课程设计任务书xM3液氯储罐设计

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名：学 号学 院：专 业：题 目：（5）M3液氯储罐设计指导教师： 职称:2011年06月12日目录第一篇、课程设计任务书 2第二篇、绪论 6第三篇、设计参数的确定1、设计压力 62、设计温度 73、主要元件材料的选择7第四篇、压力容器结构设计1、筒体和封头72、接管、法兰、垫片和螺栓的选择83、补强圈的设计 94、鞍座的选型 115、焊接接头 126、人孔13第五篇、容器强度的校核14第六篇、结束语 28第七篇、参考资料29 中北大学课程设计任务书 2010/2011学年第 二 学期学 院：专 业：学 生 姓 名：学 号：课程设计题目：（5）M3液氯储

2、罐设计起 迄 日 期： 06 月 13 日06月24日课程设计地点： 校内 指 导 教 师：系 主 任：下达任务书日期:2011年06月12日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：设计目的1) 使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。2) 掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。4) 掌握工程图纸的计算机绘图。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1 原始数据设计条件表序号项 目数 值单 位备 注1名 称液

3、氯储罐2用 途液氯储存站3最高工作压力1414MPa由介质温度确定4工作温度-20455公称容积（Vg）5M36工作压力波动情况可不考虑7装量系数(V)0.98工作介质液氯（高度危害）9使用地点室内10安装与地基要求液氯11其它要求100%无损检测管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称gDN20HG20595-1997MFM液位计接口dDN50HG20595-1997MFM空气进口管eDN50HG20595-1997MFM空气出口管aDN50HG2055-1997MFM液氯进口管hDH50HG20595-1997MFM液氯出口管bDH50HG21524-2005MFM安全阀接口

4、fDH20HG20595-1997MFM压力表接口cDH500HG20595-1997MFM人 孔课 程 设 计 任 务 书2设计内容1）设备工艺、结构设计；2）设备强度计算与校核；3）技术条件编制；4）绘制设备总装配图；5）编制设计说明书。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1）设计说明书：主要内容包括：封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等；2）总装配图设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要

5、详尽，图纸采用计算机绘制。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器，中国标准出版社，19982 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，19993 全国化工设备设计技术中心站，化工设备图样技术要求，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，化学工业出版社，20015 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社，20026 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，19967 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社，2003年5设计成果形式

6、及要求：1）完成课程设计说明书一份；2）草图一张（A1图纸一张）3）总装配图一张 (A1图纸一张)；6工作计划及进度：2011年06月13日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤06月13日06月17日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制06月17日06月22日：设计图纸绘制（草图和装配图）06月22日06月24日：撰写设计说明书06月24日：答辩及成绩评定系主任审查意见：签字：年月日绪论1、任务说明设计一个容积为的液氯储罐，采用常规设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管进

7、行设计，然后采用SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。2、液氯的性质分子量 70.91 黄绿色有刺激性气味的气体。密度：相对密度(水=1)1.47；相对密度(空气=1)2.48；稳定性：稳定； 危险标记：6(有毒气体)；在工业上，液氯是一种很有用的化学物质。氯可用于造纸、纺织工业的漂白；用作水和废水的消毒、杀菌剂；且可用于制造无机、有机氯化物，如：金属氯化物、氯溶剂、染料中间体、杀虫剂、合成橡胶、塑料等。但由于液氯属高毒性，是一种强烈的刺激性气体。它对人体、环境都有很强的危害，因此液氯的存储、运输都是一个值得深思的问题。设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺要求，考虑存储

8、介质的性质、容量、钢材的耗费量等等。而且液化气体必须考虑它的膨胀性和压缩性，液化气体的体积会因温度的改变而变化，所以必须严格控制储罐的充装量（指装量系数与储罐实际容积和设计温度下介质的饱和液体密度的乘积）。目前我国普遍采用常温压力贮罐一般有两种形式：球形贮罐和圆筒形贮罐。因为圆筒形贮罐加工制造安装简单，安装费用少，但金属耗量大占地面积大，所以在总贮量小于，单罐容积小于时选用卧式贮罐比较经济。设计参数的确定表1：设计条件表序号项 目数 值单 位备 注1名 称液氯储罐2用 途液氯储存站3最高工作压力1414MPa由介质温度确定4工作温度-20455公称容积（Vg）5M36工作压力波动情况可不考虑7

9、装量系数(V)0.98工作介质液氯（高度危害）9使用地点室内10安装与地基要求液氯11其它要求100%无损检测1、 设计压力时，根据压力容器介质手册可得液氯的密度是，饱和蒸汽压，大气压。设计压力为容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，而最高工作压力指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不得低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.05-1.10倍。则设计压力2、设计温度设计温度也是压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常工作情况下，设定元件的金属温度。当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件

10、可能达到的最高温度;当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最高温度。所以设计温度选择为50。3、主要元件材料的选择筒体材料的选择：根据液氯的特性，查GB150-1998选择16MnR。16MnR是压力容器专用钢，适用范围：用于介质具有一定腐蚀性,壁厚较大（）的压力容器。50时的许用应力,钢板标准GB6645。钢管材料的选择：根据JB/T4731,钢管的材料选用20号钢，其许用应力压力容器结构设计1、 筒体和封头筒体的公称直径有标准选择，而它的长度L可以根据容积要求来决定。根据公式 (1+5%) 取 L/D=4 将L/D=4代入得： mm。圆整后，采用标准椭圆封头，查标准JB/T

11、4746-2002钢制压力容器用封头中表1，得公称直径，封头深度H=325mm，容积为0.2545,内表面积1.6552。根据得,圆整得(在36之间)所以计算容积为4.75，工作容积为5.2690.9=4.7331计算压力：液柱静压力: ,故液柱静压力可以忽略，即该容器需100%探伤，所以取其焊接系数为。由中径公式可得筒体的计算厚度5.46mm，钢板厚度负偏差，腐蚀余量，故筒体的名义厚度为。由椭圆厚度计算公式可得腐蚀裕度，钢板负偏差，圆整后取名义厚度有效厚度 2、 接管、法兰、垫片和螺栓的选择液氯储罐要开设液氯进口管、安全阀口、人孔、空气进口管、空气出口管、压力表接口、液位计接口、液氯出口管，

12、并根据各接口的大小选择相对应的法兰及垫片。法兰：查HG/T20592-1997钢制管法兰、垫片、紧固件中表4-2带颈对焊钢制管法兰，选取各公称直径，查得各法兰尺寸。法兰密封面均采用MFM（凹凸面密封）。表2：接管和法兰尺寸名称公称直径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H法兰质量NSR液氯进口管5057B165125184M1620742.98548 3.11安全阀接口5057B165125184M1620742.98548 3.11人孔500530B7156503320345781116129070.7空气进口管5

13、057B165125184M1620742.98548 3.11空气出口管5057B165125184M1620742.98548 3.11压力表接口2025B10575144M1216402.364401.05液位计接口2025B10575144M1216402.364401.05液氯出口管5057B165125184M1620742.98548 3.11垫片：查HG/T20592-1997钢制管法兰、垫片、紧固件表4.0.1垫片的尺寸知表3 垫片尺寸表公称直径内径D1外径D22040615085107500580624螺栓：查HG/T20592-1997钢制管法兰、垫片、紧固件知表4 螺栓

14、及垫片公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈（mm）20M129013242.550M168517303500M24164254443、补强圈设计根据GB150，当设计压力小于或等于2.5Mpa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的2.5倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中有DN=500mm的人孔需要补强。补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用20号钢，其许用应力根据GB150-1998，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

15、补强面积为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，得：(2）内侧有效高度的确定根据GB150-1998，得：有效补强面积根据GB150，分别计算如下：筒体多余面积接管的多余面积接管厚度：焊缝金属截面积焊角取6.0mm补强面积因为，所以开孔需另行补强所需另行补强面积：补强圈设计：根据DN500取补强圈外径。因为，所以在有效补强范围。补强圈内径补强圈厚度：圆整取名义厚度为4mm4、鞍座选型鞍座结构该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-B。估算鞍座的负荷：储罐总质量筒体质量：单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002钢

16、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：，故附件质量：人孔质量为303kg，其他接管质量总和估100kg，即综上所述， G=mg=86.36kN,每个鞍座承受的重量为43.18N由此查JB4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为BI,包角为120，有垫板的鞍座。查JB4712.1-2007得鞍座结构尺寸如下表5：表5：鞍式支座结构尺寸公称直径DN允许载荷Q/KN高度h底板腹板筋板12001452008801701162001402006垫板螺栓间距鞍座质量Kg增加100mm高度所增加的质量Kg弧长e1410320655720567鞍座位置的确定通常取尺寸A不超

17、过0.2L值，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。由标准椭圆封头故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,即，取A=300mm综上有：A=300mm。5、焊接接头容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝、融合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的形式和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全。a

18、) 回转壳体与封头的焊接接头采用对接接头b) 接管与筒体的焊接接头坡口为c) 人孔处接管、补强圈的焊接采用角焊，坡口为6、人孔表6：人孔尺寸表密封面型式凹凸面MFMD71531公称压力PN MPa1.565036公称直径DN500320A405530*10201d36b34容器强度的校核内压圆筒校核计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.56MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 1200.00mm材料 16MnR(正火) ( 板材 )试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa试验温度下屈服点 ss 345

19、.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 4.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度d = = 5.52mm有效厚度de =dn - C1- C2=6.00mm名义厚度dn =10.00mm重量 1253.26Kg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 = 1.9700 (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 = = 197.99MPa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= = 1.69154MPa

20、设计温度下计算应力st = = 156.33MPastf 170.00MPa校核条件stfst结论 合格内压椭圆封头校核计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.56MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 1200.00mm曲面高度 hi 325.00mm材料 16MnR(正火) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 4.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9014计算厚度d = = 4.96mm有效厚度de

21、=dn - C1- C2=6.00mm最小厚度dmin = 3.60mm名义厚度dn =10.00mm结论满足最小厚度要求重量137.76 Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 1.88078MPa结论合格右封头计算计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.56MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 1200.00mm曲面高度 hi 325.00mm材料 16MnR(正火) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 4.00mm焊接接头系数 f

22、 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9014计算厚度d = = 4.96mm有效厚度de =dn - C1- C2=6.00mm最小厚度dmin = 3.60mm名义厚度dn =10.00mm结论满足最小厚度要求重量137.76 Kg压 力 计 算最大允许工作压力Pw= = 1.88078MPa结论合格卧式容器（双鞍座）计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件简图计算压力pC1.54MPa设计温度t50圆筒材料16MnR(正火)鞍座材料16MnR圆筒材料常温许用应力 s170MPa圆筒材料设计温度下许用应力st170MPa圆筒材料常温屈服点ss345MPa鞍座材料许用应力 ss

23、a170MPa工作时物料密度1314kg/m3液压试验介质密度1000kg/m3圆筒内直径Di1200mm圆筒名义厚度10mm圆筒厚度附加量4mm圆筒焊接接头系数1封头名义厚度10mm封头厚度附加量 Ch4mm两封头切线间距离4280mm鞍座垫板名义厚度6mm鞍座垫板有效厚度6mm鞍座轴向宽度 b170mm鞍座包角120°鞍座底板中心至封头切线距离A340mm封头曲面高度325mm试验压力pT1.97MPa鞍座高度H200mm腹板与筋板(小端)组合截面积16040mm2腹板与筋板(小端)组合截面断面系数357417mm3地震烈度0配管轴向分力0N圆筒平均半径605mm物料充装系数0.

24、9支座反力计算圆筒质量(两切线间)1277.17kg封头质量(曲面部分)124.586kg附件质量8812.35kg封头容积(曲面部分)2.26195e+08mm3容器容积(两切线间)V = 5.29296e+09mm3容器内充液质量工作时, 6259.45压力试验时, = 5292.96kg耐热层质量0kg总质量工作时,16598.1压力试验时, 15631.6kg单位长度载荷34.553232.5412N/mm支座反力81430.576688.981430.5N筒体弯矩计算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 5.36831e+07压力试验= 5.05572e+07N·mm支座处横截面

25、弯矩工作时-2.29318e+06压力试验-2.15965e+06N·mm系数计算K1=0.106611K2=0.192348K3=1.17069K4=K5=0.760258K6=0.0181268K6=0.0149002K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒体轴向应力计算轴向应力计算操作状态85.426480.7593MPa-7.78477-1.72886MPa水压试验状态-7.32775-1.62819MPa106.652102.257应力校核许用压缩应力0.00094根据圆筒材料查GB150图6-36-10 B = 123.502MPa123.502123.502MP

26、a< 170 合格|,| <123.502合格|,| < 123.502合格sT2 ,sT3 < 0.9ss = 310.5 合格时(时,不适用)20.0585MPa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 = 136MPa圆筒, t< t = 136 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291.34mm无垫板或垫板不起加强作用时在横截面最低点处MPa在鞍座边角处L/Rm8时,MPaL/Rm<8时,MPa无加强圈筒体垫板起加强作用时鞍座

27、垫板宽度；鞍座垫板包角横截面最低点处的周向应力-1.77079MPa鞍座边角处的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm<8时, -40.5982MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm<8时, -68.816MPa应力校核|s5| < st = 170 合格|s6 | < 1.25st = 212.5 合格 |s6 | < 1.25st = 212.5 合格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

28、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/Rm<8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/Rm<8时, MPa应力校核

29、|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16572.9N腹板水平应力计算高度200mm鞍座腹板厚度6mm鞍座垫板实际宽度320mm鞍座垫板有效宽度291.34mm腹板水平应力无垫板或垫板不起加强作用 ,垫板起加强作用, 5.62166MPa应力判断s9 <ssa= 113.333 合格MPa腹板与筋板组合截面轴向弯曲应力由地震、配管轴向水平分力引起的支座轴向弯曲强度计算圆筒中心至基础表面距离810mm轴向力N时,MPa时MPa由圆筒温差引起的轴向

30、力NMPa应力判断ssa< 1.2ssa = MPa注：带#的材料数据是设计者给定的开孔补强计算计算单位全国化工设备设计技术中心站接管: #,25×8计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔设计条件简图计算压力pc1.555MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(正火)板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径Di1200mm壳体开孔处名义厚度n10mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量C24mm壳体材料许用应力t170MPa接管实际外伸长度150mm接管实际内伸长度0mm接管材料20g(正火)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量

31、4mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t1mm补强圈厚度负偏差C1rmm接管材料许用应力t137MPa补强圈许用应力tMPa开孔补强计算壳体计算厚度5.515mm接管计算厚度t0.051mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数fr0.806开孔直径d19mm补强区有效宽度B55mm接管有效外伸长度h112.33mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强面积A111.2mm2壳体多余金属面积A116.89mm2接管多余金属面积A258.59mm2补强区内的焊缝面积A364mm2A1+A2+A3=139.5 mm2

32、，大于A，不需另加补强。补强圈面积A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。开孔补强计算计算单位全国化工设备设计技术中心站接管: #,25×8计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔设计条件简图计算压力pc1.555MPa设计温度50壳体型式椭圆形封头壳体材料名称及类型16MnR(正火)板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径Di1200mm壳体开孔处名义厚度n10mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量C24mm壳体材料许用应力t170MPa椭圆形封头长短轴之比1.846接管实际外伸长度150mm接管实际内伸长度0mm接管材料20g

33、(正火)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量4mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离100mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差C1t1mm补强圈厚度负偏差C1rmm接管材料许用应力t137MPa补强圈许用应力tMPa开孔补强计算壳体计算厚度4.952mm接管计算厚度t0.051mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数fr0.806开孔直径d19mm补强区有效宽度B55mm接管有效外伸长度h112.33mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强面积A99.86mm2壳体多余金属面积A136.5mm2接管多余金属面积A258.59mm2补强区内的焊缝

34、面积A364mm2A1+A2+A3=159.1 mm2 ，大于A，不需另加补强。补强圈面积A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论: 补强满足要求,不需另加补强。开孔补强计算计算单位全国化工设备设计技术中心站接管: #,57×8计算方法 : GB150-1998 等面积补强法, 单孔设计条件简图计算压力pc1.555MPa设计温度50壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR(正火)板材壳体开孔处焊接接头系数1壳体内直径Di1200mm壳体开孔处名义厚度n10mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量C24mm壳体材料许用应力t170MPa接管实际外伸长度150mm接管实际内伸长度0mm接管材料20g(正火)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量4mm补强圈材料名称16MnR(正火)凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径130mm补强圈厚度6mm接管厚度负偏差C1t1mm补强圈厚度负偏差C1r0mm接管材料许用应力t137MPa补强圈许用应力t170MPa开孔补强计算壳体计算厚度5.515mm接管计算厚度t0.234mm补强圈强度削弱系数 frr