立方米液氨储罐设计说明书.docx
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立方米液氨储罐设计说明书
课程设计任务书2
20m3液氨储罐设计2
课程设计内容3
液氨物化性质及介绍3
1.设备的工艺计算3
1.1设计储存量3
1.2设备的选型的轮廓尺寸的确定3
1.3设计压力的确定4
1.4设计温度的确定4
1.5压力容器类别的确定4
2.设备的机械设计5
2.1设计条件5
2.2结构设计6
2.2.1材料选择6
2.2.2筒体和封头结构设计6
2.2.3法兰的结构设计6
（1）公称压力确定7
（2）法兰类型、密封面形式及垫片材料选择7
（3）法兰尺寸7
2.2.4人孔、液位计结构设计8
（1）人孔设计8
（2）液位计的选择9
2.2.5支座结构设计10
（1）筒体和封头壁厚计算10
（2）支座结构尺寸确定12
2.2.6焊接接头设计及焊接材料的选取14
（1）焊接接头的设计14
（2）焊接材料的选取16
2.3强度校核16
2.3.1计算条件16
2.3.2内压圆筒校核17
2.3.3封头计算18
2.3.4鞍座计算20
2.3.5开孔补强计算21
3.心得体会22
4.参考文献22
课程设计任务书
20m3液氨储罐设计
一、课程设计要求：
1.按照国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。
2.设计计算采用手算，要求设计思路设计思路清晰，计算数据准确、可靠。
3.工程图纸要求计算机绘图。
4.独立完成。
二、原始数据
设计条件表
序号
项目
数值
单位
备注
1
名称
液氨储罐
2
用途
液氨储存
3
最高工作压力（MPa）
1.93
由介质温度确定
4
工作温度（℃）
-20～50
5
公称容积（M3）
20
6
工作压力波动情况
可不考虑
7
装量系数（φV）
0.85
8
工作介质
液氨（中度危害）
9
使用地点
太原市室外
三、课程设计主要内容
1.设备工艺设计
2.设备结构设计
3.设备强度计算
4.技术条件编制
5.绘制设备总装配图
6.编制设计说明书
四、学生应交出的设计文件（论文）：
1.设计说明书一份；
2.总装配图一张（A1图纸一张）
课程设计内容
液氨物化性质及介绍
液氨，又称为无水氨，是一种无色液体，有强烈刺激性气味。
氨作为一种重要的化工原料，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，具有腐蚀性且容易挥发，所以其化学事故发生率很高。
液氨分子式NH3，分子量17.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7℃，沸点-33.35℃，自燃点651.11℃，蒸汽压1013.08kPa（25.7℃）。
蒸汽与空气混合物爆炸极限为16—25%（最易引燃浓度为17%）氨在20℃水中溶解度34%；25℃时,在无水乙醇中溶解度10%；在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合物的良好溶剂。
水溶液呈碱性。
液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。
遇热、明火，难以点燃而危险性极低，但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇火和燃烧或爆炸，如有油类或其它可燃物存在则危险性极高。
1．设备的工艺计算
工艺设计的内容是根据设计任务提供的原始数据和生产工艺要求，通过计算和选型确定设备的轮廓尺寸。
1.1设计储存量
式中：
W——储存量，t；
——装量系数；
V——压力容器容积；m3
——设计温度下的饱和溶液的密度，
W=0.85×20×0.563=9.57t
1.2设备的选型的轮廓尺寸的确定
根据设计要求，本设计为卧式容器，筒体采用圆筒形，封头采用标准椭圆形封头
查阅文献，筒体的基本参数如下：
表1-1筒体基本参数
公称容积Vg/m3
公称直径DN/mm
筒体长度L/mm
20
2000
5800
查阅文献确定椭圆形封头基本参数如下表：
表1-2椭圆形封头参数
公称直径DN/mm
总深度H/mm
内表面积A/m2
容积V/m3
2000
525
4.4930
1.1257
设备计算容积
V计=π/4×DN2×L+V封×2=π/4×2.02×5.8+0.1257×2=20.46m3
实际工作容积
V工=V计×f=20.46×0.85=17.39m3
1.3设计压力的确定
查阅文献
常温压力储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力
液化气体
临界温度
规定温度下的工作压力
无保冷设施
有保冷设施
无试验实测温度
有试验实测最高工作温度
并且能保证低于临界温度
≥50℃
50℃饱和蒸气压力
可能达到的最高工作温度下的饱和蒸气压力
＜50℃
在设计所规定的最大充装量下为50℃的气体压力
试验实测最高工作温度下的饱和蒸气压力
液氨液化气饱和蒸汽压及饱和液密度
温度℃
-15
10
30
50
饱和蒸汽压（绝压）MPa
0.269
0.603
1.156
2.030
饱和蒸汽压密度kg/m3
658
625
595
563
液氨临界温度为132.4℃，其50℃饱和蒸汽压为1.93MPa
故其设计压力为
Pd=1.1×1.93=2.12MPa
0.6MPa≤Pd≤10MPa属于中压容器
1.4设计温度的确定
设备工作温度为-20℃~50℃，故其设计温度为50℃，
在-20～200℃条件下工作属于常温容器。
1.5压力容器类别的确定
液氨属于液化气体，查阅文献［4］，可知属于第一组介质
查第一组介质—压力容器类别划分图，可知20m3液氨储罐属于第Ⅲ类压力容器
2．设备的机械设计
2.1设计条件（见表2-1和表2-2）
表2-1设计条件表
内容
备注
工作介质
液氨
工作压力Mpa
1.93
设计压力Mpa
2.12
工作温度℃
-20—50
设计温度℃
50
公称容积（Vg）m3
20
计算容积（V计）m3
20.46
工作容积（V工）m3
17.39
装量系数f
0.85
介质密度（ρ）t/m3
0.563kg/L
材质
Q345R
保温要求
无保温层
其他要求
表2-2管口表
符号
公称规格DN/mm
连接法兰标准
密封面
用途或名称
L1.L2
20
HG/T20592-2009
FM
液位计接口
M
450
/
FM
人孔
SV
70
HG/T20592-2009
FM
安全阀接口
A
80
HG/T20592-2009
FM
液相进口管
B
100
HG/T20592-2009
FM
压力表接口
C
25
HG/T20592-2009
FM
放空管
D
70
HG/T20592-2009
FM
氨气出口管
E
70
HG/T20592-2009
FM
液相出口管
F
70
HG/T20592-2009
FM
排污管
2.2结构设计
2.2.1材料选择
一般而言，以强度为主的中压设备采用低合金钢为宜，而且低合金钢对液氨也具有良好的耐腐蚀率，可选用低合金钢，Q245R和Q345R这两种钢材可以满足要求。
由于Q345R许用应力高于Q245R,相同条件下，采用Q345R制造设备，可减小壁厚，减小设备重量，降低成本，同时壁厚减小，也可以为材料和设备的运输以及制造加工带来很大的方便，所以选择Q345R制造设备筒体和封头。
2.2.2筒体和封头结构设计
由表1-1可知筒体公称直径DN=2000mm，长度L=5800mm
由表1-2可知EHA标准椭圆形封头公称直径DN=2000mm总深度H=525mm
则其直边长h=25mm
2.2.3法兰的结构设计
法兰有设备法兰和管法兰，设备筒体和封头焊接在一起，所以不需要设备法兰，只有管法兰。
（1）公称压力确定
设备设计压力为2.12MPa，操作温度为-20~50℃，可选用锻件，材料选
16MnⅡ
查文献可知，在操作温度范围内，PN25材料为16MnⅡ的钢制管法兰最大允许工作压力为2.5MPa，满足设计要求，故管法兰公称压力为PN25
（2）法兰类型、密封面形式选择
液氨易挥发，为强渗透性的中度危害介质，查文献可知须采用带颈对焊型管法兰，面封面采用凹凸面密封。
（3）法兰尺寸
查阅文献可知各法兰详细尺寸及法兰质量，详细见下图2-2和表2-3
图2-2
表2-3PN25带颈对焊钢制法兰单位：
mm
接管代号
公称尺寸DN
钢管外径
A1
连接尺寸
法兰厚度
C
法兰颈
法兰高度
H
法兰质量M
（kg）
法兰外径
D
螺栓孔中心圆直径
K
螺栓孔直径
L
螺栓孔数量
n（个）
螺栓Th
N
S
≥
H1
≥
R
B
80
89
200
160
18
8
M16
24
105
3.2
12
8
58
5.0
D
50
57
165
125
18
4
M16
20
75
2.9
8
6
48
3.0
C
25
32
115
85
14
4
M12
18
46
2.6
6
4
40
1.0
65
76
185
145
18
8
M16
22
90
2.9
10
6
52
4.0
L1.L2
20
25
105
75
14
4
M12
18
40
2.3
6
4
40
1.0
2.2.4人孔、液位计结构设计
（1）人孔设计
人孔的作用：
为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷以及装拆设备的内部零件。
。
人孔的结构：
人孔为组合件，包括承压零件筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，以及人孔启闭所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。
圆形人孔的公称直径规定为400~600mm
容器公称直径大于或等于1000mm且筒体与封头为焊接连接时，至少设一个人孔。
卧式容器的筒体长度大于等于6000mm,应考虑设置2个以上人孔。
综合考虑，选择回转该带颈对焊法兰人孔，公称压力PN2.5,公称直径DN450，
MFM型密封面,材料选用16MnR
标记为：
人孔MFMⅢs-35CM（NM-XB350）A450-2.5HG/T21518-2005
查阅文献，得本次选用回转盖带颈对焊法兰人孔结构尺寸，见下图2-3和
表2-4
表2-4回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表
密封面型式
公称压力PN
公称直径DN
d
D
D1
H1
H2
b
MFM
2.5
450
480
12
456
670
600
250
121
42
b1
b2
A
B
L
d0
螺柱
螺母
螺柱
总质量
数量
直径
长度
41
46
375
175
250
24
20
40
M33
2
165
245
图2-3回转盖带颈对焊法兰人孔结构图
（2）液位计的选择
液位计是用以指示容器内物料液面的装置，液位计的种类很多，常见的有许多
包括玻璃管液面计、玻璃板液面计、浮标液面计、防霜液面计、磁性液位计等
其中：
玻璃管液面计和玻璃板液面计适用于工作温度在0℃以上；
浮标液面计适用于常压设备；
防霜液面计适用于液体温度在0℃一下的液体测量；
液氨储罐工作温度在-20~50℃，设计压力为1.23MPa，以上三种都不适合。
磁性液位计适用于PN=1.6~16MPa，-40~300℃，液体密度≥0.45g/cm3，适合于液氨储罐
根据设计要求选择磁性液位计，标记如下：
HG/T21584-95UZ2.5M-1400-0.6BF321C
2.2.5支座结构设计
容器支座有鞍式支座、腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座。
腿式支座和支承式支座用于低矮立式设备的支承，耳式支座用于中小型立式圆筒形容器的悬挂式支承，裙式支座用于高大型高塔的支承，鞍式支座是卧式容器经常采用的支座形式，本设计也采用鞍式支座。
置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。
当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。
对于大型卧式容器而言，一般情况采用双支座。
此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。
通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。
所以本设计就采用这种双支座结构。
查阅文献，可知一边为F型，一边为S型。
鞍座的材料除垫板外都为Q235-B，加强垫板的材料与设备壳体材料相同为Q345R。
（1）筒体和封头壁厚计算
筒体壁厚计算
圆筒的设计压力为2.12Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。
在板厚3～16mm时取许用应力为189Mpa。
液柱静压力
ρgh=1×9.8×2000=0.02Mpa
而ρgh∕2.123=0.9%<5%所以可以忽略。
故筒体壁厚[1]
=（2.12×2000）/（2×189-2.12）=11.28mm
查得钢板厚度负偏差C1=0.3mm,
双面腐蚀取腐蚀裕量
㎜。
[1]
筒体的设计厚度为：
δd=δ+C2=11.28+2=13.28mm
δn=δd+C1=13.28+0.3=13.58mm
对厚度进行圆整可得名义厚度为：
=14mm
确定用
厚的Q345R钢板制作筒体。
有效厚度
mm
封头壁厚计算
本容器用标准椭圆封头，厚度根据公式：
[1]
其中各数据跟筒体相同，
=（2.12×2000）/（2×189-0.5×2.12）=11.25mm
封头的设计厚度为：
[2]
δd=δ+C2=11.25+2=13.25mm
δn=δd+C1=13.25+0.3=13.55mm
对厚度进行圆整可得名义厚度为：
=14mm
确定用
厚的Q345R钢板制作封头。
有效厚度
可见封头厚度近似等于筒体厚度，所以圆整后取δ=14mm，有效厚度
水压试验
试验方法：
试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。
试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于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便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。
水压试验，液体的温度不得低于5℃；
试验校核：
材料Q345R的[σ]=189Mpa,[σ]t=189Mpa，P=2.12Mpa,σs=345Mpa。
水压试验时的压力
PT=1.25×2.12=2.65Mpa
水压试验的应力校核：
水压试验时的应力[1]
=2.65×（2000+11.7）/（2×11.7）=227.82Mpa
水压试验时的许用应力为
故筒体满足水压试验时的强度要求。
（2）支座结构尺寸确定
鞍座载荷计算：
储罐总质量
筒体的质量
：
查得圆筒体材料Q345R密度ρ=7800㎏/m3,筒体长度5.8m,
则质量:
m1=πDLδnρ=3.14×2.0×5.8×0.014×7800=3977.50kg
封头的质量
:
根据封头的名义厚度查阅文献可知封头质量为395.8kg
水压试验时水的质量
：
m3=20×1000=20000㎏。
附件的质量
：
人孔重245kg，补强圈31.64kg，管法兰27kg，钢管7.721kg，液位计16.47kg。
m4=327.83kg
所以设备总质量为
m=3977.50+2×395.8+20000+327.83=25096.93kg
即
G=mg=25096.93×9.8=245.9kN
每个鞍座所受支座反力F=122.95kN
鞍座尺寸标准:
查阅文献根据筒体公称直径，选取公称直径DN=2000mm，120°包角轻型（A）带垫板鞍式支座，允许载荷Q295kN>245.9kN，满足要求。
由公称直径查文献得具体尺寸如下表2-5及图2-4
图2-4鞍式支座结构尺寸图
表2-5鞍座结构尺寸表
公称直径
DN
2000
腹板
10
垫板
430
允许载荷
Q/kN
295
筋板
295
10
鞍座高度
h
250
190
e
80
底板
1280
260
螺栓间距
1120
220
8
螺孔/螺纹
D/l
24/
M20
12
垫板
弧长
2100
鞍座质量
Kg
162
鞍座位置的确定
双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取
其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。
A≤0.2L=0.2×﹙5800+25×2）=1170mm
当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。
为了充分利用这一加强效应因此当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5R0,
即A≤0.5R0≤0.5×（1000+14）=507mm
综合以上：
取A=507mm
S=L-2A=5800+50-1000=4850mm,
2.2.6焊接接头设计及焊接材料的选取
容器各受压元件的组装通常采用焊接。
焊接接头是焊缝和热影响区的总称。
焊接接头的形式直接影响到焊接的质量与容器安全。
（1）焊接接头的设计
本设计中，壳体上的所有纵向及环向接头、椭圆形封头上的拼接街头及壳体与封头
的接头，即A、B类接头，必须采用对接焊，不允许采用搭接焊，且对接接头都为等厚
度焊接。
焊接接头坡口形式及尺寸：
对接接头坡口形式及尺寸
筒体壁厚为14mm，所以选择X形坡口，适用于筒体上A、B类接头，具体结构尺寸如下图2-5
图2-5对接接头结构尺寸图
接管与筒体连接接头坡口形式与尺寸
接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与对容器强度与安全的要求有关，有多种形式，涉及到是否开坡口、单面焊、焊透与焊不透等问题。
本设计接管与筒体的连接有带补强圈与不带补强圈两种，查阅文献，结合本设计实际综合考虑，确定接头结构尺寸如下图2-6、图2-7
图2-6不带补强圈接管与筒体连接接头结构尺寸
图2-7带补强圈接管与筒体连接接头结构尺寸
（2）焊接材料的选取
本设计采用手工电弧焊，其设备简单，便于操作，适用于各种焊接，在压力容器制造中应用十分广泛，钢板对接，接管与筒体、封头的连接等都可以采用。
手工电弧焊的焊接材料是焊条，本设计材料主要为低合金钢和碳钢，需要用到低合金焊条和碳钢焊条，对于这二者的选用主要考虑如下因素：
对低碳钢和低合金钢，要按等强度原则选择焊条，即要求焊缝与母材强度相等或基本相等，而不要求焊缝金属的化学成分与母材相同；
当低碳钢与低合金钢之间、或不同种类的低合金钢之间进行焊接时，应选用与其中强度较低的钢材等强度的焊条进行焊接。
Q345R钢板抗拉强度510~640MPa
16Mn无缝钢管抗拉强度510~660MPa
Q235B钢板抗拉强度375~500MPa
查阅文献结合本设计实际综合考虑，所选用焊条如下表2-6
表2-6焊条的选取
材料
Q345R
16Mn
Q235-B
Q345R
E5015
E5015
E4303
16Mn
E5015
E5015
E4303
Q235-B
E4303
E4303
E4303
2.3强度校核
2.3.1计算条件
钢制卧式容器
计算单位
太原理工大学
计算条件
简图
设计压力p
2.12
MPa
设计温度t
50
℃
筒体材料名称
Q345R
封头材料名称
Q345R
封头型式
椭圆形
筒体内直径Di
2000
mm
筒体长度L
5800
mm
筒体名义厚度?
n
14
mm
支座垫板名义厚度?
rn
10
mm
筒体厚度附加量C
2.3
mm
腐蚀裕量C1
2
mm
筒体焊接接头系数?
1
封头名义厚度?
hn
14
mm
封头厚度附加量Ch
2.3
mm
鞍座材料名称
Q235-B
鞍座宽度b
220
mm
鞍座包角θ
120
°
支座形心至封头切线距离A
450
mm
鞍座高度H
250
mm
地震烈度
八（0.2g）
度
2.3.2内压圆筒校核
内压圆筒校核
计算单位
太原理工大学
计算所依据的标准
GB150.3-2011
计算条件
筒体简图
计算压力Pc
2.12
MPa
设计温度t
50.00
?
C
内径Di
2000.00
mm
材料
Q345R（板材）
试验温度许用应力?
?
?
189.00
MPa
设计温度许用应力?
?
?
t
189.00
MPa
试验温度下屈服点?
s
345.00
MPa
钢板负偏差C1
0.30
mm
腐蚀裕量C2
2.00
mm
焊接接头系数?
1.00
厚度及重量计算
计算厚度
?
=
=11.28
mm
有效厚度
?
e=?
n-C1-C2=11.70
mm
名义厚度
?
n=14.00
mm
重量
3977.50
Kg
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
PT=1.25P
=2.65
MPa
压力试验允许通过
的应力水平?
?
?
T
?
?
?
T?
0.90?
s=310.50
MPa
试验压力下
圆筒的应力
?
T=
=203.62
MPa
校核条件
?
T?
?
?
?
T
校核结果
合格
压力及应力计算
最大允许工作压力
[Pw]=
=2.44113
MPa
设计温度下计算应力
?
t=
=162.59
MPa
?
?
?
t?
189.00
MPa
校核条件
?
?
?
t?
≥?
t
结论
合格
2.3.3封头计算
左封头计算：
左封头计算
计算单位
太原理工大学
计算所依据的标准
GB150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
计算压力Pc
2.10
MPa
设计温度t
50.00
?
C
内径Di
1800.00
mm
曲面深度hi
450.00
mm
材料
Q345R（板材）
设计温度许用应力?
?
?
t
189.00
MPa
试验温度许用应力?
?
?
189.00
MPa
钢板负偏差C1
0.30
mm
腐蚀裕量C2
2.00
mm
焊接接头系数?
1.00
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
PT=1.25Pc
=2.63（或由用户输入）
MPa
压力试验允许通过的应力?
?
?
t
?
?
?
T
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