二氧化碳储罐设计

word第一章绪论1概述11.2 二氧化碳的特点：11.3 立式二氧化碳储罐设计的特点2设计任务表2第二章零部件的设计和选型42.1 封头的设计42.2.1 封头的选择42.1.2 封头材料的选择42.1.3 封头的设计计算52.2 人孔的设计52.2.1 人孔的选择52.2.2 人孔的选取62.3 容器支座的设计62.3.1 支座材料的选择62.3.2 支座选取72.3.3 支座的设计72.3.4 支座的安装位置82.4 筒体的材料的选择9接收、法兰、垫片和螺栓的形式和选择102.5.1 接收的选取102.5.2 法兰的选取112.5.3 垫片的选取11螺栓的选取12第三章强度设计与校核133.1 圆筒强度设计133.2 封头强度设计133.3 筒体长度校核143.4 人孔补强设计14水压试验校核16结论17参考文献1820 / 21第一章 绪论1.1 概述压力储罐的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力储罐一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接收、支座等六大局部构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计与完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压与介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危与人员、设备和财产的安全与污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监视检查和技术检验。贮罐按其形状可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器立式、卧式。按其承压性质可分为内压和外压，内压容器又可分为低压、中压、高压、超高压4个压力等级。按其工作的温度环境可分为低温、常温、中温、高温容器。按制造器的材料可分为金属制和非金属制两类。按其应用情况可分为反响压力容器R、换热压力容器E、别离压力容器S、储存压力容器C等。目前我国普遍采用常温压力储罐，常温储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。球形储罐和圆筒形储罐相比：前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造与安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般储存总量大于或单罐容积大于时选用球形储罐比拟经济，而圆筒形储罐具有加工制造安装简单，安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总储量小于或单罐容积小于时选用圆筒形储罐比拟经济。圆筒形储罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多项选择用卧式圆筒形储罐，只有某些特殊情况下站内地方受限制等) 才选用立式。但本说明书主要讨论立式圆筒形二氧化碳储罐的设计。1.2 二氧化碳的特点：二氧化碳,化学式为CO2，碳氧化物之一，是一种无机物，常温下是一种无色无味气体，密度比空气略大，微溶于水，并生成碳酸。碳酸饮料根本原理可以使澄清的石灰水变浑浊，做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以用到。固态二氧化碳俗称干冰，升华时可吸收大量热，因而用作制冷剂，如人工降雨，也常在舞美中用于制造烟雾。二氧化碳不参与燃烧，密度比空气略大，所以也被用作灭火剂。二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，温室中常用二氧化碳作肥料。空气中含有约0.03%二氧化碳，但由于人类活动如化石燃料燃烧影响，近年来二氧化碳含量猛增，导致温室效应，全球气候变暖，冰川融化，海平面升高.旨在遏止二氧化碳过量排放的京都议定书已经生效，有望通过国际合作遏止温室效应。二氧化碳在焊接领域应用广泛，如：二氧化碳气体保护焊，是目前生产中应用最多的方法。1.3 立式二氧化碳储罐设计的特点立式储罐，危险性大，容易发生火灾和爆炸事故，必须按照有关规定，建立防火、防爆制度，经常进展防火巡查，严格进展消防安全管理，确保消防安全。国家劳动部门把这类设备作为受安全监察的一种特殊设备，并在技术上进展了严格、系统和强制性的管理，制定了一系列地强制性或推荐性地规X标准和技术法规，对压力容器的设计、材料、制造、安装、检验、使用和维修提出了相应的要求，同时为确保其安全可靠，实施了持证设计、制造和检验制度。储罐区防火防爆应按GB50183，GB50074规定。低倍数空气泡沫灭火系统应按GB50151规定。此类容器承受劳动部颁发压力容器安全技术监察规程(简称容规) 的监视，因此设计必须严格按照标准进展。立式二氧化碳储罐，此次设计针对的是第一类压力容器的设计。储罐主要由筒体、封头、人孔、支座以与各种接收组成。储罐上设有进料管、出料管、排污管以与安全阀、压力表等。1.4 设计任务表表 1.1 任务表序号名称指标1设计压力 MPa2设计温度 0C1503最高工作压力 MPa4工作温度 0C1205工作介质二氧化碳气体6主要受压元件材料16MnR7焊接接头系数8腐蚀余量 mm9全容积 m310容器内别第一类图1-1 储罐装配图表1.2 管口表第二章 零部件的设计和选型2.1 封头的设计2.2.1 封头的选择从受力与制造方面分析来看，半球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，冲压较为困难。椭圆形封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。2.1.2 封头材料的选择介质具无毒性，压力容器的使用工况如温度、压力、介质特性和操作特点等差异很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操作温度超过4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以与低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条J507，15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。因此选用16MnR钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 ，所以筒体与封头材料均选用低合金钢板钢板标准为GB 6654，使用状态为热轧、正火。参照GB 150-1998表4-1，根据设计压力，设计温度，筒体壁厚在X围内，选得材料的许用应力，屈服极限。又由于介质无毒无污染，又考虑到压力容器焊接结构的设计原如此，容器的所有焊缝包括角焊缝没必要都采用全焊透结构，焊接接头系数为0.85。2.1.3 封头的设计计算由，得封头的其他参数：查标准/T4746-2002钢制压力容器用封头中表和表椭圆形封头内外表积、容积，质量，见下表2.和如下图2-1。图2-1 封头公称直径DN/mm总深度H/mm内外表积A/容积V/质量/Kg12003252.2 人孔的设计2.2.1 人孔的选择压力容器设置人孔是作为工作人员进出设备以进展检验和维修之用，而且能防止因意外原因造成罐内急剧超压或真空时，损坏储罐而发生事故，还能起到安全阻火作用，是保护储罐的安全装置。因此，人孔的位置应适当，人孔直径必须保证工作人员能携带工具进出设备方便。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径如此指其筒节的公称直径、工作温度以与人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性。通常可以根据操作需要选择，在这选用回转盖带颈对焊法兰人孔。2.2.2 人孔的选取由于贮罐是在120度温与最高压力为1.8MPa下工作，人孔标准按公称压力2.5MPa的压力等级选取。又人孔盖直径较大且质量较重，选用回转盖带颈平焊法兰人孔。下表2.2各部件材料表：标准名称材料GB/T 95垫圈100HV筒节16MnR吊环Q235-AF支承板16MnR转臂Q235-AFHG 20595 法兰16Mn锻GB/T 41螺母4级30CrMoHG 20610垫片缠绕式垫吊钩Q235-AFHG 20601法兰盖16MnR吊耳Q235-AFHG 20613等长双头螺柱环Q235-AFHG 20613螺母8级30CrMo无缝钢管20选用凹凸面的法兰，其尺寸见下表2.3：密封面形式凹凸面MFM公称压力PN公称直径DN450mm48012456mm670mm600mm320mm211mm42mm41mm46mm380mm36mm螺柱数20螺母数40螺柱规格M332165总质量258kg该人孔标记为：HG/T21518-2005 人孔MFM2.3 容器支座的设计2.3.1 支座材料的选择根据/T4712.4,支撑式支座选用材料为10号刚管，地板选材为Q235A，垫板选材OCr18Ni19钢管标准为GB 9948,使用状态为热轧。在表6-11、12中，选择其许用应力，屈服极限。2.3.2 支座选取支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。立式圆筒形容器的支座分为支承式支座、群座、腿式支座三类。由于立式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故此设计中选用支承式支座。支承式座分为A型轻型和B型重型两类。由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比拟小，由于是立式容器，故采用三A型支承式支座。2.3.3 支座的设计首先估算计算支座的负荷。贮罐总质量：式中：m1为筒体质量kg，m2为封头质量kg，m3为二氧化碳质量kg，m4为附件质量kg。筒体质量m1，的筒节，每米质量为q1=300kg，故m1= q1L=300*2=600kg封头质量m2，直边高度h=25mm的标准椭圆形封头，其质量为q2=128.3kg，故m2=2q2二氧化碳质量m3充气质量：，水压试验充满水，故取介质密度为，如此充液质量为式中：为装料系数，取1附件质量人孔约重258kg，其它接口管法兰重约13kg，故m4=271kg。如此设备总质量：由于每个支座承受约8.21kN负荷，应当选用支承式查4724-92容器支座支承式支座中表1，首先优先选择钢板焊制，带垫板A型支座。查4724-92容器支座支承式支座中表2公称直径DN1200垫板240允许载荷Q/KN40筋板18010支座高度h42014050底板17010螺栓间距420120支座质量kg10螺栓直径dM202.3.4 支座的安装位置支座的安装位置图如下图2-2：图2-2 支座安装位置根据/T4724-92附录C规定，知A支座安装高度420mm即封头与筒体连接处到地面的距离。2.4 筒体的材料的选择介质具无毒性，压力容器的使用工况如温度、压力、介质特性和操作特点等差异很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操作温度超过4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以与低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条J507，15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。因此选用16MnR钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 ，所以筒体与封头材料均选用低合金钢板钢板标准为GB 6654，使用状态为热轧、正火。参照GB 150-1998表4-1，根据设计压力，设计温度，筒体壁厚在X围内，选得材料的许用应力，屈服极限。又由于介质无毒无污染，又考虑到压力容器焊接结构的设计原如此，容器的所有焊缝包括角焊缝没必要都采用全焊透结构，焊接接头系数为0.85。2.5 接收、法兰、垫片和螺栓的形式和选择2.5.1 接收的选取二氧化碳进气管进料管伸进设备内部并将管的一端切成450，为的是防止物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。采用无缝钢管YB231-654mm ,管的一端伸入罐切成45,管长305 mm。配用凸面式对焊管法兰HG 20592-97 Pg16Dg25二氧化碳出气管在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。采用可拆的压出管654mm,配用凸面板式对焊管法兰HG 5010-58排污管 在清洗贮罐式，为了能够将废液完全排除贮罐外，液氨介质会腐蚀罐壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。在罐的最底部设个排污管，规格是254mm，管端焊有与截止阀相配的管法兰HG 5010-58。压力表接收压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此选用采用153.5mm无缝钢管,管法兰采用HG 5010-58。各接收外伸高度都是150mm。安全阀接口管安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用574mm的无缝钢管, 管法兰HG 5010-58 Pg16Dg70接口管中，其选择的条均在不需要补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。2.5.2 法兰的选取如图2-3：带劲对焊钢制管法兰：图2-3 带颈对焊钢制管法兰查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表8.-1至8.-5 PN带颈平焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中附录D中表D-5,得各法兰的质量。查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表，法兰的密封面均采用RF突面密封。得求得法兰尺寸表见附表2.5.3 垫片的选取查HG/T 20607-2009钢制管法兰用聚四氟乙烯覆垫片，垫片尺寸见表2.5：垫片尺寸表2.5mm符号管口名称公称直径包覆层内径 D1包覆层内径D3垫片外径D4a人孔450480528528b压力表口15224044c进气口6577110116d安全阀口50619296e出气口6577110116f排污口25346064注：1：聚四氟乙烯包覆层材料应符合QB/T 3625中规定的FSB-2和QB/T 3626的规定2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。3：垫片厚度除人孔垫片厚度为4外，其他均为32.5.4 螺栓的选取地脚螺栓选用Q235-A钢材标准GB 700，选得材料的许用应力，屈服极限查HG/T 20613-2009钢制管法兰用紧固件中表9和附录中表，得螺柱的长度和平垫圈尺寸见下表2.6。紧固件用平垫圈 mm公称直径螺纹六角头螺栓螺柱长Hb15M121324c65M1617303d50M1617303e65M1617303f25M121324a450注：1.紧固件质量为每1000件的近似质量；2.紧固件长度未计入垫片厚度。第三章 强度设计与校核3.1 圆筒强度设计该容器无需100%探伤，焊缝不用都全焊透结构，所以取其焊接系数为。材料的许用应力，屈服极限。根据GB/T 9019-2001选得容器公称直径为。设计压力，利用中径公式计算筒体壁厚：查标准HG20580-1998钢制化工容器设计根底规定表7-2知，钢板厚度负偏差为查标准HG20580-1998钢制化工容器设计根底规定表7-5知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量。筒体设计厚度：筒体名义厚度：，由于钢板厚度X围为，圆整后保守取。筒体的有效厚度。3.2 封头强度设计查标准/T4746-2002钢制压力容器用封头中表1，选取公称直径，选用标准椭圆形封头，型号代号为EHA，取，查标准/T4746-2002钢制压力容器用封头中表2，取直边长。该容器取其焊接系数为。材料的许用应力，屈服极限。根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：查标准HG20580-1998钢制化工容器设计根底规定表7-1知，钢板厚度负偏差为。查标准HG20580-1998钢制化工容器设计根底规定表7-5知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量。封头设计厚度：封头名义厚度： ，由于钢板厚度X围为，圆整后取与筒体一样的名义厚度 。筒体的有效厚度。封头记做： 。3.3 筒体长度校核容器总容积：充装系数为1，如此容器总容积为：如此可由求得筒体内长：，圆整后取筒体长度和直径比,所以设计合理。3.4 人孔补强设计为了满足各种工艺和结构上的要求，不可防止的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接收。开孔后，壳壁因除去了一局部承载的金属材料而被削弱，而出现应力集中现象。为保证容器安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强，以降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。另外,还要考虑人孔补强,确定补强圈尺寸,由于人孔的筒节不是采用无缝钢管,故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径为,壁厚=10mm查表得人孔的筒体尺寸为4808，由标准查得补强圈尺寸为：内径Di=484外径Do=760开孔补强的有关计算参数如下：筒体的计算壁厚：计算开孔所需补强的面积A：开孔直径：补强的面积：有效宽度：有效高度：外侧高度 或 两者取较小值内侧高度 或 两者取较小值0mm筒体多余面积A1： 筒体有效厚度：选择与筒体一样的材料Q235-A进展补偿，故=1，所以接收多余金属的截面积A2： 接收计算厚度补强区内焊缝截面积A3：有效补强面积Ae：因为，所以需要补强所需补强截面积A4:补强圈厚度：补强圈内径，外径考虑钢板负偏差并圆整，实取补强厚度6mm，补强材料与壳体材料一样。不需补强的最大开孔直径 由于钢板具有一定的规格，壳体的壁厚往往超过实际强度的需要，厚度增加，使最大应力降低，相当于容器已被整体加强，并且容器的开孔总有接收相连，其接收多于实际需要的壁厚也起补强作用。同时由于容器材料具有一定的塑性储藏，允许承受不大的局部应力。故当孔径不超过一定数值时，可不进展补强。不需要补强的条件:设计压力小于或等于 2.5MPa；两相邻开孔中心的间距应不小于两孔径之和的两倍；接收公称外径小于或等于89mm；接收最小壁厚满足下表3.1的要求。表3.1 接收最小壁厚4-6接收公称直径253238454857657689最小壁厚 注:接收的腐蚀裕量为1mm3.5 水压试验校核根据压力容器水压校核公式，式中:PTPc=1.25*1.9=2.375MPa， ， ，如此，故符合工艺条件的要求。结论 压力介质的封闭的容器称压力容器，它的设计要求有安全可靠、满足过程要求、易于操作、维护和控制、综合经济好等。我的设计题目是二氧化碳气体储罐设计，设计压力为1.9MPa，设计温度为0C 首先我根据设计压力、设计温度、介质特性在结合经济性选择了筒体和封头的材料16MnR，然后进展筒体和封头的强度设计与校核，然后根据GB/150-1998、/T4712-92鞍座B1800-4、HG 21523-95、HG/T 20592-2009钢制管法兰等标准选择个附件，如支座、人孔、法兰等。然后根据自己所设计的参数进展二维装配图、零件图等的绘制。在后就是说明书的编写和排版。设计结果一览表序号名称指标材料1设计压力/2工作温度0C/3物料名称二氧化碳气体/4容积/5筒体16MnR6封头16MnR7支座/T4712-92鞍座B1800-4 Q235A-F8人孔HG 21523-95组合件9补强圈16MnR10压力表口1011进气管1012出气管1013排污管1014安全阀接收1015法兰配合以上各接收Q235-A参考文献【1】、4712_支承式支座【S】【2】、GB150-1998钢制压力容器 标准释义S【3】、GB-T 9115.2-2000 凹凸面对焊钢制管法兰S【4】、HG-T 2059220635-2009 钢制管法兰、垫片和紧固件S【5】、T4736-2002补强圈S【6】、T4731-2005钢制立式容器S【7】、HG-T_2151421535-2005钢制人孔和手孔S【8】、过程设备设计第二版 化学工业M【9】、化工设备设计手册M【11】、化工设备设计手册匡国柱 史启才 2005 M【12】、化工制图华东化工学院制图教研室编 人民教育 1980M；【13】、钢制压力容器GB150-89S【14】、压力容器安全技术监察规程国家质量技术监视局M 1999【16】、金属化工设备零部件M【17】、材料与零部件M【18】、化工机械根底课程设计韩叶象 化工学院M附表 各管口法兰尺寸表mm名称公称直径DN钢管外径法兰焊端外径法兰外径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法兰颈法兰高度法兰质量NR压力表口1518B9565144M1216326438进气口6565B185145188M162290106524.0安全阀口5057B165125184M1620758648人孔450出气口6565B185145188M1622902.910652排污口2532B11585144M1218402.36440