氮气缓冲罐设计

1、氮气缓冲罐目录第一章绪论11.1概述11.2氮气的特点11.3立式氮气缓冲罐设计的特点2第二章 设计任务32.1 设计题目32.2 技术特性指标3第三章 储罐主要零部件结构形式设计及其材料的选择43.1 储罐主要零部件结构形式设计43.2 主要零部件材料的选择5第四章 储罐结构参数设计74.1 罐体壁厚设计74.2 封头壁厚的设计74.3 筒体和封头的结构设计84.4 接管、法兰、垫片和螺栓（柱）94.5 腿式支座选型和结构设计11第五章 开孔补强设计145.1 补强设计方法判别145.2 有效补强范围145.3 有效补强面积15第六章 强度计算176.1 水压试验校核17第七章 设备维护18

2、参考文献21第一章绪论1.1概述化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。任何化工设备都是满足一定生产工艺条件而提出的，随着化工设备的新设计、新材料和新工艺的应用，使化工生产过程得到不断地发展，因此这些生产工艺的设备与通常的机械设备相比有以下几个显著的特点：（1）功能原理多样化：由于化工设备与“化工过程”的原理密不可分，即化工的生产过程是化工设备的前提，从而使得所使用的化工设备的功能、结构的特征多种多样，设备类型也比较繁多。（2）化工设备多是压力容器：例如处理气体、液体和粉体等 一些流体材料为

3、主的化工设备，通常都是在一定温度和压力条件下工作的，尽管服务对象不同、形式多样，功能及原理和内外结构不同，但都是限制其工作空间并承受一 定温度的外壳和必要的内件所组成，这个能够承受压力载荷的外壳体即是压力容器。压力容器通常是在高温、高压、高真空、低温、强腐蚀的条件下操作，其工艺条件与 其它行业相比更为苛刻和恶劣。缓冲罐主要用于各种系统中缓冲系统的压力波动，使系统工作更平稳，其原理是通过压缩罐内压缩空气来实现，被广泛应用于供水设备和中央空调系统等，结构有隔膜式缓冲罐和气囊式两种，前者由于罐体容易生锈已逐步淡出市场，气囊式缓冲罐主要为意大利品牌，如意大利第一品牌Aquasystem缓冲罐。缓冲罐的

4、介质可以是液体，也可是气相或固相的物质。名义上，可以将它分为两类：I)扰动衰减类；II）独立运行类。本设计中主要设计气相介质的缓冲罐。1.2氮气的特点单质氮在常况下是一种无色无臭的气体，在标准情况下的气体密度是1.25g·dm-3，氮气在标准大气压下，冷却至-195.8时，变成没有颜色的液体，冷却至-209.86时，液态氮变成雪状的固体。氮气在水里溶解度很小，在常温常压下，1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。它是个难于液化的气体。在水中的溶解度很小，在283K时，一体积水约可溶解0.02体积的N2。氮气在极低温下会液化成白色液体，进一步降低温度时，更会形成白色晶状固体。通常市场上

5、供应的氮气都盛于黑色气体瓶中保存。但需要进行平稳工作时就需要用到缓冲罐了。1.3立式氮气缓冲罐设计的特点压力容器在设计、选材、制造和使用维护中稍有疏忽，一旦发生事故，其后果不堪设想，所以国家劳动部门把这类设备作为受安全监察的一种特殊设备，并在技术上进行了严格、系统和强制性的管理，制定了一系列地强制性或推荐性地规范标准和技术法规，对压力容器的设计、材料、制造、安装、检验、使用和维修提出了相应的要求，同时为确保其安全可靠，实施了持证设计、制造和检验制度。立式氮气缓冲罐也是一个压力容器，也应按GB 150钢制压力容器标准进行制造、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的监督。立式氮气缓

6、冲罐，本设计中属于第二类压力容器。缓冲罐主要由筒体、封头、支座以及各种接管和法兰组成。罐体上设有进气管、出气管、排污管以及安全阀、压力表。第二章 设计任务2.1 设计题目氮气缓冲罐设计2.2 技术特性指标1 设计压力：2 设计温度：3 工作介质及其特性：氮气，无毒，难燃4 主要受压元件材料：16MnR5 焊接接头系数：1.06 全容积：7 装料系数：8 最高工作压力：2.29 工作温度：2010 容器类别：第二类第三章 储罐主要零部件结构形式设计及其材料的选择3.1 储罐主要零部件结构形式设计3.1.1 封头的选择封头是容器的一个部件，根据几何形状的不同，可分为球形、椭圆形、碟形、球冠型、锥壳

7、和平盖等几种，其中球形 、椭圆形、碟形、球冠型封头又统称为凸型封头。运用于各种容器设备，如储罐、换热器、塔、反应釜、锅炉和分离设备等。 执行标准有GB/T12459-2005 、GB/T13401-2005等。从受力与制造方面分析来看，半球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，冲压较为困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也大。椭圆形封头应力分布比较均匀，且深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。蝶形封头受力状况不佳，但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便成型加工。锥壳主要用于中间段的连接。平盖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

8、难。从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平盖封头用材最多。然而，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。3.1.2 容器支座的选择立式容器支座有耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座等四种。中小型直立容器常采用前三种。耳式支座广泛用于反应釜和换热器等直立设备上。对于高度不大、安装位置距基础面较近且具有凸形封头的立式容器，可采用支承式支座。腿式支座多用于高度较小的中小型立式容器中，具有结构简单，轻巧，安装方便等优点并在容器下面有较大的操作维修空间。综合受力，材料等情况采用腿式支座较为合理。3.1.3 法兰型式法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点

9、是不能快速拆卸、制造成本较高。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。因此，在对法兰进行设计时，须查找管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件设计标准，并应根据公称直径、工称压力、工作温度、工作介质特性及法兰材料进行选用。3.2 主要零部件材料的选择3.2.1 筒体与封头材料的选择压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采

10、用采用屈服极限为245Mpa345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操作温度超过4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR是普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。它的强度较高、塑性韧性良好。常见交货状态为热轧或正火。属低合金高强度钢，含Mn量较低。性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%。16MnR钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容

11、器时采用碱性焊条（J507），15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。而且工作介质氮气没有毒性因此选用16MnR钢（钢板标准为GB 6654，使用状态为热轧、正火）既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 。参照GB 150-1998表4-1，根据设计压力，设计温度，筒体壁厚在范围内，选得材料的许用应力，屈服极限。容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构。3.2.2 腿式支座材料的选择根据JB/T4712.2,

12、腿式支座选用材料为Q235-A（钢板标准为GB 3274,使用状态为热轧）。在表4-1中，选择其许用应力，屈服极限。3.2.3 地脚螺栓的材料选择地脚螺栓选用Q235-A（钢材标准GB 700），选得材料的许用应力，屈服极限。3.2.4 接管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。制作各型号接管为16MnR。3.2.5 法兰材料的选择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-

13、A的普通碳素钢。第四章 储罐结构参数设计4.1 罐体壁厚设计该容器需100%探伤，焊缝采用全焊透结构，所以取其焊接系数为。材料的许用应力，屈服极限。根据GB/T 9019-2001选得容器公称直径为。设计压力，利用中径公式计算筒体壁厚： (4-1) 查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-2知，钢板厚度负偏差为0.6mm 故取。查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知，对于有不腐蚀的介质，腐蚀裕量。筒体设计厚度：筒体名义厚：，由于钢板厚度范围为，圆整后取。筒体的有效厚度。4.2 封头壁厚的设计查标准JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头中

14、表1，选取公称直径，选用标准椭圆形封头，型号代号为EHA，取 ，查标准JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头中表2，取直边长。该容器需100%探伤，焊缝全采用全焊透结构，所以取其焊接系数为。材料的许用应力，屈服极限。根据GB 150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算： (4-2)查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-2知，钢板厚度负偏差为0.6mm，故取。查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知，对于有无腐蚀的介质，腐蚀裕量。封头设计厚度：封头名义厚度：，由于钢板厚度范围为，圆整后取与筒体相同的名义厚度。筒体的有效厚度。封头记做：

15、 。4.3 筒体和封头的结构设计4.3.1 封头的结构尺寸由，得封头的其他参数：查标准JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头附录中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积、质量，见下图4-1和表4-1。图4-1封头结构图表4-1 封头尺寸表公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/容积V/质量/Kg8002250.75660.079659.34.3.2 筒体的长度计算充装系数为1，则容器总容积为： （4-3）则可由求得筒体内长：，圆整后取。因为长径比为1.875，所以长度和宽度设计满足要求。4.4 接管、法兰、垫片和螺栓（柱）4.4.1 接管1、 排污管在清洗贮罐式

16、，为了能够将废液完全排除贮罐外，故需在筒体底部安设排污管一个。在罐的最底部设个排污管，规格是20×2.5mm，管端焊有与截止阀相配的管法兰。排污管与罐体连接处焊有补强圈进料管。 2、进料管伸进设备内部并将管的一端切成45°，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。采用无缝钢管YB231-×2.5mm ,管的一端伸入罐切成45°,管长95 mm。配用凸面式平焊管法兰。3、安全阀接口管安全阀是一种安全保护用阀，它的启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高，超过规定值时自动开启，通过向系统外排放介质来防止

17、管道或设备内介质压力超过规定数值。安全阀属于自动阀类，主要用于锅炉、压力容器和管道上，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。本贮罐选用×2.5mm的无缝钢管。4、压力表接管压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此选用采用×2.5mm无缝钢管,。各接管外伸高度都是95mm。5、出料管在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。采用可拆的压出管×2.5mm,伸入到罐内离罐底约100 mm，都配用凸面板式平焊管法兰，凸面管法兰盖和石棉橡胶垫片。4.4.2法兰氮气缓冲罐应设置排污口、出液口、进液口、压力表口

18、、安全阀口，见下图4-2。图4-2 法兰结构图查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表8.2 3-3 PN带颈对焊钢制管法兰，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-5,得各法兰的质量。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表，法兰的密封面均采用RF（突面密封）。得求各法兰尺寸表见下表4-2.表4-2 各管口法兰尺寸表（mm）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NR进料口2025B10575144M1218402.364400.5出

19、料口2025B10575144M1218402.364400.5排污口2025B10575144M1218402.364400.5压力表口2025B10575144M1218402.364400.5安全阀口2025B10575144M1218402.364400.54.4.3垫片查HG/T 20606-2009钢制管法兰用聚四氟乙烯覆垫片，垫片尺寸见下表4-3。表4-3 垫片尺寸表（mm）符号管口名称公称直径垫片内径 D1垫片外径D2垫片厚度Ta排污口2027541.5b进液口2027541.5c安全阀口2027541.5d压力表口2027541.5e出气口2027541.5注：1、聚四氟乙烯

20、包覆层材料应符合QB/T 3625中规定的FSB-2和QB/T 3626的规定。2、填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。4.4.4 螺栓（螺柱）的选择查HG/T 20613-2009钢制管法兰用紧固件中表-2和GB/T97.1，得螺柱的长度和平垫圈尺寸见下表4-4。表4-4 六角头螺栓螺柱及垫片公称直径螺纹六角头螺栓螺柱长紧固件用平垫圈 mmHb20M1010.5202b20M1010.5202c20M1010.5202d20M1010.520220M1010.5202注：1.紧固件质量为每1000件的近似质量；2.紧固件长度未计入垫片厚度。4.5 腿式支座选型和结构设计4.5.1 腿式支座选型在

21、缓冲罐主要零部件结构形式设计中，为该立式容器选了四个支座，初步选用轻型腿式支座，材料选用Q235-A。估算腿式支座的负荷：筒体质量：单个封头的质量：充气质量：，水压试验充满水，故取介质密度为，则充液质量为附件质量：其他接管总和为300kg，即缓冲罐总质量：水平风载荷和地震载荷可忽略不计。则每个支座承受的质量为369.18kg，即为3.70KN。查JB4713.92-2007容器支座腿式支座中表1，首先优先选择轻型支座。查JB4713.92-2007容器支座腿式支座表4知可不设置垫板。查JB4713.92-2007容器支座腿式支座中表2，得到支腿尺寸如下表4-5。表4-5 支腿尺寸表公称直径DN

22、800盖板l200允许载荷Q/KN12角钢支柱1160支座高度H2118090底板1302090d10螺栓间距764螺栓孔径d24支腿质量kg19.2该四个支腿标记为JB/T 4713.92，支腿A4-800。4.5.2 腿式支座的安装位置图4-3 AN型腿式支座根据JB4710-92钢制塔式容器中规定，四个支腿成90度均匀安装在筒体四周，底座离封头与筒体的连接处最高距离为1m。第五章 开孔补强设计根据GB 150中8.3，因为该缓冲罐的设计压力大于2.5MPa，所以五个孔都需要补强。以在封头上的开孔为例说明其补强办法，筒体上的开孔补强类似，只是筒体的计算厚度并不需要像封头那样乘以一个系数。5

23、.1 补强设计方法判别其中开孔直径，故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用16MnR，其许用应力。封头计算厚度 由于在椭圆形封头中心区域开孔，所以封头计算厚度按 （5-1） 计算，式中， 所以根据GB 150-1998中式8-1，壳体开孔处的计算厚度：接管的有效厚度强度削弱系数需补强面积5.2 有效补强范围5.2.1 有效宽度B按GB 150-1998中式8-7，得：5.2.2 外侧有效高度根据GB 150-1998中式8-8，得：5.2.3 内侧有效高度根据GB 150-1998中式8-9，得：5.3 有效补强面积根据GB 150-1998中的内容，分别计算如下在有效范围内可做补强

24、的截面积：5.3.1 筒体多余面积5.3.2 接管的多余面积 （5-2）5.3.3 焊缝金属截面积 焊角取6mm，则5.3.4补强面积因为，所以开孔需另行补强另行补强面积为根据JB/T 4736没有接管公称直径为20mm的补强圈的标准，所以自选其外径，内径。因，补强圈在有效补强范围内。补强圈厚度为： （5-3）考虑钢板的负偏差并圆整，取补强圈名义厚度为。第六章 强度计算此设计为立式气体缓冲罐，根据上一章补强设计计算可以知道，该强度计算只校核水压试验即可。6.1 水压试验校核试验压力：圆筒的薄膜应力： 即，所以水压试验合格。第七章 设备维护压力容器类似锅炉，是承受压力的密闭容器。有些压力容器盛装

25、可燃介质，一旦发生泄露，这些可燃气体会立即与空气混合并达到爆炸极限，若遇到火源即可导致二次爆炸火燃烧等连锁反应，造成特大的火灾、爆炸和伤亡事故。由于压力容器是在压力状态下运行，内部介质又有可能是有毒可燃的。所以压力容器一旦发生事故必须进行周密检查和必要的技术措施。一般压力容器破裂原因可分为韧性破裂、脆性破裂、疲劳破裂、腐蚀破裂和蠕变破裂等五种形式。压力容器危险的防护措施1、压力容器设计及其制造必须按压力容器安全监察规定中规定的符合等级类别的设计制造单位进行，其受压元件焊接工作，必须由经过考核合格的焊工担任。焊缝的表面质量必须符合规定质量标准，并作表面探伤，不允许有裂纹、气孔、凹坑和肉眼可见的夹渣等缺陷。 2、压力容器制成后必须进行耐压试验，必要时还应进行气密性试验。3、压力容器应按规定装设安全阀、爆破片、压力表、液面计、温度计及切断阀等安全附件。在容器运行期间，应对安全附件加强维护与定期校验，保持齐全、灵敏、可靠。4、使用压力容器的单位，必须向当地压力容器安全监察机构登记并取得使用证，才能将设备投入运行。使用单位应根据设备数量和安全性能要求，设专门机构或专职技术人员，加强压力容器的安全技术管理，建立和健全安全管理制度。5、使用压力容器的单位，应根据生产工艺要求和容器的技术性能制定安