100M3浓硝酸卧式储罐

目录 第一章设计参数的选择 11.1筒体材料的选择 1.2公称直径的确定 11.3设计压力 11.4设计温度 1.5焊接接头系数 2第二章设备的结构设计 32.1圆筒厚度的设计 2.2封头的设计 32.2.1封头厚度的设计 2.2.2封头的结构尺寸 42.3鞍座选型和结构设计 42.3.1鞍座选型 42.3.2鞍座位置的确定 62.4卧式贮罐的接管、法兰的选用 7 2.6液面计的选择 8第三章容器强度的校核 93.1水压试验应力校核 93.2筒体轴向弯矩计算 93.3筒体轴向应力计算及校核 3.4筒体和封头中的切向剪应力计算与校核 3.5封头切向剪应力计算 3.6筒体的周向应力计算与校核 3.7鞍座应力计算与校核 3.7.1应力及强度校核 3.7.2板组合截面应力计算及校核 3.8开孔补强设计 3.8.1补强设计方法判别 3.8.2有效补强范围 3.9有效补强面积 3.10补强面积 第四章卧式贮罐的焊接 4.1焊缝布置 4.3焊接顺序 4.3.1焊前清理 4.3.2焊接过程和顺序 4.3.3焊后处理 参考文献 绪论近年，压力容器被广泛应用于现代的工业、民用及军用等部门。压力容器在社会各行各业的生产、储存、运输等方面具有不可取代的地位，在发展国民经济、巩固国防、解决人们衣食住行等方面起着极为重要的作用。目前我国普遍采用常温压力贮罐，常温贮罐一般有两种形式：球形贮罐和圆筒形贮加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般贮存总量大于500m³或单罐容积大于200m²时选用球形贮罐比较经济；而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单，安装费用少等优点，但金属耗量大占地面积大，所以在总贮量小于500m³,单罐容积小于100m³时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式选用卧式圆筒形贮罐，只有某些特殊情况下(站内地方受限制等)才选用立式。本文主要讨论卧式圆筒形浓硝酸贮罐的设计。本储罐的焊接结构主要设计了筒体壁厚，支座，封头，法兰，加强圈等。根据储存介质的要求来进行储罐的选材，本次设计的介质为浓硝酸，储体选用Al1060。根据施工现场的环境要求及罐体厚度等选择合适的焊接方法。设计的封头为标准椭圆形封头，设卧式浓硝酸贮罐设计的特点，应按GB150和JB4734-2002进行制造、试验和验收；并接受劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程》(简称容规)的监督。贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。贮罐上设有排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等。第一章设计参数的选择1.1筒体材料的选择由于盛装溶液为98%浓硝酸溶液，有较强腐蚀性，故选择铝作为主要制作原料。根据JB4734-2002《铝制焊接容器》表4-1并结合实际情况，选用筒体材料为Al1060。A11060铝板使用温度-269~200℃,铝板厚度不大于80mm,20℃许用应力15MPa。1.2公称直径的确定设筒体直径为D,筒体长度为L=2D,选用标准椭圆封头，则其体积可表示为：由此可求得D=3929mm所以暂定D=3800mm。1.3设计压力设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不得低于工作压力。根据《化学化工物性数据手册》表3.2.15查得98%浓硝酸的密根据化学化工物性数据手册表3.6.8查饱和蒸汽压：Pc=0.01MPa(30℃)设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度取40℃。1.5焊接接头系数焊接接头系数是以焊接强度与母材强度之比值φ表示的。它与焊缝位置焊接方法以及检验等因素有关。JB4732标准中要求受压元件焊缝必须100%无损检测，取焊缝系数设计参数总结如下表1.5序号数值单位备注1名称100m³98%浓硝酸卧式贮罐2筒体材料Al10603设计压力4设计温度5公称直径6公称容积3m7充装系数8工作介质浓硝酸9其他要求100%无损检测第二章设备的结构设计2.1圆筒厚度的设计2.2封头的设计封头的设计厚度δ=δ+C₁+C₂=24.61mm查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下表2.1公称直径DN曲面高度h直边高度总深度H内表面积容积m图2.1封头的示意图2.3鞍座选型和结构设计卧式容器一般采用双鞍式支座，材料选用Q235C。L=8.4505m,圆整取L=8m储罐总质量m=m₁+2m₂+m₃+m₄m₁=πDLδ·p=3.14×3.8×8×0.025×2680=6398.7959kgm,单个封头的质量：查标准GBT25198-2010《压力容器用封头》中表C.2EHA椭圆形封头质量，可知m₂=3111.1kgG=mg=160422.9959×9.8=1572145.36N则每个鞍座承受的重量为786.072kN由此查JB4712-2007《容器支座》表1,选取重型，焊制为BI,包角为120°,有垫板的鞍座，筋板数为6。查JB4712-2007表8设计鞍座结构如下图2.2,尺寸如下表2.2: 允许载荷垫板鞍座高度h筋板b₂螺栓间距e底板δ25垫板弧长螺孔/孔长鞍座质量2.3.2鞍座位置的确定因为当外伸长度A=0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A不超过0.2L值，即A≤0.2L=0.2(L+2h),A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。由标准椭圆封头有故A≤0.2(L+2h)=0.2×(8000+2×40)=1616mm鞍座的安装位置如图2.2所示：此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB4731还规定当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5Ra,即2.4卧式贮罐的接管、法兰的选用图2.4储罐接管设置示意图查JB4734-2002《铝制焊接容器》与NB/T47020-2012《压力容器法兰、垫片、紧固件》中带颈对焊焊管法兰，选取法兰直径500mm。由JB4734-2002《铝制焊接容器》表4-3选取各接管直径分别为：进料口与出料口100mm、其余各孔均取60mm。图2.5法兰示意图根据HGT21517-2005回转盖带颈平焊法兰人孔，查表3-3,选用凹凸面型，其明细尺寸见表2.6:表2.3法兰尺寸表单位：mm密封面型式公称压力公称直径总质量kg螺栓尺寸螺母数量螺栓数量凹凸面M30×2×1102.6液面计的选择根据HG/T21584-95选磁性液面计。第三章容器强度的校核3.1水压试验应力校核0.9φo=0.9×1×60=54>σ,故合格3.2筒体轴向弯矩计算圆筒轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上。(见图3.1)。图3.1容器载荷、支座反力、剪力及弯矩图圆筒中间处的轴向弯矩，分析图3.1得：M₁为正值，表示上半部分筒体受压缩，下半部分筒体受拉伸。支座处圆筒横截面上的轴向弯矩为：M₂一般为负值表示筒体上半部分受拉伸，下半部分受压缩。3.3筒体轴向应力计算及校核(1)圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力(2)支座处圆筒截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力因鞍座平面上筒体被封头加强，取鞍座包角θ=120°,查JB/T4731-2005表7-1可得K₁=1.0,K₂=1.0最高点处：按下式进行计算最低点处：按下式进行计算(3)筒体轴向应力校核因轴向许用临界应力由根据圆筒材料查图4-8可得3.4筒体和封头中的切向剪应力计算与校核因为A的取值带来的加强作用，查JB/T4731-2005表7-2得K₃=0.880,K₄=0.401,其最大剪应力位于靠近鞍座边角处3.5封头切向剪应力计算3.6筒体的周向应力计算与校核=-48.94MPa符合要求，合格3.7鞍座应力计算与校核3.7.2板组合截面应力计算及校核A₂=(1₁-20)δ₂=(2780-20)×25=69000x=1,/2-10-15-l₃-δ₃=2780/2-10-15-440-18=90Aa=6A₁+A₂=6×6030+69000=105180mm²则k₀=1.2根据GB150-2010规定，当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。(2)两相邻开孔中心的距离(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的2倍。(3)接管公称外径小于或等于89mm。故该储罐中只有DN=500mm的人孔需要补强。按HG/T21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径d=d₁+2C₂=500+2×2=504mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。根据GB150-2011中式8-1,A=dδ+288et(1-f,)强度削弱系数f,=13.8.2有效补强范围有效宽度B的确定按GB150中式8-7,得：B₁=2d=2×504=1008mmB₂=d+2δ+2δ=504+2×25+2×10=574mmB=max(B,B₂)=1008mm有效高度的确定根据GB150中式8-8,得：h₁=H₁=280mm(2)内侧有效高度h₂的确定根据GB150-2011中式8-9,得：h₂¹=√dδ=√504×25=112.24mmh₂`=0h₂=min(h₂,h₂)=0根据GB150中式8-10～式8-13,分别计算如下：筒体多余面积A₁A₁=(B-d)×(δ-δ)-2δ(δ-δ)×(1-f,)=(1008-504)×(25-22.61)=1204.56mm²接管厚度接管的多余面积A₂=2h₁(δ-δ)f,+2h₂(δ-C₂)f,=2×70.99×(25-22.61)×1=339.33mm²焊角取6.0mm,A₃=36mm²第四章卧式贮罐的焊接压力容器受部分的焊接接头分为A,B,C,D四类：A类焊缝：受压部分的纵向接头(多层包扎压力容器层板层纵向接头除外)球形封头与圆筒联接的环向接头，各类凸形封头中所有拼焊接头以及嵌入式接管与圆筒，封头B类焊缝：受压部分的环向接头，椭圆形封头小端与接管连接的接头。长颈法兰与接管连接的接头。但已规定的A,C,D类焊缝除外。C类焊缝：平盖，管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体接管的接头，内封头与圆筒的搭接填角接头以及多层包扎压力容器层板层纵向接头。D类焊缝：接管孔与壳体非对接连接的接头凸缘，补强圈与壳体连接的接头。但已规定的A,B类的焊接接头除外。封头与圆筒连接的环向接头A类法兰与接管焊接接头C类接管与人孔等与壳体非对接的接头———D类焊接是压力容器设计、制造过程中不可避免的连接方式。压力容器筒体的周向应力拼接焊缝中心线间距至少应为钢板厚度的3倍，且不小于100mm;封头由成形瓣片和顶圆接零件。如不能避免时，焊接零件的焊缝可穿过主要焊缝，而不要在焊缝及其邻近区域中止。开孔、焊缝和转角要错开。开孔边缘与焊缝的距离应不小于开孔处实际壁厚的3倍，且不小于100mm。在凸形封头上开孔时，孔的边缘与封头周边间的投影距离应不小于封头外径的10%。开孔及焊缝不允许布置在部件转角处或扳边圆弧上，并应离开一定距离。综上所述，再结合实际情况(Al1060板厚25mm,铝板宽度800~2200mm,筒体长8000mm,直径3800mm)故筒节分四部分卷制焊接，筒节宽分为2200mm、2200mm、2200mm、1400mm四段，封头采用两部分拼接，再用旋压机旋压成封头。筒节组焊时四个纵焊缝距离大于300mm。相交十字焊缝需进行清根处理再施焊。由于铝板与钢板A,B类焊缝(筒体环纵焊缝),由JB4734-2002《铝制焊接容器》附录E表E.3查得，由于壁厚25mm,所以选择6至26mm的X形坡口如图：坡口尺寸：间隙a=1.5~3钝边p=2~3角度aα₁=(80±5)a₂=(70±5)备注双面焊，反面铲焊根，每边焊两层以上，采用熔化极自动氩弧焊。C类焊缝(接管与筒体焊缝),由JB4734-2002《铝制焊接容器》附录E表E.3查得坡口形式如图：采用手工氩弧焊双面立焊打底，平焊外侧覆盖。工件焊接前必须进行清理，除去工件表面的锈渍，油污和工件表面的毛刺。焊前处理能够有效防止焊接过程中产生气孔、夹杂等焊接缺陷的形成。4.3.2焊接过程和顺序焊接过程至关重要，施工人员必须严格按照合理的结构顺序，选择合理的焊接工艺参数，严格施工。首先将两侧的半圆点焊在一起，然后将点固好的两侧拼接在一起。焊接过程应该保持结构的对称性，以减少变形和焊接残余应力。a.钢板气割下料和卷制。b