液氨贮罐.docx

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液氨贮罐

设计任务书

设计题目：

液氨储罐设计

设计任务：

综合运用所学的化工设备机械基础课程知识并查阅相关书籍设计一个液氨贮罐。

综合考虑环境条件、介质的理化性质及结构方面的要求等因素，结合给定的工艺参数合理的进行设计。

完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计。

包括筒体、封头、零部件的材料的选择及结构的设计；罐的制造施工及焊接形式等；设计计算及相关校核；各设计的参考标准；附CAD图。

已知工艺参数：

最高使用温度：

T=50℃；

公称直径：

DN=2800mm；

筒体长度（不含封头）：

L0=5500mm。

任务下达时间：

2010年11月19日

完成截止时间：

2010年12月30日

目录

1前言1

2材料用钢的选取2

2.1容器用钢2

2.2附件用钢2

3液氨贮罐设计参数的确定3

3.1设计温度与设计压力的确定3

3.2其他设计参数3

4贮罐主体的设计4

4.1筒体的设计4

4.2封头的设计4

4.3水压试验5

4.3.1确定水压试验的试验压力值5

4.3.2计算水压试验时的器壁应力值5

4.3.3校核强度6

5贮罐附件设计7

5.1人孔设计7

5.1.1人孔的选择7

5.1.2人孔补强的计算7

5.2其他附件设计9

5.2.1液氨进出料管9

5.2.2排污管9

5.2.3液面计10

5.2.4安全阀10

5.3鞍座的设计10

5.3.1鞍座的计算10

5.3.2鞍座的选取11

5.3.3安装位置12

6筒体和封头的校核计算14

6.1筒体轴向应力校核14

6.1.1由弯矩引起的轴向应力14

6.1.2由设计压力引起的轴向应力15

6.1.3轴向应力组合与校核15

6.2筒体和封头切向应力校核16

7容器焊缝标准17

7.1筒体与椭圆封头的焊接接头17

7.2容器法兰与筒体的焊接接头17

7.3管法兰与接管的焊接接头17

7.4接管与壳体的焊接接头17

8总结18

参考文献19

1前言

化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。

所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。

然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。

因此在容器的设计中应综合考虑各方面的因素，使之达到最优。

液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。

在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。

为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。

2材料用钢的选取

2.1容器用钢

纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般钢材，但由于压力较大，可以考虑20R、16MnR这两种钢种。

如果纯粹从技术角度看，可选用20R类的低碳钢板，16MnR钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济[2]。

所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。

钢板标准号为GB6654-1996。

2.2附件用钢

优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。

优质中碳钢的强度较高、韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。

由于接管要求焊接性能好且塑性好，故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。

由于法兰必须具有足够大的强度和刚度，以满足连接的条件，使之能够密封良好，故选用20（GB711）的钢板。

3液氨贮罐设计参数的确定

3.1设计温度与设计压力的确定

液氨贮罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，在夏季液氨贮罐经太阳暴晒，液氨温度可达50℃，随着气温的变化，贮罐的操作压力也在不断变化。

取液氨贮罐的设计温度为50℃。

通过查《常用压力容器手册》P115得设计压力为2.16MPa。

3.2其他设计参数

容器公称直径为2800mm；查教材P168表8-7可知其设计温度下的许用应力

。

液氨贮罐封头从受力方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。

但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头深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。

平板封头因直径和厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。

从钢材耗用量来看：

球形封头用材最少，比椭圆封头节约，平板封头用材最多。

因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。

液氨贮罐筒体是经卷制成形后焊接而成的，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，采用全部无损探伤，根据焊接接头结构和无损探伤比例确定焊接接头系数

。

4贮罐主体的设计

4.1筒体的设计

设计压力pc=2.16MPa，筒体内径Di=2800mm，设计温度下的许用应力

，焊接接头系数

。

所以，筒体的计算厚度

（4-1）

式中δ——筒体的理论计算壁厚，mm；

pc——筒体的计算压力，MPa；

Di——筒体内径，mm；

[σ]t——钢板在设计温度下的许用应力，MPa；

——焊接接头系数，其值小于或等于1

>16mm

不符合表中规定。

再取

得

>16mm

符合表中的规定。

在《钢制压力容器》中，只考虑钢板腐蚀裕量C2，不计钢板的厚度负偏差C1，查得C2=2mm

则筒体的设计厚度

（4-2）

根据钢板厚度规格表，圆整后选取名义厚度

的16MnR钢板。

4.2封头的设计

采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。

封头的计算厚度

设计厚度

圆整后选取名义厚度

的16MnR钢板。

4.3水压试验

检验容器受压部件的结构强度，验证其是否具备在设计压力下安全运行所需的承压能力。

同时，如果容器存在潜在性缺陷或连接部件不严密，也可以通过水压试验时发生的泄漏而被发现。

4.3.1确定水压试验的试验压力值

根据公式，试验压力

（4-3）

其中p——压力容器的设计压力，MPa；

η——耐压试验压力系数，查教材表15-3知

；

[σ]——试验温度下材料的许用应力，MPa；

[σ]t——设计温度下材料的许用应力，MPa。

而

所以试验压力

4.3.2计算水压试验时的器壁应力值

试压时的器壁应力

（4-4）

式中pT——水压试验的试验压力值，MPa；

Di——筒体内径，mm；

δe——有效厚度，mm；

——焊接接头系数，其值小于或等于1

4.3.3校核强度

查教材P115表6-9可知22mm的16MnR钢板的常温强度指标

。

所以

，（4-5）

故器壁厚度满足水压试验要求。

5贮罐附件设计

5.1人孔设计

5.1.1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。

根据贮罐是在常温下及最高工作压力为2.16MPa的条件下工作，人孔的标准按公称压力为2.16MPa等级选取，考虑到人孔盖直径较大较重，故选用碳钢水平吊盖带颈对焊法兰人孔（JB583-79），人孔筒节轴线垂直安装。

公称直径450mm，凹凸法兰密封面，该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开螺栓将盖板旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖松取下。

该人孔标记为：

人孔MFM（F·MFM-st）450-2.5HG21524-95

5.1.2人孔补强的计算

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。

本设计所选用的人孔筒节查《常用压力容器手册》P228表3-4-10得内径为d=480mm,壁厚δm=12mm。

故补强圈尺寸如下：

查表得人孔的筒体尺寸为

480×12，由教材P327表12-1及图12-6查得补强圈内径D1=484mm，外径D2=760mm。

开孔补强的有关计算如下：

1.不计焊缝系数的筒体计算壁厚：

（5-1）

2.开孔所需补强的面积A：

开孔直径：

（5-2）

补强的面积：

（5-3）

3.有效宽度：

（5-4）

（5-5）

取最大值B=911.2mm

4.有效高度h：

外侧高度

（5-6）

内侧高度

或

接管实际内伸高度=0mm

两者取较小值

5．筒体多余面积A1

筒体有效厚度：

（5-7）

选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故

=1，

（5-8）

6．接管多余金属的截面积A2

接管计算厚度：

（5-9）

=2×73.941×（12-2.8-3.0187）=914.103mm2

7．补强区内焊缝截面积A3

8．有效补强面积Ae

（5-10）

因为

，所以需要补强

9．所需补强截面积A4

10．补强圈厚度

：

（补强圈内径Di=484，外径Do=760）

（5-11）

考虑钢板负偏差并圆整，实取补强厚度26mm

5.2其他附件设计

5.2.1液氨进出料管

材料：

低碳钢是钢中强度较低，塑性最好的一类。

采用10号低碳钢无缝钢管，标准号GB8163-87

结构：

接管伸进设备内切成45°，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。

根据教材P111表6-4选取钢管尺寸为φ89×12mm。

钢管理论重量为32.52kg/m。

取接管外伸长度为150mm。

壁厚：

最小壁厚3.5mm，最大壁厚24mm。

管法兰：

根据《化工容器及设备简明设计手册》P552表3选择突面板式平焊管法兰，标记为：

法兰-RF（A）80-2.5HG20592-1997，管法兰材料钢号：

20（GB711）。

根据《化工容器及设备简明设计手册》P558钢制管法兰、垫片、紧固件选配表（HG20614-1997）选择：

垫片形式为石棉橡胶垫片，密封面形式为突面，密封面表面为密纹水线，紧固件形式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。

在离筒体底以上250mm处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容器底，这种方式用于卧式容器。

出料口的基本尺寸以及法兰与进料口相同。

进出料接管满足不另行补强的要求所以不再另行补强。

5.2.2排污管

安装位置：

在离右鞍座的左侧1000mm出安装一个排污管。

选择不锈钢无缝钢管GB8163-87热轧钢为材料的排污管，焊接在容器底部，尺寸为φ89×12mm。

管端法兰：

突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF（A）80-2.5，法兰一端连接排污阀，型号J41H-40，取公称通径为80mm，对应质量为44.4kg。

5.2.3液面计

根据教材P321的选用表，选用反射式玻璃板液面计，标准号HG21590-95，法兰形式为长颈对焊突面管法兰HG20617-97，代号C型，液面计型号R型，公称压力PN=4.0MPa，使用温度0～250℃，液面计的主体材料代号：

锻钢（16Mn），结构形式及其代号：

无代号：

普通型，公称长度为1450mm，排污口结构：

V（排污口配阀门）。

标记为：

液面计CR4.0-Ⅰ-1450P

根据筒体公称直径2800mm选择两个同样的液面计，单个质量为90kg左右。

两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。

液面计接管：

不锈钢无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12mm。

5.2.4安全阀

安装位置：

在离封头切线处1100mm处安装一安全阀。

由温度、压力、介质等基本参数查《化工容器及设备简明设计手册》P827表得标准型号A21H-40，公称通径DN取20mm，质量约为80kg。

与安全阀和接管连接的法兰选择突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF（A）80-2.5，与壳体连接的接管为不锈钢无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12mm。

5.3鞍座的设计

5.3.1鞍座的计算

粗略计算鞍座负荷

贮罐总质量：

W=W1+W2+W3

式中W1—罐体的质量，Kg

W2—水压试验时水的质量，Kg

W3—附件的质量，Kg

1．罐体质量W1

查教材194页表8-24得，公称直径2800mm，钢板厚度22mm的一米高筒节钢板质量1531Kg，给定的筒体长度为5500mm，封头直边高度为50mm，总长5600mm。

筒体质量

封头质量W12查教材198页公式：

（5-13）

式中Di——公称直径，m；

δp——封头厚度，m；

h0——直边高度，m；

=

所以W1=W11+W12=8573.6+1567.635×2=11708.869Kg

2．水压试验时水的质量W2

同上查公式得封头容积

（5-14）

贮罐的总容积

（5-15）

所以水压试验时罐内水重

（5-16）

3．其他附件质量W3

查《常用压力容器手册》228页表3-4-10得人孔质量约为252Kg，查教材P327表12-1得补强圈质量55kg，进出料管约100kg，两个液面计总质量180kg，安全阀80kg，排污阀44.4kg,再加上与阀门相接的接管重量，W3约为750kg。

4．设备总质量W

（5-17）

即496.08939KN

5.3.2鞍座的选取

鞍式支座是应用得最广泛的一种卧式容器支座。

置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似。

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。

但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微笑差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，支座反力难以为各支点平均分摊，导致壳体应力增大，因此体现不出多支座的优点，故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。

查《常用压力容器手册》P190表3-1-1得公称直径为2800，鞍座高度为H=250mm的轻型A鞍式支座，120°包角、焊制、四筋、带垫板，单个允许载荷447KN,2×447KN=894KN>496.08939KN，故其承载能力足够。

鞍座的材料（除加强垫板外）为Q235-A·F，加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR。

标记为：

JB/T4712-1992，鞍座A2800-F

5.3.3安装位置

当鞍座临近封头时，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应使

A≤0.5R（5-18）

A≤0.5R=0.5×1400=700mm。

5.3.4鞍座强度校核

鞍座腹板的水平分力：

查得鞍座包角120°对应系数

支座反力：

（5-19）

鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：

（5-20）

式中

计算高度，取鞍座实际高度和

两者中的较小值，mm

鞍座腹板厚度，mm

鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度

与圆筒体的有效宽度

两者中的较小值，mm

鞍座垫板有效厚度，10mm

则

应力校核：

鞍座材料Q235-A·F的许用应力

，则

[3]（5-21）

6筒体和封头的校核计算

6.1筒体轴向应力校核

6.1.1由弯矩引起的轴向应力

筒体中间处截面的弯矩：

（6-1）

式中F—鞍座反力，N；

—椭圆封头长轴外半径，mm；

L—两封头切线之间的距离，mm；

A—鞍座与筒体一端的距离，mm；

hi—封头短轴内半径，mm。

支座处截面上的弯矩：

（6-2）

所以

由《化工机械工程手册》（上卷，P11～99）得K1=K2=1.0。

因为︱M1︱＞＞︱M2︱，且A＜Rm/2=711mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。

筒体中间截面上最高点处

（6-3）

所以

最低点处：

（6-4）

鞍座截面处最高点处：

（6-5）

最低点处：

（6-6）

6.1.2由设计压力引起的轴向应力

因为

（6-7）

所以

6.1.3轴向应力组合与校核

最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处

所以

许用轴向拉压应力[σ]t=163MPa，而σ2＜[σ]t合格。

最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处

轴向许用应力：

根据A值查外压容器设计的材料温度线图得B=150MPa，取许用压缩应力[σ]ac=150MPa，︱σ1︱＜[σ]ac，合格。

6.2筒体和封头切向应力校核

筒体切向应力计算：

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。

所以

（6-8）

封头切向应力计算：

（6-9）

因为

所以合格[6]。

7容器焊缝标准

7.1筒体与椭圆封头的焊接接头

查教材P366知筒节与椭圆形封头的环向焊接接头属于B类焊接接头，这类焊接接头是对接接头、对接焊缝，依其所在位置，从宏观上看它承受的是经向（轴向）薄膜应力。

7.2容器法兰与筒体的焊接接头

乙型平焊法兰或长颈对焊法兰与筒体连接采用的是对接接头、对接焊缝。

也是属于B类焊接接头。

7.3管法兰与接管的焊接接头

根据教材P372表14-3查得公称通径DN=80应选择坡口宽度b=6mm。

属C类焊接接头。

7.4接管与壳体的焊接接头

本设计所选接管是不带补强圈的插入式接管，接管与壳体的焊接接头均属于T形或角接接头。

根据教材表14-4选择HG20583-1998中的代号为G2的接头形式，其基本尺寸如下：

β=50°±5°；b=2+0.5；k=1/3δt,且k≥6,这类接头适用于δs=4～25,δt≥

δs,可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况，采用保证全焊透工艺。

8总结

通过本次化工设备机械基础课程设计，我学到了很多知识，以前几次课程设计积累的经验使这次设计绘图也不像之前那么盲目

在平时的学习中，对老师的讲解似乎听懂了。

这次的课程设计感触很大，设计一个容器时，才发现自己的知识这么贫乏，很多问题不得不亲自去查阅资料，与同学讨论或者请教老师，由于上次课程设计有一些经验，在设计前做好准备，在图书馆借一些资料，在设计前有针对性的查阅资料。

这次课程设计让我们开始真正接触压力容器的各种标准，了解基本化工容器相关制造标准，设计时对CAD绘图和化工设备机械基础知识掌握得更加牢固。

课程设计是学习过程中不可缺少的一个环节，自己设计的过程会得到很多收获，虽然有缺点和不足，但是我们参与了，了解了，知道自己的不足，需要继续学习，为今后的学习增加了动力。

在这次课程设计中，崔岳峰老师给了我们耐心细致的指导。

在老师那里也学到了书本所学不到的东西。

因此我们要对老师在这次设计中对我们的帮助表示深深的感谢。

由于种种原因，课程设计的结果还不是非常完美，同时也存在许多缺点和不足，望各位老师给予批评指正，这对我们今后的学习、工作将更有益。

在这里我们对指导老师致以由衷的感谢。

参考文献

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化学工业出版社，2007.7

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化学工业出版社，2005.6