液氨气体储罐设计方案

PAGEVII液氨气体储罐设计方案目录1设计 41.1工艺参数的设定 41.1.1设计压力 41.1.2筒体的选材及结构 41.1.3封头的结构及选材 51.2设计计算 51.1.1筒体壁厚计算 51.1.2 封头壁厚计算 61.3压力实验 71.3.1水压试验 71.3.2水压试验的应力校核： 71.4附件选择 71.4.1人孔选择及人孔补强 71.4.3 进出料接管的选择 91.4.4 液面计的设计 111.4.5 安全阀的选择 111.4.6 排污管的选择 111.4.7 鞍座的选择 111.4.8鞍座选取标准 121.4.9鞍座强度校核 131.4.10容器部分的焊接 141.5筒体和封头的校核计算 141.5.1筒体轴向应力校核 141.5.2筒体和封头切向应力校核 16液化气体储罐设计方案1.1工艺参数的设定1.1.1设计压力液化气体储罐装安全阀，设计压力可取最大操作压力的1.05-1.10倍。通过公式，因此我们的设计压力。表2-1设计参数设计要求参数设计压力1.3Mpa设计温度50℃储存物料液氨储罐体积50m31.1.2筒体的选材及结构根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀在0.1以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板，16MnR钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为GB6654-1996。常温储罐有两种形式：球形贮罐和圆筒形贮罐。球形储罐具有投资少,金属耗量少,占地面积少等优点,但是加工制造及安装复杂,焊接工作量大,因此安装费用较高。一般用于储存总量大于500或单罐容积大于200时；圆筒形贮罐具有加工制造安装简单,承压能力较好，安装费用少等优点,但是金属耗量大占地面积大,所以在总贮量小于500,单罐容积小于100时选用卧式贮罐比较经济。由于圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。根据工艺要求，液氨储量为50，因此，液氨储罐可设计为卧式圆筒形[1]。1.1.3封头的结构及选材封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。查椭圆形封头标准（JB/T4737-95）以内直径为公称直径的封头封头取与筒体相同材料[4]。表2-2椭圆封头标准内径曲面高度h1直边高度h2内面积Fi/m2容积V/m32600650407.631.51图2-1封头1.2设计计算1.1.1筒体壁厚计算确定容器的公称直径、筒体长度已知：设计的液化石油气储罐的理论体积为装量系数设：容器的公称直径为筒体的长度为L当则推出根据GB/9019-2001查表可知：容器的公称直径DN=2600长度L=8500mm查《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR的密度为7.85t/m3，熔点为1430℃，许用应力列于下表：表2-316MnR许用应力钢号板厚/㎜在下列温度（℃）下的许用应力/Mpa16MnR201001502002503006～167017017017015614416～366316316315914713436～6057157157150138125>60～10053153150141128116圆筒的计算压力为1.3Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.0,全部无损探伤。取许用应力为170Mpa，则：筒体计算厚度为：钢板厚度负偏差mm,查材料腐蚀手册得50℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.1mm/y，所以双面腐蚀取腐蚀裕量。mm所以设计厚度为：圆整后取名义厚度为：图2-2筒体的相关尺寸1.1.2封头壁厚计算根据标准椭圆形封头得封头计算公式故封头厚度近似等于筒体厚度，取同样厚度，则名义厚度tn1=24mm。因为封头壁厚≥20mm则标准椭圆形封头的直边高度h0=40mm。1.3 压力试验1.3.1水压试验试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。水压试验时的压力1.3.2水压试验的应力校核：水压试验时的应力查《化工容器设计》得16MnR钢板的常温强度指标，水压试验时的许用应力为故σT＜0.9ФσS筒体满足水压试验时的强度要求。1.4附件选择1.4.1人孔选择及人孔补强人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。人孔的筒节不采用无缝钢管,故不能直接选用补强圈标准。因此设计所选用的人孔筒节内径为,壁厚。故补强圈尺寸如下：图2-3人孔结构示意图查表得人孔的筒体尺寸为480×10，由标准查得补强强圈内公式D1=484mm,外径D2=760mm，开孔补强的有关计算参数如下：1.不计焊缝系数的筒体计算壁厚：（1.4）1.开孔所需补强的面积A：开孔直径：（1.5）补强的面积：3.有效宽度B：取最大值B=907.2mm4.有效高度h：外侧高度或两者取较小值内侧高度或h2=接管实际内伸高度=0mm两者取较小值5.筒体多余面积A1：筒体有效厚度：选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故=1，所以（1.6）6.接管多余金属的截面积A2：接管计算厚度（1.7）7.补强区内焊缝截面积A3：8.有效补强面积Ae：因为，所以需要补强9.所需补强截面积A4:10.补强圈厚度：（补强圈内径，外径）考虑圆整问题=26mm尺寸表如下表2-4:人孔标准尺寸表密封面型式PN/MpaDNdw×sdDD1H1H2总质量kg突面1.5450480×124506706003202142561.4.3进出料接管的选择材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR。接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。图2-4罐上的各接管位置不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。（1）设计压力小于或等于1.5Mpa；（2）两相邻开孔中心的距离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；（4）接管最小壁厚满足以下要求。表2-5:接管最小壁厚要求接管公称直径/mm57766589最小壁厚/mm5.06.0因此热轧无缝钢管的尺寸为φ89×12mm。钢管理论重量为21.79㎏/m。取接管伸出长度为150mm。管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN<4.0Mpa）,选择突面板式平焊管法兰，标记为：HG20592-1997法兰RF(A)80-1.5,其中D=190,管法兰材料钢号（标准号）:20（GB711）。根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、垫片、紧固件选配表（HG20614-1997）选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片(尚无标准号)，密封面型式为突面，密封面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。在离筒体底以上250mm处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容器底，这种方式用于卧式容器。出料口的基本尺寸以及法兰与进料口相同。因此进出料接管满足不另行补强的要求所以不再另行补强。1.4.4液面计的设计液面计的种类很多，常用的有玻璃板液面计和玻璃管液面计。它们都是外购的标准件，只需要选用。玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。根据选用表选用：选用反射式玻璃板液面计，标准号HG21590-95，法兰形式及其代号C型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）,液面计型号R型公称压力PN4.0,使用温度0～250℃，液面计的主题材料代号：锻钢（16Mn）。液面计标记为：液面计CR4.0-Ⅰ-1450V根据筒体公称直径2600mm选择两个同样的液面计，单个质量为90kg左右。两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。液面计接管：无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12mm。1.4.5安全阀的选择安装位置：在离右封头切线处1150mm处安装一安全阀。由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范围，所以由本设计的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号A21H-40,公称通径DN取20mm，质量约为80kg。与安全阀和接管连接的法兰选择突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-1.5，与壳体连接的接管为无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12mm。1.4.6排污管的选择排污阀是利用装在阀杆下面的阀盘与阀体的突缘部分相配合，控制阀的启闭。结构较闸阀简单，制造、维修方便。可以调节流量，应用广泛。安装位置：在离右鞍座的左侧1000mm处安装一个排污管。选择无缝钢管GB8163-87热轧钢为材料的排污管焊接在容器底部，尺寸为φ89×12mm。管端法兰：突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-1.5，法兰一端连接排污阀（截止阀），型号J41H-40，取公称通径为80mm，对应质量为44.4kg。1.4.7鞍座的选择卧式容器的支座有三种形式：鞍座、圈座和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。采用双支座时选取的原则如下：① 双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取,其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。② 当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。为了充分利用这一加强效应，在满足下应尽量使。图2-5筒体鞍座位置此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。所以本设计就采用这种支座结构。根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。鞍座的材料（除加强垫板除外）为Q235-A•F，加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR[7]。1.4.8鞍座选取标准（1）容器载荷计算筒体的质量：查得圆筒体理论质量为1290kg/m,筒体长度加上封头的直边长度为8540mm,则W1=1290×8.54=11016.6kg。封头的质量：根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为1230kg。水压试验时水的质量：由常用压力容器手册查得公称直径2600mm、厚24mm的标准椭圆封头的容积为1.51,则容器容积为水重=50.338×1000=50338kg附件的质量：人孔重256kg，人孔补强重21.2kg，进出料管约100kg，两个液面计共180kg，安全阀80kg，排污阀44.4kg，螺栓和法兰140Kg，再加上与阀门相接的接管重量，附件总质量约为821.600kg。所以设备总质量为：筒体的重量为：（2）鞍座的选择查得公称直径为2600mm的容器选择重型(BⅠ)，120°包角、焊制、六筋、带垫板，高度为250mm的鞍座，允许载荷Q1951kN>634.062kN,为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用，可取，则选A=650mm。左鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座B2600-F.(固定)，右鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座B3000-S.具体尺寸如下表：表2-6：鞍座标准尺寸表公称直径DN允许载荷Q/kN鞍座高度h螺栓间距mm鞍座质量/kg增加100mm高度所增加的质量/kg260019512501640454471.4.9鞍座强度校核鞍座腹板的水平分力：查得鞍座包角120°对应系数支座反力：鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：计算高度，取鞍座实际高度和两者中的较小值，250mm鞍座腹板厚度，18mm鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度=500mm与圆筒体的有效宽度两者中的较小值，500mm鞍座垫板有效厚度，12mm则鞍座腹板水平拉应力为：应力校核：鞍座材料Q235-A•F的许用应力，则，。1.4.10容器部分的焊接焊接应满足以下要求:焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接的环向接头采用A类焊缝。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I型坡口。接管与壳体的焊接接头中，由于容器