液氨储罐设计.doc

1、锅炉压力容器安全 课程设计 题 目 液氨贮罐设计 学 院 市政与环境工程学院 专 业 安全工程 姓 名 学 号 指导老师 word文档 可自由复制编辑目录1. 设计内容11.1 设计特点11.2 设计要求12. 卧式液氨储罐的结构设计12.1储罐主要结构的设计12.1.1筒体和封头的结构选择12.1.2用方案一计算筒体和封头的厚度22.1.3用第二种方案计算筒体和封头的厚度32.1.4两种方案的比较42.2计算鞍座反力52.3支座及其位置选取5 2.3.1鞍座数量的确定52.3.2鞍座安装位置的确定62.3.3鞍座标准的选用62.4储罐应力校核62.4.1筒体轴向应力校核62.4.2筒体和封头

2、切向剪应力校核82.4.3筒体周向应力校核82.4.4鞍座有效断面的平均应力校核92.5 人孔设计92.6开孔补强计算101. 设计内容 某厂需添置一台液氨贮罐，设计原始数据：设计压力P=1.6Mpa，设计温度T=40，容积V=2.8m3，设备充装系数0.9。采用鞍式支座。试设计该设备。1.1 设计特点 容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。 各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。1.2 设计要求根据已知的条件，按照以下顺序进行设计：1.主要结构设

3、计筒体、封头、接管、法兰密封、鞍座及其位置。2.主要材料焊缝和探伤3.筒体和封头的厚度计算4.计算鞍座反力5.筒体轴向应力校核6.筒体和封头切向剪应力校核7.筒体环向应力校核8.鞍座有效断面的平均应力校核9.开孔补强计算10.设备结构总图 2. 卧式液氨储罐的结构设计2.1储罐主要结构的设计2.1.1筒体和封头的结构选择 由于纯液氨具有一定的腐蚀性，但设计压力为中等压力，根据钢制压力容器中使用的钢板许用应力及其使用范围的说明，储罐的主要结构筒体和封头选材可以考虑使用20R、16MnR、15MnVR等钢。 氨属于中度危害介质(级)，且本设备为PV值小于10Mpam3的中压储存容器；按照有关标准划

4、分，本设备为第二类压力容器。储罐选用卧式，液体静柱压力很低，可不记入设计压力中。 筒体由钢板卷制而成，其公称直径等于内径，查阅压力容器的公称直径表，并结合储罐的容积，初步选择其公称直径DN=Di=1200mm。 筒体和封头的对接焊接，采用全焊透焊缝，并进行l00无损探伤，查表取焊缝系数=1.0。根据氨的腐蚀程度，取腐蚀裕量C22mm。 封头可以选择球形、椭圆形、碟形、平板形、圆锥形等几种形式的封头，但从材料消耗、受力和加工制造的难易程度等几个方面的综合比较考虑，选用标准椭圆形封头（EHA型）最为理想，故选之。 假设标准椭圆形封头封头厚度在816mm之间，封头的公称直径应该与筒体相等，取DN=1

5、200mm，按有关标准JB4746-2002，查得封头的容积Vh=0.2545 m3，总深度H=325 mm。由于采用的是标准椭圆形封头，由h/DN=0.25，得出封头的直边高度h=25mm，而封头的曲面深度h1=32525=300mm。筒体长度：取 =2030 mm两封头切线之间的距离L=2030+225=2080mm 现选用16MnR和20R两个钢种，对储罐的主要结构筒体和封头进行两个方案的设计，然后对这两个方案进行比较和选择。2.1.2用方案一计算筒体和封头的厚度 首先选用16MnR钢为材料，来计算筒体和封头的厚度。 16MnR钢板在40时的许用应力查表，根据筒体厚度计算公式初步估计此筒

6、体的设计厚度在816mm之间，t =170 Mpa，屈服强度s=345 Mpa。（1）筒体厚度 =mm 设计厚度d十C25.67十27.67mm 按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm 考虑钢板厚度系列取名义厚度n10mm 因n10mm，查此情况下16MnR钢的许用应力没有变化，= 170 Mpa，所以上述计算成立。（2）封头厚度 由于选用标准椭圆形封头，所以其封头形状系数k=1.0计算厚度=mm 设计厚度dC25.6627.66mm 取C20.8mm，故名义厚度n10mm，且许用应力也没有发生变化，所以上计算成立。（3）水压试验校核试验压力：PT取水压试验压力PT2. 0MPa筒体应力校

7、核；筒体有效厚度enC1C2102.87.2mm 所以试验时应力： MPa筒体水压试验应力校核满足要求。封头应力校核：有效厚度enC1C2l00.827.2mm 所以封头水压试验应力校核满足要求2.1.3用第二种方案计算筒体和封头的厚度 选用20R钢作为第二种方案，来计算筒体和封头的厚度。 20R钢板在40时的许用应力查表，根据筒体厚度计算公式初步估计此筒体的设计厚度在816mm之间，取此时20R钢的许用应力t =133 Mpa，屈服强度s=245 Mpa。 筒体和封头的结构和尺寸与第一种方案的设计相同（厚度除外），选用标准椭圆形封头（EHA型），其它尺寸和参数如上所叙。（1）筒体厚度 =mm

8、 设计厚度d十C27.26十29.26mm 按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm。考虑钢板厚度系列取名义厚度n12mm 因n12mm，查此情况下20R钢的许用应力没有变化，= 133 Mpa，所以上计算成立。（2）封头厚度 由于选用标准椭圆形封头，所以其封头形状系数k=1.0。计算厚度 =mm 设计厚度dC27.2429.24mm 取C20.8mm，故名义厚度n12mm，且许用应力也没有发生变化，所以上计算成立。（3）水压试验校核试验压力：PT 取水压试验压力PT2. 0MPa筒体应力校核；筒体有效厚度enC1C2122.89.2mm 所以试验时应力： MPa 筒体水压试验应力校核满足要

9、求。封头应力校核：有效厚度enC1C2l20.829.2mm因为 所以封头水压试验应力校核满足要求。2.1.4两种方案的比较（1）钢板耗用量 钢板耗用量与板厚成正比，则储罐的主要结构筒体和封头采用16MnR时，钢板比使用20R钢板可减轻: 16.7% 16MnR钢板的价格比20R钢板略贵，两者相差不大，从耗材量与价格综合考虑，两种钢板均可考虑，但在上述计算过程中，如16MnR的名义厚度n与设计厚度d很接近，其差值为107.67=2.33mm,而20R的名义厚度n与设计厚度d大很多，其差值为129.26=2.74mm，所以用16MnR钢时，钢板耗用量就要省很多，更为适宜。（2）制造费用 总的来说

10、，由于采用16MnR钢板厚度较薄，质量较轻，鞍座的承载重量也更小，而且制造费用目前也按碳钢设备同等计价，因此制造费用比较经济。（3）材料性能 20R钢板的抗腐蚀性能比16MnR钢要好，但是考虑到储存介质液氨的腐蚀性不是很强，而且16MnR钢比20R钢板的强度高，机械加工性能和焊接性能指标都明显要好，所以选用板更合适。（4）方案比较总结 由于上述比较可以看出，说明方案一选用16MnR钢更合理，那么下面的内容就针对方案一的选材和设计数据进行相关的计算和校核。2.2计算鞍座反力（1）计算质量筒体质量 m1(Die)nL010-9 3.14(1200+10)102000785010-9 597kg单个

11、封头的质量m2128.3.0kg(查JBll5373)附件质量m3(包括入孔，接管、液面计、平台等)近似取m3400kg充液质量 液氨在0时的密度为640kg/m3，小于水的密度，故充液质量按水的质量考虑， m4 120022025+20.254510-9100010-92799kg 保温层质量 本设备不保温，故m50设备最大质量 mm1m2 m3m4m55972128.3400279904053 kg（2）计算鞍座反力 Fmg/2(40539.81)/219880N2.3支座及其位置选取2.3.1鞍座数量的确定 鞍式支座普遍选用双鞍座支承，这是因为若采用多鞍座支承，难于保证各鞍座均匀受力。虽

12、然多支座罐的弯曲应力比较小，但是各支座严格的保持在同一水平面上，特别是对于大型卧式储罐很难达到，同时，由于地基的不均匀下沉，多支座 的罐体在支座处的支反力不能均匀分配，故选用双鞍式支座支承。2.3.2鞍座安装位置的确定 由材料力学可知，将出储罐的力学模型简化为双支座上的受均布载荷的外伸梁，如下图2.1所示，若梁的全长为L，则当外伸端的长度A=0.207L时，双支座跨中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩相等，从而使上述两截面上保持等强度。考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，而且支座截面处的应力较为复杂，故常取支座截面处的弯矩略小于跨中间截面的弯矩，通常取尺寸不超过0.2L，为此中国现行标准JB

13、4731钢制压力容器规定取0.2L，A值不得大于0.25L。否则由于容器外伸端的作用使支座截面处的应力过大。其中A为封头切线到支座的距离，此外由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚度有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，国标JB4731还规定当满足，A0.2L时，最好使（Rm为圆筒的平均半径，Rm Rin/2=605mm，Ri为圆筒的内径）。 由于Rm/2=302.5mm, 0.2L=416mm 因为0.2L0.5R，鞍座位置ARm/2=302.5mm 取鞍座位置 A300mm 其中：A为封头切线到支座的距离 为了防止卧式

14、储罐因操作温度和安装温度不同而引起的热膨胀，以及由于圆筒及物料的重量使圆筒防止弯曲等原因对卧式储罐引起的附加应力，对于双鞍座中的其中一个设计为固定支座（代号F），而另一个应允许为可沿轴线方向移动的活动支座（代号S）。活动支座的基础螺栓应沿圆筒轴向开成长圆孔，固定支座通常设置在储罐配管较多的一侧，活动支座应安装在没有配管或配管较少的一侧。2.3.3鞍座标准的选用 综上所述，结合筒体公称直径和上述计算的鞍座反力F19880N=19.88 KN，查压力容器手册，选用JB/T471292标准的鞍式支座，公称直径DN1200mm,A型，带加强垫板，允许支承载荷Q=147 KN，因为QF，所以符合要求。

15、查JB/T471292可得鞍座基本尺寸：包角120，支座高度H=200mm,鞍座宽度b150mm；腹板厚6mm；垫板宽270mm，垫板厚6mm；底板长880mm底板宽170mm，底板厚10mm；筋板宽140mm，筋板厚度6 mm，鞍座质量52kg。 鞍座的尺寸和结构见装配图和附录。 鞍座垫板材料选16MnR，鞍座其余材料选用Q235AF钢。 鞍座标记：JB/T471292，鞍座A 12002.4储罐应力校核2.4.1筒体轴向应力校核（1）筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩 3.81106Nmm支座处截面上的弯矩 = 5.77105Nmm （2）筒体轴向应力计算 由GBl5089表8-1查得由

16、“扁塌现象”引起的抗弯截面模量减少系数K1K21.0 因为M1M2，且ARm/2=302.5mm,故应力必定出现在跨中面，校核跨中面应力。由弯矩引起的轴向应力最低点处： = MPa最低点处0.461MPa由于设计压力引起的轴向应力 MPa轴向应力组合与校核 轴向拉应力：2p+=67.2+0.46167.7MPa 许用轴向拉应力：t170Mpa，2t合格 轴向压应力：10.461Mpa 轴向许用压缩应力 根据A值查GBl5089图45，得B136MPat=170 MPa取许用压缩应力 ac136MPa，合格1ac2.4.2筒体和封头切向剪应力校核因筒体被封头加强(即ARm/2)，筒体和封头中的切

17、向剪应力分别按下式计算(1) 筒体切向剪应力查GBl5089，取系数K30.880，K4=0.401 因为 0.8t =0.8170=136 MPa ， 故合格。(2)封头切向剪应力因为 1.25t h=1.25t = 1.25170 MPa 1.25th，故合格。2.4.3筒体周向应力校核(1)周向应力计算 设垫板不起加强作用，查GBl5089，取周向弯矩系数K6 =0.0132周向压缩系数K5 =0.760，在鞍座处横截面最低点处 MPa式中k=0.1,考虑容器焊接在鞍座上 其中：b2为筒体承受周向压应力的有效长度。b为支座的轴向宽度鞍座边角的周向应力 因L/Rm=2080/605=3.4

18、38,故 (2)周向应力校核 5 t170MPa 6 1.25t212.5MPa2.4.4鞍座有效断面的平均应力校核 查GBl5089，取系数K90.204 支座承受的水平分力FsK9F0.204198804056N 鞍座有效断面平均应力 Mpa应力校核 92/3t75.3MPa式中：bs为钢制鞍座的腹板厚度，bs=2=6mm，由于鞍座的实际高度h=200mm1/3Rm=201.7mm，所以Hs取h=200mm。 t113 Mpa，为鞍座腹板材料Q235AF的许用应力。2.5 人孔设计 因为筒体长度L=2080mm6000mm时，可以很好的采光、气体置换，检验人员进行内外部检验和出入方便，所以

19、只需要设置一个人孔即可。由于储罐的公称直径900mmDN2600 mm，而且设计了人孔和适当的备用管口（见下文），就不必要设计手孔和检查孔。人孔不应该布置在鞍座处的截面和跨中间截面上，也不适宜在封头上设置人孔。考虑到筒体和鞍座的结构尺寸，将人孔设置在筒体的顶部，选取开孔中心距离筒体的边缘620mm。由于没有设计手孔和检查孔，需要经常打开人孔盖进行检查，为了方便打开人孔盖，选用快开式，并根据储罐的公称直径和公称压力，查手册，选择回转盖平焊法兰人孔，标准号为JB580-79，C型密封面，类材料。人孔标记：人孔 C Pg16 Dg450 JB580-79人孔材料：筒节、法兰、盖子材料用Q235-B螺

20、栓、螺母材料用Q235-A，法兰材料选用16Mn(锻)。人孔尺寸：公称直径Dg=450mm，接管尺寸dws480mm10mm。2.6开孔补强计算根据GBl5089规定，壳体名义厚度为10mm时，当在设计压力小于或等于2.5 MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm的接管可以不另行补强，故补强计算需考虑人孔和液氨进口处的开孔接管补强问题，这里只给出人孔补强计算。（1）人孔补强及补强方法判别补强判别 由于人孔接管的外径为480 mm，大于允许不另行补强的的最大接管外径89 mm，所以需要另行考虑补强，补强材料应该与壳体的

21、材料相同，选用16MnR钢，由前面的人孔设计可知，人孔的接管选用Q235B钢，选用其厚度附加量C，C1C220.82.8mm，在该设计条件下Q235B钢的许用应力=113Mpa。补强计算方法判别 开孔直径dDi2 C，（480210）22.8465.6mm本筒体开孔直径d465.6mmDi/2600mm，满足等面积法开孔补强计算的使用条件，故可以用等面积法进行开孔补强计算。（2）开孔补强所需补强面积削弱系数fr和接管有效厚度etfr/t113/1700.6647 et=ntC， =10-2.8=7.2mm开孔补强所需补强面积 A d2et (1fr) 465.65.6625.667.2(10.

22、6647) 2689mm2式中：为筒体的计算厚度（3）有效补强范围 有效宽度B=2d2465.6931mm B=d2n2nt=465.6210210=525.6mm取两者的最大值B933mm有效高度h1：外侧有效高度：h1接管实际外伸高度为h1200mm，取两者的最小值，h168.23mm。内侧高度h2：接管实际内伸高度为零，故取h20。内侧有效高度：h2取两者的最小值，故取h20。（4）有效补强面积壳体多余金属面积A1(Bd)(e) 2(ntC)e)(1fr) (931465.6) (7.25.66) 27.2 (7.2 - 5.66)(1- 0.6647)817 mm2式中：e为筒体的计算

23、厚度接管多余金属面积A2 接管计算厚度tt=Mpa接管多余金属面积A2A2 2h1(ett) fr +2h2(etC2) fr268.23(7.22.04)0.6647十0=467.8 mm2补强区内的焊缝面积补强圈与筒体，补强圈与接管的焊缝腰高均取8mm。 A328864 mm2有效补强面积Ae=A1A2A3=817467.864=1348.8 mm2A=2689 mm2所以需要另行补强。补强圈补强面积 A4AAe26891348.8 1340.2 mm2 (2)补强圈选用查补强圈标准HG2150692，选用补强圈45010D16MnR JB/T4736，补强圈外径D760mm，补强圈内径d

24、484mm，因为B=931 mm2D760mm，在补强圈的有效补强范围之内。所以补强圈的厚度为： 考虑钢板负偏差，并经圆整和与壳体的焊接质量问题，取补强圈的名义厚度等于筒体的名义厚度，即=n=10mm。参考文献1 吕宜涛. 压力容器制造质量控制的研究，天津大学学位论文，1997年9月2 马自勤、孙丽、王秀伦等. 产品结构树在CAPP信息管理中的应用，大连铁道学院学报，2001年9月，第22卷，第3期3 杨海涛、压力容器的安全与强度计算 M.天津:天津科学技术出版社,1985.4 高清、马云辉，马玉林. 先进制造系统中的质量保证，高技术通讯，1995年5月5 陈祝年、焊接工程师手册。北京：机械工

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