50m3卧式试验储罐工艺设计解析.docx
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50m3卧式试验储罐工艺设计解析
1材料及结构的选择与论证
1.1材料选择与论证
主体材料制定为LF4，LF4是防锈铝的一种，新牌号为5083。
这种合金的强度高，特别是具有抗疲劳强度：
塑性与耐腐蚀性高，不能热处理强化，，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好，可切削性能不良，可抛光。
用途主要用于要求高的可塑性和良好的焊接性，在液体或气体介质中工作的低载荷零件。
5083铝板常用于船舶、舰艇、车辆用材、汽车和飞机板焊接件、需严格防火的压力容器、致冷装置、电视塔、钻探设备、交通运输设备、导弹元件、装甲等。
根据《容规》第18条，铝和铝合金用于压力容器受压元件应符合下列要求：
（1）设计压力不应大于8MPa，设计温度为-269～200℃；
（2）设计温度大于75℃时，一般不选用含镁量大于等于3%的铝合金
给定的工作压力为0.8MPa，给定的工作温度为50℃，且设计温度不大于75℃，且工业纯铝对浓硝酸有很好的耐腐蚀性。
综上所述，用LF4做主体材料可以满足给定工作条件的要求。
1.2结构选择与论证
1.2.1封头的选择
从受力与制造方面分析来看，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；椭圆封头浓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。
从钢材耗用量来年：
球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。
因此，从强度、结构和制造等多方面综合考虑，选择采用椭圆形封头。
1.2.2人孔的选择
压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。
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。
公称直径则指其简节的公称直径）、工作温度以及人、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,在这考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖人孔，人孔筒节轴线垂直安装。
1.2.3容器支座的选择
容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。
鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。
从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。
所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。
但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分市。
因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。
所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个。
圈座一般对于大直径薄壁容器和真空操作的容器。
腿式支座简称支腿，因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN≤1600，L≤5m）。
综上考虑在此选择双个鞍式支座作为储罐的支座。
1.2.4法兰型式的选择
法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。
压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。
平焊法兰又分为甲型与乙型两种。
法兰设计优化原则：
法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。
在考虑到本次储存的介质为腐蚀性介质，所以选择使用板式平焊凸面法兰。
1.2.5液面计的选择
液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为有玻璃板液面计、玻璃管液面计、浮子液面计和浮标液面计。
在中低压容器中常用前两种。
液面计的种类很多，常用的有玻璃板液面计和玻璃板液面计。
它们都是外购的标准件，只需要选用。
玻璃板液面计有三种：
透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。
根据选用表，选用反射式玻璃板液面计，标准号HG21590-95，法兰形式及其代号C型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）,液面计型号R型公称压力PN4.0,使用温度0～250℃，液面计的主题材料代号：
锻钢（16Mn），结构形式及其代号:
普通型（无代号），公称长度为1450mm，排污口结构:
V（排污口配螺塞）。
液面计标记为：
液面计CR4.0-Ⅰ-1450V
根据筒体公称直径3000㎜选择两个同样的液面计，单个质量为90㎏左右。
两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。
液面计接管：
无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12㎜。
2设计计算
2.1筒体厚度设计
2.1.150m3卧式试验储罐的工作压力（P1）
所盛放的浓硝酸的工作温度为50℃，工作压力为0.8Mpa，即P1=0.8Mpa（由给定题目可知）
2.1.2设计压力（P2）
工作压力在50℃是0.8Mpa，设计压力应为此压力的1.05~1.10倍，故取=0.8×1.1=0.88Mpa作为设计压力。
2.1.3液柱静压力（P3）
根据GB/T9019-2001《压力容器公称直径》，可取公称直径DN=3200mm。
查《某些无机物重要物理性质表》得，浓硝酸的密度为1400kg/m3，取内径Di=DN=2800mm，重力加速度g=9.8m/s2，根据公式P3=ρgDi可知P3=0.038416MPa
2.1.4计算压力（PC）
因为，所以可忽略静压力的影响。
即Pc=P2=0.88MPa。
2.1.5设计温度下材料的许用应力[σ]t
在工作温度50℃,由JB/T4734-2002《铝制焊接容器》可取，筒体的厚度在＞4.5~40mm范围时，H112状态的LF4的许用应力约[σ]t=68MPa。
2.1.6焊接接头系数（Φ）
焊接接头采用V坡口双面焊接,采用100﹪无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数表查得Φ=1.00
2.1.7内压容器的计算厚度（δ）
内压容器的计算厚度公式为：
式中：
计算压力Pc=0.88MPa
筒体内径Di=2800mm
设计温度下材料的许用应力[σ]t=68MPa
焊缝系数Φ=1.00
将以上数据代入公式得
δ=18.24mm＞4.5~40mm，所以第5步的假设是成立的。
2.1.8筒体名义厚度（δn）
由于浓硝酸有腐蚀性，但是材料LF4有很好的抗腐蚀性，所以C2=0.5。
由JB/T4734-2002《铝制焊接容器》可查的，铝板的的负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6％。
6％δ=6％×176=10.56mm
故取，C1=0.25mm
δn=δ+C1+C2=18.24+0.25+0.5=18.99，查《铝板厚度的常用规格表》，将其圆整为20mm，即名义厚度δn=20mm的LF4铝板。
2.2封头壁厚设计
采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。
2.2.1标准椭圆形封头的计算厚度（δ）
标准椭圆形封头的计算厚度公式为
式中：
计算压力
筒体内径Di=2800mm
设计温度下材料的许用应力[σ]t=68MPa
焊缝系数Φ=1.00
将以上数据代入公式得
2.2.2标准椭圆形封头的名义厚度（δn）
由公式δn=δ+C1+C2代入具体数据得δn=δ+C1+C2=18.24+0.25+0.5=18.99查《铝板厚度的常用规格表》，将其圆整为20mm，即名义厚度δn=20mm，可见标准椭圆形封头与筒体等厚。
查GB/T25198-2010可得封头尺寸如下表：
表2-1椭圆形封头尺寸表
公称直径DNmm
曲面深度himm
直边高度
hmm
厚度
δmm
内表面积
Fm2
容积
V1m3
质量
Gkg
2800
700
50
20
8.91
3.18
468
图2-1椭圆形封头示意图
2.3筒体的长度计算（L0）
由《EHA椭圆形封头内表面积及容积表》可得公称直径DN=2.8m的椭圆形封头容积V1=3.18m3。
本次设计的卧式储罐的公称容积Vg=50m3，所以代入公式
，满足在2~5范围内的要求，所以选择DN=2800mm是合理选择。
2.4人孔的选择开孔补强计算
2.4.1选择人孔
由于贮罐是在常温及最高压力0.88MPa下工作，人孔标准按公称压力1.0MPa的压力等级选取。
又人孔盖直径较大且质量较重，选用水平吊盖法兰人孔，因为人孔结构中有吊钩和销轴，在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转，即可轻松进入，而不必将其取下以节约维修时间。
查得该人孔的有关数据如下:
表2-2水平吊盖带颈平焊法兰人孔RF标准尺寸（mm）
公称压力PN（MPa）
公称直径DN
dw×s
D
D1
A
b
b1
b2
H1
H2
d
1.0
450
480×8
615
565
355
28
26
28
290
198
36
螺栓
螺母
螺栓
螺柱
螺母
螺柱
质量（kg）
数量
直径×长度
数量
直径×长度
总质量
不锈钢
20
M24×95
20
40
M24×125
139
─
标记为：
人孔RFⅢb-8.8（NM-XB350）450-1.0HG/T21523—2005，其中RF指突面密封，Ⅲ指接管与法兰的材料为16MnR，NM-XB350是指垫片是非金属平垫片（不带内包边的XB350石棉橡胶板），450-1.0是指公称直径为450mm、公称压力为1.0Mpa。
2.4.2补强圈选择及厚度计算
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。
由表2-2知本设计所选用的人孔筒节内径dw＝480mm。
查JB/T4736-2002得补强圈尺寸为：
外径D2=760mm，内径D1=480+10=490mm。
开孔补强的有关计算参数如下：
1、开孔所需补强面积A
内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为
mm2
式中d——开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量
δ——壳体开孔处的计算厚度；
δet——接管有效厚度
fr——强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。
开孔直径
由于接管和筒体选用同种材料，取fr=1将这些数据代入上式得：
开孔所需补强面积
2、有效宽度B
二者中取较大值B=901mm
3、有效高度
（1）外侧高度h1
二者中取较小值h1=60.03mm
（2）内侧高度h2
二者中取较小值h2=0mm。
（3）补强面积Ae
在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算
式中Ae——补强面积，mm2；
A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2;
A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；
A3——焊缝金属截面积，mm2。
计算如下：
接管有效厚度为，
筒体有效厚度为故
接管计算厚度为
故
焊缝金属截面积
，
故补强面积Ae为
由于Ae＜A，故开孔需另加补强，其另加补强面积为
（4）补强圈厚度δ´
圆整后取δ´=27mm，补强材料与壳体材料相同为LF4。
2.5鞍座的设计计算和安装标准
2.5.1鞍座的选择
1、储罐的总质量
式中m1——罐体质量，kg；
m2——封头质量，kg；
m3——液氨质量，kg；
m4——附件质量，kg。
2、罐体质量m1
查《化工设备设计基础》，天津大学出版社，附表4公称直径DN=2400mm，壁厚δ=16mm的筒体，得每米质量是q1=2660kg/m3，所以
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