二氧化碳立式储罐设计.docx

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1、瘴长春理工六学EChangchun University of Science and Technology过程设备设计课程设计说明书二氧化碳立式储罐设计学生姓名xx专业xxx学号xxx指导教师xxxx学院xxxxx二0四年六月过程设备课程设计任务书、设计题目：二氧化碳立式储罐二、技术特性指标设计压力：1.71MPa 设计温度：162C 受压元件材料：16MnR 腐蚀裕量：1.0mm 全容积：8m3 最高工作压力：1.5MPa 工作温度：W120C 介质：二氧化碳气体 焊缝系数：0.85装料系数：0.9三、设计内容1、储罐的强度计算及校核2、选择合适的零部件材料3、焊接结构选择及设计4、安全阀

2、和主要零部件的选型5、绘制装配图和主要零部件图四、设计说明书要求1、字数不少于5000字。2、内容包括：设计参数的确定、结构分析、材料选择、强度计算及校核、 焊接结构设计、标准零部件的选型、制造工艺及制造过程中的检验、设计体会、 参考书目等。3、设计说明书封面自行设计（计算机打印），要求有设计题目、班级、学 生姓名、指导教师姓名、设计时间。（全班统一）4、设计说明书用A4纸横订成册，封面和任务书在前。目录第一章绪论11.1储罐的分类11.2立式二氧化碳储罐设计的特点21.3设计内容及设计思路2第二章零部件的设计和选型42.1材料用钢的选取42.1.1容器用钢42.1.2附件用钢42.2封头的设

3、计52.2.1封头的选择52.2.2封头的设计计算52.3筒体的设计62.4人孔的设计62.4.1人孔的选择62.4.2人孔的选取72.5容器支座的设计92.5.1支座选取92.5.2支座的设计92.5.3支座的安装位置102.6接管、法兰、垫片和螺栓的选取1222.6.1接管的选取1222.6.2法兰的选取 1222.6.3垫片的选取 1442.6.4螺栓的选取 144第三章强度设计与校核1663.1圆筒强度设计1663.2封头强度设计1663.3人孔补强设计177第四章试验校核2004.1水压试验2004.1.1试验目的2004.1.2试验强度校核2004.2气密性试验211设计总结222

4、参考文献23第一章绪论1.1储罐的分类压力储罐的组成部分根据文献 一般由筒体、封头、法兰、密封元件、 开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计 及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因， 容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。 目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构。按照国家规定的文献法规和标准实施监督检查和技术检验。储罐按其 制造材质可分为金属罐和非金属罐。在化工、石油化工和石油等工业中储存液化 气以外的原料油主要采用金属储罐，即金属油罐。油罐分类金属油罐可根据油罐 所处位置、几何形状和不同

5、结构形式等几方面来划分。1、按油罐所处位置划分分为地上油罐、半地下油罐和地下油罐三种。（1）地上油罐。指油罐的罐底位于设计标高0.00及其以上；罐底在设计 标高0.00以下但不超过油罐高度的1/2,也称为地上油罐。（2）半地下油罐。半地下油罐是指油罐埋入地下深于其高度的1/2，而且 油罐的液位的最大高度不超过设计标高0.00以上0.2m。（3）地下油罐。地下油罐指罐内液位处于设计标高0.00以下0.2m的油 罐。2、按油罐的几何形状划分 按油罐的几何形状可划分为：（1）立式圆柱形罐；（2）卧式圆柱形罐；（3）球形罐；球形储罐和圆筒形储罐相比：前者具有投资少，金属耗量少， 占地面积少等优点，但加

6、工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。 一般储存总量大于500m3或单罐容积大于200m3时选用球形储罐比较经济，而圆 筒形储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, 所以在总储量小于500m3或单罐容积小于100m3时选用圆筒形储罐比较经济。圆 筒形储罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大 多选用卧式圆筒形储罐，只有某些特殊情况下（站内地方受限制等）才选用立 式。但本说明书主要讨论立式圆筒形二氧化碳储罐的设计。1.2立式二氧化碳储罐设计的特点立式储罐，危险性大，容易发生火灾和爆炸事故，必须按照有关文献3，建 立防火、防爆制度，经常

7、进行防火巡查，严格进行消防安全管理，确保消防安全。 国家劳动部门把这类设备作为受安全监察的一种特殊设备，并在技术上进行了严 格、系统和强制性的管理，制定了一系列地强制性或推荐性地规范标准和技术法 规，对压力容器的设计、材料、制造、安装、检验、使用和维修提出了相应的要 求，同时为确保其安全可靠，实施了持证设计、制造和检验制度。储罐区防火防 爆应按文献4规定。此类容器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，因此设计必须严格按照标准进行。二氧化碳,化学式为CO，碳氧化物之一，是一种无机物，常温下是一种无色 2无味气体，密度比空气略大，微溶于水，并生成碳酸。（碳酸饮料基本原理）可

8、以使澄清的石灰水变浑浊，做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以 用到。二氧化碳不参与燃烧，密度比空气略大，所以也被用作灭火剂。二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，温室中常用二氧化碳作肥 料。立式二氧化碳储罐，此次设计针对的是第一类压力容器的设计。储罐主要由 筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有进料管、出料管、排污 管以及安全阀、压力表等。1.3设计内容及设计思路设计内容：1、储罐的强度计算及校核2、选择合适的零部件材料3、焊接结构选择及设计4、安全阀和主要零部件的选型5、绘制装配图和主要零部件图表1-1技术特性指标序号名称指标1设计压力MPa1.712设计温度0C1

9、623最高工作压力MPa1.54工作温度0C p 2，水压试验充满水，故取介质密度为P水=1000kg/m3 ,K- kV = V筒体 + 2V封头=4X 1.62 X 3.4 + 2x 0.5864 = 8.00891m3充液质量为： m3 =ap 水V = 0.9x 1000x8.00891 = 7208.0kg附件质量：人孔约重245kg，其它接口管法兰重约12kg，故 m = 257kg。据式（2-1）设备总质量：m = m1 + m2 + m3 + m4 = 1725 + 722.2 + 7208.0 + 257 = 9912.2kgQ = mg = 9912.2 x9.8 = 32

10、379.9N 32.380kN 33由于每个支座承受约32.380kN负荷，根据文献表2 A型4号支座允许载 荷Q=100kN。Q = 32.380kN 5+ q + C2 = 9.5 + 0.8 +1 = 11.3mm 由于钢板厚度范围为6 16mm，圆整后保守取5广12mm。筒体的有效厚度5 =5 -q-C2 = 12-0.8-1 = 10.2mm(3-2)(3-3)（3-4）3.2封头强度设计查标准文献中表1，选取公称直径DN = D = 1600mm ，选用标准椭圆形 封头，型号代号为EHA，取D./2h. = 400，则h = 400mm查标准文献中表2，取 直边长h=40mm。该容

11、器取其焊接系数为4 = 0.85。材料的许用应力q 产170MPa， 屈服极限qs = 345MPa。根据椭圆形封头计算式（3-1）计算：5 =炊=挪 x1600 = 9.5mm 2Iq 4-0.5 p2 x 170 x 0.85 - 0.5 x 1.71c查标准文献18表7-1知，钢板厚度负偏差为C1 = 0.8mm。并已知腐蚀裕量C2 = 1mm。据式（3-2 ）计算封头厚度：5 = 8 + C = 9.5 +1 = 10.5mm据式（3-3）计算封头名义厚度：8 5+ C + C2 = 9.5 + 0.8 +1 = 11.3mm由于钢板厚度范围为616mm，圆整后取与筒体相同的名义厚度5

12、 = 12mm 。据式(3-4)计算筒体的有效厚度：8 =8 -C1 -C2 = 12-0.8-1 = 10.2mm则封头标记为：EHA2100 x 16 -16MnR JB/T4746。3.3人孔补强设计为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开 孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱，而出现 应力集中现象。为保证容器安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强，以 降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。 另外，还要考虑人孔补强，确定补强圈尺寸，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。本设计所

13、选用的人孔筒节内径为d. = 450mm，壁厚 8 =12mmm 查表得人孔的筒体尺寸为480X12，由标准A型查得补强圈尺寸为： 内径 D=484mm，外径 D =760mm。开孔补强的有关计算参数如下：据式(3-1)计算筒体的壁厚：8 =PD = 1-71 X1600 = 9.5 mm2卜。一p2 x 170 x 0.85 -1.71c计算开孔所需补强的面积A：开孔直径：d = d. + 2C = 450 + 2 x (0.8 +1) = 453.6mm补强面积： A = d 8 = 453.6x9.5 = 4309.2mm2(3-5)有效宽度：B = 2 - d = 2 x 453.6

14、= 907.2mmB = d + 2 -Sn + 2 -8m = 453.6 + 2 x 12 + 2 x 12 = 501.6mm取最大值B=907.2mm有效高度：外侧高度： 七=奸8 = J453.6x 12 = 73.78mm或七=接管实际外伸高度=250mm内侧高度 h2 = Jd -8 =廿453.6x12 = 73.78mm 或h2 =接管实际内伸高度=0mm两者取较小值0mm筒体多余面积A : 1据式（3-3）计算筒体有效厚度：8 =8 -C = 12-1.8 = 10.2mm选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故fr=1，所以孔=(B - d)(8 -8) - 28

15、(8 -8)(1 -匕)=(907.2 - 453.6)(10.2 - 9.5) - 0=317.5mm 2接管多余金属的截面积A：2接管计算厚度：8=p?=_1-71 x 1600_ = 2.04 mm2b%-p 2 x 170 x 0.85 -1.71cA = 2. h (8 -8 )f + 2 h (8 -C )f21 et t y2 et 2 y=2.匕(8 C-8 )fy + 0=2 x 73.78 x (12 -1.8 - 2.04)=1204.09mm 2补强区内焊缝截面积A：3A3 = 2 x 2 x12 x12 = 144mm 2据式(3-5)计算有效补强面积A :eA =

16、A/ A2 + A3 = 317.5 +1204.09 +144 = 1665.6mm 2因为Ae 540MPa时，接管与壳体的连接宜采用全熔 透的结构形式。2.接管的腐蚀裕量为1mm第四章试验校核4.1水压试验4.1.1试验目的除材料本身的缺陷外，容器在制造（特别是焊接过程）和使用中会产生各种 缺陷。为考核缺陷对压力容器安全性的影响，压力容器制成后或定期检验（必要 时）中，需要进行水压试验。对于内压容器，水压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生 快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封性结构的密封性能。对于外压容器， 在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外

17、压临界失 稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，一般不用外压试验 来考核其稳定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。4.1.2试验强度校核压校核公式（4-1）进行计算:为保证水压试验时容器材料处于弹性状态，在水压试验前必须按压力容器水（4-1）则式中:PT = 1.25PC = 1.25 xl.71 = 2.375MPa8 =8 - C = 12 -1.8 = 10.2mmq = 345MPa2.1375 x (1600 +10.2)q =T 2 x 10.2 x 0.85则=198.49MP a 0.9 x 345，=310.5 MPa故符合工艺条件的要求。4

18、.2气密性试验气密性试验的目的是：考核容器的密封性能，检查的重点是可拆的密封装置 和焊接接头等部位。气密性试验应在水压试验合格后进行。它并不是每台压力容 器制造过程中必做的试验项目，这是因为多数容器没有严格的致密性要求，且耐 压试验也同时具备一定的检漏功能。当介质毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏（如真空度要 求较高时）的压力容器，必须进行气密性试验。由于设计内容是二氧化碳立式储罐，二氧化碳气体不属于毒性程度为极度、 高度危害的气体，而且设计上没有真空度的要求，因此不需要进行气密性试验校 核。设计总结压力介质的封闭的容器称压力容器，它的设计要求有安全可靠、满足过程要 求、易于操作

19、、维护和控制、综合经济好等。基于前部分的设计与校核的计算， 得出如下的设计结果：设计结果一览表序号名称指标材料1筒体DN1600 x 12, L = 340016MnR2封头DN1600 x 12,h = 4016MnR3支座JB/T 4712.4-2007,支座 A4Q235A-F4人孔人孔 RF III(A.G) 480-2.5HG/T2158-2005组合件5补强圈8 760 / 8 484,6 = 1616MnR6压力表口415 x 3, L = 300107进气管8 65 x 4, L = 350108出气管8 65 x 4, L = 160109排污管8 25 x 4, L = 1

20、601010安全阀接管8 50 x 4, L = 2101011法兰配合以上各接管Q235-A参考文献1 John F.Harvey,P.E Theory and Design of Pressure Vessels. Second Edition. Van Nostrand Reinhold Company,19912 ASME HPS-2003 High Pressure System,20033 Henry H.Bednar,P.E.Pressure Vessel Design Handbook.Krieger Publishing Company,19914 GB150-1998钢制压

21、力容器S.北京：中国标准出版社，19985 JB4712-1998支承式支座S.北京：中国标准出版社，19986 HG/T2151421535-2005钢制人孔和手孔S.北京：中国标准出版 社， 20057 HG/T2059220635-2009钢制管法兰、垫片和紧固件S.北京：中 国标准出版社， 20098 JB/T4736-2002补强圈S.北京：中国标准出版社，20029 JB/T4731-2005钢制立式容器S.北京：中国标准出版社，200510 刁与玮，王立业.化工设备机械基础第五版M.北京：化学工业出 版社， 2003.3.11 匡国柱，史启才.化工设备设计手册M.北京：中国石化出版社， 2005.12 郑津洋，董其武，桑芝富.过程设备设计第三版M.北京：化学 工业出版社， 2003.13 国家质量技术监督局.压力容器安全技术监察规程M.北京：1999.14 李多民，俞惠敏.化工过程设备机械基础M.北京：中国石化出 版社， 2007.15 张剑锋.金属化工设备零部件M.北京：化学工业出版社，1999.16 郑津洋.材料与零部件M.北京：北京化工学院出版社，2002.17 韩叶象.化工机械基础课程设计M.北京：北京化工学院出版社， 2005.