压力容器试验炉-毕业设计.doc

毕业设计说明书 学 院： 职业技术学院 专业班级： 化 机 1032 姓 名： 指导教师： 2013年 6 月1 毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 试验炉的设计 设计（论文）时间： 2012.4.9 至 2012.6.15 设计（论文）进行地点： 辽宁石油化工大学 1、 设计（论文）内容： 设计一试验炉，包括：压力容器的介绍，材料的选取，封头的介绍及选取、法兰的类型、支座的选取、水压试验等。 2、 设计（论文）的主要技术指标 设计压力为0.9MPa,设计温度为-40-50,腐蚀裕量为1mm，焊接系数为0.85mm,公称容量为0.85 ，安全阀开启压力为0.85MPa，水压试验为1.13MPa，致密性试验为0.9MPa主要受压元件材质：Q345R，16Mn。 3、 设计（论文）的基本要求 1.字数文体格式要符合要求 。 2.概念清晰，内容正确，条理分明 。 3.要突出自己的想法和观点。 4.材料信息准确来源要有注明。 毕业设计（论文）任务书4、应收集的资料及主要参考文献 1 全国压力容器标准化技术委员会GB150钢制压力容器M.北京：中国标准出版社.1998 2 全国压力容器标准化技术委员会GB151固定式压力容器安全技术监察规程M.北京：中国标准出版社.1999 3 丁伯民等编.化工设计全书M.北京.化学工业出版社.2003 4 王绍良主编.化工设备基础M.北京：化学工业出版社.2002 5 进度安排及完成情况序号设计（论文）各阶段任务日 期完成情况1试验炉及其材料的介绍 4月9 日 4月19 日2筒体壁厚的计算 4月20日 4月30日3封头与支座的选取 5月1 日 5月11日4水压试验校核 5月12日 5月18日5画图5月19日 6月 8日6答辩准备6月 9日 6月15日学生签名： 指导教师签名： 系主任签名： 2013 年 月 日 毕业设计（论文）评阅书指导教师评语： 评 分 表（导师建议成绩）项目创新摘要内容字迹表现合计权重105601015100分数指导教师签字： 2013年 月 日 毕业设计（论文）评阅书评阅教师评语： 评 分 表（评阅教师建议成绩）项目创新摘要内容字迹合计权重1057510100分数评阅教师签字： 2013 年 月 日 毕业答辩情况表答辩组成员姓 名职 称工 作 单 位注 备徐立志 副教授辽宁石油化工大学杨林讲师辽宁石油化工大学组长孔祥军讲师辽宁石油化工大学赵孟姣讲师辽宁石油化工大学郭淑娟讲师辽宁石油化工大学闫伟讲师辽宁石油化工大学姜昕工程师抚顺石油机械厂韩杰讲师辽宁石油化工大学秘书答辩评语： 建议答辩成绩：答辩组长： 2013 年 月 日答辩委员会意见：答辩委员会主任：2013 年 月 日成 绩答辩时间：2012 年 月 日前言承受一定介质压力切与外界隔离的密闭容器叫做压力容器。其广泛用于化工、医药企业中。进行物理和化学过程的设备成为化工设备，如通常用来储存无聊的存储设备；用于化工生产中换热过程的换热设备；用于传质过程的塔设备及用于生物化学反应的反应设备等。这些设备虽然作用不同，大小形状各异，内部构件的形势也千差万别，但它们都有一个外壳，称之为容器。容器是化工生产所用各种设备外部壳体的总称、所以容器也是化工设备的基本组成部分。根据不同的使用目的，压力容器可以分为四类：反应器、换热压力容器、储存压力容器分离压力容器。按照壁厚的不同不同可以分为薄壁压力容器、厚壁压力容器。衡量一台试验炉好坏的基本标准是其化工设备的安全运行及满足经济性要求。在满足这两点要求的基础上，对其结构进行设计及其优化。 摘 要压力容器是承受一定介质压力并与外界隔离的密闭容器，它是石油化工工业的通用设备，在过程工业生产中占有重要地位。在目前大中小型化工及石油化工装置中，无论是进行储存、换热、传质、化学反应，都离不开压力容器。因而，在大型化工及石油化工生产过程中，压力容器得到最为广泛的应用。在试验炉设计过程中，严格按照GB150-1998钢制压力容器和锅炉和压力容器用钢板GB713-2008等标准进行设计和计算。 设备的制造和检验要求符合压力容器安全技术监察规程的规定。在对设备的设计过程中，综合考虑了制造成本、使用寿命等问题，以确保设备安全性和经济性。本设计过程中，包括了三个部分：说明计算部分、绘图部分。说明部分主要阐述了对各部分零件的制造工艺过程、零部件材料的选择等，最后对试验炉的制造进行了检验和检测。计算部分主要是对筒体、封头、管板和管板与换热管连接进行了校核，并且对筒体和封头进行了水压试验和强度校核。关键词：设计 校核 试验炉目录设计任务1第1章 压力容器的介绍31.1压力容器的概述31.2压力容器的组成31.3压力容器的分类51.4压力容器用钢的介绍6第2章 试验炉的设计82.1设计参数的确定82.1.1压力82.1.2设计温度92.1.3许用应力93.1.4钢板厚度附加值102.1.5焊接接头系数112.2试验炉的壁厚设计122.3试验炉封头的选取142.3.1封头的介绍142.3.2试验炉封头厚度计算192.4试验炉法兰的选取192.4.1法兰的简介192.4.2试验炉法兰232.5试验炉的管口242.5.1安全阀的介绍242.5.2开口的补强252.6 试验炉支座的选取262.6.1支座的介绍262.6.2试验炉支座的选取282.7 水压试验校核302.8 焊接结构设计30总结33谢词34参考文献35设计任务（1）设计参数试验炉公称直径：1600mm容器类别：类 工作压力：-0.10.8 MPa设计压力：0.9MPa 工作温度：-4050设计温度：-4050 物料名称：六氟化硫气体腐蚀裕度：1 mm 焊缝系数：0.85mm主要受压元件材质：Q345R，16Mn 全容积：5.5 m3公称容积：5.5 m3 安全阀开启压力：0.85 MPa水压试验压力：1.13 MPa 致密性试验压力：0.9 MPa （试验介质空气）焊缝探伤要求：A、B类 探伤标准：JB4730-2005（射线检测） 探伤长度：相应焊缝20% 合格级别：符号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN50(参照HG20592-97 PL50-2.5)槽面安全阀口bDN15M201.5内螺纹螺纹压力表口cDN20M201.5内螺纹槽面备用口d1-3DN20槽面充放气口1 （2）要求1）焊接接头形式及尺寸，按HG20538-1998中规定。角接接头的焊角尺寸按较薄件厚度，法兰的焊接按相应法兰标准规定。2）焊接采用电弧焊，焊条牌号：Q345R（16Mn）之间为J507；碳钢之间，碳钢与Q345R（16Mn）之间为J422。 3）罐盖门法兰与封头，体法兰与筒体焊接后须进行消除应力时效振动，然后再进行精加工。锁紧圈粗加工后要进行消除应力热处理，然后精加工。4）A、B类焊接接头须进行射线透照检测，罐盖法兰与拱盖之间的焊缝须进行100%射线检测，其它A、B类焊缝的检测长度不小于每条焊接接头长度的20%，且不小于250mm，相交焊缝必须检测，其结果应符合JB4730-2005中级合格。5）用两个汽缸组件，呈180分布，与锁紧圈及罐体外壁组焊。汽缸缩进时，锁紧圈逆时针转动，炉门锁紧。6）试验合格后，内外表面喷砂，外表面底涂TH861铁红底漆，中涂AB361重防锈底漆，面涂B05桔红色亚光氟碳面漆。内表面及密封面涂乳白色环氧底漆，漆层要求附着力强，不脱落。轨道表面不喷漆。7）设备上的安全连锁装置应在出厂前试验合格，合格后设备方可出厂。 （3）论文格式按照职业技术学院要求第1章 压力容器的介绍1.1压力容器的概述在化学工业生产过程中，从原料到产品，要经过一系列物理和化学过程，这一系列的处理过程成为化工生产过程。进行物理和化学过程的设备成为化工设备，如通常用来储存无聊的存储设备；用于化工生产中换热过程的换热设备；用于传质过程的塔设备及用于生物化学反应的反应设备等。这些设备虽然作用不同，大小形状各异，内部构件的形势也千差万别，但它们都有一个外壳，称之为容器。容器是化工生产所用各种设备外部壳体的总称、所以容器也是化工设备的基本组成部分。容器和设备都是化工生产中的重要技术装备，它不仅在石油、化工行业，而且在轻工、制药、食品、环境、生物工程、冶金、核能以及农副产品的加工等领域中也有广泛应用。承受一定介质压力切与外界隔离的密闭容器叫做压力容器。这类容器应用广泛，形势繁多。按照国家固定式压力容器安全技术监察规程的有关规定，若密闭容器具备以下条件即可视为压力容器：（1） 最高工作压力大于或等于0.1Mpa(不含液柱压力）；（2） 直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于或等于0.15m,且容积大于或等于0.025；（3）介质为气体、液化气或最高工作温度大雨或等于标准沸点的液体。1.2压力容器的组成压力容器主要有圆筒形、球形和矩形三种。其中，矩形容器有平板焊接而成，承压能力差，多用与常压储槽；球形容器由于制造的原因，通常也用左右一定承压能力的大中型储罐；而圆筒形容器，由于具有制造容易，安装内件方便，承压能力较强等优点，在工业生产中应用最广。圆筒形压力容器的组成部件：（1） 筒体筒体的作用是提供工艺过程所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内径和容积往往需要工艺计算确定。圆筒筒体和球形筒体是工程中最常用的筒体结构。按其结构形式来分，筒体可分为单层式筒体和组合式筒体。（2） 封头封头和筒体一起组成一个封闭的承压空间。封头和筒体的连接方式有焊接和可拆式连接两种。根据几何形状的不同，封头可分为球形、椭圆形、蝶形、锥形、锥壳和平盖等几种，其中椭圆形封头是最常用的一种封头形式。（3） 密封装置压力容器上需要很多密封装置，如采用可拆式连接的封头与通体之间。接管和外管道之间，人孔、手孔盖的连接等。最常用的密封装置是螺栓法兰连接，即在一对法兰间放置密封元件，通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。（4） 开孔和接管由于工艺过程的要求和检修需要，在压力容器的筒体和封头上开设有不同尺寸的安装孔和工艺接管，如图11所示的人孔、物料进出口结以及安装压力表、液位计、安全阀和各类检测仪表的接管等。（5） 支座支座是支承并固定压力容器的一个基础部件，通常由板材或型材组焊而成。根据压力容器结构和形式的不同，支座也有不同的形式。最常见的圆筒形容器支座有立式容器支座和卧式容器支座；球星容器多采用柱式和裙式支座。（6） 安全附件由于压力容器的使用特点及其内部介质的化学工艺特点，往往需要在容器上设置一些安全装置和测量、控制仪表来监控工作介质的参数，以保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。压力容器的安全附件主要有安全阀、爆破片装置、压力表、液位计、测温仪表等。如上所述的几大部件组成了压力容器的壳体，对储存设备来说，壳体即是设备，对传热、传质设备来说，还需装入一些工艺要求的内件，才能构成一个完整的设备。1.3压力容器的分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故的危害性程度各不相同。因此压力容器的分类有很多种，一般是按照压力、壁厚、形状或者在生产中的作用等进行分类。介绍以下两种：（1） 按照在生产工艺的作用反应容器（R）：主要用来完成介质的物理、化学反应，例如制药厂的搅拌反应器，化肥厂中氨合成塔等。换热容器（E）：用于完成介质的热量交换的压力容器。分离压力容器（S）：完成介质流体压力平衡缓冲和气体净化分离的压力容器，如分离器、干燥塔、过滤器等。储存压力容器（C，球罐代号为B）：用于储存和盛装气体、液体或者液化气等介质。（2） 按照压力分外压容器：容器内的压力小于外界压力的容器。当容器的内压小于一个绝对大气压时，称之为真空容器。内压容器：容器内的压力大于外界压力的容器。低压容器（L)：0.1Mpap1.6Mpa；中压容器（M）：1.6Mpap10.0Mpa；高压容器（H）：10.0Mpap,所以可以选择16mm厚度的钢板。 2-1 外压或轴向受压圆通或管子几何参数图图2-2 外压圆筒和球壳厚度计算图3）进行比较因为166mm，选择较大厚度的钢板作为试验炉筒体的壁厚。2.3试验炉封头的选取2.3.1封头的介绍内压容器最常见的封头包括半球形、椭圆形、碟形等凸形封头以及圆锥形封头、平板型封头等。封头的结构形式是应工艺过程、承载能力、制造技术方面的要求而形成的。（1） 半球形封头半球形封头是半个球壳，对其进行应力分析，所需壁厚是同样直径的圆筒的二分之一。若厚度和直径与圆筒相同，则半球形封头的承压能力是同样条件下圆筒承压能力的两倍，故从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但其深度大，制造有一定难度。直径小时整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量较大。（2） 椭圆形封头如图2-3所示，椭圆形封头由半个椭球和一段高为的圆筒形筒节（称为直边）构成，椭圆形封头旳直边高度与封头的公称直径有关，如表2-2所示。图2-3 椭圆形封头示意图表2-2 封头旳直边高度封头的公称直径DN20002000封头旳直边高度2540由于椭圆部分经线曲率平滑连续，故封头中的应力分布比较均匀，对于a/b=2的标准椭圆形封头，封头与直边连接处的边缘应力较小，可不予考虑，而且封头的深度较小，方便了成型加工。因此，中、低压容器中椭圆形封头的应用较为广泛。（3） 碟形封头碟形封头有三部分组成：以为半径的球面壳体、半径为r的圆弧为母线所构成的环状壳体（或过渡圆弧）和高度为的直边，直边高度的取法与椭圆形封头直边相同，可参照表3-7.虽然由于过渡段的存在降低了碟形封头的深度，但在三部分连接处，由于经线曲率发生突变，在过渡区边界上边缘应力比内压薄膜应力大很多，故受力状况不佳。如图2-4。图2-4 碟形封头（4） 球冠型封头为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的过渡圆弧和直边部分去掉，将球面部分直接焊接到圆柱壳体上，构成了球冠型封头，如图2-5所示。球冠型封头可用作容器的端封头，如图2-5（a）也可用作容器中两个相邻承压空间的中间封头，如图2-5（b）。图2-5 球冠型封头球冠型封头在不能保证任何情况下两侧的压力都相同作用时，封头计算厚度应分别按下列两种情况计算，取较大值：1）只考虑封头凹面侧受压，计算厚度按式（2-2）确定，Q值由图2-6查取；2）只考虑封头凸面侧受压，计算厚度按式（2-2）确定，Q值由图2-7查取。 （2-2）图2-6 Q值图图2-7 Q值图 （4）锥形封头锥体锥形封头的主体部分在内压作用下，最大薄膜应力发生在大端。锥体和圆筒部分连接处，由于几何不连续性，曲率半径突变，因此该处会产生较大的横向推力，引起较大边缘应力，容易发生弯曲，故需加强。对大端，轴向弯曲应力为主要控制因素，且属二次应力，所以应力强度控制在内；对小端，由于小端与圆筒连接处的应力状况主要为平均周向拉应力和平均径向压应力，属局部薄膜应力，所以应力强度可以控制在内，但由于此处局部薄膜应力有可能超越边缘效应的分布范围，为安全起见，取应力强度控制在以内。对大端，任何情况下加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度，加强段长度应不小于，圆筒加强段长度应不小于。对小端，任何情况下加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度，锥壳加强段长度应不小于，圆筒加强段长度应不小于。2.3.2试验炉封头厚度计算由于设计要求，需选择球冠形封头作为试验炉的封头类型。 （1）封头凹面侧受压 查图2-6可知，Q值为3，故 （2）封头凸面侧受压查图2-7可知，Q值为2.6，故 （3）因为13.4711.67，所以封头的计算厚度为13.47mm。 1）求设计厚度 2）求名义厚度，故。 所以球冠型封头厚度为16mm。2.4试验炉法兰的选取2.4.1法兰的简介在石油、化工设备和管道中，由于生产工艺的要求，或者为制造、运输、安装、检修方便，常采用可拆卸的连接结构。常见的可拆卸结构有法兰连接、螺纹连接和承插式连接。采用可拆卸连接之后，确保接口密封的可靠性，是保证化工装置正常运行的必要条件。由于法兰连接有较好的强度和紧密性，适用的尺寸范围宽，在设备和管道上都能应用，所以应用最普遍。但法兰连接时，不能很快地装配与拆卸，制造成本较高。 （1）法兰连接结构与密封原理 法兰连接结构是一个组合件，是由一对法兰，若干螺栓、螺母和一个垫片所组成。在实际应用中，压力容器由于连接件或被连接件的强度破坏所引起法兰密封失效是很少见的，较多的是因为密封不好而泄漏。故法兰连接的设计中主要解决的问题是防止介质泄漏。法兰的密封机理：法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于密封面之间的垫片压紧。施加于单位面积上的压力（压紧应力）必须达到一定的数值才能使垫片变形而被压实，密封面上有机械加工形成的微隙被填满，形成初始密封条件。所需的这个压紧应力叫垫片密封比压力。密封比压力主要决定于垫片的材质。显然，当垫片材质确定后，垫片越宽，为保证应有的比压力，垫片所需的预紧力就越大，从而螺栓和法兰的尺寸也要求越大，所以法兰连接中垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。当设备或管道在工作状态时，介质内压形成的轴向力使螺栓被拉伸，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，降低了密封面与垫片之间的压紧应力。如果垫片具有足够的回弹能力，是压缩变形的回复能补偿螺栓和密封面的变形，而使预紧密封比压值至少降到不小于某一值（这个比压值称为工作密封比压），则法兰密封面之间能够保持良好的密封状态。反之，垫片的回弹力不足，预紧密封比压降到工作密封比压以下，甚至密封处重新出现缝隙，则此密封失效。因此，为了实现法兰连接处的密封，必须使密封组合件各部分的变形与操作条件下的密封条件相适应，即使密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。为此，螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度，使螺栓在容器内压形成的轴向作用下不发生过大的变形。（2）法兰的分类法兰可分为三大类：整体法兰、活套法兰、半可拆连接法兰。整体法兰分为：铸造法兰、对焊法兰、平焊法兰、活套法兰。而压力容器法兰从整体上看有三种形式：甲型平焊法兰、乙型平焊法兰、长颈对焊法兰。不同的结构要求有不同的密封面：平面形密封面、凹凸形密封面、孙草形密封面、锥形密封面、梯形槽密封面。以下列出一些具有不同密封面的长颈对焊法兰：图2-9 法兰结构2.4.2试验炉法兰（1） 试验炉齿啮式快开门法兰的选择齿啮式快开门是近年来改进的一项新的连接结构。它在原有的法兰连接的基础上，对法兰对进行加工，加工出啮齿，然后用锁紧圈将两法兰进行缩紧，从而实现连接。它的优点：开启方便，密封性好；快开连锁方式实现形式多样；安装简便；容易实现自动化连锁控制；能承受压力高；适用范围广泛。同样，它也有很多缺点：加工难度高；密封圈易磨损；开启式压力释放速度快，爆炸威力大；安全联锁装置以人为损坏；大型容器罐比较难；容器不易承受负压，否则密封不好，容易漏气。1）确定法兰的公称直径根据法兰材料、公称压力和设计温度，查钢制压力容器GB150-1998可知最大允许压力为1.0Mpa，适合试验炉使用。2）验证初选法兰的适用性根据以上选定法兰公称压力和公称直径，查国家标准，可知初选的长颈对焊法兰满足标准。3）选择密封面根据设计条件，选择平面型密封面。4）对所选择的法兰进行再加工将法兰加工12个法兰齿，将法兰部分进行切除，便于与球壳和筒体连接。详细设计见工程图。（2）后法兰的选取1）初步确定法兰的类型短筒内径即为法兰的公称直径，即可根据DN=1000mm，p=0.9Mpa，查国家标准，初步选择乙型平焊法兰。2）确定法兰的公称压力根据法兰材料、设计压力和设计温度，可知最大允许工作压力为1.02Mpa,适合试验炉使用。3）验证初选法兰的适用性根据以上选定的法兰公称压力和公称直径，可知初选的乙型平焊法兰满足要求。4）选择密封面根据设计条件，选择平面型密封面。2.5试验炉的管口2.5.1安全阀的介绍安全阀是一种安全保护用阀，它的启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高，超过规定值时自动开启，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值。安全阀属于自动阀类，主要用于锅炉、压力容器和管道上，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体/流体排入大气/管道外，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。安全阀结构主要有两大类：弹簧式和杠杆式。弹簧式是指阀瓣与阀座的密封靠弹簧的作用力。杠杆式是靠杠杆和重锤的作用力。随着大容量的需要，又有一种脉冲式安全阀，也称为先导式安全阀，由主安全阀和辅助阀组成。当管道内介质压力超过规定压力值时，辅助阀先开启，介质沿着导管进入主安全阀，并将主安全阀打开，使增高的介质压力降低。安全阀的排放量决定于阀座的口径与阀瓣的开启高度，也可分为两种：微启式开启高度是阀座内径的（1/15）（1/20），全启式是（1/3）（1/4）。此外，随着使用要求的不同，有封闭式和不封闭式。封闭式即排出的介质不外泄，全部沿着规定的出口排出，一般用于有毒和有腐蚀性的介质。不封闭式一般用于无毒或无腐蚀性的介质。选用原则：1）蒸汽锅炉安全阀，一般选用敞开全启式弹簧安全阀0490系列；2）液体介质用安全阀，一般选用微启式弹簧安全阀0485系列；3）空气或其他气体介质用安全阀，一般选用封闭全启式弹簧安全阀；4）液化石油气汽车槽车或液化石油气铁路罐车用安全阀，一般选用全启式内装安全阀；5）采油井出口用安全阀，一般选用先导式安全阀；6）蒸汽发电设备的高压旁路安全阀，一般选用具有安全和控制双重功能的先导式安全阀7）若要求对安全阀做定期开启试验时，应选用带提升扳手的安全阀。当介质压力达到开启压力的75%以上时，可利用提升扳手将阀瓣从阀座上略为提起，以检查安全阀开启的灵活性；8）若介质温度较高时，为了降低弹簧腔室的温度，一般当封闭式安全阀使用温度超过300及敞开式安全阀使用温度超过350时，应选用带散热器的安全阀；9）若安全阀出口背压是变动的，其变化量超过开启压力的10%时，应选用波纹管安全阀；10）若介质具有腐蚀性时，应选用波纹管安全阀，防止重要零件因受介质腐蚀而失效。2.5.2开口的补强由于工艺、结构及安装、检修的需要，常常需要在压力容器及设备上开孔和安装接管。如物料进、出口管、测量和控制点接管，视镜、液面计孔、人孔、手孔等。压力容器开孔后，不但削弱了器壁的强度，而且由于开孔破坏了原有的应力分布分布并引起应力集中；同时在接管处，容器壳体与接观音结构的不连续也会引起应力集中。这些因素均使开口和开口接管处存在较大的局部应力，加之材料和制造缺陷等各种因素的综合作用，开孔和接管附近就成为压力容器和设备的薄弱部位。因此要进行补强。但并非所有的开孔都要补强。GB150规定，如果壳体开孔同时满足以下条件，可不另行补强：1）设计压力不大于2.5Mpa；2）两相邻开孔中心距（对曲面间