20m³液氮立式储罐结构设计

沈阳理工大学课程设计说明书1结构设计1.1设备设计主要技术指标：表1-1氮气储罐工艺参数项目数值最高工作压力，1.6工作温度，常温设备容积，20m³立式储罐介质氮气1.2罐体结构设计Di=1900mm根据20m3储罐，长径比按4:1，粗略计算内径：L=20mDi=1900mm得Di=1853mm圆整为1900mm根据氮气的性质及设计条件，选用椭圆形封头容器。就力学性能而言，半球形封头效果较好，但是冲压工艺较难，不易成型。根据JB/T4737-1995选用EHA椭圆形封头。公称直径DN/mm曲面高度h/mm直边高度h/mm内表面积A/m容积V/m1900475254.050.971压力容器体积V=2V封头+DL=20m3得L=6369mm圆整得L=6500mmV实=2V封头+L=20.971+1.926.5=20.25m3L=7000mm100%=1%<5%不符合设计要求L=7000mm要根据100%>5%可得L=7000mm综上所述，筒体的公称直径为Di=1900mm，长度L=7000mm。2罐体、封头壁厚的设计2.1材料选择氮气腐蚀性小可选用一般钢材。这里考虑20R、16MnR。20R低碳钢板价格比16MnR钢板贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板比较经济，且16MnR机械加工性能、强度和塑性指标相对比较好，所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。根据标准GB/T713-2008《锅炉和压力容器用钢板》规定原16MnR归为Q345R。2.2设计条件由于该压力容器装有安全阀，设计压力不低于安全阀开启压力1.05~1.10倍的工作压力，故。2.3筒体壁厚计算[σ]t=170MPa设备主要材质为，根据新标准《锅炉和压力容器用钢板》，由于温度按常温计算，则查《常用材料许用应力》可得：假设材料的许用应力[σ]t=170MPa(厚度为6-16mm时)[σ]t=170MPa由《钢制压力容器的焊接接头系数值》表，选择双面焊对接接头无损检测比例为100%，所以=1.00计算厚度设计厚度对于16MnR,钢板厚度负偏差查表12-9得名义厚度δn=12mm检查δn=12mm时，[σ]t没变化，故取名义厚度δnδn=12mm2.4封头壁厚计算假设材料的许用应力[σ]t=170MPa(厚度为6-16mm时)由于H——封头的总高度h——直边高度查表标准椭圆形封头的形状系数K得K=1.00C2=1mmC2=1mm腐蚀余量C2,取C2=1mm设计厚度对于16MnR,钢板厚度负偏差查表12-9得名义厚度复检,并且δn=12mm时，[σ]t没变化，故取名义厚度δn=12mm。查JB/T4737-95可知，以内径为公称直径的椭圆型封头形状与尺寸如下所示：表2-4封头尺寸公称直径Dg曲边高度H-h（mm）直边高度h（mm）内表面积F（m2）容积V（m3）厚度s（mm）1900475254.050.97112图2-4封头结构2.5校核2.5.1校核罐体一封头液压试验强度圆筒壁在试验压力下的计算应力式中圆筒的有效壁厚圆筒在试验压力下的屈服点则而可见所以水压试验前度足够。2.5.2校核罐体一封头气压试验强度圆筒壁在试验压力下的计算式中圆筒的有效壁厚圆筒在试验压力下的屈服点则而可见所以气压试验前度足够。3附件设计3.1支座3.1.1储罐总质量—罐体质量—封头质量—液氮质量—附件质量3.1.2罐体质量kgkg3.1.3封头质量kg直边高度h=25mm的标准椭圆形封头，其质量（JB/T4746—2002），所以kg3.1.4氮气质量由于其中，装量系数取0.9（《容规》规定；介质为液化气体的固定式压力容器，量装系数一般取0.9）储罐容积液氮在常温下的密度为1.25kg/故3.1.5附体质量人孔质量约为，其他接管质量总和按计算于是储罐总质量=3958+768.6+24.5+500=5251.1kg充气质量；ρ水≥ρ气，水压实验充满水，故取介质密度ρ=1000kg/m３V=V筒体+2xV封头=25.2m３充液质量；M3=0.9xρxV=0.95x1000x21.79=20700.5kg故设备总重量；M=m1+m2+M3+m4=3958+768.6+20700.5+500=25927.1根据支撑式支座标准，A型4号支撑式支座可允许100KN，所以成立公称直径DN1900S190垫板b320允许载荷Q/KN100筋板I227014支座高度h500b2200e60底板l1230214螺栓间距L30b1180支座质量kg40.3116螺栓直径dM30距中心的距离S2700支撑座尺寸根据标准规定，A支座安装高度为500mm（即封头与筒体连接处到地面的距离）在该支座标记为；JB/T4712.4-2007支座A43.2人孔3.2.1人孔的设计查《压力容器与化工设备实用手册》，因筒体长度7000mm>6000mm，需开两个人孔，可选回转盖带颈对焊法兰人孔。由使用地为室外，确定人孔的公称直径DN=450mm，以方便工作人员的进入检修。配套法兰与上面的法兰类型相同，根据HG/T21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》，查表3-1，由PN=4.0MPa选用凹凸面的密封形式MFM，采用8.8级35CrMoA等长双头螺柱连接。其明细尺寸见下图：图4-1回转盖带颈对焊法兰人孔密封面型式凹凸面MFMD6855530公称压力PNMPa4.061057螺柱数量20公称直径DN450270A390螺母数量40127B175螺柱尺寸d451.6b57L250总质量kg278表4-1人孔尺寸表3.2.2人孔补强圈设计：图4-2补强圈a.设计方法判别按HG/T21518-2005，选用回转盖带颈对焊法兰人孔，设：厚度附加量C=2mm开孔直径D=Di+2C=450+4=504mm则=1900/3=633mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用16MnR钢，其许用应力根据GB150-1998中，其中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数则b.补强范围补强有效宽度B的确定：按GB150中有：有效高度的确定外侧有效高度的确定根据GB150-1998中式8-9，得：内侧有效高度的确定根据GB150-1998中式8-9，得：有效补强面积根据GB150中式8-10~式8-13，Ae=A1+A2+A3分别计算如下：筒体多余面积

管的多余面积接管厚度：焊缝金属截面积焊角取6.0mm补强面积Ae=A1+A2+A3=599.28+1382.3488+36=2017.6248mm2因为Ae＜A=4772.88mm2，所以开孔需另行补强A4=A–Ae=6664.72-2017.6248=4647.1mm2补强圈设计根据DN450取补强圈外径。因为B>，所以在有效补强范围。补强圈内径补强圈厚度：=A4／()=16.72mm圆整取名义厚度为18mm根据GB-150，JB/T4736-2002，补强圈焊接形式——D型，D1=d0+(6～12)。表4-2补强圈补强及附件的选择接管公称直径DN/mm外径D2内径D1厚度（）重量（Kg）4507604821836.33.3接管3.3.1接管补强条件GB150规定，如果壳体开孔满足下述全部要求，所以不需要补强（1）设计压力（2）两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；（3）接管外径（4）接管最小厚度满足下表要求表3-3-1不另行补强的接管外径及其最小厚度接管外径253238454857657689最小壁厚3.53.53.54.04.05.05.06.06.03.3.2氮气进口管采用无缝钢管，伸出长度为120mm。管的一端切成，伸入储罐内少许。配用图面板是对焊法兰：法兰根据该罐的工艺条件,温度,压力,介质确定采用带颈对焊法兰，在根基工作温度，设计压力从表14—4可知，所要选用的带颈对焊法兰若采用16Mn板材，应按公称压力1.6MPa，来查取它的尺寸。由表查得可采用平面型密封面，垫片材料选用石棉橡胶板，查得垫片宽度为1.5mm。带颈对焊法兰的各部可以从表带颈对焊，带颈平焊和螺纹法兰尺寸与质量中查表得,,由附表查得连接螺栓为M16，共4个，材料由表9—1查得螺柱材料为40MB，螺母材料为40Cr因为该接管厚度小于5mm,故该接管开孔需要补强。3.3.3接管补强确定壳体和接管的计算壁厚及开孔直径：焊接接头系数补强计算壳体与接管的厚度附加量取腐蚀余量接管计算厚度开孔直径已知壳体名义厚度，补强部分厚度。接管有效补强宽度为接管外侧有效补强高度为需要补强的金属面积可以作为补强的金属面积焊缝金属面积焊角取K=4mm所以。有效补强范围内的补强面积根据公式代入具体数值的所以需要另加补强，其补强面积，代入具体数据得根据公称直径DN=50mm选补强圈,参照补强圈标准JB/T4736，选补强圈内径,外径，因B=105mm>补强圈在有效范围内。补强厚度查表《规定的补强圈尺寸系列》应选用的补强圈厚度为，再根据补强材料一般与壳材料相同，确定补强圈为：3.3.4氮气出口管采用无缝钢管，伸出长度为120mm。管的一端切成，伸入储罐内少许。配用图面板是平焊法兰：法兰因为该接管厚度小于5mm,故该接管开孔需要补强，补强计算如4.3.3所示，强圈为：螺栓、螺母及垫片的选择与氮气进气管相同。3.3.5备用口公称压力为1.6MPa，公称直径为25mm，伸出长度为150mm，采用无缝钢管，采用带颈对焊法兰（WN）法兰密封面形式采用平面RF配用法兰:法兰因为该接管厚度小于5mm,故该接管开孔需要补强，补强计算如4.3.3所示，强圈为：螺栓、螺母及垫片的选择与氮气进气管相同。3.3.6排污口在设备最下端安设一个排污管，管子规格是Rc1，伸出长度120mm,管段装有一个与之配套的截止阀。3.4压力表和安全阀3.4.1压力表口采用无缝钢管，伸出长度120mm，配有工程压力为1.6Mpa的压力表。3.4.2安全阀口采用无缝钢管，伸出长度为120mm，带颈平焊法兰（）法兰密封面形式采用平面（）配用法兰:法兰补强计算如4.3.3所示。强圈为：螺栓、螺母及垫片的选择与氮气进气管相同。表3-4-2管口表符号公称压力公称尺寸法兰形式密封面形式用途伸出长度1DN1.6内螺纹压力表口1202DN1.6SOMFM人孔2702DN1.6WNRF安全阀口1203DN1.6内螺纹排污口1204DN1.6WNRF氮气进口1205DN1.6WNRF备用口1204水压实验实验强度校核；为保证水压实验时容器材