10立方米氮气罐设计.docx
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10立方米氮气罐设计
化工设备机械基础》课程设计
10立方米氮气罐设计
系部：
化学与环境工程系
专业：
设备10-6班
学号：
2010232247
姓名：
韩向阳
指导教师：
赵宝平
时间：
2012年12.22-12.31
新疆工业高等专科学校课程设计评定意见
设计题目：
氮气罐设计
成员姓名:
评定意见:
评定成绩：
化学工程系课程设计任务书
12~13学年第一学期2012年12月22日
专业
化工设备维
修技术
班级
设备10-6班
课程名称
化工设备机械基
础
设计题目
液氮储气罐设计
指导教师
赵宝平
起止时间
2012年12.22〜12.31
周数2周
设计地点
图书馆
设计目的：
1、综合运用机械设计基础课程及其它先修课程的理论和生产实际知识进行机械设计训练，使理论和生产实际知识密切地结合起来，从而使这些知识得到进一步巩固、加深和扩展。
2、学习和掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的一般设计方法，培养学生工程设计能力和分析问题、解决问题的能力。
3、对学生在计算、制图、运用设计资料以及经验估算、考虑技术决策、机械CAD技术等机械设计方面的基本技能进行一次训练，以提高这些技能的水平。
设计任务或主要技术指标：
1•罐体壁厚的设计2.封头厚度设计3•支座的设计4•人孔的设计5.人孔强
度的补偿6•接管
设计要求
1.课题介绍
2.布置强度计算
3.强度计算和考虑结构设计
4.检查强度计算结果
5.完成CAD图
6.完成设计说明书
7.交设计说明书
8.设计答辩。
主要参考书及参考资料：
1、机械设计基础（第二版），邓昭铭、张莹，高等教育出版社，2000年7月
2•机械设计课程设计指导书（第二版），罗圣国、李平林。
高等教能出版社，1990年4月。
3•机械设计课程设计手册，清华大学，吴宗泽，北京科技大学，罗圣国，高等教育出版社。
氮气的化学性质很稳定，常温下很难跟其他物质发生反应，但在高温、高能量条
件下可与某些物质发生化学变化，用来制取对人类有用的新物质。
氮气罐，又称氮气
瓶，是用来运输、使用氮气的储存设备，耐高压，一般可以存储高压液态氮。
氮气罐的设计主要考虑壁厚、封头、底座、人孔、接管等。
其中壁厚、封头设计要
考虑设计的厚度、材质和气压试验；支座设计主要包括罐体质量、封头、液氮质量、
附体质量等设计；人口主要考虑开口和补强；接管设计主要包括液氮的进料管、液氮
的出料管、压力表口、备用口、安全阀口、排污口的设计
10m3氮气罐设计
设备设计主要技术指标
设计压力MPa
1.1
设计温度C
常温
最高工作压力MPa
0.8
工作温度c
常温
介质名称
氮气
设备主要材料
16MnR
设备容积
10n®
管口表:
符号
公称压力
公称尺寸
法兰形式
密封面形式
用途
伸出长度
a
PN1.6
DN50
RF
氮气出口
120
b
PN1.6
DN50
SO
RF
氮气进口
120
c
ZG%h
SO
内螺纹
压力表口
120
d
PN1.6
DN50
SO
RF
备用口
120
e
PN1.6
DN50
SO
RF
安全阀口
120
f
PN1.6
DN50
SO
RF
排污口
见图
g
PN1.6
DN50
SO
RF
人孔
250
h
Z%
SO
外螺纹
外板口
120
1罐体壁厚的设计1
1.1计算厚度1
1.2校核液压试验强度-1
2封头厚度设计2
2.1计算封头厚度-2
2.2校核罐体与封头液压试验强度-2
3支座的设计3
3.1罐体质量m1-3
3.2封头质量m23
3.3液氮质量m33
3.4附体质量m44
4人孔4
5人孔补强6
5.1确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径-6
5.2确定壳体和接管的实际厚度开孔有效补强宽度B及外侧有效补强高度h6
5.3计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积-6
6接管7
6.1液氮进料7
6.2液氮出料管7
6.3压力表口7
6.4备用口8
6.5安全阀口8
6.6排污口8
致谢9
符号说明11
参考资料13
1罐体壁厚的设计
根据第8章选材所作的分析，本贮罐主要材质为16MnR制作，根据新标准
1.1计算厚度
名义厚度：
ndC1圆整量=7.880.25+圆整量
根据d
7.88mm，查表12-9得G
0.25mm
圆整后，取名义厚度n9mm
该氮气罐可用9mm厚的Q345R钢制作。
1.2校核水压试验强度
345MPa
1.375
18007.25
则T
171.38MPa
27.25
0.9
S0.9
0.85345263.93MPa
可见
T0.9
s；所以液压试验强度足够
2封头厚度设计
采用标准的蝶形封头
2.1计算封头厚度
1.33PcDi
2
1.331.11800
0.5Pc21700.850.5
9.13mm
1.1
C29.131.010.13mm
根据
10.13mm由表12-9所查G
0.25mm,则:
C110.130.2510.38mm
圆整后采用
n11mm厚的钢板。
复验
6%10.386%0.620.25mm，
故最后确定
C10.25mm，故该蝶形封头可用
11mm厚的Q345R钢制作。
2.2校核罐体与封头液压试验强度
PtDie
2e
0.9
PT
1.25P1.251.1
1.38MPa
CGC20.2511.25mm
nC101.25
8.75mm
345MPa（F428）
「3818008・75142.63MPa
28.75
0.9S0.90.85345263.93MPa
因为
T0.9s所以液压试验强度足够
3支座的设计
首先粗略计算支座负荷
储罐总质量
mm1m2m3m4
m1—罐体质量
m2—封头质量
m3—液氮质量
m4—附件质量
3.1罐体质量m1
DN1800mm,n9mm,L4100mm的筒节
m1DiL3.14180099410078501645kg
3.2封头质量m2
Dn1800mm,n9mm，直边20mm其质量m2
2
m20.34Di2n
2
0.343.1418002785010272kg
m22m22722543kg
3.3液氮质量m3
m3V其中装置系数取0.9
贮罐容积
V2ViV22D3-Di2L
264
23.14180033.14180024100
264
11.8m3
液氮在常温下的密度为1.25kgm
m311.81.250.913.28kg
3.4附体质量m.
人孔质量约为200kg，其他接管质量总和按300kg计算
于是m4500kg
储罐总质量m叶m2m3m4
164554313.28500
2701.28
Fmg2701.289&6624.9
44
根据表14-18可选用
JB/T472592,支承式支座材料Q345AF
4人孔
150mm
采用密封
根据当设备内径Di1000mm时，至少开设1个500mm的人孔，或2个
的手孔。
根据储罐的设计温度、最高工作压力、材质、介质以及使用要求等条件，选用公称压力
1.1MPa的带颈平焊法兰人孔HG2059297,人孔公称直径选定为500mm。
型RF和石棉胶版垫片。
人孔各零件名称、材质及尺寸见表14-22
该水平颈对平焊法兰人孔的标记为
人孔SORF5001.1HG2059297
人孔PN1.6DN500
件号
标准号
名称
数量
材料
尺寸
1
gBT7132008
筒节
1
Q345R
dw=50010
2
HG20592
法兰
1
16MnM（断键）
=3
3
HG20592
垫片
1
石棉橡胶板
b|=39b2=44
4
HG20592
法兰盖
1
Q345R
M332175
5
HG20613
螺柱
20
M30
M33
6
HG20613
螺母
40
M30
7
吊环
1
Q345AF
8
转臂
1
Q345AF
d0=36
9
GB/T952000
垫圈20
1
100HV
10
GB/T61702000
螺母
2
5级
M20
11
吊钩
1
Q345AF
12
GB/T81632008
环
1
Q345AF
13
无缝钢管
1
20
5人孔补强
5.1确定壳体和接管的计算厚度及开孔直径
由已知条件知，壳体计算厚度9mm。
接管计算厚度为
PcDo
t2tPc
1.1500
21700.851.1
2mm
开孔直径为
dd12C
50015221.25
472.5mm
5.2确定壳体和接管的实际厚度开孔有效补强宽度B及外侧有效
补强高度h1
已知壳体名义厚度n9mm，补强部分厚度Sn9mm，
接管有效补强宽度为
d接管内直径+2C472.5mm
B2d2472.5945mm
接管外侧有效补强高度为h.472.5965.2mm
5.3计算需要补强的金属面积和可以作为补强的金属面积
需补强的金属面积为
Ad472.56.883250.8mm2
可作为补强的金属面积为
比较Ae与aaAe，所以补强厚度不足够。
加补强面积AA代3250.813241927mm2,
6接管
6.1液氮进料
采用57mm3.5mm无缝钢管（强度验算略）。
管的一端切成45°，伸入储罐内少许。
配用图面板是平焊法兰：
HG20592法兰PL501.6RF16Mn川
6.2液氮出料管
采用57mm3.5mm无缝钢管（强度验算略）。
管的一端切成45°，伸入储罐内少许。
配用图面板是平焊法兰：
HG20592法兰PL501.6RF16Mn川
6.3压力表口
采用2G12英寸无缝钢管，管内螺纹，伸出长度为120mm。
由于壳体开孔满足下述全部要求，所以不需要补强
（1）设计压力p2.5MPa
（2）两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；
（3）接管外径89mm
（4）接管最小厚度满足下表要求
接管最小厚度
接管外径
最小厚度
接管外径
最小厚度
25,32,38
3.5
57,65
5.0
45,48
4.0
76,89
6.0
配用法兰：
HG20592法兰PL501.6RF16Mn川
6.4备用口
公称压力为16MPA，公称直径为50mm，伸出长度为120mm，采用573.5mm无缝钢管，采用带颈平焊法兰（SO）法兰密封面形式采用突面（RF）
配用法兰：
HG20592法兰SO501.6RF16Mn川
6.5安全阀口
公称压力为16MPa，公称直径为25mm，伸出长度为120mm，采用323.5mm无缝
钢管，采用带颈平焊法兰（SO）法兰密封面形式采用突面（RF）
配用法兰：
HG20592法兰SO251.6RF16Mn川
6.6排污口
在设备最下端安设一个排污管，管子规格是323.5mm，管段装有一个与截止阀
J41W16相配的管法兰：
HG20592法兰SO251.6RF16Mn川
序号
名称
指标
序号
名称
指标
1
设计压力
1.1MPa
3
物料名称
液氮
2
工作温度
常温
4
容积10
M3
如CAD所标注:
序号
图号或标准号
名称
材料
数量
1
HG20592
法兰SO25-1.6
16Mn川
1
2
接管
57mm3.5mm
10（GB/T8163）
2
3
Q345R
圭寸头C=0.5mm
10cmQ2345F钢
2
4
接管
57mm3.5mm
10（GB/T8163）
2
5
Q345R
罐体
9mmQ2345R
1
6
HG20592-97
人孔SO-RF
500-1.1
1
7
IB/T4736-2002
补强
760/484
Q2345R
1
8
HG20592
法兰PL50-1.6
16Mn川
1
9
HG20592
安全阀
16Mn川
1
10
JB/T4725-92
支座
Q345R-A.F
1
11
323.5mm
16Mn川
1
致谢
本设计是在赵宝平老师的悉心指导下完成的。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作诲人不倦的高尚师德，严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华，平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标，掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。
本设计从选题到到完成，每一步都是在老师的指导下完成的，倾注了老师大量的心血。
在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。
本设计的顺利完成，离不开各位老师，同学和朋友的关心和帮助。
在此致谢赵宝平老师的指导和帮助，没有你们的帮助和指导是没有办法完成我的设计的。
符号说明
Pc—
—计算压力Mpa
Di
——圆筒的内径mm
DO
——圆筒的外径mm
Pw
——圆筒的最大容许压力Mpa
—圆筒的计算厚度mm
d—
—圆筒的设计厚度mmd
C2
n—
—圆筒的名义厚度mmn
dC1
e—
—圆筒的有效厚度其值e
nC
t
t——圆筒材料在设计温度下的许用应力
Mp
t
——圆筒材料在设计温度下的计算应力
Mpa
焊接接头系数
C1—
—钢板厚度的负偏差mm
C2
——腐蚀余量mm
C—
—厚度附加量mmCC1C2
t—
—圆筒壁在试验压力下的计算应力
Mpa
s
——圆筒材料在试验温度下的屈服点
Mpa
hi—
—封头内壁曲面高度mm
PT—
—实验压力Mpa
P—
—设计压力Mpa
F—
—每一支座承受的压力KN
m——容器的总质量kg
g
重力加速度
重力加速取
Set
-一接管有效厚度
mm
Snt
-补强有效厚度
mm
d
开孔直径mm
fr
-一强度削弱系数
9.81%
A3――焊缝金属减去计算厚度之外的多余面积
2
mm
A
2
补强面积mm
A
-一有效补强范围内另加的补强面积
2mm
t——接管的计算厚度mm
B——有效宽度mm
参考资料
1.上海化工设计院。
最新压力容器规范标准汇编。
1984
2.煤炭工业部供应局。
实用材料手册。
北京：
煤炭工业出版社，1982
3余国宗。
化工容器及设备。
北京:
北京化学工业出版社,1980
4.贺匡国。
化工容器及设备简明设计手册。
2版。
北京:
化学工业出版社，1982
5张康达，洪起超。
压力容器手册。
北京：
劳动人事出版社，2002
6.化工设备设计全书编辑委员会。
化工容器设计。
上海：
上海科学技术出版社，1987
7.李智诚，朱中平，薛剑峰，等。
锅炉与压力容器常用金属材料手册。
北京：
中国物资出版社，1997
8.高忠白，邱清宇，王志文。
压力容器安全管理工程。
北京：
中国石化出版社，19997
9.龚斌。
压力容器破裂的防治。
杭州：
浙江科学技术出版社，1985
10吴粤桑。
压力容器安全技术。
北京：
化学工业出版社，1993
11.闫康平。
工程材料。
北京：
化学工业出版社，2001
12.潘家祯。
压力容器材料实用手册。
北京：
化学工业出版社，2000
13.董大勤。
化工设备机械基础。
北京：
中央广播电视大学出版社，1993
14.范钦姗。
压力容器的应力分析与强度设计。
北京：
原子能出版社，1979
15.余国宗。
化工机械手册。
天津：
天津大学出版社，1991
16.吴泽烩。
化工容器设计。
北京：
北京化学工业出版社，1983
升级会员 