80吨98%浓硫酸储罐化工设备课程设计.doc

化工设备机械基础化工设备机械基础 大型作业大型作业 题题 目目 贮存槽罐贮存槽罐 教教 学学 院 院 化化 材材 学学 院院 专专 业 业 应用化工技术 专 应用化工技术 专 2010 1 学学 号 号 201030820134 学生姓名 学生姓名 吴吴 奇奇 指导教师 指导教师 夏贤友夏贤友 2012 年年 06 月月 08 日日 湖北理工学院大型作业 1 大型作业任务书大型作业任务书 6 2011 2012 学年第 2 学期 学生姓名 学生姓名 吴吴 奇奇 专业班级 专业班级 应用化工技术 专 应用化工技术 专 2010 1 指导教师 指导教师 夏夏贤贤友友 工作部门 工作部门 化工教研室化工教研室 一 大型作业题目 一 大型作业题目 贮存槽罐 二 大型作业内容二 大型作业内容 含技术指标 1 贮存介质 80 吨 98 的硫酸 2 容器内压 常压 3 贮存地点 黄石某 地区 4 作业成果 计算书 1 份 设备图 1 张 A1 图纸手工绘制图纸手工绘制 三 进度安排三 进度安排 1 5 月 28 日 分配任务 2 5 月 28 日 6 月 03 日 查询资料 初步设计 3 6 月 04 日 6 月 08 日 设计计算 完成报告 四 基本要求四 基本要求 1 设计方案 根据给定的条件合理选择设备的结构以及合适的材料 立式容器 或卧式容器的筒体和封头 钢板卷制焊接结构接头 钢板材料的型号及热处理条件 等 2 设计计算 依据材料的性能 对选用设备的壁厚进行计算 稳定性进行校核 3 辅助设备的选型 包括典型辅助设备的主要尺寸计算及型号规格 人孔或手 孔设计 法兰的型号规格 接管开孔结构 视镜或液面镜以及容器的支座选型等 教研室主任签名 教研室主任签名 2012 年年 月月 日日 湖北理工学院大型作业 2 目录 绪论 1 1 设计参数的选择 2 1 1 筒体材料的选择 2 1 2 公称直径的确定 2 1 3 设计压力 2 1 4 设计温度 2 1 5 焊接接头系数 3 2 设备的结构设计 4 2 1 圆筒厚度的设计 4 2 2 封头的设计 4 2 2 1 封头厚度的设计 5 2 2 2 封头的结构尺寸 5 2 3 鞍座选型和结构设计 5 2 3 1 鞍座选型 5 2 3 2 鞍座位置的确定 6 2 4 卧式贮罐的附件及其选用 7 2 4 1 接管和法兰 8 2 4 2 垫片的选用 9 2 4 3 螺栓的选择 10 2 5 人孔的选择 10 2 6 液面计的选择 10 3 容器强度的校核 11 湖北理工学院大型作业 3 3 1 水压试验应力校核 11 3 2 开孔补强设计 11 3 2 1 补强设计方法判断 11 3 2 2 有效补强范围 12 3 3 有效补强面积 12 3 4 补强面积 13 4 卧式贮罐的焊接 14 4 1 焊缝布置 14 4 1 1 接头的分类及其选择 14 4 1 2 焊缝的布置 14 4 2 焊接方法 15 4 3 焊接顺序 16 4 3 1 焊前清理 16 4 3 2 焊接过程和顺序 16 4 3 3 焊接处理 16 致谢 18 参考文献 19 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 3 m或 单罐容积大于 200 3 m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 3 m 单罐容积小 于 100 3 m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 235C 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 湖北理工学院大型作业 1 1 设计参数的选择 1 1 筒体材料的选择 根据文献 1 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 材标准为文献 1 Q 235C适用范围规定如下 容器设计压力p 2 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 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 9 0 43 2 4 2 24 23 21 D DD VVV 由此可求得 D 2971mm 所以粗定 D 3000mm 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 MPa5410 00 38 91048 1 3 1 ghP 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 MPa1128 0 0118 0 101 0 0 c PPPw 设计压力 MPa1241 0 1128 0 1 11 1 PwP 计算压力 p 0 1241 0 0541 0 1782 MPa 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 湖北理工学院大型作业 2 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 50 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 文献 12 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 1 表 1 1 设计数据 序号项目数值单位备注 1名称 80 吨浓硫酸卧式贮存槽罐 2筒体材料Q 235C 3设计压力0 1241MPa 4设计温度50C 5公称直径3000mm 6公称容积48 3 m 7充装系数0 9 8工作介质98 浓硫酸 9其他要求100 无损检测 湖北理工学院大型作业 3 2 设备的结构设计 2 1 圆筒厚度的设计 查文献 4 中表 4 1 可得 在设计温度 50 下 屈服极限强度 MPa 235 t 许用应力MPa 235 t 利用中径公式计算厚度 mm 14 2 1782 0 12512 30001782 0 2 p p c t c D 查文献 4 表 7 1 知 钢板厚度负偏差为 0 25mm 而文献 4 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 1 0C 查文献 4 表 7 5 知 在无特殊腐蚀情况下 腐蚀裕量 2 C不小于 1mm 本例取 2 C 2mm 则筒体的设计厚度mm4 14 21 CC i 圆整后 取名义厚度mm8 n 筒体的有效厚度mm6 21 CC ne 2 2 封头的设计 2 2 1 封头厚度的设计 查文献 2 中表 1 得公称直径mm0003 ni DD 选用标准椭圆形封头 型号代号为 EHA 则 2 2 i i D h 根据 GB150 1998 中椭圆形封头 计算中式 7 1 计算 mm 14 2 1782 00 5 12512 30001782 0 0 5P 2 t i PD 同上 取 2 C 2mm 1 0C 封头的设计厚度mm4 14 21 CC d 圆整后 取封头的名义厚度mm 8 n 有效厚度 mm6 21 CC ne 湖北理工学院大型作业 4 2 2 2 封头的结构尺寸 封头结构如下图 1 由 2 2 i D Hh 得mm40750790 4 i D Hh 查文献 2 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 2 m容积 V封 3 m 30007504079010 13 82 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 82 3 2 4 2 9 0 43 2 21 L D vv L 11 8496m 储罐总质量 1234 2mmmmm 1 m 筒体质量 kgDLm2533 4241085 7 006 05 710 314 3 3 1 2 m 单个封头的质量 查文献 4 中表 B 2 EHA 椭圆形封头质量 可知 kgm487 2 湖北理工学院大型作业 5 充液质量 kg 3 m 3 1080 4 m 附件质量 人孔质量为 302kg 其他接管质量总和估为 400kg 即 4 702kgm 综上所述 kgmmmmm850552 4321 833539N8 985055 mgG 则每个鞍座承受的重量为 416 7695kN 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 查文献 1 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DN3000腹板 2 10 4 b550 允许载荷Q kN785 3 l341 4 10 鞍座高度h250 2 b316 垫板 e65 1 l2180 3 b406 2 l1940 1 b360 筋板 3 10螺孔 孔长D l28 60底板 1 14垫板弧长3490Kg405 2 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 A 0 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 有 2 22 0 D hL i 故mm1158 4025 71 2 0 2 2 0 hLA 鞍座的安装位置如图 2 2 所示 湖北理工学院大型作业 6 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 A 0 2L 时 最好使 A 0 5R a 即 mm D a 150441500 22 R n mm 取 A 750mm7525 0A Ra 综上有 A 750mm 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 湖北理工学院大型作业 7 2 4 1 接管和法兰 查文献 5 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 查文献 5 附录 D 中表 D 3 得各法兰的质量 查文献 5 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 表 2 3 接管和法兰尺寸 单位 mm 法兰颈法兰 高度 法兰 质量 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 NSH1R H 出料口8089B200160188M16201053 2106504 进料口8089B200160188M16201183 2106504 液位计口3238B140100184M1618562 666422 温度计口2025B10575144M1218402 364401 压力表口2025B10575144M1218402 364401 排污口8089B200160188M16201053 2106504 排空口6576B185145188M1618922 9106452 5 湖北理工学院大型作业 8 2 4 2 垫片的选用 查文献 6 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8089120 进液口8089120 人孔500530575 液位计口324365 温度计口202750 压力表口202750 排污口8089120 排空口6577109 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 查文献 7 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 紧固件用平垫圈 管口名称 公称直径螺纹螺柱长 1 d 2 dh 出液口80M169017303 进液口80M169017303 液位计口32M168517303 温度计口20M127513242 5 压力表口20M127513242 5 排空口65M168517303 排污口80M169017303 湖北理工学院大型作业 9 2 5 人孔的选择 查文献 3 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 650022230 2 110M 2020 1 b 2 b B 0 d 1 D D w ds 313620024650715530 10 1 H 2 H AdbL 2601113902434300 2 6 液面计的选择 查文献 8 选磁性液面计 3 容器强度的校核 3 1 水压试验应力校核水压试验应力校核 试验压力 1 251 25 0 19580 24475 T PPMPa 圆筒的薄膜应力 0 24475 40006 81 7057 22 6 te r e P D MPa 故合格 rs 5 21123519 09 0 3 2 开孔补强设计开孔补强设计 根据文献 13 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 湖北理工学院大型作业 10 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 2 1 补强设计方法判别补强设计方法判别 按文献 3 选用回转盖带颈对焊法兰人孔 开孔直径mm50422500C2dd 2i mm1000 3 3000 3 d i D 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 t 125MPa 根据 GB150 1998 中式 8 1 A d2 1 r etf 其中 壳体开孔处的计算厚度mm2 14 接管的有效厚度 12 826 etnt CCmm 强度削弱系数 r f 1 所以开孔所需补强面积为mm 56 107814 2504 12dA ret f 3 2 2 有效补强范围有效补强范围 有效宽度 B 的确定 按 GB150 中式 8 7 得 1 2nnt 12 B2d25041008mm Bd22504282 10540mm BmaxBB1008mm 有效高度的确定 1 外侧有效高度 1 h的确定 根据 GB150 中式 8 8 得 1nt hd504 1070 99mm 11 h280mmH 111 hminhh70 99mm 湖北理工学院大型作业 11 2 内侧有效高度 2 h的确定 根据文献 13 中式 8 9 得 2nt hd504 870 99mm 2 h0 222 hminhh0 3 3 有效补强面积有效补强面积 根据文献 8 中式 8 10 式 8 13 分别计算如下 123e AAAA 筒体多余面积 1 A 2 r 2953 44mm2 14 8504 1008 f 1 2 d BA eete 接管厚度 mm 14 2 1782 0 5 0 12512 30001782 0 0 5 2 e P PD t i 接管的多余面积 2 r2et212 832 17mm12 14 870 992fC 2f 2hA h rtet 焊角取 6 0mm 2 3 A36mm 3 4 补强面积补强面积 2 321e 3824 44mm368322953 44AAAA 因为所以开孔不需另加补强 2 e 2 3824 44mmA1078 56mmA 湖北理工学院大型作业 12 4 卧式贮罐的焊接 4 1 焊缝布置焊缝布置 4 1 1 接头的分类及其选择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 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 湖北理工学院大型作业 13 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 焊接方法焊接方法 A B 类焊缝 查焊接手册第三卷 由于壁厚 8mm 所以选择 3 至 26mm 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 40 60 0 b 3 mm 1 P 4 mm C 类焊缝 查表 由于壁厚 8mm 所以选择 3 40mm 的 V 形坡口如图 坡口尺 mm 35 50 b 0 4 mm P 0 mm 湖北理工学院大型作业 14 图 4 2 C 类焊缝的坡口形式 及焊后效果 4 3 焊接顺序焊接顺序 4 3 1 焊前清理焊前清理 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 湖北理工学院大型作业 15 g 支座的组焊 4 3 3 焊后处理焊后处理 工件焊接后必须进行焊后