【正文】 面積＞開孔所需要的補強面積A，所以單孔補強滿足要求。 端部法蘭的強度計算和校核1 端部法蘭與筒體連接處的名義厚度δn的計算根據(jù)GB1501998規(guī)定：端部法蘭與筒體連接處的名義厚度δn不得小于按內(nèi)壓確定的名義厚度，故δn ≥+C, C=C1+C2； 考慮堆焊=1600mm；焊縫系數(shù)φ=1；端部法蘭是鍛件 C1=0 ，內(nèi)表面堆焊為不銹鋼，C2=0，因而C=0；查GB150表43端部法蘭設(shè)計溫度下許用應(yīng)力=177MPa，δn ≥+C=+0=取δn =159mm 2 應(yīng)力校核 其中： ———端部法蘭外徑，=2080mmB==240mm679240=162960mm1590=159mm mm2mm4 == mm4 mm mm mm =34 mm = mm mm==16717583000mm4（3）作用于端部法蘭縱向截面的彎矩： = （4）端部法蘭縱向截面的抗彎截面系數(shù):（5）端部法蘭縱向截面的彎曲應(yīng)力校核： ==280 Mpa；合格 頂蓋的強度計算和校核1 螺栓連接的圓形平蓋計算該頂蓋屬于GB1501998表77中13螺栓連接的圓形平蓋預(yù)緊時的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)：=其中：———螺栓中心至墊片壓緊力作用中心線的徑向距離，=操作時的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)：=+ + 平蓋危險徑向截面上各開孔寬度之和：Σb==280+100=380平蓋開孔強度削弱系數(shù)：V==考慮開孔后K系數(shù)：預(yù)緊時的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)：===操作時的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)：==預(yù)緊時狀態(tài)下計算厚度:———設(shè)計溫度下頂蓋許用應(yīng)力，Mpa；=197Mpa=操作狀態(tài)下頂蓋計算厚度：mm頂蓋計算厚度：=max()=470mm頂蓋設(shè)計厚度 δ=+=470+2=472mm頂蓋名義厚度 δn =480mm2 作用于平蓋aa環(huán)向的截面當(dāng)量應(yīng)力校核 =346mm； 彎曲應(yīng)力： =其中： ———螺栓中心圓直徑，=1850mm；= MPa 剪應(yīng)力： == MPa作用于頂蓋aa環(huán)向截面的當(dāng)量應(yīng)力校核：按GB1501998式（G6）： =[σ]t = MPa結(jié)論：頂蓋aa環(huán)向截面的當(dāng)量應(yīng)力合格。)=1728421N；雙錐環(huán)回彈力的軸向分力 ：=(αρ) （37）式中E ———彈性模量，MPa；查GB1501998表F5得E=103MPa=191600tg15176。；=81tg(30176。所以：≤=1310＝279MPa試驗壓力下圓筒應(yīng)力：= （32）式中：δe———有效厚度，mm；δe=δn（C1+C2）=156 mm———試驗壓力，MPa；= 根據(jù)GB1501998應(yīng)取各元件比值的最小值，故取1則==1＝≈將代入（32）得：=== ＜ 故圓筒強度滿足液壓時強度要求 球形封頭強度計算及校核封頭的計算厚度 δ= （33）式中：Di———封頭的內(nèi)直徑，mm；按設(shè)計參數(shù)取Di=φ1600mm———設(shè)計溫度下圓筒的許用應(yīng)力，=157MPaφ———焊接接頭系數(shù) ，φ=式(33)的適用范圍為Pc≤≤157= 符合GB1501998公式適用范圍則δ===設(shè)計厚度δd=δ+C2 C2腐蝕裕量，mm；按設(shè)計參數(shù)取C2=3mm所以δd=+2= 圓整后取封頭的有效厚度δe=88mm根據(jù)經(jīng)驗球形封頭沖壓時減薄量取16mm，故球形封頭名義厚度最終定為δn =108mm 端部強度計算及校核 主螺栓受力計算墊片壓緊力作用中心圓直徑：=+2B （34）式中： ———雙錐環(huán)內(nèi)圓柱面直徑， =1545mm；A———雙錐環(huán)高度， A=108mm；B ———雙錐環(huán)厚度， B=43mm；C ———雙錐環(huán)外側(cè)面高度， C=54mm；α———雙錐環(huán)密封面錐角，α=30176。3 主要受壓元件強度計算及校核 筒體強度計算及校核 設(shè)計溫度下筒體的計算厚度由于筒體采用兩種不同材質(zhì)（14Cr1MoR和13MnNiMoNbR）熱套的，故筒體兩種材料在常溫下綜合許用應(yīng)力應(yīng)按GB1501998公式32：=計算。殼體A、B類焊接接頭100%RT+20%UT+100%MT，堆焊過渡層需進行100%UT+100%PT，堆焊面層后在進行100%PT。焊接規(guī)程按JB/T47092000規(guī)定。焊條采用：20MnMo與14Cr1MoR、13MnNiMoNbR之間采用E5015（J507），14Cr1MoR之間、14Cr1MoR與13MnNiMoNbR之間采用E5515B2(R307),堆焊層0Cr18Ni9與14Cr1MoR之間采用E30916（A302），20MnMo與14Cr1MoR、13MnNiMoNbR之間焊絲H10MnSi，焊劑HJ431，14Cr1MoR 之間、14Cr1MoR與13MnNiMoNbR之間采用H08CrMoA，焊劑HJ350，13MnNiMoNbR之間采用H08Mn2MoA，焊劑SJ101。 DN350球底接管設(shè)計DN350球底接管是氨塔內(nèi)件熱氣出口，由于氨合成塔氣溫高達450℃左右，且氨塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)決定了該球底接管內(nèi)壁有部分與介質(zhì)接觸，這就要求球底接管材料耐氫腐蝕，根據(jù)開孔補強計算要求球底接管要采用整體鍛件補強，為了避免球底接管與球封頭異種鋼焊接處耐氫腐蝕，球底接管應(yīng)采用14Cr1Mo IV，內(nèi)表面采用堆焊0Cr18Ni9。內(nèi)壓容器的圓筒、球殼開孔后所需的補強面積為A=dδ+2δδet(1fr)；平蓋的開孔直徑d≤，所需補強面積為A=。 開孔補強的設(shè)計 當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di＞1500mm，開孔最大直徑d≤Di/3，且d≤1000mm時；凸形封頭的開孔最大直徑d≤Di/2時，可以采用等面積補強?？蚴街ёY(jié)構(gòu)簡單輕便，可直接把設(shè)備載荷傳到較低的基礎(chǔ)上。根據(jù)設(shè)備的重量、結(jié)構(gòu)、承受的載荷以及操作和維修等要求等才能選定本設(shè)計中氨合成塔的支座型號。總高H=679+51+50=780mm。設(shè)計。45176。取D0=2080mm?？紤]其他因素取δn=。為方便4個螺紋法蘭螺孔加工、螺紋法蘭裝配，端部法蘭外圓應(yīng)加工4個φ400平面，深度為18mm。、270176。、90176。主螺孔有效螺紋深度按GB150標準公式h1≥（～）dB=182～210mm，取h1=180mm，主螺孔深度hS=200mm。堆焊在粗加工后進行，堆焊前需預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥150℃。堆焊在該設(shè)計溫度下，不會產(chǎn)生剝離、脫離等現(xiàn)象。由于端部法蘭與筒體相焊，端部法蘭材料要求焊接性能好，又加上此塔直徑較大，這就要求端部法蘭材料必須選用高強度材料，最終選定常用的20MnMo鍛件作為端部法蘭的材料。由于球底底部DN350mm開孔是熱氣出口，球底開孔處與球底接管一起采用堆焊0Cr18Ni9不銹鋼。在開孔補強計算中，DN350mm中心孔接管與其他四孔均符合GB150標準規(guī)定的聯(lián)合補強條件，在開孔補強計算時應(yīng)進行聯(lián)合開孔補強校核。為了保證接管焊縫的質(zhì)量，更有利于無損檢測。根據(jù)設(shè)計條件球底封頭需開5個大口徑接管：底封頭中心設(shè)置了DN350mm的大開孔，內(nèi)件的中心管將插入孔內(nèi)組合密封；距離中心線600mm對稱布置2個DN180mm卸觸煤口；與球封頭中心線成35℃布置2個DN125mm冷激管口。筒體名義厚度為δn=159mm，筒體與封頭對接處厚度相差51mm，若將球封頭名義厚度增加至筒體名義厚度159mm，則必須在本次設(shè)計中采用加強箍結(jié)構(gòu)，有效解決筒體與球封頭不等厚問題。表2 1Cr5Mo鍛件的化學(xué)成分鋼號 化學(xué)成分%CSiMnMoCrPSNiCu≤1Cr5Mo≤≤≤ 1Cr5Mo鍛件的力學(xué)性能鋼號熱處理狀態(tài)回火溫度℃ ≥拉伸試驗沖擊試驗硬度試驗σbMPaσs MPaδ5MPa試驗溫度℃AKV,JHB≥≥1Cr5MoQ+T680590760390182034174229 底部球形封頭設(shè)計底部球封頭由于與介質(zhì)接觸且設(shè)計溫度也為280℃，球封頭材質(zhì)應(yīng)必須選用與筒體相同的珠光體耐熱鋼12Cr2MoL，12Cr2MoL板材要求與筒體要求相同。根據(jù)GB150表41對1Cr5Mo鍛件厚度規(guī)定1Cr5Mo厚度應(yīng)≤500mm，此處已經(jīng)超過GB150規(guī)定厚度，許用應(yīng)力還是按GB150表41 500mm厚時許用應(yīng)力選取。國內(nèi)常用在頂蓋材料的碳素鋼和低合金鍛件有320MnMo、1Cr5Mo、20MnMoNb等，根據(jù)設(shè)計條件HG205811998《鋼制化工容器材料規(guī)定》查圖61碳素鋼及珠光體耐熱鋼在氫氣中加的使用限制，320MnMo、20MnMoNb都不合適，若使用，則與介質(zhì)接觸的部分必須堆焊0Cr18Ni9不銹鋼，這樣提高制造難度、制造質(zhì)量不容易保證、增加制造成本并延長了制造周期，而且經(jīng)過強度計算所需厚度遠遠超過GB150規(guī)定范圍。 頂蓋設(shè)計頂蓋是氨合成塔的重要部件之一，很多塔外的接口都開在頂蓋上，DN1600大開孔密封面也是在頂蓋上，因而頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇極為重要。則本設(shè)計決定采用半自緊式雙錐密封結(jié)構(gòu)以適應(yīng)高溫、高壓且有波動工況的需要。大開口的密封設(shè)計。 不同螺栓直徑的螺栓中心圓直徑螺栓公稱直徑螺栓個數(shù)/個 中心圓直徑Db簡便公式考慮液壓拉伸器操作空間M12543220302050M14042420502050 從表1可以看出，用M1254比用M1404需增加8個螺栓，為了減少大直徑螺栓的攻絲工作量及端部法蘭的剛性等問題，則本設(shè)計最終確定采用24個M1404的大螺栓連接尺寸。雙錐密封結(jié)構(gòu)螺栓中心圓直徑，在GB150中對端部結(jié)構(gòu)推薦有簡便公式：Db≥D2+。 頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計螺栓設(shè)計。單層圓筒縱焊縫套合表面均需修磨工，不需保留焊縫余高、錯邊、咬邊，并使其圓度和筒身一致，用樣板檢查。并逐張進行超聲波探傷檢查，符合JBT47302005Ⅱ級要求。筒體名義厚度最終確定為δn=45+338=159mm。通過內(nèi)中外筒不同厚度組合反復(fù)計算，并考慮卷板能力及材料采購方便，降低制造成本，確定筒體采用四層不機加工熱套筒體結(jié)構(gòu)。而國內(nèi)傳統(tǒng)常用射線無損檢測厚度只能達到200mm，因此為解決射線無損檢測厚度局限性問題，必須減薄筒體總厚度?，F(xiàn)分別做如下說明。 多層直接冷激式氨合成塔 設(shè)計與分析該氨合成塔外殼對外連接的接口以及與內(nèi)件相連接的接口均集中在頂部或底部，中間筒體不開孔。球形封頭采用單層厚度為δ100mm的12Cr2MoL材料熱沖壓成形，球形封頭中心焊有DN350mm的中心接管，四周開有DN187mm卸觸煤接口和DN125氣體入口各2個，結(jié)構(gòu)密集緊湊。四層熱套筒體由4節(jié)厚度δ≥159mm的筒節(jié)組成。螺栓中心圓直徑為φ1850mm，材料為1Cr5Mo。 氨合成塔外殼頂部采用圓形平蓋，與端部法蘭之間用24個M1404的大螺栓緊固，并采用雙錐密封結(jié)構(gòu)。因該熱壁塔冷激氣采用反應(yīng)氣，塔壁最高工作溫度達280℃，底部為合成氣出口，根據(jù)合成氨工藝，合成氣最高溫度達380℃，筒體、底部鍛件設(shè)計溫度分別取280℃和380℃。 而本次課題主要研究氨合成塔的結(jié)構(gòu)確定、材料的選定、主要尺寸的選定、強度計算和校核、主要零部件制造工藝以及多層冷激式氨合成塔的特點。（4） 頂部筒體密封采用雙錐墊結(jié)構(gòu) 密封使用成熟，密封可靠。成熟可靠，材料也易于解決，設(shè)備安全性高。（2） 催化劑筐采用徑向型（3） 寬溫區(qū)催化劑對于整臺合成塔，需設(shè)計和制造外殼，所設(shè)計的外殼具有一下特點：（1） 球形封頭 結(jié)構(gòu)成熟，使用材料較省，若采用鍛件，則將增加一倍以上的重量。多層換熱式內(nèi)件 多層換熱式內(nèi)件具有三大特點：（1） 多層絕熱，層間換熱。它具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠的特點。冷激式內(nèi)件是多層絕熱、層間換熱式內(nèi)件中最簡單的一種。它們結(jié)構(gòu)簡單，易損部件少，內(nèi)件比較穩(wěn)妥，多被大型氨廠采用。催化劑床層分為若干段，在段間通入的未預(yù)熱的氮氫混合氣體用以直接冷卻，稱為多層直接冷激式氨合成塔。為控制催化劑溫度不致過高，有少量氣體從冷氣旁路管進入塔內(nèi)，不經(jīng)換熱器殼程，而直接與已預(yù)熱的氣體混合。以并流雙套管式氨合成塔為例，氣體從塔頂部進入，在環(huán)隙中沿塔壁而下，經(jīng)換熱器殼程后到分器盒，分散到各雙套管的內(nèi)冷卻管，到管頂折至外冷卻管，氣體倍于熱島鐵催化