化工设备机械设计液氨贮罐的机械设计.docx
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1、设计任务书一.设计题目液氨贮罐的机械设计二设计条件1.按夏季最高使用温度:T=502.贮罐筒体为圆筒体3.容器设计压力P=2.52MPa4.贮罐内直径Di=1600mm5.不包括封头的罐体长度L=2800mm6.使用地点:柳州三.设计内容1.选择符合要求的材料2.确定设计参数3.罐体壁厚的设计4.选择封头类型,对封头壁厚进行设计5.校核水压试验强度 5.1罐体水压试验强度 5.2封头水压试验强度6.应力的计算 6.1罐体应力的计算 6.2封头应力及应力分布的计算7.鞍座的设计8.人孔的设计9.人孔的补强 9.1补强圈的设计 9.2补强圈的强度校核10.接口管的设计11.设备装配图1张及有关明细
2、表和设计说明书1份任务下达时间:2013年1月6日 任务完成时间:2013年1月16日前言本设计是针对化工设备机械基础这门课程所安排的一次课程设计,是对这门课程的一次总结与提高,需要运用课堂上所学的理论知识并查阅有关书籍而完成的设计。本设计的液料为液氨,又称无水氨,它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料,应用广泛。分子式为NH3,相对密度0.7714g/L,熔点是-77.70C,沸点是-33.350C,自燃点是651.110C,蒸汽压是1013.08Pa(25.70C)。为运输及储存便利,通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。液氨在工业上应用广泛。 设计基本思路:设计压力容器要求根据化
3、工生产工艺提出的条件,确定容器设计所需参数(P、T、D),选定材料和结构形式,通过强度计算确定容器筒体及封头壁厚。对已制定材准的受压元件,可直接选取。而本设计容器为2800mm的液氨储罐,所以要求结合所学到的知识和利用身边可以查到的资料对2800mm的液氨储罐进行设计。本设计综合考虑环境条件(柳州)、介质的理化性质等因素,结合给定的工艺参数,机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序,分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准,设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件,也有一些设
4、备没有相应标准,则选择合适的非标设备液氨储罐属于化工常见的储运设备,一般可分解为筒体,封头,法兰,人孔,支座及管口等几种元件。贮罐的工艺尺寸可通过工艺计算及生产经验决定。液氨贮罐是合成氨工业中必不可少的储存容器,所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体的性状及厚度、封头的性状及厚度、确定支座,人孔及接管、开孔补强的情况以及其他接管的设计与选取。目录设计任务书1前言1第一章设计选材及结构11.1工艺参数的设定11.1.1设计压力11.1.2圆筒体的选材11.1.3封头的选材11.1.4贮罐的选型11.1.5附件材料的选型1第二章设计计算12.1筒体壁厚的计算12.2封头壁厚计算12.3
5、水压试验校核12.3.1筒体水压试验校核12.3.2封头水压试验校核12.4应力的计算12.4.1罐体应力的计算12.4.2封头应力的计算12.5鞍座12.6人孔选择12.7人孔补强12.7.1贮罐后所需的补强面积12.7.2有效补强面积即已有的加强面积12.7.3补强圈的结构与尺寸12.8接口管的设计1技术要求1技术特性1接管表1总图材料明细表1总结1致谢1参考文献1附液氨贮罐机械设计设备装配图1张(A2图纸)第一章设计选材及结构1.1工艺参数的设定1.1.1设计压力 根据500C液氨饱和蒸汽压为2032.5kpa,可以判断本设计的贮罐为内压容器,按压力容器安全技术监察规程规定,盛装液化气体
6、无保冷设施的压力容器,其设计压力应不低于液化气500C时的饱和蒸汽压,本设计的设计压力为2.52Mpa,根据参考文献1中表2-2知该贮罐0.6MpaP10Mpa,属于中压容器。1.1.2圆筒体的选材液氨贮罐大都露天放置,因而罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响。在柳州夏季贮,贮罐经太阳曝晒,温度可达50。而在冬季柳州最低气温可达到0。随着气温的变化,贮罐的操作压力也不断变化。由于该容器属于中压、常温范畴,同时温度和压力有波动,所以对材料的要求是耐压,耐低温,且抗压力波动。纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材。可以考虑20R,Q235B,Q345R等钢板。在价格方面,Q345R虽比20R贵,
7、但当制造同等质量设备的费用时,Q345R钢板比较经济,因本设计对钢板应具有良好的综合性能和工艺性能。而Q345R是265-345MPa级的压力容器,屈服强度比Q235B大,Q345R钢是普通低合金高强度钢,具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。综合知,圆筒体的材料选用Q345R钢板比较合适。1.1.3封头的选材就受力的角度而言,球形封头是最理想的结构形式,但其缺点是深度大,直径小时,整体冲压困难;对于蝶形封头,考虑到球面部分与过度区连接外的局部高应力,其受力不均匀;至于锥形封头,考虑到封头与筒体连接处存在边缘应力,且不易移动,所以不予采用。而椭圆形封头吸取了碟形封头深度浅
8、的优点,用冲压法易于成形,制造比球形封头容易。椭圆形封头增加了直边段,目的是避开在椭球边缘与圆筒壳体的连接处设置焊缝,使焊缝转移至圆筒区域,以免出现边缘应力与热应力叠加的情况。因此,从强度、结构和经济方面综合考虑,采用椭圆形封头作为封头的材料最合理。若采用标准椭圆形封头,这样可采用同样厚度的钢板来制造筒体和封头,制造比较方便。故常选用标准椭圆形封头作为圆筒体的封头。封头取与圆筒体相同的材料,即Q345R。根据参考文献2中附录D中压力容器常用零部件的封头设计(摘自GB/T25198-2010)得标准椭圆形封头参数表1标准椭圆形封头参数公称直径DN/mm曲面高度h1/mm直边高度h2/mm内表面积
9、Fi/m2容积V/m31600400252.90070.58641.1.4贮罐的选型在本设计中由于设计体积较小(约为6.8m3)且设计压力较小(P=2.52MPa)可采用卧式圆筒形容器,方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用,因其承压能力较小且使用材料较多;而球形容器虽承压能力强且节省材料,但制造较难且安装内件不方便;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,所以选用圆筒形卧式容器。1.1.5附件材料的选型在确定了设计温度和设计压力之后,才可以选择容器用钢。选择容器用钢必须综合考虑:容器的操作条件,如设计压力、设计温度、介质特性和操作压力等;材料的使用性能,如力学性能、物理性能、化学
10、性能(主要是耐腐蚀性能);材料的加工工艺性能,如焊接性能、热处理性能等;经济合理性及容器结构,如材料价格、制造费用和使用寿命等。优质低碳钢的强度较低,塑性好,焊接性能好,因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。优质中碳钢的强度较高,韧性较好,但焊接性能较差,不宜用作接管用钢。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。由于法兰必须具有足够大的强度和刚度,以满足连接的条件,使之能够密封良好,故选用Q345R的普通碳素钢。第二章设计计算2.1筒体壁厚的计算Q345R密度为7.85103kg/m3, 查参考文献1中附录6得不同温度下Q
11、345R的需用应力t列于下表:表2 Q345R不同温度下的许用应力t钢号板厚度/mm在下列温度()下的许用应力/MPaQ345R1636185185183170157143366018118117316014713360100181181167150137123圆筒体的计算压力为2.52MPa,查参考文献1中表4-8知,贮罐纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头时,则取焊接接头系数=1.0,100%无损检测,取许用应力t为189 MPa。则圆筒体计算壁厚: =500C 下液氨对钢板的腐蚀速率约为0.05mm/年。根据参考文献1表4-11知,双面腐蚀取C2=2.
12、0mm,设计厚度: 根据参考文献1中表4-9知,C1=0.3mm。名义厚度: 圆整后该圆筒体可用14mm厚的Q345R钢板制作。2.2封头壁厚计算标准椭圆形封头a:b=2:1封头计算厚度: 封头设计厚度: 名义厚度: 圆整后n=14mm,可见,封头名义厚度与筒体名义厚度一样。2.3水压试验校核2.3.1筒体水压试验校核采用水压试验,试验压力: 式中:为试验压力 P为设计压力 为材料试验温度下的许用应力 t为材料在设计温度下的许用应力 当设计温度小于200时,与t接近,此时,查参考文献1中附录6得显然2.3.2封头水压试验校核采用水压试验,试验压力:当设计温度小于200时,与t接近,此时,试验时
13、薄膜应力 显然2.4应力的计算2.4.1罐体应力的计算筒身应力圆筒的平均直径:经向应力: 环向应力: 2.4.2封头应力的计算 求封头上最大应力a/b=2 , a=793mm ,在处,在处, 应力分布其最大应力有两处:一处在椭圆形封头的顶点,即X=0处;一处在椭圆形封头的底边,即x=a处。应力分布如图1所示。 图1 应力分布图 2.5鞍座先粗略计算鞍座负荷储罐总质量: (1) 罐体质量 ,质量=557kg/m查参考文献1中附录D压力容器常用零部件得=557(2) 封头的质量 ,直边角度h2=25mm的标准椭圆形封头,其质量m2=315kg(3)液氨的质量 = 其中,裝量系数取0.9(固定式压力
14、容器安全技术监察规程规定,介质液化的气体的固定式压力容器,裝量系数不得大于0.95)其罐体的容积为: 液氨在0oC时的密度为638.6kg/m3查5得: (4)附件质量m4 查得人孔质量为323kg,其他接管质量总和按300kg计。所以m4=623kg。 则贮罐总质量为: 每个鞍座只承受32965.7N负荷,查参考文献1中表6-16知,可以选用轻型(A),带垫板,包角为1200、焊制、六筋、高度为250mm的鞍座,允许载荷275.010332965.7,鞍座材料采用Q235-A刚才制造。左鞍座标记为:JB/T4712.1-2007 鞍座A1600-F;右鞍座标记为:JB/T4712.1-200
15、7 鞍座A1600-S由参考文献1中表6-16查得鞍座标准系列如下表: 表3 轻型鞍座参数尺寸 (DN1000-2000) (mm)公称直径DN允许载荷Q/KN鞍座高度h螺柱间距l2鞍座质量 /kg增加100mm高度需增加的质量/kg1600275250960116122.6人孔选择人孔是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等生产中的缺陷。人孔的结构由承受压力的筒节、瑞盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件和安置与启闭瑞盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压元件组成。从是否承压的角度而言,人孔分为常压人孔和承压人孔;从人孔所用法兰类型看,承压人孔有板式平焊法兰人孔、带劲平焊法兰人孔和
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