课程设计-18立方米浓硫酸储罐设计

1、课程设计说明书18浓硫酸储罐专业班级： 姓 名： 学 号： 中北大学材料科学与工程学院任务书一、设计题目： 卧式贮罐结构设计18m3，浓硫酸，常温二、设计目的 综合应用所学根底课和专业根底课“焊接结构的理论知识与技能，去分析和解决工程实际问题，使理论深化，知识拓宽，专业技能得到进一步延伸。 通过课程设计，使学生学会依据设计任务进行资料收集和整理，能正确运用工具书，掌握焊接结构设计程序、方法和技术标准，提高工程设计计算、理论分析、技术文件编写的能力，提高计算机的应用能力。 学习工程设计中技术方案的论证和选择的思想方法。 培养学生独立思维和思考的能力。三、设计的任务及要求 设计前详细研究和分析设计

2、任务书和指导书，明确设计要求和设计内容，根据原始数据和工作条件，复习有关课程，参考有关资料，对所设计工程进行方案比拟选出最优方案，确定一个较全面合理的设计方案。 根据已经制订的设计方案进行主要结构件的强度计算，要计算精确，步骤完整，理论依据全面，并且写出设计说明书，设计说明书按照统一封面，统一格式撰写装订。说明书内容包括任务书、目录、正文设计方案、具体设计步骤及计算、参考文献几局部。 根据设计方案和计算数据绘制结构装配图1张和主要零件图，绘图要求考虑周到，认真全面；各种标注准确标准。目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc11161 绪论 PAGEREF _Toc111

3、61 1 HYPERLINK l _Toc16997 第一章 设计参数的选择 PAGEREF _Toc16997 2 HYPERLINK l _Toc5677 1.1筒体材料的选择 PAGEREF _Toc5677 2 HYPERLINK l _Toc1279 1.2公称直径确实定 PAGEREF _Toc1279 2 HYPERLINK l _Toc8700 1.3设计压力 PAGEREF _Toc8700 2 HYPERLINK l _Toc22232 1.4 设计温度 PAGEREF _Toc22232 3 HYPERLINK l _Toc31804 1.5焊接接头系数 PAGEREF

4、_Toc31804 3 HYPERLINK l _Toc18906 第二章 设备的结构设计 PAGEREF _Toc18906 4 HYPERLINK l _Toc19084 2.1圆筒厚度的设计 PAGEREF _Toc19084 4 HYPERLINK l _Toc25346 2.2封头的设计 PAGEREF _Toc25346 4 HYPERLINK l _Toc1134 2.2.1 封头厚度的设计 PAGEREF _Toc1134 4 HYPERLINK l _Toc28789 2.2.2 封头的结构尺寸封头结构如下列图1 PAGEREF _Toc28789 5 HYPERLINK l

5、 _Toc18798 2.3鞍座选型和结构设计 PAGEREF _Toc18798 5 HYPERLINK l _Toc32131 2.3.1鞍座选型 PAGEREF _Toc32131 5 HYPERLINK l _Toc8626 2.3.2鞍座位置确实定 PAGEREF _Toc8626 6 HYPERLINK l _Toc15243 2.4卧式贮罐的附件及其选用 PAGEREF _Toc15243 7 HYPERLINK l _Toc17345 2.4.1接管和法兰 PAGEREF _Toc17345 7 HYPERLINK l _Toc12048 2.4.2垫片的选用 PAGEREF

6、_Toc12048 10 HYPERLINK l _Toc4543 2.4.3螺栓螺柱的选择 PAGEREF _Toc4543 10 HYPERLINK l _Toc10893 2.5人孔的选择10 HYPERLINK l _Toc20864 2.6液面计的选择 PAGEREF _Toc20864 10 HYPERLINK l _Toc11459 2.7平安阀的选择 PAGEREF _Toc11459 11 HYPERLINK l _Toc32273 第三章 容器强度的校核 PAGEREF _Toc32273 11 HYPERLINK l _Toc9878 3.1水压试验应力校核 PAGERE

7、F _Toc9878 11 HYPERLINK l _Toc18090 3.2.筒体轴向弯矩计算 PAGEREF _Toc18090 11 HYPERLINK l _Toc3253 3.3.筒体轴向应力计算及校核 PAGEREF _Toc3253 12 HYPERLINK l _Toc11822 3.4.筒体和封头中的切向剪应力计算与校核 PAGEREF _Toc11822 14 HYPERLINK l _Toc31649 3.5.封头中附加拉伸应力 PAGEREF _Toc31649 14 HYPERLINK l _Toc6048 3.6.筒体的周向应力计算与校核 PAGEREF _Toc6

8、048 14 HYPERLINK l _Toc10447 3.7.鞍座应力计算与校核 PAGEREF _Toc10447 15 HYPERLINK l _Toc12078 3.7.1应力及强度校核 PAGEREF _Toc12078 15 HYPERLINK l _Toc29178 3.7.2断面应力校核16 HYPERLINK l _Toc23758 3.7.3板组合截面应力计算及校核 PAGEREF _Toc23758 163.8地震引起的地脚螺栓应力173.9 开孔补强设计 HYPERLINK l _Toc5242 3.9.1 补强设计方法判别 PAGEREF _Toc5242 18 H

9、YPERLINK l _Toc7154 3.9.2有效补强范围 PAGEREF _Toc7154 18 HYPERLINK l _Toc14733 3.10 有效补强面积 PAGEREF _Toc14733 19 HYPERLINK l _Toc17636 3.11 补强面积 PAGEREF _Toc17636 19 HYPERLINK l _Toc13780 第四章: 卧式贮罐的焊接 PAGEREF _Toc13780 20 HYPERLINK l _Toc11223 4.1 焊缝布置 PAGEREF _Toc11223 20 HYPERLINK l _Toc10824 4.1.1 接头的选

10、择20 HYPERLINK l _Toc7350 4.1.2焊缝的布置 PAGEREF _Toc7350 21 HYPERLINK l _Toc3736 4.2 焊接方法 PAGEREF _Toc3736 22 HYPERLINK l _Toc26147 4.3.焊接顺序22 HYPERLINK l _Toc32222 4.3.1焊前清理22 HYPERLINK l _Toc10691 4.3.2焊接过程和顺序22 HYPERLINK l _Toc13780 特别鸣谢24 HYPERLINK l _Toc6588 参考文献25绪论近年，压力容器被广泛应用于现代的工业、民用及军用等部门。压力容器

11、在社会各行各业的生产、储存、运输等方面具有不可取代的地位，在开展国民经济、稳固国防、解决人们衣食住行等方面起着极为重要的作用。目前我国普遍采用常温压力贮罐, 常温贮罐一般有两种形式: 球形贮罐和圆筒形贮罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 前者具有投资少, 金属耗量少, 占地面积少等优点, 但加工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高。一般贮存总量大于500或单罐容积大于200时选用球形贮罐比拟经济; 而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总贮量小于500, 单罐容积小于100时选用卧式贮罐比拟经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种

12、。一般选用卧式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式。本文主要讨论卧式圆筒形浓硫酸贮罐的设计。本储罐的焊接结构主要设计了筒体壁厚，支座，封头，法兰，加强圈等。根据储存介质的要求来进行储罐的选材，本次设计的介质为浓硫酸，储体选用Q-235B。根据施工现场的环境要求及罐体厚度等选择适宜的焊接方法。设计的封头为标准椭圆形封头，设计的支座为鞍式支座。 卧式浓硫酸贮罐设计的特点，应按GB150?钢制压力容器?进行制造、试验和验收; 并接受劳动部颁发?压力容器平安技术监察规程?(简称容规) 的监督。贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。贮罐上设有排污管以及平安阀、压力

13、表、温度计、液面计等。第一章 设计参数的选择根据GB150-1998表4-1并结合实际情况，选用筒体材料为碳素合金钢Q-235C钢材标准为GB6654?压力容器用钢板?。Q-235C适用范围规定如下：容器设计压力pMPa；钢板使用温度为0-400;用于壳体时，钢板厚度不大于30mm。 1. 设筒体直径为D， 筒体长度为L=2D， 选用标准椭圆封头， 那么其体积可表示为:由此可求得D=2218mm 所以粗定。 设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不得低于工作压力。液柱静压力：根据化学化工物性分析手册表3.6.5查饱和蒸汽压：Pc=0.0118Mpa工作压力

14、：设计压力：1.4 设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度沿元件金属截面的温度平均值。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度取24。焊接接头系数是以焊接强度与母材强度之比值表示的。它与焊缝位置焊接方法以及检验等因素有关。JB4732标准中要求受压元件焊缝必须100%无损检测，取焊缝系数。设计参数总结如下表1.5表1.5 设计数据序号工程数值单位备注1名称18m3浓硫酸卧式贮罐2筒体材料Q-235C3设计压力MPa4设计温度245公称直径2000mm6公称容积187充装系数8工作介质浓硫酸9其他要求100%无损检测第二章 设备的结构设计查GB150-1998中表4

15、-1，可得：在设计温度50下，屈服极限强度，许用应力利用中径公式计算厚度： 查标准HG20580-1998?钢制化工容器设计根底规定?表7-1知，钢板厚度负偏差为，而有GB150-1998中知，当钢材的厚度负偏差不大于，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取。查标准HG20580-1998?钢制化工容器设计根底规定?表7-5知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量不小于1mm,本例取=2mm那么筒体的设计厚度圆整后，取名义厚度筒体的有效厚度2.2.1 封头厚度的设计查标准JB/T4746-2002?钢制压力容器用封头?中表1，得公称直径选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，那么 ，根据GB

16、150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：同上，取=2mm，。封头的设计厚度圆整后，取封头的名义厚度 ，有效厚度 2.2.2 封头的结构尺寸封头结构如下列图1由，得查标准JB/T4746-2002?钢制压力容器用封头?中表B.1 EHA椭圆形封头内外表积、容积，如下表2.1表2.1 EHA椭圆形封头内外表积、容积公称直径DN /mm曲面高度hi/mm直边高度h/mm总深度H /mm内外表积A/容积/200050025525图2.1 封头的示意图该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-C。储罐总质量筒体质量：单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002?钢制压力容器用封头?中表B.

17、2 EHA椭圆形封头质量，可知，充液质量：附件质量：人孔质量为302kg，其他接管质量总和估为400kg，即综上所述， 那么每个鞍座承受的重量为kN 由此查?容器支座?，选取轻型，焊制为A,包角为120，有垫板的鞍座。查表8设计鞍座结构尺寸如下表： 表2.2 鞍式支座结构尺寸 单位mm公称直径DN2000腹板10垫板430允许载荷Q/kN300筋板33010鞍座高度h250190e80底板1420260螺栓间距12602208螺孔/孔长D/l28/6012垫板弧长2330鞍座质量Kg160因为当外伸长度时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，

18、考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A不超过值，为此中国现行标准JB 4731?钢制卧式容器?规定AL+2h，A最大不超过0.25L.否那么由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。由标准椭圆封头由，得故鞍座的安装位置如下图：图2.2 鞍座的安装示意图此外，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。假设支座靠近封头，那么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A时，最好使A a，即 ，取A=500mm综上有：A=500mm(A

19、为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长)液化石油气储罐应设置出料口，进料口，人孔，液位计口，压力表口，温度计口，排污口，排空口等。 图2.4 储罐接管设置示意图查HG/T 20592-2021?钢制管法兰?中表.2-2 PN10带颈对焊焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。查HG/T 20592-2021?钢制管法兰?中附录D中表D-3,得各法兰的质量。查HG/T 20592-2021?钢制管法兰?中表，法兰的密封面均采用MFM凹凸面密封。图2.3 带颈对焊钢制管法兰示意图管口名称公称直径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

20、栓Th法兰厚度C法兰颈法兰高度法兰质量NSH1RH出料口5057B165125184M1618748545进料口5057B165125184M1618748545液位计口2025B10575144M12184064401温度计口1014B9060144M1216286435压力表口1014B9060144M1216286435排污口5057B165125184M1618748545排空口4045B150110184M1618647645 表 接管和法兰尺寸 单位mm 查HG/T 20609-2021?钢制管法兰用非金属平垫片?，垫片尺寸如表所示 表2.4 垫片尺寸表 单位mm管口名称公称直径内

21、径D1外径D2出液口506187进液口506187人孔500530575液位计口202750温度计口101834压力表口101834排污口506187排空口4049752.垫片厚度均为mm，人孔选3mm。2.4.3螺栓螺柱的选择查HG/T 20613-2021 ?钢制管法兰用紧固件?中表和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸： 表2.5 螺栓及垫片 单位mm管口名称紧固件用平垫圈 公称直径螺纹螺柱长h出液口50M168517303进液口50M168517303液位计口20M167517303温度计口10M12701324压力表口10M12701324排空口40M168517303排污口

22、50M168517303根据HGT21517-2005回转盖带颈平焊法兰人孔，查表3-3，选用凹凸面型，其明细尺寸见表2.6： 表2.6 人孔尺寸表 单位：mm密封面型式公称压力PN/MPa公称直径DN总质量kg螺栓尺寸螺母数量螺栓数量凹凸面5002222020BD313620024650715AdbL2601113902434300根据HG/T 21584-95选磁性液面计。第三章 容器强度的校核试验压力：圆筒的薄膜应力 故合格圆筒轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上。见图。图3.1 容器载荷、支座反力、剪力及弯矩图 1圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 最高点处： 按下式

23、进行计算 最低点处： 按下式进行计算 2支座处圆筒截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 因鞍座平面上筒体被封头加强，取鞍座包角，查JB/T 4731-2005表7-1可得 K1，K2 最高点处：按下式进行计算 最低点处：按下式进行计算 图3.2 支座处圆筒轴向应力位置 3筒体轴向应力校核因轴向许用临界应力由根据圆筒材料查图4-8可得 =MPa，合格，合格 因为A的取值带来的加强作用，查JB/T4731-2005表7-2得K30，K4，其最大剪应力位于靠近鞍座边角处因圆筒 故有 ， 故切向剪应力校核合格计算 合格3.6.筒体的周向应力计算与校核 根据鞍座尺寸表知：b4=430mm即，所以此鞍座

24、垫板作为加强用的鞍座。圆筒的有效宽度b2 ，当容器焊在支座上时，取，查JB/4731-2005表7-3可得。.鞍座在横截面最低点处周向应力 (2).鞍座角边处的周向应力因为 (3).应力校核 符合要求，合格3.7.鞍座应力计算与校核由可得，水平分力计算高度 鞍座有效断面平均应力：鞍座材料Q235-C的许用应力=235MPa符合要求，合格圆筒中心线至根底外表距离：根据JB/T 4731-2005中表76，地震强度为7度时，水平地震影响系数那么轴向力那么 ，钢底板对水泥根底的静摩擦系数那么 筋板面积：腹板面积： 那么 形心: 腹板与筋板组合截面断面系数：那么 ，合格根据2中式7-34计算 其中n为

25、承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，；为筒体轴线两侧的螺栓间距；为每个地脚螺栓的横截面面积，；那么取载荷系数，那么由于，所以强度符合要求。根据2中式7-35计算 其中为承受剪应力的地脚螺栓个数，；那么 由于 故符合强度要求。3.9 开孔补强设计根据GB150规定，当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。(1)设计压力小于或等于。(2)两相邻开孔中心的距离对曲面间距以弧长计算应不小于两孔直径之和的2倍。(3)接管公称外径小于或等于89mm。故该储罐中只有DN=500mm的人孔需要补强。3.9.1 补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径故可以采用等面

26、积法进行开孔补强计算。接管材料选用Q-235C钢，其许用应力根据GB150-1998中式8-1，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补强面积为有效宽度B确实定按GB150中式8-7，得：有效高度确实定(1外侧有效高度确实定根据GB150中式8-8，得：(2内侧有效高度确实定根据GB150-1998中式8-9，得：3.10 有效补强面积根据GB150中式8-10 式8-13，分别计算如下：筒体多余面积接管厚度 接管的多余面积 焊角取5.0mm， 3.11 补强面积因为，所以开孔不需另加补强第四章: 卧式贮罐的焊接4.1 焊缝布置压力容器受局部的焊接接头分为A，B，C，

27、D四类：A 类焊缝：受压局部的纵向接头多层包扎压力容器层板层纵向接头除外球形封头与圆筒联接的环向接头，各类凸形封头中所有拼焊接头以及嵌入式接管与圆筒，封头联接的对接接头等。B 类焊缝：受压局部的环向接头，椭圆形封头小端与接管连接的接头。长颈法兰与接管连接的接头。但已规定的A，C，D类焊缝除外。C类焊缝：平盖，管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体接管的接头，内封头与圆筒的搭接填角接头以及多层包扎压力容器层板层纵向接头。D类焊缝：接管孔与壳体非对接连接的接头凸缘，补强圈与壳体连接的接头。但已规定的A，B类的焊接接头除外。由上述四类接头的说明设计如下：椭圆形封头与圆筒连接的环向接头A类受压局部的环

28、向接头筒节与筒节的对接B类法兰与壳体接管的接头C类接管与人孔等与壳体非对接的接头D类4.1.2 焊缝的布置焊接是压力容器设计、制造过程中不可防止的连接方式。压力容器筒体的周向应力是轴向应力的2倍,因此,在制造过程中,对纵向焊缝的质量要求要比环向焊缝要高。对于容器,焊缝是一个薄弱区域。因此,对焊缝的布置从设计上有一定的要求。焊缝的交叉、重叠或距离太近都将增加焊接应力,恶化焊缝区域的组织和性能,从而容易形成裂纹等缺陷。所以,在容器组焊时,应尽量防止十字焊缝;相邻两筒节纵缝、封头拼缝与相邻筒节的纵缝应错开,其焊缝中心间距应大于筒壁厚度的3倍,且不小于100mm;封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距至少

29、应为钢板厚度的3倍,且不小于100mm;封头由成形瓣片和顶圆板拼成时,焊缝方向只允许是径向和环向的。受压元件主要焊缝及其邻近区域，应防止焊接零件。如不能防止时，焊接零件的焊缝可穿过主要焊缝，而不要在焊缝及其邻近区域中止。开孔、焊缝和转角要错开。开孔边缘与焊缝的距离应不小于开孔处实际壁厚的3倍，且不小于100mm。在凸形封头上开孔时，孔的边缘与封头周边间的投影距离应不小于封头外径的10。开孔及焊缝不允许布置在部件转角处或扳边圆弧上，并应离开一定距离。4.2 焊接方法A，B类焊缝，查焊接手册第三卷：由于壁厚8，所以选择3至26的Y形坡口如图：图4.1 A,B类焊缝的坡口形式,及焊后效果坡口尺寸：=406034C类焊缝，查表：由于壁厚8，所以选择340的V形坡口如图：坡口尺寸/mm：=3550=04() =0图4.2 C类焊缝的坡口形式,及焊后效果4.3 焊接顺序4.3.1 焊前清理工件焊接前必须进行清理，除去工件外表的锈渍，油污和工件外表的毛刺。焊前处理能够有效防止焊接过程中产生气孔、夹杂等焊接缺陷的形成。焊接过程至关重要，施工人员必须严格按照合理的结构顺序，选择合理的焊接工艺参数，严格施工。首先将两侧的半圆点焊在