过程装备与控制工程课程设计-45立方米液氨储罐设计.doc

1、 中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 45M3液氨储罐设计 指导教师： 职称: 2011年06月12日 中北大学课程设计任务书 2010/2011 学年第 二 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 45M3液氨储罐设计 起 迄 日 期： 06 月 13 日06月 24日 课程设计地点： 校内 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2011年06月12日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：设计目的1) 使用国家最新压力容

2、器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。2) 掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。4) 掌握工程图纸的计算机绘图。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1 原始数据设计条件表序号项 目数 值单 位备 注1名 称液氯储罐2用 途液氯储存站3最高工作压力MPa由介质温度确定4工作温度-20455公称容积（Vg）10/16/20/25M36工作压力波动情况可不考虑7装量系数(V)0.98工作介质液氯（高度危害）9使用地点室内1

3、0安装与地基要求11其它要求管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN80HG20595-1997FM液氯进口管bDN80HG20595-1997FM安全阀接口c1-2DN500FM人 孔dDN65HG20595-1997FM空气进口管eDN65HG20595-1997FM空气出口管fDN25HG20595-1997FM压力表接口g1-2DN20HG20595-1997FM液位计接口hDN80HG20595-1997FM液氯出口管课 程 设 计 任 务 书2设计内容1）设备工艺、结构设计；2）设备强度计算与校核；3）技术条件编制；4）绘制设备总装配图；5）编制设计说明书。3设

4、计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1）设计说明书：主要内容包括：封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等； 2）总装配图设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器，中国标准出版社，19982 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，19993 全国化

5、工设备设计技术中心站，化工设备图样技术要求，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，化学工业出版社，20015 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社，20026 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，19967 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社，2003年5设计成果形式及要求：1）完成课程设计说明书一份； 2）草图一张（A1图纸一张）3）总装配图一张 (A1图纸一张)； 6工作计划及进度：2011年06月13日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 06月13日06月17日：机械设计计算（强度计算与校核）

6、及技术条件编制06月17日06月22日：设计图纸绘制（草图和装配图）06月22日06月24日：撰写设计说明书06月24日：答辩及成绩评定系主任审查意见： 签字： 年 月 日前言压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的

7、法规和标准实施监督检查和技术检验。本次课程设计目的主要是使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程；掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证；掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用；掌握工程图纸的计算机绘图。目录1 工艺设计 11.1存储量11.2设备的选型及轮廓尺寸12筒体及封头设计 22.1材料的选择22.2筒体壁厚设计计算22.3封头壁厚的设计计算33接管及接管法兰设计 43.1接管尺寸选择43.2管口表及连接标准43.3接管法兰的选择53.4垫片的选择63.5紧固件的选择7

8、4人孔的结构设计 84.1密封面的选择84.2人孔的设计84.3核算开孔补强95支座的设计 125.1支座的选择125.2支座的位置136液面计及安全阀选择147总体布局148焊接结构设计及焊条的选择149强度校核1710参考文献 351 工艺设计1.1 存储量盛装液化气体的压力容器设计存储量式中：W储存量，t； 装载系数； V压力容器容积； 设计温度下的饱和溶液的密度，；根据设计条件=1.2 设备的选型及轮廓尺寸粗略计算内径： 一般 ，取得，圆整得： 选用EHA椭圆封头，查EHA椭圆形封头内表面积及容积表可得：深度，内表面积，容积根据，圆整得: 误差所以，筒体的公称直径,长度2 筒体及封头设

9、计2.1 材料的选择液氯属于高危害性的介质，但其腐蚀性小,使用温度为，根据压力容器设计手册中钢板的使用条件，选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。2.2 筒体壁厚设计计算2.2.1 设计压力液氯储罐的工作温度-2045，故选取设计温度t=50，由压力容器介质手册【1】查的，该温度下的绝对饱和蒸汽压为1.432MPa。在本次设计中的液氯储罐上装有安全阀，通常认为设计压力为工作压力的1.05倍，所以设计压力。2.2.2 液柱静压力由某些无机物重要物理性质表【1】查的，液氯的密度为，内径由各地区重力加速度表查的太原地区的，则根据公式可得2.2.3 计算压力因为，所以可忽略静压力的影响。即2.2.

10、4 设计温度下材料的许用应力为，假设筒体厚度为，由钢板许用应力表可得的2.2.5 焊接接头系数本次液氯储罐的设计采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头，100%无损检测，所以。2.2.6 内压容器的计算厚度根据内压容器的计算厚度公式【2】： 在之间，故假设是成立的。取腐蚀裕量， 。由常用钢板厚度负偏差表可查的，在的钢板标准下的负偏差。查钢板厚度的常用规格表，将其圆整为，即名义厚度的钢板。2.3 封头壁厚的设计计算2.3.1 标准椭圆形封头的计算厚度根据标准椭圆形封头的计算厚度公式【2】： 取腐蚀裕量，由常用钢板厚度负偏差表可查的，在的钢板标准下的负偏差。查钢板厚度的常用规格表，将其圆

11、整为，即名义厚度的钢板，可见标准椭圆形封头与筒体等厚。3 接管及接管法兰设计3.1 接管尺寸选择3.1.1 液氯进、出口接管和空气进、出口接管选用补强管。查化工容器及设备简明设计手册【3】得：图3.1 补强管表3.1补强管的尺寸表【3】用途公称直径dN外径壁厚补强管外伸或内伸最小高度理论质量液氯进口管80251.6液氯出口管安全阀空气进口管65221.2空气出口管3.1.2表3.2 液位计接口、压力计接口、人孔接管尺寸表用途公称直径dN外径壁厚理论质量液位计20253.52.21压力计25323.52.46人 孔500530123.2 管口表及连接标准表3.3 管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标

12、准连接面形式用途或名称aDN80HG20595-1997FM液氯进口管bDN80HG20595-1997FM安全阀接口c1-2DN500FM人 孔dDN65HG20595-1997FM空气进口管eDN65HG20595-1997FM空气出口管fDN25HG20595-1997FM压力表接口g1-2DN20HG20595-1997FM液位计接口hDN80HG20595-1997FM液氯出口管3.3 接管法兰的选择图3.2 接管法兰结构表3.4 接管法兰结构尺寸表【3】序号名称公称直径DN钢管外径法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓Th法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰质量NSRB

13、Ba液氯进口8089200160188M16201103.2106504.22b安全法接口8089200160188M16201103.2106504.22d空气进口6576185145184M1620922.9106483.74e空气出口6576185145184M1620922.9106483.74f压力表口253211585144M1216462.664401.26g1-2液位计口202510575144M1216402.364401.05h液氯出口8089200160188M16201103.2106504.22表3.5 接管法兰标记名称法兰标记液氯进口管法兰HG 20595 法兰 W

14、N 80-1.6 FM S=8mm 16MnR液氯出口管法兰安全阀接口管法兰空气进口管法兰HG 20595 法兰 WN 65-1.6 FM S=7mm 16MnR空气出口管法兰液面计接管法兰HG 20595 法兰 WN 20-1.6 FM S=3.5mm 16MnR压力表接管法兰HG 20595 法兰 WN 25-1.6 FM S=3.5mm 16MnR3.4 垫片的选择垫片选用石棉橡胶垫片，查HG/T 20606-1997钢制管法兰用非金属平垫片，得：图3.3 金属包覆垫片表3.6 垫片尺寸表【3】符号管口名称垫片厚度公称直径内径D1外径D2a液氯进口1.58089120b安全阀口1.580

15、89120d空气进口1.56577109e空气出口1.56577109f压力表口1.5253457g1-2液位计口1.5202750h液氯出口1.580891203.5 紧固件的选择查HG 20613-97 钢制管法兰用紧固件得螺柱的长度和平垫圈尺寸：表4 螺栓及垫片【3】符号公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈 mmha80M169017303b80M169017303d65M169017303e65M169017303f25M128513242.5g1-220M127513242.5h80M1690173034 人孔的结构设计4.1 密封面的选择由于本次设计的介质是高度危害的，所以本次设计采用

16、凹凸法兰密封面（MFM）。4.2 人孔的设计本次设计的储罐设计压力为1.466MPa，根据钢制人孔和手孔【3】，采用回转盖带颈对焊法兰人孔。该人孔标记为：人孔 图4.1 人孔结构示意图表4.1 人孔结构尺寸【3】密封面型式公称压力PN公称直径DNdwSdDD1H1H2bMFM2.55005301250673066028012344b1b2ABLd0螺柱螺母螺柱总质量数量直径长度4348405200300302040M3321703024.3 核算开孔补强本次设计人孔的公称外径为，所以进行补强圈补强。 4.3.1 圆柱开孔所需补强面积A由钢板许用应力表可知厚度为厚度的低合金钢在时的。由钢管许用应

17、力表可知厚度为厚度的低合金钢在时的。由强度消弱系数计算公式得：钢管厚度负偏差，腐蚀裕量厚度接管有效厚度开孔直径圆柱开孔所需补强面积：4.3.2 有效补强范围内的补强面积1) 有效补强范围内的宽度B有效不强范围内的宽应B取二者中的较大值，其中,，显然，所以。2) 有效补强范围的外侧高度有效补强范围的外侧高度应取二者中的较小值，其中，接管实际外伸高度为。小于接管实际外伸高度，所以。3) 有效补强范围的内侧高度有效补强范围的内侧高度应取二者中的较小值，其中，接管实际内伸高度设计为，接管实际内伸高度小于，所以。4) 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积圆筒计算厚度，接管有效厚度5) 接管有效厚度减去

18、计算厚度之外的多余面积接管计算厚度根据公式6) 焊缝金属面积由于本次设计的储罐是存放有毒介质的，所以选用D类接头形式进行焊接， 因此，7) 有效补强范围内的补强面积根据公式8) 补强圈的选取因为，所以需要另加补强，其补强面积为：。，查表 规定的补强圈尺寸系列应选用的补强圈厚度为，补强材料一般与壳材料相同，可确定补强圈为： 。 345 支座的设计5.1 支座的选择5.1.1容器的自重及附件的质量筒体的质量由EHA椭圆形封头质量可知封头质量由回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表得人孔的总质量为。液氯进口管、液氯出口管、安全阀接管质量： 空气进口管、空气出口管质量：由热轧钢管品种表得所用钢管的理论质量压力表

19、接管、液位计接管：接管的总质量法兰的总质量由JB/T 4736-2002规定的补强圈尺寸系列表得，补强圈的质量为。其他的质量则容器的自重为5.1.2 试验充满水的质量由水的重要物理性质表得时水的密度为，所以。5.1.3 充满液氯的质量正常操作时的液氯质量。查JB/T4712.1-2007 容器支座得：图4.1 鞍座的结构表4.1 鞍座的结构尺寸表【4】公称直径DN允许载荷Q /kN鞍座高度h底板腹板筋板l1b1l3b2b32600440250188030014102952683608垫板螺栓配置鞍座质量kg增加100mm高度增加的质量/kg弧长b4e间距l2螺孔d螺纹孔长l3030610101

20、20164024M204029826鞍座标记为： 5.2 支座的位置因为鞍座位置的要求为，并尽量使，综合考虑选择。6 液面计及安全阀选择本次设计采用磁性液位计，普通型，压力等级为1.6 Mpa。根据实际要求，选用液位计的中心距为2000 mm。标记 HG/T 21584-95 UZ 1.6M-2000-1.314 BF 321C。根据公称压力PN=1.6和适用介质，选择型号为A41H-16C的安全阀。7 总体布局各种接管总体布局如图7.1。图7.1 接管布局图接管中心线间距500mm，接管与封头间距740mm,与人孔间距1500mm，与焊缝距离不小于150mm,鞍座距封头600mm。8 焊接结

21、构设计及焊条的选择综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介质是高毒性介质，所以本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图。而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。 对于人孔、补强圈与壳体的接头选用，如图图8.1 V型焊接接头图8.2 接管与筒体的接头图8.3 补强圈接头形式表8.1 焊条型号及牌号(JB/T 4709-2007)接头母材焊条型号焊条牌号16MnR+16MnRE5016J50620 +16MnRE309-16A307Q235-A+16MnRE309-16A3079 强度校核钢制卧式容器计算单位全国化工设备设计技术中心站计 算 条 件 简 图设计压力 p1.466MPa

22、设计温度 t50筒体材料名称16MnR(热轧)封头材料名称16MnR(热轧)封头型式椭圆形筒体内直径Di2500mm筒体长度 L8300mm筒体名义厚度 dn14mm支座垫板名义厚度 drn10mm筒体厚度附加量 C2mm腐蚀裕量 C12mm筒体焊接接头系数 F1封头名义厚度 dhn14mm封头厚度附加量 Ch2mm鞍座材料名称Q235-A鞍座宽度 b300mm鞍座包角 120支座形心至封头切线距离 A640mm鞍座高度 H250mm地震烈度 低于7度内压圆筒校核计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.50MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2500.0

23、0mm材料 16MnR(热轧) ( 板材 )试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 11.06mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 12.00mm名义厚度 dn = 14.00mm重量 7204.08Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.8325 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50

24、MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 191.80 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 1.62420MPa设计温度下计算应力 st = = 156.79MPastf 170.00MPa校核条件stf st结论 合格左封头计算计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.50MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2500.00mm曲面高度 hi 625.00mm材料 16MnR(热轧) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm

25、腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 d = = 11.04mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 12.00mm最小厚度 dmin = 3.75mm名义厚度 dn = 14.00mm结论 满足最小厚度要求重量 764.10 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.62809MPa结论 合格右封头计算计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.50MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 2500.00mm曲面高度 hi 625.00mm材料 16MnR(热轧) (

26、板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 d = = 11.04mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 12.00mm最小厚度 dmin = 3.75mm名义厚度 dn = 14.00mm结论 满足最小厚度要求重量 764.10 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.62809MPa结论 合格卧式容器（双鞍座）计算单位全国化工设备设计技术中心站计 算 条 件 简 图 计算压力 pC1.4

27、66MPa 设计温度 t50 圆筒材料16MnR(热轧) 鞍座材料Q235-A 圆筒材料常温许用应力 s170MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st170MPa 圆筒材料常温屈服点 ss345MPa 鞍座材料许用应力 ssa140MPa 工作时物料密度 1314kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di2500mm 圆筒名义厚度 14mm 圆筒厚度附加量 2mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 14mm 封头厚度附加量 Ch2mm 两封头切线间距离 8380mm 鞍座垫板名义厚度 10mm 鞍座垫板有效厚度 10mm 鞍座轴向宽度 b300mm 鞍座包角 120 鞍座

28、底板中心至封头切线距离 A640mm 封头曲面高度 625mm 试验压力 pT1.8325MPa 鞍座高度 H250mm腹板与筋板(小端)组合截面积 58324mm2 腹板与筋板(小端)组合截面断面系数2.17297e+06mm3 地震烈度0 配管轴向分力 0N圆筒平均半径 1257mm 物料充装系数 0.9支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)7273.72kg 封头质量(曲面部分)752.935kg 附件质量9211.3kg 封头容积(曲面部分)2.04531e+09mm3 容器容积(两切线间)V = 4.52258e+10mm3 容器内充液质量工作时, 53484.1压力试验时,

29、= 45225.8kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 71475压力试验时, 63216.7kg单位长度载荷76.1193 67.3245N/mm支座反力350656 310141350656N筒 体 弯 矩 计 算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 4.66394e+08压力试验= 4.12506e+08Nmm支座处横截面弯矩工作时 -1.32532e+07压力试验 -1.17219e+07Nmm系 数 计 算K1=0.106611K2=0.192348K3=1.17069K4=K5=0.760258K6=0.0139382K6=0.0114571K7=K8=K9=0.203522C4=C5=

30、筒 体 轴 向 应 力 计 算轴向应力计算操作状态 84.6155 78.8687MPa -7.83378 -1.15731MPa水压试验状态 -6.92515 -1.0236MPa 102.906 97.823应力校核许用压缩应力0.0009024根据圆筒材料查GB150图6-36-10 B = 118.614MPa118.614118.614MPa 170 合格|,| 118.614 合格|,| 118.614 合格sT2 ,sT3 0.9ss = 310.5 合格时(时,不适用)20.9725MPa时圆筒中：封头中：MPa应力校核封头椭圆形封头, 碟形封头, 半球形封头, MPa圆筒封头

31、 t = 0.8 s t = 136 MPa圆筒, t t = 136 合格封头, th t h = MPa鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力无加强圈圆筒圆筒的有效宽度506.946mm无垫板或垫板不起加强作用时在横截面最低点处MPa在鞍座边角处L/Rm8时, MPaL/Rm8时, MPa无加强圈筒体垫板起加强作用时鞍座垫板宽度 ； 鞍座垫板包角横截面最低点处的周向应力-2.39033MPa鞍座边角处的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm8时, -43.9158MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm8时, -64.6295MPa应力校核 |s5| s t = 17

32、0 合格 |s6 | 1.25s t = 212.5 合格 |s6 | 1.25s t = 212.5 合格MPa有加强圈圆筒加强圈参数加强圈材料, e = mm d = mm加强圈数量, n = 个组合总截面积, A0 = mm2组合截面总惯性矩, I0 = mm4设计温度下许用应力MPa加强圈位于鞍座平面上 在鞍座边角处圆筒的周向应力：MPa 在 鞍 座 边 角 处 ，加 强 圈 内 缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ：MPa有加强圈圆筒加强圈靠近鞍座横 截 面 最 低 点 的 周 向 应 力 无垫板时，（ 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 ） 采用垫板时，（垫板起加强作用）M

33、Pa 在横截上靠近水平中心线的周向应力：MPa 在横截上靠近水平中心线处，不与筒壁相接的加强圈内缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ：MPa加强圈靠近鞍座鞍座边角处点处的周向应力 无垫板或垫板不起 加强 作用L/Rm8时, MPa 无垫板或垫板不起 加强 作用L/Rm8时, MPa 采用垫板时，（垫板起加强作用）L/Rm8时, MPa采用垫板时，（垫板起加强作用）L/Rm8时, MPa应力校核|s5| st = 合格|s6 | 1.25st = |s8 | 1.25stR = MPa鞍 座 应 力 计 算水平分力71366.2N腹板水平应力计算高度250mm鞍座腹板厚度10mm鞍座垫板实际宽度610mm鞍座垫板有效宽度506.946mm腹板水平应力无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 , 垫板起加强作用, 9.42818MPa应力判断 s9 s sa = 93.3333 合格MPa腹板