弱酸水溶液卧式贮罐机械设计.docx
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弱酸水溶液卧式贮罐机械设计
HefeiUniversity
《化工机械与设备》过程考核之三
——典型化工设备机械设计
题目：
弱酸水溶液卧式贮罐机械设计
系别：
化学材料与工程系
班级：
10化工（3）
姓名：
何文龙
学号：
1003023004
队别：
Team5
队员：
朱广佳（队长）、吴凯、何文龙
教师：
胡科研
日期：
2012-12-10
目录
1前言1
2工艺设计1
2.1筒体的选材及结构说明1
2.2结构及选材参数1
3机械设计2
3.1容器计算2
1.筒体、封头壁厚计算2
3.2容器的压力实验、校核3
1.水压试验应力校核3
2.筒体轴向应力计算及校核3
4零部件选型4
4.1法兰、人孔选择5
4.2鞍座的选择7
1.鞍座强度校核9
5总结9
参考文献10
1前言
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。
本文主要讨论碳酸水溶液卧式贮罐的设计。
本次设计的介质为浓硫酸，储体选用Q-235B。
设计的封头为标准椭圆形封头，设计的支座为鞍式支座。
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工艺设计
2.1筒体的选材及结构说明
根据碳酸的物性选择罐体材料，碳钢对碳酸有良好的耐蚀性且腐蚀率在0.1㎜/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。
如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板，16MnR钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济。
所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。
钢板标准号为GB6654-1996。
筒体结构设计为圆筒形。
因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。
2.2结构及选材参数
封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。
椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。
它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。
封头取与筒体相同材料。
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
表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
/
4000
1000
40
1040
17.8464
8.8802
鞍座选取标准：
查得公称直径为3000mm的容器选择轻型（A）,120°包角、焊制、六筋、带垫板，高度为250mm的鞍座，允许载荷Q786kN>627.765kN,为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用，可取
，则选A=700mm。
左鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座A3000-F.右鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座A3000-S.
具体尺寸如下表：
表2鞍座标准尺寸表
公称直径
DN
允许载荷Q/kN
鞍座高度
h
螺栓间距
l2
鞍座质量
/kg
增加100mm高度
增加的质量/kg
3000
786
250
1940
405
34
3机械设计
3.1容器计算
1.筒体、封头壁厚计算
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：
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
圆整后，取名义厚度
筒体的有效厚度
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：
同上，取
=2mm，
。
封头的设计厚度
圆整后，取封头的名义厚度
，
有效厚度
由
，得
3.2容器的压力实验、校核
水压试验，液体的温度不得低于5℃；
试验方法：
试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。
试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。
然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。
如有渗漏，修补后重新试验。
1.水压试验应力校核
试验压力：
圆筒的薄膜应力
故合格
2.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
最高点处：
按下式进行计算
最低点处：
按下式进行计算
图1支座处圆筒轴向应力位置
（3）筒体轴向应力校核
因轴向许用临界应力由
根据圆筒材料查图4-8可得
=37.47MPa，
，合格
，合格
4零部件选型
4.1法兰、人孔选择
法兰的选取须按密封介质的化学特性，操作温度选择适宜的法兰材料。
设备容器法兰在JB/T4700—4707—2000《压力容器法兰》标准中选用；设备上的连接外管道法兰及管道法兰应优先在HG20592—26614—1997和HG20615—20635-1997的《管法兰》标准中选用，表中所列压力值均值表压力。
若因材料不同、温度不同，法兰的允许最大工作压力与公称压力之间的转换关系可按标准HG20592,20612—1997和JB/T4700—2000.采用板式平焊法兰
人孔的作用：
为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。
人孔的结构：
既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。
人孔类型：
从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。
从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。
从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。
人孔标准HG21524-95规定PN≥1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为φ400㎜。
综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95）,公称压力PN2.5、公称直径DN450、H1=320、RF型密封面、采用Ⅵ类20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。
标记为：
人孔RFⅥ（W·C-1220）450-2.5HG21524-95总质量为256kg.法兰标准号为HGJ50～53-91,垫片标准号为HGJ69～72-91,法兰盖标准HGJ61～65-91材料为20R，螺柱螺母标准HGJ75-91螺柱材料40Cr螺母材料45，吊环转臂和材料Q235-A·F,垫圈标准为GB95-85材料100HV,螺母标准GB41-86，吊钩和环材料Q235-A·F，无缝钢管材料为20，支承板材料为20R。
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，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。
当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。
补强材料采用16MnR。
1、内压容器开孔后所需的补强面积
（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
㎜2
2、有效补强面积即已有的加强面积
壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件）
（4.2）
筒体上多余金属面积：
（4.3）
有效补强宽度B=2d
筒体的有效厚度
㎜
所以
㎜2
人孔接管上多余的面积：
（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
焊缝金属截面积：
㎜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。
所需补强圈的面积为：
㎜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㎏
4.2鞍座的选择
卧式容器的支座有三种形式：
鞍座、圈座、和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。
置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。
当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。
但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。
采用双支座时选取的原则如下：
1双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取
其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。
2当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。
为了充分利用这一加强效应，在满足
下应尽量使
.
此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。
通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。
所以本设计就采用这种支座结构。
根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。
鞍座的材料（除加强垫板除外）为Q235-A·F，加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR。
1.鞍座强度校核
鞍座腹板的水平分力：
查得鞍座包角120°对应系数
支座反力：
鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：
计算高度，取鞍座实际高度和
两者中的较小值，mm
鞍座腹板厚度，mm
鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度
与圆筒体的有效宽度
两者中的较小值，mm
鞍座垫板有效厚度，10mm
则
应力校核：
鞍座材料Q235-A·F的许用应力
，则
[3]
5总结
通过这次课程设计，让我对化工设备机械基础这门课有了进一步的认识。
这次课设是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。
设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。
校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。
通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。
在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。
在设计的最后附有CAD设备图，在绘图的整个过程中，我对制图软件的操作更加熟悉。
这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格式要求完成课设。
这就为我们做毕业设计打下了基础。
因为的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。
最后感谢老师对这次课设的评阅。
参考文献
[1]赵军，张有忱等编.化工设备机械基础.第二版.北京：
化学工业出版社，2007.7
[2]《压力容器实用技术丛书》编写委员会编.压力容器设计知识.北京：
化学工业出版社，2005.7
[3]刘湘秋编.常用压力容器手册.北京：
机械工业出版社，2004.6
[4]董大勤编.化工设备机械基础.北京：
化学工业出版社，2003
[5]贺匡国.化工容器及设备简明设计手册，第二版.2002.4
[6]余国琮.化工机械工程手册，上卷.北京：
化学工业出版社
[7]郑晓梅编.化工制图.北京：
化学工业出版社，2001.11
项目
封面、目录和整体
概述或前言
工艺、设备说明
机械、结构设计
零部件选型
总结、参考文献
总分
分数
8
8
8
40
8
8
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