《压力容器与管道安全》课程设计.

湖南大学《压力容器与管道安全》课程设计专业安全工程姓名刘恶学号023412229课程名称压力容器与管道安全指导教师杨有豪马莲市政与环境工程学院2019年12月目录1. 目的与任务 (2)2. 储罐的设计要求 (2)2.1 设计题目 (2)2.2 设计要求 (2)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 (5)3.1.4两种方案的比较 (6)3.2计算鞍座反力 (7)3.3支座及其位置选取 (8)3.3.1鞍座数量的确定 (8)3.3.2鞍座安装位置的确定 (8)3.3.3鞍座标准的选用 (10)3.4储罐应力校核 (10)3.4.1筒体轴向应力校核 (10)3.4.2筒体和封头切向剪应力校核 (12)3.4.3筒体周向应力校核 (12)3.4.4鞍座有效断面的平均应力校核 (13)3.5 入孔设计 (13)3.6开孔补强计算 (14)3.7接管与法兰联结设计 (16)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=1230m。

i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=0.3208 m3，相等，取DN=1230mm，按有关标准JB4746-2002，查得封头的容积Vh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h=350－28=322mm。

1筒体长度：m V V D L h i069.2)3208.021.3(23.14)2(4220=⨯-⨯=-=ππ 取 0L =2100 mm两封头切线之间的距离L=h L 20+=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=49.79.1157212309.1][2=-⨯⨯=-p pd ti φσmm 设计厚度δd ＝δ十C 2＝7.49十2＝9.49mm 按GS709，取钢板负偏差C 1=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=47.79.15.0157212309.10.15.0][2=⨯-⨯⨯⨯=-p kpd ti φσmm 设计厚度δd ＝δ＋C 2＝7.47＋2＝9.47mm取C 2＝0.8mm ，故名义厚度δn ＝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 ＝⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=⨯=MPa 0.21.09.11.0MPa 375.29.125.1][][25.1p p tσσ.取水压试验压力PT ＝2.1MPa ○2筒体应力校核；筒体有效厚度δe＝δn －C 1－C 2＝9－2.8＝6.2mm所以试验时应力：MPaMPa D p s e e i r T 5.3103459.09.03.2090.12.62)2.61230(1.22)(=⨯=<=⨯⨯+⨯=+=σφδδσ筒体水压试验应力校核满足○1○2要求。

○3封头应力校核：有效厚度δe ＝δn －C1－C2＝9－2.8＝6.2mmMPa5.3103459.09.03.2090.12.62)5.02.61230(1.22)5.0(=⨯=<=⨯⨯⨯+⨯=+=s e e i T T MPa D p σφδδσ 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=48.89.1133212309.1][2=-⨯⨯=-p pd ti φσmm 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=82.89.15.0133212309.10.15.0][2=⨯-⨯⨯⨯=-p kpd ti φσmm 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 ＝⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=⨯=MPa 0.21.09.11.0MPa 375.29.125.1][][25.1p p tσσ 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 －C 1－C 2＝10－3.1＝6.9mm 所以试验时应力：a5.2202459.09.022.1880.19.62)9.61230(1.22)(MP MPa D p s e e i r T =⨯=<=⨯⨯+⨯=+=σφδδσ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 －C 1－C 2＝10－0.8－2＝7.2mmMPa D p e e i T T 9.1790.12.72)2.75.01230(1.22)5.0(=⨯⨯⨯+⨯=+=φδδσ因为 MPa 5.2202459.09.0][=⨯==<s T T σσσ 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:002.22%10097-9=⨯ 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 m 1＝π(D i ＋δe)δn L 0ρ×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/m 3，小于水的密度，故充液质量按水的质量考虑，m4＝9-210)24(⨯+ρπhiVLD＝[4π×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＝17570.00N3.3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。