80吨98%浓硫酸储罐化工设备课程设计汇总
化工设备机械基础
大型作业
题目：贮存槽罐
教学院：化材学院
专业：应用化工技术（专）2010（1）学号：201030820134
学生姓名：吴奇
指导教师：夏贤友
2012 年06 月08 日
大型作业任务书6
2011～2012 学年第2学期
学生姓名：吴奇专业班级：应用化工技术（专）2010（1）
指导教师：夏贤友工作部门：化工教研室
一、大型作业题目：贮存槽罐
二、大型作业内容（含技术指标）
1．贮存介质：80吨98%的硫酸；2．容器内压：常压；3．贮存地点：黄石某地区；4. 作业成果：计算书1份，设备图1张（A1图纸手工绘制）。
三、进度安排
1．5月28日：分配任务；
2．5月28日-6月03日：查询资料、初步设计；
3．6月04日-6月08日：设计计算，完成报告。
四、基本要求
1．设计方案：根据给定的条件合理选择设备的结构以及合适的材料，立式容器或卧式容器的筒体和封头、钢板卷制焊接结构接头、钢板材料的型号及热处理条件等；
2．设计计算：依据材料的性能，对选用设备的壁厚进行计算、稳定性进行校核；
3．辅助设备的选型：包括典型辅助设备的主要尺寸计算及型号规格：人孔或手孔设计、法兰的型号规格、接管开孔结构、视镜或液面镜以及容器的支座选型等。
教研室主任签名：
2012 年月日
目录
绪论 (1)
1 设计参数的选择 (2)
1.1筒体材料的选择 (2)
1.2公称直径的确定 (2)
1.3设计压力 (2)
1.4设计温度 (2)
1.5焊接接头系数 (3)
2 设备的结构设计 (4)
2.1圆筒厚度的设计 (4)
2.2封头的设计 (4)
2.2.1封头厚度的设计 (5)
2.2.2封头的结构尺寸 (5)
2.3鞍座选型和结构设计 (5)
2.3.1鞍座选型 (5)
2.3.2鞍座位置的确定 (6)
2.4卧式贮罐的附件及其选用 (7)
2.4.1接管和法兰 (8)
2.4.2垫片的选用 (9)
2.4.3螺栓的选择 (10)
2.5人孔的选择 (10)
2.6液面计的选择 (10)
3 容器强度的校核 (11)
3.1水压试验应力校核 (11)
3.2开孔补强设计 (11)
3.2.1补强设计方法判断 (11)
3.2.2有效补强范围 (12)
3.3有效补强面积 (12)
3.4补强面积 (12)
4 卧式贮罐的焊接 (13)
4.1 焊缝布置 (13)
4.1.1接头的分类及其选择 (13)
4.1.2焊缝的布置 (13)
4.2焊接方法 (14)
4.3焊接顺序 (15)
4.3.1焊前清理 (15)
4.3.2焊接过程和顺序 (15)
4.3.3焊接处理 (15)
致谢.................................................................................. 错误！未定义书签。参考文献. (18)
绪论
近年，压力容器被广泛应用于现代的工业、民用及军用等部门。压力容器在社会各行各业的生产、储存、运输等方面具有不可取代的地位，在发展国民经济、巩固国防、解决人们衣食住行等方面起着极为重要的作用。
目前我国普遍采用常温压力贮罐, 常温贮罐一般有两种形式: 球形贮罐和圆筒形贮罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 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。一般贮存总量大于5003m或单罐容积大于2003m时选用球形贮罐比较经济; 而圆筒形贮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, 所以在总贮量小于5003m, 单罐容积小于1003m时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。一般选用卧式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式。本文主要讨论卧式圆筒形浓硫酸贮罐的设计。
本储罐的焊接结构主要设计了筒体壁厚，支座，封头，法兰，加强圈等。根据储存介质的要求来进行储罐的选材，本次设计的介质为浓硫酸，储体选用Q-235C。根据施工现场的环境要求及罐体厚度等选择合适的焊接方法。设计的封头为标准椭圆形封头，设计的支座为鞍式支座。
卧式浓硫酸贮罐设计的特点，应按GB150《钢制压力容器》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》(简称容规) 的监督。贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。贮罐上设有排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等。
1 设计参数的选择
1.1筒体材料的选择
根据文献 [ 1 ] 表4-1并结合实际情况，选用筒体材料为碳素合金钢Q-235C （钢材标准为文献 [ 1 ] 。 Q-235C 适用范围规定如下：
容器设计压力p≤2.5MPa ； 钢板使用温度为0-400℃;
用于壳体时，钢板厚度不大于30mm 。
1.2公称直径的确定
设筒体直径为D ， 筒体长度为L =2D ， 选用标准椭圆封头， 则其体积可表示为:
9
.04324224
2
3
21=
?+?=+=D D
D
V V V ππ
由此可求得D =2971mm 所以粗定D =3000mm 。
1.3设计压力
设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不得低于工作压力。
液柱静压力：5410.00.38.91048.13
1=???==gh P ρMPa
根据化学化工物性分析手册表3.6.5查饱和蒸汽压：Pc=0.0118MPa
工作压力：1128.00118.0101.00=+=+=c P P Pw MPa 设计压力：1241.01128.01.11.1=?==Pw P MPa 计算压力：p=0.1241+0.0541=0.1782 MPa
1.4 设计温度
设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温
度平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。
设计温度取50℃。
1.5焊接接头系数
焊接接头系数是以焊接强度与母材强度之比值 表示的。它与焊缝位置焊接方法以及检验等因素有关。文献[ 12 ]中要求受压元件焊缝必须100%无损检测，取焊缝系数1.00。
设计参数总结如下表1.1。
表1.1 设计数据
序号项目数值单位备注
1 名称80吨浓硫酸卧式贮存槽罐
2 筒体材料Q-235C
3 设计压力0.1241 MPa
4 设计温度50 C
5 公称直径3000 mm
6 公称容积48 3m
7 充装系数0.9
8 工作介质98%浓硫酸
9 其他要求100%无损检测
2 设备的结构设计
2.1圆筒厚度的设计
查文献 [ 4 ]中表4-1，可得：在设计温度50℃下，屈服极限强度，[]235t =σMPa 许用应力[]235t =σMPa 利用中径公式计算厚度：[]14.21782
.0-125123000
1782.0-
2=???=
=
p
p
c
t
c D
σφδmm
查文献[4]表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm ，而文献 [ 4 ] 3.5.5.1知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm ，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取
10C =。
查文献[4]表7-5知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量2C 不小于1mm ,本例取2C =2mm 则筒体的设计厚度 4.1421=++=C C i δδmm 圆整后，取名义厚度8=n δmm 筒体的有效厚度621=--=C C n e δδmm
2.2封头的设计
2.2.1 封头厚度的设计
查文献[2]中表1，得公称直径0003==n i D D mm
选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA ，则 22i i
D h =，根据GB150-1998中椭圆形封头计
算中式7-1计算：[]14.21782
.00.5-125123000
1782.00.5P -2=????==
t
i PD σ?δmm 同上，取2C =2mm ，10C =。
封头的设计厚度 4.1421=++=C C d δδmm 圆整后，取封头的名义厚度8=n δmm ， 有效厚度 621=--=C C n e δδmm
2.2.2 封头的结构尺寸（封头结构如下图1）
由
()
22i D H h =-，得407507904=-=-=i D
H h mm
查文献 [ 2 ] 中表B.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积，如下表2.1
表2.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积
公称直径
DN
/mm 曲面高度hi
/mm 直边高度h/mm 总深度H /mm
内表面积A/2
m
容积
V 封/3m
3000
750
40
790
10.1
3.82
图2.1 封头的示意图
2.3鞍座选型和结构设计
2.3.1鞍座选型
该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-C 。
82.32429
.043221?+?=+=L D v v π L =11.8496m
储罐总质量1234
2m m m m m =+++ 1m ——筒体质量：kg DL m 2533.4241085.7006.05.71
0.314.331=?????=?=ρδπ 2m ——单个封头的质量：查文献[4]中表B.2 EHA 椭圆形封头质量，可知，kg m 4872
=
3m ——充液质量 31080?kg ，
4
m
——附件质量：人孔质量为302kg ，其他接管质量总和估为400kg ，即4702k g m =
综上所述，
kg m m m m m 8505524321=+++=
833539N 8.985055=?==mg G
则每个鞍座承受的重量为416.7695kN 由此查JB4712.1-2007《容器支座》，选取轻型，焊制为A,包角为120°，有垫板的鞍座。
查文献[1]表8设计鞍座结构尺寸如下表2.2。
表2.2 鞍式支座结构尺寸 单位mm
公称直径 DN 3000 腹板
2
δ
10 垫板
4b
550 允许载荷 Q/kN 785 筋板
341 4
δ
10 鞍座高度
h
250
2b 316 e
65 底板
2180 3b
406
1940 b
360 3
δ
10 螺孔/孔长
D/l 28/60 1δ
14
垫板 弧长
3490
Kg
405
2.3.2鞍座位置的确定
因为当外伸长度A=0.207L 时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A 不超过0.2L 值，为此中国现行标准JB 4731《钢制卧式容器》规定A≤0.2L=0.2（L+2h ），A 最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。 由标准椭圆封头
()
222.0D =+h L i
，有
故1158)4025.71(2.0)2(2.0=?+?=+≤h L A mm 鞍座的安装位置如图2.2所示：
图2.2 鞍座的安装示意图
此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB 4731还规定当满足A≤0.2L 时，最好使A≤0.5R a ，即
mm D a 1504415002
2R n
=+=+=
δ 7525.0A =≤Ra mm ，取A=750mm
综上有：A=750mm(A 为封头切线至封头焊缝间距离，L 为筒体和两封头的总长)
2.4卧式贮罐的附件及其选用
液化石油气储罐应设置出料口，进料口，人孔，液位计口，压力表口，温度计口，排污口，排空口等。
图2.4 储罐接管设置示意图
2.4.1接管和法兰
查文献[5]表8.2.2-2 PN10带颈对焊焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。
查文献[5]附录D中表D-3,得各法兰的质量。
查文献[5]表3.2.2，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。
图2.3 带颈对焊钢制管法兰示意图
表2.3 接管和法兰尺寸单位mm
管口名称公称
直径
DN 钢管外
径法兰
焊端外
径
法兰
外径
D
螺栓
孔中
心圆
直径
K
螺栓
孔直
径L
螺栓
孔数
量n
（个
）
螺栓
Th
法兰
厚度
C
法兰颈法兰
高度
法兰
质量
N S H1 R
H
出料口80 89B 200 160 18 8 M16 20 105 3.2 10 6 50 4 进料口80 89B 200 160 18 8 M16 20 118 3.2 10 6 50 4
液位计口32 38B 140 100 18 4 M16 18 56 2.6 6 6 42 2 温度计口20 25B 105 75 14 4 M12 18 40 2.3 6 4 40 1
压力表口20 25B 105 75 14 4 M12 18 40 2.3 6 4 40 1 排污口80 89B 200 160 18 8 M16 20 105 3.2 10 6 50 4 排空口65 76B 185 145 18 8 M16 18 92 2.9 10 6 45 2.5
2.4.2垫片的选用
查文献[6]，垫片尺寸如表2.4所示
表2.4 垫片尺寸表 单位mm
管口名称 公称直径 内径D1 外径D2 出液口 80 89 120 进液口 80 89 120 人孔 500 530 575 液位计口 32 43 65 温度计口 20 27 50 压力表口 20 27 50 排污口 80 89 120 排空口
65
77
109
注：1.选耐酸石棉橡胶板
2.垫片厚度均为1.5mm ，人孔选3mm 。
2.4.3螺栓（螺柱）的选择
查文献[7]表5.0.7-9和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸：
表2.5 螺栓及垫片 单位mm
管口名称
紧固件用平垫圈
公称直径
螺纹 螺柱长 1
d
2
d
h 出液口 80 M16 90 17 30 3 进液口 80 M16 90 17 30 3 液位计口 32 M16 85 17 30 3 温度计口 20 M12 75 13 24 2.5 压力表口 20 M12 75 13 24 2.5 排空口 65 M16 85 17 30 3 排污口
80
M16
90
17
30
3
2.5人孔的选择
查文献[3]表3-3，选用凹凸面型，其明细尺寸见表2.6：
表2.6 人孔尺寸表 单位：mm
密封面型式
公称压力 PN/MPa
公称直径DN 总质量kg 螺栓尺寸
螺母数量
螺栓数量
凹凸面
1.6
500 222
302110
M ??
20 20
1
b
2b
B 0
d
1D
D w d s ? 31 36
200 24 650 715 53010
?
1H
2H
A d b L 260
111
390
24
34
300
2.6液面计的选择
查文献[8]，选磁性液面计。
3 容器强度的校核
3.1水压试验应力校核
试验压力： 1.25 1.250.19580.24475T P P MPa ==?=
圆筒的薄膜应力()0.24475(40006)
81.7057226
t e r e P D MPa δσδ+?+===?
r s σφσ>=??=5.21123519.09.0 故合格
3.2 开孔补强设计
根据文献[ 13 ] 规定，当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。 (1)设计压力小于或等于2.5MPa 。
(2)两相邻开孔中心的距离（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的2倍。 (3)接管公称外径小于或等于89mm 。
故该储罐中只有DN =500mm 的人孔需要补强。
3.2.1 补强设计方法判别
按文献[ 3 ]选用回转盖带颈对焊法兰人孔。 开孔直径50422500C 2d d 2i =?+=+=mm
1000330003d ==
故可以采用等面积法进行开孔补强计算。
接管材料选用Q-235C 钢，其许用应力[]t
125MPa σ=
根据GB150-1998中式8-1，A =d 2(1)r
e t
f δδδ+- 其中：壳体开孔处的计算厚度 2.14=δmm
接管的有效厚度12826et nt C C mm δδ=--=-= 强度削弱系数r f =1
所以开孔所需补强面积为()56.107814.2504-12d A =?=+=r et f δδδmm
3.2.2有效补强范围
有效宽度B 的确定 按GB150中式8-7，得：
12n nt 12B 2d 25041008mm
B d 2250428210540mm B max B B 1008mm
δδ==?==++=+?+?===（，）
有效高度的确定
(1）外侧有效高度1h 的确定 根据GB150中式8-8，得：
'1nt h d 5041070.99mm δ==?=
''11h 280mm H ==
'''111h min h h 70.99mm ==（，）
(2）内侧有效高度2h 的确定
根据文献[ 13 ]中式8-9，得：
'2nt h d 504870.99mm δ==?=
''2h 0=
'''222h min h h 0==（，）
3.3 有效补强面积
根据文献 [ 8 ] 中式8-10 ~ 式8-13，分别计算如下：
123
e A AA A =++ 筒体多余面积1A
2r 2953.44mm
2.14)-(8504)-(1008)f -(1)-(2-)-(d)-(B A =?=??=δδδδδe et e 接管厚度 []14.21782.05.0-125123000
1782.00.5-2e =????==P PD t
i σ?δmm 接管的多余面积
()()2r 2et 212832.17mm
12.14-870.992f C -2f -2h A =???=+=）（δδδh r t et 焊角取6.0mm ，23A 36mm =
3.4 补强面积
2
321e 3824.44mm
368322953.44A A A A =++=++= 因为2
e 23824.44mm
A 1078.56mm A =<=所以开孔不需另加补强
4 卧式贮罐的焊接
4.1 焊缝布置
4.1.1接头的分类及其选择
压力容器受部分的焊接接头分为A，B，C，D四类：
A 类焊缝：受压部分的纵向接头（多层包扎压力容器层板层纵向接头除外）球形封头与圆筒联接的环向接头，各类凸形封头中所有拼焊接头以及嵌入式接管与圆筒，封头
联接的对接接头等。
B 类焊缝：受压部分的环向接头，椭圆形封头小端与接管连接的接头。长颈法兰与接管连接的接头。但已规定的A，C，D类焊缝除外。
C类焊缝：平盖，管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体接管的接头，内封头与圆筒的搭接填角接头以及多层包扎压力容器层板层纵向接头。
D类焊缝：接管孔与壳体非对接连接的接头凸缘，补强圈与壳体连接的接头。但已规定的A，B类的焊接接头除外。
由上述四类接头的说明设计如下：
椭圆形封头与圆筒连接的环向接头———A类
受压部分的环向接头（筒节与筒节的对接）———B类
接管与人孔等与壳体非对接的接头———D类
4.1.2 焊缝的布置
焊接是压力容器设计、制造过程中不可避免的连接方式。压力容器筒体的周向应力是轴向应力的2倍,因此,在制造过程中,对纵向焊缝的质量要求要比环向焊缝要高。对于容器,焊缝是一个薄弱区域。因此,对焊缝的布置从设计上有一定的要求。焊缝的交叉、重叠或距离太近都将增加焊接应力,恶化焊缝区域的组织和性能,从而容易形成裂纹等缺陷。所以,在容器组焊时,应尽量避免十字焊缝;相邻两筒节纵缝、封头拼缝与相邻筒节的
纵缝应错开,其焊缝中心间距应大于筒壁厚度的3倍,且不小于100mm ;封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距至少应为钢板厚度的3倍,且不小于100mm ;封头由成形瓣片和顶圆板拼成时,焊缝方向只允许是径向和环向的。受压元件主要焊缝及其邻近区域，应避免焊接零件。如不能避免时，焊接零件的焊缝可穿过主要焊缝，而不要在焊缝及其邻近区域中止。开孔、焊缝和转角要错开。开孔边缘与焊缝的距离应不小于开孔处实际壁厚的3倍，且不小于100mm 。在凸形封头上开孔时，孔的边缘与封头周边间的投影距离应不小于封头外径的10％。开孔及焊缝不允许布置在部件转角处或扳边圆弧上，并应离开一定距离。
4.2 焊接方法
A ，
B 类焊缝，查焊接手册第三卷：由于壁厚8mm ，所以选择3至26mm 的Y 形坡口如图：
图4.1 A,B 类焊缝的坡口形式,及焊后效果
坡口尺寸：
?α=40——60（°）
0=b ——3（mm ）
1
=P ——4（mm ） C 类焊缝，查表：由于壁厚8mm ，所以选择3-40mm 的V 形坡口如图：坡口尺/mm ：
β=35——50（°
） b =0——4(mm )
P =0（mm ）
图4.2 C 类焊缝的坡口形式,及焊后效果
4.3 焊接顺序
4.3.1 焊前清理
工件焊接前必须进行清理，除去工件表面的锈渍，油污和工件表面的毛刺。焊前处理能够有效防止焊接过程中产生气孔、夹杂等焊接缺陷的形成。
4.3.2焊接过程和顺序
焊接过程至关重要，施工人员必须严格按照合理的结构顺序，选择合理的焊接工艺参数，严格施工。首先将两侧的半圆点焊在一起，然后将点固好的两侧拼接在一起。焊接过程应该保持结构的对称性，以减少变形和焊接残余应力。
a.钢板气割下料和卷制。
b.单个筒节的纵向对接焊接.
c.筒节间的环向对接焊接。
d.筒体与封头的环向对接焊接。
e.开人孔和各种接管口。
f.接管和各种法兰的焊接。
g. 支座的组焊。
4.3.3焊后处理
工件焊接后必须进行焊后处理。工件的焊后处理主要包括热处理和焊接检测。由于
工件承受一定的压力，必须对其进行焊接后局部的跟踪回火处理，以消除残余应力和达到细化结合处材料的晶粒。对工件的局部薄弱处应该进行无损探伤。
另外容器的压力试验和气密性试验是热处理之后进行，常采用水压试验。设备制造完毕后应在4MPa表进行水压实验10分钟无渗漏，冒汗现象,检查检查容器是否达到设计要求，验证其是否能保证在没计压力下安全运行所必须的承压能力。
检验①所有焊缝未经检验合格，严禁涂刷漆；
②焊缝应进行外观检查；
③焊缝要进行无损探伤检测。
返修①需返修焊缝应先把缺陷清除；
②返修次数不超过两次；
③罐底的严密性试验，罐壁和顶的严密性和强度试验用充水检查。