过程设备设计课程设计任务书(65M3液氯储罐设计).doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date过程设备设计课程设计任务书(65M3液氯储罐设计)中北大学课 程 设 计 任 务 书1设计目的：设计目的1) 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。2) 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。3) 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。4) 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）：1 原始数据设计条件表序号项 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MPa由介质温度确定4工作温度-20455公称容积（Vg）10/16/20/25M36工作压力波动情况可不考虑7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安装与地基要求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液位计接口空气进口管空气出口管液氯进口管液氯出口管安全阀接口压力表接口人 孔课 程 设 计 任 务 书2设计内容1）设备工艺、结构设计；2）设备强度计算与校核；3）技术条件编制；4）绘制设备总装配图；5）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、参考文献等； 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。 课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：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5设计成果形式及要求：1）完成课程设计说明书一份； 2）草图一张（A1图纸一张）3）总装配图一张 (A1图纸一张)； 6工作计划及进度：2012年06月11日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 06月11日06月15日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制06月15日06月20日：设计图纸绘制（草图和装配图）06月20日06月22日：撰写设计说明书06月22日：答辩及成绩评定系主任审查意见： 签字： 年 月 日 一、绪论1、任务说明设计一个容积为65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 液氯为黄色液体，沸点-340C，熔点-1010C，比重1.468，有剧毒。氯的化学性质非常活泼，能与金属、非金属及其化合物进行反应，与有机化合物也能发生取代、加成反应。50摄氏度时的饱和蒸汽压(绝对压力)为1.4327MPa。 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。 二、设计计算2.1工艺设计1.盛装液化气体的压力容器的设计存储量W=V=0.9×47.5×1.3141=51t式中：W-储存量，t -装量系数 V-压力容器容积 -设计温度下饱和液体密度，t/ m32.设备的初步选型及轮廓尺寸 目前我国普遍采用常温压力储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐，因为圆筒形储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，多以在总储存量小于500 m3 ，单罐容积小于1000 m3 时选用卧式储罐比较经济。2.2机械设计2.2.1结构设计 表2-1设计条件表项目内容备注工作介质液氯工作压力MPa1.4327设计压力MPa1.54工作温度-2045设计温度50公称容积m365计算容积m369.05工作容积m362.14装量系数0.9介质密度t/ m31.3141材质16MnR保温要求无其他要求无1.筒体和钢管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。根据JB/T4731,钢管的材料选用20号钢，其许用应力。2.设计温度的确定 设计温度是指容器在正常的工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。当元件金属温度不低于0°C时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0°C时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。考虑一定的余量和相关标准的使用，这里选为50。4.设计压力的确定 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1.051.10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。t=50时,根据压力容器介质手册可得液氯的密度是1.314，饱和蒸汽压Pv=1.4327 MPa,大气压Pa=0.1 MPa，因此最高工作压力应为1.5-0.1=1.4MPa（表压）。一、筒体和封头结构设计筒体直径一般有工艺条件决定。根据公式 L/D=4由上面两个公式联立可以解出Di=2790mm,圆整为Di=2800mm。即圆筒的公 称直径为2800mm。（JB/T9019-2001）查标准JB4746-2002可知，公称直径为2800mm的标准椭圆封头的容积为 V封=3.1198m3 封头深度 H=740mm则筒体部分容积为 再由解出L=10074mm，取圆整值10200mm。L/Di=10200/2800=3.9 在3-6范围内，符合要求。计算容积 工作容积=0.9=62.14二、接管和接管法兰设计接管由化工工艺设计手册第四版可知，所需的各接管的公称尺寸如下表。 表2-2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a DN80PN1.6MPaHG20595-1997MFM液氯进口管b DN80PN1.6MPaHG21595-1997MFM安全阀接口cDN500PN1.6MPaMFM人孔dDN80PN1.6MPaHG20595-1997MFM空气进口管eDN80PN1.6MPaHG20595-1997MFM空气出口管fDN20PN1.6MPaHG20595-1997MFM压力表接口gDN20PN1.6MPaHG20595-1997MFM液位计接口hDN80PN1.6MPaHG20595-1997MFM液氯出口管.法兰与垫片选择1、法兰DN=2800mm，DP=1.54MPa，根据规定选择水平吊盖长颈对焊法兰（WN），材料：16MnR密封面选榫槽密封（TG），下图法兰尺寸如下表表2-3法兰尺寸表公称通径DN钢管外径连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度HB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ThNSH1RB8089200160188M16201103.210650202510575144M1216402.364405005307156503320M30×234578111612902. 垫片根据HG20592法兰标准的规定，当公称为0.6MPa4.0MPa且有剧毒介质时，选择四氟乙烯垫片。 表2-4垫片尺寸公称直径DN包覆层内包覆层外垫片外径 厚度T 20 27 50 61 3 80 89 126 142 3三、人孔、手孔、视镜、液面计、压力计、温度计、安全阀结构设计1.人孔根据HG/T2151521535-2005钢制人孔手孔的类型和技术条件选选用水平吊盖带颈平焊法兰人孔，材料为20号钢，质量=320kg，密封形式： 凹凸面（MFM） 表2-5人孔尺寸dw×sDD1bb1b2AH1H2d530×1271565034313640532020136垫片选聚四氟乙烯包覆垫2、液面计 由于容器工作温度为-2045，故只能选磁性液位计，其允许工作温度为-40300。（HG/T21584-1995）L=3000mm,凸面（M）3、压力计膜片压力表适用于测量具有一定腐蚀性，非凝固或非结晶的各种流体介质的压力或负压。由于盛装液氯，混入的少量水分会导致介质的腐蚀性，故选用膜片压力表。选择型号为YPF 150 B-F。4、安全阀安全阀选用A42Y-16P，适用于腐蚀性介质，公称压力1.6MPa，公称直径DN100。四、 鞍座结构设计该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-A筒体的质量m=×2.8×10.2×0.018×7.85×10=12671.6kg储存液氯的质量m=82486.2kg单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表EHA椭圆形封头质量，可知，=1090.4kg 其他附件质量=320kg鞍座总质量m=97658.7kg 根据JB/T47124725-92 DN=2800，选BI型耳式支座，包角，材料选用Q235A。表2-6鞍座尺寸表公称直径DN允许载荷Q KN鞍座高度h底板腹板筋板l1b112l3b2b3328001950250204030010103202683608垫板螺栓配置鞍座质量增加100mm高度增加的质量弧长b44e间距l2螺孔d螺纹孔长l326061010120180024M2040514kg50kg 图2-6鞍式支座通常取尺寸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40mm故符合鞍座间距A=0.5R=700mm ，L=10200-2A=8800mm五、焊接接头设计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。介质为氯气，因此回转壳体与封头的焊接选用对接接头，接管与壳体及补强圈之间的焊接采用角焊，为减小焊接变形和残余应力选X形内坡口。下图 b=2 P=2 2.2.2强度设计一、 容器的筒体和封头壁厚设计1、 材料选择压力容器专用钢16MnR，许用应力MPa2、设计压力在设计条件中已经确定了最高工作压力为1.4MPa,设计压力通常取最高工作压力的1.051.1倍，这里取为1.1倍，即设计压力为1.4 1.1=1.54MPa液柱静压计算P液=gDi=0.036MPa,小于设计压力的5%，故不予考虑，计算压力Pc=1.54MPa3、焊接结构系数由于氯气是一种极度危害的戒指，对人的皮肤，呼吸道有害，甚至心力衰竭而死亡，液氯属于高度危害介质，应采用双面对接接头并采用100%无损检测，焊接接头系数取=1.0。4、 筒体厚度计算，由中径公式： 得计算厚度腐蚀裕量=4mm钢材负偏差=0名义厚度=+圆整值=18mm5、 标准椭圆形封头计算厚度，由公式：（标准封头K=1） 得计算厚度=12.68mm腐蚀裕量C2=4mm钢材负偏差C1=0名义厚度=+圆整值=18mm二、卧式容器鞍式支座应力校核三、开孔补强计算根据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=500mm的 人孔，DN=80的安全阀孔、液氯进、出口孔，空气进、出口，当接管厚度为6mm时可不另行不强。人孔补强圈1.时,开孔最大直径d=500=933，且d1000mm，满足等面积法开孔补强计算使用条件，故可以用等面积法进行开孔补强计算。2.所需最小补强面积A d=504 12.7mm =0.8 =10mm =8mm 开孔补强所需面积A=6451.63.有效补强范围 有效宽度B=2d=1008mm 或B=d+504+2×18+2×10=560mm 取最大值B=1008mm 有效高度 外侧有效高度=71mm 或=320mm 取最小值=71mm 内侧有效高度=71mm 或=0（实际内伸高度） 取最小值=04.有效补强面积(1) 筒体多余金属面积 筒体有效厚度=-C=18-4=14mm多余金属面积=(B-d)(-)-2(-)(1-)=651.04mm2 (2)接管多余金属面积接管计算厚度 接管多余金属面积 2×71×（8-2.83）×0.8+0=587.31(3) 接管区焊缝面积（焊脚取6.0mm） =(4)有效补强面积 1274.35(5) 所需另行补强面积 =6451.6-1274.35=5177.25拟采用补强圈补强。(6)补强圈设计根据接管公称直径DN500选补强圈，参照补强圈标准JB/T4736-2002坡口形式选E型，下图 选取补强圈外径=840mm，内径=504mm。因B=1008mm>，补强圈在有g补强圈厚度为 15.43mm 考虑钢板负偏差并圆整=22mm 三、压力容器校核内压圆筒校核计算单位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 2800.00mm材料 16MnR(正火) ( 板材 )试验温度许用应力 s 163.00MPa设计温度许用应力 st 163.00MPa试验温度下屈服点 ss 325.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 4.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 13.60mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 14.00mm名义厚度 dn = 18.00mm重量 12759.09Kg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 = 1.9250 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT£ 0.90 ss = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 193.46 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= = 1.62189MPa设计温度下计算应力 st = = 158.39MPastf 163.00MPa校核条件stf st结论 合格内压椭圆封头校核计算单位 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 2800.00mm曲面高度 hi 740.00mm材料 16MnR(正火) (板材)试验温度许用应力 s 163.00MPa设计温度许用应力 st 163.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 4.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9299计算厚度 d = = 12.62mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 14.00mm最小厚度 dmin = 8.40mm名义厚度 dn = 18.00mm结论 满足最小厚度要求重量 1262.18 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.74822MPa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 1.58MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 2800.00mm曲面高度 hi 740.00mm材料 16MnR(正火) (板材)试验温度许用应力 s 163.00MPa设计温度许用应力 st 163.00MPa钢板负偏差 C1 0.00mm腐蚀裕量 C2 4.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算形状系数 K = = 0.9299计算厚度 d = = 12.62mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 14.00mm最小厚度 dmin = 8.40mm名义厚度 dn = 18.00mm结论 满足最小厚度要求重量 1262.18 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 1.74822MPa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 pC1.54MPa 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 s163MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st163MPa 圆筒材料常温屈服点 ss325MPa 鞍座材料许用应力 ssa140MPa 工作时物料密度 1314kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di2800mm 圆筒名义厚度 18mm 圆筒厚度附加量 4mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 18mm 封头厚度附加量 Ch4mm 两封头切线间距离 10280mm 鞍座垫板名义厚度 10mm 鞍座垫板有效厚度 10mm 鞍座轴向宽度 b300mm 鞍座包角 120° 鞍座底板中心至封头切线距离 A740mm 封头曲面高度 740mm 试验压力 pT1.925MPa 鞍座高度 H250mm腹板与筋板(小端)组合截面积 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 1409mm 物料充装系数 0.9支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)12859.6kg 封头质量(曲面部分)1216.34kg 附件质量420kg 封头容积(曲面部分)2.87351e+09mm3 容器容积(两切线间)V = 6.90463e+10mm3 容器内充液质量工作时, 81654.2压力试验时, = 69046.3kg 耐热层质量0kg总质量工作时, 97366.4压力试验时, 84758.6kg单位长度载荷84.7952 73.8152N/mm支座反力477680 415826477680N支座处横截面弯矩工作时 -2.36957e+07压力试验 -2.06274e+07N·mm系 数 计 算K1=0.106611K2=0.192348K3=1.17069K4=K5=0.760258K6=0.0152104K6=0.0125028K7=K8=K9=0.203522C4=C5=筒 体 轴 向 应 力 计 算轴向应力计算操作状态 86.6287 80.0405MPa -9.13367 -1.41157MPa水压试验状态 -7.94693 -1.22879MPa 104.82 99.0846应力校核许用压缩应力0.00094根据圆筒材料查GB150图6-36-10 B = 123.502MPa123.502123.502MPa < 163 合格|,| < 123.502 合格|,| < 123.502 合格sT2 ,sT3 < 0.9ss = 292.5 合格时(时,不适用)22.1426MPa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 t = 0.8 s t = 130.4 MPa圆筒, t < t = 130.4 合格封头, th < t h = MPa鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力无加强圈圆筒圆筒的有效宽度548.437mm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/Rm8时, MPaL/Rm<8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-2.75905MPa鞍座边角处的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm<8时, -49.445MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力L/Rm8时, MPaL/Rm<8时, -65.6706MPa应力校核 |s5| < s t = 163 合格 |s6 | < 1.25s t = 203.75 合格 |s6 | < 1.25s t = 203.75 合格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/Rm<8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97218.2N腹板水平应力计算高度250mm鞍座腹板厚度10mm鞍座垫板实际宽度610mm鞍座垫板有效宽度548.437mm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, 12.1761MPa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 1668mm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开孔补强计算计算单位接 管: #, 530×12计 算 方 法 : GB150-1998 等 面 积 补 强 法, 单 孔设 计 条 件简 图计算压力 pc1.576MPa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1壳体内直径 Di2800mm壳体开孔处名义厚度n18mm壳体厚度负偏差 C10mm壳体腐蚀裕量 C24mm壳体材料许用应力t163MPa 接管实际外伸长度320mm接管实际内伸长度0mm接管材料20g(正火)接管焊接接头系数1名称及类型管材接管腐蚀裕量4mm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22mm接管厚度负偏差 C1t 1.5mm补强圈厚度负偏差 C1r 0mm接管材料许用应力t137MPa补强圈许用应力t163MPa开 孔 补 强 计 算壳体计算厚度 13.6mm接管计算厚度t2.927 mm补强圈强度削弱系数 frr1接管材料强度削弱系数 fr0.84开孔直径 d517mm补强区有效宽度 B1034 mm接管有效外伸长度 h178.77mm接管有效内伸长度 h20 mm开孔削弱所需的补强面积A 7060mm2壳体多余金属面积 A1205 mm2接管多余金属面积 A2473mm2补强区内的焊缝面积 A336 mm2A1+A2+A3=714 mm2 ，小于A，需另加补强。补强圈面积 A46820mm2A-(A1+A2+A3)6346mm2结论: 补强满足要求。附录一：参考文献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-