过程设备设计课程设计－液氨贮罐的设计.doc

安徽工程大学课程设计 29 液氨贮罐的设计过程设备设计课程设计 学校：安徽工程大学 学院：机械与汽车工程学院 专业：过程装备与控制工程09级 姓名：XXX 学号：30XXXXXXXX 说明：关于前面的前言部分绪论部分本档案没有，大家可以自己发挥。本档案是作为一个很好的设计计算的模板给大家的。本设计是给定长径长度的设计过程。主要内容如下：1、 罐体壁厚设计及液压试验校核2、 封头壁厚设计三、鞍座四、鞍座应力校核五、人孔选择与补强六、接口管设计示例、设计任务：设计一液氨贮罐，贮罐内径，罐体（不包括封头）长度一、罐体壁厚设计1、壁厚计算本贮罐选用16MnR制造罐体和封头。计算壁厚根据下式计算：计算压力。+液柱静压力，当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。设计压力。本贮罐夏季最高温度可达40，这时氨的饱和蒸气压为1.555（绝对压力），故取最大操作压力为 1.4.3 ，取当地大气压为0.1。考虑到液氨贮罐安装了安全阀，故本设计中设计压力为：本设计中，最大液柱高度为2600mm，其产生的液柱静压力为，设计压力的5%为，所以计算压力为：又；设计温度下材料的许用应力，MPa。 （假设=1636mm） （焊缝采用双面对接焊，局部探伤）于是：取，可以查得则取,即确定选用18mm的16MnR钢板制作罐体。在1636mm之间，所以取合适。2、液压试验校核容器在制成以后或检修后投入生产之前，要进行压力试验，其目的在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，以确保设备的安全与正常运行。（1）试验压力的确定通常情况下，容器进行液压试验，其试验压力为：式中：试验压力，MPa，立式容器卧置做液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力加液体静压力；试验温度下材料的许用应力。本设计中（2）压力试验前的应力校核在压力试验前，应对试验压力下产生的圆筒应力进行校核，及容器壁内所产生的最大应力不超过所用材料在试验温度上屈服极限的90%。水压试验时，容器壁内所产生的最大应力为：容器的有效壁厚。而16MnR钢板的，则常温下水压试验时的许可应力为所以水压试验时强度足够二、封头壁厚设计本设计中，采用标准椭圆形封头其壁厚按下式计算式中（钢板最大宽度为3m，该贮罐直径为2.6m，故封头需将钢板拼焊后冲压）； （假设=1636mm）,其它符号同前。于是：同前, ，所以:考虑到封头加工制造时的减薄量，最后确定使用的16MnR钢板制作封头。三、鞍座首先粗略计算鞍座负荷设备总重量式中：罐体重；封头重；水重（因液氨比重小于水，故取液压时的水重）；附件重。1、罐体重对于，的罐体，每米长度罐体的质量为（附录1），所以2、封头重，直边高度h=50mm的标准椭圆封头，其质量为：,所以：3、水重贮罐容积：封头的体积查附表2，可知公称直径为2600mm，直边高度为50mm的椭圆封头，其体积为筒体的体积查附表1可知，1米长的筒体，其体积为5.309水的重度：于是：。4、附件重人孔重量的确定按照GH21518-2005选用带颈对焊法兰人孔，选用人孔公称直径为DN450，公称压力为PN2.5，密封面形式为凹凸面，查附表6可知，该人孔重量为245Kg，约为2.4KN，其它接管总重按3KN计，则附件总重为所以，设备总重为：设备上一共有两个鞍座，每个鞍座承受的设备重量为：每个鞍座只承受186.7KN的重负荷是很小的，所以选用轻型鞍座，标记为：JB/T4712-1992 鞍座A2600-FJB/T4712-1992 鞍座A2600-S鞍座的结构形式和尺寸参见相关标准。四、鞍座应力校核1、支座反力计算式中：按折算长度计算的单位长度载荷，圆筒体部分长度，即两封头切线之间的距离。此处为4800mm。封头内表面的深度。对于标准椭圆封头，2、圆筒轴向弯矩计算（1）圆筒中间处截面上的弯矩式中：圆筒的平均半径。圆筒的名义厚度，此处（2）支座处截面上的弯矩3、圆筒的剪力计算圆筒在中间截面处的剪力为零。在支座处靠近封头侧的剪力为在支座处靠内侧的剪力为则4、圆筒中间处截面上的轴向应力（1）介质压力引起的轴向应力介质压力在圆筒中间处截面上引起的轴向应力为设计压力。此处为1.65。圆筒的有效厚度。（2）弯矩引起的轴向应力弯矩在圆筒中间处截面上引起的弯曲应力为（3）总的轴向应力在圆筒中间处截面的最高点，总的轴向应力在最低点，总的轴向应力为5、支座处截面上的轴向应力因为圆筒在支座处未被加强，最大弯曲拉应力出现在靠近水平中心的A点出及最大弯曲压应力出现在横截面的最低点B处。A点处的轴向应力为B点处的轴向应力为、为系数，见下表系数、条件鞍座包角被封头加强的圆筒，即ARm/2；或在鞍座平面上有加强圈的圆筒1200135015001.01.01.01.01.01.0未被封头加强的圆筒，即ARm/2,且在鞍座平面上无加强圈的圆筒1200135015000.1070.1320.1610.1930.2340.279由表可知，取，6、圆筒轴向应力的校核对拉应力，必须满足对压应力，必须满足式中圆筒材料在设计温度下的许用应力，此处=163圆筒材料的轴向许用压缩应力，此处=163均所以轴向应力满足强度要求。7、圆筒切向剪应力校核（1）切向剪应力的计算圆筒未被封头加强。则：系数，见下表系数条件鞍座包角圆筒在鞍座平面上有加强圈1200135015000.3190.3190.319圆筒在鞍座平面上无加强圈，且ARm/2,或靠近鞍座处有加强圈。1200135015001.1710.9580.799由表可知，取=1.171（2）切向剪应力的校核圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下圆筒材料许用应力的0.8倍，即现切向剪应力满足强度要求。8、圆筒周向应力校核鞍座处圆筒的有效厚度为鞍座的轴向宽度，mm。此处为。而鞍座处的垫板宽度为500mm，垫板宽度所以垫板不起加强作用。（1）周向应力的计算横截面最低点处系数，当容器不焊在支座上时，取；当容器焊在支座上时，周向应力将大幅度降低，取系数，见下表系数、鞍座包角A/Rm0.5A/Rm11200132013501470150016200.76030.71960.71080.68000.67330.65010.01320.01090.01030.00840.00790.00630.05390.04340.04130.03350.03170.0252当0.5A/Rm1时，=0.0529鞍座边角处（2）周向应力的校核所以周向应力满足强度要求。根据以上的计算，说明此圆筒选用2600的标准鞍座后，其各项应力均满足强度要求，所以圆筒及鞍座都是安全的。4、 人孔选择及补强 人孔选择根据贮罐是在常温及最高工作压力为1.50Mpa的条件下工作，储罐的设计压力已达到了1.65MPa，所以人孔标准应按公称压力为2.5Mpa选取，从人孔类型系列标准可见，公称压力为2.5Mpa的人孔类型较多。本设计选用回转盖人孔。人孔的公称直径选定为450mm，密封压紧面采用MFM型（凹凸面密封面）。根据标准HG215182005查得回转盖人孔各零件的名称、材料及尺寸列入下表：人孔零件名称材料明细表 件号名称数量材料尺寸1筒节1Q235-B2螺柱2035直径长度=M331653螺母40M334管法兰1Q235-B5垫片1橡胶石棉板6端盖1Q235-B7把手1A3F螺纹部分M208轴1A3F9销2A3F10垫圈2Q235-B11盖轴耳1Q235-B12法兰轴耳1Q235-B人孔补强GB150-1998钢制压力容器规定，当满足下述要求时，容器开孔处可以不另行补强。（1）两相邻开孔中心的间距（曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；（2）若设计压力,当壳体名义厚度大于12mm时，接管公称直径小于或等于80mm；当壳体名义厚度小于等于12mm时，接管公称直径小于或等于50mm。（3）若壳体材料的,则接管与壳体的连接宜采用全焊透焊缝。根据允许不另行补强的条件与规定，人孔接管外径壁厚=，需进行补强计算。此处采用等面积补强法设计，其原则是：补强金属截面积要等于或大于因开孔而减少的金属截面积，以使得开孔边缘的应力集中区域内，其平均应力不大于未开孔时壳体内的应力，从而维持容器的整体屈服强度。1、计算开孔削弱面积AA壳体所需的补强面积，即通过开孔中心在壳体的纵截面内因开孔而被削弱的面积。d开孔直径人孔内径，人孔外径，根据公称直径查得，此处人孔的筒节尺寸为，所以人孔外径为=480mm。人孔名义厚度，此处=12mm。人孔短节厚度附加量。因为人孔采用钢板卷焊，所以人孔钢板负偏差，此处取=0.8mm人孔钢板腐蚀裕量，此处取=1mm 则：筒体开孔处的计算壁厚；当开孔不通过焊缝时，取，于是人孔的有效厚度。强度削弱系数，等于设计温度下接管材料许用应力与壳体材料许用应力之比。当该比值大于1.0时，取=1.0人孔材料取Q235-B，在40时其；又壳体材料取，在40时2、计算有效补强范围（1）有效补强范围有效补强宽度B有效宽度取中之较大值，mm取大值，则有效补强高度1）接管外侧高度，取值如下：中之较小值，mm人孔接管实际外伸高度，查HG215172005，为250mm。此处取2）接管内侧高度，取值如下：中之较小值，mm因为人孔接管为平齐接管，内伸高度为0mm。所以，此处取：（2）筒体多余截面积A1开孔处壳体的有效厚度。（3）接管多余面积人孔接管计算厚度。则。（4）焊缝面积只考虑补强圈内与接管组合焊缝中的填角焊缝。焊角高度取最小值6mm，按等腰直角三角形计算，则3、判断是否补强显然，人孔处需另加补强圈。4、补强圈尺寸确定（1）需补强的最小截面积（2）补强圈尺寸确定由附表5查得，人孔接管公称直径为DN450，其外径乘以壁厚为，由附表5查得，所用的补强圈外径，其内径，其中：为接管（此处即为人孔筒节）外径。（3）补强圈厚度确定补强圈材料取与壳体相同（16MnR），则补强圈最小厚度为：从备料及制造考虑，可取与筒体名义厚度相同，即的补强圈。由于多余的壳体与接管壁厚没有用到补强上去，整个容器的许用压力可高于其设计压力。六、接口管1、液氨进口管液氨进口管公称直径为DN65，采用无缝钢管。管的一端切成45，伸入罐内少许（200300mm）。配用具有凹面密封的平焊管法兰。法兰标记为：法兰 PN2.5 DN50，HGT 20592-2009。根据允许不另行补强的条件与规定可知，本接管也需进行补强计算。（此处补强计算在计算书中不再示范，同学们根据前面的补强计算自己参照进行）。2、液氨出料管设置在液氨贮罐的底部，其公称直径为DN65，采用无缝钢管。配用具有凸面密封的平焊管法兰。法兰标记为：法兰 PN2.5 DN65，HGT 20592-2009。根据允许不另行补强的条件与规定可知，本接管不需进行补强计算。3、排污管贮罐右端最底部，设置排污管一个，其公称直径为DN50，管子规格为，管端焊有一个与截止冷阀J41W-16相配的具有凸面密封的平焊管法兰。（其开孔补强计算此处不必进行，直接参照液氨进口管的计算结果，如液氨进口管需要补强，则排污管也需要。）法兰标记为：法兰 PN2.5 DN50，HGT 20592-2009。4、液面计接管此接管配置两个，其公称直径为DN20，设置在液氨贮罐的侧面，即椭圆封头上。采用玻璃管液面计BIWPN2.5，l=1000，HG5-226-65两支（化工容器及设备简明设计手册P576）。与液面计相配的接管尺寸为，管法兰为PN,2.5 DN20 HGT 20592-2009。5、放空管接管此接管设置在液氨贮罐的最顶部，其公称直径为DN50，采用的无缝钢管，管法兰为PN2.5 DN50 HGT 20592-2009。七、设备总装图根据计算结果，并选定相应的标准零部件，绘制贮罐的总装配图，并在总装图的明细栏内，将各零部件的名称、规格、尺寸、材料等列于表中。参考材料1、GB150-1989.钢制压力容器.国家技术监督局，19892、贺匡国主编.化工容器及设备简明设计手册.北京：化学工业出版社3、压力容器国家标准汇编. 北京：中国标准出版社4、JB/T4712-1992.鞍式支座.附录课程设计参考图表1.筒体（摘自JB115373）附表1筒体的容积、面积和质量公称直径DNmm1米高的容积Vm31米高的内表面积FB（m2）1米高筒节钢板理论质量，kg厚度，mm34568101214161820222426283030040050060070080090010001200140016001800200022002400260028003000320034003600380040000.0710.1260.1960.2830.3850.5030.6360.7851.1311.5392.0172.5453.1423.8014.5245.3096.1597.0308.0509.07510.18011.34012.5660.941.261.571.882.202.512.833.143.774.405.035.666.286.817.558.178.809.4310.0510.0811.3211.8312.5722303745304050606979893750627587991121241491731984460759010511913414917820823826729632235659791001211401591791992382783173563974364755145545936326727117517909912515017620022424929834839744649554559664469374279184189093998811915018021324027029635841847653659665571477483188195010081070112611861752112502803153484184875566276957148349039701040110811771246131513833633994795676367167958749601030111011901267134614241514158240845054063072080689598410801160120513381425151716061693178050360270080089799510931194129013901490158716871785188419806627708809871095120413141422153116401745185719652074218584096010801200131814351553167117901908202721452263238091410401170130014291556168418121940206921972325245325859861124126314001540167718151953209122292367250526432785105812061353150116501798194620942242239025332685283429852.椭圆封头（摘自JB/T 473795）（见附表2、附表3）附表2以内径为公称直径的椭圆封头的型式和尺寸公称直径DNmm曲边高度h1mm直边高度h2mm内表面积Am2容积Vm3公称直径DNmm曲边高度h1mm直边高度h2mm内表面积Am2容积Vm330075250.12110.0053550137250.37110.027735088250.16080.0080400.39700.0313400100250.20490.2049500.41430.0337400.22370.2237600150250.43740.0353450112250.25480.2548400.46560.0396400.27610.2761500.48450.0424附表2续表公称直径DNmm曲边高度h1mm直边高度h2mm内表面积Am2容积Vm3公称直径DNmm曲边高度h1mm直边高度h2mm内表面积Am2容积Vm3500125250.31030.3103650162250.50900.0442400.33380.3338400.53970.0492500.34950.3495500.56010.0525700175250.58610.05451400350252.23460.3977400.61910.0603402.30050.4202500.64110.0641502.34450.4362750188250.66860.06631500375252.55680.4860400.70400.0729402.62750.5125500.72760.0773502.67460.5301800200250.75660.07961600400252.90070.5864400.79430.0871402.97610.6166500.81940.0922503.02630.6367900225250.94870.11131700425253.26620.6999400.99110.1209403.34630.7339501.01940.1272503.39980.75661000250251.16250.15051800450253.65350.8270401.20960.1623403.73830.8652501.24110.1702503.79490.89061100275251.39800.19802000500254.49301.1257401.44990.2122404.58731.1729501.48440.2217504.65011.20431200300251.66520.25452200550255.41931.4889401.71170.2714405.52291.5459501.74940.2827505.59211.58391300325251.93400.32082400600256.43231.9227401.99530.3407406.54531.9905502.03610.3540506.62072. 0358注：当封头厚度n10mm时，封头直边高度h2取25，当封头厚度10n20mm时，封头直边高度h2取40，当封头厚度n20mm时，封头直边高度h2取50。附表3以内径为公称直径的椭圆封头的质量公称直径DNmm厚度mm质量mkg公称直径DNmm厚度mm质量mkg公称直径DNmm厚度mm质量mkg公称直径DNmm厚度mm质量mkg30065.79750631.091200676.37180010287.9187.84841.728102.2412346.4135067.621055.2910132.7914405.22810.291266.7512159.9716464.3540069.691478.3514187.3818523.78813.061690.0816214.9720592.501018.0318101.9518242.7822653.461221.87800635.1420279.8324714.74450612.01847.1322305.6826776.33816.171062.26130010154.5328838.241022.121275.1412186.11190010319.521226.801488.1614217.9212384.39500614.5716101.3316249.96200012424.34819.6118114.6418282.2214496.261022.6220132.1520321.2216568.521232.23900643.97140010177.9218641.121437.92858.9312214.2320724.02550617.381077.4214250.7822798.32823.371293.3916287.5724872.961031.5214109.5118324.6126947.961238.1416125.7920368.90281023.301444.8618142.24150010202.95210012466.27600620.4420163.3912244.3114545.23827.471000653.7814285.94220012510.171036.86872.0516327.8214596.501244.561094.2418369.9616683.211452.3712113.6120419.8718770.291660.2914133.1622463.2920868.70650623.7516152.89160010229.6322957.65831.8918172.7912276.37241046.981042.5920197.9114323.40261136.681251.4622218.6916370.70281226.771460.451100664.5818418.27240012603.881669.56886.4920474.1214705.95700627.3010112.6922523.0616808.42836.6412135.80170012310.4118911.311048.7314159.1114363.16201026.541258.8616182.6116416.21221131.451469.1118206.3118469.55241236.771679.4920235.7320531.66261342.511890.0122260.3822586.45281448.664、管法兰（摘自GB9119.6-88）54附表4标准突面板式平焊钢制管法兰主要尺寸mm公称直径管子外径连接尺寸六角头螺栓、螺柱密封面尺寸法兰厚度法兰内径坡口宽度法兰理论质量法兰外径螺栓孔中心圆直径螺栓孔直径螺栓孔数量螺纹螺栓长度螺柱长度101520253214182532387580901001205055657590111111111444444M10M10M10M10M1245455050556060606070354050607022222121214141615192633390.320.360.540.651.094050658010045577689108130140160190210100110130150170141414181844444M12M12M12M16M16555555656570707085858090110128148333331616161818465978911101.201.311.612.603.0212515020025030013315921927332524026532037544020022528033539518181818228881212M16M16M16M16M207070707580909095951051782022583123653333420202224241351612222763284.104.656.248.2310.535040045050060037742648053063049054059564575544549555060070522222222261216162020M20M20M20M20M248590959511011011512012514041546552057067044445262830323638143048553563612.815.418.721.730.470080090010001200720820920102012208609751075117514058109201020112013402626303030332424242832M24M27M27M27M302120130135145150165170180200775880980108012955555540444852607248249241024122445.363.177.692.5155.114001600180020001420162018202020163018302045226515601760197021803636394236404448M332M332M363M393220235265285151017101920212555556876849214241624182420241718234.0297.6394.9521.95、补强圈（摘自JB/T47362002）附表5补强圈尺寸系列接管公称直径外径内径厚度46810121416182022242628尺寸，mm质量， kg50130按补强圈坡口类型确定0.320.480.640.800.961.121.281.431.591.751.912.072.23651600.480.730.971.211.451.701.942.182.422.672.913.153.39801800.590.881.171.461.762.052.342.632.933.223.513.814.101002100.781.171.561.942.332.723.113.503.894.284.675.065.441252501.081.622.162.693.233.774.314.855.395.936.477.017.551503001.562.353.133.914.695.476.257.047.228.609.3810.210.91753602.233.344.465.576.687.788.9110.011.112.313.414.515.62004002.724.085.446.808.159.5110.912.213.614.916.317.719.02254403.244.876.498.119.7311.413.014.616.217.819.521.122.72504703.555.337.118.8810.712.414.216.017.819.521.323.124.93005404.526.789.0411.313.615.818.120.322.624.927.129.431.63506105.598.3911.214.016.819.622.425.228.030.833.636.439.24006806.8410.313.717.120.523.92