完整地压力容器设计

1、设计任务书设计题目：液氨储罐设计设计任务：试设计一液氨储罐，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。已知工艺参数如下：最高使用温度：T=50C；公称直径：DN=3000nm；筒体长度（不含封头）：Lo=5900伽。目录设计任务书1 前言 12 设计选材及结构 22.1 工艺参数的设定 22.1.1 设计压力 22.1.2 筒体的选材及结构 22.1.3 封头的结构及选材 23 设计计算 43.1 筒体壁厚计算 43.2 封头壁厚计算 43.3 压力试验 54 附件的

2、选择 64.1 人孔的选择 64.2 人孔补强的计算 74.3 进出料接管的选择 94.4 液面计的设计 104.5 安全阀的选择 104.6 排污管的选择 104.7 鞍座的选择 114.7.1 鞍座结构和材料的选取 114.7.2 容器载荷计算 124.7.3 鞍座选取标准 124.7.4 鞍座强度校核 135容器焊缝标准 145.1 压力容器焊接结构设计要求 145.2 筒体与椭圆封头的焊接接头 145.3 管法兰与接管的焊接接头 145.4 接管与壳体的焊接接头 146筒体和封头的校核计算 166.1 筒体轴向应力校核 166.1.1 由弯矩引起的轴向应力 166.1.2 由设计压力引

3、起的轴向应力 176.1.3 轴向应力组合与校核 176.2 筒体和封头切向应力校核 187总结 19参考文献 201 前言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NH,分子量17.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7 C,沸点-33.35 C, 自燃点651.11 T，蒸汽压1013.08kPa(25.7 C)。蒸汽与空气混合物爆炸极限1625%最 易引燃浓度17%氨在20E水中溶解度34%,25C时，在无水乙醇

4、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，如有油类或其它可燃性物质存在，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

5、，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。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50C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50C时的饱和蒸汽压力，可取液氨容器的设计压力为2.16 Mpa，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。

6、0.6Mpazp ：10Mpa 属于中压容器。设计温度为50摄氏度，在-20200r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 mm/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑 20R和16MnF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，16MnF钢板为比较经济。所以在此选择 16MnF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

7、承压能力较好，这类容器应用最广1，5 o2.1.3 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曲面咼度

8、hl直边高度h2内表面积Fi/m2容积V/m330007505010.23.89封头取与筒体相同材料1,53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/m 3,熔点为 1430C，许用应力匚I列于下表：表3.1 16MnR许用应力钢号板厚/伽60100153153150141128116圆筒的计算压力为2.16 Mpa,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。PcDi2- Pc2.16 30002 163 1-2.16=20.01

9、mm(3.1 )钢板厚度负偏差 5=0.8,查材料腐蚀手册得 50r下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05伽/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量 C2 =2伽。所以设计厚度为：- C2 C 22.81m圆整后取名义厚度24伽。3.2封头壁厚计算标准椭圆形圭寸头a:b=2:1封头计算公式：(3.2 )PcDi21- 0.5pc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伽则标准椭圆形封头的直边高度h。=50伽1,4.3.3压力试验水压试验，液体的温度不得低于 5C；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

10、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tr 1pT =1.25pt 1.25 2.16 = 2.7Mpa(3.3)水压试验的应力校核: 水压试验时的应力Pt Di 、飞=2.7300024 -1 12241)= 177.44 Mpa(3.4)水压试验时的许用应力为0.9 二 s 二 0.9 1.00 325 二 292.5Mpa二t I.OMpa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

11、上的开孔最好是圆形 的，人孔公称直径最小尺寸为 400伽。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DN450 H仁320 RF型密封面、采用切类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R刊(W- C-1220) 450-2.5HG21524-95总质量为 256kg.法兰标准号为HGJ5A 53-91,垫片标准号为HGJ69-72-91,法兰盖标准 HGJ6L65-91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-A

12、- F,垫圈标准为GB95-85材料100HV螺 母标准GB41-86,吊钩和环材料Q235-A - F，无缝钢管材料为20,支承板材料为20R2,3问。尺寸表如下表4.1 人孔标准尺寸表密封面型式PN/总质量kgMpaDNdwx sdDD1H1H2突面2.5450480 X 124506706003202142564.2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

13、。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16MnR1、内压容器开孔后所需的补强面积A 二d、 2、,t 1 - fr( 4.1)式中开孔直径：d2C =4562 2.8 =461.6 伽；强度削弱系数：壳体开孔处的计算厚度：二20.01伽接管有效厚度： et = nt -C =12 -2.8 =9.2 mm则A =461.620.01220.01 9.21 _133仮 匚 9304.38 m 22、有效补强面积即已有的加强

14、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)A - A1 A2 A3(4.2 )筒体上多余金属面积：A1 二 B -d e- 2 et e T ：1 一 fr(4.3 )有效补强宽度B=2d筒体的有效厚度二=24 - 2.8 =21.2伽所以A =461.621.2 20.01 -2 9.221.2 20.011 -133163 =545.27 m 2人孔接管上多余的面积:A -2h1 e _ t fr 2h2 et _C2 fr(4.4 )外侧有效高度：h, = ：ntd = 12 461.6 =74.43 mm内侧有效高度即实际内伸高度h

15、2 =0接管计算厚度：斗 /16 480 一 24 =3.73m2V-pc2 133 1-2.16所以A2=2.12461.69.2 -3.73133163 =664.36 m焊缝金属截面积:A3 =2 1 12 12 =144m 222A = A1A2 A3 = 545.27 664.36 144 =1353.63 m比较的 A Ae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540Mpa补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的1.5倍；壳体名义厚度乞38 mm；设计压力:4Mpa ; 设计温度岂350 C。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:2A4 = A - Ae

16、 二 7950.75 mm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HG21506-92得补强圈外径D0 =760,内径Di =d0 35则取485 m0计算补强圈厚度：79沁18.14 mB-Dj 461.6 2 -485A4(4.5)查标准补强圈厚度取20伽，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42.3 kg3,

17、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

18、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伽。 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 89 X 12伽。钢管理论重量为22.79 kg/m。取接管伸 出长度为150伽。管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN4.0Mpa ,选择突面板式平 焊管法兰，标记为：HG20592-1997法兰RF（A）80-2.5,其中D=190,管法兰材料钢号（标 准号）:20 （GB711）。根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、垫片、紧固件选配表（HG20614-1997选择：垫片型式为

19、石棉橡胶板垫片（尚无标准号），密封面型式为突面， 密封面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。在离筒体底以上250伽处安装容器出料管，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o4.4 液面计的设计液面计的种类很多，常用的有玻璃板液面计和玻璃板液面计。它们都是外购的标准 件，只需要选用。玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、 视镜式玻璃板液面计。根据选用表选用：选用反射式玻璃板液面计，标准号 HG21590-95法兰形式及其 代号C型（长颈对焊突面管法兰 HG2

20、0617-97 ,液面计型号R型公称压力PN4.0,使用温 度0250E，液面计的主题材料代号：锻钢（16Mn，结构形式及其代号：普通型（无 代号），公称长度为1450mm排污口结构:V （排污口配螺塞）。液面计标记为：液面计 CR4.0- I -1450V根据筒体公称直径3000伽选择两个同样的液面计，单个质量为90 kg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：无缝钢管 GB8163-87热轧钢管，尺寸为 89X 12伽。4.5 安全阀的选择安装位置：在离右封头切线处 1150处安装一安全阀。由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范围，所以由本设计

21、的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号 A21H-40,公称通径DN取 20 伽，质量约为80 kg。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无缝钢管 GB8163-87热轧钢管，尺寸为 89X 12 mm5。4.6 排污管的选择安装位置：在离右鞍座的左侧 1000mn处安装一个排污管。选择无缝钢管GB8163-87热轧钢为材料的排污管焊接在容器底部，尺寸为 89X12mm。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(截止阀)，型号J41H-40，取公称通径

22、为80 m,对应质量为44.4 kgo排污阀的结构是利用装在阀杆下面的阀盘与阀体的突缘部分相配合，一控制阀的启闭。结构较闸阀简单，制造、维修方便。可以调节流量，应用广泛o4.7鞍座的选择4.7.1鞍座结构和材料的选取卧式容器的支座有三种形式：鞍座、圈座、和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储 罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为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，有材料力学分析可知， 梁弯曲产生的应力与支点的数目和位 置有关。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

23、 基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不 同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优 点，故一般情况采用双支座。采用双支座时选取的原则如下： 双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取A M0.2L ,其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线 间距离。 当鞍座邻近封头时，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，在满足 A乞0.2L下应尽量使A乞0.5R。.此外，卧式容器由于温度或载

24、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。所以本设计就采用这种支座结构。 根据设备的公称直径和容 器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。鞍座的材料（除加强垫板 除外）为Q235-A - F,加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为 16MnR4.7.2 容器载荷计算筒体的质量m!:查得圆筒体理论质量为1778 kg/m,筒体长度加上封头的直边长度为 6m,则 W1= 1778 6=1066

25、8 kg。封头的质量m2：根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为1901 kg。水压试验时水的质量m3:由常用压力容器手册查得公称直径3000mm厚24mm的标准椭圆封头的容积为3.887 m3,则容器容积为：V =V封头 V筒体=2 3.887 32 5.9 = 49.4575 m3（4.6 ）4水重 m3 =49.4575 627.765kN为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用， 可取A兰0.5Rm,则选A=700mm左鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座A3000-F.右鞍座标 记为 JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S.具体尺寸如下表：表4.3鞍座标准尺寸表公

26、称直径允许载荷鞍座咼度螺栓间距鞍座质量增加100mm高度DNQ/kNh12/kg增加的质量/kg30007862501940405344.7.4 鞍座强度校核鞍座腹板的水平分力：Fs gF查得鞍座包角120对应系数 K9 =0.204 支座反力：mgF313.8825kN2鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：FsHsbobrre应力校核：鞍座材料Q235-A - F的许用应力125Mpa，则|l“83.333MpaHs -计算高度，取鞍座实际高度和 Rm3两者中的较小值，mmbo -鞍座腹板厚度，mm6 -鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度b4与圆筒体的有效宽度bb 1.56 Rm- e两者中的较

27、小值，mme -鞍座垫板有效厚度，10mmFsHsbo br、re.2043138825 =8.538Mpa250 10500 105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

28、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的抗拉强度二b=490Mpa和屈服点二s=325Mpa选择E50系列（强度要求： % 490Mpa us 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

29、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50 _5 ; b = 2 0.5 ;p=1_0.5 ；k=：13，1且k_6，它适用于七=425，:. t _丄“，因为所选接管的厚度都为壳

30、体厚度的一半，2壳体的厚度为24mm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4,5 o6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:.2(Rm59002700 5900,4 汉 750 5900 - hiM1FLL24A4hi(6.1)3L式中F 鞍座反力，N;Rm 椭圆圭寸头长轴外半径，mn;L 两封头切线之间的距离，mmA 鞍座与筒体一端的距离，mm hi 封头短轴内半径， mmM1RmDN 2、n23138825 5900300024 22=1524 mm,2 汇(1524 -7

31、50 )1 +259002彳丄4 x 7503 x 59004 75059005= 2.0 10 N mm支座处截面上的弯矩:M2二-FAL 2AL沁3L(6.2)所以=_1.4| M2|,且Av Rm/2=762m,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,Mi；打(6.3)3.14Rm、飞e =-Ci C2 = 24 0.8 2 = 21.2所以最低点处:52.0X10523.14 152421.2=1.3 汉 10-3MPa二2 - -；1 = 0.0013MPa(6.4)鞍座截面处最高点处:M223.14QRm、e 1.4X10423.14 1.0 15242 21.271 10MPa(6.5)最低点处:M223.14 QRm e-1.4X1043.14 1.0 15242 21.2-9.1 10MPa(6.6)6.1.2由设计压力引起的轴向应力由所以2.16 1524 =77.6MPap 2 21.26.1.3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二2 y 二2 = 77.60.0013 = 77.6013MPa许用轴向拉压应力(T t=163MPa，而c 2v c t合格。最大轴向压应力出现在充满水