二氧化碳立式储罐设计

过程设备设计课程设计说明书二氧化碳立式储罐设计

学生姓名xx

专业xxx

学号xxx

指导教师xxxx

学院xxxxx

二〇一四年六月

过程设备课程设计任务书

一、设计题目：二氧化碳立式储罐

二、技术特性指标

设计压力：1.71MPa 最高工作压力：1.5MPa 设计温度：162℃工作温度：≤120℃

受压元件材料：16MnR 介质：二氧化碳气体

腐蚀裕量：1.0mm 焊缝系数：0.85

全容积：8m3 装料系数：0.9

三、设计内容

1、储罐的强度计算及校核

2、选择合适的零部件材料

3、焊接结构选择及设计

4、安全阀和主要零部件的选型

5、绘制装配图和主要零部件图

四、设计说明书要求

1、字数不少于5000字。

2、内容包括：设计参数的确定、结构分析、材料选择、强度计算及校核、焊接结构设计、标准零部件的选型、制造工艺及制造过程中的检验、设计体会、参考书目等。

3、设计说明书封面自行设计（计算机打印），要求有设计题目、班级、学生姓名、指导教师姓名、设计时间。（全班统一）

4、设计说明书用A4纸横订成册，封面和任务书在前。

目录

第一章绪论 (1)

1.1储罐的分类 (1)

1.2立式二氧化碳储罐设计的特点 (2)

1.3设计内容及设计思路 (2)

第二章零部件的设计和选型 (4)

2.1材料用钢的选取 (4)

2.1.1容器用钢 (4)

2.1.2附件用钢 (4)

2.2封头的设计 (5)

2.2.1封头的选择 (5)

2.2.2封头的设计计算 (5)

2.3筒体的设计 (6)

2.4人孔的设计 (6)

2.4.1人孔的选择 (6)

2.4.2人孔的选取 (7)

2.5容器支座的设计 (9)

2.5.1支座选取 (9)

2.5.2支座的设计 (9)

2.5.3支座的安装位置 (10)

2.6接管、法兰、垫片和螺栓的选取 (122)

2.6.1接管的选取 (122)

2.6.2法兰的选取 (122)

2.6.3垫片的选取 (144)

2.6.4螺栓的选取 (144)

第三章强度设计与校核 (166)

3.1圆筒强度设计 (166)

3.2封头强度设计 (166)

3.3人孔补强设计 (177)

第四章试验校核 (200)

4.1水压试验 (200)

4.1.1试验目的 (200)

4.1.2试验强度校核 (200)

4.2气密性试验 (211)

设计总结 (222)

参考文献 (23)

第一章绪论

1.1 储罐的分类

压力储罐的组成部分根据文献[1]一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构。

按照国家规定的文献[2]法规和标准实施监督检查和技术检验。储罐按其制造材质可分为金属罐和非金属罐。在化工、石油化工和石油等工业中储存液化气以外的原料油主要采用金属储罐，即金属油罐。油罐分类金属油罐可根据油罐所处位置、几何形状和不同结构形式等几方面来划分。

1、按油罐所处位置划分分为地上油罐、半地下油罐和地下油罐三种。

（1）地上油罐。指油罐的罐底位于设计标高±0.00及其以上；罐底在设计标高±0.00以下但不超过油罐高度的1/2，也称为地上油罐。

（2）半地下油罐。半地下油罐是指油罐埋入地下深于其高度的1/2，而且油罐的液位的最大高度不超过设计标高±0.00以上0.2m。

（3）地下油罐。地下油罐指罐内液位处于设计标高±0.00以下0.2m的油罐。

2、按油罐的几何形状划分按油罐的几何形状可划分为：

（1）立式圆柱形罐；

（2）卧式圆柱形罐；

（3）球形罐；球形储罐和圆筒形储罐相比：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。一般储存总量大于500m3或单罐容积大于200m3时选用球形储罐比较经济，而圆筒形储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, 所以在总储量小于500m3或单罐容积小于100m3时选用圆筒形储罐比较经济。圆筒形储罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形储罐，只有某些特殊情况下（站内地方受限制等) 才选用立式。但本说明书主要讨论立式圆筒形二氧化碳储罐的设计。

1.2 立式二氧化碳储罐设计的特点

立式储罐，危险性大，容易发生火灾和爆炸事故，必须按照有关文献[3]，建立防火、防爆制度，经常进行防火巡查，严格进行消防安全管理，确保消防安全。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。储罐区防火防爆应按文献[4]规定。此类容器接受劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程》(简称容规) 的监督，因此设计必须严格按照标准进行。

，碳氧化物之一，是一种无机物，常温下是一种无色二氧化碳,化学式为CO

2

无味气体，密度比空气略大，微溶于水，并生成碳酸。（碳酸饮料基本原理）可以使澄清的石灰水变浑浊，做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以用到。

二氧化碳不参与燃烧，密度比空气略大，所以也被用作灭火剂。

二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，温室中常用二氧化碳作肥料。

立式二氧化碳储罐，此次设计针对的是第一类压力容器的设计。储罐主要由筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有进料管、出料管、排污管以及安全阀、压力表等。

1.3 设计内容及设计思路

设计内容：

1、储罐的强度计算及校核

2、选择合适的零部件材料

3、焊接结构选择及设计

4、安全阀和主要零部件的选型

5、绘制装配图和主要零部件图

表1-1 技术特性指标

序号名称指标

1 设计压力 MPa 1.71

2 设计温度0C 162

3 最高工作压力 MPa ≤1.5

4 工作温度0C ≤120

5 工作介质二氧化碳气体

6 主要受压元件材料16MnR

7 焊接接头系数0.85

8 腐蚀余量 mm 1.0

9 全容积 m38

10 容器内别第一类

设计思路：

我的设计题目是二氧化碳气体储罐设计，设计压力为1.71MPa，设计温度为162 0C 。

首先我根据设计压力、设计温度、介质特性在结合经济性选择了筒体和封头的材料16MnR以及各附件的材料；

然后进行筒体和封头的设计计算，进行筒体和封头的强度设计与校核；

然后根据文献[5]选择支座以及支座的安装位置，根据文献[6]如选择人孔的型式及尺寸；

最后根据文献[7]选择各个接管法兰及其附件。根据自己所设计的参数进行二维装配图、零件图等的绘制、说明书的编写和排版。

第二章零部件的设计和选型

2.1 材料用钢的选取

2.1.1 容器用钢

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245Mpa-345Mpa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4000C，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。

16MnR钢是屈服强度340Mpa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。

因此选用16MnR钢作为筒体与封头的材料，既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值。

2.1.2 附件用钢

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。故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。

由于法兰与支座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。

2.2 封头的设计

2.2.1 封头的选择

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，冲压较为困难。椭圆形封头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之一。平板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。根据文献[8]从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材最多。因此，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。

2.2.2 封头的设计计算

由2h 2D i i =，得mm D h i i 400416004===

封头的其他参数：查标准文献[6]中表B.1 EHA 和B.2 EHA 表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见封头尺寸表2-1。

图2-1 封头

表2-1 封头尺寸

公称直径DN/mm 总深度H/mm 内表面

积A/2m 容积

V/3m

质量/Kg

1600

425

2.9007 0.5864 361.1

2.3 筒体的设计

2.3.1 筒体的设计计算

设计体积38m V =，根据文献[7]选得容器公称直径mm Di 1600=， 采用标准椭圆形封头：取直边高度mm h 40=。

单个封头容积： 315864.0m V h =，封头总容积： 311728.12m V V h h ==， 单个封头内表面积209007.2m S =， 封头总内表面积：208014.52m S S == 故筒体容积： 38272.6m V V V h =-=筒。 则筒体长度：

m m Di V L o 339542==π筒

取整后筒体长度取mm L 3400=。 则实际体积： 32

0089.84

m V Di L V h =+=

π

筒体内表面积： 2082.17m DiL S ==π筒 则总内表面积： 2883.22m S S S =+=筒总

长径比： 125.26.1/4.3/==i D L 介于2与3之间，符合条件。

2.4 人孔的设计

2.4.1 人孔的选择

压力容器设置人孔是作为工作人员进出设备以进行检验和维修之用，而且能避免因意外原因造成罐内急剧超压或真空时，损坏储罐而发生事故，还能起到安全阻火作用，是保护储罐的安全装置。因此，人孔的位置应适当，人孔直径必须保证工作人员能携带工具进出设备方便。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径（人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其筒节的公称直径）、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性。通常可以根据文献[9]需要选择，在这选用回转盖带颈对焊法兰人孔。

2.4.2 人孔的选取

由于贮罐是在120℃及最高压力为 1.5MPa下工作，人孔标准按公称压力2.5MPa的压力等级根据文献[10]标准适用于公称压力PN 2.5-6.3MPa。又因人孔盖直径较大且质量较重，故选用回转盖带颈对焊法兰人孔(A型)。

人孔的型式和基本参数见下图2-2A和图2-2B。

图2-2A RF型人孔主视图

图2-2B RF型人孔俯视图

人孔各部件的材料的选取：（见表2-2）

表2-2 人孔各部件的材料

标号 名称 材料

标准 1 筒节 16MnR

2 全螺纹螺柱 8.8级35CrMoA HG 2061

3 3 螺母 8级30CrMo HG 20613

4 法兰 16Mn Ⅱ（锻件） HG 2059

5 5 垫片 缠绕式垫片

HG 20607 6 法兰盖 16MnR HG 20601

7 把手 Q235-A 2F 8 轴销 Q235-A 2F 9 支承板 16MnR 10 垫圈 100HV GB/T 95

11 盖轴耳（1） Q235-A 2F 12 法兰轴耳（1） Q235-A 2F 13 法兰轴耳（2） Q235-A 2F 14

盖轴耳（1）

Q235-A 2F

注： 1.螺柱与螺母材料匹配如下：8.8级螺柱配用8级螺母，35CrMoA 螺柱配30CrMo 螺母。 2.35CrMoA 螺柱使用于工作温度小于或等于-20℃时，应进行工作温度下的低温冲击试验，其相应的材料标记代号为35CML 。工作温度大于-20℃时，其标记代号为35CM 。

人孔尺寸的选取：（见尺寸表2.3）

表2-3 人孔尺寸

密封面形式 凸面RF 公称压力PN

2.5MPa 公称直径DN

450mm S d w 480312 d 456mm D

670mm 1D

600mm 1H

250mm 2H

121mm b

42mm 1b 41mm

2b

46mm

注：人孔高度1H 系根据容器的直径不小于人孔的公称直径的二倍而定；如有特殊要求，允许改变，但需注明改变后的1H 尺寸，并修正人孔总质量。

则该人孔标记为： 人孔RF Ⅲ（A.G ）450-2.5 HG/T21518-2005

2.5 容器支座的设计

2.5.1 支座选取

支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。立式圆筒形容器的支座分为支承式支座、群座、腿式支座三类。由于立式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故根据文献[11]设计中选用支承式支座。

由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，由于是立式容器，故采用三个A 型4号支承式支座。

2.5.2 支座的设计

首先估算计算支座的负荷。 贮罐总质量：

4

321m m m m m +++= （2-1）

式中：m 1为筒体质量（kg ），m 2为封头质量（kg ），m 3为二氧化碳质量（kg ），m 4 为附件质量（kg ）。 筒体质量m 1：

mm DN 1600=，mm n 16=δ的筒节，每米质量为q 1=507.3kg ，

故 ： m 1= q 1L=507.333.4=1725kg 封头质量m 2:

mm DN 1600=，mm n 16=δ直边高度h=40mm 的标准椭圆形封头，其质量为q 2=361.1kg 。

故： m 2=2q 2=722.2kg 二氧化碳质量m 3:

A 375mm o d 24mm

B 175mm L 250mm 螺柱数 20 螺母数 40 螺柱规格

M33323165

总质量

245kg

充气质量：ρρ

co 2>水

，水压试验充满水，故取介质密度为3

m kg 1000=ρ水，

3200891.85864.023.46.14

2m V V V =?+??=

+=π

封头筒体

充液质量为： kg 0.720800891.810009.03=??==V m 水αρ 附件质量：

人孔约重245kg ，其它接口管法兰重约12kg ， 故 =4m 257kg 。

据式（2-1）设备总质量：

kg 2.99122577208.02.72217254321=+++=+++=m m m m m N N Q k 380.329.323793

8

.99912.23mg ≈=?==

由于每个支座承受约32.380kN 负荷，根据文献[6] 表2 A 型4号支座允许载荷[Q]=100kN 。

kN kN Q 100380.32<= 故选用三个A 型4号支座。 得到支撑式支座尺寸如下表2-4

表2-4 支承式支座座尺寸

公称直径 DN 1600

1S

80 垫板

3b

300 允许载荷 Q/KN 100 筋板 2I

240 3δ

12 支座高度

h

460 2b

180 e

60 底板

1l

210 2δ

12 螺栓间距 L

30 1b 160 支座质量 kg 28.9 1δ

14

螺栓直径 d

M24

距中心的距离

S2

600

2.5.3 支座的安装位置

支座的安装位置图下图2-3A 和图2-3B ：

图2-3A 支座安装位置主视图

图2-3B 支座安装位置左视图

根据文献[5]附录C规定，知A支座安装高度460mm（即封头与筒体连接处到地面的距离）。

则该支座标记为： JB/T 4712.4-2007，支座A4

2.6 接管、法兰、垫片和螺栓的选取

2.6.1 接管的选取

二氧化碳进气管：

进料管伸进设备内部并将管的一端切成450，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。

采用无缝钢管YB231-φ6534mm ,管的一端伸入罐切成45°,管长305 mm。配用凸面式板式平焊管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 65-2.5 RF Q235A 二氧化碳出气管：

在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。

采用可拆的压出管φ6534mm,配用凸面式板式平焊管法兰 HG/T 20592 法兰PL 65-2.5 RF Q235A

排污管：

在清洗贮罐式，为了能够将废液完全排除贮罐外，2

CO介质会微量腐蚀罐壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。

在罐的最底部设个排污管，规格是φ2534mm，管端焊有与截止阀相配的管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 25-2.5 RF Q235A

压力表接管：

压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此选用采用φ1533.5mm无缝钢管,管法兰采用 HG/T 20592 法兰 PL 15-2.5 RF Q235A

安全阀接口管：

安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。

本贮罐选用φ5734mm的无缝钢管, 管法兰HG/T 20592 法兰 PL 57-2.5 RF Q235A

接口管中，其选择的条件均在不需要补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。

2.6.2 法兰的选取

如图2-4：板式平焊钢制管法兰：

图2-4 板式平焊钢制管法兰

查文献[12]中表8.2.2-1至8.2.1-5 PN2.5板式平焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。

查文献[13]中附录D中表D-5,得各法兰的质量。

查文献[14]中表3.2.2，法兰的密封面均采用RF（突面密封）。

得求得接管法兰尺寸见下表：

表2-5 接管法兰尺寸表

名称公称

直径

DN 钢管外径

1

A

法兰

外径

D

螺栓

孔直

径L

螺栓

孔数

量n

（个）

螺栓

Th

法兰

厚度

C

法兰内径

B1

A B

A B

压力表口15 21.3 18 80 11 4 M10 12 22.5 19 进气口65 76.1 76 160 14 4 M12 14 77.5 78 安全阀口50 60.3 57 140 14 4 M12 14 61.5 59 出气口65 76.1 76 160 14 4 M12 14 77.5 78 排污口25 33.7 32 100 11 4 M10 14 34.5 33

2.6.3 垫片的选取

查文献[15]，垫片尺寸见表2-6：

表2-6 垫片尺寸（mm ）

符号 管口名称 公称直径 包覆层内径 D1 包覆层内径

D3 垫片外径D4 型号 a 人孔 450 480 528 528 B b 压力表口 15 22 40 44 A c 进气口 65 77 110 116 A d 安全阀口 50 61 92 96 A e 出气口 65 77 110 116 A f

排污口

25

34

60

64

A

注：1：聚四氟乙烯包覆层材料应符合QB/T 3625中规定的FSB-2和QB/T 3626的规定。 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。

3：垫片厚度除人孔垫片厚度为4外，其他均为3。

2.6.4 螺栓的选取

地脚螺栓(g)选用Q235-A （钢材标准GB 700），选得材料的许用应力

a 345s MP =σ，屈服极限MPa 235s =σ

查文献[16]中表5.0.7-2和附录中表A.0.1 ，得螺柱的长度见下表2-7：

表2-7 六角头螺栓螺柱及垫片(未注明单位：mm)

公称直径 螺纹 六角头螺栓螺柱

长

1d 2d H a 450 M20 120ZR L

21 38 4 b 15 M10 40SR L 11 20 2 c 65 M12 50SR L 13 24 2.5 d 50 M12 50SR L 13 24 2.5 e

65

M12

50SR L

13

24

2.5

f 25 M10 45SR L

11 20 2 g

20

M24

165SR L

25

44

4

注：1.紧固件质量为每1000件的近似质量；

表2-8 附件质量

2.紧固件长度未计入垫片厚度。

a b c d e f g 质量kg

228

37

60

60

60

45

534

第三章 强度设计与校核

3.1 圆筒强度设计

其焊接系数已知为85.0=φ。材料的许用应力[]MPa t

170=σ，屈服极限

MPa s 345=σ。根据GB/T 9019-2001选得容器公称直径为mm D DN i 1600==。

设计压力MPa p c 71.1=，利用中径公式（3-1）计算筒体壁厚： []mm p D p c t

i c 5.971

.185.017021600

71.12=-???=-=

φσδ （3-1） 查标准文献[5]表7-2知，钢板厚度负偏差为mm C 8.01=。并已知腐蚀裕量

mm 1C 2=。

筒体设计厚度：mm C d 5.1015.92=+=+=δδ （3-2） 筒体名义厚度：mm C C n 3.1118.05.921=++=++≥δδ （3-3） 由于钢板厚度范围为mm 16~6，圆整后保守取mm n 12=δ。

筒体的有效厚度mm C C n e 2.1018.01221=--=--=δδ （3-4）

3.2 封头强度设计

查标准文献[7]中表1，选取公称直径mm D DN i 1600==，选用标准椭圆形封头，型号代号为EHA ，取4002/=i i h D ，则mm h i 400=查标准文献[6]中表2，取直边长h=40mm 。该容器取其焊接系数为85.0=φ。材料的许用应力MPa t 170][=σ，屈服极限MPa s 345=σ。根据椭圆形封头计算式（3-1）计算：

[]mm p D p c

t

i c 5.971.15.085.017021600

71.15.02=?-???=-=

φσδ 查标准文献[18]表7-1知，钢板厚度负偏差为mm C 8.01=。并已知腐蚀裕量

mm 1C 2=。

据式(3-2)计算封头厚度：

mm C d 5.1015.92=+=+=δδ 据式（3-3）计算封头名义厚度：

mm C C n 3.1118.05.921=++=++≥δδ

由于钢板厚度范围为mm 16~6，圆整后取与筒体相同的名义厚度

mm n 12=δ 。