100M3浓硝酸卧式储罐.doc

沈阳理工大学课程设计论文目录目录i绪论iii第一章 设计参数的选择11.1筒体材料的选择11.2公称直径的确定11.3设计压力11.4 设计温度11.5焊接接头系数2第二章 设备的结构设计32.1圆筒厚度的设计32.2封头的设计32.2.1 封头厚度的设计32.2.2 封头的结构尺寸42.3鞍座选型和结构设计42.3.1鞍座选型42.3.2鞍座位置的确定62.4卧式贮罐的接管、法兰的选用72.5人孔的选择82.6液面计的选择8第三章 容器强度的校核93.1水压试验应力校核93.2筒体轴向弯矩计算93.3筒体轴向应力计算及校核103.4筒体和封头中的切向剪应力计算与校核113.5封头切向剪应力计算113.6筒体的周向应力计算与校核123.7鞍座应力计算与校核123.7.1应力及强度校核123.7.2板组合截面应力计算及校核133.8 开孔补强设计143.8.1 补强设计方法判别143.8.2有效补强范围143.9 有效补强面积153.10 补强面积15第四章 卧式贮罐的焊接164.1 焊缝布置164.2 焊接方法174.3 焊接顺序184.3.1 焊前清理184.3.2焊接过程和顺序184.3.3焊后处理19参考文献20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500m3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500m3, 单罐容积小于100m3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硝酸贮罐的设计。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，本次设计的介质为浓硝酸，储体选用al1060。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。 卧式浓硝酸贮罐设计的特点，应按gb150和jb 4734-2002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。20第一章 设计参数的选择1.1筒体材料的选择由于盛装溶液为98%浓硝酸溶液，有较强腐蚀性，故选择铝作为主要制作原料。根据jb 4734-2002铝制焊接容器表4-1并结合实际情况，选用筒体材料为al 1060。al 1060铝板使用温度-269200，铝板厚度不大于80mm，20许用应力15mpa。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:由此可求得d=3929mm 所以暂定d=3800mm。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。根据化学化工物性数据手册表3.2.15查得98%浓硝酸的密度为1.501g/m3。液柱静压力： 根据化学化工物性数据手册表3.6.8查饱和蒸汽压：pc=0.01mpa（30）工作压力：设计压力：计算压力：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40。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。jb4732标准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1.5表1.5 设计数据序号项目数值单位备注1名称100m3 98%浓硝酸卧式贮罐2筒体材料al 10603设计压力 0.1221mpa4设计温度 405公称直径 3800mm6公称容积 100m37充装系数 0.98工作介质浓硝酸9其他要求100%无损检测第二章 设备的结构设计2.1圆筒厚度的设计查 jb 4734-2002中表4-1，可得：在设计温度40下，厚度在12.525mm之间，al 1060的许用应力，。利用中径公式计算厚度： 当铝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。在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量不小于1mm,取=2mm则筒体的设计厚度圆整后，取名义厚度筒体的有效厚度2.2封头的设计2.2.1 封头厚度的设计查标准gbt 25198-2010压力容器用封头中表1，得公称直径选用标准椭圆形封头,型号代号为eha，则 ，由表5-1可知根据gb150.3-2011中椭圆形封头计算中式5-1计算：同上，取c2=2mm，c1=0mm。封头的设计厚度圆整后，取封头的名义厚度 ，有效厚度 2.2.2 封头的结构尺寸由，得查标准jb/t4746-2002钢制压力容器用封头中表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/容积/38009504099016.13037.6364图2.1 封头的示意图2.3鞍座选型和结构设计2.3.1鞍座选型卧式容器一般采用双鞍式支座，材料选用q235c。l=8.4505m，圆整取l=8m储罐总质量筒体质量：单个封头的质量：查标准gb t 25198-2010压力容器用封头中表c.2 eha椭圆形封头质量，可知kg充液质量：附件质量：人孔质量约为302kg，其他接管质量总和估为400kg，即综上所述， 则每个鞍座承受的重量为786.072kn 由此查jb4712-2007容器支座表1，选取重型，焊制为b,包角为120，有垫板的鞍座，筋板数为6。查jb4712-2007表8设计鞍座结构如下图2.2，尺寸如下表2.2：图2.2 鞍座的示意图 表2.2 鞍式支座结构尺寸 单位mm公称直径dn3800腹板25垫板740允许载荷q/kn4185筋板44014鞍座高度h250335e140底板2780430螺栓间距250038018螺孔/孔长d/l28/6025垫板弧长4410鞍座质量kg10452.3.2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，即 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。由标准椭圆封头故鞍座的安装位置如图2.2所示：图2.3 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 ，取a=950mm综上有：a=950mm(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卧式贮罐的接管、法兰的选用硝酸储罐应设置出料口，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查jb 4734-2002铝制焊接容器与nb/t 47020-2012 压力容器法兰、垫片、紧固件中带颈对焊焊管法兰，选取法兰直径500mm。由jb 4734-2002铝制焊接容器表4-3选取各接管直径分别为：进料口与出料口100mm、其余各孔均取60mm。 图2.5 法兰示意图 2.5人孔的选择根据hgt21517-2005回转盖带颈平焊法兰人孔，查表3-3，选用凹凸面型，其明细尺寸见表2.6： 表2.3 法兰尺寸表 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1.650022220202.6液面计的选择根据hg/t 21584-95选磁性液面计。第三章 容器强度的校核3.1水压试验应力校核试验压力：圆筒的薄膜应力 故合格3.2筒体轴向弯矩计算圆筒轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上。（见图3.1）。图3.1 容器载荷、支座反力、剪力及弯矩图圆筒中间处的轴向弯矩，分析图3.1得：将带入得：m1为正值，表示上半部分筒体受压缩，下半部分筒体受拉伸。支座处圆筒横截面上的轴向弯矩为：m2一般为负值表示筒体上半部分受拉伸，下半部分受压缩。3.3筒体轴向应力计算及校核（1）圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 最高点处： 按下式进行计算 最低点处： 按下式进行计算 （2）支座处圆筒截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 因鞍座平面上筒体被封头加强，取鞍座包角，查jb/t 4731-2005表7-1可得 k1=1.0，k2=1.0 最高点处：按下式进行计算 最低点处：按下式进行计算 图3.2 支座处圆筒轴向应力位置（3）筒体轴向应力校核因轴向许用临界应力由根据圆筒材料查图4-8可得 ，合格，合格3.4筒体和封头中的切向剪应力计算与校核 因为a的取值带来的加强作用，查jb/t4731-2005表7-2得k3=0.880，k4=0.401，其最大剪应力位于靠近鞍座边角处因圆筒 t=0.8故有 ， 故切向剪应力校核合格3.5封头切向剪应力计算 合格3.6筒体的周向应力计算与校核 根据鞍座尺寸表知：即，所以此鞍座垫板不作为加强用的鞍座。圆筒的有效宽度 ，当容器焊在支座上时，取，查jb/4731-2005表7-3可得。(1) .鞍座在横截面最低点处周向应力 (2).鞍座角边处的周向应力因为 (3).应力校核 符合要求，合格3.7鞍座应力计算与校核3.7.1应力及强度校核由可得，水平分力计算高度鞍座有效断面平均应力：鞍座材料q235-c的许用应力=235mpa符合要求，合格3.7.2板组合截面应力计算及校核圆筒中心线至基础表面距离：根据jb/t 4731-2005中表76，地震强度为7度（0.1g）时，水平地震影响系数则轴向力则 。筋板面积：腹板面积：腹板与筋板组合截面断面系数：3.8 开孔补强设计根据gb150-2010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。(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。3.8.1 补强设计方法判别按hg/t 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用al 1060，其许用应力根据gb150-2011中式8-1，其中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以开孔所需补强面积为3.8.2有效补强范围有效宽度b的确定按gb150中式8-7，得：有效高度的确定(1）外侧有效高度的确定根据gb150中式8-8，得：(2）内侧有效高度h2的确定根据gb150-2011中式8-9，得：3.9 有效补强面积根据gb150中式8-10 式8-13，分别计算如下：筒体多余面积接管厚度 接管的多余面积 焊角取6.0mm， 3.10 补强面积因为，所以开孔不需另加补强第四章 卧式贮罐的焊接4.1 焊缝布置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：封头与圆筒连接的环向接头a类筒节与筒节的对接b类法兰与接管焊接接头c类接管与人孔等与壳体非对接的接头d类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、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。综上所述，再结合实际情况（al 1060板厚25mm，铝板宽度8002200mm，筒体长8000mm，直径3800mm）故筒节分四部分卷制焊接，筒节宽分为2200mm、2200mm、2200mm、1400mm四段，封头采用两部分拼接，再用旋压机旋压成封头。筒节组焊时四个纵焊缝距离大于300mm。相交十字焊缝需进行清根处理再施焊。由于铝板与钢板较难焊接，故鞍座支座与垫板之间采用铆接形式。4.2 焊接方法a，b类焊缝（筒体环纵焊缝），由jb 4734-2002铝制焊接容器附录e表e.3查得，由于壁厚25mm，所以选择6至26mm的x形坡口如图：图4.1 a,b类焊缝的坡口形式,坡口尺寸：间隙 a=1.53钝边 p=23角度 备注 双面焊，反面铲焊根，每边焊两层以上，采用熔化极自动氩弧焊。c类焊缝（接管与筒体焊缝），由jb 4734-2002铝制焊接容器附录e表e.3查得坡口形式如图：采用手工氩弧焊双面立焊打底，平焊外侧覆盖。图4.2 c类焊缝的坡口形式,4.3 焊接顺序4.3.1 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