50m3卧式试验储罐工艺设计.doc

1 材料及结构的选择与论证1.1 材料选择与论证主体材料制定为LF4，LF4是防锈铝的一种，新牌号为5083。这种合金的强度高，特别是具有抗疲劳强度：塑性与耐腐蚀性高，不能热处理强化，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好，可切削性能不良，可抛光。用途主要用于要求高的可塑性和良好的焊接性，在液体或气体介质中工作的低载荷零件。5083铝板常用于船舶、舰艇、车辆用材、汽车和飞机板焊接件、需严格防火的压力容器、致冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹元件、装甲等。根据容规第18条，铝和铝合金用于压力容器受压元件应符合下列要求：（1）设计压力不应大于8MPa，设计温度为-269200；（2）设计温度大于75时，一般不选用含镁量大于等于3%的铝合金给定的工作压力为0.8MPa，给定的工作温度为50，且设计温度不大于75，且工业纯铝对浓硝酸有很好的耐腐蚀性。综上所述，用LF4做主体材料可以满足给定工作条件的要求。1.2 结构选择与论证1.2.1 封头的选择从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来年：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造等多方面综合考虑，选择采用椭圆形封头。1.2.2 人孔的选择压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公称直径)、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，选择使用上有较大的灵活性。通常可以根据操作需要,在这考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔，人孔筒节轴线垂直安装。1.2.3 容器支座的选择容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分市。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个。圈座一般对于大直径薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿，因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN1600，L5m）。综上考虑在此选择双个鞍式支座作为储罐的支座。1.2.4 法兰型式的选择法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲型与乙型两种。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。在考虑到本次储存的介质为腐蚀性介质，所以选择使用板式平焊凸面法兰。1.2.5 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，大体上可分为有玻璃板液面计、玻璃管液面计、浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。液面计的种类很多，常用的有玻璃板液面计和玻璃板液面计。它们都是外购的标准件，只需要选用。玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。 根据选用表，选用反射式玻璃板液面计，标准号HG21590-95，法兰形式及其代号C型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）,液面计型号R型公称压力PN4.0,使用温度0250，液面计的主题材料代号：锻钢（16Mn），结构形式及其代号:普通型（无代号），公称长度为1450mm，排污口结构:V（排污口配螺塞）。 液面计标记为：液面计CR4.0-1450V根据筒体公称直径3000选择两个同样的液面计，单个质量为90左右。两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。液面计接管：无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为8912。2 设计计算2.1 筒体厚度设计2.1.1 50m3卧式试验储罐的工作压力(P1)所盛放的浓硝酸的工作温度为50，工作压力为0.8Mpa，即P1=0.8Mpa（由给定题目可知）2.1.2 设计压力（P2）工作压力在50是0.8Mpa，设计压力应为此压力的1.051.10倍，故取=0.81.1=0.88Mpa作为设计压力。2.1.3 液柱静压力（P3）根据GB/T 9019-2001压力容器公称直径，可取公称直径DN=3200mm。查某些无机物重要物理性质表得，浓硝酸的密度为1400kg/m3，取内径Di=DN=2800mm，重力加速度g=9.8m/s2，根据公式P3=gDi可知P3=0.038416MPa2.1.4 计算压力（PC）因为，所以可忽略静压力的影响。即Pc=P2=0.88MPa。2.1.5 设计温度下材料的许用应力t在工作温度50, 由JB/T 4734-2002铝制焊接容器可取，筒体的厚度在4.540mm范围时，H112状态的LF4的许用应力约t=68MPa。2.1.6 焊接接头系数（）焊接接头采用V坡口双面焊接,采用100无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数表查得=1.002.1.7 内压容器的计算厚度（）内压容器的计算厚度公式为：式中：计算压力Pc=0.88MPa 筒体内径Di=2800mm 设计温度下材料的许用应力t=68MPa 焊缝系数=1.00将以上数据代入公式得=18.24mm4.540mm，所以第5步的假设是成立的。2.1.8 筒体名义厚度（n）由于浓硝酸有腐蚀性，但是材料LF4有很好的抗腐蚀性，所以C2=0.5。由JB/T 4734-2002 铝制焊接容器可查的，铝板的的负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6。6=6176=10.56mm故取，C1=0.25mmn =+C1+C2=18.24+0.25+0.5=18.99，查铝板厚度的常用规格表，将其圆整为20mm，即名义厚度n=20mm的LF4铝板。2.2 封头壁厚设计采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。2.2.1 标准椭圆形封头的计算厚度（）标准椭圆形封头的计算厚度公式为式中：计算压力 筒体内径Di=2800mm设计温度下材料的许用应力t=68MPa焊缝系数=1.00将以上数据代入公式得2.2.2 标准椭圆形封头的名义厚度（n）由公式n =+C1+C2代入具体数据得n =+C1+C2=18.24+0.25+0.5=18.99查铝板厚度的常用规格表，将其圆整为20mm，即名义厚度n=20mm，可见标准椭圆形封头与筒体等厚。查GB/T 25198-2010可得封头尺寸如下表：表2-1 椭圆形封头尺寸表公称直径DN mm曲面深度hi mm直边高度h mm厚度mm内表面积F m2容积V1 m3质量G kg280070050208.913.18468图2-1 椭圆形封头示意图2.3 筒体的长度计算（L0）由EHA椭圆形封头内表面积及容积表可得公称直径DN=2.8m的椭圆形封头容积V1=3.18m3。本次设计的卧式储罐的公称容积Vg=50m3，所以代入公式，满足在25范围内的要求，所以选择DN=2800mm是合理选择。2.4 人孔的选择开孔补强计算2.4.1 选择人孔由于贮罐是在常温及最高压力0.88MPa下工作，人孔标准按公称压力1.0MPa的压力等级选取。又人孔盖直径较大且质量较重，选用水平吊盖法兰人孔，因为人孔结构中有吊钩和销轴，在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转，即可轻松进入，而不必将其取下以节约维修时间。查得该人孔的有关数据如下:表2-2 水平吊盖带颈平焊法兰人孔RF标准尺寸(mm)公称压力PN（MPa）公称直径DNdwsDD1Abb1b2H1H2d1.0450480861556535528262829019836螺栓螺母螺栓螺柱螺母螺柱质量（kg）数量直径长度数量直径长度总质量不锈钢20M24952040M24125139标记为：人孔RF b-8.8（NM-XB350） 450-1.0 HG/T215232005，其中RF指突面密封，指接管与法兰的材料为16MnR，NM-XB350是指垫片是非金属平垫片（不带内包边的XB350石棉橡胶板），450-1.0是指公称直径为450mm、公称压力为1.0 Mpa。2.4.2 补强圈选择及厚度计算由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。由表2-2知本设计所选用的人孔筒节内径dw480mm。查JB/T 4736-2002得补强圈尺寸为：外径D2=760mm，内径D1=480+10=490mm。开孔补强的有关计算参数如下：1、开孔所需补强面积A内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为 mm2式中 d开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量壳体开孔处的计算厚度；et接管有效厚度 fr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。开孔直径由于接管和筒体选用同种材料，取fr=1将这些数据代入上式得：开孔所需补强面积2、有效宽度B二者中取较大值B=901mm3、有效高度（1）外侧高度h1二者中取较小值h1=60.03mm（2）内侧高度h2二者中取较小值h2=0mm。（3）补强面积Ae在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算 式中 Ae补强面积，mm2；A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2;A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；A3焊缝金属截面积，mm2。计算如下：接管有效厚度为，筒体有效厚度为故接管计算厚度为故焊缝金属截面积，故补强面积Ae为由于AeA，故开孔需另加补强，其另加补强面积为（4）补强圈厚度圆整后取=27mm，补强材料与壳体材料相同为LF4。2.5 鞍座的设计计算和安装标准2.5.1 鞍座的选择1、储罐的总质量式中 m1罐体质量，kg；m2封头质量，kg；m3液氨质量，kg；m4附件质量，kg。2、罐体质量m1查化工设备设计基础，天津大学出版社，附表4公称直径DN=2400mm，壁厚=16mm的筒体，得每米质量是q1= 2660kg/m3，所以3、封头质量m2查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表6)根据公称直径DN=2800mm，壁厚=20mm，直边高度h0=50mm的标准椭圆形封头，得其质量m=468kg，所以4、浓硝酸质量m3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）V贮罐总容积，50m3；浓硝酸的密度，在50时浓硝酸的密度为1400kg/m3。于是5、附件质量m4人孔重140kg，其它接口管的总重约300kg。于是m4=140kg+300kg=440kg。6、设备总质量每个鞍座承受的负荷为根据鞍座承受的负荷，查表（化工设备机械基础，大连理工大学出版社，附录16）可知，选择轻型（A）带垫板，包角为120的鞍座。其标准尺寸如下：公称直径DN允许载荷kN鞍座高度h底板腹板筋板垫板l1b112l3b2b33弧长b44e2800445250204030014103202683608326061010120表2-3 轻型（A）鞍座（mm）本设计公称直径DN=2800mm 1000mm，F=408kN445kN则选用轻型A双鞍座，焊制、120包脚、带垫板、6肋板，一为固定式F型一为滑动式支座S型。即JB/T4712.1-2007 鞍座A2800-F，JB/T4712.1-2007 鞍座A2800-S。2.5.2 鞍座的安装因为鞍座位置的要求为A0.2L0=1.42m，并尽量使A0.5Ri=0.7m，综合考虑选择A=0.7m。L=L0+2h=7.088+20.05=7.188m两鞍座间的距离L1=L-2A=7.188-20.7=6.788m图2-2 鞍座安装位置示意图3 接口管的设计3.1 液氩进口管采用无缝热轧钢管573.5mm，为方便液氩进入，管的一端伸入罐中并切成45，接管外伸高度为40mm，内伸高度为1450mm，法兰选择：HG20592 法兰 PL501.0 RF LF4。垫片选择：HG/T 20606 垫片RF-E 50-1.0 XB450/304。3.2 液氩出口管采用无缝热轧钢管573.5mm，接管外伸高度为40mm，内伸高度为10mm，法兰选择：HG20592 法兰 PL501.0 RF LF4。垫片选择：HG/T 20606 垫片RF-E 50-1.0 XB450/304。3.3 安全阀接口采用无缝热轧钢管573.5mm，接管外伸高度为40mm，内伸高度为10mm，法兰选择：HG20592 法兰 PL501.0 RF LF4。垫片选择：HG/T 20606 垫片RF-E 50-1.0 XB450/304。3.4 压力表接口采用无缝热轧钢管383mm，接管外伸高度为40mm，内伸高度为10mm，法兰选择：HG20592 法兰 PL321.0 RF LF4。垫片选择：HG/T20606 垫片 RF-E 32-1.0 XB450/304。3.5 空气进口管采用无缝热轧钢管573.5mm，接管外伸高度为40mm，内伸高度为10mm，法兰选择：HG20592 法兰 PL501.0 RF LF4。垫片选择：HG/T 20606 垫片RF-E 50-1.0 XB450/304。3.6 空气出口管 采用无缝热轧钢管573.5mm，接管外伸高度为40mm，内伸高度为10mm，法兰选择：HG20592 法兰 PL501.0 RF LF4。垫片选择：HG/T 20606 垫片RF-E 50-1.0 XB450/304。3.7 液面计接采用无缝热轧钢管383mm，接管外伸高度为40mm，内伸高度为10mm，法兰选择：HG20592 法兰 PL321.0 RF LF4。垫片选择：HG/T20606 垫片 RF-E 32-1.0 XB450/304。表3-1 各管口法兰尺寸表（mm）公称直径DN钢管外径A1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螺栓Th法兰厚度C法兰内径B3238B140100184M1618395057B165125184M1620594 强度校核4.1 水压试验应力校核 根据压力容器安全技术检查规程2009选择试验方法为水压试验。水压试验时的压力：圆筒的薄膜应力为筒的薄膜应力0.9s=0.91.00150=13580.55MPa即0.9sT 所以水压试验合格。4.2 圆筒轴向弯矩计算圆筒的平均半径为 鞍座反力为筒体中间处截面的弯矩为式中F鞍座反力(N)；Rm椭圆封头长半轴外半径(mm)；L两封头切线之间的距离(mm)；A鞍座的位置(mm)；hi筒体内半径(mm)；鞍座平面上的轴向弯矩图4-1（a）筒体受剪力图 图4-1（b）筒体受弯矩图4.3 圆筒轴向应力计算及校核由化工机械工程手册（上卷）P11-99 表11.4-11 查得K1=K2=1.0。因为，且ARm/2=700mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力最高点处 于是最低点处： 鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力最高点处：最低点处：由设计压力引起的轴向应力于是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点处, 于是许用轴向拉压应力t=68MPa，2t合格。 最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面的最高点轴向许用应力 根据A值查外压容器设计的材料温度线图（化工设备机械基础,赵军编，P152）图11-9，查得B=150MPa，取许用压缩应力，合格。4.4 圆筒切向剪应力的计算由化工机械工程手册（上卷）P11-100表11.4-12查得K3=0.880，K4=0.401。于是圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力于是合格.4.5 圆筒周向应力的计算和校核 设垫片不起作用。 在鞍座处横截面最低点处 式中b2筒体有效宽度。由化工机械基础手册（上卷）P11-101表11.4-13查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1考虑容器焊在鞍座上 式中b支座轴向宽度。于是故鞍座边角处轴向应力因为，所以合格。合格。4.6 鞍座有效断面平均压力支座承受的水平分力由化工机械工程手册（上卷）P11-103表11.4-15查得K9=0.204。于是鞍座有效断面平均应力 式中Hs鞍座计算高度； b0鞍座腹板厚度。其中Hs取鞍座实际高度（Hs=250mm）和中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度于是应力校核：合格。式中sa=125MPa，鞍座材料Q235B的许用应力。5 焊接工艺设计5.1 焊接焊接方法的选用铝合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝合金焊接在一起。查国防工业出版社出版的轻金属焊接技术第三章铝及铝合金的焊接得：表5-1 部分焊接方法的焊接性及适用范围焊接方法焊接性适用厚度适用范围推荐可用TIG焊很好1100.925可焊接板厚120mmMIG焊很好84厚件的焊接，可焊厚度50mm以下脉冲MIG焊很好21.68薄板或全位置焊，厚度212mm气焊很差0.5100.325非重要场合的薄板对焊及补焊等焊条电弧焊很差38铸铝件补焊及一般修理电阻焊很好0.730.14压痕不明显，大电流焊接等离子弧焊很好110对接接头要求比氩弧焊更高场合电子束焊很好3753焊接质量好，熔深大，厚件焊接根据上面表格中的内容，再结合实际情况，考虑到焊接性、厚度、适用性、焊接材料、焊接设备、焊接质量和焊接成本等多方面因素的综合影响，决定采用手工钨极氩弧焊。5.2 焊接材料的选择5.2.1 焊丝型号的选择焊丝的型号应该根据母材的成分、焊缝力学性能的要求、工作条件等因素决定，查国防工业出版社出版的轻金属焊接技术第三章铝及铝合金的焊接，选择铝镁合金焊丝ER5183，该种焊丝特点是适用于化工压力容器、核工业、造船、制冷、锅炉、航空航天工业等。耐腐蚀性好、抗热裂性好、强度高，适用于焊接铝镁合金。且成分与母材很接近，复合本次设计的要求。查GB/T 10858-2008-T铝及铝合金焊丝得：表5-2 ER5183的化学成分和规格型号类别化学成分代号直径(mm)长度ER5183铝镁AlMg4.5Mn0.7（A）1.6、1.8、2.0、2.4、2.5、2.8、3.0、3.2、4.0、4.8、5.0、6.0、6.41000mm5.2.2 钨极材料的选择因为焊接材料为铝合金，厚度为20mm，方法为手工钨极氩弧焊。根据化学工业出版社气体保护焊工艺及应用表3.11、表3.13、表3.17、表3.18综合考虑选择钨极如下表：表5-3 钨极的参数电极类型电源类型保护气体电流范围纯钨极交流Ar（99.9%）300450（A）5.3 筒体板材的选择和焊接5.3.1 筒体板材选择选择LF4，查GB/T 3880.12006一般工业用铝及铝合金板、带材第一部分表3，可以得到铝及铝合金板、带材类别、状态及厚度规格。表5-4 LF4板、带材类别、状态及厚度规格表牌号类别状态板材厚度/mm带材厚度/mm5083（LF4）BH1126.0050.00查GB/T 3880.12006一般工业用铝及铝合金板、带材第一部分表4，可以得到铝及铝合金板、带材长度和宽度范围。表5-5 LF4的板、带材长度和宽度范围板、带材厚度板材的宽度和长度带材的宽度和内径板材的宽度板材的长度带材的宽度带材的内径1.20150.005002400100010000根据上面两个表格，由于筒体的厚度为20mm，公称直径DN=2800mm，所以选择以下板材：（1）板 5083-H112 2014003000 GB/T 3880.12006，12张（2）板 5083-H112 2015003000 GB/T 3880.12006，3张H112表示：热加工成形,然后轻微加工硬化,或者少量冷加工后再进行轻微加工硬化,以满足特定的力学性能要求。5.3.2 筒体的焊缝在圆周方向上，每3张等宽度的板材首尾对接成形圆柱形筒节，每张板材对应的圆心角为120，对接处的焊缝属于受压部分的纵向焊缝，按GB 150-1998钢制压力容器的规定，此类焊缝属于A类焊缝。在轴向上，4个宽1400mm和1个宽1500mm的筒节焊接在一起形成筒体，筒节之间焊接用的焊缝属于受压部分的环向焊缝，按GB 150-1998钢制压力容器的规定，此类焊缝属于B类焊缝。5.3.3 筒体的焊接参数和具体焊接方法根据国防工业出版社出版的轻金属焊接技术，第三章铝及铝合金的焊接中的表3-24，可以得到不同厚度的铝镁合金在采用手工钨极氩弧时的详细工艺参数，其中焊接20mm厚的板材时的详细工艺参数如下表：表5-6 铝镁合金手工钨极氩弧焊的工艺参数板厚/mm钨极直径/mm焊接电流/A焊丝直径/mm氩气流量/Lmin-1喷嘴直径/mm焊接层数正面/反面预热温度/备注206360400562530202245/12200260V形坡口对焊选择焊丝直径