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化工设备机械基础课程设计
化工设备机械基础课程设计
课程设计题目:
液氨贮罐设计
班级:
07080102
姓名:
马清竹
学号:
0708010207
指导老师:
崔岳峰
沈阳理工大学环境与化学工程学院
2010年11月
18
设计任务书
课题:
液氨贮罐的机械设计
设计内容:
根据给定的工艺参数设计一个液氨贮罐
已知工艺参数:
最高使用温度:
T=50℃
公称直径:
DN=2600mm
筒体长度(不含封头):
L0=4700mm
具体内容包括:
1.筒体材料的选择
2.罐的结构及尺寸
3.罐的制造施工
4.零部件型号及位置、接口
5.相关校核计算
设计人:
马清竹
学号:
0708010207
下达时间:
2010年11月19日
完成时间:
2010年12月26日
目录
1.设计方案 1
1.1.设计原则 1
1.2.材料的选择 1
1.3 设计参数的确定 1
1.4.设计结果 2
2. 设计计算 4
2.1.壁厚的计算 4
2.1.1. 筒体壁厚的计算 4
2.1.2. 封头壁厚的计算 4
2.1.3. 水压试验与强度校核 5
2.2.选择鞍座并计算其承载能力 5
2.2.1. 罐体的质量 6
2.2.2. 封头的质量 6
2.2.3. 液氨的质量 6
2.2.4. 附件的质量 6
2.3.选择人孔并进行补强计算 7
2.3.1. 人孔的选择 7
2.3.2. 人孔补强计算 7
2.4.接口管的选择 8
2.4.1. 液氨进料管 8
2.4.2. 液氨出料管 8
2.4.3. 液面计接口管 8
2.4.4. 安全阀接口管 8
2.4.5. 放空阀接口管 8
2.4.6. 排污管 8
3. 参数校核 9
3.1.筒体轴向应力校核 9
3.1.1. 筒体轴向弯矩计算 9
3.1.2. 筒体轴向应力计算 10
3.2.筒体和封头切向应力校核 11
3.2.1. 筒体切向应力计算 11
3.2.2. 封头切向应力计算 11
3.3.筒体环向应力校核 12
3.3.1. 环向应力计算 12
3.3.2. 环向应力校核 12
3.4.鞍座有效断面平均压力 12
4.设计汇总 14
4.1.符号汇总 14
4.2.公式汇总 15
5. 液氨贮罐设备图 17
6. 小结 18
1.设计方案
1.1.设计原则
本设计中液氨贮罐属于中压容器,设计以“钢制压力容器”国家标准(GB150)为依据,严格按照政府部门对压力容器安全监督的法规“压力容器安全技术监督教程”的规定进行设计。
以安全为前提,综合考虑质量保证的各个环节,尽可能做到经济合理,可靠的密封性,足够的安全寿命。
其设计的主要步骤如下:
对设计中要用的各种设计参数进行计算和选取,以及根据制造容器的特殊要求材料选择。
利用计算公式对容器筒体和封头壁厚的设计,以及封头类型的选择。
根据鞍座承受的载荷而选用对称布置的双鞍座,再对容器进行各种应力分析和校核。
从连接的密封性、强度等出发,标准选用各种法兰。
根据以上的容器设计计算,画出设计总设备图。
1.2.材料的选择
1)罐体和封头的材料选择
纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材。
由操作条件可知,该容器属于中压、常温范畴。
在常温下材料的组织性和力学性能没有明显的变化。
综合了材料的机械性能、焊接性能、腐蚀情况、强度条件、钢板的耗材量与质量以及价格的要求,根据《化工设备机械基础》(赵军、张有忱、段成将编,P125)表9-3钢材选用表,筒体和封头的材料选择钢号为16MnR的钢板,使用状态为热轧或正火(设计温度为-40~475℃,钢板标准GB6654-86)。
2)接管与法兰材料的选择
接管材料选用10号钢管(许用压力:
[σ]=[σ]t=112MPa),法兰材料选用16Mn(锻)。
3)鞍座材料的选择
鞍座地板材料选用16MnR,鞍座其余材料选用16MnR。
1.3设计参数的确定
1)设计温度:
T=50℃
2)设计压力:
由于液氨的最高使用温度为50℃,液氨在50℃的饱和蒸汽压为2.033MPa(绝对压强),密度为0.562871,根据《压力容器安全监察规程》规定液化气体贮罐必须安装安全阀,设计压力可取最大操作压力的1.05-1.10倍。
设计压力P=1.10×(2.033-0.10133)=2.125MPa(表压),故取设计压力为2.125MPa。
液柱的静压力为Pi=DN·ρ·g=2.6×0.56281×103×9.81×10-6=0.014355MPa<5%P=0.106MPa,所以静压力可忽略不计,可取计算压力Pc=P=2.125MPa。
3)钢板厚度负偏差:
根据《化工设备机械基础》(董大勤编,P173)表8-11可知钢板厚度在8.0~25mm时钢板负偏差C1=0.8mm。
4)腐蚀裕量:
根据《化工设备机械基础》(董大勤编,P173)可知腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定。
腐蚀裕量C2=λ·n,其中λ为腐蚀速率;n为容器的设计寿命。
根据《腐蚀数据与选材手册》(左景伊,左禹编著,P216)钢铁对于氨气和液氨有优良的耐蚀性,腐蚀率在0.1mm/a以下。
且设计贮罐为单面腐蚀,故取C2=2.0mm。
5)焊接头系数:
本次设计是液氨贮罐的机械设计。
氨属于中度毒性物质,又由于PV=2.125×2.62×π/4×4.7=52.87>10MPa·m3,由《常用压力手册》(刘湘秋编著,P125)可知该贮罐为中压储存容器,即为第三类压力容器。
由于焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方,要保证设备密封性能良好,故筒体焊接结构采用双面焊或相当于双面的全焊透的对接接头,且全部无损探伤的,故取焊接头系数φ=1.0。
6)许用压力:
对于本设计是钢板卷焊的筒体以内径作为公称直径DN=D1=2600mm。
假设16MnR钢的厚度在16~36mm之间,根据《化工设备机械基础》(董大勤编,P168)表8-7,设计温度下的许用应力[σ]t=163MPa。
常温强度指标σb=490MPa,σs=325MPa。
1.4.设计结果
罐体:
采用16MnR钢板,DN=2600,L0=4700mm,δn=20mm
封头:
采用DN2600×20—16MnRJB/T4737
鞍座:
采用JB/T4712—92鞍座A2600—F
JB/T4712—92鞍座A2600—S
人孔:
采用HG21523—1995人孔RFIV(A·G)450—2.5
液氨进料管:
采用φ57mm×3.5mm无缝钢管
液氨出料管:
采用可拆的压出管φ25mm×3mm,将它与法兰套在接口管φ38mm×3.5mm内。
排污管:
采用φ57mm×3.5mm的管子
液面计:
采用玻璃管液面计BIWPN1.6,L=1000mm,HG5—227—80
放空管接管:
采用φ32mm×3.5mm无缝钢管,法兰HG20594,法兰SO25—1.6RF16MnR
安全阀接管:
采用φ32mm×3.5mm无缝钢管,法兰HG20594,法兰SO25—1.6RF16MnR
2.设计计算
2.1.壁厚的计算
2.1.1.筒体壁厚的计算
在GB-150-1998《钢制压力容器》中规定,将计算厚度与腐蚀裕量作为设计厚度,即:
(2-1)
式中δd—设计厚度(mm);
C2—腐蚀裕量(mm);
Pc—筒体的设计压力(MPa);
DN—筒体的公称直径(mm);
Φ—焊接接头系数;
[σ]t—钢板在设计温度下的许用应力(MPa)。
则=mm
将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整到钢板的标准规格厚度,即筒体的名义厚度:
δn=δd+C1+△(2-2)
即δn=δd+C1+△=19.02+0.8+△=20mm。
圆整后取δn=20mm厚的16MnR钢板制作筒体。
有效厚度为:
δe=δn-C1-C2(2-3)
所以δe=δn-C1-C2=20-0.8-2.0=17.2mm
2.1.2.封头壁厚的计算
由于椭圆封头厚度的计算公式和筒体厚度的计算公式几乎一样,说明圆筒体采用标准椭圆封头,其封头厚度近似等于筒体厚度,这样筒体和封头可采用同样厚度的钢板来制造。
故采用标准椭圆封头。
由《化工设备机械基础》(董大勤编,P185)可知标准椭圆封头的形状系数K=1.00。
封头的设计厚度为:
(2-4)
即==19.003mm
考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量,需圆整,封头的名义厚度仍利用公式(2-2),于是
δn=δd+C1+△=19.003+0.8+△=20mm,圆整后取δn=20mm厚的16MnR钢板制作封头。
标准椭圆封头标记为:
椭圆封头DN2600×20—16MnRJB/T4737。
封头的有效厚度由公式(2-3)计算,于是δe=δn-C1-C2=20-0.8-2.0=17.2mm
由《化工设备机械基础》(董大勤编,P176)表8-12查得标准椭圆封头的直边高度h0=50mm。
故两封头切线之间的距离为L=L0+2h0+1/2DN=4700+100=4800mm。
2.1.3.水压试验与强度校核
根据《化工机械基础》(陈国恒主编,P162)公式
(2-5)
式中Pt—试验压力(MPa)
δe—有效厚度(mm)
σs—强度指标(MPa)
其中Pt=1.25P=1.25×2.125=2.656MPaδe=17.2mmσs=325MPa
所以MPa≤0.9σsφ=0.9×325×1.0
=292.5MPa
所以水压试验满足强度要求。
2.2.选择鞍座并计算其承载能力
首先粗略计算鞍座的负荷
贮罐的总质量为:
m=m1+m2+m3+m4(2-6)
式中m1—罐体质量(Kg)
m2—封头质量(Kg)
m3—液氨质量(Kg)
m4—附件的质量(Kg)
2.2.1.罐体的质量
根据《化工机械基础》(陈国恒主编,P312)续表查得,DN=2600mm,壁厚δn=20mm时筒节钢板质量q1=1290Kg/m,所以
m1=q1·L0(2-7)
于是m1=q1·L0=1290×4.7=6063Kg
2.2.2.封头的质量
根据《化工设备基础》(陈国恒主编,P312)续表查得,DN=2600mm,壁厚δn=20mm,h0=50mm条件下椭圆型封头质量q2=1230Kg/m,故
m2=2q2(2-8)
于是m2=2q2=2×1230=2460Kg
2.2.3.液氨的质量
m3=V·ρ(2-9)
式中V—主管容积(m3)
Ρ—水的密度(Kg/m3)
其中根据《化工机械基础》(陈国恒主编,P312,P315)续表查得,DN=2600mm,壁厚δn=20mm,h0=50mm条件下1m高筒体的体积V1=5.309m3,椭圆型封头的容积V2=2.56m3,故
V=V封+V筒(2-10)
于是V=V封+V筒=2V2+L0×V1=2×2.56+4.7×5.309=30.07m3
液氨在0℃时的密度为64Kg/m3,小于水的密度,故充液氨质量按水计算。
即ρ=1000Kg/m3。
所以m3=V·ρ=30.07×1000=30070Kg
2.2.4.附件的质量
人孔约重200Kg,其它管的总和按300Kg计,故
m4=200+300=500Kg
所以设备的总质量为m=m1+m2+m3+m4=6063+2460+30070+500=39093Kg
各鞍座的反力为F=mg/2=39.093×9.81/2=191.75KN,由《化工容器及设备简明设计手册》(贺匡国主编,P604,P606)表22-1和表22-3查得,选用轻型(A型)120°包角带垫板鞍座,鞍座宽度b=300mm,腹板厚10mm,垫板宽500mm,垫板厚8mm。
鞍座标记为:
JB/T4712—92鞍座A2600—F
JB/T4712—92鞍座A2600—S
因为0.2L>0.5R,取鞍座位置A=0.5R=0.5×1300=650mm
2.3.选择人孔并进行补强计算
2.3.1.人孔的选择
根据贮罐是在常温及最高工作压力位2.125MPa的条件下,人孔标准应按公称压力为2.5MPa的等级选取。
受压设备的人孔盖较重,一般均选用吊盖式人孔或回转盖式人孔。
吊盖式人孔使用方便,垫片压紧较好,回转盖式人孔结构简单,转动时所占空间平面较小,如果布置在水平时,开启时比较费力,故选水平吊盖人孔。
该人孔标记为:
HG21523—2005人孔RFⅣ(A·G)450—2.5
其中RF指突面封闭,Ⅳ指接管于法兰的材料为20R,A·G是指用普通石棉橡胶板垫片,450—2.5是指公称直径为450mm、公称压力为2.5MPa。
2.3.2.人孔补强计算
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。
根据《化工设备机械基础设计指导书》(方书起主编P76)表3-48查得,接管公称直径为di=450mm时补强圈外径为760mm。
而内径按补强圈坡口类型确定。
本设计选用C型20°(C=10)。
因此内径为
Di=di+2C+(12~16)(2-11)
于是内径Di=di+2C+(12~16)=450+2×10+16=486mm
则补强圈厚度可按下式估算
于是==32.9mm
故补强圈取36mm厚。
2.4.接口管的选择
2.4.1.液氨进料管
采用φ57mm×3.5mm无缝钢管。
管的一端切成45°,伸入贮罐内少许。
配用具有突面密闭的平焊管法兰,法兰标记为:
HG20594法兰SO50—2.5RF16MnR。
因为壳体名义壁厚δd=20mm>12mm,接管公称直径小于80mm,故不用补强。
2.4.2.液氨出料管
采用可拆的压出管φ25mm×3mm,将它用法兰套在接口管φ38mm×3.5mm内,罐体的接口管法兰HG20594法兰SO32—2.5RF16MnR。
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HG20594法兰SO32—2.5RF16MnR相同,但其内径为25mm。
液氨压出管的端部法兰HG20594法兰SO32—2.5RF16MnR。
这些小管都不补强,压出管伸入贮罐2.5m。
2.4.3.液面计接口管
本贮罐采用玻璃管液面计BIWPN1.6,L=1000mm,HG5—227—80两支。
与液面计相配的接口管尺寸为φ18mm×3mm,管法兰为HG20592法兰SO15—2.5RF16MnR。
2.4.4.安全阀接口管
采用φ32mm×2.5mm无缝钢管,法兰为HG20592法兰SO15—2.5RF16MnR(尺寸由安全阀泄露放量决定)。
2.4.5.放空阀接口管
采用φ32mm×2.5mm无缝钢管,法兰为HG20592法兰SO25—2.5RF16MnR。
2.4.6.排污管
贮罐右端最底部安设排污管一个,管子规格为φ57mm×3.5mm,管端焊有一与截止阀J41W—16相配的管法兰HG25092法兰SO50—2.5RF16MnR。
排污管与罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈。
3.参数校核
3.1.筒体轴向应力校核
3.1.1.筒体轴向弯矩计算
筒体中间处截面的弯矩为
(3-1)
式中F—鞍座反力(N);
Rm—筒体内半径(mm);
L—两封头切线之间的距离(mm);
A—鞍座的位置(mm);
hi—椭圆封头长半轴外半径(mm);
其中Rm===1320mm
所以
=
9.26×107N·mm
支座处截面上的弯矩为
(3-2)
于是
=
--1.103×107N·mm
3.1.2.筒体轴向应力计算
由《化工机械工程手册》(上卷)P11-99表11.4-11查得K1=K2=1.0。
因为,且A≤Rm/2=660mm,故最大轴向应力出现在跨中面,校核跨中面应力。
(1)由弯矩引起的轴向应力
圆筒中间截面上
最高中处:
(3-3)
于是=-0.984MPa
最低点处:
MPa
鞍座截面处
最高点处:
==0.117MPa
最低点处:
==-0.117MPa
(2)由设计压力引起的轴向应力
(3-4)
于是==81.54MPa
(3)轴向应力组合与校核
最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低点处
于是
=81.54+0.984=82.524MPa(3-5)
许用轴向拉压应力[σ]t=163MPa,合格。
最大轴向压应力出现在充满水时,在筒体中间截面的最高点处
MPa
轴向许用应力
=0.001244(3-6)
根据A值查外压容器设计的材料温度线图(化工设备机械基础赵军编,P152)图11-9,查得B=130MPa,取许用压缩应力,合格。
3.2.筒体和封头切向应力校核
因筒体被封头加强,筒体和封头的切向剪应力分别按下列计算。
3.2.1.筒体切向应力计算
(3-7)
由《化工机械工程手册》(上卷)P11-100表11.4-12查得K3=0.880,K4=0.401。
于是
==7.432MPa
3.2.2.封头切向应力计算
(3-8)
于是==3.387MPa
=43.14
合格
3.3.筒体环向应力校核
3.3.1.环向应力计算
设垫片不起作用
(1)在鞍座处横截面最低点处
(3-9)
式中b2—筒体有效宽度。
由《化工机械基础手册》(上卷)P11-101表11.4-13查得K5=0.7603,K6=0.0132。
式中k=0.1考虑容器焊在鞍座上
(3-10)
式中b—支座轴向宽度。
于是=300+=535.06mm
故==-1.584MPa
(2)鞍座边角处轴向应力
因为L/Rm=4700/1320=3.56<8,所以
-=-18.04MPa(3-11)
3.3.2.环向应力校核
MPa
MPa
3.4.鞍座有效断面平均压力
支座承受的水平分力
(3-12)
由《化工机械工程手册》(上卷)P11-103表11.4-15查得K9=0.204。
于是=0.204×191750=39117N
鞍座有效断面平均应力
(3-13)
式中Hs—鞍座计算高度;
b0—鞍座腹板厚度。
其中Hs取鞍座实际高度(Hs=250mm)和Rm/3=1310/3=436.67mm中的最小值,即Hs=250mm。
腹板厚度b0=δ2-C1=10-0.8=9.2mm
于是==17.01MPa
应力校核
=108.7MPa
式中MPa,鞍座材料16MnR的许用应力。
4.设计汇总
4.1.符号汇总
符号
代表参数
符号
代表参数
DN
筒体直径
Hs
鞍座设计高度
L0
筒体长度(不含封头)
σs
屈服极限
T
温度
V
体积
P
设计压力
Pt
试验压力
Pc
计算压力
σt
管件应力
[σ]t
许用压力
m
质量
λ
腐蚀速度
L
两封头切线间的距离
n
设计年限
h
封头直边高
C2
腐蚀裕量
F
支座反力
P1
液柱静压力
H
鞍座高度
φ
焊接接头系数
A
鞍座中心线与封头切线间的距离
ρ
密度
Rm
椭圆封头外径
δ
计算厚度
hi
封头曲面深度
δd
设计厚度
M
弯矩
δn
名义厚度
σp
轴向应力
δe
有效厚度
R
封头内径
K
有效厚度封头形状系数
τ
剪应力
C1
厚度负偏差
b2
筒体有效宽度
4.2.公式汇总
名称
公式
出处
贮罐总质量
m=m1+m2+m3+m4
《化工机械基础》(陈国恒主编)P312
罐体质量
m1=q1L0
封头质量
m2=2q2
充液质量
m3=V·ρ
筒体中间处横面的弯矩
《化工容器设计例题、习题集》(蔡仁良)P97
支座处截面的弯矩
由弯矩引起的轴向应力(最高点处)
《化工容器设计例题、习题集》(蔡仁良)P170
由弯矩引起的轴向应力(最低点处)
设计压力引起的轴向应力
轴向拉应力
轴向压应力
轴向许用压缩应力
筒体切向剪应力
《化工机械工程手册》(上卷)(余国宗)P11-100
封头切向剪应力
鞍座处横截面最低点处环向应力
鞍座边角处轴向应力
《化工容器设计例题、习题集》(蔡仁良)P171
支座承受的水平分力
鞍座有效断面平均应力
补强圈内径
Di=di+2C+(12~16)
《化工机械工程手册》(上卷)(余国宗)P11-163
补强圈厚度
《化工机械基础》(陈国恒主编)P221
5.液氨贮罐设备图
贮罐的总装配图示于附图,各零部件的名称、规格、尺寸、材料等见明细表。
本贮罐计算要求:
1)本设备按GB150—1998《钢制压力容器》进行制造、试验和验收。
2)焊接材料,对接焊接接头形式及尺寸可按GB985—80中规定(设计焊接接头系数φ=1.0)。
3)焊接采用电弧焊,焊条型号为E4303.
4)壳体焊缝应进行无损失探伤检查,探伤长度为100%。
5)设备制造完毕后,以2.65MPa表压进行水压试验。
6)管口方位按接管表。
6.小结
经过本次课程设计,我学到了很多知识。
提高了我解决实际问题的能力,同时也熟悉了论文的格式和要求,对CAD制图的应用也有了很大的提高。
液氨贮罐发生应力腐蚀裂纹是有一定条件的,它不仅与选材及制造过程有关,也与使用条件有关。
预防液氨贮罐的应力腐蚀开裂有许多方法,如降低金属表面的应力水平(材料的选择及新容器的消除应力处理),添加水以减少氧的影响和牺牲阳极的阴极保护法等。
在设计中,选材时综合考虑材料的物理、力学性能、耐腐蚀性和经济性。
在进行工艺计算后又进行了强度校核,在结构设计时,查阅资料参照相关标准选择附件。
由于知识有限,本设计还有待改进,需要继续学习,以补充知识的缺陷。
通过设计,从中学到了综合分析问题的能力,增加了设计经验,更进一步提高了手工绘图的技能。
参考文献
[1]董大勤.化工设备机械基础.北京:
化学工业出版社,2009:
173,1
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