氮气缓冲罐设计

I氮气缓冲罐目录第一章绪论......................................................11.1概述.......................................................11.2氮气的特点.................................................11.3立式氮气缓冲罐设计的特点...................................2第二章设计任务..................................................32.1设计题目...................................................32.2技术特性指标...............................................3第三章储罐主要零部件结构形式设计及其材料的选择...................43.1储罐主要零部件结构形式设计.................................43.2主要零部件材料的选择.......................................5第四章储罐结构参数设计..........................................74.1罐体壁厚设计...............................................74.2封头壁厚的设计.............................................74.3筒体和封头的结构设计.......................................84.4接管、法兰、垫片和螺栓（柱）...............................94.5腿式支座选型和结构设计....................................11第五章开孔补强设计.............................................145.1补强设计方法判别..........................................145.2有效补强范围..............................................14II5.3有效补强面积..............................................15第六章强度计算.................................................176.1水压试验校核..............................................17第七章设备维护..................................................18参考文献.........................................................201第一章绪论1.1概述化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。任何化工设备都是满足一定生产工艺条件而提出的，随着化工设备的新设计、新材料和新工艺的应用，使化工生产过程得到不断地发展，因此这些生产工艺的设备与通常的机械设备相比有以下几个显著的特点：（1）功能原理多样化：由于化工设备与“化工过程”的原理密不可分，即化工的生产过程是化工设备的前提，从而使得所使用的化工设备的功能、结构的特征多种多样，设备类型也比较繁多。（2）化工设备多是压力容器：例如处理气体、液体和粉体等一些流体材料为主的化工设备，通常都是在一定温度和压力条件下工作的，尽管服务对象不同、形式多样，功能及原理和内外结构不同，但都是限制其工作空间并承受一定温度的外壳和必要的内件所组成，这个能够承受压力载荷的外壳体即是压力容器。压力容器通常是在高温、高压、高真空、低温、强腐蚀的条件下操作，其工艺条件与其它行业相比更为苛刻和恶劣。缓冲罐主要用于各种系统中缓冲系统的压力波动，使系统工作更平稳，其原理是通过压缩罐内压缩空气来实现，被广泛应用于供水设备和中央空调系统等，结构有隔膜式缓冲罐和气囊式两种，前者由于罐体容易生锈已逐步淡出市场，气囊式缓冲罐主要为意大利品牌，如意大利第一品牌Aquasystem缓冲罐。缓冲罐的介质可以是液体，也可是气相或固相的物质。名义上，可以将它分为两类：I)扰动衰减类；II）独立运行类。本设计中主要设计气相介质的缓冲罐。1.2氮气的特点单质氮在常况下是一种无色无臭的气体，在标准情况下的气体密度是1.25g·dm-3，氮气在标准大气压下，冷却至-195.8℃时，变成没有颜色的液体，冷却至-209.86℃时，液态氮变成雪状的固体。氮气在水里溶解度很小，在常温常压下，1体积水中大约只溶解0.02体积的氮气。它是个难于液化的气体。在水中的溶解度很小，在283K时，一体积水约可溶解0.02体积的N2。氮气在极低温下会液化成白色液体，进一步降低温度时，更会形成白色晶状固体。通常市场上供应的氮气都盛于黑色气体瓶中保存。但需要进行平稳工作时就需要用到缓冲罐了。21.3立式氮气缓冲罐设计的特点压力容器在设计、选材、制造和使用维护中稍有疏忽，一旦发生事故，其后果不堪设想，所以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。立式氮气缓冲罐也是一个压力容器，也应按GB150《钢制压力容器》标准进行制造、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》的监督。立式氮气缓冲罐，本设计中属于第二类压力容器。缓冲罐主要由筒体、封头、支座以及各种接管和法兰组成。罐体上设有进气管、出气管、排污管以及安全阀、压力表。3第二章设计任务2.1设计题目氮气缓冲罐设计2.2技术特性指标1设计压力：MPa.032设计温度：℃503工作介质及其特性：氮气，无毒，难燃4主要受压元件材料：16MnR5焊接接头系数：1.06全容积：30.9m7装料系数：18最高工作压力：2.2aMP9工作温度：20C10容器类别：第二类4第三章储罐主要零部件结构形式设计及其材料的选择3.1储罐主要零部件结构形式设计3.1.1封头的选择封头是容器的一个部件，根据几何形状的不同，可分为球形、椭圆形、碟形、球冠型、锥壳和平盖等几种，其中球形、椭圆形、碟形、球冠型封头又统称为凸型封头。运用于各种容器设备，如储罐、换热器、塔、反应釜、锅炉和分离设备等。执行标准有GB/T12459-2005、GB/T13401-2005等。从受力与制造方面分析来看，半球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，冲压较为困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也大。椭圆形封头应力分布比较均匀，且深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。蝶形封头受力状况不佳，但过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便成型加工。锥壳主要用于中间段的连接。平盖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。从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平盖封头用材最多。然而，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。3.1.2容器支座的选择立式容器支座有耳式支座、支承式支座、腿式支座和裙式支座等四种。中小型直立容器常采用前三种。耳式支座广泛用于反应釜和换热器等直立设备上。对于高度不大、安装位置距基础面较近且具有凸形封头的立式容器，可采用支承式支座。腿式支座多用于高度较小的中小型立式容器中，具有结构简单，轻巧，安装方便等优点并在容器下面有较大的操作维修空间。综合受力，材料等情况采用腿式支座较为合理。3.1.3法兰型式法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。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，5即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。因此，在对法兰进行设计时，须查找管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件设计标准20635HG~20592HG，并应根据公称直径、工称压力、工作温度、工作介质特性及法兰材料进行选用。3.2主要零部件材料的选择3.2.1筒体与封头材料的选择压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa～345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操作温度超过4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR是普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。它的强度较高、塑性韧性良好。常见交货状态为热轧或正火。属低合金高强度钢，含Mn量较低。性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%。16MnR钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507）2，15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。而且工作介质氮气没有毒性因此选用16MnR钢（钢板标准为GB6654，使用状态为热轧、正火）既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值。参照GB150-1998表4-1，根据设计压力MPa.03，设计温度℃50，筒体壁厚在mm16~6范围内，选得材料的许用应力MPa170t，屈服极限MPa345s。容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构。3.2.2腿式支座材料的选择根据JB/T4712.2,腿式支座选用材料为Q235-A（钢板标准为GB3274,使用状态为热轧）。在表4-1中，选择其许用应力MPa113t，屈服极限MPa235s。63.2.3地脚螺栓的材料选择地脚螺栓选用Q235-A（钢材标准GB700），选得材料的许用应力MPa78t，屈服极限MPa235s。3.2.4接管材料的选择优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。由于接管要求焊接性能好且塑性好。制作各型号接管为16MnR。3.2.5法兰材料的选择由于法兰必须具有足够大的强度和刚度，以满足连接的条件，使之能够密封良好，故选用Q235-A的普通碳素钢。7第四章储罐结构参数设计4.1罐体壁厚设计该容器需100%探伤，焊缝采用全焊透结构，所以取其焊接系数为00.1。材料的许用应力MPa170t，屈服极限MPa345s。根据GB/T9019-2001选得容器公称直径为mmDDNi800。设计压力MPapc.03，利用中径公式计算筒体壁厚：(4-1)查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-2知，钢板厚度负偏差为0.6mm故取.6mm01C。查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-5知，对于有不腐蚀的介质，腐蚀裕量02C。