液氨贮罐的机械设计.doc

沈阳理工大学课程设计专用纸 附 设计任务书 设计课题 液氨贮罐的课程设计 工艺参数 最高使用温度 T 50 公称直径 DN 2500mm 筒体长度 不含封头 L0 5000mm 设计内容 1 筒体材料的选择 2 罐的结构尺寸 3 罐的制造施工 4 零部件型号及位置 5 相关校核计算 设计人 毛瑞杰 学号 0708010222 下达时间 2010 年 11 月 19 日 完成时间 2010 年 12 月 21 日 沈阳理工大学课程设计专用纸 II 目录目录 1液氨贮罐的设计背景 1 2容器及附件材料的选择 2 2 1罐体和封头材料的选择 2 2 2附件材料的选择 2 3容器结构的选择 4 3 1罐体的选择 4 3 2封头的选择 4 4设计计算 5 4 1筒体壁厚的计算 5 4 2封头壁厚的计算 5 4 3水压试验及强度校核 6 4 4人孔的选择及核算开孔补强 6 4 4 1人孔的选择 6 4 4 2开孔补强的计算 7 4 5支座的选择并核算承载能力 9 4 5 1支座的选择 9 4 5 2鞍座的计算 9 4 5 3安装位置 11 4 6液面计的选择 11 4 7选配工艺接管 12 4 7 1液氨进料管 12 4 7 2液氨出料管 12 4 7 3排污管 12 4 7 4液面计接口管 12 4 7 5放空阀管接管 12 4 7 6安全阀接口管 13 沈阳理工大学课程设计专用纸 III 5参数校核 14 5 1筒体轴向应力校核 14 5 1 1筒体轴向弯矩计算 14 5 1 2筒体轴向应力计算 15 5 2筒体和封头切向应力校核 16 5 2 1筒体切向应力校核 16 5 2 2封头切向应力校核 16 5 3筒体环向应力的计算和校核 17 5 3 1环向应力的计算 17 5 3 2环向应力的校核 17 5 4鞍座有效断面平均压力 17 6设计结果一览表 19 7设计总结 20 8液氨贮罐设备图 21 9参考文献 22 沈阳理工大学课程设计专用纸 1 1液氨储罐的设计背景 液氨 又称为无水氨 是一种无色液体 氨作为一种重要的的化工原料 应用广 泛 主要用于生产 硝酸 尿素和其他化学肥料 还可用作医药和 农药的原料 在国防 工业中 用于制造火箭 导弹的推进剂 可用作有机化工产品的氨化原料 还可 用作冷冻剂 为运输及储存便利 通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨 液 氨在工业上应用广泛 而且具有腐蚀性 容易挥发 液态氨遇热遇明火 难以点燃而 危险性低 但是氨和空气混合物达到上诉浓度范围遇明火会燃烧和爆炸 如有油类或 其他可燃性物质存在 则危险性更高 本文采用分析设计方法 综合考虑环境条件 液体性质等因素并参考相关标准 分别对储罐的筒体 封头 人孔 支座 接管进行设计 最后形成合理的设计方案 沈阳理工大学课程设计专用纸 2 2容器及附件材料的选择 2 1 罐体和封头材料的选择 液氨储罐罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响 综合考虑 液氨贮罐 的操作温度取 50 通过查表可知 在 50 时液氨的饱和蒸汽压为 2 03MPa 因容器 装有安全阀 取此最大工作压力的 1 10 倍作为设计压力 故 Pc 1 10 2 03 0 1 2 12MPa 圆整取设计压力为 2 2MPa 在确定了设计温度和设计压力之后 才可以选择容器用钢 选择容器用钢必须综 合考虑 容器的操作条件 材料的使用性能 材料的加工工艺性能 经济合理性及容 器结构等 由于该容器属于中压 低温范畴 同时温度和压力有波动 所以对材料的要求是 耐压 耐低温 且抗压力波动可以考虑 20R 和 16MnR 这两种钢材 从技术角度看 建 议选用 20R 类的低碳钢板 16MnR 钢板的价格虽比 20R 贵 但是在制造费用方面 同 等重量的计价 16MnR 钢板比较经济 所以在此选用 16MnR 钢板作为制造筒体和封头 钢板标准号 GB6654 1996 2 2 附件材料的选择 优质低碳钢的强度较低 塑性好 焊接性能好 因此在化工设备制造中常用作热 交换器列管 设备接管 法兰的垫片包皮 优质中碳钢的强度较高 韧性较好 但焊接性能较差 不宜用作接管用钢 由于接管要求焊接性能好且塑性好 故选择 10 号优质低碳钢的普通无缝钢管制作 各型号接管 由于法兰必须具有足够大的强度和刚度 以满足连接的条件 使之能够密封良好 故选用 Q235 A 的普通碳素钢 沈阳理工大学课程设计专用纸 3 3容器结构的选择 3 1 罐体的选择 在本设计中采用圆筒形容器 因为制造容易 安装内件方便 而且承压能力好 这类容器应用广泛 3 2 封头的选择 从受力来看 球形封头是最理想的结构形式 但缺点是深度大 直径小时 整体 冲压困难 碟形封头的受力状况不佳 而椭圆形封头的应力情况虽不如半球形封头均 匀 但比碟形封头要好 椭圆形封头吸取了碟形封头深度浅的优点 用冲压法易于成 形 制造比球形封头容易 椭圆形封头增加了直边段 目的是避开在椭球边缘与圆筒 壳体的连接处设置焊缝 使焊缝转移至圆筒区域 以免出现边缘应力与热应力叠加的 情况 而平板封头因厚度较大 加工与焊接方面都要遇到不少困难 且耗材量最大 因此 从强度 结构和经济方面综合考虑 采用椭圆形封头最合理 若采用标准椭圆形封头 这样可采用同样厚度的钢板来制造筒体和封头 比较方 便 故常选用标准椭圆形封头作为圆筒体的封头 沈阳理工大学课程设计专用纸 4 4设计计算 4 1 筒体壁厚的计算 设计压力 筒体内径 查表可知设计温度下的许MPa pc 2 2 mmDNDi2500 用应力 焊接接头系数 双面焊对接接头 100 无损探伤检查 MPa t 163 0 1 由于液氨对金属轻微腐蚀 且属双面腐蚀 故取腐蚀裕量mm C 2 2 故理论计算厚度 4 mm p D p c t i c 99 16 2 211632 25002 2 2 1 式中 圆筒的计算压力 MPa pc 圆筒的内径 mm Di 钢板在设计温度 t 下的许用应力 MPa t 焊接接头系数 1 由 化工设备机械基础 查表 9 10 得钢板负偏差mm C 8 0 1 设计厚度mmC C d 79 191 2 圆整后 筒体的名义厚度 20mm 封头壁厚的计算 采用标准椭圆形封头 a b 2 1 理论计算壁厚 4 mm p D p c t i c 92 16 2 25 011632 25002 2 5 02 沈阳理工大学课程设计专用纸 5 2 式中 整板冲压 其它参数同前 0 1 可见封头厚度近视等于筒体厚度 则取同样厚度 因为封头壁厚 20mm 则取标准 椭圆形封头的直边高度 h0 50mm 4 2 水压试验及强度校核 采用水压试验 试验压力为 4 t T p p 25 1 3 式中 试验压力 MPa pT 设计压力 MPa p 试验温度下材料的许用应力 MPa 设计温度下材料的许用应力 MPa t 当设计温度小于 200 时 与接近 此项可忽略不计 t 故MPa pT 75 2 2 225 1 压力试验时的薄膜应力 4 e ei T T D p 2 4 故 MPa T 30 182 120 2 120 250075 2 由 化工设备机械基础 查表 9 4 得MPa s 325 故 4 Ts MPaMPa 30 182 5 29232519 09 0 5 所以满足水压试验要求 4 3 人孔的选择及核算开孔补强 沈阳理工大学课程设计专用纸 6 4 3 1人孔的选择 人孔是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹 变形 腐蚀等缺陷 人孔 主要由筒节 法兰 盖板和手柄组成 选用时应综合考虑公称压力 公称直径 工作 温度以及人 手孔的结构和材料等诸方面的因素 人孔的类型很多 从人孔所用法兰 类型来看 承压人孔有板式平焊法兰人孔 带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔 从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖所处位置看 人孔又可分为回转盖人孔 垂直吊 盖人孔和水平吊盖人孔 重量 水平吊盖 垂直吊盖 回转盖 选择使用上有较大的灵 活性 其尺寸大小及位置以设备内件安装和工人进出方便为原则 根据贮罐是在常温及最高压力 2 2MPa 下工作 人孔标准按公称压力 2 5MPa 的压 力等级选取 考虑到人孔盖直径较大较重 故选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔 公称 直径 450mm 突面法兰密封面 表 4 1 水平吊盖带颈对焊法兰人孔标准尺寸 公称压 力 MPa 公称直 径 mm dw SDD1dbb1b2AH1H2d0 2 5450480 1267060045046404438032021436 该人孔标记为 人孔 RF A G 450 2 5 HG21524 95 4 3 2开孔补强的计算 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 壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱 而出现应力集中 现象 为保证容器安全运行 对开孔必须采取适当的措施加以补强 以降低峰值应力 这里采用补强圈补强 因其结构简单 制造方便 使用经验丰富 采用等面积补强法 由表 4 1 可知本设计所选用的人孔筒节内径 壁mm di 450 厚 由标准查得补强圈尺寸为 外径 内径 mm m 12 mm D 760 2 mm D 484 1 开孔补强的有关计算参数如下 1 开孔所需补强的面积 A 开孔直径 4 mmcdd i 6 4558 224502 6 开孔所需补强面积 2 644 774099 16 6 455mmdA 4 7 沈阳理工大学课程设计专用纸 7 2 补强有效区的范围 有效宽度 B 4 mmdB2 9116 45522 8 4 mmdB mn 6 519122202 6 45522 9 取二者中之大值mmB 2 911 外侧有效高度 4 mmdh m 94 7312 6 455 1 10 或mmh250 1 接管实际外伸长度 取二者中之小值mmh94 73 1 内侧有效高度 mmh0 2 3有效补强面积 4 321 AAAAe 12 式中 补强面积 e A 2 mm 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 1 A 2 mm 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 2 A 2 mm 焊缝金属截面积 3 A 2 mm 其中 4 1 2 1reme fdBA 13 筒体有效厚度mmC ne 2 178 220 接管材料选择与筒体相同的材料 16MnR 进行补偿 故 代入上式得 1 r f 2 1 68 95 99 16 2 17 6 455 2 911 mmA 接管计算厚度 4 mm p dp c t c t 10 3 2 211632 6 4552 2 2 14 4 retrtet fChfhA 2 2 2212 15 2 1 068 902 10 3 8 212 94 732 0 2 mm fCh rtm 沈阳理工大学课程设计专用纸 8 4 2 3 1441212 2 1 2mmA 16 有效补强面积 4 2 321 748 1141144068 90268 95mmAAAAe 17 因 所以开孔需另加补强AAe 所需补强面积 4 2 4 896 6598748 1141644 7740mmAAA e 18 补强圈厚度 4 mm DD A 91 23 484760 896 6598 12 4 19 圆整后取 24mm 补强材料与壳体材料相同 为 16MnR 4 4 支座的选择并核算承载能力 4 4 1鞍座的选择 卧式容器支座又可分为 鞍座 圈座和支座 常见的卧式容器和大型卧式储罐 换热器等多采用鞍座 它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座 故本设计选用鞍座 置于支座上的卧式容器 其情况和梁相似 由材料力学分析可知 梁弯曲产生的 应力与支点的数目和位置有关 当尺寸和载荷一定时 多支点在梁内产生的应力较小 因此支座数目似乎应该多些好 但对于大型卧式容器而言 当采用多支座时 如果各 支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀 或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同 部位受力挠曲的相对变形不同 使支座反力难以为各支点平均分摊 导致壳体应力增 大 因而体现不出多支座的有点 故一般情况采用双支座 鞍座的底板尺寸应保证基础的水泥面不被压坏 根据底板上的螺栓孔形状不同 又分为 F 型 固定支座 和 S 型 活动支座 除螺栓孔外 F 型与 S 型各部分的尺寸 相同 在一台容器上 F 型和 S 型总是配对使用 综上所述 本设计选择鞍式双支座 一个 S 型 一个 F 型 沈阳理工大学课程设计专用纸 9 4 4 2鞍座的计算 贮罐总质量 4 4321 mmmmm 20 式中 筒体质量 kg 1 m 封头质量 kg 2 m 液氨质量 kg 3 m 附件质量 kg 4 m 筒体质量 1 m 的筒节 由 化工设备设计基础 附表 4 查得 每米质mmmmDN n 18 2500 量是 所以mkgq 984 1 4 kgLqm 4 40341 4984 11 21 封头质量 2 m 直边高度的标准椭圆形封头 化工设备mmmmDN n 18 2200 mmh40 0 机械基础 表 10 2 由 化工设备设计基础 查得 其质量为kgm782 2 4 kgmm15647822 2 12 22 液氨质量 4 3 m Vm 3 23 式中 装量系数 取 0 9 压力容器安全技术监察规程 规定 介质为液化 气体的固定式压力容器 装量系数一般取 0 9 贮罐容积 V 3 6641 18801 3 1 454 1 2mVVV 筒封 液氨在 20 时的密度为 3 665mkg 所以 kgm46 111706656641 189 0 3 附件质量 4 m 人孔质量约 200kg 其他接管等质量总和按 300kg 计 于是 kgm500 4 设备总质量 kgmmmmm86 1726850046 111701564 4 4034 4321 每个鞍座承受的负荷 4 KNN mg Q85414 84617 2 8 986 17268 2 沈阳理工大学课程设计专用纸 10 24 表 4 1 鞍座的结构特征 型式适用公称直径 DN mm结构特征支座尺寸 轻型 A 2100 4000 120 包角 焊制 六筋 带垫 板 JB T 4712 1992 表 4 2 A 型鞍座参数尺寸 底板筋板垫板螺栓连接尺寸公 称 直 径 DN 允 许 载 荷 Q KN 鞍 座 高 度 H 1 l 1 b 1 腹 板 2 3 l 2 b 3 b 3 弧 长 4 b 4 e间 距 2 l 螺 孔 d 螺 纹 M 孔 长 l 2200408250158024012824320828882570400850138024M2040 根据表中数据 由于每个鞍座承受约 85KN 负荷 故选用轻型带垫板包角为 120 的鞍 座 即 JB T 4712 92 鞍座 A2200 F JB T 4712 92 鞍座 A2200 S 4 4 3安装位置 为了充分利用封头对筒体邻近部分的加强作用 应尽可能将鞍座安放在靠近封头的 位置 即应小于或等于 0 5 是容器半径 aRR 贮罐长度 不含封头 4 mmlaL41002 25 式中 鞍座离罐体一端的距离 a 两鞍座之间的距离 l 在这里取 则 4 5 液面计的选择 液面计是用以指示容器内物料液面的装置 其类型很多 大体上可分为四类 有玻璃 板液面计 玻璃管液面计 磁性液位计和用于低温设备的防霜液面计 mmRa550 2 2200 5 05 0 mml3000 沈阳理工大学课程设计专用纸 11 选取玻璃板液面计 考虑到本设备不大且设计压力为 2 2MPa 选用 T 型即透光式 玻璃板液面计 透光式 公称压力 PN2 5MPa 碳钢材料 保温型 排污口配阀门 长颈对焊突面 法兰连接 按 HG 20595 97 公称长度 L 1150mm 的液面计 标记为 液面计 AT 2 5 W 1150V 4 6 选配工艺接管 4 6 1液氨进料管 采用 进料管伸进设备内部并将管的一端切成 45 为的是无缝钢管mm5 357 避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀 配用突面密封的带颈对焊管法兰 HG 20595 法兰 WN50 2 5 RF Q235 A 长度 500mm 不必补强 4 6 2液氨出料管 采用可拆的压出管 将它套入罐体的固定接口管内 并用mm325 mm5 338 法兰固定在接口管法兰上 罐体的接口管法兰采用 HG 20595 法兰 WN32 2 5 RF Q235 A 与该法兰相配并 焊接在压出管的法兰上 其连接尺寸和厚度与法兰 HG 20595 法兰 WN32 2 5 RF Q235 A 相同 但其内径为 25mm 液氨压出管的端部法兰采用 HG 20595 法兰 WN20 2 5 RF Q235 A 液氨出料管 也不必补强 压出管伸入贮罐 2m 4 6 3排污管 贮罐右端最底部 安设排污管一个 管子规格是 管端装有一与截止mm5 357 阀 J41W 16 相配的管法兰 HG 20595 法兰 WN50 2 5 RF Q235 A 4 6 4安全阀的选择 安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力 为了操作的安全 因此安设一安全阀 安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定 本贮罐选用的无缝钢管 管法兰为 HG 20595 法兰 WN25 2 5 RF Q235 A mm5 332 参数校核 沈阳理工大学课程设计专用纸 12 4 7 筒体轴向应力校核 4 7 1筒体轴向弯矩计算 筒体中间处截面的弯矩 5 1 L A L h L hR FL M i im 4 3 4 1 2 1 4 2 22 1 式中 鞍座反力 N F 椭圆封头外半径 mm m R 两封头切线之间的距离 mm L 鞍座位置 mm A 封头短轴内半径 mm i h 其中 5 mm DN R n m 1118 2 2182200 2 2 所以 L A L h L hR FL M i im 4 3 4 1 2 1 4 2 22 1 mmN 7 2 22 103 4100 5504 41003 5504 1 2200 5501118 2 1 4 220041 84617 沈阳理工大学课程设计专用纸 13 支座处截面上的弯矩为 5 3 L h AL hR L A FAM i im 3 4 1 2 1 1 22 2 故 L h AL hR L A FAM i im 3 4 1 2 1 1 22 2 mmN 7 22 1012 1 41003 5504 1 41005502 5501118 4100 550 1 155041 84617 4 7 2筒体轴向应力计算 由 化工机械工程手册 上卷 查得 因为 且 0 1 21 KKmmRA m 5592 故最大轴向应力出现在跨中面 校核跨中面应力 由弯曲引起的轴向应力 圆筒中间截面上 最高点处 5 em R M 2 1 1 14 3 4 故 MPa5 0 2 15111814 3 103 2 7 1 最低点处 MPa5 0 12 鞍座截面处最高点处 MPa RK M em 19 0 2 1511180 114 3 1012 1 14 3 2 7 2 1 2 3 鞍座截面处最低点处 MPa RK M em 19 0 2 151118 1 14 3 1012 1 14 3 2 7 2 1 2 4 沈阳理工大学课程设计专用纸 14 由设计压力引起的轴向应力 由 5 e m p pR 2 4 所以 MPa p 91 80 2 152 11182 2 轴向应力组合与校核 最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处 所以 许用轴向拉压应力 MPa p 41 815 091 80 22 MPa t 163 合格 t 2 最大轴向压应力出现在充满水时 在筒体中间截面最高处 MPa5 0 11 轴向许用应力 5 MPa R A i e 0013 0 1100 2 15094 0 094 0 6 根据 A 值查外压容器设计的材料温度线图得 取许用压缩应力MPaB150 合格 ac ac MPa 1 150 4 8 筒体和封头切向应力校核 因筒体被封头加强 筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算 4 8 1筒体切向应力校核 由 化工机械工程手册 上卷 查得 401 0 880 0 43 KK 所以 MPa R FK m 38 4 2 151118 41 84617880 0 3 4 8 2封头切向应力校核 MPa R FK m h 2 2 151118 41 84617401 0 4 沈阳理工大学课程设计专用纸 15 MPa DNPK t h t 54 44 2 152 22002 21 16325 1 2 25 1 25 1 因 所以合格 h t h 25 1 4 9 筒体环向应力的计算和校核 4 9 1环向应力的计算 设垫片不起作用 在鞍座处横截面最低点 5 7 2 5 5 b FKk e 式中 筒体的有效宽度 mm 2 b 由 化工机械工程手册 上卷 查得 式中 考虑容0132 0 7603 0 65 KK1 0 k 器焊在鞍座上 5 8 em Rbb 56 1 2 式中 鞍座轴向宽度 mm b 所以mmb36 443 2 15111856 1 240 2 所以MPa95 0 36 443 2 15 41 846177603 0 1 0 5 鞍座边角处轴向应力 因为 且867 31118 4100 m RL 5 9 2 6 2 6 2 3 4 e e FK b F 所以 MPa39 10 2 152 41 846170132 0 3 2 1536 4434 41 84617 2 6 4 9 2环向应力的校核 合格 MPa t 163 5 合格 MPa t 75 20316325 1 25 1 6 沈阳理工大学课程设计专用纸 16 4 10 鞍座有效断面平均压力 鞍座承受的水平分力 5 10 FKFs 9 由 化工机械工程手册 上卷 查得 204 0 9 K 所以NFs95 1726141 84617204 0 鞍座有效断面平均应力 5 11 0 9 bH F s s 式中 鞍座的计算高度 mm s H 鞍座的腹板厚度 mm 0 b 其中取鞍座实际高度 H 250mm 和中的最小值 即 s HmmRm67 3723 11183 腹板厚度 mmHs250 mmCb2 78 08 120 所以 MPa59 9 2 7250 95 17261 9 应力校核 式中 鞍座材料 Q235 MPa sa 33 93140 3 2 3 2 9