化工设备机械基础课程设计

1、化工设备机械基础课程设计题目：液氨储罐的机械设计班级：07080102学号：0708010209姓名：熊领领指导老师：崔岳峰沈阳理工环境与化学工程学院2010月11月设计任务书课题： 液氨储罐的机械设计设计内容:根据给定的工艺参数设计一个液氨储罐已知工艺参数：1 最高使用温度：T=502 公称直径: DN=2600mm3 筒体长度（不含封头）：L0=3900mm具体内容包括： 1：筒体材料的选择2：罐的结构及尺寸3 罐的制造施工4 零部件型号及位置、接口5 相关校核及计算设 计 人： 熊 领 领学 号： 0708010209下达时间： 2010年11月19号完成时间: 2010年12月20号目

2、录1设计方案11.1设计依据11.2设计参数的确定11.3设计结果的确定22工艺计算32.1壁厚的设计3筒体壁厚设计3封头壁厚的设计3筒体与封头水压强度的校核42.2人孔的设计及补强的确定5人孔的选择5补强的确定52.3接口管的设计6液氨进料管的设计6液氨出料管的设计6放空管接管口的设计6液面计接口管的设计6排污管的设计6安全阀接口管的设计72.4鞍座的设计7罐体的质量7封头的质量7液氨的质量7附件的质量83参数的校核93.1筒体轴向应力的校核9筒体轴向弯矩计算9筒体轴向应力计算103.2筒体和封头切向应力的校核11筒体切向应力113.2.2 封头切向应力校核113.3筒体环向应力的校核12轴

3、向应力计算12轴向应力校核123.4鞍座有效断面平均压力124液氨贮罐设备图145设计汇总156总结16参考文献171设计方案1.1设计依据本液氨贮罐属于中压容器，设计以“钢制压力容器”国家标准为依据，严格按照政府部门对压力安全监督的法规“压力容器安全技术监督教程”的规定进度进行设计。以安全为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命。设计的主要步骤如下：1）对设计中要用的各种设计参数进行计算和选取，以及根据制造容器的特殊要求选择材料。2）利用计算公式对容器筒体和封头壁厚的设计，以及封头类型的选择。3）根据鞍座承受的载荷而选用对称布置的双鞍座，再对容器进

4、行各种应力分析和校核。4）从连接的密闭性、强度等出发，标准选用各种法兰。5）根据以上的容器设计计算，画出总的设备图。1.2设计参数的确定1）设计温度:T=502)设计压力：查化工设备机械基础(赵军，张有忱，段成红编，p132)本贮罐在最高使用温度下，氨的饱和蒸汽压为2.033Mpa(绝对压强)，故取设计压力为p=1.10（2.0330.10133）=2.12Mpa（表压），原因是因为容器上装有安全阀时，可取1.05到1.11倍的最高工作压力作为设计压力，这里取最高设计压力为1.10倍。液柱静压力为Pi=DNg=2.6562.909.8110-6=0.0144Mpa5p=0.106Mpa，所以静

5、压力可忽略不计，可取计算压力pc=p=2.12Mpa3)材料选择：由操作条件分析，该容器属于中压、常温范畴。在常温下材料的组织和力学性能没有明显变化。根据化工设备机械基础(赵军，张有忱，段成红编，p125)表93钢板选用表，筒体和封头的材料选择钢号为16MnR的钢板，使用状态为热轧或正火(设计温度-40475 ，钢板标准GB6654-1996),接管材料选用10号钢管（许用应力：=t=112Mpa）,法兰材料选择16Mn(锻)，鞍座底板材料选用16MnR，鞍座其余材料选用Q235-AF。4)钢板厚度负偏差：由化工设备机械基础（赵军，张有忱，段成红编，p128）表910知钢板厚度在8.025mm

6、时钢板负偏差C1=0.8mm。5)腐蚀裕量：根据化工设备机械基础（赵军，张有忱，段成红编，p128） 知腐蚀余量有介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定。腐蚀裕量C2=n ，其中为腐蚀速率；n为容器的设计寿命。根据腐蚀数据与选材手册 （左景伊，左禹编著P216）钢铁对于氨气和液氨有优良的腐蚀性，腐蚀率在0.1mm/a以下。且设计贮罐为单面腐蚀，故取C2=2.0mm。6)焊接头系数：本次设计是液氨贮罐的机械设计。氨属于中度毒性物质，又由于PV=2.122.62/4=47.2510Mpa.m3 ,由化工设备机械基础（赵军，张有忱，段成红编，p99，p127表96）可知，该设备为中压储存容器，

7、即为第三类压力容器。要保证设备密封性能良好，故筒体焊接结构采用双面焊或相当于双面的全焊透的对接接头，且全部无损探伤的，故取焊接头系数=1.0。7）许用应力：对于本设计是用钢板卷焊的筒体以内径作为公称直径DN=D1=2600mm。假设16MnR钢的厚度在1636mm之间，根据化工设备机械基础（赵军，张有忱，段成红编，p125）表94，设计温度下钢板的许用应力t =163Mpa。常温强度指标b=490Mpa、s=325Mpa。1.3设计结果的确定罐体：采用16MnR钢板，DN=2600mm,L0=3900mm,dn=20mm封头：采用DN26002016MnR JB/T4737鞍座：采用JB/T4

8、71292 鞍座A2600FJB/T471292 鞍座A2600S人孔：采用HG215231995人孔RF（AG）4502.5液氨进料管:采用57mm3.5mm无缝钢管液氨出料管：采用可拆的压出管25mm3mm，将它与法兰套在接口管38mm3.5mm内排污管：采用57mm3.5mm的管子液面计：采用HG522780AG2.5-I-1200P，L=1200mm两支放空管接管：采用32mm3.5mm无缝钢管，法兰HG20592，法兰SO251.6RF 16MnR安全阀接管：采用32mm2.5mm无缝钢管，法兰HG20592，法兰SO251.6RF 16MnR2工艺计算2.1壁厚的设计筒体壁厚设计在

9、GB-150-1998钢制压力容器中规定，将计算厚度与腐蚀余量作为设厚度，即： (2-1)式中d设计厚度（mm）；C2腐蚀裕量（mm）；Pc圆筒的设计压力（Mpa）；DN圆筒的公称直径（mm）；焊接接头系数；t钢板在设计温度下的许用应力（Mpa）。于是 =2.122600（21631.02.12）2.0=19.02mm将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整到钢板的标准规格的厚度，即圆筒的名义厚度： n=dC1 （2-2）即n=dC1=19.020.8=20mm。圆整后取n=20mm厚的16MnR钢板制作筒体。有效厚度 e=nC1C2 （2-3）所以e=nC1C2=200.82.0=17.2mm封头

10、壁厚的设计由于椭圆封头厚度的筒体厚度的计算公式几乎一样，说明圆筒体采用标准椭圆封头，其封头厚度近似等于筒体厚度，这样筒体和封头可采用同样厚度的钢板来制造。故采用标准椭圆型封头。由化工设备机械基础（赵军，张有忱，段成红编，P134）表102知，当DN2hi=2时，椭圆封头的形状系数K=1.00。封头的设计厚度为： （2-4）即 =2.122600（21631.00.52.12）2.0=18.96mm考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，需圆整，封头的名义厚度仍利用公式（2.2）于是n=dC1=18.960.8=20mm。圆整后取n=20mm厚的16MnR钢板制作封头。椭圆封头标记为：椭圆封头DN260

11、02016MnR JBT4737封头的有效厚度由公式（2.3）计算，于是e=nC1C2=200.81.0=17.2mm由化工设备机械基础（赵军，张有忱，段成红编，P134）表102查得标准椭圆封头的直边高度h0=50mm。故两封头切线之间的距离为L=L02h0=3900250=4000mm筒体与封头水压强度的校核根据化工机械基础（陈国恒 主编P162）公式 (2-5)式中 pt试验压力（Mpa）；e有效厚度（mm）；s强度指标（Mpa）。其中pt=1.25p=1.252.12=2.65Mpa e=17.2mm s=325Mpa于是=201.6MPa0.9s=0.93251.0 =292.5 M

12、Pa水压试验满足强度要求。2.2人孔的设计及补强的确定人孔的选择压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。根据贮罐是在常温及最高工作压力为2.12MPa的条件下，人孔标准应按公称压力为2.5MPa的等级选取。由化工容器及设备简明设计手册（贺匡国P675）表23-1-33查得受压设备的人孔盖较重，一般选取吊盖式人孔或回转盖式人孔，吊盖式人孔使用方便垫片压紧较好，回转盖式人孔结构简单，转动时所占空间平面较小，如布置水平位置时，开启时较为费力。故选水平吊盖人孔。该人孔标记为：HG215231995人孔RF（AG）450

13、2.5其中RF突面封闭，接管于法兰的材料为20R，AG用普通石棉橡胶板垫片，4502.5公称直径为450mm、公称压力为2.5MPa补强的确定由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准由化工容器（丁伯民，黄正林等编）P192表6-1查表得人孔的尺寸为48010，标准补强圈尺寸为内径Di=484mm，外径D0=760mm。本设计选用C型20（C=10）。因此内径为Di=di+2C+(1216) (2-6)于是内径为Di=di2C（1216）=45021016=486mm补强圈厚度按下式估算 (2-7) 故取补强圈厚为36mm2.3接口管的设计液氨进料管的设计采用57mm3.5mm无

14、缝钢管。管的一端切成45，伸入贮罐内少许。根据化工机械基础（陈国桓）P192表11-2查得配用具有突面密封的平焊管法兰，法兰标记：HG20592法兰SO502.5 RF 16MnR。因为壳体名义壁厚d=20mm12mm，接管公称直径小于80mm，故不用补强。液氨出料管的设计采用可拆的压出管25mm3mm，将它用法兰套在接口管38mm3.5mm内，罐体的接口管法兰采用法兰HG 20592 法兰SO322.5 RF 16MnR。与该法兰相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与HG 20592法兰SO322.5 RF 16MnR相同，但其内径为25mm。液氨压出管的端部法兰HG 20592法兰

15、SO322.5 RF 16MnR。这些小管都不补强。压出管伸入贮罐2.5m。放空管接管口的设计采用32mm3.5mm无缝钢管，法兰为HG 20592 法兰SO252.5 RF 16MnR。液面计接口管的设计由化工容器（丁伯民，黄正林等编）P289表10-4可知本贮罐采用厚壁玻璃管液面计，记作AG2.5-I-1200P，L=1200mm两支。与液面计相配的接口管尺寸为18mm3mm,管法兰为HG 20592-97 法兰SO152.5 RF 16MnR。2.3.5排污管的设计贮罐右端最底部安设排污管一个，管子规格为57mm3.5mm，管端焊有一与截止阀J41W16相配的管法兰HG 25092 法兰

16、SO502.5 RF 16MnR。排污管一罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈。安全阀接口管的设计采用32mm2.5mm无缝钢管，法兰为HG 20592 法兰SO252.5 RF 16MnR（尺寸由安全阀泄露放量决定）2.4鞍座的设计首先粗算鞍座的负荷贮罐的总量：其中W罐体质量W1罐体的质量，KgW2水压试验时水的质量，KgW3附件的质量，Kg罐体的质量根据化工机械基础（陈国恒 主编P312）续表查得，DN=2600mm，壁厚n=20mm条件下筒节钢板质量q1=1290kgm，故W1=q1L0 (2-8)于是W1=q1L0=12903.9=5031kg封头的质量根据化工机械基础（陈国恒 主编

17、P312）续表查得，DN=2600mm，壁厚n=20mm，h0=50mm条件下椭圆型封头质量q2=1230kgm，故W2=2q2 (2-9)于是W2=2q2=21230=2460kg液氨的质量W3=V (2-10)式中 V主管容积（m3）；水的密度（kgm3）。其中根据化工机械基础（陈国恒 主编P312，P315）续表查得，DN=2600mm，壁厚n=20mm，h0=50mm条件下1m高筒体的体积V1=5.309m3，椭圆型封头的容积V2=2.56m3，故V=V封V筒 (2-11)于是V=V封V筒=2V2L0V1=22.563.95.309=27.217m3液氨在0时的密度为64kgm3，小于

18、水的密度，故充液氨质量按水考虑。即=1000kgm3。所以W3= V=25.217100=25217kg附件的质量人孔约重200kg，其他管的总和安300kg计算，故W4=200+300=500kg设备总质量为W= W1+W2+W3+W4=5031+2460+25217+500=33208kg各鞍座的反力为F=mg/2=33.29.81/2=162.85KN,由化工设备机械基础（刁玉玮，王立业编著P352）表40查得，所以选用轻型(A型)120包角带垫板鞍座，鞍座厚度为b=260mm,腹部厚10mm,垫板宽500mm，垫板厚8mm。鞍座标记为：JB/T47121992 鞍座 A2600FJB/

19、T47121992 鞍座 A2600S因为0.2L0.5R取鞍座位置A=0.5R=0.51300=650mm3参数的校核3.1筒体轴向应力的校核筒体轴向弯矩计算筒体中间处界截面的弯矩 (3-1)式中 F鞍座反力（N）；Rm椭圆封头外半径（mm）；L两封头切线之间的距离（mm）；A鞍座位置（mm）；Hi筒体内半径（mm）；其中所以 13.9107=Nmm支座处截面上的弯矩 于是 M2=-=- （3-2） Nmm筒体轴向应力计算由化工机械设计手册（上卷）P11-99表11.4-11 查得K1=K2=1.0.因为，且ARm/2=705.5mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。（1）由弯矩

20、引起的轴向应力圆筒中间截面上最高点处： (3-3)于是 Mpa鞍座截面处最高点处：3= -最低点处: 4 = -（2）由设计压力引起的轴向应力 (3-4) MPa（3）轴向应力组合与校核最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低点处 于是2=P+21=80.73+0.7=81.43MPa (3-5)许用轴向拉压应力MPa，合格。最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高点处1=11=0.7 MPa轴向许用应力 (3-6)根据A值查外压容器设计的材料温度线图（教材P152图119），得B=130MPa，取许用压缩应力ac=130 MPa，合格。3.2筒体和封头切向应力的校核 因筒体被封头加强，筒

21、体和封头中的剪切应力分别按下列计算。 3.2.1筒体切向应力 (3-7)由化工机械设计手册（上卷）P11100表11.412查得K3=0.880,K4=0.401。 MPa 封头切向应力校核 (3-8) 所以 MPa 合格3.3筒体环向应力的校核 轴向应力计算 设垫片不起作用(1)鞍座处横截面最低点处 (3-9)其中b2筒体的有效宽度。由化工机械工程手册（上卷）P11101表11.413查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1考虑容器焊在鞍座上 (3-10)式中b支座轴向宽度。于是=640.405mm故=-1.52MPa（2）鞍座边角处轴向应力因L/Rm=5000/1524=

22、3.288,故= =-16.98MPa (3-11)轴向应力校核 MPa MPa3.4鞍座有效断面平均压力支座承受的水平分力由化工机械工程手册(上卷)P11103表11.415查得K9=0.204。于是N鞍座有效断面平均应力 （3-12）式中Hs 鞍座计算高度；B0鞍座腹板厚度。其中Hs取鞍座实际高度（H=250mm）和Rm/3=436.67mm中的最小值，即取Hs=250mm。腹板厚度b0=2-C1=10-0.8=9.2mm于是 MPa应力校核MPa式中=140MPa，鞍座材料Q235AF 的许用应力。4液氨贮罐设备图贮罐的总装备图示于附图，各零件部位的名称、规格、尺寸、材料等见明细表。本贮罐技术要求如下:1)本设备按GB1501998钢制压力容器进行制造、试验和验收。2）焊接材料，对接焊接接头形式及尺寸可按GB98580中规定（设计焊接接头系数=1.0）。3）焊接采用电弧焊，焊条型号为E4303。4）壳体焊缝应进行无损失探伤检查，探伤长度为100%。5）设备制造完毕后，以