【正文】 三類 主要材質(zhì) 12Cr2Mo1R、12Cr2MoL 主要設(shè)計(jì)尺寸的確定: ?？紤]氨合成塔使用壽命，腐蝕裕度應(yīng)取2mm。頂蓋外徑為φ2080mm，厚度為δ380mm。端部法蘭采用20MnMo鍛件堆焊0Cr18Ni9，其尺寸為φ2080/φ1600，H=780mm，離端面340mm處分4個(gè)分流氣接口，端部法蘭與長度為L=8639mm的筒體相接。筒身材料為珠光體耐熱鋼 12Cr2Mo1R和低合金高強(qiáng)度鋼13MnNiMoNbR，筒身與底部球形封頭相焊。球底接管與廢熱回收器進(jìn)氣口相連，采用大口徑0Cr18Ni9不銹鋼透鏡墊密封。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：頂部的關(guān)鍵是DN1600mm的大開口雙錐密封結(jié)構(gòu)，其次是中部筒體的四層熱套結(jié)構(gòu)以及底部封頭上5個(gè)大口徑接管的結(jié)構(gòu)處理。 四層熱套筒體設(shè)計(jì)1筒體厚度計(jì)算氨塔外殼筒體設(shè)計(jì)溫度達(dá)到280℃，介質(zhì)含有氫氣，根據(jù)HG205811998《鋼制化工容器材料規(guī)定》及GB150中的相關(guān)計(jì)算 ，若筒體材料全部采用14Cr1MoR，則由厚度計(jì)算公式及設(shè)計(jì)任務(wù)書給定參數(shù)和GB150中查到的相關(guān)數(shù)據(jù)可計(jì)算得筒體厚度211mm。因此除內(nèi)筒外，中外筒選用國產(chǎn)低合金高強(qiáng)度鋼13MnNiMoNbR，這種材料許用應(yīng)力高達(dá)190Mpa。筒體內(nèi)筒材質(zhì)采用12Cr2MoL，厚度45mm；中一、中二、外筒材質(zhì)采用13MnNiMoNbR，厚度都為38mm。為了保證焊接質(zhì)量，對筒體材料作了相應(yīng)要求： 12Cr2MoL板材應(yīng)符合GB150第四章關(guān)于材料的規(guī)定，13MnNiMoNbR板材應(yīng)符合GB66541996的規(guī)定，使用狀態(tài)：正火+回火。 13MnNiMoNbR板材硬度HB≤200.2筒體長度計(jì)算 法蘭內(nèi)圓柱體積： 球形封頭體積：筒體全長，取L=8639mm因此筒體全長共分為4節(jié)，為了保證塔內(nèi)件放入塔體內(nèi)后塔內(nèi)件和筒體套合面達(dá)到較好的緊貼效果，單層圓筒同一截面的最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差要不大于2mm，單層圓筒的直線度公差為1mm。單層圓筒應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。初步考慮M125M1404這2種螺栓直徑作對比設(shè)計(jì)。Db―—主螺栓中心圓直徑，mm；D2 雙錐密封槽外徑，mm；dB 螺栓公稱直徑，mm。螺栓材料采用國產(chǎn)低合金高強(qiáng)度鋼40CrNiMoA，是目前列入GB150中的強(qiáng)度最高的螺栓用鋼。因?yàn)镈N1600mm大開口密封結(jié)構(gòu)是高溫、高壓容器中密封直徑較大的尺寸。又由于設(shè)備直徑達(dá)DN1600mm，國內(nèi)無法解決寬幅面，而δ=1mm薄純鋁板可作為軟金屬覆蓋雙錐環(huán)硬金屬面，因此，本設(shè)計(jì)采用增加鋁墊厚度來彌補(bǔ)鋁墊拼接接頭的問題。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書給定直徑DN1600、設(shè)計(jì)溫度280℃完全符合GB150附錄G雙錐密封環(huán)密封規(guī)定的適用范圍，DN1600mm大開口密封采用半自緊式雙錐密封結(jié)構(gòu)，頂蓋結(jié)構(gòu)按GB150附錄G設(shè)計(jì)。故該頂蓋材質(zhì)應(yīng)采用1Cr5MoIV鍛件，經(jīng)過強(qiáng)度計(jì)算頂蓋計(jì)算厚度472mm，考慮厚度附加量和制造等各方面的原因，頂蓋名義厚度最終定為480mm。、。球封頭計(jì)算厚度按GB150第五章中計(jì)算公式 ,考慮球封頭厚度附加量、沖壓減薄量及開孔補(bǔ)強(qiáng)的要求，球封頭名義厚度最終定為δn=108mm。此種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)合理，使用安全，制造簡單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。5個(gè)接口與球形封頭的焊接均采用全焊透結(jié)構(gòu)，焊縫均作100%UT、MT檢查。在本次設(shè)計(jì)中5個(gè)接管內(nèi)孔均有二次加工量。詳見強(qiáng)度計(jì)算書。 端部法蘭的設(shè)計(jì) DN1600 大開孔密封采用半自緊式雙錐密封結(jié)構(gòu)，端部法蘭結(jié)構(gòu)采用GB150筒體端部結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)溫度高達(dá)280℃，端部法蘭與介質(zhì)接觸的部分容易產(chǎn)生氫腐蝕，因而與介質(zhì)接觸的部分采用堆焊0Cr18Ni9不銹鋼。完全滿足設(shè)計(jì)要求。堆焊過渡層需進(jìn)行100%UT+100%PT,堆焊過渡層需進(jìn)行消除應(yīng)力退火熱處理；堆焊面層后進(jìn)行100%PT,，符合JB/T47302005標(biāo)準(zhǔn)I級。端部法蘭設(shè)有4個(gè)DN150分流氣入口，分布在0176。、180176。方位上，孔中心線離端部法蘭端部距離由主螺孔中心圓直徑、主螺孔直徑和深度、管口螺紋法蘭螺孔中心圓直徑、螺孔直徑和深度等尺寸通過放樣確定，最終定為430mm。與筒體對接處名義厚度δn確定，按GB150不小于按內(nèi)壓確定的圓筒的名義厚度。端部法蘭外徑確定：根據(jù)GB150計(jì)算公式D0≥Db+ B=1850+225=2075mm。端部法蘭總高確定：端部法蘭外緣傾角α按GB150有兩種角度30176。此氨塔按45176。端部法蘭外緣長度h≥hS+ d B=200+125=325mm，由于內(nèi)件安裝在端部法蘭上，結(jié)構(gòu)原因h=679mm。 支座的設(shè)計(jì)氨合成塔是通過支座固定的。則根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的參數(shù)及本設(shè)計(jì)的計(jì)算數(shù)據(jù)可確定此氨塔設(shè)備是重型設(shè)備，因此根據(jù)GB150中的支座的相關(guān)規(guī)定，本設(shè)計(jì)氨塔設(shè)備的支座選定為框式支座。另外，它還比其他型式的支座提供較大的操作、安裝和維修空間。本設(shè)計(jì)符合該條件，所以可以采用等面積補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)材料與圓筒、球殼、平蓋的材料相同。 容器焊接、熱處理及檢驗(yàn)要求單層筒體縱焊縫采用埋弧自動(dòng)焊，端部法蘭及球底封頭與筒體環(huán)焊縫采用焊條電弧焊+埋弧自動(dòng)焊，其他采用焊條電弧焊。A、B類焊縫，熱影響區(qū)HV10≤220。內(nèi)筒縱縫和球底接管與球封頭焊后立即消氫處理，單層圓筒成形后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，球底接管和端部法蘭堆焊過渡層需進(jìn)行消除應(yīng)力退火熱處理，殼體組焊件消除應(yīng)力熱處理。熱處理前后、水壓試驗(yàn)前后殼體A、B類焊接接頭還應(yīng)進(jìn)行100%MT，符合JB/T47302005標(biāo)準(zhǔn)RT II級，底片質(zhì)量AB級，MT、PT I級。假定筒體由一層δ1=45mm14Cr1MoR和三層δ2=338=114mm13MnNiMoNbR熱套組成，查GB1501998表41：在20℃常溫下：14Cr1MoR（δ1=45mm）的許用應(yīng)力為=172MPa13MnNiMoNbR（δ2=342=114mm）的許用應(yīng)力為=190MPa所以：===在280℃溫度下：14Cr1MoR（δ1=45mm）的許用應(yīng)力為=13MnNiMoNbR（δ2=338=114mm）的許用應(yīng)力為=190MPa所以：===圓筒計(jì)算厚度 δ= （31）式中： Pc計(jì)算壓力，MPa；因液柱靜壓力小于5%的設(shè)計(jì)壓力，故Pc=P=Di圓筒的內(nèi)直徑，mm；按設(shè)計(jì)參數(shù)取Di=φ1600設(shè)計(jì)溫度下圓筒許用應(yīng)力，MPaφ———焊接接頭系數(shù)，按GB1501998取φ=式（31）的適用范圍為：PC≤≤= 符合式（31）的適用范圍則δ===則圓筒名義厚度取δn=159mm 壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核壓力試驗(yàn)允許通過的應(yīng)力水平：≤其中：σs———圓筒材料在試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn)，MPa由于筒體采用兩種不同材質(zhì)（14Cr1MoR與13MnNiMoNbR）熱套的，故筒體材料在試驗(yàn)溫度下材料屈服強(qiáng)度按屈服強(qiáng)度低的14Cr1MoR，σs =310MPa。；代入式（34）得 ==雙錐環(huán)的截面積f：f=AB=；徑向間隙g：g=（%～%） ，此處取g= % =；內(nèi)壓引起的總軸向力F：F===64322785N （35）雙錐環(huán)自緊作用的軸向分力 ：= （36）式中：b ———雙錐環(huán)的有效厚度，mm；b=（A+C）=81mm；ρ———摩擦角，按GB150：鋼鋁ρ=15176。15176。=1361570MPa；作用于法蘭內(nèi)徑界面上的流體壓力引起的軸向力：=其中：———端部法蘭計(jì)算內(nèi)直徑，=1600mm；代入得 =63101440N； 由以上計(jì)算可得操作狀態(tài)下螺栓受力： =+=64322785+1728421+1361570=67412775N； 預(yù)緊狀態(tài)下螺栓受力： =其中：y ———比壓力，y==（10854）=； 操作狀態(tài)下所需螺栓總截面積： = 其中： ——— 設(shè)計(jì)溫度下主螺栓許用應(yīng)力，=261MPa= =258286 mm2； 預(yù)緊狀態(tài)下所需螺栓總截面積 ： =其中： ———常溫下主螺栓許用應(yīng)力，=306MPa==22907 mm2 ； 需要的螺栓面積應(yīng)取與之間最大值，故=258286mm2； 實(shí)際螺栓總截面積 ： ==24=342516mm2 ；其中：———主螺栓光桿部分直徑，=；n———主螺栓數(shù)量，n=24個(gè)；=24=342516mm2 ；因?yàn)?，所以主螺栓合格 預(yù)緊狀態(tài)下螺栓設(shè)計(jì)載荷： =。 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 接管a和兩孔連線的截面的聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算1 接管a與其中心線垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接管a與其中心線垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接管內(nèi)徑：接管內(nèi)徑為350mm考慮堆焊層故=366mm，假定接管的名義厚度=130mm；接管材料為14Cr1Mo鍛件，在280℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力=，因?yàn)橛?jì)算壓力Pc≤=1=，故接管的計(jì)算厚度：==mm接管的有效厚度：=（C1+C2 ）= 130（0+0）=130mm 開孔直徑：d=396+2 C2 =366+20=366mm所以，最大有效補(bǔ)強(qiáng)范圍：最大有效補(bǔ)強(qiáng)寬度：B=max（2d，d+2+2）= max（2366，366+2108+2130）=842mm最大有效外伸或內(nèi)伸長度：mm強(qiáng)度削弱系數(shù)：=min()=min（(）=殼體多余金屬面積：= =(842366)()2130()(11) = mm2注：由于該接管是安放式接管，故此處取=接管實(shí)際外伸720，則有效外伸=220mm；接管實(shí)際內(nèi)伸0，則有效內(nèi)伸0mm；接管多余金屬面積：==mm2接管與封頭焊角高定為8mm，所以補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的焊縫金屬面積為：=64mm2；可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：=++=++64= mm2開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：A=A==366+0= mm2注：由于該接管是安放式接管，故此處取=因?yàn)榭勺鳛檠a(bǔ)強(qiáng)的截面積＞開孔所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積A，所以單孔補(bǔ)強(qiáng)滿足要求。3 接管a和兩孔連線的截面的聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算按圖放樣接管開孔直徑=197 mm，a接管開孔直徑=366mm因?yàn)閮煽字行木?00＜，且兩孔中心距大于兩孔平均直徑，故采用聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)。所以，最大有效補(bǔ)強(qiáng)范圍：=max（2，+2+2）=580mm= max（2，+2+2）=842mm強(qiáng)度削弱系數(shù)：=min()=總的殼體多余金屬面積：== mm2兩孔之間的殼體多余金屬面積： == mm2 聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)，的計(jì)算：總的為兩孔單孔補(bǔ)強(qiáng)之和，兩孔之間的為兩孔單孔補(bǔ)強(qiáng)之和的一半。 接管a和b兩孔連線的截面的聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算1 接管b與其中心線垂直的截面的單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算接管內(nèi)徑：接管內(nèi)徑為125mm考慮堆焊層故=396mm，假定接管的名義厚度=90mm；接管材料為14Cr1Mo鍛件，在280℃設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力=，因?yàn)橛?jì)算壓力Pc≤=1=，故接管的計(jì)算厚度：==mm 接管的有效厚度：=（C1+C2 ）= 90(2+0)=88mm 開孔直徑：d=125+2 C2 =125+22=129mm所以，最大有效補(bǔ)強(qiáng)范圍：最大有效補(bǔ)強(qiáng)寬度：B=max（2d，d+2+2）= max（2129，129+2108+290）=525mm最大有效外伸或內(nèi)伸長度：=強(qiáng)度削弱系數(shù)：=min()=殼體多余金屬面積：= =mm2 注：由于該接管是安放式接管，故此處取=接管實(shí)際外伸180mm，則有效外伸=120mm；接管實(shí)際內(nèi)伸0，則有效內(nèi)伸0mm；接管多余金屬面積：==mm2接管與封頭焊角高定為8mm，所以補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的焊縫金屬面積為：=64 mm2 ；可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：=++=++64= mm2開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：A==129+0=注：由于該接管是安放式接管，故此處取=因?yàn)榭勺鳛檠a(bǔ)強(qiáng)的截面積＞開孔所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積A，所以單孔補(bǔ)強(qiáng)滿足要求。滿足GB1501998聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)條件。根據(jù)a和單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果：總的接管多余金屬面積：= ；兩孔之間的接管多余金屬面積：= ；總的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的焊縫金屬面積： =128 mm2兩孔之間的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的焊縫金屬面積：=64 mm2總的可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：=++=++128=52641 mm2兩孔之間的可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面=++=++64=26310mm2 總的開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：A=兩孔各單獨(dú)補(bǔ)強(qiáng)面積之和=+11593= mm2兩孔之間的開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積：A=50%總的開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積50%= mm2因?yàn)椋嚎偟目勺鳛檠a(bǔ)強(qiáng)的截面積＞總的開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A,且兩孔之間可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積＞兩孔之間的開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A，所以聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)滿足要求。 =kg則由上綜合可知塔的自重為： =