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真人储罐 课程设计

发布时间:2020-09-23 20:50

  茂 名 学 院 课 程 设 计 目 录 一、绪论 ??????????????????????????????1 1.1 设计任务、设计思想、设计特点??????????????????1 1.2 主要设计参数的确定记说明????????????????????1 二、材料及结构的选择与论证 ?????????????????????2 2.1 材料选择与论证?????????????????????????2 2.2 结构选择与论证?????????????????????????3 2.2.1 封头形式的确定 ???????????????????????3 2.2.2 人孔的选择 ?????????????????????????3 2.2.3 法兰的选择 ?????????????????????????3 2.2.4 液面计的选择 ????????????????????????4 2.2.5 鞍式支座的选择与确定 ????????????????????4 三、设计计算 ????????????????????????????5 3.1 筒体厚度的计算 ?????????????????????????5 3.2 封头壁厚的计算 ?????????????????????????5 3.3 水压试验压力及其强度的计算 ???????????????????6 3.4 人孔的选择及核算开孔补强 ????????????????????6 3.5 鞍座的选择及核算承载能力 ????????????????????8 3.6 液位计的选择 ??????????????????????????9 3.7 选配工艺接管 ??????????????????????????9 四.设备总装备图(附录)??????????????????????10 五.小结 ?????????????????????????????10 六.设计参考书目 ?????????????????????????10 1 茂 名 学 院 课 程 设 计 液氨储罐机械设计 一. 绪论 1. 1 设计任务、设计思想、设计特点 (1)设计任务 按要求设计一压力容器, 液氨储罐的公称直径为 1400mm, 罐体的公称容积为 20m3, 制造地点:广东省广州市。 (2)设计思想 液氨储罐通常由卧式圆柱形圆筒和两端椭圆封头组成, 按照化学生产工艺的要求设 置进料口,出料口,放空口,排污口,压力表,安全阀和液面计等,为了检修方便开设 人孔,用鞍式支座支撑于混凝土基座上。 综合运用化工过程设备机械基础及所学的知识, 联系实际, 进而巩固加深和发展所 学的知识,提高分析实际问题和解决问题的能力。 (3)设计特点 液氨对钢材的腐蚀作用很小,但是,至于室外的液氨储罐,其工作温度为环境温 度,其工作压力为该环境温度下的饱和蒸汽压,随着气温的变化,液氨储罐的操作温度 和操作压力也会变化, 所以其材料的钢材必须应能承受这种变化, 在我国的北方严寒地 区,冬季气温很低,普通钢材就可能出现低温脆性,所以选用低温设备用钢。 ① 壁厚分类———薄壁容器 工程上的容器外径和内径的比值 K=D0/Di 小于等于 1.2 的压力容器称为薄壁容器。 ② 受压状况的分类——内压容器 容器器壁承受的拉应力,通过强度条件计算壁厚。 ③ 安装方式分类——卧式容器 在自重和内部充满液体等载荷作用下在壳体一些特殊部位产生各种局部应力,加 以考虑。 ④ 容器工作温度的确定——常温容器 设计温度在-200C~2000C 的压力容器,根据本次设计的容器的工作温度为- 400C~400C,确定为常温容器。 ⑤ 设计压力的分类——中压容器 压力 1.6MPa 到 10MPa 的容器为中压容器, 本次设计的容器工作的压力为 1.55MPa, 设计压力稍大于工作压力,所以为中压容器。 ⑥ 容器在生产中的用途和分类——贮存容器 ⑦ 按《压力容器安全技术监察视程》分类——第二类容器 1. 2 主要设计参数的确定和说明 (1)工作温度的确定 贮罐常至于室外,在夏天经过太阳的曝晒,温度可达 400C,所以工作温度应低于 0 40 C (2) 工作压力的确定 1 茂 名 学 院 课 程 设 计 表《液氨的饱和蒸汽压和密度》 温度/ C 饱和蒸汽压 (绝压)/MPa 0 -30 0.12 678 -20 0.19 665 -10 0.291 652 0 0.429 639 10 0.615 625 20 0.857 610 30 1.17 595 40 1.55 588 50 2.03 563 密度/kg/m3 随着气温的变化,罐内的气压也会改变。一般罐体的温度最高可以达到 400C,所以 选用的设计温度为 400C。 (3)设计压力的确定 按《压力容器安全监督规程》规定液化气体贮罐必须安装安全阀,设计压力可取 最大操作压力的 1.05 到 1.1 倍,设计温度为 400C,此时液氨的饱和蒸气压为 1.55MPa, 通过计算选择贮罐的设计压力为 1.6MPa(表压)。 二 . 材料及结构的选择与论证 2. 1 材料选择与论证 材料:本贮罐选用 16MnR 制作罐体和封头。 论证:按 YB(T)40-87 标准生产的钢板的化学成分和力学性质 压力容器用钢板的化学成分(YB(T)40)/(%) 钢号 20R 16MnR 15MnVR C ? 0.20 ? 0.20 ? 0.18 Mn 0.4~0.8 1.2~1.6 1.2~1.6 Si 0.15~0.3 0.2~0.6 0.2~0.6 S,P ? 0.03 ? 0.03 ? 0.03 V 0 0 0.1~0.4 压力容器用钢板力学性能和冷弯试验(YB(T)40) 钢号 交货状 态 热扎或 正火 热扎或 正火 热扎或 正火 厚度 /mm 6~16 17~25 2~16 17~25 6~16 17~25 510~630 490~610 530~665 510~645 ? b /MPa ? s /MPa ? s /% Akv J 34 不小于 20R 400~510 245 235 345 325 390 375 26 25 22 21 20 19 34 34 冷弯试 验 1800 b=2a d=1.5a d=1.5a d=2a d=3a b=3a 16MnR 15MnV R ① 钢板的耗用量 16MnR 钢板比 20R 钢板略贵,但从耗用量及价格的综合考虑,16MnR 钢板的用量 较省,应采用 16MnR 钢板为宜。 ② 制造费用 2 茂 名 学 院 课 程 设 计 16MnR 钢板,厚度较薄,质量较轻,且制造费用目前也按碳钢设备重量同等,因 此制造费用而言,16MnR 也比较经济。 ③ 根据工作环境的温度范围,可知储罐的工作温度大概在-400C~400C 之间,而 且工作压力较高,根据《化工过程设备机械基础》表 5-3 钢制压力容器中使用的钢板许 用应力中可以查得 16MnR 的各项工作指标都能满足储罐的工作要求,且 16MnR 加工 比较容易。 2. 2 结构选择与论证 2. 2. 1 封头形式的确定 本液氨储罐的封头选用椭圆形封头, 椭圆封头是由曲率半径连续变化而成的, 所以, 封头上的应力分布也是均匀变化的,他的受力状态比蝶形封头要好,虽不如半球封头, 但对各种封头的强度和经济合理性进行比较。 从钢材耗用量考虑:球形封头用量最少,比椭圆形封头节约 25.8%,平板封头的用 量最多,是椭圆形封头的 4 倍多。 从制造考虑:椭圆形封头制造方便,平板封头则因直径和厚度较大,坯材的获得、 车削加工、焊接等方面都遇到不少困难,且封头与筒体厚度相差悬殊,结构也不合理。 所以,从强度,结构和制造等方面综合考虑,采用椭圆形风封头最为合理。 2. 2. 2 人孔的选择 人孔已经标准化,按材料分为碳钢人孔,低温合金钢,和不锈钢人孔,根据液氨 的工作环境考虑,卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔,这人孔方便使用,压紧垫片可 靠,开启时人孔盖悬挂于吊杆下,避免搬动交重的人孔盖,碳钢水平吊盖人孔的尺寸, 本储罐选用公称直径为 Dg450mm 的人孔,保证了冬天检修时,穿着棉衣的工人能顺利 进出。 根据贮罐是在常温及最高压力为 1.6MPa 的条件下工作,人孔标准按公称压力为 1.6MPa 的选取。 2. 2. 3 法兰形式 按照设计的口径选择各种工艺接管, 进料管伸进罐内并在管端切成 450 斜口指向罐 中央,防止物料沿着器壁流动,减少物料对器壁的磨损,物料压出管也伸进罐内,离罐 低约 100mm,常制成可拆式接管。 安全阀和放空阀设置在容器最高处,排污管应设置在容器的最低处,以利排放。按 照储罐的设计压力和设计温度选择各个工艺接管的法兰。 对于液面计法兰图(a) ,出料口法兰,进料口法兰,安全阀法兰,放空阀法兰和排 污阀法兰, 其法兰可以选择使用突起密封面, 两个法兰的密封面都是加工成突起的平台, 突起面上加工出螺旋形或同心圆形的沟槽, 如同锯齿, 其作用式使垫片变形并压住垫片。 突起密封面制造简单,在一般情况下密封的性能交好,比较适宜液氨储罐各小管法兰。 3 茂 名 学 院 课 程 设 计 计算 2. 2. 4 液面计的选择 液氨储罐常用玻璃管液面计, 液面计的玻璃管两端装在针形阀内, 工作时开启针形 阀,清洗或检修时关闭针形阀,在针形阀内装有一个直径为 100mm 的钢球,当玻璃管 发生断裂的时候,钢珠在内压的作用下自动封闭针形阀,防止物料的泄漏,在上下针形 阀的两端,分别装有放气塞和流液塞。由于玻璃管的公称长度为:500~1400mm,所 设计的储罐的公称直径为 1700mm,所以选用两组液面计完成其工作。 2. 2. 5 鞍式支座的选择 换热器、 贮罐等卧式容器的支座通常是已经标准化的鞍式支座, 每一公称直径得鞍 座规格有轻型(A 型)和重型(B 型) 。立式容器支座中的耳式支座和支承式支座用于 小型直立式设备,而裙式支座用于高大的设备。 所设计的液氨储罐相对较大,根据所设计的筒体的公称直径选择,由液氨储罐的 总质量核算其承载能力,本储罐选用带加强垫版的 A 型鞍座一对,F 型(地脚螺拴孔为 圆形的固定支座)和 S 型(地脚螺拴孔为长圆形的活动支座)各一个。 为了利用封头对筒体刚度的局部加强作用,鞍座离封头的距离尽量不超过容器的 直径的 1/4(A≤Ri/2) ,为了减小因物料自重引起的筒体器壁弯曲应力,鞍座离封头的 距离也不要超过筒体长的 1/5(A≤0.2L) ,应用水压试验时的罐体总重。 4 茂 名 学 院 课 程 设 计 三 . 设计计算: 3.1 筒体长度计算 根据标准椭圆封头,查表:JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》得: 故有: 罐体的封头体积=2*0.3977=0.7954m3 筒体体积=20-0.7954=19.2046 m3 ? 2 筒体长度= 19 . 2046 /( * 1 . 4 ) =12.4818m 4 3. 1 罐体壁厚的计算。 根据材料分析,选用 16MnR 制作筒体和封头。 液氨储罐是内压容器,按公式计算出筒体的壁厚 ? 。 ? ? p ? Di 2 ?? ?t ? ? p 其中: p 为设计压力,本储罐在夏季最高温度可达 400C,此时液氨的饱和蒸汽压为 1.555MPa(绝对压力) ,所以 P=1.6MPa 5 茂 名 学 院 课 程 设 计 Di=1400mm; ?? 则: ? ? p ? Di 2 ?? ?t =170MPa; ? =1.00 ①(双面对接焊,100%无损探伤) ; ?t ? ? p = 1 . 6 ? 1400 2 ? 170 ? 1 . 00 ? 1 . 6 =6.62 mm 查得相应的负偏差 C 1 ? 0 . 8 mm ,腐蚀裕量 C 2 ? 1mm C=0.8+1=1.8mm 则: ? d ? p ? Di 2 ?? ?t ? ? p ? C2 =6.62+1 =7.62mm 根据 C 1 ? 0 . 8 mm 及钢板的厚度规格 圆整后确定选用 ? n ? 10 mm 厚的 16MnR 钢板制作罐体。 3. 2 封头厚度的设计: 本容器用标准椭圆封头,厚度根据公式: ?d ? p ? Di 2 ?? ?t ? ? 0 .5 p ? C2 其中各数据跟罐体相同,? =1.0(因为设计的储罐的直径为 1.7m,钢板的最大宽度为 3m,故封头需将钢板并焊后冲压) 则: ? d ? p ? Di 2 ?? ?? t ? 0 .5 p ? C2 = 1 . 6 ? 1400 2 ? 170 ? 1 . 0 ? 0 . 5 ? 1 . 6 +1 =7.60mm 圆整后取 ? n ? 8 mm 确定用 ? n ? 8 mm 厚的 16MnR 钢板制作封头。 3. 3 校核罐体与封头水压试验强度 根据公式 ? T ? pT ?D i ? ? e ? 2? e? ? 0 . 9? s 6 茂 名 学 院 课 程 设 计 ?? ? 170 ? ? 1 . 25 ? 1 . 60 ? ? 2 . 0 MP a ?1 . 25 P t 170 PT ? ? ?? ? ? P ? 0 . 1 ? 1 . 60 ? 0 . 1 ? 1 . 70 MP a ? 取 p T ? 2.0MPa 式中: ? e ? ? n ? C ? 8-1.8 =6.2mm ? s ? 345MPa 则水压试验时的应力: ?T ? pT ?D i ? ? e ? 2? e? =171.49MPa = 2 . 0 ? ?1400 ? 6 . 2 ? 2 ? 8 .2 ? 1 .0 16MnR 钢制容器在常温水压试验时的许可应力 ?? T ? ? 0 . 9? s ? 0 . 9 ? 345 ? 310 . 5 MPa 可见: ? T ? ?? T ? ,所以罐体厚度满足水压试验时的强度。 3. 4 选择人孔并核算开孔补强。 液氨储罐常选用碳钢水平吊盖人孔(JB583-79) ,公称直径 Dt=450mm,凹凸法兰密封 0 面(C 形) ,公称压力 Pt16(在工作温度小于 200 C 时的允许工作压力为 16kgf/cm2) 标记符号为:人孔 C1Pt16,Dt450,JB583-79 水平吊盖人孔 JB 583-79 明细表 件 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 标准号 名称 筒节 螺栓 螺母 法兰 垫片 盖 吊环 转臂 吊钩 螺母 垫圈 环 无缝钢管 支撑板 数 量 1 20 20 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 材料 Q235-A 16Mn A4 35 Q235-A 30 Q235-A 16Mn 橡胶石棉板 Q235-A 16Mn Q235-AF Q235-AF Q235-AF Q235-A Q235-A Q235-AF 10 Q235-AF GB30-76 GB30-76 GB 41-76 GB 95-76 7 茂 名 学 院 课 程 设 计 查资料确定不另行补强的最大孔径,不再焊封上开孔,不计焊封的筒体计算壁厚 ? 0? ? 0? ? PD 2 ?? i ? t ? p = 1 . 6 ? 1400 2 ? 170 ? 1 . 6 ? 6.62mm 器壁厚度增强系数 ?? ?C? ? 0? = 8 ?1 6 . 62 ? 1.06 不另行补强的最大孔径为 ? 89 ? 6 ,即人孔需要另行补强外,其他各个工艺接管开孔 都不需要补强。 考虑人孔补强,确定补强圈尺寸 由于人孔的筒节不是采用无缝钢管,所以不能直接选用补强圈标准,本设计所选用的 人孔筒节内径是 450mm。壁厚 10mm。 由补强圈的标准查得补强圈的内径 D1=484mm,外径 D2=760mm 补强圈的厚度按公式计算: ?k ? d ??e D 2 ? D1 ? 450 ? 6 . 2 760 ? 484 ? 10 . 11 mm 考虑到罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量,故补强圈取 12 mm 厚。 3. 5 鞍座的选用。 储罐总质量=罐体质量+封头质量+装满水质量+附件质量 即 m=m1+m2+m3+m4 (1)筒体体的质量 m1; DN=1400mm, ? n =10mm 的筒节,根据 L*2600*16/1030=L*1400*12/q 算得: 每米的质量为 q1=346.6kg/m m1=q1L=346.6 ? 12.48=4325.57kg (2)封头的质量 m2; DN=1400mm, ? n =8mm, 直边高度 h=25mm 的标准封头 查表得 封头容积为 0.3977m3 m2=2 ? 137.7=275.4kg (3)所装液氨质量 m3; m3=a ? V 式中:a ---- 冲料系数,取 0.7; V ---- 储罐容积, V=V 封+V 筒=20m3; ? ---- 液氨在-20℃时的密度,为 665kg/m3. 8 封头深度为 375mm ? 其质量 m 2 =137.7kg 茂 名 学 院 课 程 设 计 m3=a ? V =0.7×20×665 =9310kg (4)附件的质量 m4; 人孔的质量约为 200kg,其他的连接管质量总和按 300kg 算,则:m4=500kg 设备总质量为: m=m1+m2+m3+m4 = 4325.57+275.4+9310+500 =14410.97kg 每个鞍负荷 F= mg 2 ? 14410 . 97 ? 9 . 81 2 ? 70685 . 81 N =70.69kN 查表选用轻型带垫板,包角为 120°的鞍座: JB/T4712-92 鞍座 A1700-F JB/T4712-92 鞍座 A1700-S 3. 6 液位计的选择。 液氨储罐常用玻璃管液面计, 由储罐公称直径 Di=1400mm 选择公称长度为 800mm 的 液面计两只,采用玻璃管液面计 BIW PN1.6 , L=800mm , HG5-227-80 两支。 与其相配的接管尺寸为 ? 18×3m,管法兰为 PN1.6 DN15 GB 9119.8-88 3. 7 选配工艺接管。⑨ (1)液氨进料管 采用 ? 48×4.0mm 的无缝钢管, 管的一端切成 450,深入罐内少许,配用平面密封的平 焊管法兰:法兰 PN1.6 DN50 GB 9119.8-88 因为壳体名义壁厚δ n=10mm , 小于 12mm , 接管公称直径小于 50mm , 故不用补强。 (2)液氨出料管 采用可拆的压出管 ? 25×3mm ,将它套入罐体的固定接口管 ? 38×3.5mm 内,并用 一非标准法兰固定在接口法兰上。 罐体的接口法兰采用法兰 PN1.6 DN32 GB 9119.8-88 。与该法兰相配并焊接在压出管 的法兰上,其连接尺寸和厚度跟管法兰 PN1.6 DN32 GB 9119.8-88 相同,但是内径为 25mm。 (3)排污管 贮罐右侧最底部,安设排污管一个, 管子的规格是 ? 48×4.0mm,管端焊有一与截止 阀 J41W-16 相配的管法兰取 PN1.6 DN50 GB 9119.8-88。 (4)放空管接管 9 茂 名 学 院 课 程 设 计 采用 ? 32×3.5mm 无缝钢管,管法兰取 PN1.6 DN25 GB9119.8-88 (5)压力表接管 采用 ? 32×3.5mm 无缝钢管,管法兰取 PN1.6 DN25 GB9119.8-88 (6)安全阀接管 采用 ? 32×3.5mm 无缝钢管,管法兰取 PN1.6 DN25 GB9119.8-88 (7)液位计接管 采用 ? 18×3mm 无缝钢管,管法兰为 PN1.6 DN15 GB 9119.8-88 四. 设备总装备图 ( 如附录 ) 五.小结 从一开始什么都不懂,到现在该做的工作都能完成,时间也接近尾声了,一个星期 的课程设计感觉上时间不是很充足,但是却有一股冲劲去做,找资料,设计,画图, 很久 没有这么用心去做一件事情了。经过这次的课程设计,我真正体会到什么叫做“书到用时 方恨少” 。不过,对于这次课程设计,自己还是感觉到挺满意的,毕竟能够较顺利地完成 课程设计任务,不但学到了新的知识,还复习了《工程制图》等已经被遗忘的课程知识。 整个设计过程,越到后来越多问题浮现,图纸上是改了又改,但是能找出毛病,这也证明 了自己正在进步。 《化工过程装备机械基础》课程设计使我学会了利用大学的基础课、技术基础课以及 大部分专业课所学到的知识。这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次综合性的 总复习,也是一次理论联系实际的训练。 通过这次课程设计,我对自己大学学习的知识做出了总结,同时为将来的毕业设计进行 一次适应性训练,从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力。 从这次设计可以看出一些问题: (1) 心态:应该保持认真的态度,坚持冷静独立的解决问题。 (2) 基本:认真学好基本知识,扎实自己的基本知识,使面对问题时不会遇到很多挫 折,从而打击自己的信心,结果使自己很浮躁,越来越不想搞这设计,故应该好好学习基本知 识,一步一步的来,不要急功近利! (3) 树立自己的良好形象,乐观的面对生活,坚持自己的想法和意识,也许老师和他人 对你的要求高一些就不要抱怨,因为那时是对你好,使你更好的发展! 六. 设计参考书目 [1] 《化工设备机械基础》 ,汤善甫 朱思明主编,华东理工大学出版社。 [2] 《化工设备机械基础》 ,董大勤 主编 [3] 《化工设备机械基础课程设计指导书》 ,蔡业彬 宣征南主编。 [4] 《钢制压力容器》GB150-1998 10

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