畢業(yè)論文儲罐的設計

1、畢業(yè)論文儲罐的設計目 錄摘要.1關鍵詞.11 緒論.11.1貯罐的應用及意義1 2 設計概述.12.1設計任務書12.2設計思想22.3設計特點23 材料及結(jié)構(gòu)的選擇與論證.23.1材料選擇23.2結(jié)構(gòu)選擇與論證.33.2.1封頭的選擇.33.2.2 入孔的選擇.33.2.3 容器支座的選擇 .43.2.4 法蘭型式43.2.5 液面計的選擇.44 機械計算.54.1筒體厚度設計.54.2封頭壁厚設計 .54.3水壓試驗及強度校核.64.4人孔并核算開孔補強.64.5核算承載能力并選擇鞍座.75 附件的選擇.85.1液面計選擇.85.2壓力表選擇.85.3接口管選擇.96 設計結(jié)果一覽表.10

2、7 設計小結(jié).10主要參考資料.11致謝.125000大型貯罐機械設計化學化工專業(yè)學生 黃克旺指導教師 趙慧敏摘要：壓力容器廣泛應用于化工生產(chǎn)中的傳熱、傳質(zhì)、化學反應、物料貯存等各個方面，約占工廠裝備的百分之八十。本文首先介紹容器的基本知識，包括壓力容器的分類與結(jié)構(gòu)；封頭的種類與選擇；容器的零部件（法蘭、支座、接口管、手孔、人孔等）。然后以液化石油氣貯罐的設計為例，講述了內(nèi)壓薄壁圓筒和標準橢圓形封頭的強度設計，以及容器主要零部件的選用。關鍵詞：容器；零部件；封頭；強度設計5000mm mechanical design of liquid ammonia storage tankStudent

3、 majoring in Chemical Engineering and Technology Hang Ke-wangTutor Zhao Hui-minAbstract: Pressure vessels are widely used in heat and mass transfer, chemical reaction, material storage, and other aspects of chemical production.And they account for about 80 percent of the factory equipment. This pape

4、r first introduces the basics of container, including the classification and structure of pressure vessels; the types of sealing head and how to select it; the parts of container (flange, bearing, interface tube, hand hole, manhole, etc.). Then take the design of liquid liquefied pentroeum gas(LPG)

5、storage tank for example, tells the strength design of cylinder of internal pressure and standard-elliptical head, and the selection of the main components of container.Key words: Containers; Parts; Sealing head; Strength design1 緒論 1.1 貯罐的應用及意義貯罐是儲存或盛裝氣體、液體、液化氣體 等介質(zhì)的設備，在化工、石油、能源、輕 工、環(huán)保、制藥及食品等行業(yè)得到廣泛

6、應 用。我們的經(jīng)濟生活中總是離不開大大小小的鋼制貯罐，鋼制貯罐，防腐貯罐在國民經(jīng)濟發(fā)展中所起的重要作用是無可替代的。隨著現(xiàn)代社會對能源的需求日益增大，對許多企業(yè)來講沒有貯罐就無法正常生產(chǎn)，特別是國家戰(zhàn)略物資儲備均離不開 各種容量和類型的防腐貯罐等貯罐,并且各 種儲存設備的需求量及要求也在不斷的提高，因此我們需要在已有的各種儲存設備（貯罐）的基礎上進行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新以及新型材料的應用上得創(chuàng)新。使貯罐既滿足儲存物質(zhì)的需要又符合國家的新標準。2 設計概述2.1 設計任務1. 設計課題：貯罐的機械設計2. 工藝參數(shù)最高使用溫度：T=50公稱直徑：DN=5000mm筒體長度（不含封頭）：L0=5000mm使

7、用地點：山東菏澤3. 設計內(nèi)容1. 筒體材料的選擇2. 罐的結(jié)構(gòu)尺寸3. 罐的制造施工4. 零部件型號及位置5. 相關校核計算22 設計思想化工容器設計的基本要求是安全性與經(jīng)濟性，安全是核心問題，在充分保證安全的前提下盡可能做到經(jīng)濟。首先根據(jù)設計任務及基本參數(shù)，查閱各種國家規(guī)定的設計標準進行容器的選型、基本結(jié)構(gòu)的確定和材料的選擇，其中包括貯罐類型的選擇，容器用鋼材料的選擇，封頭的選擇，人孔的選擇，法蘭的選擇，液面計的選擇，支座的選擇。然后再根據(jù)設計參數(shù)進行工藝計算，設計出容器各組成部分的工藝數(shù)據(jù)，其中包括筒體的厚度，封頭的厚度，水壓實驗及強度核算，人孔及開孔補強，承載能力及鞍座的設計等等1。2

8、.3 設計特點容器的設計一般由筒體、封頭、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常、低壓化工設備通用零部件大都有標準，設計時可直接選用。本設計書主要介紹了液罐的的筒體、封頭的設計計算，低壓通用零部件的選用。各項設計參數(shù)都正確參考了行業(yè)使用標準或國家標準，這樣讓設計有章可循，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理地進行設計2。3 材料及結(jié)構(gòu)的選擇 3.1 材料選擇純液化石油氣腐蝕性小,貯罐可選用一般鋼材,但由于壓力較大,可以考慮20R、16MnR.這兩種鋼種。如果純粹從技術(shù)角度看，建議選用20R類的低碳鋼板， 16MnR鋼板的價格雖比20R貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價，16MnR鋼板為比較經(jīng)濟。所以

9、在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。在GB 150鋼制壓力容器3中，對鋼板、鍛件、緊固件均規(guī)定了材料的許用應力，16MnR的許用應力見表3-1。表3-1壓力容器用16MnR鋼板的許用應力鋼號鋼板標準使用狀態(tài)厚度mm常溫強度指標在下列溫度()下的需用應力/MPabMPasMPa2010015016MnRGB 6654熱軋，正火616510345170170170163649032516316316336604703051571571573.2 結(jié)構(gòu)選擇3.2.1 封頭的選擇化工容器上常用的封頭型號有半球形封頭，橢圓形封頭，錐形封頭，平蓋型。半球形應力小，但深度大，沖壓困難，制造困難，一

10、般用于高壓容器上。橢圓形應力分布比較均勻，深度小，易于沖壓成型。是目前中低壓容器中應用較廣泛的封頭之一。所以本設計選用橢圓形封頭。錐形封頭一般多用于立式容器上，故不選用。平蓋型結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但材料耗費多。故不選用?？傊?，從受力情況，制造角度以及費用綜合考慮后，本設計選用標準橢圓形封頭1。本設計上下封頭均選用標準橢圓形封頭。根據(jù)JB/T 47462002標準，所選的封頭DN3000×23，曲面高度h1=850mm，直邊高度h0=60mm，材料選用16MnR。下封頭與支座焊接，直邊高度取80。其形狀如圖3-143-1橢圓形封頭3.2.2 人孔的選擇壓力容器人孔是為了檢查設備的內(nèi)部空

11、間以及安裝和拆卸設備的內(nèi)部構(gòu)件。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個手柄。選用時應綜合考慮公稱壓力、公稱直徑(人、手孔的公稱壓力與法蘭的公稱壓力概念類似。公稱直徑則指其簡節(jié)的公稱直徑)、工作溫度以及人、手孔的結(jié)構(gòu)和材料等諸方面的因素。人孔的類型很多，選擇使用上有較大的靈活性。通?？梢愿鶕?jù)操作需要,在這考慮到人孔蓋直徑較大較重,故選用碳鋼水平吊蓋人孔，人孔筒節(jié)軸線垂直安裝1。表3.2 水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔(突面)標準尺寸 (mm)公稱壓力 公稱 dW×S D D1 d b b1 b2 A H1 H2 d0MPa 直徑 2.2 600 580×12 750

12、700 600 58 50 56 560 380 264 423.2.3容器支座的選擇容器支座有鞍座,圈座和支腿三種,用來支撐容器的重量。鞍式支座是應用最廣泛的一種臥式支座。從應力分析看，承受同樣載且具有同樣截面幾何形狀和尺寸的梁采用多個支承比采用兩個支承優(yōu)越，因為多支承在粱內(nèi)產(chǎn)生的應力較小。所以，從理論上說臥式容器的支座數(shù)目越多越好。但在是實際上臥式容器應盡可能設計成雙支座，這是因為當支點多于兩個時，各支承平面的影響如容器簡體的彎曲度和局部不圓度、支座的水平度、各支座基礎下沉的不均勻性、容器不同部位抗局部交形的相對剛性等等，均會影響支座反力的分市。因此采用多支座不僅體現(xiàn)不出理論上的優(yōu)越論反而

13、會造成容器受力不均勻程度的增加，給容器的運行安全帶來不利的影響。所以一臺臥式容器支座一般情況不宜多于二個。圈座一般對于大直徑薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座簡稱支腿，因這種支座在與容器殼壁連接處會造成嚴重的局部應力，故只適合用于小型設備（DN1600，L5m）。綜上考慮在此選擇雙個鞍式支座作為儲罐的支座2,其形式如圖3-24圖3-2臥式容器的支座形式3.2.4 法蘭型式法蘭連接主要優(yōu)點是密封可靠、強度足夠及應用廣泛。缺點是不能快速拆卸、制造成本較高。壓力容器法蘭分平焊法蘭與對焊法蘭。平焊法蘭又分為甲型與乙型兩種。甲型平焊法蘭有PN0.25 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa

14、，在較小范圍內(nèi)（DN300 mm -2000 mm）適用溫度范圍為-20-300。乙型平焊法蘭用于PN0.25 MPa-1.6 MPa壓力等級中較大的直徑范圍，適用的全部直徑范圍為DN300 mm -3000 mm，適用溫度范圍為-20-350。對焊法蘭具有厚度更大的頸，進一步增大了剛性。用于更高壓力的范圍（PN0.6 MPa-6.4MPa）適用溫度范圍為-20-45。法蘭設計優(yōu)化原則：法蘭設計應使各項應力分別接近材料許用應力值，即結(jié)構(gòu)材料在各個方向的強度都得到較充分的發(fā)揮。法蘭設計時，須注意以下二點：管法蘭鋼制管法蘭、墊片、緊固件設計參照HG5010或GB 9119GB 91126中的規(guī)定5

15、。3.2.5液面計的選擇液面計是用以指示容器內(nèi)物料液面的裝置，其類型很多，大體上可分為四類，有玻璃板液面計、玻璃管液面計、浮子液面計和浮標液面計。在中低壓容器中常用前兩種。玻璃板液面計有透光式和反射式兩種結(jié)構(gòu)，其適用溫度一般在0250。但透光式適用工作壓力較反射式高。玻璃管液面計適用工作壓力小于1.6MPa，介質(zhì)溫度在0250的范圍。液面計與容器的連接型式有法蘭連接、頸部連接及嵌入連接，分別用于不同型式的液面計。液面計的選用:1)玻璃板液面計和玻璃管液面計均適用于物料內(nèi)沒有結(jié)晶等堵塞固體的場合。板式液面計承壓能力強,但是比較笨重、成本較高。2)玻璃板液面計一般選易觀察的透光式,只有當物料很干凈

16、時才選反射式。3)當容器高度大于3m時，玻璃板液面計和玻璃管液面計的液面觀察效果受到限制，應改用其它適用的液面計。液化石油氣為較干凈的物料,易透光,不會出現(xiàn)嚴重的堵塞現(xiàn)象所以在此選用玻璃管液面計5。4 機械計算4.1 筒體厚度設計p設計壓力。貯罐在夏季最高溫度可達到目的50，其最高工作壓力根據(jù)混合液化石油氣50的飽和蒸汽壓不同，分別把50時的異丁烷、丙烷、丙烯作為其最高工作壓力。通常把50時的丙烷的液體飽和蒸氣壓1.61 MPa作為液化石油氣貯罐的最高設計壓力。取此壓強的1.1倍,故取P=1.8 MPa作為設計壓力3。=5000mm在操作溫度-550的范圍內(nèi),估計些筒體的厚度在32 mm 左右

17、,為安全計=163 MPa(查鋼制壓力容器中使用的許用應力表) 3。焊接接頭采用V坡口雙面焊接,采用局部無損檢測,其焊接接頭系數(shù)由焊接接頭系數(shù)表查得=0.85。壁厚附加量C，在鋼制壓力容器4中，只考慮腐裕量，不計鋼板厚度負偏差，單面腐蝕取=1 mm。筒體厚度圓整后選取厚度為34mm的16MnR鋼板來制造筒體。4.2 封頭壁厚設計按照教材公式計算內(nèi)壓橢圓形封頭的壁厚：采用標準橢圓形封頭，各參數(shù)與筒體相同，因為封頭的直徑較大，需用兩塊鋼板拼接毛坯，仍取焊縫系數(shù)=0.85。鋼制壓力容器4規(guī)定封頭的壁厚附加量C只考慮腐蝕裕量，不計鋼板厚度負偏差，也不考慮封頭在熱壓成型時的壁厚減薄量，這個問題由封頭制造

18、工廠考慮，保證制成的凸型封頭厚度符合圖紙規(guī)定值，故仍取C1mm。因此，封頭壁厚：按要求取兩者最大者，故橢圓型封頭的壁厚也是34mm（JB115473;材料與零部件6）。4.3 水壓試驗及強度校核GB 150-1998鋼制壓力容器3規(guī)定液壓試驗壓力如下： 式中試驗壓力，MPa；P設計壓力，MPa； 、t分別為液壓試驗溫度和設計溫度下殼壁材料的許用應力，MPa。將p=1.8MPa， =t=163MPa代入式(4.2)得液壓試驗的試驗壓力為：選取前兩者中壓力較大值作為水壓試驗壓力為=2.25MPa水壓試驗時的應力為：14mm16MnR鋼板在常壓下的許用應力：=,故筒體滿足水壓試驗時的強度要求。4.4

19、 人孔并核算開孔補強根據(jù)儲罐是在常溫下及最高工作壓力為1.8 MPa的條件下工作,人孔的標準按公稱壓力為1.8MPa等級選取，考慮到人孔蓋直徑較大較重,故選用碳鋼水平吊蓋人孔(JB583-79)，公稱直徑450mm,凹凸法蘭密封面（C型），該人孔結(jié)構(gòu)中有吊鉤和銷軸，檢修時只須松開螺栓將蓋板旋轉(zhuǎn)一個角度，由吊鉤吊住，不必將蓋松取下。查得如下圖水平吊蓋人孔（JB583-7925;材料與零部件6,486頁）各零件的名稱、材料及尺寸如下：件號 標準號 名稱 數(shù)量 材料 尺寸/mm 1 筒節(jié) 1 Q235A 4802 GB3076 煤栓 20 A4 直徑×長度=M27×1203 GB

20、3076 螺母 20 Q235A M274 GB4176 法蘭 1 Q235A D=640，D1=585 5 GB9576 墊片 1 Q235A =36 蓋 1 Q235A B1=42;b2=447 吊環(huán) 1 Q235A d=208 轉(zhuǎn)臂 1 Q235A d=369 吊鉤 1 Q235A 螺紋部分M2010 螺母 2 Q235A 外徑d=50,內(nèi)徑d=36 11 墊圈 1 Q235A 12 環(huán) 1 10 67×3.5 13 無縫鋼管 11 Q235A =10 14 支承板 1另外,還要考慮人孔補強,確定補強圈尺寸,由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管,故不能直接選用補強圈標準。本設計所選用

21、的人孔筒節(jié)內(nèi)徑為d=450mm,壁厚=10mm。故補強圈尺寸如下：查表得人孔的筒體尺寸為480×10，由標準查得補強強圈內(nèi)公式=484mm,外徑=760。不計焊縫系數(shù)的筒體計算壁厚開孔補強的有關計算參數(shù)如下：考慮腐蝕后的開孔內(nèi)徑460+2×1=462補強區(qū)的寬度B2d=2×462=924mm接管的計算壁厚附加量補強區(qū)的外側(cè)高度補強區(qū)的內(nèi)側(cè)高度h2=0二者中取較小值h2=0。在有效補強范圍內(nèi)，可作為補強的截面積按下式計算 式中補強面積,； 開孔被削弱的金屬面面積,；殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積,;接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積,；焊縫金屬截面積,。

22、由教材公式計算因開孔被削弱的金屬面面積A,Ad×=462×27.8=12844由教材公式計算筒體超過承壓所需的多余金屬截面積若不計焊縫補強的金屬截面面積，則補強金屬截面面積由教材公式求得補強圈的厚度由于考慮到筒體的厚度為34mm,故選取補強圈為29mm厚的16MnR補強圈,其標記為:補強圈Dg450×29 JB 1207-73。4.5 核算承載能力并選擇鞍座首先粗略計算鞍座負荷儲罐總質(zhì)量式中罐體的質(zhì)量，Kg水壓試驗時水的質(zhì)量，Kg附件的質(zhì)量，Kg罐體質(zhì)量:筒體公稱直徑=5000 mm，那么每米長的容積為19.625 ，由材料與零部件6查得封頭容積=1.39/m，則

23、 解得 L=4.98m 取 L=5m為宜。罐體的自重（化工設備設計手冊第一冊，化學工業(yè)出版社，328頁2）可查得，公稱直徑為5000壁厚為34mm的筒體每米長的重量為3940g,封頭的自重為3399Kg，罐體自重為： Kg水壓試驗時罐內(nèi)的水重為:=100455Kg其它附件質(zhì)量:人孔質(zhì)量約為210Kg,其他附件重量約為200 Kg，共410Kg。=410Kg于是，設備總質(zhì)量為 Kg其總重力Q為1116KN，查材料與零部件9得，公稱直徑為5000 mm，高度H400 mm的A型鞍座，其單個承載能力為1178 KN >1116KN.故其承載能力足夠。標記為：DN5000-AM-400 JB 1

24、167-81 DN1600-AM-200 JB 1167-81。5 附件的選擇51 液面計的選擇儲罐常用玻璃液面計,由儲罐公稱直徑5000選擇長度為1800mm 液面計兩支，體材料(針形閥)為碳鋼,體溫型, 液面計接管為無縫鋼管，液面計相配的接口管尺寸為: 35×4mm,平焊管法蘭HG 5010-58 Pg16Dg20 液面計標記為：玻璃管液面計 AD L1800 HG 5-227-80 5.2 壓力計選擇（1）量程裝在鍋爐、壓力容器上的壓力表，其最大量程（表盤上刻度極限值）應與設備的工作壓力相適應。壓力表的量程一般為設備工作壓力的153倍，最好取2倍。若選用的壓力表量程過大，由于同

25、樣精度的壓力表，量程越大，允許誤差的絕對值和肉眼觀察的偏差就越大，則會影響壓力讀數(shù)的準確性；反之，若選用的壓力表量程過小，設備的工作壓力等于或接近壓力表的刻度極限，則會使壓力表中的彈性元件長期處于最大的變形狀態(tài)，易產(chǎn)生永久變形，引起壓力表的誤差增大和使用壽命降低。另外，壓力表的量程過小，萬一超壓運行，指針越過最大量程接近零位，而使操作人員產(chǎn)生錯覺，造成更大的事故。因此，壓力表的使用壓力范圍，應不超過刻度極限的6070。  （2）測量精度壓力表的精度是以允許誤差占表盤刻度極限值的百分數(shù)來表示的。精度等級一般都標在表盤上，選用壓力表時，應根據(jù)設備的壓力等級和實際工作需要來確定精度。額定蒸

26、汽壓力小于2.45MPa的鍋爐和低壓容器所用的壓力表，其精度不應低于25級；額定蒸汽壓力大于2.45MPa的鍋爐和中、高壓容器的壓力表，精度不應低于1.5級。  （3）表盤直徑為了使操作人員能準確地看清壓力值，壓力表的表盤直徑不應過小。在一般情況下，鍋爐和壓力容器所用壓力表的表盤直徑不應小于100mm，如果壓力表裝得較高或離崗位較遠，表盤直徑還應增大又考慮到液化石油氣有一定腐蝕性,所以綜合考慮選用隔膜壓力表, 技術(shù)指標為：精度等級：(1.) 公稱直徑：50 接頭螺紋：1.5 G1 測量范圍：0-2.4Mpa 75.3 接口管選擇1 進料管采用無縫鋼管100×6mm (管壁加

27、厚，具有補強作用).管的一端伸入罐切成45°,管長400 mm。配用凸面式平焊管法蘭Pg16Dg65 GB9119.8-8。2 出料管采用可拆的壓出管100×6mm,伸入到罐內(nèi)離罐底約100 mm,外套無縫鋼管115×7mm(管壁加厚，具有補強作用),都配用凸面板式平焊管法蘭（GB9119.8-88），凸面管法蘭蓋（GB9119.8-88）和石棉橡膠墊片（GB9126.2-88）。3 排污管在罐的右端最底部設個排污管，規(guī)格是80×5mm，管端焊有與截止閥J141-16相配的管法蘭HG20592 法蘭PL50-1.6 RF Q235A。排污管與罐體連接處焊

28、有一厚度為12mm的補強圈。4 放空管接口管采用80×5mm無縫鋼管,管法蘭Pg16Dg50 HG 5010-58 。5 安全閥接口管安全閥接口管尺寸由安全閥泄放量決定.本貯罐選用80×5mm的無縫鋼管, 管法蘭Pg16Dg50 HG 5010-58。6 壓力表接口管壓力表接口管由最大工作壓力決定, ,因此選用采用80×5mm無縫鋼管,管法蘭采用HG 5010-58 Pg16Dg50。各接管外伸高度都是300mm。6 設計結(jié)果一覽表序號名稱指標材料1設計壓力1.8MPa2工作溫度503物料名稱液化石油氣4容積100m35筒體DN5000mm×34mm，L

29、=5000mm16MnR6封頭DN5000mm×34mm，h=80mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A5000-FJB/T4712-92 鞍座A5000-SQ235A.F8人孔HG21524-95 人孔RF （AG）450-2.5組合件9補強圈Dg450×2916MnR10液面計液面計HG 5-227-80組合件11液面計接管35mm5mm，L=700mm10（GBT 8163）12進料管80mm5mm，L=500mm10（GBT 8163）13出料管80mm5mm，L=300mm10（GBT 8163）14壓料接管25mm3mm，L=3000mm10（GBT

30、 8163）15排污管80mm5mm，L=300mm10（GBT 8163）16放空管80mm5mm，L=300mm10（GBT 8163）17安全閥接管80mm5mm，L=300mm10（GBT 8163）18法蘭640mm14mmQ235A7 設計小結(jié)經(jīng)過液氨貯罐機械設計，其各部分結(jié)構(gòu)如下：根據(jù)GB/T 90192001標準，筒體DN3000×23，長度為8000mm，材料選16MnR。上下封頭均選用標準橢圓形封頭。根據(jù)JB/T 47462002標準，封頭DN3000×23，曲面高度h1=850mm，直邊高度h0=60mm，材料選用16MnR。下封頭與支座焊接，直邊高度取80。根據(jù)JB/T 471292標準,選用A3000F的臥式鞍座,