《化工机械基础》课程设计任务书

1、化工机械基础课程设计任务书- 液氨储罐机械设计3- 毕业论文目录概述设计的概要介绍设计依据和有关说明贮罐的设计圆筒体和封头材料的选择圆筒体的设计封头的设计圆筒体和封头的压力试验强度校核支座人孔接管的标准的选择选择标准支座并校核其承载能力选择标准人孔并校核其开孔补强选择各种标准接管装配图有关部件的位置确定和计算贮罐外形尺寸计算支座人孔接管位置确定和计算设计评价设计特点改进措施前言压力容器是一种密闭的承压容器其应用广泛用量大但又比较容易发生事故且事故往往是严重的与任何工程设计一样压力容器的设计目标也是对新的或该进的工程系统和装置进行创新和优化以满足人们的愿望与需要具体来说压力容器的设计人员应根据设

2、计任务的特定要求遵循设计工作的基本规则或规范以及材料控制、结构细节、制造工艺、检验及质量管理等方面的规则并尽可能地采用标准本设计是设计一液氨贮罐液氨贮罐是用来贮存液态氨的容器一般规定氨液中含水不应超过02 氨一般用于中温制冷剂制冷剂硝酸铵盐氨肥及炸药由于液氨贮罐既是压力容器又是贮存有毒的介质一旦发生事故会产生严重后果所以安装使用维修必须严格遵循国家相关法律法规的规定液氨贮罐是合成氨工业中必不可少的储存容器所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取容器筒体结构和强度的设计密封的设计罐体壁厚设计封头壁厚设计确定支座人孔及接管开孔补强的情况以及其他接管的设计与选取此次设计主要原理来自化工过程设备机械基

3、础一书以及其他参考资料第一章概述第一节设计的概要介绍111 设计任务设计思想设计特点1 设计任务根据罐体公称容积V 15m3 设计一个液氨储罐通过设计储罐的厚度使其能满足工艺要求设计任务主要分两个阶段 准备阶段A 准备好设计资料手册图纸说明书的报告纸B 认真研究分析设计任务及有关设计数据明确设计要求及设计内容C认真复习有关教科书内容熟悉有关资料及步骤D结合有关图纸了解设备结构及作用 机械设计阶段A 根据设计参数论证选材论证物料的腐蚀性及对环境的污染情况B 根据计算有关壳体的尺寸根据压力计算壳体壁厚校核壳体的强度确定合理尺寸C选用零部件查标准及手册确定尺寸和结构D计算设备重量列表有关附件的重量E

4、 绘制设备总装图进行缩小或放大绘图比例F 提出技术要求对设备制造检验安装提出技术地求并在总图上标注清楚G编写设计说明书2 设计思想各种石油化工设备虽然大小不一形状不同但都有一个受到内压或外压作用的称之为压力容器的外壳压力容器是化工生产所用的各种各样化工设备外部壳体的总称所以容器设计是所有化工设备设计的基础3 设计特点对化工压力容器的基本要求安全可靠性的要求要求所使用的设备具有足够的强度韧性和刚度以及良好的密封性和腐蚀性工艺条件的要求化工设备是为工艺过程服务的应保证在指定的生产工艺条件下完成指定的生产任务即满足相应的工艺条件要求经济合理性要求在满足设备的安全运行和工艺条件的前提下结构要合理制造要

5、简单尽量减少加工量降低制造成本便于操作和维护例如所设置的阀门平台人孔形位置要合适易损件便于更换等环境保护要求所谓化工设备失效的一个新概念是环境失败即有害物质泄露到环境中生产过程残留无法消除的有害物质及噪音等化工容器在设计时包括化工工厂的选址均应考虑这些因素的影响第二章设计参数确定21 设计温度通过查阅资料可知芜湖市最高气温为40 所以设计温度取 4022 设计压力设计压力给定为23 腐蚀余量查腐蚀数据手册 16MnR耐氨腐蚀其若设计寿命为20 年则24 焊缝系数该容器属中压贮存容器技压力容器安全技术监察规程规定氨属中度毒性介质容器筒体的纵向焊接接头和封头基本上都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透

6、的焊接接头所以取或常见得选取按下表选择表 21焊接接头系数序号焊接接头形式无损检查的长度比例100 局部1 双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊接接头100852单面焊的对接焊接接头在焊接过程中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板098 此储罐采用 100 无损探伤故25 容器直径考虑到压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要容器的筒体和封头的直径都有规定此储罐设计的公称直径假设内径选择下面再验算内径的选择是否合适表 22 公称直径公称直径30040050060070080090010001200140016001800200022002400260028003000320034003600380

7、0400026 许用应力温度查表设定第二节设计依据和有关说明121 工艺参数技术特性公称容积 m315公称直径 DN mm1800介质 液氨筒体长度 L0 mm5900工作压力 MPa 16工作温度 0C 40厂 址 芜湖市 推荐材料 16MnR 122 设计依据GB1501998 钢制压力容器标准123 有关符合单位说明英文字母Di 贮罐内径 mmt 钢板的许用应力 MPa P 液氨的饱和蒸汽压 MPa C1钢板厚度负偏差 mm C2介质的腐蚀裕量 mm希腊字母罐体计算厚度 mmd 罐体设计厚度 mmn 罐体的名义厚度 mme 罐体的有效厚度 mm焊接接头系数第二章 贮罐的设计第一节 圆筒体

8、和封头材料的选择选择容器用钢必须综合考虑容器的操作条件如设计压力设计温度介质特性和操作压力等材料的使用性能如力学性能物理性能化学性能主要是耐腐蚀性能材料的加工工艺性能如焊接性能热处理性能等经济合理性及容器结构如材料价格制造费用和使用寿命等纯液氨腐蚀性小贮罐可选用一般碳素钢压力容器专用钢板为20R 另外还有一些合金钢如 16MnR15MnVR等也适合作为压力容器的钢板16MnR是 345MPa级的低合金钢具有良好的机械性能焊接性能工艺性能及低温冲击韧性中温及低温的机械性能均优于Q235-A1520等碳素钢是使用十分成熟的钢种质量稳定可使用 -40 15MnVR是屈服极限为390MPa级的低合金结

9、构钢其塑性和冲击韧性较16MnR低其波动较大另外从经济的角度考虑16MnR也较 20R制造费用低所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体的材料16MnR的含碳量为012 020钢板厚度101416002017503 397 55618002545566 446 62722003801681 5457142400452475559683426005309817 644903表 42封头常量公称直径 DN曲面高度 h1直边高度 h0内表面积F容积 V厚度质量 G1600400252890587122851433416383184312048818004502536408261029712358144

10、192200550 40550 154 16588试选用公称直径为由表知筒体1 米高容器体积封头的容积为利用公式代入得由于液氨筒体的长径比值为为合适值所选的长径比所以选用公称直径为的筒体合适圆筒体的设计根据公式式中圆筒的计算压力 MPa圆筒的内径 mmt钢板在设计温度t 下的许用应力 MPa焊接接头系数 1在本设计中经初步计算设计体积较小约为3035 m3 且工作压力较小p1932MPa因此可采用卧式圆筒形容器因为作为容器主体的圆柱形筒体制造容易安装内件方便而且承压能力较好方形和矩形容器大多只在很小设计体积时采用因其承压能力较小且使用材料较多而球形容器虽承压能力较强且节省材料但制造较难和安装内

11、件不方便一般不使用立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱综合上诉考虑本设计选用圆筒形卧式容器16MnR在 40的时候许用压力为MPa见表 21 罐体直径 Di 1800mm罐体长度L0 5900mm双面对接焊缝 100 探伤见表 22表 21 压力容器用 16MnR钢板的许用应力钢号 钢板标准 使用状态 厚度mm常温强度指标在下列温度 下的需用应力 MPabMPasMPa20 100 15016MnR GB 6654热轧正火616 510345 170170 1701636 490325 163 1631633660470 305 157 157 157表 焊接接头系数焊接接头形式

12、对接接头100 无损检测局部无 损检测焊接工艺特点双面焊相当于双面焊的全焊透接头10085单面焊沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板0908则筒体的设计壁厚圆筒的名义厚度为因此采用的 16MnR钢制作罐体第三节封头的设计封头有多种形式半球形封头就单位容积的表面积来说为最小需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一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大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时可以达到与筒体等强度它吸取了蝶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所以选择标准椭圆形封头结构由

13、半个椭球面和一圆柱直边段组成封头取与筒体相同材16MnR钢板查椭圆形封头标准JBT4737-95表 23椭圆封头标准公称直径 DNmm曲面高度 h1mm 直边高度 h2mm 内表面积 Am2容积Vm31800 450 25 364 0826本设计采用标准椭圆封头21 即K 形状系数 10根据公式22得封头的设计壁厚为查附录取钢板的负偏差则筒体的名义壁厚为考虑冲压减薄量圆整后取名义厚度的16MnR钢制作封头第四节圆筒体和封头的压力试验强度校核压力试验的目的是检验压力容器承压部件的强度和严密性在试验过程中通过观察承压部件有无明显变形或破裂来验证压力容器是否具有设计压力下安全运行所必需的承压能力同时

14、通过观察焊缝法兰等连接处有无渗漏检验压力容器的严密性由于压力试验的试验压力要比最高工作压力高所以应该考虑到压力容器在压力试验时有破裂的可能性由于相同体积相同压力的气体爆炸时所释放出的能量要比液体大得多为减轻锅炉压力容器在耐压试验时破裂所造成的危害所以通常情况下试验介质选用液体因为水的来源和使用都比较方便又具有作耐压试验所需的各种性能所以常用水作为耐压试验的介质故耐压试验也常称为水压试验 GB 150-1998钢制压力容器规定内压容器液压试验压力如下23式中 PT 试验压力 MPap 设计压力 MPa t t 163MPa 代入式 23 得液压试验的试验压力为试验时器壁的应力为其中有效厚度故查表

15、 31 可知 22mm的 16MnR钢板的常温强度指标 s 325MPa所以则故所设计的器壁厚度满足水压试验要求第三章 支座人孔接管的标准的选择第一节选择标准支座并校核其承载能力311 支座的选取支座用来支撑容器的重量固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定卧式圆筒形容器的支座分为鞍座圈座和支腿三类常见的卧式容器和大型卧式储罐大多采用鞍座鞍座标准是JBT4712-92 主要由于鞍座的承压能力较好且对筒体的局部阻力较小故采用鞍座鞍座又分为轻型 ABFSF型与 S 型总是配对使用鞍座的尺寸是由公称直径确定的本设计公称直径DN2800mm 1000mm则选用轻型 A 双鞍座焊制 120°包脚

16、带垫板一为固定式F 型一为滑动式支座S 型312 鞍座承载能力的核算本设计选用的是轻型A双鞍座焊制 120°包脚带垫板一为固定式F 型一为滑动式支座 S 型首先粗略计算鞍座负荷贮罐总质量为式中 m1 罐体质量 kgm2封头质量 kgm3质量 kgm4附件质量 kg 罐体质量 m1公称直径 DN mm壁厚 22mm的筒体得每米质量是q1 987kgm2 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 公称直径 DN 00mm壁厚 2mm直边高度 h0 25mm的标准椭圆形封头得其质量所以3 液氨质量式中 装量系数取 0 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

17、器装量系数一般取09V 贮罐积 m3水的密度 kgm3公称直径 DN mm筒体长度 L0 47m 封头容积为Vh 0587m3则贮罐总容积为于是4 附件质量 m4人孔约重 200kg 其它接口管的总重约300kg 于是 m4 500kg故设备总质量为每个鞍座承受的负荷为5 位置计算筒体长度式中 A 鞍座与封头切线之间的距离 mm L1 两鞍座间距 mm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°的鞍座即 JBT4712-92 鞍座A2800-FJBT4712-92 鞍座 A2800-S 表 1 A 型鞍座标准尺寸公称直径D

18、N 允许载荷 kN鞍座高度 h 底板腹板筋板垫板螺栓连接尺寸l3b33 c间距 l2 螺孔d螺纹 M 孔长 l1112-34 3834 36螺栓或螺柱 总质量回转盖规格数量M2720171181432 人孔开孔补强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本设计所选用的人孔筒节内径壁厚故补强圈尺寸确定如下补强圈内径外径根据补强圈的金属表面积应大于或等于开孔减少的截面积补强圈的厚度按下式计算故补强圈取厚该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为HG21523-95 人孔 RF AG-16其中 RF 指突面密封指接管与法兰的材料为20RAG是指用普通石棉橡胶板垫片450-16是 指公 称直 径

19、为450mm 公称 压力 为16 MPa33 人 孔PN25 DN500HG21524-95 明细表件号标准号 名称数量材料尺寸 mm1筒节116MnR dW× S ×12H1 302HGJ52-91 法兰116Mn 锻件3HGJ69-91垫片1石棉橡胶板 3 代号 AG4HGJ63-91 法兰盖 116MnRb1 b2 5HGJ75-91P 螺柱2035M33×2×176螺母4025M337吊环1Q235-AF8转臂1Q235-AFd0 9GB95-85垫圈 201100HV10GB41-88螺母 M2024 级11吊钩 1Q235-AF12环1Q23

20、5-AF13无缝钢管 12014支承板 116MnRmm 编号名称公称直径 mma1-2液位计 15e安全阀 25b进料管 40f放空管25c出料管 20g人孔450d压力表 25h排污管40331 液氨进料管进料管伸进设备内部并将管口的一端切成450 为了是避免物料沿设备内壁流动一减少磨蚀和腐蚀进料管长500mm伸入筒体内 300mm取用 38mm×35mm的低合金无缝钢管配用具有凸面密封的平焊管法兰法兰标记 HG20592 法兰 -16 RF 16MnR因为该管采用38mm×35mm厚度 5mm故该接管开孔需要补强接管开孔补强参见 GB1501998钢制压力容器332

21、液氨出料管在化工生产中有时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故采用可拆的压料管排料方式取压出管将它用法兰固定接口管内筒体的接口管法兰采用HG20592 法兰 SO32-16 RF 16MnR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HG20592 法兰 SO32-16 RF 16MnR内径为 25mm液氨压出管的端部法兰采用HG20592 法兰 SO20-16 RF 16MnR这些小管都不必补强压料管伸入贮罐25m333 排污管在清洗储罐时候为了能将废液完全排除储罐外液氨介质会腐蚀管壁而出现沉淀故需在离右鞍座的左侧500mm处安装一个排污管因此管

22、子规格取为管端焊有一与截止阀J41W-16 相配的法兰HG20592法兰SO50-16 RF 16MnR排污管与罐体连接处焊有一厚度10mm的补强管334 液面计接管液面计是用来观察设备内部液位变化的一种装置通过测量液位来确定容器中物料的数量由于设备不大且压力较小物料洁净故采用玻璃管防霜液面计BIIW PN16 L 1000mm HG 5-227-80两支与液面计相配的接口管尺寸为管法兰HG20592法兰 SO15-16 RF 16MnR 两个液面计接口管的安装位置如装配图所画335 放空接口管为了在注入液体时能将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速的注入需要安设一个放空管采用的无缝钢管管法兰

23、为HG20592法兰 SO25-16 RF 16MnR336 安全阀接口管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需设一安全阀安全阀的接口管尺寸由安全阀泄放量决定因此选用的无缝钢管管法兰HG20592 法兰 SO25-16 RF 16 MnR第四章装配图有关部件的位置确定和计算第一节贮罐外形尺寸计算411 设计参数公称直径 DN 1800mm筒体长度 L 5900mm筒体厚度封头的曲面高度 h1 450mm封头的直边高度 h0 h2 25mm鞍座高度 h 250mm液面计高度 H3 200mm人孔高度 H H1H24 3502184 572mm贮罐总长度L L2

24、 h0h1 H32 59002 25450 20044 7094mm贮罐总高度H总 DiH1H2 180025057244 2666mm第二节支座人孔接管位置确定和计算421 支座的位置筒体的公称直径 DN 1800mm筒体长 L 5900mmLDN 59001800 33数值较大且鞍座所在平面无加强圈为了避免鞍座对器壁的应力加强故采取A 025D 其中 D 为内径 A 为鞍座中心线至封头切线间距离当鞍座邻近封头时则封头对支座处筒体有加强刚性的作用筒体长度式中 A 鞍座与封头切线之间的距离 mm L1 两鞍座间距 mm422 人孔的位置为了保证筒体的密封安全人孔应在顶部左侧且距筒体中心线150

25、0mm的地点423 接管的位置根据设计要求及开孔补强条件确定接管的位置如下出料管顶部中央位置进料管顶部右侧距出料管 600mm处安全阀接管顶部右侧距出料管 1400mm处放空管接管顶部右侧距出料管 2000mm处排污管底部右侧距封头切线 200mm处液面计接管在罐体左侧封头曲面上位置见装配图附录1 设计总汇序号名称指标材料1设计压力MPa2工作温度03物料名称液氨4容积5筒体DN00mm×22mmL 00mm 16MnR6封头DN00mm×22mmh2 25mm16MnR7鞍座JBT4712-92 鞍座 A2800-FJBT4712-92 鞍座 A2800-S8人孔HG21

26、52-95 人孔 RF AG-16组合件9补强圈 16MnR10 液面计液面计组合件11液面计接管 L mm16MnR12进料管 L 00mm 16MnR13 出料管 L 200mm14 压 料 接 管L 3000mm15 排污管 L 200mm16放空管 L200mm17安全阀接管 L 200mm18 法兰配合以上接管2 负偏差表钢材厚度 n mm6-7 8-2526-3032-34负偏差 mm 0608 09103 液氨储罐装配图附有贮罐的总装配图技术特性表接管表各零部件名称规格尺寸材料等见明细表本贮罐技术要求1本设备按 GBl50-1998钢制压力容器进行制造试验和验收2焊接材料对接焊接

27、接头型式及尺寸可按GB985-80中规定设计焊接接头系数 103焊接采用电弧焊焊条型号为E43034壳体焊缝应进行无损探伤检查探伤长度为1005设备制造完毕后以2MPa表压进行水压试验6管口方位按装配图技术特性表名称指标设计压力34工作温度40物料名称液氨公称容积15接管表符号联接法兰标准密封面形式 用途a1-2HG20592SO15-16RF突面液面计接口管b1-2HG20592 SO15-16RF突面液面计接口管cHG20592 SO450-16RF突面人孔dHG20592SO32-16RF 突面出料口e HG20592 SO50-16RF突面进料口fHG20592 SO25-16RF突面

28、安全阀接口管gHG20592 SO25-16RF突面 放空口hHG20592 SO50-16RF突面排污口GB8163-87出料接管× 3 L 200 16MnR 105HB20592-95法兰 32-16 RF16MnR116HB20592-95法兰内径35 其它尺寸按 32-1616MnR1186GB8163-87压料接管25× 3 L 16MnR145HB20592-95法兰 20-16 RF16MnR 1094GB8163-87排污接管× 5 L 200 16MnR 110HB20592-95法兰 50-16 RF16MnR1277JBT4712-92 JB T4712-92鞍 座A00一 FJBT4712-92 鞍座 A00一 S16MnR2HB20592-95 法 兰 25-16RF16MnR1