20立方米液氮立式储罐结构设计

成评定表学生姓名

南昊

班级学号专业

材料成型及控制工程

课程设计题目液氮立式储罐结构设计评语组长签字：成绩日期

月

沈阳理工大学课程设计说明书课程设计任务

实教要与务设计压力；

液氮立式储罐结设计设计温度；≤50℃受压元件材料；16MnR腐蚀裕量；1.0mm

工作温度；常温介质；液氮焊缝系数；1工计与度排1.储罐的强度计算及校核。2.选择合适的零部件材料。3.焊接结构选择及设计。4.安全阀和主要零部件的选型。5.绘制装配图及主要零部件。

I

沈阳理工大学课程设计说明书年

201

摘要氮气贮罐是储存氮气的压力容器次设计中详细制定了氮气储罐罐体部分的制作工艺和结构的设计根据压力容器的制造标准此氮气储罐属于Ⅰ类压力容器。其设计、制造、检验和验收应符GB150.4－2010《固定式压力容器》的规定。该产品主体部分由16MnR钢制作完成，其它配件部分由钢制作完成。而16MnR钢和Q235钢的力学性能和焊接性能均良好。通过分析母材的各种性能以及氮储罐的结构特点编制出适合氮气储罐的生产工艺流程主要为储罐的筒体制作工艺贮罐的封头制作工艺和贮罐的总装配焊接工艺最后结合产品的技术要求，采用无损测和水压试验对氮气贮罐进行检验。Nitrogenstoragetankisstorednitrogenpressurevessel,thisdesignworkedindetailnitrogenpartoftheprocessandstructuredesign.Accordingtothestandardofvessel,storagetankbelongstoclassIThedesign,manufacture,inspectionandacceptanceshallcomplywiththeprovisionsGB150.4-2010"fixedpressurevessel".Themainpartoftheproductismadeof16MnRsteel,andotherpartsaremadeofQ235steel.TheQ235steelaregood.analyzingthevariouspropertiesofthebasemetalthestructuralcharacteristicsofthenitrogenstoragetank,theproductionprocessofthenitrogenstoragetankisprepared.Weldingassemblyfortankcylinderproductionprocess,theproductionprocesstheheadtankstoragetank.Accordingtothetechnicalrequirementsoftheteststoragetank.

沈阳理工大学课程设计说明书目录1

计

11.1设备设计主要技术指标：......................................01.2罐体结构设计................................................0计.......................................................................2.1材料选择.............................................................................................................12.2设计条............................................................................................................22.3筒体壁厚计....................................................................................................2.4封头壁厚计....................................................................................................2

校核罐体一封头液压试验强度.....................................................................2校核罐体一封头气压试验强度.........................................................................附3.1支....................................................................................................................33333

储罐总质量m.................................................................................................罐体质....................................................................................................61封头质量....................................................................................................62氮气质量m..................................................................................................附体质量....................................................................................................64

支座选择...................................................................................................83.2人....................................................................................................................33

人孔的设计.....................................................................................................9人孔补强圈设计...........................................................................................0接.......................................................................................................................13

接管补强条件...............................................................................................3III

33

沈阳理工大学课程设计说明书氮气出口管...................................................................................................5备用口...........................................................................................................6

排污口.....................................................................................................63.4压力表和安全..............................................................................................163

压力表口.......................................................................................................6

安全阀口.................................................................................................64水压试验175储罐防腐防锈处理186参考文献7心得体会IV

ii沈阳理工大学课程设计说明书ii1

结构设计设表1-1

氮储工参项目最高工作压力，

MP

数值1.6工作温度，

C

常温设备容积，介质

立储氮气罐根据20m3储罐，长径比按，粗略计算内径：得D=1853mm圆整为1900mm

4

D2i

D=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4737-1995选用EHA椭圆形封头。公称直径

曲面高度

直边高度

内表面积

容积

h

h/mm

A/m

V/m

1900

475

25

4ii沈阳理工大学课程设计说明书4ii压力容器体积+DL=20m封头得圆整得

3V=2V实

封头

4

D2L=2i

4

2

V—V实V

100%=1%<5%不符合设计要求要根据

V—V实V

100%>5%

可得L=7000mm

L=7000mm综上所述，筒体的公称直径为D=1900mm，长度。2

罐体、封头壁厚的设材料选择氮气腐蚀性小可选用一般钢材。这里考虑20R16MnR20低碳钢板价格比钢板贵，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》规定原归为Q345R。

tnnn沈阳理工大学课程设计说明书tnnn设~1.10倍的工作压力，故p。筒

Mpa设备主要材质为MnR，根据新标GBT2008《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(厚度为时)

[σ]t由《钢制压力容器的焊接接头系数》表，选择双面焊对接接头无损检测比例为，所计算厚度设计厚度

D1.761900ci1.7610.89d2对于钢板厚度负偏差查表12-9得

C0.65名义厚度整量0.65整n1检查δ=12mm时，[t

没变化，故取名义厚度δ。

δ

t沈阳理工大学课程设计说明t封假设材料的许用应力[(厚度为时)由于

Di

2

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得故

1.76i20.5c

9.86腐蚀余量C,取C=1mm22设计厚度

C

2

d

2

.86110mm对于16MnR,钢板厚度负偏差查表12-9得Cmm

0.65名义厚度

0.65整n1复

n

6%0.65,并且δ时，[σ]t没变化，故n取名义厚度δ。n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：表封头寸公称直径

曲边高度

直边高度

内表面积

厚度s容积V（m）D

H-h（mm）h（mm）

（m）（mm

T沈阳理工大学课程设计说明书T图2-4封头构

校2

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i2e

e0.9e式中

p

1.25Mpa圆筒的有效壁厚0.65mmn圆筒在试验压力下的屈服点

345则

T

2210.35

而

0.9Mpa可0.9水压试验前度足够。

T沈阳理工大学课程设计说明书T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Pi

0.8式中

p

Mpa圆筒的有效壁厚0.259.75mmn圆筒在试验压力下的屈服点

345则

T

1.842

169.8而

345276Mpa可气压试验前度足够。S3支3

储罐总质mmm234—罐体质量1—封头质量2

—液氮质量—附件质量4

沈阳理工大学课程设计说明书3

罐体质m

DN1900mm,

12mm7000mm的节m

D

n

L141270007850

m

1

kg3封头质DN1900mm,12mm直边高度h=25mm的标准椭圆形封头，其质m（JB/T4746—2002），所以

m

2

kgm

2m

23

氮气质量m

3由于

m

3

V其中装量系数取《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VV封2971

筒4

D

2i

L

m

79kg94285

3m故

m

795kg3

附体质

人孔质量约，其他接管质量总和计算6

筒体封头1l1沈阳理工大学课程设计筒体封头1l1于储罐总质量

=3958+++500=kg充气质量；ρ水≥ρ气，水压实验充满水，故取介质密度ρ３V=V+2xVρ

Q

mg3

9.83

根据支撑式支座标准，A4支撑式支座可允许100KN，所以成立公称直径DN允许载荷Q/KN

1900100

I2

90270

垫板

b

32014支座高度

500

b

200

e

60底板

1b

1

230180

筋板螺栓直d径

M30

螺L距支量距的距离

30700支撑座尺寸根据标准规定A支座安装高度为（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A4人3

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。

沈阳理工大学课程设计说明书由使用地为室外，确定人孔的公称直径DN=450mm，以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，由选用凹凸面的密封形式MFM，采用级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

iD3沈阳理工大学课程设计说明书iD3表4-1人孔尺寸表密封面

凹凸面

D

b1

型式

公称压

D1

b2

螺柱数量20力公称直

H

A390

螺母数量

1径DNw

H

2

BL

螺柱尺寸总质量

M190图4-2补强圈a.设计方法判别按HG/T，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=1900/3=633mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用钢，其许用应[

]

t

163根据中d(1fetr其中：壳体开孔处的计算厚

r12沈阳理工大学课程r12接管的有效厚14mmetnt强度削弱系数

fr

[r则A6664.72b.补强范围补强有效宽度B的确定：按GB150中有：224549081

Bd2

n

nt

454518,B)1有效高度的确定外侧有效高度的确定根据式8-9得：1

nt

h1

接管实际外高度H300mm1hh'')mm112内侧有效高度

的确定根据式8-9得：2

nt

90.4h''2',0有效补强面积根据GB150中式8-10~式，A+A+A分别计算如下：筒体多余面积

A

tt3124D''41沈阳理工大tt3124D''41B)((f)599.28eetr管的多余面积接管厚度：d1.76ci2.35mm22.5n

2(f)f79.723.478)1382.3448mmtretr焊缝金属截面积焊角取

A2补强面积

2A=A+A

2因为A，所以开孔需另行补强A=A–A2补强圈设计根据DN450补强圈外径。因为D，所以在有效补强范围。补强圈内径补强圈厚度：

'

t

=A

／(

)=

圆整取名义厚度为根据，，补强圈焊接形式——型，D=d+(6～。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

e

（

）

重Kg）45076048218

沈阳理工大学课程设计说明书接3

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p2.5（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89mm（4）接管最小厚度满足下表要求表3-3-1不另补的管径其小度接管外径最小壁厚

32385765893

氮气进口管采

57无缝钢管，伸出长度120mm。管的一端切，伸入储罐内少许。配用图面板是对焊法兰：

法兰

RF

Mn根据该罐的工艺条件,温度,压力,质确定采用带颈对焊法兰在根基工作温度，设计压力从14—4可知，所要选用的带颈对焊法兰若采材，应按公称压力，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带颈对焊法兰的各部可以从表PNMPa颈对焊，带颈平焊和螺纹法兰尺寸与质量中查表得

t沈阳理工大学课程设计说明tN

2.9

由附表查得连接螺栓为M16共个，材料由表9—1查得螺柱材料为，螺母材料为因为该接管厚度小于5mm,故该接管开孔需要补强。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1.0补强计算壳体与接管的厚度附加量0.25mm腐蚀余fr接管计算厚度D01-1.6开孔直径

0.27mmd(573.5)1.2552.5已知壳体名义厚度

，补强部分厚

nt

3.5mm接管有效补强宽度为Bmm接管外侧有效补强高度为d1

nt

3.5需要补强的金属面积A

mm

3，沈阳理工大学课程设计说明书3，可以作为补强的金属面积

2h(2.2553.66mmettr焊缝金属面积A焊角取K=4mm

所以

1K2

2

。有效补强范围内的补强面积Ae根据公式AA代入具体数值的Amme23e

所以需要另加补强，其补强面积AA，代入具体数据得AAmm

根据公称直径DN=50mm选补强圈,参照补强圈标准选补强圈内径Dmm,外径130，因B=105mm>补强圈在有效范围内。2补强厚度

4D-D1查表《/T4736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确定补强圈为D50N3

氮气出口管采

57无缝钢管，伸出长度120mm。管的一端切，伸入储罐内少许。配用图面板是平焊法兰：20592

法兰

PL50

RF

16Mn因为该接管厚度小于5mm,故该接管开孔需要补强，补强计算如所示，强圈为：

D50N

113

沈阳理工大学课程设计说明书螺栓、螺母及垫片的选择与氮气进气管相同。备用口公称压力为，公称直径25mm伸出长度150mm，采用无缝钢管，采mmmm带颈对焊法兰（）法兰密封面形式采用平面RF配用法兰:20592

法兰

WN50

RF

Mn因为该接管厚度小于5mm,故