《压力容器与管道安全》课程设计

专    业      安全工程         

姓    名                   

学    号           

课程名称     压力容器与管道安全

指导教                    

市政与环境工程学院

20##年12月

目录

1. 目的与任务...................................................... 2

2. 储罐的设计要求.................................................. 3

2.1 设计题目................................................... 3

2.2 设计要求................................................... 3

3. 卧式液氨储罐的结构设计.......................................... 3

3.1储罐主要结构的设计.......................................... 3

3.1.1筒体和封头的结构选择.................................. 3

3.1.2用方案一计算筒体和封头的厚度.......................... 4

3.1.3用方案二计算筒体和封头的厚度.......................... 6

3.1.4两种方案的比较........................................ 7

3.2计算鞍座反力................................................ 8

3.3支座及其位置选取............................................ 9

3.3.1鞍座数量的确定........................................ 9

3.3.2鞍座安装位置的确定.................................... 9

3.3.3鞍座标准的选用....................................... 11

3.4储罐应力校核............................................... 11

3.4.1筒体轴向应力校核..................................... 11

3.4.2筒体和封头切向剪应力校核............................. 13

3.4.3筒体周向应力校核..................................... 13

3.4.4鞍座有效断面的平均应力校核........................... 14

3.5 入孔设计.................................................. 14

3.6开孔补强计算............................................... 15

3.7接管与法兰联结设计......................................... 17

参考文献.......................................................... 19

                         

1. 目的与任务

本课程设计是在学完《压力容器与管道安全》之后综合利用所学知识完成一个压力容器设计。该课程设计的主要任务

1.是通过解决一、两个实际问题，巩固和加深对压力容器的结构、原理、特性的认识和基本知识的理解，提高综合运用课程所学知识的能力。

2.培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。

3.通过实际设计方案的分析比较，设计计算，元件选择等环节，初步掌握工程中压力容器设计方法。

4.培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，逐步建立正确的生产观点、经济观点和全局观点，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。

2. 储罐的设计要求

2.1 设计题目

某厂需添置一台液氨贮罐，设计原始数据：设计压力P=1.9Mpa，设计温度T=43℃，容器内径D=1230mm,容积V=3.1m3，设备充装系数0.9。采用鞍式支座。试设计该设备。

2.2 设计要求

根据已知的条件，按照以下顺序进行设计：

1.主要结构设计—筒体、封头、接管、法兰密封、鞍座及其位置。

2.主要材料—焊缝和探伤

3.筒体和封头的厚度计算

4.计算鞍座反力

5.筒体轴向应力校核

6.筒体和封头切向剪应力校核

7.筒体环向应力校核

8.鞍座有效断面的平均应力校核

9.开孔补强计算

10.设备结构总图

3. 卧式液氨储罐的结构设计

3.1储罐主要结构的设计

3.1.1筒体和封头的结构选择

由于纯液氨具有一定的腐蚀性，但设计压力为中等压力，根据钢制压力容器中使用的钢板许用应力及其使用范围的说明，储罐的主要结构筒体和封头选材可以考虑使用20R、16MnR、15MnVR等钢。

氨属于中度危害介质(Ⅱ级)，且本设备为PV值小于10Mpa·m³的中压储存容器；按照有关标准划分，本设备为第二类压力容器。储罐选用卧式，液体静柱压力很低，可不记入设计压力中。

筒体由钢板卷制而成，其公称直径等于内径，查阅压力容器的公称直径表，并结合储罐的容积，初步选择其公称直径DN=D_i=1230m。

筒体和封头的对接焊接，采用全焊透焊缝，并进行l00％无损探伤，查表取焊缝系数=1.0。根据氨的腐蚀程度，取腐蚀裕量C₂＝2mm。

封头可以选择球形、椭圆形、碟形、平板形、圆锥形等几种形式的封头，但从材料消耗、受力和加工制造的难易程度等几个方面的综合比较考虑，选用标准椭圆形封头（EHA型）最为理想，故选之。

假设标准椭圆形封头封头厚度在8—16mm之间，封头的公称直径应该与筒体相等，取DN=1230mm，按有关标准JB4746-2002，查得封头的容积V_h=0.3208 m³，总深度H=350 mm。由于采用的是标准椭圆形封头，由h/DN=0.28，得出封头的直边高度h=28mm，而封头的曲面深度h₁=350－28=322mm。

筒体长度：

取 =2100 mm

两封头切线之间的距离L==2100+2×28=2156mm

现选用16MnR和20R两个钢种，对储罐的主要结构——筒体和封头进行两个方案的设计，然后对这两个方案进行比较和选择。

3.1.2用方案一计算筒体和封头的厚度

首先选用16MnR钢为材料，来计算筒体和封头的厚度。

16MnR钢板在43℃时的许用应力查表，根据筒体厚度计算公式初步估计此筒体的设计厚度在6—16mm之间，[σ]＝[σ]^t =170Mpa，屈服强度σs=345Mpa。

（1）筒体厚度

         δ=mm

设计厚度δ_d＝δ十C₂＝7.49十2＝9.49mm

按GS709，取钢板负偏差C₁=0.8mm

考虑钢板厚度系列取名义厚度δn＝9mm

因δn＝9mm，查此情况下16MnR钢的许用应力没有变化，[σ]= 157Mpa，所以上述计算成立。

（2）封头厚度

由于选用标准椭圆形封头，所以其封头形状系数k=1.0

计算厚度

δ=mm

设计厚度δ_d＝δ＋C₂＝7.47＋2＝9.47mm

取C₂＝0.8mm，故名义厚度δ_n＝9mm，且许用应力也没有发生变化，所以上计算成立。

（3）水压试验校核

1试验压力：P_T＝.

                  

取水压试验压力PT＝2.1MPa

2筒体应力校核；筒体有效厚度δ_e＝δn－C₁－C₂＝9－2.8＝6.2mm

 所以试验时应力：         

筒体水压试验应力校核满足12要求。

3封头应力校核：有效厚度δe＝δn－C1－C2＝9－2.8＝6.2mm

    所以封头水压试验应力校核满足要求

3.1.3用方案二计算筒体和封头的厚度

选用20R钢作为第二种方案，来计算筒体和封头的厚度。

20R钢板在36℃时的许用应力查表，根据筒体厚度计算公式初步估计此筒体的设计厚度在6—16mm之间，取此时20R钢的许用应力[σ]＝[σ]^t =133Mpa，屈服强度δs=245Mpa。

筒体和封头的结构和尺寸与第一种方案的设计相同（厚度除外），选用标准椭圆形封头（EHA型），其它尺寸和参数如上所叙。

（1）筒体厚度

         δ=mm

设计厚度δd＝δ十C2＝8.48十2＝10.48mm

按GS709，取钢板负偏差C1=0.8mm。考虑钢板厚度系列取名义厚度δn＝10mm

因δn＝10mm，查此情况下20R钢的许用应力没有变化，[σ]= 133Mpa，所以上计算成立。

（2）封头厚度

由于选用标准椭圆形封头，所以其封头形状系数k=1.0。

计算厚度

δ=mm

设计厚度δd＝δ＋C2＝8.82＋2＝10.82mm

取C2＝0.8mm，故名义厚度δn＝10mm，且许用应力也没有发生变化，所以上计算成立

（3）水压试验校核

1试验压力：P_T＝

取水压试验压力P_T＝2.1MPa

2筒体应力校核；筒体有效厚度δe＝δn－C₁－C₂＝10－3.1＝6.9mm 所以试验时应力：        

筒体水压试验应力校核满足要求。

3封头应力校核：有效厚度δe＝δn－C₁－C₂＝10－0.8－2＝7.2mm

因为 

所以封头水压试验应力校核满足要求。

3.1.4两种方案的比较

（1）钢板耗用量

钢板耗用量与板厚成正比，则储罐的主要结构筒体和封头采用16MnR时，钢板比使用20R钢板可减轻:

16MnR钢板的价格比20R钢板略贵，两者相差不大，从耗材量与价格综合考虑，两种钢板均可考虑，但在上述计算过程中，如16MnR的名义厚度δn与设计厚度δd很接近，其差值为7－6.36=0.64mm,而20R的名义厚度δn与设计厚度δd大很多，其差值为9－7.57=1.43mm，所以用16MnR钢时，钢板耗用量就要省很多，更为适宜。

（2）制造费用

    总的来说，由于采用16MnR钢板厚度较薄，质量较轻，鞍座的承载重量也更小，而且制造费用目前也按碳钢设备同等计价，因此制造费用比较经济。

（3）材料性能

    20R钢板的抗腐蚀性能比16MnR钢要好，但是考虑到储存介质液氨的腐蚀性不是很强，而且16MnR钢比20R钢板的强度高，机械加工性能和焊接性能指标都明显要好，所以选用板更合适。

（4）方案比较总结

由于上述比较可以看出，说明方案一选用16MnR钢更合理，那么下面的内容就针对方案一的选材和设计数据进行相关的计算和校核。

3.2计算鞍座反力

（1）计算质量

1筒体质量

   m₁＝π(D_i＋δe)δ_nL₀×10^-9

     ＝3.14×(1230+6.9)×7×2100×7850×10^-9

     ＝448.18kg

2单个封头的质量m2＝119.3kg(查JBll53—73)

3附件质量m3(包括入孔，接管、液面计、平台等)近似取m3＝400kg

4充液质量  液氨在0℃时的密度为640kg/m³，小于水的密度，故充液质量按水的质量考虑，

    m₄＝

      ＝[×1230²×2100+2×0.3208×10^-9]×1000×10^-9

＝2495.28kg                 

5保温层质量  本设备不保温，故m₅＝0

6设备最大质量

    m＝m₁＋m₂ ＋m₃＋m₄＋m₅＝448.18＋2×119.3＋400＋2495.28＋0＝3582.06kg

（2）计算鞍座反力

    F＝mg/2＝(3582.06×9.81)/2＝17570.00N

3.3支座及其位置选取

卧式容器的支座有鞍座、圈座和支腿三种形式。而常用的储罐、储槽、换热器等卧式容器设备常选用鞍式支座予以支承，所以此设备也选用鞍座。

卧式储罐的鞍式支座设计包括以下几个要点：

3.3.1鞍座数量的确定

鞍式支座普遍选用双鞍座支承，这是因为若采用多鞍座支承，难于保证各鞍座均匀受力。虽然多支座罐的弯曲应力比较小，但是各支座严格的保持在同一水平面上，特别是对于大型卧式储罐很难达到，同时，由于地基的不均匀下沉，多支座 的罐体在支座处的支反力不能均匀分配，故选用双鞍式支座支承。

3.3.2鞍座安装位置的确定

由材料力学可知，将出储罐的力学模型简化为双支座上的受均布载荷的外伸梁，如下图2.1所示，若梁的全长为L，则当外伸端的长度A=0.207L时，双支座跨中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩相等，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，而且支座截面处的应力较为复杂，故常取支座截面处的弯矩略小于跨中间截面的弯矩，通常取尺寸不超过0.2L，为此中国现行标准JB4731《钢制压力容器》规定取0.2L，A值不得大于0.25L。否则由于容器外伸端的作用使支座截面处的应力过大。其中A为封头切线到支座的距离，此外由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚度有局部的加强作用。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，国标JB4731还规定当满足，A≤0.2L时，最好使（Rm为圆筒的平均半径，Rm＝ R_i＋δ_n/2=630mm，R_i为圆筒的内径）。

由于Rm/2=315mm, 0.2L=431.2mm

因为0.2L＞0.5R，鞍座位置A≤Rm/2=315mm

取鞍座位置   A＝300mm

其中：A为封头切线到支座的距离

为了防止卧式储罐因操作温度和安装温度不同而引起的热膨胀，以及由于圆筒及物料的重量使圆筒防止弯曲等原因对卧式储罐引起的附加应力，对于双鞍座中的其中一个设计为固定支座（代号F），而另一个应允许为可沿轴线方向移动的活动支座（代号S）。活动支座的基础螺栓应沿圆筒轴向开成长圆孔，固定支座通常设置在储罐配管较多的一侧，活动支座应安装在没有配管或配管较少的一侧。

 

图2.1  液氨储罐受力分析图

 

 

3.3.3鞍座标准的选用

    综上所述，结合筒体公称直径和上述计算的鞍座反力F＝17566.33N=17.566 KN，查压力容器手册，选用JB/T4712—92标准的鞍式支座，公称直径DN1300mm,A型，带加强垫板，允许支承载荷Q=158 KN，因为Q＞F，所以符合要求。

查JB/T4712—92可得鞍座基本尺寸：包角θ＝120°，支座高度H=200mm,鞍座宽度b＝150mm；腹板厚6mm；垫板宽270mm，垫板厚6mm；底板长880mm底板宽170mm，底板厚10mm；筋板宽140mm，筋板厚度6 mm，鞍座质量52kg。

鞍座的尺寸和结构见装配图和附录。

鞍座垫板材料选16MnR，鞍座其余材料选用Q235—AF钢。

鞍座标记：JB/T4712—92，鞍座A 1200

3.4储罐应力校核

3.4.1筒体轴向应力校核

（1）筒体轴向弯矩计算

1筒体中间处截面的弯矩

     ＝3.77×10⁶N·mm

2支座处截面上的弯矩

      = －3.33×10⁵N·mm

（2）筒体轴向应力计算

由GBl50—89表8-1查得由“扁塌现象”引起的抗弯截面模量减少系数K₁＝K₂＝1.0 因为｜M1｜》｜M2｜，且A≤Rm/2=302.5mm,故应力必定出现在跨中面，校核跨中面应力。

1由弯矩引起的轴向应力

最低点处：

           ′=MPa

最低点处′＝－′＝0.781MPa

2由于设计压力引起的轴向应力

           MPa

3轴向应力组合与校核

轴向拉应力：σ₂＝σ_p+′=86.43+0.781＝87.211MPa

许用轴向拉应力：[σ]^t＝170Mpa，σ₂＜[σ]^t合格

轴向压应力：σ₁＝－′＝0.871Mpa

轴向许用压缩应力

根据A值查GBl50—89图4—5，得B＝136MPa＜[σ]^t=170 MPa

取许用压缩应力 [σ]_ac＝136MPa，合格｜σ₁｜＜[σ]_ac

3.4.2筒体和封头切向剪应力校核

因筒体被封头加强(即A＜Rm/2)，筒体和封头中的切向剪应力分别按下式计算

(1)筒体切向剪应力

查GBl50—89，取系数K₃＝0.880，K₄=0.401

     

因为  τ< 0.8[σ]^t =0.8×170=136 MPa ， 故合格。

(2)封头切向剪应力

因为  1.25[σ]^t －δh=1.25×[σ]^t － 

                   = 1.25×170－ MPa         

＜1.25[σ]^t－δh，故合格。

3.4.3筒体周向应力校核

(1)周向应力计算

设垫板不起加强作用，查GBl50—89，取周向弯矩系数K₆ =0.0132周向压缩系数K₅ =0.760，

1在鞍座处横截面最低点处

    MPa

式中k=0.1,考虑容器焊接在鞍座上

 其中：b₂为筒体承受周向压应力的有效长度。

b为支座的轴向宽度

2鞍座边角的周向应力

因L/Rm=1800/605=3＜8,故

(2)周向应力校核

  ︱σ₅ ︳＜　[σ]^t＝170MPa

  ︱σ₆ ︳＜　1.25[σ]^t＝212.5MPa

3.4.4鞍座有效断面的平均应力校核

查GBl50—89，取系数K₉＝0.204

支座承受的水平分力Fs＝K₉·F＝0.204×17566.33＝3583.53N

鞍座有效断面平均应力

              Mpa

应力校核   σ₉＜2/3[σ]^t＝75.3MPa

式中：bs为钢制鞍座的腹板厚度，bs=δ₂=6mm，

由于鞍座的实际高度h=200mm＜1/3Rm=201.7mm，所以Hs取h=200mm。

          [σ]_t＝113 Mpa，为鞍座腹板材料Q235—AF的许用应力。

3.5 入孔设计

因为筒体长度L=2156mm≤6000mm时，可以很好的采光、气体置换，检验人员进行内外部检验和出入方便，所以只需要设置一个入孔即可。由于储罐的公称直径900mm＜DN＜2600 mm，而且设计了入孔和适当的备用管口（见下文），就不必要设计手孔和检查孔。

入孔不应该布置在鞍座处的截面和跨中间截面上，也不适宜在封头上设置入孔。考虑到筒体和鞍座的结构尺寸，将人孔设置在筒体的顶部，选取开孔中心距离筒体的边缘620mm。由于没有设计手孔和检查孔，需要经常打开人孔盖进行检查，为了方便打开人孔盖，选用快开式，并根据储罐的公称直径和公称压力，查手册，选择回转盖平焊法兰人孔，标准号为JB580-79，C型密封面，Ⅰ类材料。

入孔标记：入孔 CⅠ Pg16  Dg450 JB580-79

人孔材料：筒节、法兰、盖子材料用Q235-B螺栓、螺母材料用Q235-A，法兰材料选用16Mn(锻)。

入孔尺寸：公称直径Dg=450mm，接管尺寸dw×s＝480mm×10mm。

3.6开孔补强计算

根据GBl50—89规定，壳体名义厚度为10mm时，当在设计压力小于或等于2.5 MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm的接管可以不另行补强，故补强计算需考虑人孔和液氨进口处的开孔接管补强问题，这里只给出人孔补强计算。

（1）人孔补强及补强方法判别

1补强判别

由于人孔接管的外径为480 mm，大于允许不另行补强的的最大接管外径89 mm，所以需要另行考虑补强，补强材料应该与壳体的材料相同，选用16MnR钢，由前面的人孔设计可知，人孔的接管选用Q235－B钢，选用其厚度附加量C^，＝C₁＋C₂＝2＋0.8＝2.8mm，在该设计条件下Q235－B钢的许用应力=113Mpa。

2补强计算方法判别

    开孔直径d＝D_i＋2 C^，＝（480－2×7）＋2×2.8＝471.6mm

本筒体开孔直径d＝471.6mm＜Di/2＝600mm，满足等面积法开孔补强计算的使用条件，故可以用等面积法进行开孔补强计算。

（2）开孔补强所需补强面积

1削弱系数f_r和接管有效厚度δ_et

f_r＝/[σ]^t＝113/170＝0.6647

δ_et=δ_nt－C^， =7-2.8=4.2mm

2开孔补强所需补强面积

        A ＝d＋2δδ_et (1－f_r)

          ＝471.6×5.66＋2×5.66×4.2×(1－0.6647)

          ＝2685mm²

式中：δ为筒体的计算厚度

（3）有效补强范围      

1有效宽度

B=2d＝2×471.6＝943mm

        B=d＋2δ_n＋2δn_t=471.6＋2×7＋2×7=499.6mm

取两者的最大值B＝943mm

2有效高度h₁：

外侧有效高度：h₁＝

接管实际外伸高度为h₁＝200mm，

取两者的最小值，h₁＝57.46mm。

接管实际内伸高度为零，故取h₂＝0。

内侧有效高度：h₂＝

取两者的最小值，故取h₂＝0。

（4）有效补强面积

1壳体多余金属面积

A₁＝(B－d)(δ_e－δ) －2(δ_nt－C)[δ_e－δ)(1－f_r)

    ＝(943－471.6) ×(4.2－4.11) －2×4.2×(4.2 - 4.11)(1- 0.6647)

＝42.175 mm²

式中：δ_e为筒体的计算厚度

2接管多余金属面积A₂

     接管计算厚度δ_t

δ_t=mm

接管多余金属面积A₂

A₂ ＝2h₁(δ_et－δ_t) f_r +2h₂(δ_et－C₂) f_r

＝2×57.46×(4.2-3.2)×0.6647十0

=76.39mm²

3补强区内的焊缝面积

补强圈与筒体，补强圈与接管的焊缝腰高均取8mm。

        A₃＝2××8×8＝64 mm²

4有效补强面积

A_e=A₁＋A₂＋A₃=42.175＋76.39＋64=182.56 ＜mm²A=2689 mm²

所以需要另行补强。

5补强圈补强面积

         A₄＝A－A_e＝2689－182.56＝ 2506.44 mm²

 (2)补强圈选用

查补强圈标准HG21506—92，选用补强圈450×10—D—16MnR  JB/T4736，补强圈外径D＝760mm，补强圈内径d＝484mm，因为B=943 mm＞D＝760mm，在补强圈的有效补强范围之内。所以补强圈的厚度为：

考虑钢板负偏差，并经圆整和与壳体的焊接质量问题，取补强圈的名义厚度等于筒体的名义厚度，即=δ_n=7mm。

3.7接管与法兰联结设计

所有的接管材料选用10号钢无缝钢管，法兰材料选用16Mn(锻)，接管长度从罐体的外壁算起，罐顶的接管长度可取150 mm，罐底的接管长度可取100 mm。接管位置示意图见下图2.2所示

图2.2   接管位置示意图

（1）液氨进出口

    需要设计2个液氨进出口，液氨进口设置在筒体的顶部，出口设在罐底，具体定位尺寸见液氨储罐装配图。选用凸面板式平焊钢制管法兰，公称直径80mm，接管外径89 mm。法兰标记：HG20593 法兰  PL80—1.6RF

（2）液位计管口

设置两个液位计管口，两个均设在左边封头上，具体定位尺寸见液氨储罐装配图。右边封头上液位计管口时必须避开边缘应力区，随着离开封头边缘处的距离的增大，边缘应力迅速衰减，所以将管口孔中心距离封头顶点500mm。由于接管较长，要设计加强筋加强。法兰标记：HG20593 法兰  PL20—1.6RF

（3）排污管口

为了方便排净污物，将排污管口设在罐底，具体定位尺寸见液氨储罐装配图。选用螺纹管法兰。法兰标记：HG20598 法兰  Th25—1.6

（4）安全阀管口、压力表管口、备用管口

三个管口均用同种法兰、接管结构和尺寸，具体定位尺寸见液氨储罐装配图。

法兰标记：HG20593 法兰  PL25—1.6RF

（5）接管管口表

根据工艺，操作和检修的要求，设备接管如下表所示：

接管表

注：采用法定计量单位的标准（如：HG等）公称压力用PN表示，单位采用Mpa。采用工程制单位的标准（如：JB等）公称压力用P g表示，单位为/cm2。

参考文献

[1] 吕宜涛. 压力容器制造质量控制的研究，天津大学学位论文，1997年9月．

[2] 马自勤、孙丽、王秀伦等.  产品结构树在CAPP信息管理中的应用，大连铁道学院学报，20##年9月，第22卷，第3期．

[3] 杨海涛、压力容器的安全与强度计算 [M].天津:天津科学技术出版社,1985.

[4] 高清、马云辉，马玉林. 先进制造系统中的质量保证，高技术通讯，1995年5月．

[5] 陈祝年、焊接工程师手册。北京：机械工业出版社，2002

[6] 李俊斌、李彬喜  在役液氨储罐应力场有限元分析与安全评定  Technology &  Products技术产品版 2006.5

[7] 张康达、洪起超主编. 压力容器手册. 劳动人事出版社，1987.

[8] 卓震主编. 化工容器及设备.中国石化出版社， 1998.

[9] 贺匡国主编. 化工容器及设备简明设计手册.化学工业出版社 1989.

[10] 刘湘秋主编. 常用压力容器手册.机械工业出版社，2004.

[11] 马秉骞主编. 常用压力容器知识. 中国石化出版社，2006.