5立方储存罐课程设计

一、 绪论1、任务说明设计一个容积为5的液氯储罐，采用常规设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管进行设计，然后采用SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。2、液氯（）的性质分子量 70.91 黄绿色有刺激性气味的气体。密度：相对密度(水=1)1.47；相对密度(空气=1)2.48；稳定性：稳定； 危险标记：6(有毒气体)；在工业上，液氯是一种很有用的化学物质。氯可用于造纸、纺织工业的漂白；用作水和废水的消毒、杀菌剂；且可用于制造无机、有机氯化物，如：金属氯化物、氯溶剂、染料中间体、杀虫剂、合成橡胶、塑料等。但由于液氯属高毒性，是一种强烈的刺激性气体。它对人体、环境都有很强的危害，因此液氯的存储、运输都是一个值得深思的问题。设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺要求，考虑存储介质的性质、容量、钢材的耗费量等等。而且液化气体必须考虑它的膨胀性和压缩性，液化气体的体积会因温度的改变而变化，所以必须严格控制储罐的充装量（指装量系数与储罐实际容积和设计温度下介质的饱和液体密度的乘积）。目前我国普遍采用常温压力贮罐一般有两种形式：球形贮罐和圆筒形贮罐。因为圆筒形贮罐加工制造安装简单，安装费用少， 但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。二、 设计参数的确定 表1：设计参数表序号项 目数 值单 位备 注1名 称液氯储罐2用 途液氯储存站3最高工作压力1.414MPa由介质温度确定4工作温度-20455公称容积（Vg）5M36工程直径1200MM7装量系数(V)0.98工作介质液氯（高度危害）9使用地点室内10 工作介质液氯11其它要求100%无损检测1、 设计压力设计压力为压力容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，通常可取最高工作压力的1.051.1倍。经过查 我们取设计压力为1.56Mpa。2、设计温度设计温度也是压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常工作情况下，设定元件的金属温度。当元件金属温度不低于0时，设计温度不得低于元件可能达到的最高温度;当元件金属温度低于0时，其值不得高于元件金属可能达到的最高温度。所以设计温度选择为50。3、主要元件材料的选择筒体材料的选择：根据液氯的特性，查GB150-1998选择16MnR。16MnR是压力容器专用钢，适用范围：用于介质具有一定腐蚀性,壁厚较大（）的压力容器。50时的许用应力,钢板标准GB6645。 钢管材料的选择：根据JB/T4731,钢管的材料选用20号钢，其许用应力三、 压力容器结构设计1、 筒体和封头筒体的公称直径有标准选择，而它的长度L可以根据容积要求来决定。根据公式 (1+5%) 取 L/D=4 将L/D=4代入得： Di=1168mm圆整得Di=1200mm. 采用标准椭圆封头，查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表1，得公称直径 Di=1200mm. ，封头深度H=325mm，容积为0.0，2545。根据 根据得圆整得mm，L/DG=3，5（在3-6之间） 所以计算容积为5.769，工作容积为5.769x0.9=5.1921。计算压力：液柱静压力: , 所以液柱静压力可以不考虑，计算压力与设计压力相等。 该容器需100%探伤，所以取其焊接系数为。由中径公式可得筒体的计算厚度5.531mm，钢板厚度负偏差，腐蚀余量，故筒体的名义厚度为8由椭圆厚度计算公式可得 腐蚀裕度，钢板负偏差，取名义厚度 有效厚度为6接管、法兰、垫片和螺栓的选择液氯储罐要开设液氯进口管、安全阀口、人孔、空气进口管、空气出口管、压力表接口、液位计接口、液氯出口管，并根据各接口的大小选择相对应的法兰及垫片。管口表接管代号公称尺寸公称压力连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN50PN1.6MPaHG20595-1997FM液氯进口管bDN50PN1.6MPaHG20595-1997FM安全阀接口cDN450PN1.6MPaFM人孔dDN50PN1.6MPaHG20595-1997FM管空气进口管eDN50PN1.6MPaHG20595-1997FM管空气出口管fDN25PN1.6MPaHG20595-1997FM压力表接口gDN20PN1.6MPaHG20595-1997FM液位计接口hDN50PN1.6MPaHG20595-1997FM液氯出口管接管及接管补强详细数据见强度校核书。表4：接管和法兰尺寸序号名称公称直径DN法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓Th法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰质量NSRa液氯进口管50165125184M620742.985483.11b安全阀接口50165125184M1620742.985483.11c人孔50165125184M1620742.985483.11d空气进口管50165125184M1620742.985483.11e空气出口管50165125184M1620742.985483.11f压力表接口2511585144M1216462.664401.26g液位计口2010575144M1216402.364401.05h液氯出口管50165125184M1620742.985483.11七、 垫片查HG/T 20609-2009钢制管法兰用金属包覆垫片，得：表5 垫片尺寸表符号管口名称公称直径内径D1外径D2a液氯进口管505753b安全阀接口505773c人孔500521549d空气进口管505773e空气出口管505773f压力表接口253443g1-g4液位计口202736h液氯出口管505773注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3。 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3、补强圈设计根据GB150，当设计压力小于或等于2.5Mpa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的2.5倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中有DN=400mm的 人孔和DN=100的安全阀孔需要补强。补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径 采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用20号钢，其许用应力根据GB150-1998，其中：壳体开孔处的计算厚度 接管的有效厚度 强度削弱系数所以开孔所需补强面积为 有效补强范围有效宽度B的确定按GB150中式8-7，得：有效高度的确定(1）外侧有效高度的确定根据GB150，得： 接管的实际外伸高度=(2）内侧有效高度的确定根据GB150-1998，得： 有效补强面积根据GB150，分别计算如下：筒体多余面积2接管多余面积接管厚度：由厚度公式得：2 焊缝金属截面积焊角取6.0mm补强面积2因为，所以开孔需另行补强所需另行补强面积：2补强圈设计：根据DN400取补强圈外径D=680mm。因为BD，所以在有效补强范围。补强圈内径d=428mm补强圈厚度： 圆整取名义厚度为20mm 4、鞍座选型鞍座结构该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用 估算鞍座的负荷： 储罐总质量筒体质量：单个封头的质量：查标准JB/T4746=-2002钢制压力容器用封头中表B.2 EHA椭圆形封头质量，可知， 充液质量：，故 附件质量：人孔质量为300kg，其他接管质量总和估100kg，即综上所述， G=mg=307961.406N,每个鞍座承受的重量为153.98kN由此查JB4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为BI,包角为120，有垫板的鞍座。查JB4712.1-2007得鞍座结构尺寸如下表4： 表4：鞍式支座结构尺寸 单位：mm公称直径DN1200底板880筋板200允许载荷Q/kN145170140鞍座高度h20010200腹板6垫板3206螺栓间距7206垫板e55鞍座位置的确定通常取尺寸A不超过0.2L值，中国现行标准JB 4731钢制卧式容器规定A0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。由标准椭圆封头故：由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB 4731还规定当满足A0.2L时，最好使A0.5R m（）,即 取A=300mm综上有：A=300mm。5、焊接接头容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝、融合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的形式和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全。a) 回转壳体与封头的焊接接头采用对接接头b) 接管与筒体的焊接接头坡口为c) 人孔处接管、补强圈的焊接采用角焊，坡口为内压圆筒校核计算单位全国化工设备设计技术中心站计算条件筒体简图计算压力 Pc 1.58MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1200.00mm材料 16MnR(正火) ( 板材 )试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 5.59mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 8.00mm名义厚度 dn = 10.00mm重量 1318.91Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 1.4140 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 106.76 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.25166MPa设计温度下计算应力 st = = 118.94MPastf 170.00MPa校核条件stf st结论 合格内压椭圆封头校核计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.58MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1200.00mm曲面高度 hi 325.00mm材料 16MnR(正火) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9014计算厚度 d = = 5.02mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 6.00mm最小厚度 dmin = 3.60mm名义厚度 dn = 8.00mm结论 满足最小厚度要求重量 106.21 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.88078MPa结论 合格右封头计算计算单位 全国化工设备设计技术中心站计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 1.58MPa设计温度 t 50.00 C内径 Di 1200.00mm曲面高度 hi 325.00mm材料 16MnR(正火) (板材)试验温度许用应力 s 170.00MPa设计温度许用应力 st 170.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9014计算厚度 d = = 5.02mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 6.00mm最小厚度 dmin = 3.60mm名义厚度 dn = 8.00mm结论 满足最小厚度要求重量 106.21 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.88078MPa结论 合格卧式容器（双鞍座）计算单位全国化工设备设计技术中心站计 算 条 件 简 图 计算压力 pC1.56MPa 设计温度 t50 圆筒材料16MnR(正火) 鞍座材料Q235-A 圆筒材料常温许用应力 s170MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st170MPa 圆筒材料常温屈服点 ss345MPa 鞍座材料许用应力 ssa140MPa 工作时物料密度 600kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di1200mm 圆筒名义厚度 10mm 圆筒厚度附加量 2mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 8mm 封头厚度附加量 Ch2mm 两封头切线间距离 4420mm 鞍座垫板名义厚度 0mm 鞍座垫板有效厚度 0mm 鞍座轴向宽度 b0mm 鞍座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A300mm 封头曲面高度 325mm 试验压力 pT1.414MPa 鞍座高度 H200mm腹板与筋板(小端)组合截面积 14200mm2 腹板与筋板(小端)组合截面断面系数245150mm3 地震烈度0 配管轴向分力 0N圆筒平均半径 605mm 物料充装系数 0.9支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)1318.95kg 封头质量(曲面部分)99.3397kg 附件质量400kg 封头容积(曲面部分)2.26195e+08mm3 容器容积(两切线间)V = 5.45129e+09mm3 容器内充液质量工作时, 2943.7压力试验时, = 5451.29kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 4861.32压力试验时, 7368.92kg单位长度载荷9.82815 14.8978N/mm支座反力23849.7 36151.936151.9N筒 体 弯 矩 计 算圆筒中间处截面上的弯矩工作时= 1.74858e+07压力试验= 2.65054e+07Nmm支座处横截面弯矩工作时 -441284压力试验 -668910Nmm系 数 计 算K1=1K2=1K3=0.879904K4=0.401056K5=0.760258K6=0.0132129K6=K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒 体 轴 向 应 力 计 算轴向应力计算操作状态 60.8893 59.0355MPa -1.90175 -0.0479941MPa水压试验状态 -2.88126 -0.0727507MPa 56.3496 53.5396应力校核许用压缩应力0.00125333根据圆筒材料查GB150图6-36-10 B = 140.325MPa140.325140.325MPa 170 合格|,| 140.325 合格|,| 140.325 合格sT2 ,sT3 0.9ss = 310.5 合格时(时,不适用)MPa时圆筒中：6.57236封头中：3.9942MPa应力校核封头椭圆形封头, 140.615碟形封头, 半球形封头, MPa圆筒封头 t = 0.8 s t = 136 71.8846MPa圆筒, t t = 136 合格封头, th t h = 71.8846 合格MPa鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力无加强圈圆筒圆筒的有效宽度121.34mm无垫板或垫板不起加强作用时在横截面最低点处-2.83139MPa在鞍座边角处L/Rm8时, MPaL/Rm8时, -21.5699MPa无加强圈筒体垫板起加强作用时鞍座垫板宽度 ； 鞍座垫板包角横截面最低点处的周向应力MPa鞍座边角处的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm8时, MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm8时, MPa应力校核 |s5| s t = 170 合格 |s6 | 1.25s t = 212.5 合格 |s6 | 1.25s t = 212.5 MPa有加强圈圆筒加强圈参数加强圈材料, e = mm d = mm加强圈数量, n = 个组合总截面积, A0 = mm2组合截面总惯性矩, I0 = mm4设计温度下许用应力MPa加强圈位于鞍座平面上 在鞍座边角处圆筒的周向应力：MPa 在 鞍 座 边 角 处 ，加 强 圈 内 缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ：MPa有加强圈圆筒加强圈靠近鞍座横 截 面 最 低 点 的 周 向 应 力 无垫板时，（ 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 ） 采用垫板时，（垫板起加强作用）MPa 在横截上靠近水平中心线的周向应力：MPa 在横截上靠近水平中心线处，不与筒壁相接的加强圈内缘 或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 ：MPa加强圈靠近鞍座鞍座边角处点处的周向应力 无垫板或垫板不起 加强 作用L/Rm8时, MPa 无垫板或垫板不起 加强 作用L/Rm8时, MPa 采用垫板时，（垫板起加强作用）L/Rm8时, MPa采用垫板时，（垫板起加强作用）L/Rm8时, MPa应力校核|s5| st = 合格|s6 | 1.25st = 合格|s7 | 1.25st = |s8 | 1.25stR = MPa鞍 座 应 力 计 算水平分力7357.7N腹板水平应力计算高度200mm鞍座腹板厚度10mm鞍座垫板实际宽度0mm鞍座垫板有效宽度0mm腹板水平应力无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 , 3.67885垫板起加强作用, MPa应力判断 s9 s sa = 93.3333 合格MPa腹板与筋板组合截面轴向弯曲应力由地震、配管轴向水平分力引起的支座轴向弯曲强度计算圆筒中心至基础表面距离 810mm轴向力 N 时, MPa时 MPa 由圆筒温差引起的轴向力 N MPa应力判断ssa 1.2ssa = MPa注：带#的材料数据是设计者给定的开孔补强计算计算单位全国化工设备设计技术中心站接 管 : #, 6808计 算 方 法 : HG20582-98 压 力 面 积 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc0.031MPa设计温度50壳体型式圆 筒壳体材料名称及类型16MnR(正火)板材壳体内直径 Di1200mm壳体开孔处名义厚度n 8mm壳体厚度负偏差 C0mm壳体腐蚀裕量 C2mm壳体材料许用应力t 170MPa接管实际外伸长度63.53mm接管实际内伸长度0mm接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称接管材料名称及类型20g(热轧)管材补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1mm补强圈厚度负偏差Cmm接管材料许用应力t137MPa补强圈许用应力tMPa开 孔 补 强 计 算开孔内直径 di670 mm壳体补强的有效宽度 b85.06 mm接管有效外伸长度 h163.53 mm接管有效内伸长度 h20 mm有效范围内的压力面积 Ap558003 mm2壳体有效金属面积 A01021 mm2接管有效金属面积 A1715.3 mm2补强圈有效金属面积 A20 mm2pc Ap17214N(-pc /2)A0+(1-pc /2)A1+(2-pc /2)A2271501 N结论: 补强满足要求。 计算单位接 管: A, 53012计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc2.01MPa设计温度50五、 结论本次课程设计，我完成了容积为15的液氯储罐的设计，并采用SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。通过此次课程设计，增强了我把知识运用到实际的能力，加深了对课本知识的理解。使用国家压力容器标准、规范进行设计，掌握了液氯储罐设计的全过程；并且锻炼了查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。六、参考文献1 国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器，中国标准出版社，19982 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，19993 全国化工设备设计技术中心站，化工设备图样技术要求，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，化学工业出版社，20015 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社，20026 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，19967 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社，2003年