50立方米液氨储罐设计说明书张震-140140059.docx

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50m³液氨储罐设计说明书

燕京理工学院

YanchingInstituteofTechnology

（2018）届本科生化工设备机械基础大作业

题目：

50立方米液氨储罐设计

学院：

化工与材料工程学院专业：

应用化学1402

学号：

140140059姓名：

张震

指导教师：

周莉莉

教研室主任（负责人）：

顾明广

2017年6月20日

目录

课程设计任务书 3

50m³液氨储罐设计 3

课程设计内容 3

液氨物化性质及介绍 4

第一章设备的工艺计算 4

1.1设计储存量 4

1.2设备的选型的轮廓尺寸的确定 4

1.3设计压力的确定 5

1.4设计温度的确定 5

1.5主要元件材料的选择 5

第二章设备的机械设计 6

2.1设计条件（见表2-1和表2-2） 6

2.2结构设计 7

2.2.1材料选择 7

2.2.2筒体和封头结构设计 7

2.2.3法兰的结构设计 7

2.2.4人孔、液位计结构设计 9

2.2.5支座结构设计 11

2.2.6焊接接头设计及焊接材料的选取 14

2.3开孔补强计算 15

2.3.1补强设计方法判别 15

2.3.2有效补强范围 16

2.3.3有效补强面积 17

2.3.4接管的多余面积 17

2.3.5补强面积 17

第三章液面计的选用 18

第四章视镜的选用 18

第五章安全阀的选用 18

第六章焊接接头的设计 18

第七章垫片及螺栓的选择 18

课程设计总结 19

参考文献 19

课程设计任务书

50m³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.独立完成。

二、原始数据

设计条件表

序号

项目

数值/名称

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

1.55

MPa

由介质温度确定

4

工作温度

0-40℃

℃

5

公称容积（Vg）

50

M3

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

9

使用地点

河北省张家口市

10

安装与地基要求

11

其它要求

三、课程设计主要内容

1、设备工艺、结构设计；

2、设备强度计算与校核；

3、技术条件编制；

4、绘制设备总装配图；

5、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（A3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。

第一章设备的工艺计算

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=0.85×50×0.563=23.93t

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

由已知数据计算出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

50

2600

8400

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

2600

690

7.6545

2.5131

设备计算容积

V计=π/4×DN2×L+V封×2=π/4×2.6²×8.4+2.5131×2=47.10m³

实际工作容积

V工=V计×f=47.10×0.85=40.03m³

1.3设计压力的确定

液氨在40℃的饱和蒸汽压为1.55MPa，由于按《压力容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气40℃时的饱和蒸汽压力Pv=1.55Mpa，大气压Pa=0.1Mpa.而最高工作压力指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压可取液氨容器的设计压力为最大工作压力的1.1倍。

即P=（1.55-0.1）×1.1=1.6

水压试验Pt=1.25×1.6=2.0Mpa

1.4设计温度的确定

设计温度系指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下，设定受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度，对于0℃以下的金属温度，则设计温度不高于元件金属可能达到的最低金属温度，容器的设计温度是指壳体的设计温度，可知器设计温度选取的依据是：

其值不得低于最高金属温度或不得高于最低金属温度（0℃以下）。

河北省张家口市当地最高工作温度为-15℃-35℃，则设计温度取40℃。

1.5主要元件材料的选择

液氨属于液化气体，查阅文献，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50m³液氨储罐属于第II类压力容器。

第二章设备的机械设计

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

1.54

设计压力Mpa

1.6

工作温度℃

-15—35

设计温度℃

40

公称容积（Vg）m3

50

计算容积（V计）m3

47.1

工作容积（V工）m3

40.03

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

表2-2管口表

接管代号

公称尺寸

连接尺寸标准

连接面形式

用途或名称

a

DN450

HG20592WN450-2.5MFM

FM

人孔

b

DN15

G1/2

FM

压力表口

c

DN50

HG20592WN50-2.5FM

FM

气相出口

d

DN80

HG20592WN50-2.5FM

FM

安全阀排气口

e

DN80

HG20592WN50-2.5FM

FM

安全阀排气口

f

DN50

HG20592WN50-2.5FM

FM

进料口

g

DN50

HG20592WN50-2.5FM

FM

放空口

h1-2

DN20

HG20592WN50-2.5FM

FM

液位口

j

DN25

HG20592WN25-2.5M

M

放尽口

i

DN50

HG20592WN25-2.5M

M

出料口

t

DN20

M27×1.5

M

温度计口

2.2结构设计

2.2.1材料选择

根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1㎜/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材，综合考虑经济因素，根据GB150-1998表4-1，选用筒体材料为低合金钢（16MnR）Q345（钢材标准为GB6654）[σ]t=163Mpa。

Q345（16MnR）适用范围：

用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性,壁厚较大（≥8mm）的压力容器。

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=2600mm，长度L=8400mm

由表1-2可知EHA标准椭圆形封头公称直径DN=2600mm总深度H=690mm

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

计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定组件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。

通常情况下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当组件所承受的液柱静压力小于5%设计时，可忽略不计。

经查《压力容器安全技术监察规程》得液氨的设计压力

P设=1.1×P工作=1.10×（2.059-0.1）=2.16Mpa

液柱静压力ρgh=562.871×9.8×2600=0.0143Mpa

，

（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

SV.A.E.F

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

48012

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

M332165

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

Ⅰ筒体壁厚计算

该容器需100%探伤，所以取其焊接系数为。

圆筒的厚度在16-36mm范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：

在设计温度50℃下，屈服极限强度，许用应力

利用中径公式，

计算厚度：

圆整至18mm

取。

=2

则筒体的设计厚度

筒体的有效厚度

II封头壁厚计算

查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表1，得公称直径

选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，则，根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：

圆整得

腐蚀裕量C2=2mm，设计厚度δd=δ+C2=18+2=20mm.对于16MnR,钢板负偏差C2=0

取名义厚度

有效厚度2

由于筒体的名义厚度与封头的名义厚度相近，所以可以统一去名义厚度为。

选择封头的数据:

DN=2600mm,曲面高h1=690mm,直边高h0=40mm,内表面积=7.6545㎡,容积=2.5131m,名义厚度δn=20mm,质量=1184.6kg。

III计算压力Pc

计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定组件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。

通常情况下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当组件所承受的液柱静压力小于5%设计时，可忽略不计。

经查《压力容器安全技术监察规程》得液氨的设计压力

P设=1.1×P工作=1.10×（2.059-0.1）=2.16Mpa

液柱静压力ρgh=562.871×9.8×2600=0.0143Mpa，

液柱静压力可以忽略,计算压力与设计压力相等。

即Pc=2.16Mpa

（2）支座结构尺寸确定

该卧式容器采用双鞍式支座材料选用Q235-B，其许用应力

查得16MnR密度7900Kg/m3

筒体总质量M=m1+m2+m3+m4

m1:

筒体质量

m2:

封头质量

m3:

液氨质量

m4:

附件质量：

人孔及其它附件质量总共估取400Kg

每个鞍座承受的压力

所以选鞍座JB/T4712.1-2007，标准尺寸为：

DN=2600mm,许用载荷435KN,包角120°，带垫板，A型。

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，从而使上述两截面上保持等强度，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。

考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，面且支座截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸A不超过0.2L值，为此中国现行标准JB4731《钢制卧式容器》规定A≤0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。

则可以取鞍座间距8000mm。

由标准椭圆封头

故

此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。

若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。

因此，JB4731还规定当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5R

即

，则可取A=1000mm

综上有：

A=1000mm（A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长）

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

综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介质是高毒性介质，所以本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图。

而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。

（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开孔补强计算

根据GB150中8.3，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=500mm的人孔需要补强。

2.3.1补强设计方法判别

按HG/T21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。

开孔直径

故可以采用等面积法进行开孔补强计算。

接管材料选用10号钢正火，其许用应力

根据GB150-1998中式8-1，

其中：

壳体开孔处的计算厚度

接管的有效厚度

强度削弱系数

所以开孔所需补强面积为

2.3.2有效补强范围

（1）有效宽度B的确定

按GB150中式8-7，得：

12.2.2有效高度的确定

（2）外侧有效高度的确定

根据GB150中式8-8，得：

（3）内侧有效高度的确定

根据GB150-1998中式8-9，得：

，，

2.3.3有效补强面积

根据GB150中式8-10-式8-13，分别计算如下：

3.1筒体多余面积

2.3.4接管的多余面积

接管厚度：

3.3焊缝金属截面积

焊角取6.0mm

2.3.5补强面积

因为，所以开孔需另行补强

所需另行补强面积：

补强圈设计：

根据DN500取补强圈外径D’=840mm　。

因为B>D’，所以在有效补强范围。

补强圈内径d’=530+2=532mm

补强圈厚度：

圆整取名义厚度为20mm。

第三章液面计的选用

透光式玻璃面液面计，型号T；利用连通器原理，通过液面计的玻璃板视窗可以观察容器内部液面位置的变动情况。

结构形式：

保温型W,钢板16Mn.L=900,标准HG21589.1-1995.

第四章视镜的选用

选用不带颈视镜；

不带颈视镜结构简单，便于窥视，由于视镜接缘直接焊接在设备上，容易在焊接后引起接缘上的密封面变形，所以应有可靠的焊接工艺保证。

选用视镜的数据：

DN=80PN=1.57D=130b1=36b2=26H=91

螺柱：

个数n=8直径d=M12重量m=7.1kg标准：

不锈钢HGJ501-86-15

第五章安全阀的选用

液氨：

A44H-160对于高压容器和安全泄放量达的中低压容器，最好采用全启式安全阀，考虑泄放的介质质量是否易燃、有毒、污染环境，确定采用封闭式安全阀。

所以选用弹簧封闭全启式（带扳手）安全阀。

第六章焊接接头的设计

综合考虑各种因素，针对本次设计储存的介质是高毒性介质，所以本次设计的壳体A、B类焊接接头应为X型的如图。

而对于法兰与壳体、接管连接的接头，应采用全焊透接头。

第七章垫片及螺栓的选择

垫片凹凸面用MFM型（mm）

公称通径

垫片内径

垫片外径

垫片厚度

20

27

50

1.5

8