25立方米液氨储罐设计说明书.docx

25m3液氨储罐设计说明书目 录一、工艺设计11.1存储量设计11.2 设计压力的确定11.3设计温度2二、 结构设计22.1设计条件22.2结构设计32.2.1材料选择32.2.2筒体和封头结构设计42.2.3法兰设计52.2.4人孔、手孔、液面计结构设计72.2.5支座结构设计92.2.6焊接接头设计12三、强度计算153.1容器的筒体和封头壁厚设计153.1.1容器的筒体和封头壁厚计算153.1.2压力容器水压试验163.2开孔补强计算16一、 工艺设计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存储量设计 设计存储量由式1-1进行计算：W=fVt 1-1式中，W - 存储量，t； f - 装量系数； V - 压力容器容积，m3 t - 设计温度下饱和液体密度，tm3。1.2 设计压力的确定设计压力应根据最高工作压力来确定。对于承装液化气体的压力容器，可根据固定式压力容器安全技术监察规程 TSG R0004-2009 中条例3.9.3来确定，常温储存液化气体压力容器温度下的工作压力按表1-1确定:表1-1 常温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5050饱和蒸汽压力可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力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汽压力设计条件要求储罐无保冷设施，且临界温度为50，因此规定温度下的工作压力为50的饱和蒸汽压，液氨50时的饱和蒸汽压为1.968 MPa。1.3设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属截面的平均温度值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。由表1-2给出了液氨的饱和蒸汽压及密度：表1-2 液氨饱和蒸汽压及饱和液密度温度 -15103050饱和蒸汽压 MPa0.1690.5031.0561.868饱和液密度 Kgm3658625595563设计条件要求工作温度为-2050，因此，设计温度为50。二、 结构设计2.1设计条件以结构设计条件表和管口表的形式列出，见表2-1和表2-2：表2-1 结构设计条件表项目内容备注工作介质液氨工作压力 MPa1.868饱和蒸汽压为绝压，减去大气压强表示为表压设计压力 MPa2.21.1工作压力工作温度 -2050设计温度 50元件金属在工作状态可能达到的最高温度工程容积（Vg） m325计算容积（V计） m325.03筒体容积+封头容积工作容积V工 m321.27装量系数计算容积装量系数 f0.85介质密度（t） tm30.563材质筒体用Q345R，法兰用20钢保温要求无其他要求无表 2-2 管口表公称规格连接法兰标准密封面用途或名称PN40DN500HG/T 21518凹凸面人孔PN40DN50HG/T 20592-2009突面液氨进料管PN40DN50HG/T 20592-2009突面液氨出料管PN40DN50HG/T 20592-2009突面出气管PN40DN25HG/T 20592-2009突面测压管PN40DN50HG/T 20592-2009突面备用管PN40DN80HG/T 20592-2009突面安全阀管PN40DN25HG/T 20592-2009突面排污口PN40DN20HG/T 20592-2009突面液位计管口2.2结构设计化工设备的结构设计包括设备承压壳体（一般为筒体和封头）及其零部件的设计。设备零部件包括支座、接管和法兰、人孔和手孔、液面计等。我国已经制订了化工设备通用零部件的系列标准，设计时可根据具体设计条件按照附录中给出的相关标准进行选用。2.2.1材料选择压力容器用材料包括容器受压壳体用钢和设备零件用材料。零部件有受压元件（如接管、法兰）和非受压元件（如支座）。所用材料涉及钢板、钢管、锻件、型钢及钢棒等。压力容器受压元件用钢应符合钢制压力容器GB150中的有关规定。选择材料要综合考虑设备结构、制造工艺（锻造、焊接和切削加工等）、实际的工作条件（压力、温度、介质特性和操作特点等）以及材料的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能、价格与供应等诸多因素。压力容器受压元件用钢应符合钢制压力容器 GB150中得规定，对于非受压元件用钢，当与受压元件焊接时，也应是焊接性能良好的钢材。压力容器壳体通常采用钢板经过焊接而成，法兰视具体情况可采用钢板或锻件，螺栓和螺柱应采用钢棒，接管一般应采用无缝钢管，支座所用材料涉及钢板，型钢及钢管。任务书中要求所设计容器的设计压力为2.2MPa，工作温度为-2050，所以Q235-B和Q235-C不能选用，Q345的使用温度为-20475，设计压力p35MPa，均符合设计要求，液氨在压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类HG 20660-2000中属于中度危害的化学介质，具有一定的腐蚀性，同时，低合金钢如Q345R的屈服极限比碳素钢的屈服极限高出许多，采用这类钢材制造压力容器，可以显著减小设备重量，降低制造成本，同时给设备的运输和安装也带来很大的方便。综合考虑，该容器筒体选用Q345R。封头、法兰、接管等均要受压，同样要具有一定的塑性，因此，封头、法兰、接管选用和筒体一样的钢材，即Q345R。支座属于非受压部件，为了焊接方便等因素，这里也选用Q345R做为钢材。2.2.2筒体和封头结构设计设计要求压力容器的公称容积为25m3，包括筒体体积和封头容积，设计要求长径比在36之间，设筒体内径为D，筒体长度为L，首先忽略封头容积，取长径比为4.5，则4D2L=25 2-1LD=4.5 2-2联立式2-1和式2-2，解得D=1.920m,取公称直径为2000mm，容器的工程直径就是内径。标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头型式，由钢制压力容器用封头 JB/T 4746-2002查取数据，可得公称直径为2000mm的封头容积为1.1257m3，总深度为525mm，如图2-1所示：图2-1压力容器总体积为筒体体积和封头容积之和，可得4D2L+21.1257=25 2-3将D=2.000m带入式2-3，可得L=7.25m。则计算容积为42.00037.25+21.1257=25.03m3，符合设计要求；长径比为7.252.000=3.625，符合长径比要求。因此设计容器筒体长度为7.25m，公称直径为2000mm，选用标准椭圆形封头。2.2.3法兰设计管法兰设计参照钢制管法兰 HG/T20592-2009标准进行设计，设计要求有液氨进料管法兰、液氨出料管法兰、出气管法兰、测压管法兰、测温口法兰、备用口管法兰、安全阀法兰、排污口管法兰、液位计接管法兰等。此压力容器设计压力为2.2MPa，公称压力为1.25pc=1.252.2=2.75MPa，查表后选取公称压力PN40。液氨进料管法兰采用PN40DN50，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料，4个螺柱，8个螺母；液氨出料管法兰采用PN40DN50，带颈对焊法兰，采用凹凸密封面，缠绕垫垫片材料，4个螺柱，8个螺母；出气管法兰采用PN40DN25，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料，4个螺柱，8个螺母；备用管法兰采用PN40DN50，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料，4个螺柱，8个螺母；测温管法兰采用PN40DN25，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料，4个螺柱，8个螺母；排污口管法兰采用PN40DN25，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料，4个螺柱，8个螺母；测压口管法兰采用PN40DN25，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料，4个螺柱，8个螺母；安全阀管法兰采用PN40DN80，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料，8个螺柱，16个螺母；液位计接管法兰采用PN40DN20，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料，4个螺柱，8个螺母。测温管只在筒体上接一根接管，并不焊接法兰。管法兰的结构如图2-2所示，法兰连接尺寸如图2-3所示，尺寸如表2-3所示：图2-2图2-3表2-3 PN40带颈对焊法兰尺寸表工程尺寸DN钢管外径法兰焊端外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度H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）NH1R202590601441828643525321158514418466440505716512518420758648808920016018824105128582.2.4人孔、手孔、液面计结构设计（1）人孔人孔和手孔统称为检查孔。压力容器开设检查孔的目的是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部件。一般公称直径在900mm以上时应开设人孔，圆形人孔的公称直径规定为400600mm，容器公称直径大于1000mm且筒体与封头为焊接连接时，容器应至少设置一个人孔，卧式容器筒体长度大于等于6000mm时，应考虑设置2个以上人孔。人孔是组合件，包括承压零件筒节、法兰、法兰盖、密封垫片及紧固件，以及与人孔启闭有关的非承压零件。现行的人手孔标准为钢制人孔和手孔HG/T 21514-2005。从回转盖带颈对焊法兰人孔 HG/T 21518查阅相关标准回转盖带颈对焊法兰结构型式。该压力容器筒体长度为7200mm，大于6000mm，需要设计两个人孔，筒节选用16MnR，公称直径选500mm，35CrMoA螺柱使用于工作温度大于-20时，标记为35CM，35CrMoA螺柱配用35CrMo螺母，20个螺柱，40个螺母。选用凹凸密封面，缠绕式垫片，查阅相关标准，该人孔标记为:人孔 MFM III s-35CMWD-2222 A 500-4.0 HG/T 21518-2005人孔结构如图2-4所示：图2-4（2）液面计液面计的测量可分为在设备本体上作为液位指示的就地液面计和对液位进行控制的液位变送器。液位计一般通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接在一起，设计时应根据所选的液面计配相应的接口。在标准HG/T 21584中，磁性液位计适用范围为PN=1.616MPa，-40300，液体密度大于等于0.45gcm3,粘度小于150mPas，符合设计要求，因此选用磁性液位计。磁性液位计的工作原理是基于浮子的浮力及磁性原理，在测量管内浮子随液位的升降而上下移动，浮子内的磁钢通过磁耦合驱动显示板的双色翻版（柱）来显示液位高度。磁性液位计的特点有：（1） 适用范围广、安装形式多样，适合任何介质的液位、界面的测量；（2） 集现场指示、远传变送、报警控制开关于一体，功能齐全；（3） 被测介质与指示结构完全隔离，密封性能好，防泄漏，不受高、低温度剧变的影响，不需多组液位计的组合，适应高压、高温、腐蚀条件下的液位测量，可靠性高；（4） 全过程测量无盲区，双色指示、连续直观、醒目、测量范围大，观察方向可任意改变；（5） 耐振动性能好，能适应液位波动大的情况下工作；（6） 结构简单，安装方便，维护费用低。由上所述，选用磁性液位计是最合适的。按照设计要求，磁性液位计选用PN4.0的压力等级，不需要保温，使用温度低于200，因此选用不加保温层的普通型结构。此液氨存储罐的公称直径为2000mm，所以磁性液位计的中心距L（测量范围）为2200mm，由于不是常用规格，在订货时要注明。磁性液位计连接法兰的规格为DN20，采用带颈对焊法兰，密封面型式采用突面。因此根据设计要求所选磁性液位计标记为：HGT 21584-95 UZ4.0-2200-0.563 A BF321C2.2.5支座结构设计鞍式支座是卧式容器经常采用的支座型式，根据鞍式支座 第1部分：鞍式支座 JB/T 4712.1-2007确定鞍式支座结构尺寸。首先要计算设备及物料总重。（1） 筒体重量：m1=V=42.0322-42.00027.257.8t=5.7305t；（2） 封头重量：查表得PN40DN2000的封头重量为556.2kg，则封头重量为m2=556.62=1113.2kg；（3） 人孔重量：查表得PN40DN500的人孔重量为399kg，则人孔重量为m3=3992=798kg；（4） 连接法兰钢管重量：1、计算钢管总体积：液位计法兰连接钢管长度为800mm，液氨进料口法兰连接钢管长度为2000mm，液氨出料口法兰连接钢管长度为500mm。液位计法兰连接钢管：V1=40.0252-40.01320.82=4.29810-5m3排污口、出气口、测压口、出气口法兰连接钢管：V2=40.0322-40.02020.14=1.960210-4m3备用口法兰连接钢管：V3=40.0572-40.04520.12=0.961310-4m3安全阀法兰连接钢管：V4=40.0892-40.07620.1=1.564510-4m3液氨进料口法兰连接钢管：V5=40.0572-40.04522.0=1.92210-3m3液氨出料口法兰连接钢管：V6=40.0572-40.04522.0=1.92210-3m3测温口连接管：V2=40.0322-40.02020.1=4.90110-5m3总体积：V总=V1+V2+V3+V4+V5+V6+V7=4.39110-3m32、总重量：m4=V总=4.39110-37.8t=34.25kg。（5）补强圈：查表得厚度为16mm，接管公称直径为500mm的补强圈重量为41.5kg，则补强圈重量为41.52=83kg。（6）填装物重量：1、最大液氨重量：m5=fV=0.8565825=13928kg2、水压试验时水的重量：m5=V=100025=25000kg明显，水压试验时的水重量大于最大液氨重量，所以填装物重量选水压试验时水的重量。所以该设备最大总重量为m=m1+m2+m3+m4+m5=5730.5+1113.2+798+34.25+83+25000=31960.65kg。因为G=mg=31960.659.81=313533.98N=313.598kN。查表后选择DN2000mm、120包角重型带垫板鞍式支座。鞍座的结构尺寸如图2-5所示：图2-5接下来，确定支座的位置：由A=0.207L得A=1500.75mm，经过式A0.5Ri判定不符合要求，故选A=0.5Ri=0.51000=500mm。2.2.6焊接接头设计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。压力容器焊接结构设计的基本原则：（1） 回转壳体的拚接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向及环向接头，凸型封头上的拚接接头，即A、B类接头，不需采用对接焊，不允许采用搭接焊。（2） 对接接头应采用等厚度基本相等，当厚度差较大的两部分回转壳体对接时，应对厚度较大的一侧进行削薄加工，以使得两侧的厚度基本相等。这样可以减小刚度差，降低应力集中，并便于焊接。（3） 焊接接头应便于进行无损检测，对某些无损检测要求较高的容器，应使一些角接接头设计成对接接头。焊接接头的坡口设计是焊接结构设计的重要内容。坡口型式只被焊两金属件相连接处预先被加工成的结构形式，一般由焊接工艺本身来决定。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、单面焊与双面焊、焊透与不焊透等问题。筒体与封头之间的采用V型焊接接头型式，如图2-6所示：图2-6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，这里采用双面焊、焊透型式。带补强圈接管采用X型的焊接接头型式，如图2-7所示：图2-7不带补强圈接管采用X型的焊接接头型式，如图2-8所示：图2-8焊条的选用应考虑一下因素：对低碳钢和低合金结构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。当低合金钢与低碳钢之间、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。在本次设计中，钢号选择Q345R，属于低合金钢，根据低合金钢焊接选用原则：等机械性能原则，所以选择低合金钢焊条。对于、类容器之间的焊条采用碱性焊条。考虑母材力学性能与化学材料，构建的结构与刚性和经济性，该容器所用焊条使用型号如表2-4所示：表2-4 焊接材料选择焊接母体焊接牌号示例16MnR与16MnRJ507Q235-A与Q235-AJ42216MnR与Q235-AJ427三、强度计算依据我国现行压力容器常规设计的标准钢制压力容器GB/T 150-1998、钢制卧式容器JB/T 4731-2005、压力容器法兰 JB/T 4700-4707-2000、容器支座 JB/T 4712-2007。3.1容器的筒体和封头壁厚设计3.1.1容器的筒体和封头壁厚计算内压圆筒的计算厚度由3-1式即中径公式确定：=PcDi2t-pc 3-1式中，Pc计算压力，MPa；根据设计压力p和液柱静压力来确定。当受压元件所承受的液柱静压能压力小于设计压力的5%时，可忽略静压力的影响，去pc=p，否则计算压力为设计压力与液柱静压力之和。 Di公称直径； t设计温度下材料的许用应力，MPa，t与钢板的厚度有关，设计计算时应检查所选用的许用应力是否与得到的名义厚度相一致，如果“跳档”，则应重新计算，直至而这相一致为止。 焊接接头系数，对筒体指纵向焊接接头，对椭圆形封头，若为整体冲压，可取=1.0。 双面对接焊的全焊透对接接头用100%无损检测，=1.0。厚度在6-16mm，温度在-2050时钢板的许用应力为170MPa。带入数据，得=2.2200021701-2.2=13.03mm，在6-16mm范围内，所以内压圆筒计算厚度为13.03mm。标准圆筒形封头是经常采用的封头型式，其计算厚度由式3-2确定：=PcDi2t-0.5pc 3-3同理带入数据，得=12.98mm，在6-16mm范围内，因此标准椭圆封头的计算厚度为12.98mm。设计厚度为d=+C2，C2为腐蚀余量，名义厚度为设计厚度加上钢板负偏差C1后向上圆整至钢板的规格厚度即名义厚度，设计腐蚀余量C2=2mm，钢板负偏差C1=0.3mm，得到筒体和标准椭圆封头名义厚度为16mm。3.1.2压力容器水压试验容器制造过程中，从选材、加工、焊接至组装，虽然每一工序都有严格的检验，但制成的压力容器是否能承受规定的工作压力、承压过程中容器是否会发生过大的变形以及法兰连接处、焊缝处是否会发生局部渗漏等，这些都需要通过压力容器制成后的压力试验来验证。根据中国GB 150标准的规定，内压容器的试验压