40立方米液氨储罐课程设计说明书

摘要 本设计是针对过程设备设计这门课程所安排的一次课程设计，是对 这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。 本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料， 应用广泛。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 1625%（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。 设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结 合给定的工艺参数，按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝 标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、 管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相 应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有 一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。 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 课程设计任务书 一、课程设计要求： 1.使用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.掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性 研究和论证。 3.掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌 握计算机操作和专业软件的使用。 4.掌握工程图纸的计算机绘图。 5.课程设计全部工作由学生本人独立完成。 二、设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）： 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 1.95MPa 由介质温度确 定 4 工作温度-2048 5 公称容积（Vg） 40M3 6 工作压力波动情况可不考虑 7 装量系数(V) 0.85 8 工作介质液氨（中度危害） 9 使用地点邯郸市室外 管口表 公称规格连接尺寸标准连接面形式用途或名称 PN2.5 DN80HG/T20592-2009FM 液相进口管 PN2.5 DN80HG/T20592-2009FM 液相出口管 PN2.5 DN80HG/T20592-2009FM 排气管 PN2.5 DN80HG/T20592-2009FM 排污管 PN2.5 DN25HG/T20592-2009FM 压力表接口 PN2.5 DN25HG/T20592-2009FM 温度计接管 PN2.5 DN80HG/T20592-2009FM 安全阀接口 PN2.5 DN32HG/T20592-2009FM 液位计接口 PN2.5 DN500HG/T20592-2009MFM 人 孔 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)； 目录 摘要 .I 课程设计任务书 .II 1.1 盛装液氨的压力容器设计储存量.1 1.2 设备的初步选型及轮廓尺寸的确定.1 1.2.1 设备的初步选型 .1 1.2.2 设备的轮廓尺寸的确定 .1 第二部分 设备的机械设计 .3 2.1 设计条件的确定.3 2.1.1 设计压力的确定 .3 2.1.2 设计温度的确定 .3 2.1.3 设计条件表 .4 22 设备的结构设计.4 2.2.1 筒体和封头的结构设计 .4 2.2.2 接管与法兰设计 .4 2.2.3 附件设计 .8 2.2.4 支座结构设计 .14 2.2.5 焊接接点的设计 .16 2.3 设备的强度计算.18 2.3.1 设备总体壁厚计 .18 2.3.2 压力试验校核 .20 2.3.3 设备的应力校核 .21 2.3.4 开孔补强计算 .31 第三部分 技术条件编制 .32 3.1 容器类别的确定.32 3.2 材料要求.32 3.3 无损检测要求.32 3.4 材料供货要求.32 3.5 锻件要求.32 3.6 热处理要求.33 3.7 焊接材料要求.33 3.8 总装配图技术要求 .35 参考文献 .36 结束语 .37 第一部分 设备的工艺设计 1.1 盛装液氨的压力容器设计储存量 盛装液化气体的压力容器设计存储量1 W=V t 式中，W储存量，t ； 装量系数 ； V压力容器容积，m3 ； 设计温度下饱和液体密度，t/m3 t 则设计储存量 W=0.8540 m30.5663kg/L=19.25t=1.92510 kg 4 1.2 设备的初步选型及轮廓尺寸的确定 1.2.1 设备的初步选型 主体结构采用卧式圆柱形储罐 筒体采用圆柱形筒体 封头采用标准椭圆形封头 1.2.2 设备的轮廓尺寸的确定 设备容积计算1 v =2V +L/4 封 2 D 试算:取 D2400mm， 封头的结构尺寸（封头结构如下图 1） 由，得 h=H-Di4=640-600=40 mm 2 2 i D Hh 查文献2中表 B.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积，如下表 1： 查得封头尺寸为: 表 1-1：EHA 椭圆形封头内表面积、容积 公称直径 DN /mm总深度 H /mm 内表面积 A/ 2 m 容积/V封 3 m 24006406.54531.9905 表 1 查得封头1.9905m3 由 m3 得 L=8404mm402 4 2 2 封封筒 VLDVVV 圆整得 L=8400mm 则 L/D=3.53 符合查献3中L/D=36 ; 则 v计=v筒+2v 封= L/4+2 v封= 2 D 32 98.419905. 124 . 84 . 2 4 m 误差计算： 5%，符合要求.%5 . 4%100 g g V VV计 工作容积为 V =V=0.85 41.98=35.68m ， 工计 3 最终，取液氨储罐的公称直径 DN=2400mm，筒体长度 L=8400mm； 选取 EHA 椭圆形封头：封头 EHA240016 第二部分 设备的机械设计 2.1 设计条件的确定 2.1.1 设计压力的确定 根据文献4液氨饱和蒸汽压表查得 50时液氨蒸汽压由表 1 查得液 氨在 50的饱和蒸汽压为 19.25bar，即为 1.925MPa，可以判断设计的容 器为储存内压压力容器，根据文献5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 50时的饱和蒸汽压力，饱和蒸汽压力 一般指绝压，而设计压力是表压，而且查得当容器上装有安全阀时，取 1.051.1 倍的工作压力作为设计压力；所以工作压力： P 饱和蒸汽压-大气压1.925-0.11.825MPa 工 设计压力计算1 1.1P 1.8251.12.0075MPap设 工 液氨的密度=0.5663kg/L，H 取公称直径 DN=2400mm 表 2-1 液氨饱和蒸汽压 由各地区重力加速度表查的邯郸地区的，则根据公式液柱 2 9.79/gm s 静压力 1 静 P =gH=（0.56639.792.4）0.001=0.013 静 PMpa 257.936kN。查文献4表 6 得鞍座结构尺寸如下表：。 表 2-10：鞍式支座结构尺寸 公称直 径 DN2400 腹板 2 16 4 b 510 允许载 荷 Q/kN435 3 l 265 4 10 鞍座高 度 h250 2 b 208 垫板 e100 1 l 1720 3 b 290 螺栓间距 2 l 1520 1 b 240 筋板 3 8 螺孔/孔 长 D/l24/40 底板 1 14 垫板弧长 2800 鞍座质 量 Kg 234 2.2.5 焊接接点的设计 (1)压力容器焊接结构设计要求 根据文献3焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原 则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头 设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产 生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡 口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率） 。 （2）封头与圆筒焊接接头 封头与圆筒连接的环向接头采用 A 类焊缝。焊接方法：采用手工电弧 焊，封头与圆筒采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为 Y 型坡口。 根据 Q345R 的抗拉强度=5000Mpa 和屈服点=325Mpa 选择 E50 系列（强 b s 度要求：500Mpa；400Mpa）的焊条，型号为 E5018.该型号的焊 b s 条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛 30%，加铁粉） ，适用于全位置焊接， 熔敷效率较高，其结构如下图 Y 型坡口 筒体和封头的焊接：=620 =6070 b=02 p=2 3 (3)管法兰与接管的焊接接头 管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照文献3,根据公称通经选择相应 的坡口宽度结构如附图中为几种常用的管法兰与结接管焊接形式的局部放大 图。 (4)接管与壳体的焊接接头 本设计除人孔接管带补强圈外其它接管都是不带补强圈的插入式接管， 接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊 接接头均属 T 形或角接接头。标准中代号为 G2 的接头形式，基本尺寸为 ；，且，它适用于 550 5 . 02 b 5 . 01p t k 3 1 6k ，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的 254 s st 2 1 厚度为 16mm，所以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及 有较大温度梯度工况。如附图中的局部放大图所示。 带补强圈焊接接头结构 =50+5302 b =2+0.5,51,t , 12 12 b 1 K = 8) k 0.7 1 K c c 2 c 2.3 设备的强度计算 2.3.1 设备总体壁厚计 (1)材料的选择 常见的压力容器用碳素钢和低合金钢钢板有 Q245，Q345R，Q370R 等；无 缝钢管材料有 10，20, nM16 等。考虑到该容器的内径为 2400mm，介质的工 作温度为-2048，由下表查得，所以可以选择 Q235R 或者 Q345R 作为 筒体的材料。所以选用筒体由钢板卷制而成，由于低合金钢有较高的强度， 良好的塑性，价格相对较低，所以选用 Q345R。封头材料也为 Q345R。 表 2-11 钢板材料使用条件表 材料名称使用条件 Q235R 或 者 Q345R 容器设计压力 P35MPa,钢板使用温度-20475，对容器中的介质没有 限制。 （2）筒体壁厚计算 1 设计温度下材料的许用应力 t 设计温度为 50，假设筒体厚度为，由材料许用应力表mm316 可得的 =345RQ345 189 t MPa eL RMPa 表 2-12：钢材许用应力表 在下列温度（）下的许用应力/ Mpa 钢号 板 厚/ 20 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 316 18 9 18 9 18 9 18 3 16 7 15 3 RQ345 163 6 18 5 18 5 18 3 17 0 15 7 14 3 焊接接头系数 本次液氨储罐的设计采用双面对接焊的全焊透对接接头，全部无损探伤 所以=1.0 计算压力 c P 由前面计算知道计算压力=2.0075 c PMpa 筒体内径 i D 由前面计算知道筒体内径=2400mm i D 筒体的计算厚度 1 按公式：计算 2 ci t c p D P 即=12.81mm =3mm 2.0075 2400 2 189 1.02.0075 min 取腐蚀裕量 2mm 1 2 C 设计厚度12.81+2=14.81mm 1 2d C 查文献3中列举的锅炉和压力容器专用钢板的厚允许偏差按 GB/T 709 中的 B 类要求，即钢材厚度负偏差 mmC3 . 01 。 所以名义厚度，经过114.81 0.3+16mm nd C圆整量圆整量 圆整后为 16mm,在之间，故假设是成立的。mm316 有效厚度。 12 1620.313.7 en C Cmm （2）封头壁厚计算 根据标准椭圆形封头的计算厚度公式： 2.0075 2400 12.78 2 189 1 0.5 2.0075 20.5 ci t c p D mm p 取腐蚀裕量2mm，钢材厚度负偏差 mmC3 . 01 。则： 2 C 设计厚度12.78+2=14.78mm 2d C 名义厚度114.780.3+16mm nd C圆整量圆整量 有效厚度 12 1620.313.7 en C Cmm 可见标准椭圆形封头与筒体等厚。 2.3.2 压力试验校核 （1）压力试验类型 耐压试验是在设计压力下对压力容器的检验，在本设计中采用水压试 验进行验证。 （2）压力试验校核 筒体耐压试验校核 1 耐压试验压力根据 T t PP 其中，为耐压试验压力系数，对于钢和有色金属，液压试验是，25 . 1 所以水压试验压力， 1 185 1.25 2.0075MPa2.51MPa 185 T P 筒体的薄膜应力： 1 ()2.51 (2400 13.7) 221.11 22 13.7 Tie T e P D MPa 液压试验时，应满足以下公式的要求 ， 1 T 0.9 TeL R 其中 =0.9 1 345=0.9 eL R 310.5MPa 符合要求。 221.11MPa310.5MPa 最终筒体选用材料为 Q345R 的钢板，且厚度为 16mm。 封头耐压试验校核 水压试验压力 185 1.25 2.0075MPa2.51MPa 185 T P 封头的薄膜应力： ()2.51 (2400 13.7) 221.11 22 13.7 Tie T e P D MPa 液压试验时，应满足以下公式的要求 ， T 0.9 TeL R 其中 =0.9 1 345=0.9 eL R 310.5MPa ，符合要求。 221.11MPa310.5MPa 最终封头选用材料为 Q345R 的钢板，且厚度为 16mm。 2.3.3 设备的应力校核 钢制卧式容器计算单位河北工程大学 计 算 条 件 简 图 设计压力 p2.0075 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 2400mm 筒体长度 L 8400mm 筒体名义厚度 n 16mm 支座垫板名义厚度 rn 10mm 筒体厚度附加量 C 2.3mm 腐蚀裕量 C1 2mm 筒体焊接接头系数 1 封头名义厚度 hn 16mm 封头厚度附加量 Ch 2.3mm 鞍座材料名称 Q235-A 鞍座宽度 b 240mm 鞍座包角 120 支座形心至封头切线距离 A 600mm 鞍座高度 H 250mm 地震烈度 低于七度 内压圆筒校核计算单位河北工程大学 计算所依据的标准 GB 150.3-2011 计算条件筒体简图 计算压力 Pc 2.02MPa 设计温度 t 0.00 C 内径 Di 2400.00mm 材料 Q345R ( 板材 ) 试验温度许用应力 189.00MPa 设计温度许用应力 t 189.00MPa 试验温度下屈服点 s 345.00MPa 钢板负偏差 C1 0.30mm 腐蚀裕量 C2 2.00mm 焊接接头系数 1.00 厚度及重量计算 计算厚度 = = 12.90 P D P ci t c 2 mm 有效厚度 e =n - C1- C2= 13.70 mm 名义厚度 n = 16.00 mm 重量 8007.60Kg 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 = 2.5100 (或由用户输入) t 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 = = 221.11 pD Tie e .() . 2 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= = 2.14550 2 e t ie ()D MPa 设计温度下计算应力 t = = 177.99 PD cie e () 2 MPa t 189.00MPa 校核条件 t t 结论 合格 左封头计算计算单位河北工程大学 计算所依据的标准 GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图 计算压力 Pc 2.02MPa 设计温度 t 0.00 C 内径 Di 2400.00mm 曲面深度 hi 600.00mm 材料 Q345R (板材) 设计温度许用应力 t 189.00MPa 试验温度许用应力 189.00MPa 钢板负偏差 C1 0.30mm 腐蚀裕量 C2 2.00mm 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= 2.5100 (或由用户输入) t MPa 压力试验允许通过的应 力t T 0.90 s = 310.50MPa 试验压力下封头的应力 T = = 220.48 .2 )5 . 0.( e eiT KDp MPa 校核条件 T T 校核结果合格 厚度及重量计算 形状系数 K = = 1.0000 2 i i 2 2 6 1 h D 计算厚度 h = = 12.86 KP D P ci t c 20 5. mm 有效厚度 eh =nh - C1- C2= 13.70mm 最小厚度 min = 3.60mm 名义厚度 nh = 16.00mm 结论 满足最小厚度要求 重量 808.40 Kg 压 力 计 算 最大允许工作压力 Pw= = 2.15161 2 0 5 . t e ie KD MPa 结论 合格 右封头计算计算单位河北工程大学 计算所依据的标准 GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图 计算压力 Pc 2.02MPa 设计温度 t 0.00 C 内径 Di 2400.00mm 曲面深度 hi 600.00mm 材料 Q345R (板材) 设计温度许用应力 t 189.00MPa 试验温度许用应力 189.00MPa 钢板负偏差 C1 0.30mm 腐蚀裕量 C2 2.00mm 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= 2.5100 (或由用户输入) t MPa 压力试验允许通过的应 力t T 0.90 s = 310.50MPa 试验压力下封头的应力 T = = 220.48 .2 )5 . 0.( e eiT KDp MPa 校核条件 T T 校核结果合格 厚度及重量计算 形状系数 K = = 1.0000 2 i i 2 2 6 1 h D 计算厚度 h = = 12.86 KP D P ci t c 20 5. mm 有效厚度 eh =nh - C1- C2= 13.70mm 最小厚度 min = 3.60mm 名义厚度 nh = 16.00mm 结论 满足最小厚度要求 重量 808.40 Kg 压 力 计 算 最大允许工作压力 Pw= = 2.15161 2 0 5 . t e ie KD MPa 结论 合格 卧式容器（双鞍座）计算单位河北工程大学 计 算 条 件简 图 计算压力 pC 2.0075MPa 设计温度 t 0 圆筒材料 Q345R 鞍座材料 Q235-B 圆筒材料常温许用应力 189MPa 圆筒材料设计温度下许用应力t 189MPa 圆筒材料常温屈服点 345MPa 鞍座材料许用应力 sa 147MPa 工作时物料密度 O 566.3kg/m3 液压试验介质密度 T 1000kg/m3 圆筒内直径 Di 2400mm 圆筒名义厚度 n 16mm 圆筒厚度附加量 C 2.3mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 hn 16mm 封头厚度附加量 Ch 2.3mm 两封头切线间距离 L 8480mm 鞍座垫板名义厚度 m 10mm 鞍座垫板有效厚度 re 10mm 鞍座轴向宽度 b 240mm 鞍座包角 120 鞍座底板中心至封头切线距离 A 600mm 封头曲面高度 hi 600mm 试验压力 pT 2.51MPa 鞍座高度 H 250mm 腹板与筋板组合截面积 Asa29920mm2 腹板与筋板组合截面断面系数 Zf 1.00608e+06mm3 地震烈度 7 圆筒平均半径 Ra 1208mm 物料充装系数 0 0.85 一个鞍座上地脚螺栓个数 2 地脚螺栓公称直径 20mm 地脚螺栓根径 17.294mm 鞍座轴线两侧的螺栓间距 1520mm 地脚螺栓材料 16Mn 支 座 反 力 计 算 圆筒质量(两切线间)8084.11 snni1 c LDm kg 封头质量(曲面部分)794.717m2 kg 附件质量9605m3 kg 封头容积(曲面部分)1.80956e+09Vh mm3 容器容积(两切线间) V = 4.19817e+10mm3 容器内充液质量 工作时, 20208.1 压力试验时,= oo Vm4mV T4 41981.7 kg 耐热层质量 M5=0kg 总质量 工作时, 39486.7 54321 2mmmmmm 压力试验时, 61260.3 5 4321 2mmmmmm kg 单位长度载荷 41.7503 64.7722 q mg Lh 4 3 i q m g Lh 4 3 i N/mm 支座反力 193722 300543 Fmg 1 2 gmF 2 1 300543FF F max, N 筒 体 弯 矩 计 算 圆筒中间处截 面上的弯矩 工作时= 2.70526e+08 L A L h LhRLF M 4 3 4 1 /21 4 i 22 i 2 a 1 压力试验= 4.19699e+08 L A L h LhRLF MT 4 3 4 1 /21 4 i 22 i 2 a 1 Nmm 支座处横 截面弯矩 操作工况： -6.06148e+06 L h AL hR L A AFM 3 4 1 2 1 1 i 2 i 2 a 2 压力试验工况： -9.403