化工机械课设 液氨储罐.docx
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化工机械课设液氨储罐
化工设备机械基础
课程设计
设计题目:
液氨贮罐的设计
学院:
环境与化学工程学院
学号:
0908010226
姓名:
指导教师:
日期:
2012年12月25日
设计任务书
设计内容:
根据给定的工艺参数设计一台液氨贮罐。
已知参数:
最高使用温度T=50℃
公称直径DN=1700mm
筒体长度(不含封头)L0=3500mm
具体内容包括:
1.筒体材料选择
2.罐的结构及尺寸
3.罐的制造施工
4.零部件的型号及位置
5.相关校核计算
设计人:
尹建平
学号:
0908010226
下达时间:
2012年11月19日
完成时间:
2012年12月25日
目录
1.前言1
2.设计参数的确定2
2.1设计温度与设计压力的确定2
2.2筒体材料的选择2
2.3封头的选择2
2.4许用应力的确定2
2.5焊接接头系数的确定3
3.设计工艺计算4
3.1筒体壁厚的计算4
3.2封头壁厚的计算4
3.3水压试验4
3.3.1确定水压试验的试验压力值4
3.3.2计算水压试验时的器壁应力值5
3.3.3强度校核5
3.4选择人孔并核算开孔补强5
3.4.1人孔的选择5
3.4.2开孔补强的核算6
3.5选择鞍座并核算承载能力8
3.5.1承载能力的核算9
3.5.2鞍座的选择10
4其他材料及结构的选择与论证11
4.1液面计的选择11
4.2爆破片的选择11
4.3选配工艺接管11
4.3.1液氨进料管11
4.3.2液氨出料管12
4.3.3安全阀接口管12
4.3.4放空阀接口管12
4.3.5液面计接口管12
4.3.6排污管12
5参数校核13
5.1筒体轴向应力校核13
5.1.1筒体轴向弯矩计算13
5.1.2筒体轴向应力计算14
5.2筒体和封头切向应力校核15
5.2.1筒体切向应力计算15
5.2.2封头切向应力计算15
5.3筒体环向应力的计算和校核15
5.3.1环向应力的计算15
5.3.2环向应力的校核16
5.4鞍座有效断面平均压力16
6设计汇总18
7小结19
1.前言
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。
然而化工容器又有其本身特点,不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件,还要承受化学介质的作用,要能长期的安全工作且保证良好的密封。
因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素,使之达到最优。
液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料,还可用作医药和农药的原料。
在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂,可用作有机化工产品的氨化原料,还可用作冷冻剂,将氨进行分解,分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体,可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。
本次课程设计是在我们学完《化工设备机械基础》这门课程后开的课程设计,目的就是设计一台液氨贮罐。
根据设计任务书的要求,贮罐形式为圆筒形,由于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,故选用圆筒形卧式容器。
设计内容主要包括,设计所需参数的确定,贮罐材料的选取,筒体和封头壁厚的计算以及相关校核,另外还有支座以及一些附件的选取与安装。
最后汇出液氨贮罐的装配图。
2.
设计参数的确定
2.1设计温度与设计压力的确定
根据设计任务书要求筒体的公称直径DN=1700mm,储罐的最高工作温度为50℃,此时液氨的饱和蒸汽压为2.033MPa(绝对压力),容器的设计压力应该高于其最大工作压力,因此取此压强的1.10倍作为设计压力,故设计压力Pc为:
Pc=(2.033-0.1)×1.10=2.126MPa
2.2筒体材料的选择
纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,可以考虑20R、16MnR.这两种钢种。
如果纯粹从技术角度看,建议选用20R类的低碳钢板,16MnR钢板的价格虽比20R贵,但在制造费用方面,同等重量设备的计价,16MnR钢板为比较经济。
所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。
2.3封头的选择
从受力与制造方面分析来看,球形封头是最理想的结构形式。
但缺点是深度大,冲压较为困难;椭圆封头浓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。
由应力分析可知,椭圆形封头沿经线各点的应力是变化的,顶点处应力最大,在赤道上可能出现环向内压应力,对于标准椭圆形封头与壁厚相等的圆筒体相连接时,其可以达到与筒体等强度。
几何方面,就单位容积的表面积来说,以半球形封头为最小。
椭圆形和蝶形封头的容积和表面积基本相同,可以近似认为相等。
因此,从几何、力学和制造方面综合考虑,采用标准椭圆形封头最为合理。
椭圆形封头的型式及尺寸按JB/T4737-95《椭圆形封头》的规定标准椭圆形封头的长短轴比值为2。
封头材料与筒体一样为16MnR。
2.4许用应力的确定
制造容器所用的钢板,其在设计温度下许用应力值的大小,直接决定着容器强度,是主要设计参数之一。
在GB150《钢制压力容器》中,对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力,16MnR的许用应力见表2.1。
表2.1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/MPa
σb
MPa
σs
MPa
≤20
100
150
16MnR
GB6654
热轧,正火
6~16
510
345
170
170
170
>16~36
490
325
163
163
163
>36~60
470
305
157
157
157
2.5焊接接头系数的确定
焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。
焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷而未被发现;焊接热影响区往往形成出大晶粒区而使强度和塑性降低;由于结构刚性约束造成焊接内应力过大等。
所以焊接接头采用V坡口双面焊接,采用全部无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数表查得
=1.00。
3.
设计工艺计算
3.1筒体壁厚的计算
筒体理论厚度计算式为:
(3.1)
式中δ——筒体的理论计算壁厚,mm;
pc——筒体计算压力,MPa;
Di——筒体内径,mm;
[σ]t——钢板在设计温度下的许用应力,MPa;
——焊接接头系数,其值为1。
表4.1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/MPa
σb
MPa
σs
MPa
≤20
100
150
16MnR
GB6654
热轧,正火
6~16
510
345
170
170
170
>16~36
490
325
163
163
163
>36~60
470
305
157
157
157
其中设计压力Pc=2.126MPa,筒体内径DN=1700mm,设计温度下的许用应力[σ]t=170MPa,焊接接头系数
=1.00。
故筒体的理论厚度为:
=
=10.697mm<16mm
由钢板厚度负偏差表查得C1=0.8mm,由于液氨对金属有一定的腐蚀,取腐蚀裕量C2=2mm,所以筒体壁厚为:
设计厚度
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
名义厚度
圆整后选取名义厚度δn=14mm的16MnR钢板。
有效厚度为
3.2封头壁厚的计算
采用的是标准椭圆形封头,各参数与筒体相同,其厚度计算式为:
设计厚度
名义厚度
圆整后
,所以封头的壁厚为14mm。
查得标准椭圆形封头的直边高度为h0=40mm。
3.3水压试验
3.3.1确定水压试验的试验压力值
根据公式,试验压力:
(3.2)
其中PT——试验压力,MPa;
p——设计压力,MPa;
η——耐压试验压力系数,查表知η=1.25;
[σ]、[σ]t——分别为液压试验温度和设计温度下壳壁材料的许用应力,MPa。
将p=2.126MPa,[σ]=[σ]t=163MPa代入式(3.2)得液压试验的试验压力为:
3.3.2计算水压试验时的器壁应力值
试验时器壁的应力为:
(3.3)
其中有效厚度
,故水压试验时的器壁应力值为:
3.3.3强度校核
由《化工设备机械基础》查表9-4得
故
所以满足水压试验要求。
[2]
3.4选择人孔并核算开孔补强
3.4.1人孔的选择
压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。
人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。
一般人孔有两个手柄。
贮罐的工作温度为常温,设计压力为2.126MPa,故人孔的标准按公称压力为2.5MPa等级选取。
考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔(标准号HG21523-2005),带颈对焊法兰式。
公称直径为450mm,突面法兰密封面(RF型)。
该人孔结构中有吊钩和销轴,在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转,即可轻松进入,而不必将其取下以节约维修时间。
查得该人孔的有关数据如下:
表3.1水平吊盖带颈对焊法兰人孔(突面)标准尺寸
(mm)
公称压力
MPa
公称直径
dW×S
D
D1
d
b
b1
b2
A
H1
H2
d0
2.5
450
480×12
670
600
450
46
40
44
380
320
214
36
摘自HG21523-2005标准。
该水平吊盖带颈对焊法兰式人孔标记为:
HG21524-2005人孔RFⅤ(A•G)450-2.5。
其中RF指突面密封,Ⅴ指接管与法兰的材料为16MnR,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。
表3.2人孔PN2.5DN450(HG21524-2005)明细表
件号
标准号
名称
数量
材料
尺寸/mm
1
筒节
1
16MnR
dW×S=480×12,H1=320
2
HGJ52-91
法兰
1
16Mn(锻件)
3
HGJ69-91
垫片
1
石棉橡胶板
δ=3(代号A.G)
4
HGJ63-91
法兰盖
1
16MnR
b1=40,b2=44
5
HGJ75-91P
螺柱
20
35
M33×2×175
6
螺母
40
25
M33
7
吊环
1
Q235-A.F
8
转臂
1
Q235-A.F
d0=36
9
GB95-85
垫圈20
1
100HV
10
GB41-88
螺母M20
2
4级
11
吊钩
1
Q235-A.F
12
环
1
Q235-A.F
13
无缝钢管
1
20
14
支承板
1
16MnR
3.4.2开孔补强的核算
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。
由表3.1知本设计所选用的人孔筒节内径di=450mm,壁厚δnt=12mm。
据此差得补强圈尺寸(JB/T4736-2002)为:
外径D2=760mm,内径D1=450+2×12+14=488mm。
开孔补强的有关计算参数如下:
(1)筒体的计算壁厚:
(2)开孔所需补强面积A
内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为
(3.4)
式中d——开孔直径,圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量,mm;
δ——壳体开孔处的计算厚度,mm;
δet——接管有效厚度,mm;
fr——强度削弱系数,等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。
开孔直径
由于接管材料与壳体材料都为16MnR,故fr=1,将这些数据代入式(3.4)得:
开孔所需补强面积:
(3)有效宽度B
(4)有效高度
1)外侧高度h1
二者中取较小值h1=73.94mm
2)高度h2
二者中取较小值h2=0mm。
(5)补强面积Ae
在有效补强范围内,可作为补强的截面积按下式计算:
(3.5)
式中Ae——补强面积,mm2;
A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积[按式(3.6)],mm2;
A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积[按式(3.7)],mm2;
A3——焊缝金属截面积,mm2。
计算如下:
(3.6)
其中接管有效厚度为
,故
(3.7)
其中接管计算厚度为:
,故
焊缝金属截面积
,故补强面积Ae为:
由于
,故开孔需另加补强,其另加补强面积为:
(6)补强圈厚度δ’
圆整后取
,补强材料与壳体材料相同为16MnR。
.5选择鞍座并核算承载能力
3.5.1承载能力的核算
首先粗略计算鞍座负荷。
贮罐总质量为:
(3.8)
式中m1——罐体质量,kg;
m2——封头质量,kg;
m3——液氨质量,kg;
m4——附件质量,kg。
(1)罐体质量m1
公称直径DN=1700mm,壁厚δ=14mm的筒体,查表(化工机械设备基础,第四版,表8-18)得每米质量是q1=592kg/m,所以:
(2)封头质量m2
公称直径DN=1700mm,壁厚δ=14mm,直边高度h0=40mm的标准椭圆形封头,查表得其质量
,所以:
(3)液氨质量m3
(3.9)
式中
——装量系数,取0.9;(《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器,装量系数一般取0.9)
V——贮罐容积,m3;
ρ——液氨的密度,在-20℃时液氨的密度为665kg/m3。
筒体公称直径DN=1700mm,筒体长度L0=3.5m,查表得封头容积为Vh=0.734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350kg。
于是m4=550kg。
故设备总质量为:
每个鞍座承受的负荷为:
3.5.2鞍座的选择
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式支座、圈座、腿式支座三类。
由于鞍式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小,故此设计中选用鞍式支座。
鞍座分为A型(轻型)和B型(重型)两类,每种形式的鞍座又分为固定式支座(F)和滑动式支座(S)两种。
由于在此设计中,贮罐体积较小且长径比较小,故采用A型双鞍座,一为固定式,一为滑动式支座。
根据鞍座承受的负荷F=121.42kN,选择轻型(A)带垫板支座,包角为120°的鞍座。
即JB/T4712-1992鞍座A2600-F,JB/T4712-1992鞍座A2600-S。
其标准尺寸如下:
表3.3A型鞍座标准尺寸
(mm)
公称直径DN
允许载荷/kN
鞍座高度h
底板
地脚螺柱
结构特征
l1
b1
间距l2
孔径
φ
规格
包角
θ/°
肋板数
垫板
2600
442
250
1880
300
1640
24
M20
120
6
带垫板
安装位置,筒体长度:
(3.10)
式中A——鞍座与封头切线之间的距离,mm;
L1——两鞍座间距,mm。
由于筒体L/D较大,且鞍座所在平面无加强圈,取
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