200M3浓硫酸卧式储罐毕业设计.doc
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沈阳理工大学学士学位论文
摘要
本文介绍了压力容器分析设计与常规设计的不同、应力分类,厚壁圆筒体的应力分析和压力容器中对各类应力的限制,并通过实例讲述了在分析设计中,根据应力发生的原因,性质及对导致容器破坏所起的不同作用加以分类,分清主次,分别根据各类应力对容器强度影响的程度,采用不同的安全系数和不同的许用应力加以限制,达到设计合理,节省材料,以保证压力容器在各类应力作用下都能安全可靠地工作。
浓硫酸作为一种化工基本原料，已愈来愈受到人们的重视。
由于该气体具有高腐蚀性的特点,因此在设计这种贮罐时,要注意与一般气体贮罐的不同点,尤其要注意安全,还要注意在制造、安装等方面的特点。
贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。
贮罐上设有液相管、液相回液管、气相管、排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等。
所以对浓硫酸的储罐要求也很严格。
浓硫酸贮罐是盛装浓硫酸的常用设备,本论文用Q235C做为材料先计算好200卧罐的各项数据,直径为5000mm,长度为10000mm,厚度为6mm,整理数据,然后就是根据数据选取封头。
先将两腹板开孔并焊接，然后根据尺寸固定鞍座，焊接两侧封头，焊接开孔处各部件。
关键词:
浓硫酸;卧式储罐;设计;压力容器;焊接
Abstract
Thispaperintroducesthepressurevesseldesignandanalysisoftheconventionaldesigndifferent,stressclassification,thickwallcylinderbodystressanalysisandpressurevessels,thelimitforallkindsofstressand,withpracticalexamples,tellstheanalysisanddesignin,accordingtostressthereasons,natureandtoleadtovesselsonthedifferentfunctionofclassified,setpriorities,respectivelyaccordingtovariousstressontheextentoftheimpactstrengthofcontainers,usingdifferentsafetycoefficientanddifferentallowablestresstolimitandachievedthedesignisreasonable,savematerial,inordertoensurethatthepressurevesselinallkindsofstresscaneffectasafeandreliablework.
Strongsulfuricacidasachemicalbasicrawmaterials,alreadymoreandmoreattentionbypeople.Becausethegashasthecharacteristicsofhighcorrosionresistance,sointhestoragetankdesign,shouldpayattentiontothedifferencesofgasstoragetankwithgeneral,especiallymustpayattentiontosafety,butmustpayattentioninmanufacturing,installation,andotheraspectsofthefeatures.Tankmainhavebarrel,sealinghead,manhole,andallkindsofbearingsoftakeover.Thestoragetankwithliquidpipe,liquidbacktoliquidpipe,gasphasetube,drainandsafetyvalve,pressuregauge,thermometer,theliquidlevelgaugeetc.Sofortherequirementsofsulfuricacidstoragetankisverystrict.
Strongsulfuricacidstoragetankisdressedupstrongsulfuricacidcommonlyusedequipment,thispaperQ235Casmaterialswithfirstcalculatedgood200liecanofvariousdata,adiameterof5000mm,lengthis10000mm,thicknessof6mm,sortingdata,thenaccordingtothedataofheadisselected.Firstthetwowebsandweldinghole,andthenaccordingtosizefixedsaddle,weldingsealingheadonbothsides,weldingopenholesintheparts.
Keywords:
strongsulfuricacid;Horizontalstoragetanks;Design;Pressurevessels;welding
目录
1绪论 1
1.1设计任务 1
1.2设计思想 1
1.3设计特点 1
2设计参数的选择 3
2.1筒体材料的选择 3
2.2公称直径的确定 3
2.3设计压力 3
2.4设计温度 4
2.5焊接接头系数 4
3设备的结构设计 5
3.1圆筒厚度的设计 5
3.2封头的设计 5
3.2.1封头厚度的设计 5
3.2.2封头的结构尺寸（封头结构如下图1） 6
3.3鞍座选型和结构设计 7
3.3.1鞍座选型 7
3.3.2鞍座位置的确定 8
3.4.1接管和法兰 9
3.4.2垫片的选用 11
3.4.3螺栓（螺柱）的选择 11
3.5人孔的选择 12
3.6液面计的选择 12
4容器强度的校核 13
4.1水压试验应力校核 13
4.2.筒体轴向弯矩计算 13
4.3.筒体轴向应力计算及校核 14
4.4.筒体和封头中的切向剪应力计算与校核 15
4.5.封头切向剪应力计算 16
4.6.筒体的周向应力计算与校核 16
4.7.鞍座应力计算与校核 17
4.7.1应力及强度校核 17
4.7.3板组合截面应力计算及校核 18
4.8地震引起的地脚螺栓应力 19
4.8.1倾覆力矩计算 19
4.8.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力 19
4.8.3由地震引起的地脚螺栓剪应力 20
4.9开孔补强设计 20
4.9.1补强设计方法判别 21
4.9.2有效补强范围 21
4.10有效补强面积 22
5卧式贮罐的焊接 23
5.1焊缝布置 23
5.1.1接头的分类及其选择 23
5.2焊接方法 24
5.3焊接顺序 25
5.3.1焊前清理 25
5.3.2焊接过程和顺序 25
5.3.3焊后处理 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 30
附录B 39
附录C 48
51
1绪论
1.1设计任务
针对化工厂中常见的浓硫酸储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图，并便携设计说明书。
1.2设计思想
综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。
在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。
各项设计参数都正确参
考了行业使用标准或国家标准，这样设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，
综合的进行设计。
1.3设计特点
容器的设计一般由筒体,封头，法兰，支座，接管等组成。
常，低压化工设备
通用零部件大都有标准，设计师可直接选用。
本设计书主要介绍了液罐的筒体，
封头的设计计算，低压通用零部件的选用。
各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家使用标准，这样让设计有章可
循，并考虑到结构方面的要求，合理的进行设计。
近年，压力容器被广泛应用于现代的工业、民用及军用等部门。
压力容器在社会各行各业的生产、储存、运输等方面具有不可取代的地位，在发展国民经济、巩固国防、解决人们衣食住行等方面起着极为重要的作用。
目前我国普遍采用常温压力贮罐,常温贮罐一般有两种形式:
球形贮罐和圆筒形贮罐。
球形贮罐和圆筒形贮罐相比:
前者具有投资少,金属耗量少,占地面积少等优点,但加工制造及安装复杂,焊接工作量大,故安装费用较高。
一般贮存总量大于500或单罐容积大于200时选用球形贮罐比较经济;而圆筒形贮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,所以在总贮量小于500,单罐容积小于100时选用卧式贮罐比较经济。
圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。
一般选用卧式圆筒形贮罐,只有某些特殊情况下（站内地方受限制等）才选用立式。
本文主要讨论卧式圆筒形浓硫酸贮罐的设计。
本储罐的焊接结构主要设计了筒体壁厚，支座，封头，法兰，加强圈等。
根据储存介质的要求来进行储罐的选材，本次设计的介质为浓硫酸，储体选用Q-235B。
根据施工现场的环境要求及罐体厚度等选择合适的焊接方法。
设计的封头为标准椭圆形封头，设计的支座为鞍式支座。
卧式浓硫酸贮罐设计的特点，应按GB150《钢制压力容器》进行制造、试验和验收;并接受劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程》（简称容规）的监督。
贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。
贮罐上设有排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等。
2设计参数的选择
2.1筒体材料的选择
根据GB150-1998表4-1并结合实际情况，选用筒体材料为碳素合金钢Q-235C（钢材标准为GB6654《压力容器用钢板》）。
Q-235C适用范围规定如下：
容器设计压力p≤2.5MPa；
钢板使用温度为0-400℃;
用于壳体时，钢板厚度不大于30mm。
2.2公称直径的确定
1.设筒体直径为D，筒体长度为L=2D，选用标准椭圆封头，则其体积可表示为:
（2.1）
由此可求得所以粗定。
2.3设计压力
设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不得低于工作压力。
液柱静压力：
（2.2）
根据化学化工物性分析手册表3.6.5查饱和蒸汽压：
Pc=0.0118Mpa
工作压力：
（2.3）
设计压力：
（2.4）
计算压力：
=0.1241+0.0897=0.2138Mpa（2.5）
2.4设计温度
设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。
设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。
设计温度取50℃。
2.5焊接接头系数
焊接接头系数是以焊接强度与母材强度之比值表示的。
它与焊缝位置焊接方法以及检验等因素有关。
JB4732标准中要求受压元件焊缝必须100%无损检测，取焊缝系数1.00。
设计参数总结如下表1.5
表2.5设计数据
序号
项目
数值
单位
备注
1
名称
200m3浓硫酸卧式贮罐
2
筒体材料
Q-235C
3
设计压力
0.1241
MPa
4
设计温度
50
5
公称直径
5000
mm
6
公称容积
200
7
充装系数
0.9
8
工作介质
浓硫酸
9
其他要求
100%无损检测
3设备的结构设计
3.1圆筒厚度的设计
查GB150-1998中表4-1，可得：
在设计温度50℃下，屈服极限强度
，许用应力
利用中径公式计算厚度：
（3.1）
查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而有GB150-1998中3.5.5.1知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取。
查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-5知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量不小于1mm,本例取=2mm
则筒体的设计厚度（3.2）
圆整后，取名义厚度
筒体的有效厚度（3.3）
3.2封头的设计
3.2.1封头厚度的设计
查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表1，得公称直径
选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，则，根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：
（3.4）
同上，取=2mm，。
封头的设计厚度（3.5）
圆整后，取封头的名义厚度，
有效厚度（3.6）
3.2.2封头的结构尺寸（封头结构如下图1）
由，得（3.7）
查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下表2.1
表3.1EHA椭圆形封头内表面积、容积
公称直径DN/mm
曲面高度hi
/mm
直边高度h/mm
总深度H/mm
内表面积A/
容积
/
5000
1250
40
1290
27.2376
15.9392
图3.1封头的示意图
3.3鞍座选型和结构设计
3.3.1鞍座选型
该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-C。
引用（2.1）
L=9.6m圆取整L=10m
储罐总质量（3.8）
——筒体质量：
（3.9）
——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：
（3.10）
——附件质量：
人孔质量为302kg，其他接管质量总和估为400kg，即
综上所述，引用（3.8）
则每个鞍座承受的重量为1851.27kN由此查JB4712.1-2007《容器支座》，选取重型，焊制为BⅠ,包角为120°，有垫板的鞍座。
查JB4712.1-2007表8设计鞍座结构尺寸如下表3.2：
表3.2鞍式支座结构尺寸
单位mm
公称直径
允许载荷
鞍座高度
底板
腹板
筋板
垫板
螺栓间距
螺孔/孔长
鞍座质量
DN
Q/kN
h
e
D/
Kg
5000
5365
300
3500
380
50
50
490
335
430
32
740
25
194
3000
28/60
1108
3.3.2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。
由标准椭圆封头引用（3.7）
故
鞍座的安装位置如图2.2所示：
图3.2鞍座的安装示意图
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≤0.5Ra，即
（3.11）
，取A=1240mm
综上有：
A=1240mm（A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长）
3.4卧式贮罐的附件及其选用
液化石油气储罐应设置出料口，进料口，人孔，液位计口，压力表口，温度计口，排污口，排空口等。
图3.4储罐接管设置示意图
3.4.1接管和法兰
查HG/T20592-2009《钢制管法兰》中表8.2.2-2PN10带颈对焊焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。
查HG/T20592-2009《钢制管法兰》中附录D中表D-3,得各法兰的质量。
查HG/T20592-2009《钢制管法兰》中表3.2.2，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。
图2.3带颈对焊钢制管法兰示意图
管口名称
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
N
S
H1
R
H
出料口
100
114B
200
160
18
8
M16
20
128
6
10
6
50
4
进料口
100
114B
200
160
18
8
M16
20
128
6
10
6
50
4
液位计口
32
38B
140
100
18
4
M16
18
56
2.6
6
6
42
2
温度计口
20
25B
105
75
14
4
M12
18
40
2.3
6
4
40
1
压力表口
20
25B
105
75
14
4
M12
18
40
2.3
6
4
40
1
排污口
80
89B
200
160
18
8
M16
20
105
3.2
10
6
50
4
排空口
65
76B
185
145
18
8
M16
18
92
2.9
10
6
45
2.5
表3.3接管和法兰尺寸单位mm
3.4.2垫片的选用
查HG/T20609-2009《钢制管法兰用非金属平垫片》，垫片尺寸如表2.4所示
表3.4垫片尺寸表
单位mm
管口名称
公称直径
内径D1
外径D2
出液口
100
110
120
进液口
100
110
120
人孔
500
580
700
液位计口
32
43
65
温度计口
20
27
50
压力表口
20
27
50
排污口
80
89
120
排空口
65
77
109
注：
1.选耐酸石棉橡胶板
2.垫片厚度均为1.5mm，人孔选3mm。
3.4.3螺栓（螺柱）的选择
查HG/T20613-2009《钢制管法兰用紧固件》中表5.0.7-9和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸：
表3.5螺栓及垫片单位mm
管口名称
紧固件用平垫圈
公称直径
螺纹
螺柱长
h
出液口
100
M16
90
17
30
3
进液口
100
M16
90
17
30
3
液位计口
32
M16
85
17
30
3
温度计口
20
M12
75
13
24
2.5
压力表口
20
M12
75
13
24
2.5
排空口
65
M16
85
17
30
3
排污口
80
M16
90
17
30
3
3.5人孔的选择
根据HGT21517-2005回转盖带颈平焊法兰人孔，查表3-3，选用凹凸面型，其明细尺寸见表3.6：
表3.6人孔尺寸表单位：
mm
密封面型式
公称压力
PN/MPa
公称直径DN
总质量kg
螺栓尺寸
螺母数量
螺栓数量
凹凸面
1.6
700
222
20
20
B
D
31
36
200
24
650
715
A
d
b
L
260
111
390
24
34
300
3.6液面计的选择
根据HG/T21584-95选磁性液面计。
4容器强度的校核
4.1水压试验应力校核
试验压力：
（4.1）
圆筒的薄膜应力
故合格
4.2.筒体轴向弯矩计算
圆筒轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上。
（见图4.1）。
图4.1容器载荷、支座反力、剪力及弯矩图
4.3.筒体轴向应力计算及校核
（1）圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力
最高点处：
按下式进行计算
最低点处：
按下式进行计算
（2）支座处圆筒截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力
因鞍座平面上筒体被封头加强，取鞍座包角，查JB/T4731-2005表7-1可得K1=1.0，K2=1.0
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