过程装备基础课程设计-氢气储罐的设计

目录

1 方案确定 (3)

1.1确定筒体型式 (3)

1.2确定封头型式 (4)

1.3确定支承型式 (5)

1.4选择主要材料 (5)

2 工艺设计 (7)

2.1确定容器的公称直径、筒体长度 (7)

2.2确定各工艺接管 (7)

3 结构设计 (8)

3.1接管位置确定 (8)

3.2选择人孔 (9)

3.3选择安全阀 (9)

4 强度设计 (11)

4.1确定设计参数 (11)

4.2确定筒体壁厚 (11)

4.3确定封头壁厚 (13)

4.4压力试验及强度效核 (14)

4.5开孔补强计算 (15)

4.6支座选型及校核 (17)

6 结论 (20)

7 总结与体会 (21)

8 谢辞 (22)

9 参考文献 (23)

前言

随着我国经济与社会的迅速发展，人民对环境治理的迫切需求及传统能源的枯竭，国家对清洁环保型能源越来越重视。化工产业接触的几乎都是危险品，因此对这些危险品的管控与贮存相当重要。以氢气为例，它是目前人类发现的清洁能源之一，但其不易生产与贮存而且是易燃物质，贮存的时候也要确保安全。因此对于氢气储罐的设计有一定要求。

氢气的密度低，比容大，只有高压储运才能有效。氢气性质稳定，不容易跟其他物质发生化学反应，因此氢气的腐蚀性较小。但氢气极易发生爆炸燃烧等现象，因此在储运时对环境条件要格外小心的控制。

本设计完成了10m3卧式氢气储罐的设计，并对氢气储罐在设计、制造、安装、使用、维护与定期检验提出了相应的安全技术要求。设计的氢气储罐公称直径为1400mm，壁厚为6mm，筒体与封头满足水压试验强度校核，选择了500mm的人孔并对人孔的补强做了计算，计算补强圈的厚度为6mm，选择了支座类型为轻型鞍式支座。

本次设计各项参数均按照相关标准决定，主要有GB 150-2011《钢制压力容器》，JB/T 4736-2002《补强圈》，GB 9112-2010-T《钢制管法兰类型与参数》，JB/T 4712-2007《容器支座》，HG/T 21514-21535-2005《钢制人孔和手孔》等。

本次设计流程为：首先进行设计参数的确定，之后结构设计，确定为卧式筒体储罐；然后进行材料选择，为Q345R；再进行设计计算、强度校核与及零部件选型；最后进行开孔补强计算、安全阀的选型与校核。

1、方案的确定

1.1确定筒体型式

根据承载压力方式分类：压力容器分为内压容器和外压容器两类，当压力容器内部介质压力大于外部压力是称为内压容器，反之称为外压容器。其中内部压力小于一个绝对大气压（0.1MPa）的外压容器，又叫真空容器。

内压容器按其设计压力p的大小，又可分为四种。

低压容器（代号L）0.1MPA≤P<1.6MPA

中压容器（代号M） 1.6MPA≤P<10MPA

高压容器（代号H）10MPA≤P<100MPA

超高压容器（代号U） P≥100MPA

本次设计中，V=10m3储存氢气的压力容器，由于氢气压力大于大气压，且设计压力Pc=0.88MPa(Pc=1.1Pw)，所以为低压容器，按照生产过程中所起的作用可选储存压力容器。

（1）球形压力容器由数块弓形板拼装焊接而成，具有很好的承压性能，但其在制造中焊接工艺要求严格，制造工艺复杂，安装内件不便，因此一般多用作储罐。

（2）方形和矩形容器由平板焊成，制造简单，但承压性能差，只能用作常压或者低压小型储罐。

（3）圆筒形容器由圆柱形筒体和各种回转形成形封头（半球形，椭球形，蝶形，圆锥形）或平板形封头所组成。作为容器主体的的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好。这类容器应用最广。

综上所述，结合贮存条件，制作难度与成本考虑，我们此次设计的氢气储罐采用圆筒形容器。

1.2确定封头型式

容器封头又称端盖，是容器的重要组成部分，按其形状分可为三类：凸形封头、锥形封头和平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头，球冠形封头四种。

（1）半球封头：半球形封头是半个球壳组成的，直径不大和厚度较小时，半球形封头通常采用整体冲压成型；直径较大（D

i

>2500mm）时，半球形封头则采用先分瓣冲压成型后拼装焊接的方法制作。由于半球封头的深度较大，故冲压成型较椭圆形封头和蝶形封头困难，多用于大型高压容器和压力较高的储罐上。

（2）椭圆形封头：是有半个椭圆壳和高度为h

的短圆筒（常称为直边段）组成。直边段的作用是为了使封头和筒体的连接环焊缝不出现在经向曲面半径突变处，以改善焊缝的受力情况，其高度一般为25mm或者40mm。由于封头曲面深

度h

i 比半球形封头浅（半球形封头：h

i

/D

i

=5.0；标注椭球形封头：h

i

/D

i

=0.25），

故冲压成型较为方便，是目前中低压容器中最常用的一种封头形式。

（3）蝶式封头：由三部分组成：第一部分是以R

i ≥D

i

的球面部分，第二部分

是r≥10%D

i 且r≥3δ

nk

的固定环壳部分，第三部分是高度为h

=25mm或者40mm

短圆筒。对于蝶形封头，R

i =0.9D

i

,r=0.17D

i

。由于蝶形封头在相同直径和深度的

条件下的应力分布不如椭球圆形封头均匀，因此，仅在加工椭球形封头有困难或者直径较大、压力较低的情况下才选用蝶形封头。

（4）除了上面三种封头之外，还有球冠形封头（连接处的封头和筒体上都存在着相当大的不连续应力，其应力分布很不合理。一般只用于低压和直径不大的压力容器上。）、锥形封头（锥形封头制作较为方便，但受压稍大时，其大小端可能需要局部加强，其结构就较为复杂了。就其强度而言，其与锥形封头和半球形封头、椭球形封头等封头相比较较差，但高于平盖。）、平盖（厚度要求最大，常