课程设计-18立方米浓硫酸储罐设计.doc

课程设计说明书18浓硫酸储罐专业班级： 姓 名： 学 号： 中北大学材料科学与工程学院27任务书一、设计题目： 卧式贮罐结构设计（18m3，浓硫酸，常温）二、设计目的1. 综合应用所学基础课和专业基础课“焊接结构”的理论知识与技能，去分析和解决工程实际问题，使理论深化，知识拓宽，专业技能得到进一步延伸。2. 通过课程设计，使学生学会依据设计任务进行资料收集和整理，能正确运用工具书，掌握焊接结构设计程序、方法和技术规范，提高工程设计计算、理论分析、技术文件编写的能力，提高计算机的应用能力。3. 学习工程设计中技术方案的论证和选择的思想方法。4. 培养学生独立思维和思考的能力。三、设计的任务及要求1. 设计前详细研究和分析设计任务书和指导书，明确设计要求和设计内容，根据原始数据和工作条件，复习有关课程，参考有关资料，对所设计项目进行方案比较选出最优方案，确定一个较全面合理的设计方案。2. 根据已经制订的设计方案进行主要结构件的强度计算，要计算精确，步骤完整，理论依据全面，并且写出设计说明书，设计说明书按照统一封面，统一格式撰写装订。说明书内容包括任务书、目录、正文（设计方案、具体设计步骤及计算）、参考文献几部分。3. 根据设计方案和计算数据绘制结构装配图1张和主要零件图，绘图要求考虑周到，认真全面；各种标注准确标准。目录绪论1第一章 设计参数的选择21.1筒体材料的选择21.2公称直径的确定21.3设计压力21.4 设计温度31.5焊接接头系数3第二章 设备的结构设计42.1圆筒厚度的设计42.2封头的设计42.2.1 封头厚度的设计42.2.2 封头的结构尺寸（封头结构如下图1）52.3鞍座选型和结构设计52.3.1鞍座选型52.3.2鞍座位置的确定62.4卧式贮罐的附件及其选用72.4.1接管和法兰72.4.2垫片的选用102.4.3螺栓（螺柱）的选择102.5人孔的选择102.6液面计的选择102.7安全阀的选择11第三章 容器强度的校核113.1水压试验应力校核113.2.筒体轴向弯矩计算113.3.筒体轴向应力计算及校核123.4.筒体和封头中的切向剪应力计算与校核143.5.封头中附加拉伸应力143.6.筒体的周向应力计算与校核143.7.鞍座应力计算与校核153.7.1应力及强度校核153.7.2断面应力校核163.7.3板组合截面应力计算及校核163.8地震引起的地脚螺栓应力173.9 开孔补强设计3.9.1 补强设计方法判别183.9.2有效补强范围183.10 有效补强面积193.11 补强面积19第四章: 卧式贮罐的焊接204.1 焊缝布置20 4.1.1 接头的选择20 4.1.2焊缝的布置214.2 焊接方法224.3.焊接顺序22 4.3.1焊前清理22 4.3.2焊接过程和顺序22特别鸣谢24参考文献25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500或单罐容积大于200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500, 单罐容积小于100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硫酸贮罐的设计。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硫酸，储体选用Q-235B。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。 卧式浓硫酸贮罐设计的特点，应按GB150钢制压力容器进行制造、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。第一章 设计参数的选择1.1筒体材料的选择根据GB150-1998表4-1并结合实际情况，选用筒体材料为碳素合金钢Q-235C（钢材标准为GB6654压力容器用钢板）。Q-235C适用范围规定如下：容器设计压力p2.5MPa；钢板使用温度为0-400;用于壳体时，钢板厚度不大于30mm。1.2公称直径的确定 1. 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=2218mm 所以粗定。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。液柱静压力：根据化学化工物性分析手册表3.6.5查饱和蒸汽压：Pc=0.0118Mpa工作压力：设计压力：计算压力：p=0.1241+0.0359=0.16Mpa1.4 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24。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18m3浓硫酸卧式贮罐2筒体材料Q-235C3设计压力0.1241MPa4设计温度245公称直径2000mm6公称容积187充装系数0.98工作介质浓硫酸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GB150-1998中表4-1，可得：在设计温度50下，屈服极限强度，许用应力利用中径公式计算厚度： 查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而有GB150-1998中3.5.5.1知，当钢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。查标准HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量不小于1mm,本例取=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JB/T4746-2002钢制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 ，根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：同上，取=2mm，。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（封头结构如下图1）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/200050025525 4.49301.1257图2.1 封头的示意图2.3鞍座选型和结构设计2.3.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-C。L=3.5293m储罐总质量筒体质量：单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表B.2 EHA椭圆形封头质量，可知，充液质量：附件质量：人孔质量为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118.8599kN 由此查JB4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为A,包角为120，有垫板的鞍座。查JB4712.1-2007表8设计鞍座结构尺寸如下表2.2： 表2.2 鞍式支座结构尺寸 单位mm公称直径DN2000腹板10垫板430允许载荷Q/kN300筋板33010鞍座高度h250190e80底板1420260螺栓间距12602208螺孔/孔长D/l28/6012垫板弧长2330鞍座质量Kg1602.3.2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，为此中国现行标准JB 4731钢制卧式容器规定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。由标准椭圆封头由，得故鞍座的安装位置如图2.2所示：图2.2 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=500mm综上有：A=500mm(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卧式贮罐的附件及其选用液化石油气储罐应设置出料口，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2.4.1接管和法兰查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表8.2.2-2 PN10带颈对焊焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中附录D中表D-3,得各法兰的质量。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表3.2.2，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。图2.3 带颈对焊钢制管法兰示意图管口名称公称直径DN钢管外径法兰焊端外径法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰颈法兰高度法兰质量NSH1RH出料口5057B165125184M1618742.985452.5进料口5057B165125184M1618742.985452.5液位计口2025B10575144M1218402.364401温度计口1014B9060144M1216281.864350.5压力表口1014B9060144M1216281.864350.5排污口5057B165125184M1618742.985452.5排空口4045B150110184M1618642.676452.0 表2.3 接管和法兰尺寸 单位mm 2.4.2垫片的选用查HG/T 20609-2009钢制管法兰用非金属平垫片，垫片尺寸如表2.4所示 表2.4 垫片尺寸表 单位mm管口名称公称直径内径D1外径D2出液口506187进液口506187人孔500530575液位计口202750温度计口101834压力表口101834排污口506187排空口404975注：1.选耐酸石棉橡胶板2.垫片厚度均为1.5mm，人孔选3mm。2.4.3螺栓（螺柱）的选择查HG/T 20613-2009 钢制管法兰用紧固件中表5.0.7-9和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸： 表2.5 螺栓及垫片 单位mm管口名称紧固件用平垫圈 公称直径螺纹螺柱长h出液口50M168517303进液口50M168517303液位计口20M167517303温度计口10M127013242.5压力表口10M127013242.5排空口40M168517303排污口50M1685173032.5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2.6 人孔尺寸表 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1.65002222020BD313620024650715AdbL26011139024343002.6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 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 =74.93MPa，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：b4=430mm即，所以此鞍座垫板作为加强用的鞍座。圆筒的有效宽度b2=381.0785mm ，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3.7.3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 ，钢底板对水泥基础的静摩擦系数则 筋板面积：腹板面积： 则 形心: 腹板与筋板组合截面断面系数：则 ，合格3.8地震引起的地脚螺栓应力3.8.1倾覆力矩计算3.8.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力根据2中式7-34计算 其中n为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，；为筒体轴线两侧的螺栓间距；为每个地脚螺栓的横截面面积，；则取载荷系数，则由于，所以强度符合要求。3.8.3由地震引起的地脚螺栓剪应力根据2中式7-35计算 其中为承受剪应力的地脚螺栓个数，；则 由于 故符合强度要求。3.9 开孔补强设计根据GB150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。3.9.1 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Q-235C钢，其许用应力根据GB150-1998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3.9.2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）内侧有效高度的确定根据GB150-1998中式8-9，得：3.10 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5.0mm， 3.11 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4.1.1接头的分类及其选择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：椭圆形封头与圆筒连接的环向接头A类受压部分的环向接头（筒节与筒节的对接）B类法兰与壳体接管的接头C类接管与人孔等与壳体非对接的接头D类4.1.2 焊缝的布置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。4.2 焊接方法A，B类焊缝，查焊接手册第三卷：由于壁厚8，所以选择3至26的Y形坡口如图：图4.1 A,B类焊缝的坡口形式,及焊后效果坡口尺寸：=4060（）3（）4（）C类焊缝，查表：由于壁厚8，所以选择340的V形坡口如图：坡口尺寸/mm：=3550（）=04() =0（）图4.2 C类焊缝的坡口形式,及焊后效果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焊接.c.筒节间的环向对接焊接。d.筒体与封头的环向对接焊接。e.开人孔和各种接管口。f.接管和各种法兰的焊接。g. 支座的组焊。4.3.3焊后处理工件焊接后必须进行焊后处理。工件的焊后处理主要包括热处理和焊接检测。由于工件承受一定的压力，必须对其进行焊接后局部的跟