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1、过程设备设计课程设计说明书二氧化碳储罐设计学生姓名专业过程装备与控制工程学号指导教师朱振华 李晶学院机电工程学院目 录第一章 绪论11.1概述11.2 二氧化碳的性质11.3 立式二氧化碳储罐的设计特点11.4设计任务表2第二章 零部件的设计和选型32.1 封头的设计32.2.1 封头的选择32.1.2 封头材料的选择32.1.3 封头的设计计算42.2 人孔的设计42.2.1 人孔的选择42.2.2 人孔的选取52.3 容器支座的设计52.3.1 支座材料的选择52.3.2 支座选取62.3.3 支座的设计62.3.4 支座的安装位置72.4 筒体的材料的选择82.5接管、法兰、垫片和螺栓的
2、形式和选择92.5.1 接管的选取92.5.2 法兰的选取102.5.3 垫片的选取102.5.4螺栓的选取11第三章 强度设计与校核123.1 圆筒强度设计123.2 封头强度设计123.3 筒体长度校核133.4 人孔补强设计133.5水压试验校核15结论16参考文献. 17第一章 绪论1.1概述储存设备又称储罐,主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用,如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。储罐内的压力直接受到温度的影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐。目
3、前我国普遍采用常温压力储罐，常温储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。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。一般储存总量大于或单罐容积大于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, 所以在总储量小于或单罐容积小于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 二氧化碳
4、的性质二氧化碳是空气中常见的化合物，其分子式为CO，由两个氧原子与一个碳原子通过共价键连接而成，常温下是一种无色无味气体，密度比空气略大，能溶于水，并生成碳酸。固态二氧化碳俗称干冰。二氧化碳认为是造成温室效应的主要来源。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。二氧化碳在焊接领域应用广泛，如：二氧化碳气体保护焊，是目前生产中应用最多的方法。1.3 立式二氧化碳储罐的设计特点设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺要求，考虑存储介质的性质、容量、钢材的耗费量等等。立式储罐，危险性大，容易发生火灾和爆炸事故，必须按照
5、有关规定，建立防火、防爆制度，经常进行防火巡查，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GB50183，GB50074规定。低倍数空气泡沫灭火系统应按GB50151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。 立式二氧化碳储罐，此次设计针对的是第一类压力容器
6、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。1.4 设计任务表表 1.1 任务表序号名称指标1设计压力 MPa1.592设计温度 0C1503最高工作压力 MPa1.54工作温度 0C1205工作介质二氧化碳气体6主要受压元件材料16MnR7焊接接头系数0.858腐蚀余量 mm1.09全容积 m3210容器内别第一类第二章 零部件的设计和选型2.1 封头的设计2.2.1 封头的选择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，冲压较为困难。椭圆形封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容
7、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。从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材最多。因此，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。2.1.2 封头材料的选择介质具无毒性，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245Mpa345Mpa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
8、度超过4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。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），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。因此选用16MnR钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 ，所以筒体与封头材料均选用低合金钢板（钢板标准为GB 6654，使用状态为热轧、正火）。参照GB 150-1
9、998表4-1，根据设计压力，设计温度，筒体壁厚在范围内，选得材料的许用应力，屈服极限。又由于介质无毒无污染，又考虑到压力容器焊接结构的设计原则，容器的所有焊缝（包括角焊缝）没必要都采用全焊透结构，焊接接头系数为0.85。2.1.3 封头的设计计算由，得封头的其他参数：查标准JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见下表2.和下图2-1。图2-1 封头尺寸表2.1公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/容积V/质量/Kg12003251.65520.2545128.32.2 人孔的设计2.2.1 人孔的选择压力容器设
10、置人孔是作为工作人员进出设备以进行检验和维修之用，而且能避免因意外原因造成罐内急剧超压或真空时，损坏储罐而发生事故，还能起到安全阻火作用，是保护储罐的安全装置。因此，人孔的位置应适当，人孔直径必须保证工作人员能携带工具进出设备方便。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。公称直径则指其筒节的公称直径）、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选择，在这选用回转盖带颈对焊法兰人孔。2.2.2 人孔的选取由于贮罐是在120度温及最高
11、压力为1.8MPa下工作，人孔标准按公称压力2.5MPa的压力等级选取。又人孔盖直径较大且质量较重，选用回转盖带颈平焊法兰人孔。下表2.2各部件材料表：表2.2人孔各部件的材料标准名称材料GB/T 95垫圈100HV筒节16MnR 吊环Q235-AF支承板16MnR转臂Q235-AFHG 20595 法兰16Mn（锻）GB/T 41螺母4级30CrMoHG 20610垫片缠绕式垫吊钩Q235-AFHG 20601法兰盖16MnR吊耳Q235-AFHG 20613等长双头螺柱8.8级35CrMoA环Q235-AFHG 20613螺母8级30CrMo无缝钢管20选用凹凸面的法兰，其尺寸见下表2.3
12、：表2.3人孔尺寸密封面形式凹凸面MFM公称压力PN2.5MPa公称直径DN450mm48012456mm670mm600mm320mm211mm42mm41mm46mm380mm36mm螺柱数20螺母数40螺柱规格M332165总质量258kg该人孔标记为：HG/T21518-2005 人孔MFM（A.G）450-1.62.3 容器支座的设计2.3.1 支座材料的选择根据JB/T4712.4,支撑式支座选用材料为10号刚管，地板选材为Q235A，垫板选材OCr18Ni19（钢管标准为GB 9948,使用状态为热轧）。在表6-11、12中，选择其许用应力，屈服极限。2.3.2 支座选取支座用来
13、支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。立式圆筒形容器的支座分为支承式支座、群座、腿式支座三类。由于立式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故此设计中选用支承式支座。支承式座分为A型（轻型）和B型（重型）两类。由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，由于是立式容器，故采用三A型支承式支座。2.3.3 支座的设计首先估算计算支座的负荷。贮罐总质量：式中：m1为筒体质量（kg），m2为封头质量（kg），m3为二氧化碳质量（kg），m4为附件质量（kg）。筒体质量m1，的筒节，每米质量为q1=300kg，故m1= q1L=300*2=600kg 封头质量m2，直边高度h=2
14、5mm的标准椭圆形封头，其质量为q2=128.3kg，故m2=2q2=256.6kg二氧化碳质量m3 充气质量：，水压试验充满水，故取介质密度为，则充液质量为式中：为装料系数，取1附件质量人孔约重258kg，其它接口管法兰重约13kg，故m4=271kg。则设备总质量：由于每个支座承受约7.9kN负荷，故选用支承式支座A JB/T 4712.4-2007查JB4724-92容器支座支承式支座中表1，首先优先选择钢板焊制，带垫板A型支座。查JB4724-92容器支座支承式支座中表2得到支撑式支座尺寸如下表2.4支承式支座座尺寸表2.4公称直径DN1200垫板240允许载荷Q/KN40筋板18010支座高度h42014050底板17010螺栓间距420
