管防霜液面计BIIW PN1.6 , L=1000mm HG 5-227-80两支。与液面计相配的接口管尺寸为：，管法兰HG20592 法兰SO15-1.6 RF 16MnR。 两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。 3.3.5 放空接口管为了在注入液体时，能将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速的注入，需要安设一个放空管。采用的无缝钢管，管法兰为：HG20592 法兰 SO25-1.6 RF 16MnR3.3.6 安全阀接口管安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此需设一安全阀，安全阀的接口管尺寸由安全阀泄放量决定。因此选用的无缝钢管，管法兰HG20592 法兰 SO25-1.6 RF 16 MnR。第四章 装配图有关部件的位置确定和计算第一节 贮罐外形尺寸计算4.1.1 设计参数公称直径：DN=1800mm筒体长度：L=5900mm筒体厚度：封头的曲面高度：h1=450mm封头的直边高度：h0=h2=25mm鞍座高度：h=250mm液面计高度：H3=200mm人孔高度：H=H1+H2+4=350+218+4=572mm贮罐总长度：L=L+2(h0+h1)+H3+2=5900+2(25+450)+200+44=7094mm贮罐总高度：H总=Di+H1+H+2=1800+250+572+44=2666mm第二节 支座、人孔、接管位置确定和计算4.2.1 支座的位置筒体的公称直径DN=1800mm，筒体长L=5900mm，L/DN=5900/1800=3.3数值较大且鞍座所在平面无加强圈，为了避免鞍座对器壁的应力加强，故采取A=0.25D（其中D为内径，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。.筒体长度：式中：A鞍座与封头切线之间的距离，mm；L1两鞍座间距，mm。由于筒体L/D较大，且鞍座所在平面又无加强圈，取4.2.2 人孔的位置 为了保证筒体的密封安全，人孔应在顶部左侧且距筒体中心线1500mm的地点。4.2.3 接管的位置根据设计要求及开孔补强条件，确定接管的位置如下：出料管：顶部中央位置进料管：顶部右侧距出料管600mm处安全阀接管：顶部右侧距出料管1400mm处放空管接管：顶部右侧距出料管2000mm处排污管：底部右侧距封头切线200mm处液面计接管：在罐体左侧封头曲面上，位置见装配图。附录1设计总汇序号名称指标材料1设计压力3.4MPa2工作温度403物料名称液氨4容积15m35筒体DN1800mm22mm，L=5900mm16MnR6封头DN1800mm22mm，h1=450mm,h2=25mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A2800-FJB/T4712-92 鞍座A2800-S16MnR8人孔HG21523-95 人孔RF （AG）450-1.6组合件9补强圈16MnR10液面计液面计BIIW PN1.6 L=1450mm HG/T 21550-93组合件11液面计接管，L=300mm16MnR12进料管，L=500mm16MnR13出料管，L=200mm16MnR14压料接管，L=3000mm16MnR15排污管，L=200mm16MnR16放空管，L=200mm16MnR17安全阀接管，L=200mm16MnR18法兰配合以上接管16MnR2.负偏差表钢材厚度n(mm)6-78-2526-3032-34负偏差(mm)0.60.80.91.03.液氨储罐装配图附有贮罐的总装配图，技术特性表，接管表，各零部件名称、规格、尺寸、材料等见明细表。 本贮罐技术要求1本设备按GBl50-1998钢制压力容器进行制造、试验和验收 2焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可按GB985-80中规定(设计焊接接头系数1.0) 3焊接采用电弧焊，焊条型号为E4303 4壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100 5设备制造完毕后，以2MPa表压进行水压试验 6管口方位按装配图 技术特性表名称指标设计压力3.4工作温度40物料名称液氨公称容积15接管表符号联接法兰标准密封面形式用途a1-2HG20592 SO15-1.6RF突面液面计接口管b1-2HG20592 SO15-1.6RF突面液面计接口管cHG20592 SO450-1.6RF突面人孔dHG20592 SO32-1.6RF突面出料口eHG20592 SO50-1.6RF突面进料口fHG20592 SO25-1.6RF突面安全阀接口管gHG20592 SO25-1.6RF突面放空口hHG20592 SO50-1.6RF突面排污口GB8163-87出料接管f253 L=20016MnR10.5HB20592-95法兰PL 32-1.6 RF16MnR11.6HB20592-95法兰内径f35其它尺寸按PL 32-1.6 16MnR11.86GB8163-87压料接管f253 L=300016MnR14.5HB20592-95法兰PL20-1.6 RF16MnR10.94GB8163-87排污接管f452.5 L=20016MnR11.0HB20592-95法兰PL50-1.6 RF16MnR1