15M3液氨储罐课程设计毕业设计.doc

（15）M3液氨储罐课程设计毕业设计 1、前言液氨是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广泛。分子式NH3，分子量17.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7，沸点-33.35，自燃点651.11，蒸汽压1013.08kPa(25.7)。氨在20水中溶解度34%,25时,在无水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。遇热、明火,难以点燃而危险性较低; 但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在,则危险性更高。2 设计选材及结构2.1 工艺参数的设定2.1.1 设计压力： 由工作温度为-2048,小于50，所以要以50计算。根据化学化工物性数据手册查得50蒸汽压为2032.5kPa，可以判断设计的容器为储存内压压力容器，按压力容器安全技术监察规程规定，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50时的饱和蒸汽压力，可取液氨容器的设计压力为2.16 MPa，属于中压容器。而且查得当容器上装有安全阀时，取1.051.3倍的最高工作压力作为设计压力；所以取2.16 MPa的压力合适。属于中压容器5。设计温度为50摄氏度，在-20200条件下工作属于常温容器。2.1.2 筒体的选材及结构：根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和Q345R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， Q345R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，Q345R钢板为比较经济。所以在此选择Q345R钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为GB713-2011。 3 设计计算3.1 筒体的直径D,长度L和标准椭圆封头的公称直径D：经验公式 3L/D6,(一般取4)先估算标准椭圆封头公称直径D,其中D=D。L/4=15;先取L/D=4，得D=1.68m 。查JB/T 47462002得:表3-1选D=1700mm，由表得：直边长度h=450-1700/4=25mm，容积=0.699；则圆筒部分=L/4=15-2*0.699, 得L=6.138m；取L=6.1380 验算L/D=6.1380/1.700=3.61，符合经验公式 3L/D6。 即，L=6.1380mm ， D=D=1700mm；3.2 筒体壁厚计算： 查 压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢得Q345R的密度为7.85t/m3，熔点为1430，许用应力列于下表： 表3-2圆筒的计算压力为2.16 Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。先取许用应力为 189MPa 壁厚： 满足 3mm16mm， 合理所以，最终取 =9.77mm;查，第三版过程设备设计得，Q345R压力容器常用钢板的负偏差按GB/T 713中的B类要求，取=0.3mm;查材料腐蚀手册得50下液氨对钢板的腐蚀速率0.1/年，设计年限为15年，腐蚀余量=15*0.1=1.5mm1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为400。且根据HG 20583-1998（即下表） 容器公称直径大于1600-3000是，一般选用DN500人孔。综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95）,公称压力PN2.5、公称直径DN500、H1=350、RF型密封面、采用20R材料。尺寸表如下：截自 HG21524-2005表4-14.2 人孔补强的计算 开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。因条件不苛刻，故采用补强圈补强形式。为了计算方便，采用等面积补强法。/壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料选用16MnR。1、 内压容器开孔后所需的补强面积 式中 开孔直径： ；强度削弱系数： 壳体开孔处的计算厚度： 接管有效厚度： 12-2.3=9.7mm则 22、有效补强面积即已有的加强面积壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件） 筒体上多余金属面积： 有效补强宽度 B=2d，d+2（）=2d筒体的有效厚度 所以2人孔接管上多余的面积： 外侧有效高度：内侧有效高度即实际内伸高度 接管计算厚度：所以2焊缝金属截面积：2则 2比较的 满足以下条件的可选用补强圈补强：刚材的标准常温抗拉强度Mpa；补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的1.5倍；壳体名义厚度；设计压力；设计温度。可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。所需补强圈的面积为：2补强圈的结构及尺寸：为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。按照根据焊接接头分类，接管、人孔等与壳体连接的接头，补强圈与壳体连接的接头取D类焊缝。根据补强圈焊缝要求，并查得结构图为带补强圈焊缝T型接头，补强圈坡口取B型（查化工容器及设备简明设计手册）。查标准HG 21506-92 得补强圈外径,内径则取535。计算补强圈厚度： 查标准补强圈厚度取16,小于38mm，计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。表4-2引自，JB/T 4376-200;查得对应补强圈质量为41.53,5.4.3 进出料接管的选择: 材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB/T-8163。材料为Q345R。结构：接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、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。不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。 设计压力小于或等于2.5Mpa。 两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。 接管公称外径小于或等于89。 接管最小壁厚满足以下要求。表4.2 不另行补强的接管最小壁厚接管公称直径/mm57657689最小壁厚/mm5.05.06.06.0*引自，GB 8163-87; 表4-3因此热轧无缝钢管的尺寸为8913。 钢管理论重量为24.36/m。取接管伸出长度为150。 管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN207.63kN,为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用，可取，则选A=500mm。左鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A1700-F.右鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A1700-S.具体尺寸如下表：表4-54.10.4 鞍座强度校核：鞍座腹板的水平分力： 查得鞍座包角120对应系数 支座反力：KN鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：计算高度，取鞍座实际高度和两者中的较小值: min250,2500/3=250mm鞍座腹板厚度:10mm鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度与圆筒体的有效宽度两者中的较小值，500mm鞍座垫板有效厚度，10mm则 Mpa应力校核：鞍座材料Q235-AF的许用应力，则5 容器焊缝标准5.1 压力容器焊接结构设计要求: 焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头:压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接的环向接头采用A类焊缝。焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I型坡口。根据16MnR的抗拉强度=490Mpa和屈服点=325Mpa选择E50系列（强度要求：490Mpa；400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较高，脱渣性较好，焊缝表面光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢结构。5.3 管法兰与接管的焊接接头: 管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97,根据公称通经DN 80选择坡口宽度b=6mm。5.4 接管与壳体的焊接接头:所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T形或角接接头。选择HG20583-1998标准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为；，且，它适用于，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为24mm，所以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。如附图中的局部放大图所示. 6. 容器校核钢制卧式容器计算单位压力容器专用计算软件计 算 条 件 简 图设计压力 p2.16MPa设计温度 t50筒体材料名称Q345R封头材料名称Q345R封头型式椭圆形筒体内直径 Di1700mm筒体长度 L6200mm筒体名义厚度 dn14mm支座垫板名义厚度 drn12mm筒体厚度附加量 C2.3mm腐蚀裕量 C12mm筒体焊接接头系数 F0.9封头名义厚度 dhn14mm封头厚度附加量 Ch2.3mm鞍座材料名称Q345鞍座宽度 b250mm鞍座包角 120支座形心至封头切线距离 A525mm鞍座高度 H250mm地震烈度 低于七度内压圆筒校核计算单位压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 2.17MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1700.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.90厚度及重量计算计算厚度 d = = 10.91mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 11.70mm名义厚度 dn = 14.00mm重量 3668.91Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 2.7000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 219.45 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.32537MPa设计温度下计算应力 st = = 158.69MPastf 170.10MPa校核条件stf st结论 合格左封头计算计算单位 压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 2.17MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1700.00mm曲面深度 hi 450.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.90压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 2.7000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 203.00MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9280计算厚度 dh = = 10.09mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 11.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 14.00mm结论 满足最小厚度要求重量 364.14 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.51376MPa结论 合格右封头计算计算单位 压力容器专用计算软件计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 2.17MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1700.00mm曲面深度 hi 450.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.90压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 2.7000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 203.00MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9280计算厚度 dh = = 10.09mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 11.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 14.00mm结论 满足最小厚度要求重量 364.14 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.51376MPa结论 合格卧式容器（双鞍座）计算单位压力容器专用计算软件计 算 条 件简 图 计算压力 pC2.16MPa 设计温度 t50 圆筒材料Q345R 鞍座材料Q345 圆筒材料常温许用应力 s189MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st189MPa 圆筒材料常温屈服点 ss345MPa 鞍座材料许用应力 ssa170MPa 工作时物料密度 1000kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di1700mm 圆筒名义厚度 14mm 圆筒厚度附加量 2.3mm 圆筒焊接接头系数 0.9 封头名义厚度 14mm 封头厚度附加量 Ch2.3mm 两封头切线间距离 6250mm 鞍座垫板名义厚度 12mm 鞍座垫板有效厚度 12mm 鞍座轴向宽度 b250mm 鞍座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A525mm 封头曲面高度 450mm 试验压力 pT2.7MPa 鞍座高度 H250mm腹板与筋板组合截面积 14880mm2 腹板与筋板组合截面断面系数286214mm3 地震烈度7圆筒平均半径 Ra 857mm 物料充装系数 0.9一个鞍座上地脚螺栓个数2地脚螺栓公称直径0mm地脚螺栓根径0mm鞍座轴线两侧的螺栓间距0mm地脚螺栓材料支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)3698.61kg 封头质量(曲面部分)349.984kg 附件质量100kg 封头容积(曲面部分)6.4311e+08mm3 容器容积(两切线间)V = 1.54725e+10mm3 容器内充液质量工作时, 13925.2压力试验时, = 15472.5kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 18423.8压力试验时, 19971.1kg单位长度载荷26.3904 28.6067N/mm支座反力90387.2 9797897978N筒 体 弯 矩 计 算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 8.49158e+07压力试验= 9.20471e+07Nmm支座处横截面弯矩操作工况： -4.28383e+06压力试验工况： -4.64359e+06Nmm系 数 计 算K1=0.106611K2=0.192348K3=1.17069K4=K5=0.760258K6=0.0221398K6=K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒 体 轴 向 应 力 计 算轴向应力计算操作状态 82.2548 80.5961MPa -3.1471 -0.825406MPa水压试验状态 -3.40967 -0.894725MPa 102.296 100.498MPa应力校核许用压缩应力0.00127292根据圆筒材料查GB150图4-34-12 B = 141.576MPa141.576141.576MPa 189 合格|,| 141.576 合格|,| 141.576 合格sT2 ,sT3 0.9ss = 310.5 合格MPa筒体和封头的切应力时(时,不适用)8.68397MPa时圆筒中：封头中：MPa应力校核封头椭圆形封头, 碟形封头, 半球形封头, MPa圆筒封头 t = 0.8 s t = 151.2 MPa圆筒, t t = 151.2 MPa 合格封头, th t h = MPa 鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力无加强圈圆筒圆筒的有效宽度420.875mm无垫板或垫板不起加强作用时在横截面最低点处-1.51269MPa在鞍座边角处L/Rm8时, MPaL/Rm8时, -31.0485MPa无加强圈筒体垫板起加强作用时鞍座垫板宽度 ； 鞍座垫板包角横截面最低点处的周向应力MPa鞍座边角处的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm8时, MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm8时, MPa应力校核 |s5| s t = 189 合格 |s6 | 1.25s t = 236.25 合格 |s6 | 1.25s t = 236.25 MPa有加强圈圆筒加强圈参数加强圈材料, e = mm d = mm加强圈数量, n = 个组合总截面积, A0 = mm2组合截面总惯性矩, I0 = mm4设计温度下许用应力MPa加强圈位于鞍座平面上 在鞍座边角处圆筒的周向应力：MPa 在 鞍 座 边 角 处 ，加 强 圈 内 缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ：MPa有加强圈圆筒加强圈靠近鞍座横 截 面 最 低 点 的 周 向 应 力 无垫板时，（ 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 ） 采用垫板时，（垫板起加强作用）MPa 在横截上靠近水平中心线的周向应力：MPa 在横截上靠近水平中心线处，不与筒壁相接的加强圈内缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ：MPa加强圈靠近鞍座鞍座边角处点处的周向应力 无垫板或垫板不起 加强 作用L/Rm8时, MPa 无垫板或垫板不起 加强 作用L/Rm8时, MPa 采用垫板时，（垫板起加强作用）L/Rm8时, MPa采用垫板时，（垫板起加强作用）L/Rm8时, MPa应力校核|s5| st = 合格|s6 | 1.25st = 合格|s7 | 1.25st = |s8 | 1.25stR = MPa鞍 座 应 力 计 算水平分力19940.7N腹板水平应力计算高度250mm鞍座腹板厚度8mm鞍座垫板实际宽度200mm鞍座垫板有效宽度200mm腹板水平应力无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 , 9.97033垫板起加强作用, MPa应力判断 s9 s sa = 113.333 合格MPa腹板与筋板组合截面应力由地震水平分力引起的支座强度计算圆筒中心至基础表面距离 1114mm轴向力 N, MPa, MPa|ssa| 1.2sbt= 地脚螺栓应力拉应力 MPasbt 1.2sbt = MPa 剪应力 MPatbt 0.8Kosbt = MPa 温差引起的应力 N -37.6547MPa|stsa| ssa = 170 注：带#的材料数据是设计者给定的开孔补强计算计算单位压力容器专用计算软件接 管: N1, 53012计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔设 计 条 件简 图计算压力 pc2.1694MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数0.9壳体内直径 Di1700mm壳体开孔处名义厚度n14mm壳体厚度负偏差 C10.3m