液氨储罐设计参数的确定设计说明书

- 1 - 液氨储罐设计参数的确定设计说明书 第一章 绪论 计符号说明 英文字母 容器的设计寿命 ,y ; 贮罐内径， 钢板的许用应力， P 液氨的饱和蒸汽压， 1C 钢板厚度负偏差 , 2C 介质的腐蚀裕量 , 希腊字母 罐体计算厚度 , d 罐体设计厚度 , n 罐体的名义厚度 , e 罐体的有效厚度 , 圆整值， 腐蚀速率， 焊接接头系数 - 2 - 计任务 设计一液氨贮罐。工艺条件：温度为 40，氨饱和蒸气压 容积为 328m 。 计思路 综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责团结合作的态度，对储罐进行详细设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性，各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有实际意义，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计，研究出最佳方案。 计特点 容器的设计一般由筒体、 封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。 各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。 计要求及成果 1. 确定容器材质； 2. 确定罐体形状及名义厚度； 3. 确定封头形状及名义厚度； 4. 确定支座，人孔及接管，以及开孔补强情况 - 3 - 5. 编制设计说明书以及绘制设备装配图 1 张（ 术要求 （一） 本设备按 制压力容器进行制造、试验和验收 （二） 焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可按 设计焊接接头系数 ) （三） 焊接采用电弧焊，焊条型号为 （四）壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为 100 第二章 液氨储罐设计参数的确定 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 40，查表可知 40时液氨的饱和蒸汽压为 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 。取 最大操作压力为设计压力，所以设计压力 p = (= 故取设计压力 p= 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 - 4 - 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 1615 16 345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 15、 20 等碳素钢，是使用十分成熟的钢种，质量稳定、可使用 475场合。 1590的低合金 结构钢，其塑性和冲击韧性较 16波动较大。另外从经济的角度考虑， 160以在此选择 1616含碳量为 含 长率为 19是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。 在本设计中由于设计体积较小（ 40设计压力较小（ P=,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。 第三章 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。 - 5 - 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 4737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 16 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 50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， 16许用应力见表 2 - 6 - 表 力容器用 16板的许用应力 钢号 钢板标准 使用状态 厚度 温强度指标 在下列温度 ( )下的需用应力 / b s 20 100 150 16B 6654 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 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 1 (双面焊，全部无损探伤 )。 第四章 筒体和封头的壁厚的计算 i 和筒体长度 - 7 - 2取 2600 2800 3000 3200 经计算 当 2600，L = 4410时， = 接近 所以取 2600取计算压力 pc=p=体内径 N=2600表 6设计温度为 40时的许用应力为 t=163体的理论计算壁厚公式为： (式中： 筒体的理论计算壁厚， 筒体计算压力， 筒体 内径， t 钢板在设计温度下的许用应力， 焊接接头系数，其值为 1； 将数值代入公式 (算出筒体的计算厚度为： 611632 00261. 6 由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量 筒体的设计厚度为： 由钢板厚度负偏差表查得 名义壁厚为： - 8 - 圆整后取 n=16 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： 60. 511632 00261. 652c i 1 设计厚度为： 名义厚度为： 圆整后取 n=16 查得标准椭圆形封头的直边高度 (4737 0 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 - 9 - 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 25。 试验温度：对碳钢、 16155体温度不得低于 5；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 15。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 30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。 已知 p= = t=163验压力： p ( 式中： 试验压力， p 设计压力， 、 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， - 10 - 带入数据得： P 实验时器壁的应力： e (T (其中有效厚度 861 故 M P 2 )310026(2 . 002)( 查表 知 22 16板的常温强度指标 s=325 , ，故所设计的器壁厚度满足设计要求。 第五章 选择人孔并核算开孔补强 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 条件下工作 ,人孔的标准按公称压力为 级选取。考虑到人孔盖直径较大较重 ,故选用水平吊盖带颈平焊法兰人孔 (0593公称直径为450面法兰密封面 (。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 - 11 - 时间。查得该人孔的有关数据如下 : 表 平吊盖带颈平焊法兰人孔 (突面 )标准尺寸 (公称 压力 称直径 S D D1 b b1 2 50 480 10 640 585 34 34 36 365 300 204 36 该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为： 孔 （ AG） 其中 指接管与法兰的材料为 16A50称压力为 - 12 - 表 孔 细表 件号 标准号 名称 数量 材料 尺寸 / 筒节 1 16S=480 10， 00 2 兰 1 16件 ) 3 片 1 石棉橡胶板 =3(代号 A4 兰盖 1 164， 6 5 柱 20 35 2 150 6 螺母 40 25 吊环 1 8 转臂 1 6 9 圈 20 1 10010 母 4级 11 吊钩 1 12 环 1 13 无缝钢管 1 20 14 支承板 1 16 - 13 - 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 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 本设计所选用的人孔筒节内径 450厚 10此差得补强圈尺寸 ( 4736：外径 60径 50+2 10+14=484 开孔补强的有关计算参数如下： (1) 开孔所需补强面积 A 对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为： 611632 00261. 6t i 。 开孔直径 5 . 62)(i 。由于接管材料与壳体材料都为 16 ，内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为： )f(12 ( - 14 - 式中 d 开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量， 壳体开孔处的计算厚度， 接管有效厚度， 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。 代入数据得：开孔所需补强面积 (2) 有效宽度 B 1 . 24 5 5 . 62 5 . 622dB 二者中取较大值 B= (3) 有效高度 外侧高度 h1 . 5 0104 5 5 . 6d h 二者中取较小值 内侧高度 h2 h 管 实际h 2 内伸高度 二者中取较小值 (4) 补强面积 - 15 - 在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算 321 e (式中 补强面积， 1A 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 按式 (， 2A 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 按式 (， 3A 焊缝金属截面积， 计算如下： )(1( 2 )d)( (BA (其中接管有效厚度为 1 ，故 2 ( 2 ( 12) 5 . 6 ) ( 1( 9 1 1 . 2A 1 f)C( ( (其中接 管计算厚度为 t 0 ， 故 2 2 . 1 7 5012 . 2 9 5 )( 焊缝金属截面积 23 ，故补强面积 2 . 1 7 21e 由于 ，故开孔需另加补强，其另加补强面积为 2 653 0 4 1 . 3 1 (5) 补强圈厚度 - 16 - 124 圆整后取 ，补强材料与壳体材料相同为 16 第六章 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。 1 筒体质量 称直径 600 厚 =16 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 032kg/m ， 5 11 封头质量 称直径 600 厚 =16 边高度 0标准椭圆形封头，查表 (化工设备设计基础，天津大学出版社，附表 6)得其质量 2 ，所以 4 69 7 3222 9 71 9 4 5 111 氨质量 2 (式中 : 装量系数，取 (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 - 17 - V 贮罐容积， 液氨的密度，在 液氨的密度为 665kg/ 于是 7 5 3 人孔约重 200它接口管的总重约 350是 50 W=2+6758+550=座的选择 每个鞍座承受的负荷为 . 8 根据鞍座承受的负荷，查表 (化工设备机械基础，大连理工大学出版社，附录 16)可知，选择轻型 (A)带垫板，包角为 120的鞍座。即 4712座 B/座 标准尺寸如下 - 18 - 表 公称直径许载荷/座高度h 底板 腹板 筋板 垫板 螺栓连接尺寸 l1 1 2 l3 b2 3 弧长 4 e 间距孔 d 螺纹 M 孔长l 2600 442 250 1880 300 12 10 293 268 358 8 3030 500 8 65 1640 24 0 安放位置： 筒体长度 10 式中 A 鞍座与封头切线之间的距离， 两鞍座间距， 由于筒体 L/鞍座所在平面又无加强圈，取 2 5 2 5A - 19 - 1 第七章 选择液面计 液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四 类，有玻璃板液面计、玻璃管液面计、磁性液位计和用于低温设备的防霜液面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式玻璃板液面计（ 反射式玻璃板液面计（ 试镜式玻璃板液面计（ 种结构，其适用温度一般在 0 250。但透光式适用工作压力较反射式高，试镜式工作压力最小。质温度在 0 250的范围。对于承压设备，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备连接在一起，分别用于不同型式的液面计。所以在此选用玻璃管 G 型，公称压力 面计主 体材料 16构形式： W:保温型，排污口一律配螺塞，公称长度 L=1400颈平焊突面管法兰（ 液面计标记为液面计 第八章 选配工艺接管 进料管采用 89 5无缝钢管，钢管一端切成 45 ,伸入储罐少许，管长 400用突面板式平焊法兰 0593法兰 6需补强。 - 20 - 在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物 料。故采用可拆的压出管 ，将它用法兰固定在接口管 内。 罐体的接口管法兰采用 兰 6该法兰相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与 兰 6同，但其内径为 57 液氨压出管的端部法兰采用 0593 法兰 6些小管都不必补强。压出管伸入贮罐 2700 贮罐右端最底部安设一个排污管，管子规格： ，管端焊有一与截止阀 G 20593法兰 6 安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过规定值，安全阀打开，将系统中得一部分气体排出罐体，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。 本设计采用 无缝钢管，法兰为 兰 F 16 - 21 - 本贮罐采用透光式玻璃管液面计 支。与液面计相配的接管尺寸为 , 与液面计接口管相配的法兰型号为 0593兰 F 16 为了在注入液体时，将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速地注入，需安设一放空管。采用 无缝钢管，法兰为 兰 F 16 第九章 参数 校核 （ 1）筒体中间处截面的弯矩用下式计算 式中 F 鞍座反力， N； 椭圆封头长轴外半径， L 两封头切线之间的距离， A 鞍座与筒体一端的距离， 封头短轴内半径， 其中， 100262 。所以 - 22 - 6 3041450640414350641041450630812140414286001M 72221 （ 2）支座处截面上的弯矩 所以3 380414350641041450625063081041450611506286001M 6222 由化工机械工程手册（上卷）得 2=为 且 A=654最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。 （ 1）由弯矩引起的轴向应力 筒体中间截面上最高点处： 2 (88611 所以 M P 23130813. 14105. 63271 - 23 - 最低点处： M P 40. 12 。 鞍座截面处最高点处： M P 811 . 03 . 1 4 610. 3 38 1 4 最低点处： M P 23130811. 03. 14 （ 2）由设计压力引起的轴向应力 由 2(8所以 M P 2312 30811 . 6 p （ 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M P 2 ，许用轴向拉压应力 t=163 2 最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处， M P 11 ，轴向许用应力 MP 0 0 0 9 50031 0 9 4R 0 . 0 9 4 ， 根据 A 值查外压容器设计的材 料温度线图得 B=150许用压缩应力 50 - 24 - 1 格。 因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算： （ 1）筒体切向应力计算 由化工机械工程手册（上卷）查得 以 MP 2313081 2 8 6 0 010 . 8 8 0R （ 2）封头切向应力计算 M P 2313081 2 8 6 0 010 . 4 0 1R M P 0261. 611631. 25 因 h h,所以合格。 设垫片不起作用 （ 1）在鞍座处横截面最低点 - 25 - 255 b (8式中 筒体的有效宽度， 由化工机械工程手册（上卷）查得， 中 k=虑容器焊在鞍座上 (8式中 b 鞍座轴向宽度， 所以 5 6360b 2 所以 M P 8 6 0010 . 7 6 0 30 . 1 5 （ 2）鞍座边角处轴向应力 因为 L/410/1308=8,且 22(8所以 M P 8 6 0 010 . 0 1 3 8 6 0 01 26 5 t=163格。 t=163=格。 鞍座承受的水平分力 - 26 - s (8由化工机械工程手册（上卷）查得， 所以 2 3 42 8 6 0 010 4F s N。 鞍座有效断面平均应力 0 (8式中 鞍座的计算高度， 鞍座的腹板厚度， 其中 H=250 =1308/3=436 50板厚度 2 所以 M P 225 0 34 9 应力校核 M P ，式中 40 座材料 - 27 - 第十章 设计汇总 技术要求 B 150 1998钢制压力容器和 0584制化工容器制造技术要求进行制造、校验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的压力容器安全技术监察规程的监督； 条型号 6为 6碳钢间为 弧焊汉斯牌号为 0583 的规定，不带补强圈的接管与 筒体的焊接接头为 焊缝的焊角尺寸按较薄板的厚度，法兰的焊接按相应法兰标准中的规定； 、 测长达度为 100，涉嫌检测不低于730合格，且射线照相质量不低于 内整体进行焊后消除应力热处理； 表面整体除锈涂红丹防锈漆、灰漆各两道；运输和包装按4711力容器涂敷与运输包装的规定； 。 - 28 - 总图材料明细表 序号 图号或标准号 名称 材料 数量 质量 注 单件 总计 1 接管 16 2 0593 法兰 164 3 接管 16 4 1592璃管液面计 16 5 4746头 16 1450 2900 6 9019体 16 7 0594 人孔 组合件 1 171 套件 8 4736强圈 16 9 进料接管 16 10 0593 法兰 6 11 安全阀接管 16 12 0593 法兰 6 13 放空管接管 16 14 0593 法兰 6 15 4712座 R 2 405 810 16 0593 法兰 6 17 排污管 16 - 29 - 18 0593 法兰 6 19 压料管 16 20 0593 法兰 6 21 0593 法兰 6 22 出料接管 16 技术特性 序号 名称 指标 序号 名称 指标 1 设计压力 介质 液氨 2 工作温度 40 5 容积