20m3液氨儲罐的設(shè)計

20m3液氨儲罐的設(shè)計摘要儲罐按其形式可分為方形和矩形容器、球形容器、圓筒形容器（立式、臥式）。按其承壓性質(zhì)和能力可分為內(nèi)壓和外壓，內(nèi)壓容器又可分為常壓、低壓、中壓、高壓、超高壓等五類。根據(jù)使用時候的壁溫，可分為常溫容器、高溫容器、中溫容器和低溫容器。按其結(jié)構(gòu)材料分類，容器有金屬制的和非金屬制的兩類。按其反應(yīng)情況可分為反應(yīng)壓力容器（R）、換熱壓力容器（E）、分離壓力容器（S）、儲存壓力容器（C）等。本次設(shè)計，我選用的是臥式圓筒形、中壓常溫的內(nèi)壓容器。經(jīng)計算，筒體規(guī)格為：公稱直徑DN1800mm，1m高的容積V12.545m3，1m高的內(nèi)表面積F15.66m2，1m高筒節(jié)質(zhì)量536kg。封頭選用橢圓形標準封頭，其規(guī)格為：公稱直徑DN1800mm，曲面高度h1450mm，直邊高度h040mm，內(nèi)表面積Fi,3.73m2,，容積V0.866m3。筒體外伸端到支座的距離a=1.8m。目錄TOC\o"1-3"\h\u313241引言 引言液氨，是一種無色液體，有強烈刺激性氣味。氨作為一種重要的化工原料，為運輸及儲存便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻得到液態(tài)氨。氨易溶于水，溶于水后形成氫氧化銨的堿性溶液。液氨多儲于耐壓鋼瓶或鋼槽中，且不能與乙醛、丙烯醛、硼等物質(zhì)共存。液氨在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，具有腐蝕性且容易揮發(fā)，所以其化學(xué)事故發(fā)生率很高。為能夠進行連續(xù)的生產(chǎn)，需要有儲存液氨的容器，因此設(shè)計液氨貯罐是制造貯罐的必備步驟，是化工生產(chǎn)能夠順利進行的前提。設(shè)計儲存設(shè)備，首先必須滿足各種給定的工藝要求，考慮存儲介質(zhì)的性質(zhì)、容量、鋼材的耗費量等等。而且液化氣體必須考慮它的膨脹性和壓縮性，液化氣體的體積會因溫度的改變而變化，所以必須嚴格控制儲罐的充裝量（指裝量系數(shù)與儲罐實際容積和設(shè)計溫度下介質(zhì)的飽和液體密度的乘積）。在總貯量小于500m，單罐容積小于100m時選用臥式貯罐比較經(jīng)濟。設(shè)計基本思路：本設(shè)計綜合考慮環(huán)境條件、介質(zhì)的理化性質(zhì)等因素，結(jié)合給定的工藝參數(shù)，機械按容器的選材、壁厚計算、強度核算、附件選擇、焊縫標準的設(shè)計順序，分別對儲罐的筒體、封頭、鞍座、焊接形式進行了設(shè)計和選擇。設(shè)備的選擇大都有相應(yīng)的執(zhí)行標準，設(shè)計時可以直接選用符合設(shè)計條件的標準設(shè)備零部件，也有一些設(shè)備沒有相應(yīng)標準，則選擇合適的非標設(shè)備。各項設(shè)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(shè)計有章可循，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理地進行設(shè)計。2設(shè)計任務(wù)書請設(shè)計一20m3的液氨儲罐，具體要求：1）儲罐設(shè)計參數(shù)及材料的選定2）壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計3）壓力試驗及強度校核4）使用地點：北京5）編寫儲罐說明書（摘要，目錄，正文，參考文獻）3設(shè)計參數(shù)及材料的選擇3.1設(shè)備的選型與輪廓尺寸筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓筒形。因為作為容器主體的圓柱形筒體，制造容易，安裝內(nèi)件方便，而且承壓能力較好，這類容器應(yīng)用最廣。筒體直徑一般由工藝條件決定，但是要符合壓力容器的公稱直徑。立式圓筒形容器承受自然原因引起的應(yīng)力破壞的能力較弱，綜合上訴考慮本設(shè)計選用圓筒形臥式容器。粗略計算內(nèi)徑：，一般，取，得Di=1749mm，圓整至Di=1800mm，則L=9000mm。3.2設(shè)計壓力本儲罐在北京使用，夏季最高溫度為42℃，冬季最低溫度為-27.4℃，工作溫度在-27.4~42℃，取最高工作溫度為45℃。根據(jù)《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》查得：44℃蒸汽壓為，46℃蒸汽壓為，用內(nèi)差法求得45℃時蒸汽壓為：?？梢耘袛嘣O(shè)計的容器為內(nèi)壓容器，按《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，盛裝液化氣體無保冷設(shè)施的壓力容器，其設(shè)計壓力應(yīng)不低于液化45℃時的飽和蒸汽壓力1.7818MPa。當容器上裝有安全閥時，取1.05～1.1倍的最高工作壓力作為設(shè)計壓力，液氨儲罐的設(shè)計壓力P為1.96MPa。查閱文獻，最高溫度45℃時，液氨密度為571.29kg/m3，最低溫度-28℃時，液氨密度為675kg/m3，由《各地區(qū)重力加速度表》查得北京地區(qū)的重力加速度g=9.8m/s2，則因為，所以可忽略靜壓強，即Pc=P設(shè)。由于1.6MPa≦1.96MPa<10.0MPa[1]，故該儲罐屬于中壓容器。3.3筒體及封頭材料的選擇本貯罐選用16MnR制作罐體和封頭。16MnR表示平均含碳量為0.16%的容器鋼，屬于低碳鋼，它的塑性好，焊接性和鍛造性良好，適宜制造化工容器等焊接件和設(shè)備封頭等沖壓件，16MnR鋼板為比較經(jīng)濟，也可用來制造受載不大的螺栓，或經(jīng)滲碳后制作齒輪和軸等零件。所以，本液氨儲罐選用16MnR制作罐體和封頭。3.4許用應(yīng)力設(shè)計溫度為45oC，屬于常溫容器。查閱文獻[2]，當16MnR鋼板厚度δ=6~16mm時，16MnR鋼板的強度極限σb=510MPa，屈服極限σs=345MPa。常溫下，當取強度極限作為16MnR鋼板的極限應(yīng)力時，許用應(yīng)力，查閱文獻得nb=3，；當取屈服極限作為16MnR鋼板的極限應(yīng)力時，許用應(yīng)力，查閱文獻得ns=1.6，。則許用應(yīng)力[σ]取兩者這間的較小值，則[σ]t=170MPa。4結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1筒體壁厚計算計算壁厚δ按照（4-1）式計算。（4-1）式中：pc：計算壓力，MPaDi：筒體內(nèi)徑，mm[σ]t：設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPaφ：焊接接頭系數(shù)容器筒體的縱向焊接接頭采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)φ=1.00，全部無損探傷。把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入（4-1）式，得到圓柱形筒體的計算壁厚δ。查材料腐蝕手冊，45℃下液氨對鋼板的腐蝕速率小于0.05mm/年，取雙面腐蝕裕量C2=2mm。所以，筒體的設(shè)計壁厚δd=δ+C2=12.4mm。查閱鋼板厚度負偏差表，鋼板厚度在8.0~25mm范圍內(nèi)，負偏差C1=0.8mm。所以，筒體的名義壁厚δn=δd+C1+圓整量=14mm。在之間，故假設(shè)是成立的。查GB150—1998，得到圓柱形筒體的規(guī)格尺寸見表4-1。表4-1筒體標準公稱直徑DN/mm1m高的容積V1/m31m高的內(nèi)表面積F1/m21m高筒節(jié)質(zhì)量/kg18002.5455.665364.2封頭設(shè)計4.2.1半球形封頭球形封頭的計算壁厚δ按照（4-2）式計算。（4-2）式中：pc：計算壓力，MPaDi：半球形封頭的內(nèi)徑，mm[σ]t：設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPaφ：焊接接頭系數(shù)封頭的拼接接頭采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)φ=1.00，全部無損探傷。把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入（4-2）式，得到半球形封頭的計算壁厚δ。查材料腐蝕手冊，45℃下液氨對鋼板的腐蝕速率小于0.05mm/年，取雙面腐蝕裕量C2=2mm。所以，筒體的設(shè)計壁厚δd=δ+C2=7.2mm。查閱鋼板厚度負偏差表，鋼板厚度<8mm，負偏差C1=0.6mm。所以，筒體的名義壁厚δn=δd+C1+圓整量=8mm。4.2.2標準橢圓形封頭標準橢圓形封頭的計算壁厚δ按照（4-3）式計算。（4-3）式中：pc：計算壓力，MPaDi：橢圓形封頭的內(nèi)徑，mm[σ]t：設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPaφ：焊接接頭系數(shù)封頭的拼接接頭采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)φ=1.00，全部無損探傷。把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入（4-3）式，得到標準橢圓形封頭的計算壁厚δ。查材料腐蝕手冊，45℃下液氨對鋼板的腐蝕速率小于0.05mm/年，取雙面腐蝕裕量C2=2mm。所以，筒體的設(shè)計壁厚δd=δ+C2=12.4mm。查閱鋼板厚度負偏差表，鋼板厚度在8.0~25mm范圍內(nèi)，負偏差C1=0.8mm。所以，筒體的名義壁厚δn=δd+C1+圓整量=14mm。4.2.3標準碟形封頭標準碟形封頭的計算壁厚δ按照（4-4）式計算。（4-4）式中：pc：計算壓力，MPa[σ]t：設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPaφ：焊接接頭系數(shù)（4-5）式中：M：碟形封頭系數(shù)Ri=0.9Di；ri=0.17Di封頭的拼接接頭采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)φ=1.00，全部無損探傷。把相關(guān)數(shù)據(jù)及式（4-5）帶入（4-4）式，得到標準蝶形封頭的計算壁厚δ。查材料腐蝕手冊，45℃下液氨對鋼板的腐蝕速率小于0.05mm/年，取雙面腐蝕裕量C2=2mm。所以，筒體的設(shè)計壁厚δd=δ+C2=14.5mm。查閱鋼板厚度負偏差表，鋼板厚度在8.0~25mm范圍內(nèi)，負偏差C1=0.8mm。所以，筒體的名義壁厚δn=δd+C1+圓整量=16mm。4.2.4圓形平板封頭圓形平板封頭的計算壁厚δ按照（4-6）式計算。（4-6）式中：pc：計算壓力，MPaK：平板封頭的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)Dc：圓形平板封頭的計算直徑，mm[σ]t：設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPaφ：焊接接頭系數(shù)圓形平板封頭的計算直徑Dc等于壓力容器內(nèi)徑Di,則Dc=1800mm。封頭的拼接接頭采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)φ=1.00，全部無損探傷。對于圓形平板封頭，取K值等于0.25。把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入（4-6）式，得到圓形平板封頭的計算壁厚δ。查材料腐蝕手冊，50℃下液氨對鋼板的腐蝕速率小于0.05mm/年，取雙面腐蝕裕量C2=2mm。所以，筒體的設(shè)計壁厚δd=δ+C2=98.6mm。查閱鋼板厚度負偏差表，負偏差C1=1.7mm。所以，筒體的名義壁厚δn=δd+C1+圓整量=102mm。4.2.5不同形狀封頭比較不同形狀封頭壁厚見表4-2。從表4-2可以看出，標準橢圓形封頭的壁厚與筒體的壁厚相同。標準橢圓形封頭與厚度相等的筒體連接時，可以達到與筒體等強度。它吸取了蝶形封頭深度淺的優(yōu)點，用沖壓法易于成形，制造比球形封頭容易，所以，選擇橢圓形封頭，結(jié)構(gòu)由半個橢球面和一圓柱直邊段組成。因為封頭壁厚>10mm則標準橢圓形封頭的直邊高度h0=40mm。表4-2不同形狀封頭的壁厚封頭半球形標準橢圓形標準蝶形圓形平板名義壁厚/mm81416102查橢圓形封頭標準（JB/T4737-95），得到橢圓形封頭規(guī)格尺寸見表4-3。表4-3標準橢圓封頭公稱直徑DN/mm曲面高度h1/mm直邊高度h0/mm內(nèi)表面積Fi/m2容積V/m31800450403.730.8664.3壓力試驗水壓試驗，液體的溫度不得低于5℃；試驗方法：試驗時容器頂部應(yīng)設(shè)排氣口，充液時應(yīng)將容器內(nèi)的空氣排盡，試驗過程中，應(yīng)保持容器外表面的干燥。試驗時壓力應(yīng)緩慢上升，達到規(guī)定試驗壓力后，保壓時間一般不少于30min。然后將壓力降至規(guī)定試驗壓力的80%，并保持足夠長的時間以便對所有焊接接頭和連接部位進行檢查。如有滲漏，修補后重新試驗。水壓試驗時的壓力：（4-7）筒體的有效壁厚δe=δn-(C1+C2)=14-(0.8+2)=11.2mmσs=345MPa水壓試驗時的計算應(yīng)力：（4-8）水壓試驗時的許用應(yīng)力為，故筒體滿足水壓試驗時的強度要求。4.4鞍座4.4.1鞍座的選擇儲罐總質(zhì)量m按照（4-9）式計算。（4-9）式中：m1:罐體質(zhì)量，kgm2:封頭質(zhì)量，kgm3:充液質(zhì)量，kg1）罐體質(zhì)量根據(jù)DN=1800mm，δn=14mm的筒節(jié)，每米質(zhì)量為m1’=627kg/m，L=9m。則：（4-10）2）封頭質(zhì)量根據(jù)DN=1800mm，δn=14mm，直邊高度h0=40mm的橢圓形封頭，其質(zhì)量為m2’=419kg，則（4-11）3）充液質(zhì)量儲罐容積V按照（4-12式）計算。（4-12）式中：V:儲罐容積，m3V1:1m高的筒體容積，m3V2:封頭容積，m3根據(jù)DN=1800mm，1米高的筒體容積V1=2.545m3。根據(jù)DN=2600mm，直邊高度h0=40mm的橢圓形封頭的容積V2=0.866m3。把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4-12），得：充液質(zhì)量按照（4-13）式計算。（4-13）式中：m3:充液質(zhì)量，kgV:儲罐容積，m3ρ:液氨在-28oC時的的密度，ρ=675kg/m3設(shè)備總質(zhì)量為每個支座需承受113.25kN的負荷。根據(jù)筒體DN=1800mm，支座負荷295kN，鞍式支座標準JB/T4712.1-2007，選取輕型帶墊板、包角120°的鞍座,即JB/T4712-92鞍座A2600-F，JB/T4712-92鞍座A2600-S。4.4.2鞍座的位置臥式容器可以簡化成受均布載荷的外伸梁。圖4-1表示受均布載荷q作用的筒體總長L=9000mm。qqaalLRARBCD圖4-1臥式容器簡化圖1）求支反力根據(jù)：，（4-14），（4-15）得到2）寫彎矩方程截面1-1處的彎矩方程：，（4-16）當x1=a時，彎矩最大值為：截面2-2處的彎矩方程：，（4-17）當時，彎矩最大值為截面3-3處的彎矩方程：，（4-18）當時，彎矩最大值為欲使設(shè)備受力情況最好，就必須適當選擇a和L的比例,使得外伸段和中間段的最大彎矩的絕對值相等，即要，由此得到（4-19）即則（4-20）因為,帶入（4-15）式，得