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课程设计说明书学生姓名学号学院云南机电职业技术学院专业焊接技术及自动化题目
(60)M3液氨储罐设计学生2014年6月24日目录TOC\o1-3\h\z\u目录1第一篇、课程设计任务书21.设计目的32.设计内容和要求33.设计工作任务及工作量的要求44.主要____55.设计成果形式及要求56.工作计划及进度5第二篇、设计前言6第三篇、设计方案与分析
71、设计温度
72、筒体和封头的结构设计
73、选择材料
94、设计压力
95、筒体封头的厚度计算
106、接管及接管法兰设计
117、鞍座的设计
128、焊接
149、垫片,螺栓,人孔的设计
1410、人孔补强的计算16第三篇、各结构尺寸的设计计算19内压圆筒校核20内压椭圆封头校核21右封头计算22卧式容器(双鞍座)23支座反力计算24鞍座处圆筒周向应力27开孔补强计算28第四篇、参考资料29课程设计任务书2013/2014学年第二学期学院云南机电职业技术学院专业焊接技术及自动化学生姓名保德生学号201215003课程设计题目
(60)M3液氨储罐设计第一篇、课程设计任务书1.设计目的设计目的使用国家最新压力容器标准、规范进行设计,掌握典型过程设备设计的全过程掌握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掌握电算设计计算,要求设计思路清晰,计算数据准确、可靠,且正确掌握计算机操作和专业软件的使用掌握工程图纸的计算机绘图2.设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等)原始数据设计条件表序号项目数值单位备注1名称65m3液氨储罐2用途液氨储存站3最高工作压力
2.0325MPa由介质温度确定4工作温度-20~48℃5公称容积(Vg)10/16/20/25/40M36工作压力波动情况可不考虑7装量系数φV
0.858工作介质液氨(中度危害)9使用地点室外10__与地基要求11其它要求管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN80HG20595-97MFM液氨入口bDN80HG20595-97MFM安全阀接口cDN80HG20595-97MFM空气进口管dDN80HG20595-97MFM空气出口管eDN80HG20595-97MFM压力表接口fDN80HG20595-97MFM人孔gDN50HG20595-97MFM液位计接口hDN500HG20595-97液氨出口iDN80HG20595-97MFM排污管课程设计任务书2.设计内容1)设备工艺设计;2设备结构设计;3)设备强度计算;4)技术条件编制;5)绘制设备总装配图;6)编制设计说明书3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书论文、图纸、实物样品等〕1)设计说明书主要内容包括封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、____等;2)总装配图设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定,图面布置要合理,结构表达要清楚、正确,图面要整洁,文字书写采用仿宋体、内容要详尽,图纸采用计算机绘制第三篇、设计方案与分析
1、设计温度设计温度为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℃
2、筒体和封头的结构设计1)盛装液氨的压力容器设计储存量其中储存量,装量系数,压力容器容积,设计温度下液氨密度根据《压力容器介质手册》,液氨在50℃时密度=
562.871kg/m3,饱和蒸汽压=
2.0325MP计算得=
0.85×60×
562.87=
28706.37Kg2)设计初步选型及轮廓尺寸筒体直径一般由工艺条件决定,但是要符合压力容器的公称直径标准椭圆型封头是中低压容器经常采用的封头形式封头公称直径必须与筒体的公称直径相一致假设L/D=4得Di=2717mm圆整得Di=2800mm.由封头公称直径=2800mm,根据《JBT4746-2002钢制压力容器用封头》得,封头总深度=740mm,直边高度=40mm,总容积=
3.1198m3根据得圆整得,(在3-6之间)
3、选择材料由于液氨具有一定的腐蚀性,属于中度危害介质,且压力容器为中压容器,故在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料钢板标准号为GB6654-
19964、设计压力设计压力为容器的设计载荷条件之一,其值不得低于最高工作压力,而最高工作压力指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压装设安全阀的容器,考虑到安全阀开启动作的滞后,容器不能及时泄压,设计压力不得低于安全阀的开启压力,通常可取最高工作压力的
1.05——
1.10倍计算压力是指在相应的设计温度下,用以确定元件最危险截面厚度的压力,其中包括液柱静压力通常情况下,计算压力等于设计压力与液柱静压力之和,当元件所承受的液柱静压力小于5%设计时,可忽略不计设计压力=
2.13MPa液柱静压力因为,所以液柱静压力可以不考虑,计算压力与设计压力相等水压试验
5、筒体封头的厚度计算查《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR的密度为
7.85t/m3,熔点为1430℃,许用应力列于下表表
3.116MnR许用应力钢号板厚/㎜在下列温度(℃)下的许用应力/Mpa≤2010015020025030016MnR6~1617017017017015614416~3616316316315914713436~6015715715715013812560~100153153150141128116由筒体厚度计算式可得筒体的计算厚度为
18.00mm,钢板厚度负偏差,腐蚀余量㎜,故筒体的名义厚度为封头厚度计算式焊接接头的检验采用100%无损检验,所以焊接接头系数=1,得封头计算厚度
18.61mm,钢板厚度负偏差,腐蚀余量㎜,故筒体的名义厚度为mm
6、接管及接管法兰设计螺栓法兰连接是一种应用最广泛的密封装置,它的作用是通过螺栓连接,并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封由于工艺要求和检修的需要,在筒体上直接开孔__接管,分别有液面计接口、人孔、压力表孔、空气进口、安全阀接孔、空气出口、液体进口、液体出口根据各接口的大小选择相对应的法兰及垫片表
6.1管口表接管代号公称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN80HG20595-97MFM液氨入口bDN80HG20595-97MFM安全阀接口cDN80HG20595-97MFM空气进口管dDN80HG20595-97MFM空气出口管eDN80HG20595-97MFM压力表接口fDN80HG20595-97MFM人孔gDN50HG20595-97MFM液位计接口hDN500HG20595-97MFM液氨出口iDN80HG20595-97MFM排污管接管及接管补强详细数据见强度校核书跟据管口公称直径选择相应的法兰,
2.5MPa时选用带颈对焊榫槽法兰,主要参数参照《HG20592-1997钢制管法兰、垫片、紧固件》表4-2PN
2.5MPa(25bar)带颈对焊钢制管法兰尺寸表表
6.2法兰尺寸表公称通径钢管外径连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度HA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螺纹ThNSHR253211585144M
1216462.664404045150110184M
1618642.6754580__200160188M
16201103.210650100108220180188M
16221303.
6126527、鞍座的设计
7.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍式支座,材料选用Q235-B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.2EHA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200kg,即综上所述,G=mg=800kN每个鞍座承受的重量为800KN由此查JB
4712.1-2007容器支座,选取轻型,焊制为BI包角为120,有垫板的鞍座查JB
4712.1-2007表6得鞍座结构尺寸如下表3表2鞍式支座结构尺寸公称直径DN允许载荷[Q]/KN高度h底板腹板筋板b3280019852502040300181832026836014垫板螺栓配置鞍座质量Kg增加100mm高度所增加的质量Kg弧长e间距螺孔螺纹孔长326062012120180024M
2040528497.2鞍座位置的确定因为当外伸长度A=
0.207L时,双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等,从而使上述两截面上保持等强度,考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷,面且支座截面处应力较为复杂,故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩,通常取尺寸A不超过
0.2L值,为此中国现行标准JB4731《钢制卧式容器》规定A≤
0.2L=
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A≤
0.2(L+2h)=
0.2_____+2x40=2016mm鞍座的__位置如图3所示此外,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,JB4731还规定当满足A≤
0.2L时,最好使A≤
0.5Rm()即A≤
0.5Rm=
0.5x1400+11=
705.5,取A=450mm综上有A=450mmA为封头切线至封头焊缝间距离,L为筒体和两封头的总长
8、焊接焊接是两件或两件以上零件,在加热或(和)加压的状态下,通过原子或分子之间的结合和扩散,形成永久性连接的工艺过程筒体、封头之间的焊接结构根据筒体及封头的厚度以及设计压力和液化石油气的特性,焊缝采用对接接头,X型坡口焊接接头的检验采用100%无损检验接管和筒体之间的焊接形式采用带补强圈插入式接管T型接头形式,坡口形式为D形
9、垫片,螺栓,人孔的设计
9.1垫片查HG/T20609-2009《钢制管法兰用金属包覆垫片》,得表4垫片尺寸表符号管口名称公称直径内径D1外径D2a排污口
80109.5142b气相平衡口
80109.5142c气相口
80109.5142d出液口
80109.5142e进液口80561642f人孔500549575g1-2液位计口
5077.5107h温度计口
80109.5142m压力表口
80109.5142n安全阀口
80109.5142s排空口
80109.5142注1包覆金属材料为纯铝板,标准为GB/T3880,代号为L32填充材料为有机非石棉纤维橡胶板3垫片厚度均为3mm
9.2螺栓(螺柱)的选择查HG/T20613-2009《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表5螺栓及垫片紧固件用平垫圈mm公称直径螺纹螺柱长ha80M1610017303b80M1610017303c80M1610017303d80M1610017303e80M1610017303f500M2416525444g1-250M168517303h80M169017303m80M169017303n80M169017303s50M
1685173039.3人孔的选择根据HG/T21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》,查表3-1,选用凹凸面的法兰,其明细尺寸见下表表6人孔尺寸表单位mm密封面型式凹凸面MFMD7304648公称压力PNMPa466057螺柱数量20公称直径DN500280A435螺母数量40530*12128B400螺柱尺寸d506b44L300总质量kg
30210、人孔补强的计算开孔补强结构压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种补强圈补强是使用最为广泛的结构形式,它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点在一般用途、条件不苛刻的条件下,可采用补强圈补强形式但必须满足规定的条件压力容器开孔补强的计算方法有多种,为了计算方便,采用等__补强法,即壳体截面因开孔被削弱的承载__,必须由补强材料予以等__的补偿当补强材料与被削弱壳体的材料相同时,则补强__等于削弱的__补强材料采用16MnR
1、内压容器开孔后所需的补强__(
4.1)式中开孔直径㎜;强度削弱系数壳体开孔处的计算厚度㎜接管有效厚度㎜则㎜
22、有效补强__即已有的加强__壳体开孔后,在有效补强范围内,可作为补强的截__(包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件)(
4.2)筒体上多余金属__(
4.3)有效补强宽度B=2d筒体的有效厚度㎜所以㎜2人孔接管上多余的__(
4.4)外侧有效高度㎜内侧有效高度即实际内伸高度接管计算厚度㎜所以㎜2焊缝金属截__㎜2则㎜2比较的满足以下条件的可选用补强圈补强刚材的标准常温抗拉强度Mpa;补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的
1.5倍;壳体名义厚度㎜;设计压力;设计温度℃可知本设计满足要求,则采用补强圈补强所需补强圈的__为㎜2补强圈的结构及尺寸为检验焊缝的紧密型,补强圈上钻M10的螺孔一个,以通入压缩空气检验焊缝质量按照根据焊接接头分类,接管、人孔等与壳体连接的接头,补强圈与壳体连接的接头取D类焊缝根据补强圈焊缝要求,并查得结构图为带补强圈焊缝T型接头,补强圈坡口取B型(查《化工容器及设备简明设计手册》)查标准HG21506-92得补强圈外径内径则取485㎜计算补强圈厚度㎜(
4.5)查标准补强圈厚度取20㎜,计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件查得对应补强圈质量为
42.3㎏
[35].第三篇、各结构尺寸的校核钢制卧式容器计算单位计算条件简图设计压力p
2.13MPa设计温度t50℃筒体材料名称16MnR正火封头材料名称16MnR正火封头型式椭圆形筒体内直径Di2800mm筒体长度L9300mm筒体名义厚度n22mm支座垫板名义厚度rn12mm筒体厚度附加量C2mm腐蚀裕量C12mm筒体焊接接头系数1封头名义厚度hn20mm封头厚度附加量Ch2mm鞍座材料名称Q235-A鞍座宽度b300mm鞍座包角θ120°支座形心至封头切线距离A940mm鞍座高度H250mm地震烈度低于7度内压圆筒校核计算单位计算条件筒体简图计算压力Pc
2.15MPa设计温度t
50.00C内径Di
2800.00mm材料16MnR正火板材试验温度许用应力
163.00MPa设计温度许用应力t
163.00MPa试验温度下屈服点s
325.00MPa钢板负偏差C
10.00mm腐蚀裕量C
22.00mm焊接接头系数
1.00厚度及重量计算计算厚度==
18.55mm有效厚度e=n-C1-C2=
20.00mm名义厚度n=
22.00mm重量
14238.67Kg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=
2.6600或由用户输入MPa压力试验允许通过的应力水平TT
0.90s=
292.50MPa试验压力下圆筒的应力T==
187.53MPa校核条件TT校核结果合格压力及应力计算最大允许工作压力[Pw]==
2.31206MPa设计温度下计算应力t==
151.22MPat
163.00MPa校核条件t≥t结论合格左封头计算计算单位计算条件椭圆封头简图计算压力Pc
2.15MPa设计温度t
50.00C内径Di
2800.00mm曲面高度hi
745.00mm材料16MnR正火板材试验温度许用应力
163.00MPa设计温度许用应力t
163.00MPa钢板负偏差C
10.00mm腐蚀裕量C
22.00mm焊接接头系数
1.00厚度及重量计算形状系数K==
0.9219计算厚度==
17.04mm有效厚度e=n-C1-C2=
18.00mm最小厚度min=
8.40mm名义厚度n=
20.00mm结论满足最小厚度要求重量
1409.45Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==
2.26537MPa结论合格右封头计算计算单位计算条件椭圆封头简图计算压力Pc
2.15MPa设计温度t
50.00C内径Di
2800.00mm曲面高度hi
745.00mm材料16MnR正火板材试验温度许用应力
163.00MPa设计温度许用应力t
163.00MPa钢板负偏差C
10.00mm腐蚀裕量C
22.00mm焊接接头系数
1.00厚度及重量计算形状系数K==
0.9219计算厚度==
17.04mm有效厚度e=n-C1-C2=
18.00mm最小厚度min=
8.40mm名义厚度n=
20.00mm结论满足最小厚度要求重量
1409.45Kg压力计算最大允许工作压力[Pw]==
2.26537MPa结论合格卧式容器(双鞍座)计算单位计算条件简图计算压力pC
2.13MPa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[]163MPa圆筒材料设计温度下许用应力[]t163MPa圆筒材料常温屈服点325MPa鞍座材料许用应力[]sa140MPa工作时物料密度
562.8kg/m3液压试验介质密度1000kg/m3圆筒内直径Di2800mm圆筒名义厚度22mm圆筒厚度附加量2mm圆筒焊接接头系数1封头名义厚度20mm封头厚度附加量Ch2mm两封头切线间距离9380mm鞍座垫板名义厚度12mm鞍座垫板有效厚度12mm鞍座轴向宽度b300mm鞍座包角θ120°鞍座底板中心至封头切线距离A940mm封头曲面高度745mm试验压力pT
2.66MPa鞍座高度H250mm腹板与筋板小端组合截__58324mm2腹板与筋板小端组合截面断面系数
2.17297e+06mm3地震烈度0配管轴向分力0N圆筒平均半径1411mm物料充装系数
0.85支座反力计算圆筒质量两切线间
14361.6kg封头质量曲面部分
1353.4kg附件质量528kg封头容积曲面部分
2.87351e+09mm3容器容积两切线间V=
6.35046e+10mm3容器内充液质量工作时
30379.3压力试验时=
63504.6kg耐热层质量0kg总质量工作时
47975.7压力试验时81101kg单位长度载荷
45.
379676.7123N/mm支座反力235369397881397881N筒体弯矩计算圆筒中间处截面上的弯矩工作时=
2.9413e+08压力试验=
4.97215e+08N·mm支座处横截面弯矩工作时-
2.49448e+07压力试验-
4.21682e+07N·mm系数计算K1=
0.106611K2=
0.192348K3=
1.17069K4=K5=
0.760258K6=
0.0263884K6’=
0.0216911K7=K8=K9=
0.____22C4=C5=筒体轴向应力计算轴向应力计算操作状态
77.
488277.0062MPa-
2.35248-
1.03724MPa水压试验状态-
3.97476-
1.75341MPa
97.
808396.9934应力校核许用压缩应力
0.00134286根据圆筒材料查GB150图6-3~6-10B=
143.285MPa
143.
285143.285MPa163合格||||
143.285合格||||
143.285合格T2T
30.9s=
292.5合格时时不适用
11.9339MPa时圆筒中封头中MPa应力校核封头椭圆形封头碟形封头半球形封头MPa圆筒封头[]=
0.8[]t=
130.4MPa圆筒[]=
130.4合格封头h[h]=MPa鞍座处圆筒周向应力无加强圈圆筒圆筒的有效宽度
574.852mm无垫板或垫板不起加强作用时在横截面最低点处MPa在鞍座边角处L/Rm≥8时MPaL/Rm8时MPa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-
1.6444MPa鞍座边角处的周向应力L/Rm≥8时MPaL/Rm8时-
40.247MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力L/Rm≥8时MPaL/Rm8时-
47.5994MPa应力校核|5|[]t=163合格|6|
1.25[]t=
203.75合格|’6|
1.25[]t=
203.75合格MPa有加强圈圆筒加强圈参数加强圈材料e=mmd=mm加强圈数量n=个组合总截__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/Rm≥8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/Rm≥8时MPa采用垫板时,(垫板起加强作用)L/Rm8时MPa应力校核|5|[]t=合格|6|
1.25[]t=合格|7|
1.25[]t=|8|
1.25[]tR=MPa鞍座应力计算水平分力
80977.5N腹板水平应力计算高度250mm鞍座腹板厚度18mm鞍座垫板实际宽度620mm鞍座垫板有效宽度
574.852mm腹板水平应力无垫板或垫板不起加强作用垫板起加强作用
7.10439MPa应力判断9[]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1672mm轴向力N时MPa时MPa由圆筒温差引起的轴向力NMPa应力判断sa
1.2[]sa=MPa开孔补强计算计算单位接管:A1φ530×16计算方法:GB150-1998等面积补强法单孔设计条件简图计算压力pc
2.145MPa设计温度50℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型16MnR正火板材壳体开孔处焊接接头系数φ1壳体内直径Di2800mm壳体开孔处名义厚度δn22mm壳体厚度负偏差C10mm壳体腐蚀裕量C22mm壳体材料许用应力[σ]t163MPa接管实际外伸长度160mm接管实际内伸长度0mm接管材料16Mn正火接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量2mm补强圈材料名称16MnR正火凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径840mm补强圈厚度24mm接管厚度负偏差C1t2mm补强圈厚度负偏差C1r0mm接管材料许用应力[σ]t163MPa补强圈许用应力[σ]t163MPa开孔补强计算壳体计算厚度δ
18.55mm接管计算厚度δt
3.298mm补强圈强度削弱系数frr1接管材料强度削弱系数fr1开孔直径d506mm补强区有效宽度B1012mm接管有效外伸长度h1__.98mm接管有效内伸长度h20mm开孔削弱所需的补强__A9384mm2壳体多余金属__A
1736.1mm2接管多余金属__A21566mm2补强区内的焊缝__A364mm2A1+A2+A3=2366mm2,小于A,需另加补强补强圈__A47440mm2A-A1+A2+A37018mm2结论:补强满足要求第五篇、参考资料
[1]郑津洋等编,《过程设备设计》,化学工业出版社,2010年6月
[2]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
[3]GB150-98《钢制压力容器》,中国标准出版社,1998年5月
[4]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,1999。