20m³液氮立式儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1設(shè)備設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：表1-1氮?dú)鈨?chǔ)罐工藝參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值最高工作壓力，1.6工作溫度，常溫設(shè)備容積，20m3立式儲(chǔ)罐介質(zhì)氮?dú)?.2罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Di=1900mm根據(jù)20m3儲(chǔ)罐，長徑比按4:1，粗略計(jì)算內(nèi)徑：L=20mDi=1900mm得Di=1853mm圓整為1900mm根據(jù)氮?dú)獾男再|(zhì)及設(shè)計(jì)條件，選用橢圓形封頭容器。就力學(xué)性能而言，半球形封頭效果較好，但是沖壓工藝較難，不易成型。根據(jù)JB/T4737-1995選用EHA橢圓形封頭。公稱直徑DN/mm曲面高度h/mm直邊高度h/mm內(nèi)表面積A/m容積V/m1900475254.050.971壓力容器體積V=2V封頭+DL=20m3得L=6369mm圓整得L=6500mmV實(shí)=2V封頭+L=20.971+1.926.5=20.25m3L=7000mm100%=1%<5%不符合設(shè)計(jì)要求L=7000mm要根據(jù)100%>5%可得L=7000mm綜上所述，筒體的公稱直徑為Di=1900mm，長度L=7000mm。2罐體、封頭壁厚的設(shè)計(jì)2.1材料選擇氮?dú)飧g性小可選用一般鋼材。這里考慮20R、16MnR。20R低碳鋼板價(jià)格比16MnR鋼板貴，但在制造費(fèi)用方面，同等重量設(shè)備的計(jì)價(jià)，16MnR鋼板比較經(jīng)濟(jì)，且16MnR機(jī)械加工性能、強(qiáng)度和塑性指標(biāo)相對(duì)比較好，所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》規(guī)定原16MnR歸為Q345R。2.2設(shè)計(jì)條件由于該壓力容器裝有安全閥，設(shè)計(jì)壓力不低于安全閥開啟壓力1.05~1.10倍的工作壓力，故。2.3筒體壁厚計(jì)算[σ]t=170MPa設(shè)備主要材質(zhì)為，根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐和壓力容器用鋼板》，由于溫度按常溫計(jì)算，則查《常用材料許用應(yīng)力》可得：假設(shè)材料的許用應(yīng)力[σ]t=170MPa(厚度為6-16mm時(shí))[σ]t=170MPa由《鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)值》表，選擇雙面焊對(duì)接接頭無損檢測(cè)比例為100%，所以=1.00計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度對(duì)于16MnR,鋼板厚度負(fù)偏差查表12-9得名義厚度δn=12mm檢查δn=12mm時(shí)，[σ]t沒變化，故取名義厚度δnδn=12mm2.4封頭壁厚計(jì)算假設(shè)材料的許用應(yīng)力[σ]t=170MPa(厚度為6-16mm時(shí))由于H——封頭的總高度h——直邊高度查表標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的形狀系數(shù)K得K=1.00C2=1mmC2=1mm腐蝕余量C2,取C2=1mm設(shè)計(jì)厚度對(duì)于16MnR,鋼板厚度負(fù)偏差查表12-9得名義厚度復(fù)檢,并且δn=12mm時(shí)，[σ]t沒變化，故取名義厚度δn=12mm。查JB/T4737-95可知，以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓型封頭形狀與尺寸如下所示：表2-4封頭尺寸公稱直徑Dg曲邊高度H-h（mm）直邊高度h（mm）內(nèi)表面積F（m2）容積V（m3）厚度s（mm）1900475254.050.97112圖2-4封頭結(jié)構(gòu)2.5校核2.5.1校核罐體一封頭液壓試驗(yàn)強(qiáng)度圓筒壁在試驗(yàn)壓力下的計(jì)算應(yīng)力式中圓筒的有效壁厚圓筒在試驗(yàn)壓力下的屈服點(diǎn)則而可見所以水壓試驗(yàn)前度足夠。2.5.2校核罐體一封頭氣壓試驗(yàn)強(qiáng)度圓筒壁在試驗(yàn)壓力下的計(jì)算式中圓筒的有效壁厚圓筒在試驗(yàn)壓力下的屈服點(diǎn)則而可見所以氣壓試驗(yàn)前度足夠。3附件設(shè)計(jì)3.1支座3.1.1儲(chǔ)罐總質(zhì)量—罐體質(zhì)量—封頭質(zhì)量—液氮質(zhì)量—附件質(zhì)量3.1.2罐體質(zhì)量kgkg3.1.3封頭質(zhì)量kg直邊高度h=25mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其質(zhì)量（JB/T4746—2002），所以kg3.1.4氮?dú)赓|(zhì)量由于其中，裝量系數(shù)取0.9（《容規(guī)》規(guī)定；介質(zhì)為液化氣體的固定式壓力容器，量裝系數(shù)一般取0.9）儲(chǔ)罐容積液氮在常溫下的密度為1.25kg/故3.1.5附體質(zhì)量人孔質(zhì)量約為，其他接管質(zhì)量總和按計(jì)算于是儲(chǔ)罐總質(zhì)量=3958+768.6+24.5+500=5251.1kg充氣質(zhì)量；ρ水≥ρ氣，水壓實(shí)驗(yàn)充滿水，故取介質(zhì)密度ρ=1000kg/m３V=V筒體+2xV封頭=25.2m３充液質(zhì)量；M3=0.9xρxV=0.95x1000x21.79=20700.5kg故設(shè)備總重量；M=m1+m2+M3+m4=3958+768.6+20700.5+500=25927.1根據(jù)支撐式支座標(biāo)準(zhǔn)，A型4號(hào)支撐式支座可允許100KN，所以成立公稱直徑DN1900S190墊板b320允許載荷Q/KN100筋板I227014支座高度h500b2200e60底板l1230214螺栓間距L30b1180支座質(zhì)量kg40.3116螺栓直徑dM30距中心的距離S2700支撐座尺寸根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，A支座安裝高度為500mm（即封頭與筒體連接處到地面的距離）在該支座標(biāo)記為；JB/T4712.4-2007支座A43.2人孔3.2.1人孔的設(shè)計(jì)查《壓力容器與化工設(shè)備實(shí)用手冊(cè)》，因筒體長度7000mm>6000mm，需開兩個(gè)人孔，可選回轉(zhuǎn)蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔。由使用地為室外，確定人孔的公稱直徑DN=450mm，以方便工作人員的進(jìn)入檢修。配套法蘭與上面的法蘭類型相同，根據(jù)HG/T21518-2005《回轉(zhuǎn)蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔》，查表3-1，由PN=4.0MPa選用凹凸面的密封形式MFM，采用8.8級(jí)35CrMoA等長雙頭螺柱連接。其明細(xì)尺寸見下圖：圖4-1回轉(zhuǎn)蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔密封面型式凹凸面MFMD6855530公稱壓力PNMPa4.061057螺柱數(shù)量20公稱直徑DN450270A390螺母數(shù)量40127B175螺柱尺寸d451.6b57L250總質(zhì)量kg278表4-1人孔尺寸表3.2.2人孔補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)：圖4-2補(bǔ)強(qiáng)圈a.設(shè)計(jì)方法判別按HG/T21518-2005，選用回轉(zhuǎn)蓋帶頸對(duì)焊法蘭人孔，設(shè)：厚度附加量C=2mm開孔直徑D=Di+2C=450+4=504mm則=1900/3=633mm故可以采用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。接管材料選用16MnR鋼，其許用應(yīng)力根據(jù)GB150-1998中，其中：殼體開孔處的計(jì)算厚度接管的有效厚度強(qiáng)度削弱系數(shù)則b.補(bǔ)強(qiáng)范圍補(bǔ)強(qiáng)有效寬度B的確定：按GB150中有：有效高度的確定外側(cè)有效高度的確定根據(jù)GB150-1998中式8-9，得：內(nèi)側(cè)有效高度的確定根據(jù)GB150-1998中式8-9，得：有效補(bǔ)強(qiáng)面積根據(jù)GB150中式8-10~式8-13，Ae=A1+A2+A3分別計(jì)算如下：筒體多余面積

管的多余面積接管厚度：焊縫金屬截面積焊角取6.0mm補(bǔ)強(qiáng)面積Ae=A1+A2+A3=599.28+1382.3488+36=2017.6248mm2因?yàn)锳e＜A=4772.88mm2，所以開孔需另行補(bǔ)強(qiáng)A4=A–Ae=6664.72-2017.6248=4647.1mm2補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)根據(jù)DN450取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑。因?yàn)锽>，所以在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍。補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑補(bǔ)強(qiáng)圈厚度：=A4／()=16.72mm圓整取名義厚度為18mm根據(jù)GB-150，JB/T4736-2002，補(bǔ)強(qiáng)圈焊接形式——D型，D1=d0+(6～12)。表4-2補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)及附件的選擇接管公稱直徑DN/mm外徑D2內(nèi)徑D1厚度（）重量（Kg）4507604821836.33.3接管3.3.1接管補(bǔ)強(qiáng)條件GB150規(guī)定，如果殼體開孔滿足下述全部要求，所以不需要補(bǔ)強(qiáng)（1）設(shè)計(jì)壓力（2）兩相鄰開孔中心間距（對(duì)曲面間距以弧長計(jì)算）應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管外徑（4）接管最小厚度滿足下表要求表3-3-1不另行補(bǔ)強(qiáng)的接管外徑及其最小厚度接管外徑253238454857657689最小壁厚3.53.53.54.04.05.05.06.06.03.3.2氮?dú)膺M(jìn)口管采用無縫鋼管，伸出長度為120mm。管的一端切成，伸入儲(chǔ)罐內(nèi)少許。配用圖面板是對(duì)焊法蘭：法蘭根據(jù)該罐的工藝條件,溫度,壓力,介質(zhì)確定采用帶頸對(duì)焊法蘭，在根基工作溫度，設(shè)計(jì)壓力從表14—4可知，所要選用的帶頸對(duì)焊法蘭若采用16Mn板材，應(yīng)按公稱壓力1.6MPa，來查取它的尺寸。由表查得可采用平面型密封面，墊片材料選用石棉橡膠板，查得墊片寬度為1.5mm。帶頸對(duì)焊法蘭的各部可以從表帶頸對(duì)焊，帶頸平焊和螺紋法蘭尺寸與質(zhì)量中查表得,,由附表查得連接螺栓為M16，共4個(gè)，材料由表9—1查得螺柱材料為40MB，螺母材料為40Cr因?yàn)樵摻庸芎穸刃∮?mm,故該接管開孔需要補(bǔ)強(qiáng)。3.3.3接管補(bǔ)強(qiáng)確定殼體和接管的計(jì)算壁厚及開孔直徑：焊接接頭系數(shù)補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算殼體與接管的厚度附加量取腐蝕余量接管計(jì)算厚度開孔直徑已知?dú)んw名義厚度，補(bǔ)強(qiáng)部分厚度。接管有效補(bǔ)強(qiáng)寬度為接管外側(cè)有效補(bǔ)強(qiáng)高度為需要補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積可以作為補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積焊縫金屬面積焊角取K=4mm所以。有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)面積根據(jù)公式代入具體數(shù)值的所以需要另加補(bǔ)強(qiáng)，其補(bǔ)強(qiáng)面積，代入具體數(shù)據(jù)得根據(jù)公稱直徑DN=50mm選補(bǔ)強(qiáng)圈,參照補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)JB/T4736，選補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑,外徑，因B=105mm>補(bǔ)強(qiáng)圈在有效范圍內(nèi)。補(bǔ)強(qiáng)厚度查表《規(guī)定的補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸系列》應(yīng)選用的補(bǔ)強(qiáng)圈厚度為，再根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)材料一般與殼材料相同，確定補(bǔ)強(qiáng)圈為：3.3.4氮?dú)獬隹诠懿捎脽o縫鋼管，伸出長度為120mm。管的一端切成，伸入儲(chǔ)罐內(nèi)少許。配用圖面板是平焊法蘭：法蘭因?yàn)樵摻庸芎穸刃∮?mm,故該接管開孔需要補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算如4.3.3所示，強(qiáng)圈為：螺栓、螺母及墊片的選擇與氮?dú)膺M(jìn)氣管相同。3.3.5備用口公稱壓力為1.6MPa，公稱直徑為25mm，伸出長度為150mm，采用無縫鋼管，采用帶頸對(duì)焊法蘭（WN）法蘭密封面形式采用平面RF配用法蘭:法蘭因?yàn)樵摻庸芎穸刃∮?mm,故該接管開孔需要補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算如4.3.3所示，強(qiáng)圈為：螺栓、螺母及墊片的選擇與氮?dú)膺M(jìn)氣管相同。3.3.6排污口在設(shè)備最下端安設(shè)一個(gè)排污管，管子規(guī)格是Rc1，伸出長度120mm,管段裝有一個(gè)與之配套的截止閥。3.4壓力表和安全閥3.4.1壓力表口采用無縫鋼管，伸出長度120mm，配有工程壓力為1.6Mpa的壓力表。3.4.2安全閥口采用無縫鋼管，伸出長度為120mm，帶頸平焊法蘭（）法蘭密封面形式采用平面（）配用法蘭:法蘭補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算如4.3.3所示。強(qiáng)圈為：螺栓、螺母及墊片的選擇與氮?dú)膺M(jìn)氣管相同。表3-4-2管口表符號(hào)公稱壓力公稱尺寸法蘭形式密封面形式用途伸出長度1DN1.6內(nèi)螺紋壓力表口1202DN1.6SOMFM人孔2702DN1.6WNRF安全閥口1203DN1.6內(nèi)螺紋排污口1204DN1.6WNRF氮?dú)膺M(jìn)口1205DN1.6WNRF備用口1204水壓實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度校核；為保證水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)容器材