m化工设计18m3液氨储罐.docx
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m化工设计18m3液氨储罐
内蒙古科技大学
化工设备机械基础课程设计
题目：
18M3液氨储罐设计说明书
学院：
化学与化工学院
班级：
化工13-3班
姓名：
学号：
指导老师：
韩晓星
设计任务书
设计课题：
18m3液氨储罐
工艺参数：
最高使用温度：
T=40C
公称直径：
Di=2400mm
筒体长度（不含封头）：
Lo=3OOOmm
饱和蒸汽压：
1.55MPa
设计内容：
1.罐体材料的选择
2.罐体的规格
3.罐体的形状
4.罐体的厚度
5.封头形状及厚度
6.支座的选择
7.人孔及接管选择
8.开孔补强
9.核算校验
10.设备装备图（A2）
设计人：
朱沁楠
化工13-1班
1366115115
宋志强
化工13-1班
1366115108
黄敏
化工13-3班
1366115311
李文颖
化工13-3班
P1366115335
邓继东
化工13-2班
1366155126
完成时间：
2015年12月2日
液氨，又称为无水氨，是一种无色液体。
氨作为一种重要的化工原料，应用广泛，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。
液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，所以其化学事故发生率相当高。
本次设计是关于液氨储罐的设计，在老师给定的相关条件下，充分利用课堂上学到的理论知识发散思维、扩宽视野使之能更好的联系实际的生产，在实际的操作中我们应考虑的问题非常多。
充分考虑上述条件的同时设计出符合标准的液氨储罐。
这样不仅使我们所学的理论知识的到进一步的提高，也使我们可以了解到更多的实际生产中应该注意的问题，使我们受益匪浅。
通过这次课程设计是我深刻了解到理论知识与实际应用的差别，让我们学到了很多东西比如：
如何联系实际考虑问题，分析问题，解决问题。
摘要
储罐按其形式可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。
按其承压性质和能力可分为内压和外压，内压容器又可分为常压、低压、中压、高压、超高压等五类。
根据使用时候的壁温，可分为常温容器、高温容器、中温容器和低温容器。
按其结构材料分类，容器有金属制的和非金属制的两类。
按其反应情况可分为反应压力容器（R）换热压力容器（E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。
本次设计，我选用的是卧式圆筒形、中压常温的内压容器。
Abstract
Accordingtotheformofthestoragetankcanbedividedintosquareandrectangularcontainer,sphericalcontainer,cylindricalcontainer（vertical,horizontal）.Accordingtoitsbearingcapacitycanbedividedintointernalandexternalpressure,internalpressurevesselcanbedividedintofivecategories,suchasnormalpressure,lowpressure,mediumpressure,highpressure,highpressureandsoon.Accordingtotheuseofthewalltemperature,canbedividedintonormaltemperature,hightemperature,mediumtemperatureandlowtemperaturevessel.Accordingtotheclassificationofitsstructuralmaterial,thecontainerhastwokindsofmetalandnonmetal.Accordingtotheirreactionconditionscanbedividedintothereactionpressurevessel（R）,heatexchangepressurevessel（E）,theseparationpressurevessel（S）,storagepressurevessel（C）,etc.Thisdesign,Iusethehorizontalcylinder,mediumpressureinsidethepressurevessel.
、八―.
前言I
摘要II
AbstractIII
1、液氨储罐设计参数的确定.1
1.1设计温度与设计压力的确定1
1.2罐体和封头的材料的选择1
1.3形状设计参数2
2、封头的选择.2
2.1许用应力2
2.2焊接接头设计3
3、筒体和封头的壁厚的计算.3
3.1公称直径Di和筒体长度L的计算3
3.2筒体壁厚的计算4
3.3封头壁厚的计算4
3.4水压试验5
3.4.1确定水压试验的试验压力值6
3.4.2计算水压试验时的器壁应力值6
3.4.3校核强度6
4、选择人孔并核算开孔补强.7
4.1人孔的选择7
4.2开孔补强的计算8
5、选择鞍座并核算承载能力.11
5.1罐体质量W1.11
5.2液氨质量W211
5.3其他附件质量W3.12
5.4设备总质量W.12
5.5鞍座的选择12
6.选择液面计.13
7、选配工艺接管.13
7.1液氨进料管13
7.2液氨出料管14
7.3排污管14
7.4安全阀接口管14
7.5液面计接口管14
7.6放空管接管口15
8、参数校核.15
8.1筒体轴向应力校核15
8.1.1筒体轴向弯矩计算15
8.1.2筒体轴向应力计算16
8.2筒体和封头切向应力校核17
8.3筒体环向应力的计算和校核18
8.3.1环向应力的计算18
8.3.2环向应力的校核18
8.4鞍座有效断面平均压力19
9.设计汇总19
10.结束语20
参考文献22
1、液氨储罐设计参数的确定
1.1设计温度与设计压力的确定
液氨储罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，在夏季液氨储罐经太阳暴晒，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化。
根据设计任务书的要求，所设计液氨贮罐的最高使用温度为40C,查表可知40C时液氨的饱和蒸汽压为1.55MP&《压力容器安全监察规程》规定液化气体储罐必须安装安全阀，设计压力可取最大操作压力的1.05-1.10倍。
取1.10倍最大操作压力为设计压力，所以设计压力P=1.10X1.55=1.705MPa，故取设计压
力P=1.70MPa。
1.2罐体和封头的材料的选择
选择容器用钢必须综合考虑：
容器的操作条件，如设计压力、设计温度、介质特性和操作压力等；材料的使用性能，如力学性能、物理性能、化学性能（主要是耐腐蚀性能）；材料的加工工艺性能，如焊接性能、热处理性能等；经济合理性及容器结构，如材料价格、制造费用和使用寿命等。
纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般碳素钢，压力容器专用钢板为20R,另外
还有一些合金钢，如16MnR15MnVR等也适合作为压力容器的钢板。
16MnR是345MPa级的低合金钢，具有良好的机械性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。
中温及低温的机械性能均优于Q235-A、15、20等碳素钢，是使用十分成熟的钢种，质量稳定、可使用-40〜475C场合。
15MnVR是屈服极限为390MPa级的低合金结构钢，其塑性和冲击韧性较16MnF低，其波动较大。
另外从经济的角度考虑，16MnF也较20R制造费用低。
所以在此选择16MnF钢板作为制造筒体的材料。
16MnR的含碳量为0.12%〜0.20%,含Mn量较低，伸长率为19-21%，是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。
1.3形状设计参数
3
在本设计中由于设计体积较小（18m3）且设计压力较小（P=1.70MPa）,故可采用卧式圆筒形容器，方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，故选用圆筒形卧式容器。
2、封头的选择
几何方面，就单位容积的表面积来说，以半球形封头为最小。
椭圆形和蝶形封头的容积和表面积基本相同，可以近似认为相等。
力学方面，在直径、厚度和计算压力相同的条件下，半球形封头的应力最小，二向薄膜应力相等，而沿经线的分布式均匀的。
如果与壁厚相同的圆筒体连接，边缘附近的最大应力与薄膜应力并无明显不同。
椭圆形封头的应力情况就不如半球形封头均匀。
由应力分析可知，椭圆形封头沿经线各点的应力是变化的，顶点处应力最大，在赤道上可能出现环向内压应力，对于标准椭圆形封头与壁厚相等的圆筒体相连接时，其可以达到与筒体等强度。
从制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是浓度大，冲压较为困难；椭圆封头浓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。
因此，从几何、力学和制造方面综合考虑，采用标准椭圆形封头最为合理。
椭圆形封头的型式及尺寸按JB/T4737-95《椭圆形封头》的规定标准椭圆形封头的长短轴比值为2。
封头材料与筒体一样为16MnR。
2.1许用应力
制造容器所用的钢板，其在设计温度下许用应力值的大小，直接决定着容器强度，是主要设计参数之一。
在GB150《钢制压力容器》中，对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力，16MnRl勺许用应力见表2-1。
表2-1压力容器用16MnF钢板的许用应力
钢号
钢板标
准
使用状
态
厚度
mm
常温强度指标
在下列温度「C）下的
需用应力/MPa
（Tb
MPa
Ts
MPa
<20
100
150
16MnR
GB6654
热轧
正火
6〜16
510
345
170
170
170
>16〜36
490
325
163
163
163
>36〜60
470
305
157
157
157
2.2焊接接头设计
焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。
焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成出大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构刚性约束造成焊接内应力过大等。
焊缝区的强度主要决定于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。
设计所需的焊接街头系数大小主要根据焊接接头的型式和无损检测的长度比率确定。
容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头基本上都采用双面焊，所以取焊接接头系数
3、筒体和封头的壁厚的计算
3.1公称直径Di和筒体长度L的计算
V2Vn
nDi
取D=2400Di=2800Di=3000Di=3200经计算当D=2400mm
时，L=3000mm此时，D/L=0.8最接近0.618所以取Di=2400mm
3.2筒体壁厚的计算
取计算压力Pc=P=1.70MPa筒体内径Di=DN=2400mm查表2.1知16MnR
在设计温度为40C时的许用应力为七170MPat170MPa，筒体的理
论计算壁厚公式为：
（3.1）
PcDi
2［亠
式中：
3筒体的理论计算壁厚，mm
i筒体内径，mm
[c]t——钢板在设计温度下的许用应力，MPa
――焊接接头系数，其值为1；
c1.70MPa5MPa
将数值代入公式（3.1）计算出筒体的计算厚度为:
PcDi
t
2
「7240012mm
2170
由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量O=1mm故筒体的设计厚度为:
dC212113mm
由钢板厚度负偏差表查得C=0.8mm故名义壁厚为：
nC1
130.813.8mm
3.3封头壁厚的计算
采用的是标准椭圆形封头，各参数与筒体相同，其厚度计算式为:
k12
6
2
Di
12
2
2400
0.81
2hi
6
2700
KPcDi0.811.702400
t9.62mm
20.5Pc217010.51.70
名义厚度为：
33C110.620.811.42mm
圆整后取n
12mm
。
设计厚度为：
缶
3C29.62110.62mm
查得标准椭圆形封头的直边高度（JB/T4737-95）为h0=40mm
3.4水压试验
容器制成以后，必须做压力试验或增加气密性试验，其目的是在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。
对需要进行焊后热处理的容器，应在全部焊接工作完成并经热处理之后，才能进行压力试验和气密性试验；对于分段交货的压力容器，可以分段热处理，在安装工地组装焊接，并对焊接的环焊缝进行局部热处理之后，再进行压力试验。
压力试验一般采用液压试验或气压测试，本次设计我们选用液压测试，液压试验一般采用水。
需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。
实验室液体的温度应低于其闪点或沸点。
奥氏体不锈钢制容器用水进行液压实验后，应将水渍清楚干净。
无法清楚干净时，应控制水中氯离子的含量不超过25mg/L。
试验温度：
对碳钢、16MnR15MnRNb和正火的15MnVF钢制容器进行液压试验时，液体温度不得低于5C；对于其他低合金钢制容器进行液压试验时，液体的温度不得低于15C。
如果由于板厚等因素造成材料无塑性转变温度升高，则须相应提高试验液体的温度。
试验方法：
试验时容器顶部应设排气口，充液是应将容器内空气排净，试验过程中保持容器观察表明干燥。
试验时压力应缓慢上升至设计压力，若无泄露，再缓慢上升，达到一定的试验压力后，保压一段时间后一般不低于30min。
然后
将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间，以对所有焊接接头和
连接部位进行检查。
如有渗漏，修补后重新试验，直至合格。
对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，然后进行夹套内的液压试验；液压试验完毕后，应将液体排净，并用压缩空气净内部吹干。
341确定水压试验的试验压力值
Pt営P
试验压力：
［门（3.2）
式中：
PT——试验压力，MPa;
P设计压力，MPa;
［c］、［c］t――分别为液压试验温度和设计温度下壳壁材料的许用应力,
MPa
带入数据得：
3.4.2计算水压试验时的器壁应力值
实验时器壁的应力:
3.4.3校核强度
查表2.1可知14mm的16MnR钢板的常温强度指标S345MPa。
所
以，0.9cs°.93451310.50MPaT0.9s，故所设计的器壁厚度满足设
计要求。
4、选择人孔并核算开孔补强
4.1人孔的选择
压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。
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。
根据储罐是在常温下及设计压力为2.5MPa的条件下工作，人孔的标准按公称压力为2.5MPa等级选取。
考虑到人孔盖直径较大较重，故选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG20593-95），公称直径为400mm突面法兰密封面（RF型）。
该人孔结构中有吊钩和销轴，在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转一个角度，由吊钩吊住，即可
轻松进入，而不必将其取下以节约维修时间。
查得该人孔的有关数据如下：
表4.1水平吊盖带颈对焊法兰人孔（突面）标准尺寸（mm）
公称
压力
MPa
公称
直径
dwXS
D
D1
b
b1
b2
A
H
14
do
2.5
400
426X12
620
550
40
38
40
355
300
208
36
该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为：
HG20593-95人孔RFV（A?
G）
400-2.5其中RF指突面密封，V指接管与法兰的材料为16MnRA?
G是指用普
通石棉橡胶板垫片，400-2.5是指公称直径为400mm公称压力为2.5Mpa。
表4.2人孔PN2.5DN400（HG20593-95明细表
件号
标准号
名称
数量
材料
尺寸/mm
1
筒节
1
16MnR
dwXS=426X12，Hi=300
2
HGJ52-91
法兰
1
16Mn锻件）
3
HGJ69-91
垫片
1
石棉橡胶板
S=3（代号A?
XB350）
4
HGJ63-91
法兰盖
1
16MnR
b1=38，b2=40
5
HGJ75-91P
螺柱
20
35
M27X2X150
6
螺母
40
25
M33
7
吊环
1
Q235-A.F
8
转臂
1
Q235-A.F
do=36
9
GB95-85
垫圈20
1
100HV
10
GB41-88
螺母M20
2
4级
11
吊钩
1
Q235-A.F
12
环
1
Q235-A.F
13
无缝钢管
1
20
14
支承板
1
16MnR
4.2开孔补强的计算
在开孔或安装接管处一般采取相应的补强措施。
容器开孔后，在空附近的局部地区，应力会达到很大的数值。
这种局部的应力增长现象叫做“应力集中”。
在应力集中区域的最大应力值，称为“应力峰值”，通常用max表示。
引起开孔附近应力集中现象的基本原因是结构的连续性被破坏。
在开孔处，壳体和接管的变形不一致。
为了使二者在连接之后的变形协调一致，连接处便产生了附加内力，主要是附加弯矩。
由此产生的附加弯曲应力，便形成了连接处局部地区的应力集中。
补强的形式有：
（1）内加强平齐接管；
（2）外加强平齐接管；（3）对称加强凸出接管；（4）密集补强。
由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。
由表4.1
知本设计所选用的人孔筒节内径di=400mn,壁厚nt
内径Di=400+2X（1+0.8）=403.6mm
开孔补强的有关计算参数如下：
开孔所需补强面积A
对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为：
pDj
2（ytp
1.72400
217011.7
12.06mm
开孔直径ddi2C4002（0.81）403.6mm。
由于接管材料与壳体材
料都为16MnR故fr=1，内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为：
Ad3233et（1fr）（41）
式中d――开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量，mm
3――壳体开孔处的计算厚度，mm
et接管有效厚度，mm
fr――强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。
2
代入数据得：
开孔所需补强面积A403.612.064867.42mm
（2）有效宽度B
B2d2403.6807.2mm
Bd2323t403.6214210451.6mm
二者中取较大值B=807.2mm
（3）有效高度
①外侧高度h1
h1.、d3t403.61063.53mm
h1接管实际外伸高度240mm
二者中取较小值h1=63.53mm
h1、dqt-403.61063.53mm
②内侧高度
h2
h2接管实际外内伸高度
0mm
二者中取较小值h2=0mm
（4）补强面积A
在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算
（4.2）
AeA]A2A3
式中Ae――补强面积,mm；
计算:
A1（Bd）（淞5）
25et（5e5）（1fr）
（4.3）
其中接管有效厚度为心
5C1C2100.81
8.2mm，故
A1（807.2403.6）（12.2
12.06）28.2（12.212.06）（1
2
1）56.504mm
A22h1（5et5t）
2h2（5etC2）fr
（4.4）
其中接管计算厚为
PcD°
t
2（T
1.70400
PC21701
1.70
1.99mm
2
789.04mm
A32-10
焊缝金属截面积2
2
10100mm
故补强面积A为
AeA1A2A356.504789.04100945.5466mm2
由于A，故开孔需另加补强，其另加补强面积为
A4AAe4867.42945.54663921.87mm2
（5）补强圈厚度S
A4
D2D1
3921.87
680403.6
14.189mm
圆整后取3'6mm，补强材料与壳体材料相同为16MnR
5、选择鞍座并核算承载能力
选择鞍座时应该考虑容器的质量、介质的质量以及其他附件的质量，计算三者的总质量，并根据总质量选择符合相应承载的鞍座。
5.1罐体质量W1
筒体质量mi:
公称直径Di=2400mm壁厚S=12mm的筒体，查表（《化工设备设计基础》，天津大学出版社，附表4）得每米质量是q11340kg/m，所以
m1a』。
13403.004020.00kg
圭寸头质量m2:
公称直径D=2400mm壁厚S=9.62mm直边高度h0=40mm的椭圆形封头，查表（《化工设备设计基础》，天津大学出版社，附表6）得其质量
II
m2750kg所以m22m227501500kg
W1m1m2402015005520kg
5.2液氨质量W2
WV（5.1）
式中：
一一装量系数，取0.9;（《压力容器安全技术监察规程》规定：
介
质为液化气体的固定式压力容器，装量系数一般取0.9）
3
V――贮罐容积，m;
3
P――液氨的密度，在-20C时液氨的密度为665kg/m。
于是W2V0.918.0066510773kg
5.3其他附件质量W3
人孔约重194kg，其它接口管的总重约200kg。
于是W=394kg
5.4设备总质量W
W=WW+W=5520+10773+394=16687kg
5.5鞍座的选择
每个鞍座承受的负荷为
升级会员 