20立方米液氮立式储罐结构设计

I学生姓名●班级学号材料成型及控制工程课程设计题目20m³液氮立式储罐结构设计评语组长签字：成绩日期沈阳理工大学课程设计说明书I课程设计任务书学生姓名班级学号实践教学要求与任务：设计压力；1.76MPa设计温度；≤50℃受压元件材料；16MnR腐蚀裕量；1.0mm全容积；20m3最高工作压力；1.6MPa工作温度；常温介质；液氮焊缝系数：1装料系数；0.95工作计划与进度安排：1.储罐的强度计算及校核。2.选择合适的零部件材料。3.焊接结构选择及设计。4.安全阀和主要零部件的选型。5.绘制装配图及主要零部件。指导教师：学院教学副院长：氮气贮罐是储存氮气的压力容器，本次设计中详细制定了氮气储罐罐体部分的制作工艺和结构的设计。根据压力容器的制造标准，此氮气储罐属于I类压力容器。其设计、制造、检验和验收应符合GB150.4—2010《固定式压力容器》的规定。该产品主体部分由16MnR钢制作完成，其它配件部分由Q235钢制作完成。而16MnR钢和Q235钢的力学性能和焊接性能均良好。通过分析母材的各种性能以及氮储罐的结构特点，编制出适合氮气储罐的生产工艺流程。主要为储罐的筒体制作工艺、贮罐的封头制作工艺和贮罐的总装配焊接工艺。最后结合产品的技术要求，采用无损测和水压试验对氮气贮罐进行检验。Nitrogenstoragetankisstorednitrogenpressurevessel,thisdesignworkedoutindetailnitrogenstoragetankpartoftheproductionprocessandstructuredesign.Accordingtothemanufacturingstandardofpressurevessel,thenitrogenstoragetankbelongstoclassIpressurevessel.Thedesign,manufacture,inspectionandacceptanceshallcomplywiththeprovisionsGB150.4-2010"fixedpressurevessel".Themainpartoftheproductismadeof16MnRsteel,andotherpartsaremadeofQ235steel.steelaregood.Byanalyzingthevariouspropertiesofthebasemetalandproductionprocessofthenitrogenstoragetankisprepared.Weldingassemblyfortankcylinderproductionprocess,theproductionprocessandtheheadtankstoragetank.Accordingtothetechnicalrequirementsoftheproduct,thenondestructivetestingandpressuretestofthenitrogenstoragetank.沈阳理工大学课程设计说明书1结构设计 l 11.2罐体结构设计 12罐体、封头壁厚的设计 2 2.2设计条件 3 2.5.1校核罐体一封头液压试验强度 5 6 6 63.1.1储罐总质量m 6 73.1.3封头质量m₂ 73.1.4氮气质量m₃ 7 8 93.2.1人孔的设计 9 10 3.3.1接管补强条件 13沈阳理工大学课程设计说明书 175储罐防腐防锈处理 186参考文献 187心得体会 18V沈阳理工大学课程设计说明书1结构设计1.1设备设计主要技术指标：表1-1氮气储罐工艺参数数值数值最高工作压力，MP常温20m³立式储罐常温20m³立式储罐氮气设备容积，m3介质1.2罐体结构设计根据20m3储罐，长径比按4:1,粗略计算内径：D;=1900mm得D=1853mm圆整为1900mm根据氮气的性质及设计条件，选用椭圆形封头容器。就力学性能而言，半球形封头效果较好，但是冲压工艺较难，不易成型。根据JB/T4737-1995选用EHA椭圆形封头。直边高度容积V/m³直边高度容积V/m³曲面高度内表面积A/m²DN/mm1沈阳理工大学课程设计说明书上压力容器体积得L=6369mm圆整得L=6500mm不符合设计要求要根可得L=7000mm综上所述，筒体的公称直径为D=1900mm,长度L=7000mm。氮气腐蚀性小可选用一般钢材。这里考虑20R、16MnR。20R低碳钢板价格比16MnR钢板贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板比较经济，且16MnR机械加工性能、强度和塑性指标相对比较好，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。根据标准GB/T713-2008《锅炉和压力容器用钢板》规定原16MnR归为L=7002二一二一二二一>16～36一一一一一一>60～100一>100～120一一沈阳理工大学课程设计说明书2.2设计条件由于该压力容器装有安全阀，设计压力不低于安全阀开启压力1.05~1.10倍的工作压力，故p=1.10×1.6=1.76Mpa。2.3筒体壁厚计算设备主要材质为16MnR,根据新标准GB/T713-2008《锅炉和压力容器用许用应力[o]'=170MPa(厚度为6-16mm时)低合金钢钢板由《钢制压力容器的焊接接头系数φ值》表，选择双面焊对接接头无损检测比例为100%,所以φ=1.00计算厚度设计厚度δ=δ+C₂=9.89+1=10.89mm对于16MnR,钢板厚度负偏差查表12-9得C₁=0.65mm公称厚度常用漂度宽度>1.3～2.6米公称厚度允许偏参最低厚度3.0～5.03>25～40454.45>5.0~8.06土0.608>8.0~15>60～100名义厚度δ,=δ+C+圆整量=10.89+0.65+圆整=12mm3mmmmmm沈阳理工大学课程设计说明书检查δ,=12mm时，[o]没变化，故取名义厚度δn=12mm假设材料的许用应力[o]'=170MPa(厚度为6-16mm时)由于H——封头的总高度h——直边高度查表标准椭圆形封头的形状系数K得K=1.00C=1m故腐蚀余量C,取C=1mm设计厚度S=δ+C=9.86+1=10.86mm对于16MnR,钢板厚度负偏差查表12-9得C=0.65mm名义厚度δ,=δ+C+圆整=10.86+0.65+圆整=12mm复检δ×6%=12×6%=0.72>0.65mm,并且δ,=12mm时，[o]没变化，故取名义厚度δ,=12mm。查JB/T4737-95可知，以内径为公称直径的椭圆型封头形状与尺寸如下所表2-4封头尺寸45则而则而公称直径D₂曲边高度H-h(mm)直边高度h(mm)内表面积F容积V(m³)厚度s2.5校核2.5.1校核罐体一封头液压试验强度圆筒的有效壁厚δ=δ,-C-C₂=12-0.65-1=10.35mm圆筒在试验压力下的屈服点0.9φδ=0.9×1×345=310.沈阳理工大学课程设计说明书可见δ<0.9φ8s所以水压试验前度足够。2.5.2校核罐体一封头气压试验强度员筒壁在试验压力下的计算式中圆筒的有效壁厚δ=δ,-C-C,=11-0.25-1=9.75mm圆筒在试验压力下的屈服点而0.8φS=0.8×1×345=276Mpa可见δ<0.8φ8、所以气压试验前度足够。3附件设计3.1支座3.1.1储罐总质量mm=m₁+m₂+m₃+m₄m₁—罐体质量m,—封头质量m₃—液氮质量6沈阳理工大学课程设计说明书m₄—附件质量3.1.2罐体质量mDN=1900nm6,=12mmL=7000nm的筒节m=nDδ,Lp=3.14×(1900+12)×12×7000×7850=3958kg3.1.3封头质量m,DN=1900nm,δ,=12mm直边高度h=25mm的标准椭圆形封头，其质量m=3843kg(JB/T4746—2002),所以m₂=2m=2×3843=7686kg3.1.4氮气质量m₂由于m₃=Vp量装系数一般取0.9)储罐容积V=2V+V=1.942+19.85=21.79m²液氮在常温下的密度为1.25kg/m故m₃=0.9×21.79×1.25=24.5kgm,=3m₂=7m₃=7于是m₄=500kg储罐总质量m=m₁+m₂+m₃+mm.=500kgm.=500kgm=5251.1kg=5251.1kg充液质量；M3=0.9xpxV=0.95x1000x21.79=20700.5kg故设备总重量；M=ml+m2+M3+m4=3958+768.6+20700.5+500=25927.1根据支撑式支座标准，A型4号支撑式支座可允许100KN,所以成立公称直径b允许载荷垫板δ支座高度he底板l筋板距L量螺栓直径的距离支撑座尺寸根据标准规定，A支座安装高度为500mm(即封头与筒体连接处到地面的距离)在该支座标记为；JB/T4712.4-2007支座A489沈阳理工大学课程设计说明书查《压力容器与化工设备实用手册》,因筒体长度7000mm>6000mm,需开两个人孔，可选回转盖带颈对焊法兰人孔。由使用地为室外，确定人孔的公称直径DN=450mm,以方便工作人员的进入检修。配套法兰与上面的法兰类型相同，根据HG/T21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》,查表3-1,由PN=4.0MPa选用凹凸面的密封形式MFM,采用8.8级35CrMoA等长双头螺柱连接。其明细尺寸见下图：43A型盖轴耳1米1dB型盖轴耳BAs89e李3*末T8李图3人孔的型式图4-1回转盖带颈对焊法兰人孔沈阳理工大学课程设计说明书表4-1人孔尺寸表密封面型式凹凸面MFMDb公称压MPaDb₂螺柱数量公称直A螺母数量480×14H₂B螺柱尺寸M36×3×190dbL总质量kg图4-2补强圈a.设计方法判别按HG/T21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔，设：厚度附加量C=2mm开孔直径D=D;+2C=450+4=504mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用16MnR钢，其许用应力[o]′=163MP。其中：壳体开孔处的计算厚度σ=14.68mm沈阳理工大学课程设计说明书接管的有效厚度σ。=σ-C₁-C₂=14-2=12mm强度削弱系数则A=454×14.68=666472mm²b.补强范围补强有效宽度B的确定：按GB150中有：B₁=2d=2×454=908mmB₂=d+2δ,+2δ=454+2×18+2×14=518mmB=max(B,B₂)=908mm有效高度的确定外侧有效高度h的确定根据GB150-1998中式8-9,得：h”=接管实际外伸高度=H₁=300mmh=min(h,h₂)=79.725mm内侧有效高度2的确定根据GB150-1998中式8-9,得：h₂=0有效补强面积根据GB150中式8-10～式8-13,Ae=Aμ+A₂+A₃分别计算如下：筒体多余面积A₁A₁=(B-d)(δ。-δ)-28(δ-δ)(1-f,)=908-454)×(16-14.68)=599.28mm²接管厚度：A₂=2h(δ-δ)f,+2h₂(δ-C₂)f,=2×79.72×(12-3.478=138.344/8n²焊角取6.0mmA₆=A₁+A₂+A₃=599.28+1382.3488+36=2017.6248mm²因为Ac<A=4772.88mm²,所以开孔需另行补强A₄=A-Ae=6664.72-2017.6248=4647.1mm²围。补强圈内径d'=482mmδ¹=A₄/(D'-d)=16.72mm圆整取名义厚度为18mm根据GB-150,JB/T4736-2002,补强圈焊接形式——D型，D₁=do+(6～12)接管公称直径DN/mm外径D2内径D1厚度δ。(≤1.5δ)重量(Kg)GB150规定，如果壳体开孔满足下述全部要求，所以不需要补强(1)设计压力p≤2.5MP(2)两相邻开孔中心间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的(3)接管外径≤89mm(4)接管最小厚度满足下表要求表3-3-1不另行补强的接管外径及其最小厚度接管外径最小壁厚HG20592法兰WN50-2.5RF16Mn度，设计压力从表14—4可知，所要选用的带颈对焊法兰若采用16Mn板材，应按公称压力1.6MPa,来查取它的尺寸。带颈对焊法兰的各部可以从表PN=1.6MPa带颈对焊,带颈平焊和螺纹法沈阳理工大学课程设计说明书N=74,S=2.9,H₁=8由附表查得连接螺栓为M16,共4个，材料由表9—1查得螺柱材料为40MB,螺母材料为40Cr因为该接管厚度小于5mm,故该接管开孔需要补强。3.3.3接管补强确定壳体和接管的计算壁厚及开孔直径；焊接接头系数φ=1.0补强计算壳体与接管的厚度附加量取C=0.25mm腐蚀余量C,=1mm接管计算厚度开孔直径d=d₁+2C=(57-2×3.5)+2×1.25=52.5mm已知壳体名义厚度δ,=11mm,补强部分厚度δ=3.5mm。接管有效补强宽度为B=2d=2×52.5=105mm接管外侧有效补强高度为需要补强的金属面积A=dδ=11×52.5=577.5mm可以作为补强的金属面积A₁=(B-d(δ-δ)=(105-52.5)×(9.75-8.9)=44.63mm²A₂=2h(δ-δ)f,=2×13.55×(2.25-0.27)=53.66mm²焊缝金属面积A₃所以有效补强范围内的补强面积A。根据公式A。=A₁+A₂+A₃代入具体数值的A=114.29mm²所以需要另加补强，其补强面积A₄=A-A,代入具体数据得A₄=A-A=577.5-114.29mm²=463.21mn²根据公称直径DN=50mm选补强圈，参照补强圈标准JB/T4736,选补强圈内径D₁=55mm,外径D₂=130mm,因B=105mm>D,补强圈在有效范围内。查表《JB/T4736-2002规定的补强圈尺寸系列》应选用的补强圈厚度为8mm,再根据补强材料一般与壳材料相同，确定补强圈为：D√50×8-A-16MnR3.3.4氮气出口管采用φ57mm×3.5mm无缝钢管，伸出长度为120mm。管的一端切成45°,伸入储罐内少许。配用图面板是平焊法兰：HG20592法兰PL50-1.6RF16Mn因为该接管厚度小于5mm,故该接管开孔需要补强，补强计算如4.3.3所示，沈阳理工大学课程设计说明书螺栓、螺母及垫片的选择与氮气进气管相同。3.3.5备用口公称压力为1.6MPa,公称直径为25mm,伸出长度为150mm,采用无缝钢管，采用φ57mm×3.5mm带颈对焊法兰(WN)法兰密封面形式采用平面RF配用法兰：HG20592法兰WN50-1.6RF16Mn因为该接管厚度小于5mm,故该接管开孔需要补强，补强计算如4.3.3所螺栓、螺母及垫片的选择与氮气进气管相同。3.3.6排污口在设备最下端安设一个排污管，管子规格是Rcl,伸出长度120mm,管段装有一个与之配套的截止阀。3.4压力表和安全阀3.4.1压力表口采用Rc%无缝钢管，伸出长度120mm,配有工程压力为1.6Mpa的压力表。3.