100M3濃硝酸臥式儲罐

目錄 第一章設計參數(shù)的選擇 11.1筒體材料的選擇 1.2公稱直徑的確定 11.3設計壓力 11.4設計溫度 1.5焊接接頭系數(shù) 2第二章設備的結構設計 32.1圓筒厚度的設計 2.2封頭的設計 32.2.1封頭厚度的設計 2.2.2封頭的結構尺寸 42.3鞍座選型和結構設計 42.3.1鞍座選型 42.3.2鞍座位置的確定 62.4臥式貯罐的接管、法蘭的選用 7 2.6液面計的選擇 8第三章容器強度的校核 93.1水壓試驗應力校核 93.2筒體軸向彎矩計算 93.3筒體軸向應力計算及校核 3.4筒體和封頭中的切向剪應力計算與校核 3.5封頭切向剪應力計算 3.6筒體的周向應力計算與校核 3.7鞍座應力計算與校核 3.7.1應力及強度校核 3.7.2板組合截面應力計算及校核 3.8開孔補強設計 3.8.1補強設計方法判別 3.8.2有效補強范圍 3.9有效補強面積 3.10補強面積 第四章臥式貯罐的焊接 4.1焊縫布置 4.3焊接順序 4.3.1焊前清理 4.3.2焊接過程和順序 4.3.3焊后處理 參考文獻 緒論近年，壓力容器被廣泛應用于現(xiàn)代的工業(yè)、民用及軍用等部門。壓力容器在社會各行各業(yè)的生產、儲存、運輸?shù)确矫婢哂胁豢扇〈牡匚?，在發(fā)展國民經(jīng)濟、鞏固國防、解決人們衣食住行等方面起著極為重要的作用。目前我國普遍采用常溫壓力貯罐，常溫貯罐一般有兩種形式：球形貯罐和圓筒形貯加工制造及安裝復雜，焊接工作量大，故安裝費用較高。一般貯存總量大于500m3或單罐容積大于200m2時選用球形貯罐比較經(jīng)濟；而圓筒形貯罐具有加工制造安裝簡單，安裝費用少等優(yōu)點，但金屬耗量大占地面積大，所以在總貯量小于500m3,單罐容積小于100m3時選用臥式貯罐比較經(jīng)濟。圓筒形貯罐按安裝方式可分為臥式和立式選用臥式圓筒形貯罐，只有某些特殊情況下(站內地方受限制等)才選用立式。本文主要討論臥式圓筒形濃硝酸貯罐的設計。本儲罐的焊接結構主要設計了筒體壁厚，支座，封頭，法蘭，加強圈等。根據(jù)儲存介質的要求來進行儲罐的選材，本次設計的介質為濃硝酸，儲體選用Al1060。根據(jù)施工現(xiàn)場的環(huán)境要求及罐體厚度等選擇合適的焊接方法。設計的封頭為標準橢圓形封頭，設臥式濃硝酸貯罐設計的特點，應按GB150和JB4734-2002進行制造、試驗和驗收；并接受勞動部頒發(fā)《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》(簡稱容規(guī))的監(jiān)督。貯罐主要有筒體、封頭、人孔、支座以及各種接管組成。貯罐上設有排污管以及安全閥、壓力表、溫度計、液面計等。第一章設計參數(shù)的選擇1.1筒體材料的選擇由于盛裝溶液為98%濃硝酸溶液，有較強腐蝕性，故選擇鋁作為主要制作原料。根據(jù)JB4734-2002《鋁制焊接容器》表4-1并結合實際情況，選用筒體材料為Al1060。A11060鋁板使用溫度-269~200℃,鋁板厚度不大于80mm,20℃許用應力15MPa。1.2公稱直徑的確定設筒體直徑為D,筒體長度為L=2D,選用標準橢圓封頭，則其體積可表示為：由此可求得D=3929mm所以暫定D=3800mm。1.3設計壓力設計壓力是指設定的容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷，其值不得低于工作壓力。根據(jù)《化學化工物性數(shù)據(jù)手冊》表3.2.15查得98%濃硝酸的密根據(jù)化學化工物性數(shù)據(jù)手冊表3.6.8查飽和蒸汽壓：Pc=0.01MPa(30℃)設計溫度指容器在正常工作情況下，設定的元件的金屬溫度(沿元件金屬截面的溫度平均值)。設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷條件。設計溫度取40℃。1.5焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù)是以焊接強度與母材強度之比值φ表示的。它與焊縫位置焊接方法以及檢驗等因素有關。JB4732標準中要求受壓元件焊縫必須100%無損檢測，取焊縫系數(shù)設計參數(shù)總結如下表1.5序號數(shù)值單位備注1名稱100m398%濃硝酸臥式貯罐2筒體材料Al10603設計壓力4設計溫度5公稱直徑6公稱容積3m7充裝系數(shù)8工作介質濃硝酸9其他要求100%無損檢測第二章設備的結構設計2.1圓筒厚度的設計2.2封頭的設計封頭的設計厚度δ=δ+C?+C?=24.61mm查標準JB/T4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》中表B.1EHA橢圓形封頭內表面積、容積，如下表2.1公稱直徑DN曲面高度h直邊高度總深度H內表面積容積m圖2.1封頭的示意圖2.3鞍座選型和結構設計臥式容器一般采用雙鞍式支座，材料選用Q235C。L=8.4505m,圓整取L=8m儲罐總質量m=m?+2m?+m?+m?m?=πDLδ·p=3.14×3.8×8×0.025×2680=6398.7959kgm,單個封頭的質量：查標準GBT25198-2010《壓力容器用封頭》中表C.2EHA橢圓形封頭質量，可知m?=3111.1kgG=mg=160422.9959×9.8=1572145.36N則每個鞍座承受的重量為786.072kN由此查JB4712-2007《容器支座》表1,選取重型，焊制為BI,包角為120°,有墊板的鞍座，筋板數(shù)為6。查JB4712-2007表8設計鞍座結構如下圖2.2,尺寸如下表2.2: 允許載荷墊板鞍座高度h筋板b?螺栓間距e底板δ25墊板弧長螺孔/孔長鞍座質量2.3.2鞍座位置的確定因為當外伸長度A=0.207L時，雙支座跨距中間截面的最大彎矩和支座截面處的彎矩絕對值相等，從而使上述兩截面上保持等強度，考慮到支座截面處除彎矩以外的其他載荷，面且支座截面處應力較為復雜，故常取支座處圓筒的彎矩略小于跨距中間圓筒的彎矩，通常取尺寸A不超過0.2L值，即A≤0.2L=0.2(L+2h),A最大不超過0.25L.否則由于容器外伸端的作用將使支座截面處的應力過大。由標準橢圓封頭有故A≤0.2(L+2h)=0.2×(8000+2×40)=1616mm鞍座的安裝位置如圖2.2所示：此外，由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗變鋼度，故封頭對于圓筒的抗彎鋼度具有局部的加強作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對支座處圓筒截面的加強作用。因此，JB4731還規(guī)定當滿足A≤0.2L時，最好使A≤0.5Ra,即2.4臥式貯罐的接管、法蘭的選用圖2.4儲罐接管設置示意圖查JB4734-2002《鋁制焊接容器》與NB/T47020-2012《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》中帶頸對焊焊管法蘭，選取法蘭直徑500mm。由JB4734-2002《鋁制焊接容器》表4-3選取各接管直徑分別為：進料口與出料口100mm、其余各孔均取60mm。圖2.5法蘭示意圖根據(jù)HGT21517-2005回轉蓋帶頸平焊法蘭人孔，查表3-3,選用凹凸面型，其明細尺寸見表2.6:表2.3法蘭尺寸表單位：mm密封面型式公稱壓力公稱直徑總質量kg螺栓尺寸螺母數(shù)量螺栓數(shù)量凹凸面M30×2×1102.6液面計的選擇根據(jù)HG/T21584-95選磁性液面計。第三章容器強度的校核3.1水壓試驗應力校核0.9φo=0.9×1×60=54>σ,故合格3.2筒體軸向彎矩計算圓筒軸向最大彎矩位于圓筒中間截面或鞍座平面上。(見圖3.1)。圖3.1容器載荷、支座反力、剪力及彎矩圖圓筒中間處的軸向彎矩，分析圖3.1得：M?為正值，表示上半部分筒體受壓縮，下半部分筒體受拉伸。支座處圓筒橫截面上的軸向彎矩為：M?一般為負值表示筒體上半部分受拉伸，下半部分受壓縮。3.3筒體軸向應力計算及校核(1)圓筒中間橫截面上，由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力(2)支座處圓筒截面上，由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力因鞍座平面上筒體被封頭加強，取鞍座包角θ=120°,查JB/T4731-2005表7-1可得K?=1.0,K?=1.0最高點處：按下式進行計算最低點處：按下式進行計算(3)筒體軸向應力校核因軸向許用臨界應力由根據(jù)圓筒材料查圖4-8可得3.4筒體和封頭中的切向剪應力計算與校核因為A的取值帶來的加強作用，查JB/T4731-2005表7-2得K?=0.880,K?=0.401,其最大剪應力位于靠近鞍座邊角處3.5封頭切向剪應力計算3.6筒體的周向應力計算與校核=-48.94MPa符合要求，合格3.7鞍座應力計算與校核3.7.2板組合截面應力計算及校核A?=(1?-20)δ?=(2780-20)×25=69000x=1,/2-10-15-l?-δ?=2780/2-10-15-440-18=90Aa=6A?+A?=6×6030+69000=105180mm2則k?=1.2根據(jù)GB150-2010規(guī)定，當殼體上的開孔滿足下述全部要求時，可不另行補強。(2)兩相鄰開孔中心的距離(對曲面間距以弧長計算)應不小于兩孔直徑之和的2倍。(3)接管公稱外徑小于或等于89mm。故該儲罐中只有DN=500mm的人孔需要補強。按HG/T21518-2005,選用回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔。開孔直徑d=d?+2C?=500+2×2=504mm故可以采用等面積法進行開孔補強計算。根據(jù)GB150-2011中式8-1,A=dδ+288et(1-f,)強度削弱系數(shù)f,=13.8.2有效補強范圍有效寬度B的確定按GB150中式8-7,得：B?=2d=2×504=1008mmB?=d+2δ+2δ=504+2×25+2×10=574mmB=max(B,B?)=1008mm有效高度的確定根據(jù)GB150中式8-8,得：h?=H?=280mm(2)內側有效高度h?的確定根據(jù)GB150-2011中式8-9,得：h?1=√dδ=√504×25=112.24mmh?`=0h?=min(h?,h?)=0根據(jù)GB150中式8-10～式8-13,分別計算如下：筒體多余面積A?A?=(B-d)×(δ-δ)-2δ(δ-δ)×(1-f,)=(1008-504)×(25-22.61)=1204.56mm2接管厚度接管的多余面積A?=2h?(δ-δ)f,+2h?(δ-C?)f,=2×70.99×(25-22.61)×1=339.33mm2焊角取6.0mm,A?=36mm2第四章臥式貯罐的焊接壓力容器受部分的焊接接頭分為A,B,C,D四類：A類焊縫：受壓部分的縱向接頭(多層包扎壓力容器層板層縱向接頭除外)球形封頭與圓筒聯(lián)接的環(huán)向接頭，各類凸形封頭中所有拼焊接頭以及嵌入式接管與圓筒，封頭B類焊縫：受壓部分的環(huán)向接頭，橢圓形封頭小端與接管連接的接頭。長頸法蘭與接管連接的接頭。但已規(guī)定的A,C,D類焊縫除外。C類焊縫：平蓋，管板與圓筒非對接連接的接頭，法蘭與殼體接管的接頭，內封頭與圓筒的搭接填角接頭以及多層包扎壓力容器層板層縱向接頭。D類焊縫：接管孔與殼體非對接連接的接頭凸緣，補強圈與殼體連接的接頭。但已規(guī)定的A,B類的焊接接頭除外。封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭A類法蘭與接管焊接接頭C類接管與人孔等與殼體非對接的接頭———D類焊接是壓力容器設計、制造過程中不可避免的連接方式。壓力容器筒體的周向應力拼接焊縫中心線間距至少應為鋼板厚度的3倍，且不小于100mm;封頭由成形瓣片和頂圓接零件。如不能避免時，焊接零件的焊縫可穿過主要焊縫，而不要在焊縫及其鄰近區(qū)域中止。開孔、焊縫和轉角要錯開。開孔邊緣與焊縫的距離應不小于開孔處實際壁厚的3倍，且不小于100mm。在凸形封頭上開孔時，孔的邊緣與封頭周邊間的投影距離應不小于封頭外徑的10%。開孔及焊縫不允許布置在部件轉角處或扳邊圓弧上，并應離開一定距離。綜上所述，再結合實際情況(Al1060板厚25mm,鋁板寬度800~2200mm,筒體長8000mm,直徑3800mm)故筒節(jié)分四部分卷制焊接，筒節(jié)寬分為2200mm、2200mm、2200mm、1400mm四段，封頭采用兩部分拼接，再用旋壓機旋壓成封頭。筒節(jié)組焊時四個縱焊縫距離大于300mm。相交十字焊縫需進行清根處理再施焊。由于鋁板與鋼板A,B類焊縫(筒體環(huán)縱焊縫),由JB4734-2002《鋁制焊接容器》附錄E表E.3查得，由于壁厚25mm,所以選擇6至26mm的X形坡口如圖：坡口尺寸：間隙a=1.5~3鈍邊p=2~3角度aα?=(80±5)a?=(70±5)備注雙面焊，反面鏟焊根，每邊焊兩層以上，采用熔化極自動氬弧焊。C類焊縫(接管與筒體焊縫),由JB4734-2002《鋁制焊接容器》附錄E表E.3查得坡口形式如圖：采用手工氬弧焊雙面立焊打底，平焊外側覆蓋。工件焊接前必須進行清理，除去工件表面的銹漬，油污和工件表面的毛刺。焊前處理能夠有效防止焊接過程中產生氣孔、夾雜等焊接缺陷的形成。4.3.2焊接過程和順序焊接過程至關重要，施工人員必須嚴格按照合理的結構順序，選擇合理的焊接工藝參數(shù)，嚴格施工。首先將兩側的半圓點焊在一起，然后將點固好的兩側拼接在一起。焊接過程應該保持結構的對稱性，以減少變形和焊接殘余應力。a.鋼板氣割下料和卷制。b