氮氣緩沖罐設計

1、氮氣緩沖罐目錄第一章緒論11.1概述11.2氮氣的特點11.3立式氮氣緩沖罐設計的特點2第二章 設計任務32.1 設計題目32.2 技術特性指標3第三章 儲罐主要零部件結構形式設計及其材料的選擇43.1 儲罐主要零部件結構形式設計43.2 主要零部件材料的選擇5第四章 儲罐結構參數(shù)設計74.1 罐體壁厚設計74.2 封頭壁厚的設計74.3 筒體和封頭的結構設計84.4 接管、法蘭、墊片和螺栓（柱）94.5 腿式支座選型和結構設計11第五章 開孔補強設計145.1 補強設計方法判別145.2 有效補強范圍145.3 有效補強面積15第六章 強度計算176.1 水壓試驗校核17第七章 設備維護18

2、參考文獻21第一章緒論1.1概述化學工業(yè)和其它流程工業(yè)的生產都離不開容器。所有的化工設備的殼體都是一種容器，容器的應用遍及各行各業(yè)，諸如航空、航海、機械制造、輕工、動力等行業(yè)。任何化工設備都是滿足一定生產工藝條件而提出的，隨著化工設備的新設計、新材料和新工藝的應用，使化工生產過程得到不斷地發(fā)展，因此這些生產工藝的設備與通常的機械設備相比有以下幾個顯著的特點：（1）功能原理多樣化：由于化工設備與“化工過程”的原理密不可分，即化工的生產過程是化工設備的前提，從而使得所使用的化工設備的功能、結構的特征多種多樣，設備類型也比較繁多。（2）化工設備多是壓力容器：例如處理氣體、液體和粉體等 一些流體材料為

3、主的化工設備，通常都是在一定溫度和壓力條件下工作的，盡管服務對象不同、形式多樣，功能及原理和內外結構不同，但都是限制其工作空間并承受一 定溫度的外殼和必要的內件所組成，這個能夠承受壓力載荷的外殼體即是壓力容器。壓力容器通常是在高溫、高壓、高真空、低溫、強腐蝕的條件下操作，其工藝條件與 其它行業(yè)相比更為苛刻和惡劣。緩沖罐主要用于各種系統(tǒng)中緩沖系統(tǒng)的壓力波動，使系統(tǒng)工作更平穩(wěn)，其原理是通過壓縮罐內壓縮空氣來實現(xiàn)，被廣泛應用于供水設備和中央空調系統(tǒng)等，結構有隔膜式緩沖罐和氣囊式兩種，前者由于罐體容易生銹已逐步淡出市場，氣囊式緩沖罐主要為意大利品牌，如意大利第一品牌Aquasystem緩沖罐。緩沖罐的

4、介質可以是液體，也可是氣相或固相的物質。名義上，可以將它分為兩類：I)擾動衰減類；II）獨立運行類。本設計中主要設計氣相介質的緩沖罐。1.2氮氣的特點單質氮在常況下是一種無色無臭的氣體，在標準情況下的氣體密度是1.25g·dm-3，氮氣在標準大氣壓下，冷卻至-195.8時，變成沒有顏色的液體，冷卻至-209.86時，液態(tài)氮變成雪狀的固體。氮氣在水里溶解度很小，在常溫常壓下，1體積水中大約只溶解0.02體積的氮氣。它是個難于液化的氣體。在水中的溶解度很小，在283K時，一體積水約可溶解0.02體積的N2。氮氣在極低溫下會液化成白色液體，進一步降低溫度時，更會形成白色晶狀固體。通常市場上

5、供應的氮氣都盛于黑色氣體瓶中保存。但需要進行平穩(wěn)工作時就需要用到緩沖罐了。1.3立式氮氣緩沖罐設計的特點壓力容器在設計、選材、制造和使用維護中稍有疏忽，一旦發(fā)生事故，其后果不堪設想，所以國家勞動部門把這類設備作為受安全監(jiān)察的一種特殊設備，并在技術上進行了嚴格、系統(tǒng)和強制性的管理，制定了一系列地強制性或推薦性地規(guī)范標準和技術法規(guī)，對壓力容器的設計、材料、制造、安裝、檢驗、使用和維修提出了相應的要求，同時為確保其安全可靠，實施了持證設計、制造和檢驗制度。立式氮氣緩沖罐也是一個壓力容器，也應按GB 150鋼制壓力容器標準進行制造、試驗和驗收；并接受勞動部頒發(fā)壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程的監(jiān)督。立式氮氣緩

6、沖罐，本設計中屬于第二類壓力容器。緩沖罐主要由筒體、封頭、支座以及各種接管和法蘭組成。罐體上設有進氣管、出氣管、排污管以及安全閥、壓力表。第二章 設計任務2.1 設計題目氮氣緩沖罐設計2.2 技術特性指標1 設計壓力：2 設計溫度：3 工作介質及其特性：氮氣，無毒，難燃4 主要受壓元件材料：16MnR5 焊接接頭系數(shù)：1.06 全容積：7 裝料系數(shù)：8 最高工作壓力：2.29 工作溫度：2010 容器類別：第二類第三章 儲罐主要零部件結構形式設計及其材料的選擇3.1 儲罐主要零部件結構形式設計3.1.1 封頭的選擇封頭是容器的一個部件，根據(jù)幾何形狀的不同，可分為球形、橢圓形、碟形、球冠型、錐殼

7、和平蓋等幾種，其中球形 、橢圓形、碟形、球冠型封頭又統(tǒng)稱為凸型封頭。運用于各種容器設備，如儲罐、換熱器、塔、反應釜、鍋爐和分離設備等。 執(zhí)行標準有GB/T12459-2005 、GB/T13401-2005等。從受力與制造方面分析來看，半球形封頭是最理想的結構形式，但缺點是深度大，直徑小時，沖壓較為困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也大。橢圓形封頭應力分布比較均勻，且深度比半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中低壓容器中應用較多的封頭之一。蝶形封頭受力狀況不佳，但過渡環(huán)殼的存在降低了封頭的深度，方便成型加工。錐殼主要用于中間段的連接。平蓋封頭因直徑各厚度都較大，加工與焊接方面都要遇到不少困

8、難。從鋼材耗用量來看，球形封頭用材最少，比橢圓形封頭節(jié)約，平蓋封頭用材最多。然而，從強度、結構和制造方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。3.1.2 容器支座的選擇立式容器支座有耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座等四種。中小型直立容器常采用前三種。耳式支座廣泛用于反應釜和換熱器等直立設備上。對于高度不大、安裝位置距基礎面較近且具有凸形封頭的立式容器，可采用支承式支座。腿式支座多用于高度較小的中小型立式容器中，具有結構簡單，輕巧，安裝方便等優(yōu)點并在容器下面有較大的操作維修空間。綜合受力，材料等情況采用腿式支座較為合理。3.1.3 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

9、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。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，即結構材料在各個方向的強度都得到較充分的發(fā)揮。因此，在對法蘭進行設計時，須查找管法蘭鋼制管法蘭、墊片、緊固件設計標準，并應根據(jù)公稱直徑、工稱壓力、工作溫度、工作介質特性及法蘭材料進行選用。3.2 主要零部件材料的選擇3.2.1 筒體與封頭材料的選擇壓力容器的使用工況（如溫度、壓力、介質特性和操作特點等）差別很大，制造壓力容器所用的鋼種類很多，既有碳素鋼、低合金高強度鋼和低溫鋼，也有中溫抗氫鋼、不銹鋼和耐熱鋼，還有復合鋼板。一般中低壓設備可采

10、用采用屈服極限為245Mpa345Mpa級的鋼材；直徑較大、壓力較高的設備，均應采用普通低碳鋼，強度級別宜用400Mpa級或以上；如果容器的操作溫度超過4000C，還需考慮材料的蠕變強度和持久強度。16MnR是普通低合金鋼,是鍋爐壓力容器專用鋼，鍋爐壓力容器的常用材料。它的強度較高、塑性韌性良好。常見交貨狀態(tài)為熱軋或正火。屬低合金高強度鋼，含Mn量較低。性能與20G（412-540）近似，抗拉強度為（450-655）稍強，伸長率為19-21%，比20G的大于24%。16MnR鋼是屈服強度350Mpa級的普通低合金高強度鋼，具有良好的綜合力學性能、焊接性能、工藝性能以及低溫沖擊韌性。在焊接壓力容

11、器時采用堿性焊條（J507），15MnVR鋼和18MnMoNbR鋼是屈服強度分別為400、500Mpa級普通低合金高強度鋼，雖然有較高的強度，但韌性、塑性都較C-Mn鋼低，且有較高的缺口敏感性和時效敏感性。并且這兩類鋼均較16MnR鋼昂貴。而且工作介質氮氣沒有毒性因此選用16MnR鋼（鋼板標準為GB 6654，使用狀態(tài)為熱軋、正火）既符合工藝要求也節(jié)約資源，以便獲得更好的經濟價值 。參照GB 150-1998表4-1，根據(jù)設計壓力，設計溫度，筒體壁厚在范圍內，選得材料的許用應力，屈服極限。容器的所有焊縫（包括角焊縫）均應采用全焊透結構。3.2.2 腿式支座材料的選擇根據(jù)JB/T4712.2,

12、腿式支座選用材料為Q235-A（鋼板標準為GB 3274,使用狀態(tài)為熱軋）。在表4-1中，選擇其許用應力，屈服極限。3.2.3 地腳螺栓的材料選擇地腳螺栓選用Q235-A（鋼材標準GB 700），選得材料的許用應力，屈服極限。3.2.4 接管材料的選擇優(yōu)質低碳鋼的強度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設備制造中常用作熱交換器列管、設備接管、法蘭的墊片包皮。優(yōu)質中碳鋼的強度較高，韌性較好，但焊接性能較差，不宜用作接管用鋼。由于接管要求焊接性能好且塑性好。制作各型號接管為16MnR。3.2.5 法蘭材料的選擇由于法蘭必須具有足夠大的強度和剛度，以滿足連接的條件，使之能夠密封良好，故選用Q235-

13、A的普通碳素鋼。第四章 儲罐結構參數(shù)設計4.1 罐體壁厚設計該容器需100%探傷，焊縫采用全焊透結構，所以取其焊接系數(shù)為。材料的許用應力，屈服極限。根據(jù)GB/T 9019-2001選得容器公稱直徑為。設計壓力，利用中徑公式計算筒體壁厚： (4-1) 查標準HG 20580-1998鋼制化工容器設計基礎規(guī)定表7-2知，鋼板厚度負偏差為0.6mm 故取。查標準HG 20580-1998鋼制化工容器設計基礎規(guī)定表7-5知，對于有不腐蝕的介質，腐蝕裕量。筒體設計厚度：筒體名義厚：，由于鋼板厚度范圍為，圓整后取。筒體的有效厚度。4.2 封頭壁厚的設計查標準JB/T 4746-2002鋼制壓力容器用封頭中

14、表1，選取公稱直徑，選用標準橢圓形封頭，型號代號為EHA，取 ，查標準JB/T 4746-2002鋼制壓力容器用封頭中表2，取直邊長。該容器需100%探傷，焊縫全采用全焊透結構，所以取其焊接系數(shù)為。材料的許用應力，屈服極限。根據(jù)GB 150-1998中橢圓形封頭計算中式7-1計算： (4-2)查標準HG 20580-1998鋼制化工容器設計基礎規(guī)定表7-2知，鋼板厚度負偏差為0.6mm，故取。查標準HG 20580-1998鋼制化工容器設計基礎規(guī)定表7-5知，對于有無腐蝕的介質，腐蝕裕量。封頭設計厚度：封頭名義厚度：，由于鋼板厚度范圍為，圓整后取與筒體相同的名義厚度。筒體的有效厚度。封頭記做：

15、 。4.3 筒體和封頭的結構設計4.3.1 封頭的結構尺寸由，得封頭的其他參數(shù)：查標準JB/T 4746-2002鋼制壓力容器用封頭附錄中表B.1 EHA和B.2 EHA表橢圓形封頭內表面積、容積、質量，見下圖4-1和表4-1。圖4-1封頭結構圖表4-1 封頭尺寸表公稱直徑DN/mm總深度H/mm內表面積A/容積V/質量/Kg8002250.75660.079659.34.3.2 筒體的長度計算充裝系數(shù)為1，則容器總容積為： （4-3）則可由求得筒體內長：，圓整后取。因為長徑比為1.875，所以長度和寬度設計滿足要求。4.4 接管、法蘭、墊片和螺栓（柱）4.4.1 接管1、 排污管在清洗貯罐式

16、，為了能夠將廢液完全排除貯罐外，故需在筒體底部安設排污管一個。在罐的最底部設個排污管，規(guī)格是20×2.5mm，管端焊有與截止閥相配的管法蘭。排污管與罐體連接處焊有補強圈進料管。 2、進料管伸進設備內部并將管的一端切成45°，為的是避免物料沿設備內壁流動以減少磨蝕和腐蝕。為了在短時間內將物料注滿容器。采用無縫鋼管YB231-×2.5mm ,管的一端伸入罐切成45°,管長95 mm。配用凸面式平焊管法蘭。3、安全閥接口管安全閥是一種安全保護用閥，它的啟閉件受外力作用下處于常閉狀態(tài)，當設備或管道內的介質壓力升高，超過規(guī)定值時自動開啟，通過向系統(tǒng)外排放介質來防止

17、管道或設備內介質壓力超過規(guī)定數(shù)值。安全閥屬于自動閥類，主要用于鍋爐、壓力容器和管道上，控制壓力不超過規(guī)定值，對人身安全和設備運行起重要保護作用。本貯罐選用×2.5mm的無縫鋼管。4、壓力表接管壓力表接口管由最大工作壓力決定, ,因此選用采用×2.5mm無縫鋼管,。各接管外伸高度都是95mm。5、出料管在化工生產中，需要將液體介質運送到與容器平行的或較高的設備中去，并且獲得純凈無雜質的物料。采用可拆的壓出管×2.5mm,伸入到罐內離罐底約100 mm，都配用凸面板式平焊管法蘭，凸面管法蘭蓋和石棉橡膠墊片。4.4.2法蘭氮氣緩沖罐應設置排污口、出液口、進液口、壓力表口

18、、安全閥口，見下圖4-2。圖4-2 法蘭結構圖查HG/T 20592-2009鋼制管法蘭中表8.2 3-3 PN帶頸對焊鋼制管法蘭，選取各管口公稱直徑，查得各法蘭的尺寸。查HG/T 20592-2009鋼制管法蘭中附錄D中表D-5,得各法蘭的質量。查HG/T 20592-2009鋼制管法蘭中表，法蘭的密封面均采用RF（突面密封）。得求各法蘭尺寸表見下表4-2.表4-2 各管口法蘭尺寸表（mm）名稱公稱直徑DN鋼管外徑法蘭焊端外徑法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n（個螺栓Th法蘭厚度C法蘭頸法蘭高度法蘭質量NR進料口2025B10575144M1218402.364400.5出

19、料口2025B10575144M1218402.364400.5排污口2025B10575144M1218402.364400.5壓力表口2025B10575144M1218402.364400.5安全閥口2025B10575144M1218402.364400.54.4.3墊片查HG/T 20606-2009鋼制管法蘭用聚四氟乙烯覆墊片，墊片尺寸見下表4-3。表4-3 墊片尺寸表（mm）符號管口名稱公稱直徑墊片內徑 D1墊片外徑D2墊片厚度Ta排污口2027541.5b進液口2027541.5c安全閥口2027541.5d壓力表口2027541.5e出氣口2027541.5注：1、聚四氟乙烯

20、包覆層材料應符合QB/T 3625中規(guī)定的FSB-2和QB/T 3626的規(guī)定。2、填充材料為有機非石棉纖維橡膠板。4.4.4 螺栓（螺柱）的選擇查HG/T 20613-2009鋼制管法蘭用緊固件中表-2和GB/T97.1，得螺柱的長度和平墊圈尺寸見下表4-4。表4-4 六角頭螺栓螺柱及墊片公稱直徑螺紋六角頭螺栓螺柱長緊固件用平墊圈 mmHb20M1010.5202b20M1010.5202c20M1010.5202d20M1010.520220M1010.5202注：1.緊固件質量為每1000件的近似質量；2.緊固件長度未計入墊片厚度。4.5 腿式支座選型和結構設計4.5.1 腿式支座選型在

21、緩沖罐主要零部件結構形式設計中，為該立式容器選了四個支座，初步選用輕型腿式支座，材料選用Q235-A。估算腿式支座的負荷：筒體質量：單個封頭的質量：充氣質量：，水壓試驗充滿水，故取介質密度為，則充液質量為附件質量：其他接管總和為300kg，即緩沖罐總質量：水平風載荷和地震載荷可忽略不計。則每個支座承受的質量為369.18kg，即為3.70KN。查JB4713.92-2007容器支座腿式支座中表1，首先優(yōu)先選擇輕型支座。查JB4713.92-2007容器支座腿式支座表4知可不設置墊板。查JB4713.92-2007容器支座腿式支座中表2，得到支腿尺寸如下表4-5。表4-5 支腿尺寸表公稱直徑DN

22、800蓋板l200允許載荷Q/KN12角鋼支柱1160支座高度H2118090底板1302090d10螺栓間距764螺栓孔徑d24支腿質量kg19.2該四個支腿標記為JB/T 4713.92，支腿A4-800。4.5.2 腿式支座的安裝位置圖4-3 AN型腿式支座根據(jù)JB4710-92鋼制塔式容器中規(guī)定，四個支腿成90度均勻安裝在筒體四周，底座離封頭與筒體的連接處最高距離為1m。第五章 開孔補強設計根據(jù)GB 150中8.3，因為該緩沖罐的設計壓力大于2.5MPa，所以五個孔都需要補強。以在封頭上的開孔為例說明其補強辦法，筒體上的開孔補強類似，只是筒體的計算厚度并不需要像封頭那樣乘以一個系數(shù)。5

23、.1 補強設計方法判別其中開孔直徑，故可以采用等面積法進行開孔補強計算。接管材料選用16MnR，其許用應力。封頭計算厚度 由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開孔，所以封頭計算厚度按 （5-1） 計算，式中， 所以根據(jù)GB 150-1998中式8-1，殼體開孔處的計算厚度：接管的有效厚度強度削弱系數(shù)需補強面積5.2 有效補強范圍5.2.1 有效寬度B按GB 150-1998中式8-7，得：5.2.2 外側有效高度根據(jù)GB 150-1998中式8-8，得：5.2.3 內側有效高度根據(jù)GB 150-1998中式8-9，得：5.3 有效補強面積根據(jù)GB 150-1998中的內容，分別計算如下在有效范圍內可做補強

24、的截面積：5.3.1 筒體多余面積5.3.2 接管的多余面積 （5-2）5.3.3 焊縫金屬截面積 焊角取6mm，則5.3.4補強面積因為，所以開孔需另行補強另行補強面積為根據(jù)JB/T 4736沒有接管公稱直徑為20mm的補強圈的標準，所以自選其外徑，內徑。因，補強圈在有效補強范圍內。補強圈厚度為： （5-3）考慮鋼板的負偏差并圓整，取補強圈名義厚度為。第六章 強度計算此設計為立式氣體緩沖罐，根據(jù)上一章補強設計計算可以知道，該強度計算只校核水壓試驗即可。6.1 水壓試驗校核試驗壓力：圓筒的薄膜應力： 即，所以水壓試驗合格。第七章 設備維護壓力容器類似鍋爐，是承受壓力的密閉容器。有些壓力容器盛裝

25、可燃介質，一旦發(fā)生泄露，這些可燃氣體會立即與空氣混合并達到爆炸極限，若遇到火源即可導致二次爆炸火燃燒等連鎖反應，造成特大的火災、爆炸和傷亡事故。由于壓力容器是在壓力狀態(tài)下運行，內部介質又有可能是有毒可燃的。所以壓力容器一旦發(fā)生事故必須進行周密檢查和必要的技術措施。一般壓力容器破裂原因可分為韌性破裂、脆性破裂、疲勞破裂、腐蝕破裂和蠕變破裂等五種形式。壓力容器危險的防護措施1、壓力容器設計及其制造必須按壓力容器安全監(jiān)察規(guī)定中規(guī)定的符合等級類別的設計制造單位進行，其受壓元件焊接工作，必須由經過考核合格的焊工擔任。焊縫的表面質量必須符合規(guī)定質量標準，并作表面探傷，不允許有裂紋、氣孔、凹坑和肉眼可見的夾渣等缺陷。 2、壓力容器制成后必須進行耐壓試驗，必要時還應進行氣密性試驗。3、壓力容器應按規(guī)定裝設安全閥、爆破片、壓力表、液面計、溫度計及切斷閥等安全附件。在容器運行期間，應對安全附件加強維護與定期校驗，保持齊全、靈敏、可靠。4、使用壓力容器的單位，必須向當?shù)貕毫θ萜靼踩O(jiān)察機構登記并取得使用證，才能將設備投入運行。使用單位應根據(jù)設備數(shù)量和安全性能要求，設專門機構或專職技術人員，加強壓力容器的安全技術管理，建立和健全安全管理制度。5、使用壓力容器的單位，應根據(jù)生產工藝要求和容器的技術性能制定安