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1、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145.3 有效补强面积15第六章 强度计算 176.1 水压试验
2、校核17第七章 设备维护 18参考文献 20第一章 绪论1.1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
3、：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
4、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T95.8C时，变成没有颜色的液体， 冷却至-209.86C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
5、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。1.3 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 GB 150钢制压力
6、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。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： 3.0MPa2设计温度：50C3 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： 0.9m 37 装料系数： 18 最高工作压力： 2.2 MPa9 工作温度：20 C10 容器类别：第二类第三章 储罐主要零部件结构形式设计及其材
7、料的选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
8、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
9、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，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 HG20592 HG20635 ，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
10、 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； 如果容器的操作温度超过400CC，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2CG
11、 （412-540 ）近似，抗拉强度为（450-655 ）稍强，伸长率为19-21%，比2CG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） ,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GB 6654,使用 状态为热轧、正火）既符合工艺要求也
12、节约资源，以便获得更好的经济价值 。参照GB 150-1998表4-1,根据设计压力3.0MPa，设计温度50C，筒体壁 厚在616mm范围内，选得材料的许用应力1 = 170MPa ,屈服极限 q二345MPa。容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构。s3.2.2 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GB 3274,使用 状态为热轧）。在表4-1中，选择其许用应力LI = 113MPa ,屈服极限 q = 235MPa 。3.2.3 地脚螺栓的材料选择地脚螺 栓选用 Q235-A （钢 材标准 GB 700 ）， 选得材料 的许 用
13、应力 二 78MPa，屈服极限 q 二 235MPa 。s3.2.4 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。第四章 储罐结构参数设计4.1 罐体壁厚设计该容器需loo%探伤，焊缝采用全焊透结构，所以取其焊接系数为e二1.00。材料的许用应力B】二1
14、70MPa，屈服极限q二345MPa。根据GB/T 9019-2001s选得容器公称直径为DN二D. = 800mm。设计压力p二3.0MPa，利用中径公式ic计算筒体壁厚：pDc3.0 x 800二 7.2mm2 x 170 x 1 - 3.0(4-1)查标准HG 20580-1998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C = 0.6mm。1查标准HG 20580-1998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C2二0。筒体设计厚度：d筒体名义厚：8 8+ C + C二7.2 + 0.6 + 0二7.8mm，由于钢板厚度范围为n 1
15、 26 16mm，圆整后取8 =8mm。n筒体的有效厚度8 =8 C C 二 8 0.6 0 二 7.4mm。en124.2 封头壁厚的设计查标准 JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头中表 1，选取公称直径DN = D. = 800mm，选用标准椭圆形封头，型号代号为EHA，取D 2h = 2，查ii i标准JB/T 4746-2002钢制压力容器用封头中表2，取直边长h = 25mm。该容器需100%探伤，焊缝全采用全焊透结构，所以取其焊接系数为二1.00。材料的许用应力1 = 170MPa，屈服极限q = 345MPa。根据GB 150-1998中椭圆形s3.0x800(4-2)封头计算中式7-1计算：8 =1 c_i=7.1mm2Iq-f 0.5 p2 x 170 x 1 0.5 x 3.0c查标准HG 20580-1998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C = 0.6mm。1查标准HG 20580-1998钢制化工容器设计基础规定表7-5知，对于有无腐蚀的介质，
