氢气储罐设计说明书.doc

昆明理工大学设计说明书目录 前言31 方案确定41.1选择容器类型式41.1.1 压力容器分类41.1.2、封头形式的确定51.2 材料的确定62 设计计算821 确定设计参数82.1.1 工作压力、设计压力、计算压力82.1.2 设计温度92.1.3 厚度计算92.1.4设计温度下的需用应力102.1.5 焊接接头系数102.2 容器相关量的确定112.2.1 计算过程112.2.2 筒体尺寸确定12 2.3 容器强度校核13 2.4 确定各工艺接管的公称通径及位置143 结构设计1731 人孔选择173.2人孔补强173.3 支座的选择及校核203.3.1支座的设计要求203.3.2支座的选择及校核204 总结与体会245 谢辞256 参考文献26 前言 随着我国石油化工业的迅速发展，国家对清洁环保型能源越发的重视。化工业接触的都是危险品，因此对这些危险品的控制相当重要。以氢气为例，它就是易燃物质，储存的时候也要确保安全。因此对于氢气储罐有一定的设计要求。氢气密度低，比容大，只有高压储运才能有效。氢气性质稳定，不容易跟其他物质发生化学反应，所以氢气的腐蚀性较小。但氢气在点燃加热等情况下易发生爆炸燃烧等现象，所以在储运的时候要格外小心对环境条件的控制。本设计完成了6m3立式氢气储罐的设计，并对氢气储罐在设计、制造安装、使用、维护与定期检验提出了相应的安全技术要求。设计的氢气公称直径为1400mm，壁厚为6mm，对筒体与封头做了水压试验强度校核；对人孔的补强做了计算，计算补强圈的厚度为 6mm ；选择了支座类型为A2型耳式支座。本次设计各项参数均按照相关标准决定，主要有GB150-98钢制压力容器，压力容器安全技术监察规程，JB/T 4736-2002补强圈，HG 2059220614-97钢制管法兰、垫片、紧固件，JB/T 4725-1992耳式支座，HG 21520-1995垂直吊盖带颈平焊法兰人孔等。本次设计流程为：首先进行结构设计，确定为立式筒体储罐；然后进行材料选择，为Q345R；再进行设计计算、强度校核与及零部件选型；最后进行开孔补强计算、安全阀的选型与校核。1 方案确定1.1选择容器类型式1.1.1 压力容器分类压力容器的结构式很多，相应的分类方法也有很多种，为了便于压力容器的设计与分析，常见的分类方法主要有如下两种。 （1）、根据承载压力方式分类：压力容器分为内压容器和外压容器两类，当压力容器内部介质压力大于外部压力是称为内压容器，反之称为外压容器。 内压容器按其设计压力p的大小，又可分为四种。 低压容器（代号L） 0.1MPAP1.6MPA 中压容器（代号M） 1.6MPAP10MPA 高压容器（代号H） 10MPAP2500mm）时，半球形封头则采用先分瓣冲压成型后拼装焊接的方法制作。由于半球封头的深度较大，故冲压成型较椭圆形封头和蝶形封头困难，多用于大型高压容器和压力较高的储罐上。 （2）椭球形封头：是有半个椭球壳和高度为的短圆筒（常称为直边段）组成。直边段的作用是为了使封头和筒体的连接环焊缝不出现在经向曲面半径突变处，以改善焊缝的受力情况，其高度一般为25mm或者40mm。由于封头曲面深度比半球形封头浅（半球形封头：；标注椭球形封头：；），故冲压成型较为方便，是目前中低压容器中最常用的一种封头形式。 （3）蝶式封头 ：由三部分组成：第一部分是以的球面部分，第二部分是r10%且r的固定环壳部分，第三部分是高度为=25mm或者40mm 短圆筒。对于蝶形封头，=0.9,r=0.17。由于蝶形封头在相同直径和深度的条件下的应力分布不如椭球圆形封头均匀，因此，仅在加工椭球形封头有困难或者直径较大、压力较低的情况下才选用蝶形封头。 （4）除了上面三种封头之外，还有球冠形封头（连接处的封头和筒体上都存在着相当大的不连续应力，其应力分布很不合理。一般只用于低压和直径不大的压力容器上。）、锥形封头（锥形封头制作较为方便，但受压稍大时，其大小端可能需要局部加强，其结构就较为复杂了。就其强度而言，其与锥形封头和半球形封头、椭球形封头等封头相比较较差，但高于平盖。）、平盖（厚度要求最大，常用于常需要拆卸的入孔和手孔的盖板、某些换热设备的端盖等地方）。从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来年：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。1.2 材料的确定压力容器用钢根据GB150压力容器所引用的钢材标准，主要为碳素钢、低合金钢和高合金钢三大类。由于压力容器作为过程工业生产中重要的过程设备，虽然在实际生产过程中的安全运行与很多因素有关，但其中材料性能是最重要的因素之一，为了确保压力容器的使用安全，压力容器在制造技术要求上非常严格，其承压元件应采用压力容器专用钢板。这类钢板要求质地均匀，对硫，磷等有害元素的控制更加严格，且需要进行某些力学性能方面特殊项目的检验。压力容器专用钢板有：Q245R,Q345R,Q370R,10MnMoNbR,13MnNiMoR,15CrMoR,14Cr1MoR,12Cr2Mo1R，12Cr1MoVR。纯氢气腐蚀性很小，可以考虑Q345R这种钢种，Q345R是制造压力容器专用的低合金高强度钢板，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，其力学性能见表1-1。Q345R钢板是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板，主要用于制造-20400的中低压压力容器，多层高压容器及其承压结构件。所以在此选择Q345R钢板作为制造筒体和封头材料。 表1-1 Q345R的力学性能及冷弯性能（摘自GB713）钢板状态钢板厚度（mm）Rm（Mpa）ReL（Mpa）A1%Akv（J）弯曲实验b=2a热轧、控轧或正火3165106403452134d=2a1636500630325d=3a366049062031560100490620305201001504806102851502004706002652、设计计算21 确定设计参数21.1 工作压力、设计压力、计算压力 （1）、工作压力是指在正常情况，容器顶部可能达到的最高压力（也称为最高工作压力）。 （2）、设计压力P是指设定的压力顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于最高工作压力。按压力容器安全技术监察规程1规定，装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不低于安全阀的开启压力或者爆破片的爆破压力；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50时的饱和蒸汽压力；对无实际组分数据的混合液化石油气压容器，由其相关组分50的饱和蒸汽压力确定设计压力。各类内压容器设计压力的选取见表2-1 （3）、计算压力=设计压力P=1.1=0.88MPa2-1 内压容器设计压力的选取容器类型设计压力无安全法泄放装置不低于容器最高工作压力装有安全阀等于或稍大于安全阀开启压力开启压力（1.051.1）容器工作压力装有爆破片等于爆破片设计爆破压力加上所选爆破片制造范围上限出口管线上装有安全阀不低于安全阀的开启压力加上流体从容器流至安全阀的压力降容器位于泵进口侧无安全阀去无安全泄放装置时的设计压力，且以0.1MPa外压进行校核2.1.2 设计温度设计温度是指容器正常工作时，在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度，其值不得小于元件可能达到的最高温度，在此设计中，设计温度t=150。2.1.3 厚度计算 （1）、各种厚度的定义a、设计厚度 容器受压元件满足强度，刚度及稳定性要求所需的厚度；b、设计厚度 计算厚度与腐蚀裕量之和，即；=+c、名义厚度 设计后厚度加上刚才厚度负偏差后，向上圆整至钢材标准规格的厚度，即图样上标注的厚度；d、有效厚度 名义厚度减去厚度附加量，即=- （2）、厚度附加量厚度附加量C有钢板或者钢管的厚度负偏差和腐蚀裕量两部分组成，即C=+.按GB713锅炉和压力容器用钢板2和GB3531低温压力容器用低合金钢板3中指出，该设计用材Q345R的厚度负偏差=0.03mm。为了防止压力容器受压元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，对与腐蚀介质直接接触的筒体、封头接管等受压元件，都应该考虑腐蚀裕量，具体规定如下：a、 对有腐蚀裕量或磨损的元件，应根据预期的容器设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率（及磨蚀速率）确定腐蚀裕量；b、 容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采取不同的腐蚀裕量；c、 介质为压力缩空气、水蒸气或者水的碳素结构钢或低合金制容器、腐蚀裕量不小于1mm。本次设计中，介质为氢气，材料为低合金钢，此时可取=1.0mm。 （3）压力容器的最小厚度 压力容器设计中，对于压力较低的容器，按强度计算公式得到的厚度很小，往往不能满足制造、运输和安装时的刚度要求，因此，对于壳体元件规定了加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度。GB 150-2011压力容器4中对压力容器壳体的最小厚度的规定为： a.对碳素钢、低合金钢，不小于3mm； b.对于高合金钢制容器，一般不小于2mm2.1.4设计温度下的需用应力 表示材料在t温度下的许用应力，其数值可查表得。在该设计中，假设罐体厚度范围为316mm，可查的150下，=189MPa。2.1.5 焊接接头系数大多数压力容器采用焊接结构，而焊接接头又是容器上强度比较薄弱的环节，较多事故发生都是由于焊接接头金属部分焊接热影响的破裂引起的。由于焊接过程会使金属组织成分发生变化，导致晶粒变粗，韧性下降，同时焊缝中可能存在夹渣、气孔、和未熔透缺陷致使焊接接头本身的强度消弱。因此，在强度计算中需要引入焊接接头系数，表示焊接金属与母材强度比值，反应容器强度受消弱程度。根据受压元件对接接头的焊缝形式及无损检测的长度比例确定，中国钢制压力容器的焊接接头系数5可按2-2表选取.表2-2 钢制压力容器的焊接接头系数焊接接头形式焊接接头系数（）全部无损检测局部无损检测双面焊接接头对接接头和相当于焊的全焊透对接接头1.000.85单面焊接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）0.900.80 在此次设计中可采用双面焊对接接头，局部无损检测=0.852.2 容器相关量的确定2.2.1 计算过程 已知设计的储罐容积为6 （筒体体积计算公式） 容器的公称直径； 容器筒体长度。 （1）、厚度计算 设=1400mm，求得3900mm。 罐体采用圆筒形，材料为Q345R，圆筒的计算厚度5： 设计厚度 由于Q345R材料，钢板厚度负偏差=0.30mm，所以根据钢板规格可以选用名义厚度为=6mm（3mm6mm16mm）的钢板。封头采用标准椭球形封头，其计算厚度5： （1500mm时，采用整块冲压成型，=1.0） 设计厚度，由于材料和筒体选择一样，=0.30mm。 所以可以根据钢板的规格选用名义厚度=6mm（3mm6mm16mm）的钢板。 （2）、体积计算 由以上厚度计算 单个封头的体积为6： 选择公称直径后筒体的体积： =140039006.00； +2 （3）、质量计算 筒体质量：（查询得知） 查表6得知： 容器质量为：2.2.2 筒体尺寸确定 由上述过程，分别计算公称直径7=1300mm,1400mm,1500mm,1600mm下的筒体长度、筒体厚度、封头厚度、长径比可得到2-3表：表2-3 方案选择表方案113004500666.651.053.46214003900666.801.022.79315003400666.981.032.26416003000667.201.071.88 由于长径比在2到3为宜，并根据质量确定选型，由上表综合重量、实际使用体积整体考虑，选择方案2，公称直径为1400mm，比较合理。 综上所述：最后所选的氢气储罐的公称直径为1400mm，筒体长度为3900mm，筒体厚度和封头厚度都为6mm实际使用体积为6.8的立式圆筒形储罐比较合适。2.3 容器强度校核 水压校核公式5： 计算： （由钢板许用应力表8查得） 故，水压试验时强度足够。2.4 确定各工艺接管的公称通径及位置（1）、进料管的选择9容器接管一般采用无缝钢管，所以进料口接管材料可选用无缝钢管标准。 结构：接管伸进设备内切成45，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接系数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。接管材料10可选Q345R。不需要另行补强的条件：当壳体的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。I、设计压力；II、两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和；对于三个或三个以上的开孔，任意两孔中心的间距应不小于两孔直径之和的2.5倍；III、接管外直径；IV、接管厚度满足表2-4的要求。由此，设计进料接管的尺寸为，钢管的理论重量11为19.48kg/m。取接管伸出长度为150mm。 表2-4 接管最小厚度要求 单位：mm 注：钢材料标准抗拉强度下限值时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构形式。 表中接管的腐蚀裕量为1mm，需要加大腐蚀裕量时，应相应增加厚度。？ 管法兰的选择：根据平焊法兰12适用的压力范围较低，选择突面板式平焊法兰，标记为：HG/T20592 法兰 WN80（B）-9.7 RF 16Mn。根据钢制管法兰、垫片、紧固件选配表13选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片，密封面型式为突面，紧固件型式为螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。进出料接管满足不另行补强的要求，所以不再另行补强。（2）、出料管的选择9 设计出料接管的尺寸10为，钢管的理论重量11为19.48kg/m。取接管伸出长度为150mm。 管法兰的选择：根据平焊法兰12适用的压力范围较低，选择突面板式平焊法兰，标记为：HG/T20592 法兰 WN80（B）-9.7 RF 16Mn。根据钢制管法兰、垫片、紧固件选配表13选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片，密封面型式为突面，紧固件型式为螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。（3）、压力表的选择查化工工艺设计手册10 表10-49氢气压力表YTQ-60HG/T20592 法兰 WN25（B）-9.7 RF 16Mn（4）、安全阀的选择10 安装安全阀，其主要作用是保证压力容器或管道的安全。可靠地正常运行。 安全阀是一种自动阀门，它不借助任何外力而是利用介质本身的压力，通过阀瓣的开启来排出额定数量的流动，以防止设备内的压力超过允许值。当压力恢复正常后，阀门自动关闭以阻止介质继续排出。 安全阀已广泛地用于多种类型的压力容器。安全阀的特点是：仅仅泄放出容器内高于规定的压力，一旦压力达到或低于容器可允许的压力时，阀瓣即自行闭合，容器仍能维持正常操作。 安全阀主要由密封机构（阀座和阀瓣）和加载机构组成。弹簧作为加载机构紧压在阀瓣上形成密封比压力。该设计中，可在氢气储罐装一安全阀。安全阀的公称压力由操作压力决定，使用温度范围由操作温度决定。安全阀公称通径DN取20mm。，材料为10，安全阀和接管连接的法兰选择突面板式带颈平焊管法兰HG/T20592 法兰 WN65（B）-9.7 RF 16Mn。与壳体连接的接管为无缝钢管，尺寸为，钢管的理论重量为19.48kg/m。（5）、温度计的选择化工工艺手册10 表10-4电接点双金属温度计 WSSX-401HG/T20592 法兰 WN15（B）-9.7 RF 16Mn.3 结构设计31 人孔选择14为便于检查和清洗设备，一般在设备内径为900mm以上，应至少开设1个人孔。此设计的内径为1400mm，所以该设计选择开设一个人孔。直径较小、压力较高的内压设备，一般可选用DN450mm人孔。室外露天放置的设备，考虑清洗、检修方便，一般可选用DN500mm人孔。寒冷地区的常压大型容器如有薄衬层，或有较大内件需要经常更换取出时，选用DN500、DN600人孔。本设计中，考虑到放置的环境和氢气的性质方面，选用DN450mm人孔。本设计综合考虑选择回转盖，回转盖带颈对焊法兰入孔（HG21518-2005），工程压力PN1.0，公称直径DN450，凹凸面法兰封头（MFM）。表3-1 回转盖带领对焊法兰人孔标准尺寸公称压力公称直径dDbABL总质量1.0MPa450480661556523010328232834015025020124kg 人孔标记为 MFM b-8.8 T.PMF 450-1 HG/T21517-2005,人孔的总质量为：124kg。3.2人孔补强为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔，并安装接管，开孔后，壳壁因为出去了一部分金属材料，所以会出现应力集中的现象，为了保证容器的安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强以降低峰值的应力。本设计采用补强圈补强，因其结构简单，制造方便，使用经验丰富。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为，壁厚。由标准查得补强圈尺寸为：外径，内径。开孔补强计算5：（1）、对于受内压的圆筒、球壳和椭圆形、蝶形等封头，开孔消弱所需最小补强截面面积 （3-2-1）开孔直径，圆筒形等于接管内直径加倍厚度附加量（），本次设计中 壳体开孔处按内压计算确定的厚度，按式接管的有效厚度，强度消弱系数，本次设计中取 将上面数据带入3-2-1式，的最小补强面积 A=452.63.84=1737.98 （2）、有效补强范围15 有效宽度B按式 （3-2-2）计算，取两者中叫大值。 式中壳体开孔的名义厚度，； 接管的名义厚度，。 将数据带入3-3-2式中，得： 取上式中最大值B=905.2mm为本设计中的有效宽度。 a.外伸接管有效补强高度 取式中较小值为外伸接管补强高度 b.内伸接管有效补强高度 取式中较小值=0mm为内伸接管有效补强高度。 b、补强面积计算 在有效补强范围内，可作为补强的截面积。 (3-2-3) 式中壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余截面积，其值为： 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余截面积，其值为： 其中计算得： =252.11（4.7-1.24）=360.60有效补强圈区内焊缝金属界面，其值为： 将上述数据一起代入式（3-2-3）中，计算得有效补强面积为： 因为，则开孔需要补强，其补强面积为： 补强圈15厚度 圆整后取，补强材料与筒体材料相同，为Q345R。 补强圈标号和代号：DN450x4-D-Q345R JB/T 47363.3 支座的选取16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。立式圆筒形容器的支座分为支承式支座、裙式、腿式、耳式支座四类。由于立式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故根据文献11设计中选用支承式支座。 由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，由于是立式容器，故采用三个A型2号支承式支座。3.3.2支座的选择及校核（1）支座的选择储罐的总质量：式中：储罐筒体的质量； 两个封头的质量； 所储备的氢气质量； 附加质量； 由表2-3可知筒体和封头的总质量为： 氢气质量 充气质量：，水压试验充满水，故取介质密度为， 充液质量为： 由开孔材料及型号，和一些外在因素，可取附加质量 则有： 则每个支座的符合：由于每个支座承受约24.96kN负荷，根据文献表 A型2号支座允许载荷Q=40kN。 故选用三个A型2号支座。 得到支撑式支座尺寸如下表3-2表3-2支承式支座尺寸公称直径DN140060垫板240允许载荷Q/KN40筋板18010支座高度h42014050底板17010螺栓间距24120 支座质量kg15.810螺栓直径dM20距中心的距离S25253.3.3 支座的安装位置支座的安装位置图下图3-3A和图3-3B： 图3-3A 支座安装位置主视图 图3-3B 支座安装位置左视图根据文献附录规定，知A支座安装高度420mm（即封头与筒体连接处到地面的距离）。则该支座标记为： JB/T 4712.4-2007，支座A2 （2）、支座的校核 支座承受的水平分力 由化工机械工程手册（上卷，P11-103）查得，。 所以: 。 支座有效断面平均应力: 式中：支座的计算高度，取支座实际高度和两者中的较小值，； 支座的腹板厚度，。其中取鞍座实际高度（），,取最小值，即。腹板厚度。 所以 应力校核： ，式中 则 由上述计算得： 故该支座满足强度校核。27 4 总结与体会压力介质的封闭的容器称压力容器，它的设计要求有安全可靠、满足过程要求、易于操作、维护和控制、综合经济好等。基于前部分的设计与校核的计算，得出如下的设计结果： 设计结果一览表序号名称 指标材料1筒体 Q345R2封头 Q345R3支座 JB/T 4712.4-2007,支座A2 Q345R4人孔人孔 MFM （T.PMF）450-1 HG/T2117-2005组合件5补强圈 Q345R6压力表 67进气管 16Mn8出气管 16Mn9温度计 610安全阀接管 611法兰 配合以上各接管16Mn5 谢辞这次假期短实习，学校给我们安排的氢气储罐的设计，我们以前从来没有接触过这方面的设计。第一天上课听老师讲了一些基本要求，给了一部分指示和电子版的参考资料，当时脑子一团雾水。下午回到宿舍，开始思考，回想老师讲的要求，查看老师给的资料，脑子还是一团雾水。仅仅凭借着上学期课堂上学的“过程装备基础”的知识去做这个设计，感觉好难呀，不知道如何下手，但是俗话说“万事开头难”，“万丈高楼平地起”，“不积跬步无以至千里，不积小流无以成江河，回想伟人们的成功不都是从最小的细节慢慢积攒起来的嘛。中国有句俗话说的不错呀，三个臭皮匠抵得一个诸葛亮