液氨储罐设计说明书

学号： 化工机械基础课 程 设 计 说 明 书设计题目： 液 氨 储 罐 机 械 设 计 学院 化学与环境工程学院 专业 化学工程与工艺 班级 化工11-8 学生 白涛 指导教师 陈华豪 完成时间 2013年06月24日 至2013年06月30日课程设计任务书1. 设计题目：液氨储罐机械设计2. 课程设计要求及原始数据（资料）：(1)、课程设计要求：.使用国家最新压力容器和换热器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。.广泛查阅和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。.设计计算要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠。.设计说明书可以手写，也可打印，但工程图纸要求手工绘图。.课程设计全部工作由学生本人独立完成。(2). 设计数据：技 术 特 性公称容积(m3)20公称直径DN(mm)2200介 质液氨筒体长度L(mm)4500工作压力(MPa)2.06工作温度(0C)50厂 址茂名推荐材料16MnR管 口 表编号名称公称直径(mm)编号名称公称直径(mm)a1-2液位计18e安全阀20b进料管89f放空管32c出料管89g人孔500d压力表20h排污管803.工艺条件图4.计算及说明部分内容（设计内容）：1 绪论1.1 液氨储罐的设计背景1.2 液氨储罐的分类及选型2 材料及结构的选择与论证2.1 工艺参数的设定2.1.1设计压力2.1.2筒体的选材及结构2.1.3封头的结构及选材3 设计计算3.1 筒体壁厚计算3.2 封头壁厚计算3.3 压力试验4 附件的选择4.1人孔的选择4.2人孔补强的计算4.3进出料接管的选择4.4液面计的设计4.5 安全阀的选择4.6排污管的选择4.7 真空表选择4.8 鞍座的选择4.8.1鞍座结构和材料的选取4.8.2容器载荷计算4.8.3鞍座选取标准4.8.4鞍座强度校核5 容器焊缝标准5.1压力容器焊接结构设计要求5.2筒体与椭圆封头的焊接接头5.3管法兰与接管的焊接接头5.4接管与壳体的焊接接头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6.1.2 由设计压力引起的轴向应力6.1.3 轴向应力组合与校核6.2筒体和封头切向应力校核7 总结8 参考文献5绘图部分内容： 总装配图一张（A1图纸）6设计期限：1周（2013 年06月24日 2013年 06月30日）7、设计参考进程：(1)设计准备工作、选择容器的型式和材料 半天(2)设计计算筒体、封头、选择附件并核算开孔补强等 一天(3)绘制装配图 二天(4)编写计算说明书 一天(5)答辩 半天8参考资料：（1） 国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器，中国标准出版社，1998；（2） 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，1999（3） 金属化工设备零部件第四卷（4） 中华人民共和国化学工业部，中华人民共和国待业标准钢制管法兰、垫片、紧固件，1997（5） 化工设备机械基础课程设计指导书（图书馆借阅书号：TQ05/51）（6） 刁玉纬 王立业，化工设备机械基础，大连理工大学出版社，2003年第五版；（7） 李多民俞惠敏，化工过程设备机械基础，中国石化出版社，2007；（8） 董大勤，化工设备机械基础，化学工业出版社，1994年第二版；（9） 汤善甫 朱思明，化工设备机械基础，华东理工大学出版社，2004年第二版；发给学生（签名）： 指导教师： 年 月 日目录1绪论11.1 液氨储罐的设计背景11.2 液氨储罐的分类及选型12 材料及结构的选择与论证3 2.1 工艺参数的设定3 2.1.1设计压力3 2.1.2筒体的选材及结构3 2.1.3封头的结构及选材33 设计计算5 3.1 筒体壁厚计算5 3.2 封头壁厚计算53.3 筒体长度确定6 3.4 压力试验74 附件的选择84.1人孔的选择84.2人孔补强的计算94.3进出料接管的选择114.4液面计的设计124.5 安全阀的选择134.6排污管的选择134.7 真空表的选择134.8 鞍座的选择144.8.1鞍座结构和材料的选取144.8.2容器载荷计算144.8.3鞍座选取标准154.8.4鞍座强度校核165 容器焊缝标准175.1压力容器焊接结构设计要求175.2筒体与椭圆封头的焊接接头175.3管法兰与接管的焊接接头175.4接管与壳体的焊接接头186 筒体和封头的校核计算196.1 筒体轴向应力校核196.1.1由弯矩引起的轴向应力196.1.2 由设计压力引起的轴向应力206.1.3 轴向应力组合与校核206.2筒体和封头切向应力校核217 总结228 参考文献231 绪论1、1 液氨储罐的设计背景本设计是针对化工设备机械基础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)。蒸汽与空气混合物体爆炸极限1625%（最易引燃浓度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，难以点燃而危险性较低：但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸，如有油类或其他可燃性物质存在，则危险性更高。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，机械按容器的选材、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。1、2液氨贮罐的分类及选型储罐的形状有圆形或球形。圆筒形储罐两端的封头有椭圆形、球形、锥形和平盖等形状。在本设计中由于设计体积较小且工作压力较小，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，故选用卧式圆筒形容器。卧式圆筒形液氨储罐通常由卧式圆筒形筒体和两端的椭圆形封头组成，按照化学生产工艺的要求设置进料口、出料口、放空口、排污口、压力表、安全阀和液面计等。为了检修方便，还要开设人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。选择化工容器的材料也是设计中的重要问题，应该综合考虑容器的操作条件和钢材的性能、价格等。氨对钢材的腐蚀作用很小，但是，置于室外的液氨储罐，它的操作温度就是大气温度，它的操作压力就是操作温度对应的饱和蒸汽压。随着气温的变化，液氨储罐的操作温度和压力也随之变化，制造储罐的钢材应能承受这种变化。液氨储罐通常选择16MnR钢，它是屈服强度为350MPa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在我国北方严寒地区，冬季最低气温可达-30，这时普通碳钢将会出现低温脆性（冲击韧性严重下降），就应选用低温设备用钢（如09Mn2VDR）。2 设计选材及结构2.1 工艺参数的设定2.1.1 设计压力 根据化学化工物性数据手册查得50蒸汽压为2032.5kpa，可以判断设计的容器为储存内压压力容器，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50时的饱和蒸汽压力，可取液氨容器的设计压力为2.16Mpa，属于中压容器。而且查得当容器上装有安全阀时，取1.051.3倍的最高工作压力作为设计压力；所以取2.16 Mpa的压力合适。属于中压容器5。设计温度为50摄氏度，在-20200条件下工作属于常温容器。2.1.2 筒体的选材及结构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。如果纯粹从技术角度看，建议选用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。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。筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广1，5。2.1.3 封头的结构及选材 封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。查椭圆形封头标准（JB/T4737-95）表2.1 椭圆封头标准公称直径DN曲面高度h1直边高度h2内表面积Fi/m2容积V/m32200550405.501.5459封头取与筒体相同材料1,5。3 设计计算3.1 筒体壁厚计算 查 压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢得16MnR的密度为7.85t/m3，熔点为1430，许用应力列于下表：表3.1 16MnR许用应力钢号板厚/在下列温度（）下的许用应力/ Mpa2010015020025030016MnR6161701701701701561441636163163163159147134366015715715715013812560100153153150141128116 圆筒的计算压力为2.17Mpa,容器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，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。取许用应力为163 Mpa。壁厚： （3.1）钢板厚度负偏差,查材料腐蚀手册得50下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05/年，设计寿命20年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量。所以设计厚度为：圆整后取名义厚度18。3.2 封头壁厚计算 标准椭圆形封头a:b=2:1 封头计算公式 ： （3.2）可见封头厚度近似等于筒体厚度，则取同样厚度。因为封头壁厚20则标准椭圆形封头的直边高度1,4.3.3桶体长度确定公称直径DN1米高容器体积V1米高容器内表面积Fi1米高容器钢板质量Kg钢板厚度1822003.8016.81984公称直径DN曲面高度h1直边高度h0内表面积F容积V厚度质量G2200550405.52291.545918782试选用公称直径为，由表知，筒体1米高容器体积，封头的容积为。利用公式 代入，得： 则总长为 ,则。 由于液氨筒体的长径比值为为合适值，所选的长径比 所以，选用公称直径为的筒体合适。3.4压力试验水压试验，液体的温度不得低于5；试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便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。水压试验时的压力 (3.3)水压试验的应力校核：水压试验时的应力Mpa (3.4)水压试验时的许用应力为 故筒体满足水压试验时的强度要求1。4 附件选择4.1 人孔选择人孔的作用：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。人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。人孔标准HG21524-95规定PN1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。容器上开设人孔规定当Di1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为400。当Di1600时应选取DN500型综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95）,公称压力PN2.5、公称直径DN500、H1=350、RF型密封面、采用类20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。标记为：人孔RF（WC-1220）450-2.5HG21524-95总质量为256kg.法兰标准号为HGJ5053-91,垫片标准号为HGJ6972-91,法兰盖标准HGJ6165-91材料为20R，螺柱螺母标准HGJ75-91螺柱材料40Cr螺母材料45，吊环转臂和材料Q235-AF,垫圈标准为GB95-85材料100HV,螺母标准GB41-86，吊钩和环材料Q235-AF，无缝钢管材料为20，支承板材料为20R2,3,5。尺寸表如下表4.1 人孔标准尺寸表密封面型式PN/MpaDNdwsdDD1H1H2总质量kg突面2.5500530125067306603502183214.2 人孔补强的计算 开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。 压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。1、 内压容器开孔后所需的补强面积 （4.1）式中 开孔直径：；强度削弱系数：壳体开孔处的计算厚度接管有效厚度：则 22、有效补强面积即已有的加强面积壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件） （4.2）筒体上多余金属面积： （4.3）有效补强宽度 B=2d筒体的有效厚度 所以2人孔接管上多余的面积： （4.4） 外侧有效高度：内侧有效高度即实际内伸高度 接管计算厚度：所以2焊缝金属截面积：2则 2比较的 满足以下条件的可选用补强圈补强：刚材的标准常温抗拉强度Mpa；补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的1.5倍；壳体名义厚度；设计压力；设计温度。可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。所需补强圈的面积为：2补强圈的结构及尺寸：为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。按照根据焊接接头分类，接管、人孔等与壳体连接的接头，补强圈与壳体连接的接头取D类焊缝。根据补强圈焊缝要求，并查得结构图为带补强圈焊缝T型接头，补强圈坡口取B型（查化工容器及设备简明设计手册）。查标准HG 21506-92 得补强圈外径,内径则取535。计算补强圈厚度： （4.5）公称直径DN外径D2厚度重量5008401641.5查标准补强圈厚度取16，计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。查得对应补强圈质量为41.53,5.4.3 进出料接管的选择 材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR。结构：接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。 设计压力小于或等于2.5Mpa。 两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。 接管公称外径小于或等于89。 接管最小壁厚满足以下要求。表4.2 接管最小壁厚要求接管公称直径/mm57657689最小壁厚/mm5.06.0因此热轧无缝钢管的尺寸为8912。 钢管理论重量为22.79/m。取接管伸出长度为200。 管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN269.4kN,为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用，可取，则选A=700mm。左鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A2200-F.右鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A2200-S.具体尺寸如下表：表4.3 鞍座标准尺寸表公称直径DN允许载荷Q/kN底板长度L1鞍座高度h螺栓间距l2鞍座质量/kg增加100mm高度增加的质量/kg22004052501380205194.8.4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：鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：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，8mm则 应力校核：鞍座材料Q235-AF的许用应力，则35 容器焊缝标准5.1 压力容器焊接结构设计要求 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）。5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得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，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I型坡口。根据16MnR的抗拉强度=490Mpa和屈服点=325Mpa选择E50系列（强度要求：490Mpa；400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（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，脱渣性较好，焊缝表面光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢结构。5.3 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标准HG20605-97,根据公称通经DN 80选择坡口宽度b=6mm，如附图中的局部放大图所示。5.4 接管与壳体的焊接接头所设的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。选择HG20583-1998标准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为；，且，它适用于，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为18mm，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。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，P1199）得K1=K2=1.0。因为M1M2，且ARm/2=559mm，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由 (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t=163MPa，而2t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ac=150MPa，1ac，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=0.88