液氨储罐设计..

1、第一章绪论1. 1设计任务设计一液氨贮罐。工艺条件：温度为 40C，氨饱和蒸气压1.55MPa，容积 为20m3,使用年限15年。1.2设计要求及成果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5. 编制设计说明书以及绘制设备装配图 1张（A1）。1.3技术要求（一）本设备按GBI50-1998钢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 GB985-80中规定（设计焊接 接头系数 =1.0）（三）焊接采用电弧焊，焊条型号为 E4303（四）壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100

2、%第二章设计参数确定2.1设计温度题目中给出设计温度取40-C2.2设计压力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。通过查阅资料可知包头最高气温为 40.4 C,通过查表可知，在40C时液氨 的饱和蒸汽压（绝对压力）为1.55MPa,密度为580kg/m3,而容器设计时必须考虑 在工作情况下可能遇到的工作压力和相对应的温度两者相结合中最苛刻工作压 力来确定设计压力。一般是指容器顶部最高压力与相应的设计温度一起作为设计 载荷条件，其值不低于工作压力。此液氨储罐采用安全法，依据化工设备机械基础若储罐采用安全法时 设计压力应采用最大工作压力 Pw的1.05-1.1倍，

3、取设计压力P=1.05Pw （已知PW =1.55MPa 表压）所以 P =1.05巳=1.6MPa 。2.3腐蚀余量查腐蚀数据手册16MnR耐氨腐蚀，其 0.1mm/y，若设计寿命为15年，贝U C2 = ：=15 0.1 = 1.5mm2.4焊缝系数该容器属中压贮存容器，技压力容器安全技术监察规程规定，氨属中度 毒性介质，容器筒体的纵向焊接接头和封头基本上都采用双面焊或相当于双面焊 的全焊透的焊接接头，所以 取1.0或0.85常见。得选取按下表选择：表2.1焊接接头系数序号焊接接头结构焊接接头系数*全部无损探伤局部无损探伤1双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊接接头1.00.852单面焊的对

4、接焊接接头，在焊接过程 中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的 垫板0.90.85此储罐米用100%无损探伤，故.=1.02.5容器直径考虑到压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，容器的筒体和封头的直径都有规定。此储罐设计的公称直径（内径）选择Dj = 2400mm。表2.2公称直径Di公称直径Di300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、40002.6许用应力40C温度时，16MnR钢材的许用应力表,知J I =170.0MPa表2

5、.3 400C温度时，16MnR钢材的许用应力表钢材厚度6n （mm ）许用应力B J（MPa）屈服极限crs（MPa）v 1617034516 3616332536 601573052.7、材料选择根据液氨贮罐的工作压力（P =1.60 MPa作为设计压力）、工作温度（最 高工作温度为40匚C ）和介质的性质可知该设备为一中压常温设备，介质对碳钢 的腐蚀作用很小，主要考虑的强度指标（指二s和二b）和塑性指标适合的材料有： A3R 20g、16MnR 15MnVR 20R。为了节省金属，高压设备应优先选取普通低合 金钢、中强度。凡属强度计算为主要的中压设备亦以采用普通低合金钢为宜。因为屈服强度

6、分别为345MPa和392MPa的普通低合金钢，其材料价格与碳素钢 差不多，但强度比碳素钢约高30% - 60%，采用该类钢材制造压力容器，可以有 效地减少设备质量，降低成本，给设备的制造、运输、安装带来很大的方便。所 以主要考虑16MnR和20R这两种。如果纯粹从技术角度看，建议选用 20R类的低碳钢板，16M nR钢板的价格比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16M nF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。第三章结构的选择与论证3.1储罐类型选择储罐可分为立式储罐、卧式储罐和球式储罐。在本设计中由于设计体积较 小(约为26m3 )且设计压力较小(

7、P =1.6MPa),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。3.2封头的选择本液氨储罐的封头选用标准型椭圆形封头。从应力分布情况考虑：在直径、壁厚、设计压力相同的条件下各种封头应力 分布由好到坏的顺序是：半球形、椭圆形、蝶形、锥形、球冠形、平板形。椭圆 型圭寸头的最大应力值和与其相连接的圆筒体中的最大应力值相等，便于筒体强度设计；碟心封头有两处连接边界，受力不及椭圆形。从金属消耗量考虑：在相同设计条

8、件下，各种封头的金属消耗量按下列顺序 依次增大：半球形，椭圆形，蝶形，平板形。球形封头用量最少，比椭圆形封头 节约25.8 %，平板封头的用量最多，是椭圆形封头的 4倍多。从制造考虑：椭圆形封头制造方便，平板封头则因直径和厚度较大，坯材的 获得、车削加工、焊接等方面都遇到不少困难，且封头与筒体厚度相差悬殊，结 构也不合理。所以，从强度、结构和制造等方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。3.3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

9、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89mm。 接管最小壁厚满足以下要求。表3.1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 12mm

10、 0钢管理论重量为22.79kg/m。取接管伸出长度为150mm o管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN 4.0MPa ）,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 （GB71）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250mm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

11、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。3.4容器支座的选择容器支座有鞍座，圈座和支腿三种，用来支撑容器的重量。可知大型卧式储槽 和卧式容器常采用鞍座，多于两个支撑的长容器常采用圈座，小型容器常采用支 腿，由于本设计采用卧式储罐，故采用鞍式支座。3.5人孔的选择人孔的作用：检查设备和便于安装与拆除设备内部构件。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

12、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。根据储罐是在常温及最高工作压力为1.6MPa的条件下工作，人孔标准应按 公称压力为1.6MPa的等级选取。从人孔类型标准可知，公称压力为 1.6MPa的人 孔类型很多，本设计考虑人孔盖直径较大较重，故选用水平吊盖人孔。该人孔结 构中有吊钩和销轴，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，不必将盖板取下。该人孔标记为：HG21523-95人孔 RF IV (A

13、 G)450-1.6，其中RF面密封，V指接管与法兰的材料为20R, AG指用普通石棉橡胶板垫片， 450-1.6是指公称直径为450mm、公称压力为1.6MPa 。表3.2人孔选择表人孔类型公称压力MPa公称直径mm板式平焊法兰人孔0.6400、450、500、600板式平焊法兰人孔（限用凸面）或带颈平焊法法兰1.0400、450、500、6001.6400、450、500、600带颈对焊法法兰2.5400、450、500、6004.0400、450、500、6003.6法兰的选择法兰与筒体、封头或管段以角焊方式联接的，称为平焊法兰，平焊法兰制造 简单，广泛应用，但刚性较差，紧用于压力不高的

14、场合，如管法兰PN小于或等于2.5MPa ,压力容器法兰PN小于或等于4.0MPa ;是筒体、封头或管段以对焊 方式连接用的法兰，称为对焊法兰或带颈法兰，对焊法兰刚性好且对焊缝的强度 高，适用于压力、温度较高的场合。3.7液面计的选择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、浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常 用前两种。1 玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场 合。板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。2.玻璃板液面计一般选易观察的透光式， 只有当物料很干净时才选反射式。3当容器高度大于3m时，玻

15、璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果， 应改用其它适用的液面计。液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重的堵塞现象所以在此选用玻璃 管液面计。玻璃板液面计有透光式玻璃板液面计（T型）、反射式玻璃板液面计（R型）和试镜式玻璃板液面计（S型）三种结构，其适用温度一般在0250r 但透光式适用工作压力较反射式高，试镜式工作压力最小。玻璃管液面计适用工 作压力小于1.6MPa，介质温度在0 -2500 C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。考虑到本设备的设计压力为 1.6MPa,而且液氨为较干净的物料，易透光， 不会出现严重的

16、堵塞现象，所以在此选用透光式玻璃板液面计（T型）。由筒体公称直径为2600 mm，选择长度为1450 mm的液面计。.确定液面计为透光式（T型）、公称压力PN1.60MPa、锻钢材料（16MnR、 保温型、排污口配阀门、长颈对焊突面法兰连接（按 HG 20595-97）、公称长度 L = 1450mm的液面计,标记为：液面计 AG 1.6- I W-1450第四章设计计算4.1储罐高度确定储罐容量为20,查表:表4.1筒身常量公称直径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101416002.0175.0339755720003.1426.28422695220

17、03.8016.8144676424004.5247.5547183326005.3098.17496902表4.2封头常量公称直径DN曲面咼度h1直边高度h0内表面积F容积V厚度质量G10224122701600400252.9010.5861431516362184082200590405.52291.5459146162400600406.52216835试选用公称直径为 2000mm，由工艺尺寸 HG-T 3154-1985 得:罐体长度L=4800mm则总长为 L - 2600 404800】mm 二 6080mm,取整 L = 6080 mm。由于液氨筒体的长径比值为2 一9为合适

18、值，所选的长径比士整二缈二2.0Di2400所以，选用公称直径为2000mr的筒体合适。4.2设计与校核筒体壁厚设计筒体计算壁厚根据公式：pDi2 tp1.6 2400其中 P =1.6MPa、Dj = 2400mm、匕 T =170MPa、=1.0 代入公式:mm = 11.35 mm12 汇 170 汇 1.01.6 丿由 2.3 可知 C2 = 1.50mm得:pDj2 UpC2,-12400J匚3dC2 mm =12.85 mmIL2 170 1.0-1.6根据 Q = 11.35mm，查书中表可知0.8mm则可得：Q筒=Q C1 C2 = 13.65 = 14mm筒体最小厚度校验Qi

19、n = 2Dj 1000 = 4.8mm 空 Q筒- C2 = 12.15mm，满足要求筒体水压试验液压试验时6Pt =1.25P r二设计温度 T =40C ；=匚T =170MPaPt =1.25P =1.25 1.6 = 2.0MPa圆筒的应力-T因为Pr(Die)2 e2.0(240012.58)=191.78MPa2 12.58=345MPa , 09 0.9 345 = 310.5MPa；T ：0.9；s所以，水压校验符合要求 筒体轴向应力计算与校核 筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩用下式计算:M1FL42(时-h)L24A4hi3L式中 F鞍座反力，N ；R m 椭圆圭寸头长

20、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其中:RmDN 2 Sn22400 14 J 1214mm。所以:Mi12(Rm2-hi)4色34A式中= 24368.4 9.8：2：120KNDi；hi600mm ；4L = 6980mm； A = 600mm将数值代入公式得M 3445 60801 2(12142 一62)60802-_4 600 1 -3 6080一 _63.00 io7 n6080mm支座处截面上的弯矩M 2 - - FA-“ AI1+仆I3L2 . 2Rm - h i I2AL所以:-34450 x

21、 600 1 2 2,6001214 -6006080 2 600 6080,4 x 60013 6080-1.20 106 N mm1.0422.2筒体轴向应力计算由化工机械工程手册（上卷，P1199）得KK2 因为：M1 M2 ,且 AcRm/2=600mm， 所以，最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力由弯矩引起的轴向应力筒体中间截面上最高点处M123.14Rm e式中、飞二、n G C2 =14-0.8-1.5 =11.7mm 所以:Mi23.14Rm、e3 10745591711.05-0.658014347 -0.66 MPa筒体中间截面上最低点处:= 0.66MPa鞍座截面处最

22、高点处:m223.14心时飞1.20063.14 1.0 12142 11.7二 0.03MPa鞍座截面处最低点处:一 0.03MPaM2由:pRm所以:1.6 12142 11.7= 76.17094017 =76.17 MPa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 p 2 76.82873147 = 76.83MPa许用轴向拉压应力 t f =170.0MPa， 由上述计算得：匚2 ：；刁七，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， 1 二1 二 0.66MPa，轴向许用应力：A 0.094. e0.094 11.7.4ftA9.87 10 MP

23、aRm1214从书中查得：B 二 一 AE1， E1 =2.001 10-1.6 汇 2400_2 170 1.0 -0.5 1.6则名义厚度： 二 a -=14.32=16mm4.2.3.3封头最小厚度校验 3计算得B =131.6MPa，取许用压缩应力b L =150MPa，W b lc，所以合格封头壁厚计算封头计算壁厚根据公式：KPDiJH-0.5p本储罐选用标准椭圆形封头，-=2，故形状系数k =1,代入: b煜 (1.6汇 2400、6 = mm = 11.32mm12汇170江1.0 0.5汇1.6 丿封头设计壁厚根据公式:KPDi2 匕 1-0.5pC2C1 = 0.8mm,C2

24、 = 1.5mm，代入:C2=12.82mm1 5、min n筒- 9 - c? = 16 - 0.8 -1.5 _ Di = 3.6mm，满足要求10004.2.3.4封头强度校核Pt (Di 二 e)；t0.94 c2心e-e - . -in - C = 12.82mmojPt 1.25Pt =1.25p =2MPa汀2(240011.7)门189.03 ： 0.9 1 345 二 310.5 MPa2X1.7经强度校核满足要求424筒体和封头切向应力校核因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算4.2.4.1筒体切向应力计算由化工机械工程手册（上卷，P11-100）查得K3

25、 = 0.880, K4 =0.401。所以：K3 F 0.88024368.4 9.8 ： 2-0.23MPaRm、e1214 11.74.2.4.2封头切向应力计算K4 F 0.401 乂(24368.4汇 9.82)h 二0.11MPaRm e1214 11.71.25“ 25 I-N =1.25 170 - 1 1 点 24叭 6207MPa2e21.7因 h 1.25-h，所以合格 筒体环向应力的计算和校核环向应力的计算设垫片不起作用1）在鞍座处横截面最低点k K5 F-eb2式中：b2 筒体的有效宽度， mm。由化工机械工程手册（上卷，P11-101）查得，K5 = 0.7603,

26、 K6 =0.0132式中k =0.1，考虑容器焊在鞍座上bb 1.56 Rm、e式中：b 鞍座轴向宽度， mm。所以 b2 = 5901.56. 121411 .7 = 768 .10 mm所以二5 =0.1 0.760324368.4 9.8 “211.7 x768.100.29MPa2）鞍座边角处轴向应力因为L/Rm =4800/1214 =4.309 ： 8，F3K6F4b2、e2、e2所以243684 如 2 -3 0-0132 2436学 925.94MPa4 768.10 11.72 11.7环向应力的校核s & 1 =170.0MPa，合格。讨 1.25 b 1 =1.2570

27、 = 212.5MPa，合格。鞍座有效断面平均压力鞍座承受的水平分力Fs = K9 F由化工机械工程手册(上卷，P11-103)查得，K9 =0.204所以Fs =0.20424368.4 9.8 - 2 i=24358.653N。鞍座有效断面平g均应力_ Fs- 9Hs b。式中：Hs鞍座的计算高度， mm ;b 鞍座的腹板厚度， mm。所以24358.653250 8= 12.1MPa应力校核：，式中sa =140MPa3-93羸其中Hs取鞍座实际高度(H = 250 mm )和Rm/3 = 1214/3 = 405mm中的最 小值，即Hs =250mm。腹板厚度b0 = 8mm吕40 =

28、93.33MPa3由上述计算得:鞍座材料Q235-AF的许用应力4.3人孔设计与人孔补强确定人孔的尺寸选择表4.3人孔尺寸选择表人孔类型，公称压力，公称直径dw沁sD带颈平焊法480*10640585兰人孔，公称压力为1.6MPa,公称直径为450mmdbb1 (RF)(1)(1)(1)(2)-34383436螺栓或螺柱总质量回转盖规格数量M2720171/181432人孔开孔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。本设计所选用 的人孔筒节内径D 450mm，壁厚10mm ,故补强圈尺寸确定如下：补强圈内径D1 = 484mm，外径D2 = 760mm，根据补强圈的金属

29、表面积应大于或等于开孔 减少的截面积，补强圈的厚度按下式计算：c=Oi c2c1 = 0.80mmc2 = 1.50mm。 + 2C) 5 (450+ 2汉 2.3产(10.0 2.3)1一劭卜=| mm = 13mmD2-(760-484)故补强圈取13mm厚。4.4液面计选择选用玻璃管液面计（HG 21592-95），选用材料如下:表4.5玻璃管液面计选用内容玻璃管液面计法兰形式及其代号A型：带颈平焊突面管法兰（B型：带颈带焊凸面管法兰（C型：带颈平焊突面管法兰（HG 20594-95)HG 20594-95)HG 20616-95)液面计型号G型液面计主要材料代号I： 16Mnn： OC

30、r18Ni9结构形式及其代号无代号：普通型W保温型公称长度及（透光长度* 宽度）mm1450(1160*14)排污结构V:排污口配阀门P:排污口配螺塞液面积标记为AG 1.6- I W-14504.5接口管选择液氨进料管用89 5mm无缝钢管（强度验算略）。一端切成45。配用具有突面密封的 平焊管法兰。法兰标记：HG20593法兰 SO80-1.6 RF 16MnF。因为89 5mm，厚度等于5 mm，故不用补强。液氨出料管采用可拆压出管 57mm 3.5mm，用法兰套在接口管 38mm 3.5mm内。罐体接口管法兰：HG20593法兰 SO50-1.6 RF 16MnF。该法兰38mm 3.

31、5mm与的接口管相配合并焊接在一起，另一法兰盖与该法 兰用焊接紧固，法兰盖上穿过57mm 3.5mm的压出管，两者焊接牢。其联结尺 寸和厚度与HG20592法兰SO50-1.6 RF 16MnR相同，但内径25mm。液氨压出 管端部法兰（与氨输送管相连）用HG20592法兰SO50-1.6 RF16MnR都不必补强。 压出管伸入贮罐2.5mm。排污管贮罐右端最底部安设排污管1个，管子规格57 3.5，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的管法兰：HG20592法兰SO50-1.6 RF 16MnR排污管与罐体联接 处焊有一厚度为10mm的补强圈。液面计接口管本贮罐采用两支玻璃管液面计 BIW

32、PN =1.6 , L = 5900 , HG-5227-80 支。与液面计相配的接管 14mm 3mm ,法兰为 HG20595 法兰 WN32-2.5 RF 16MnR放空管接口管用32 mm 3.5mm无缝钢管，法兰为 HG20592 法兰 SO25-1.6 RF 16MnF。安全阀接口管其尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用 32mm 3.5mm的无缝钢管,法兰为 HG20592 法兰 SO25-1.6 RF 16MnF。4.6鞍座设计储罐总质量:式中：叶罐体质量m3充液质量4.6.1罐体质量的计算：m = m1m2 m3 m4m2封头质量m4附件质量罐体质量m1，筒节 DN =2400

33、 mm ,谕=14.0 mm每米质量为 = 833.0 kg/m , V 4.524m3;故 m_j nq封头质量的计算:封头质量 m2, DN =2400mm ,谕=16.0mm 直边高度h = 40.0mm的椭圆形封头，其质量为q? = 835.0kg , V2 = 2m3故:m2 =2q2 = 2 835.0kg = 1670.0kg463充液质量V=a Vp式中：V储罐容积t水的密度为1000kg/m3a装料系数=0.7故：3V 二 V筒体 V封头二 4.524 4.8 2 2 二 25.72 二 26mm3 = 1000 26 0.7 = 18200kg附件质量：人孔质量为181kg

34、，其他接管总和按300kg计。故：m4 = 500.0kg设备总质量= m-i m2 m3 m4 =3998.4 1670 18200 500 = 24368.4kg。每个鞍座只约承受121.8KN负荷，所以选用轻型垫板，包角为1200C的鞍座，即:JB/T74712-92 鞍座 A2200-F；JB/T74712-92 鞍座 A2200-S。鞍座安放位置筒体长度L o =2A L1。式中：L1两鞍座间距离A 鞍座与封头切线之间距离由于筒体L/D较大，且鞍座所在平面又无加强圈，取A =0.25 Di =0.25 2400 = 600 mmL1 =L。2A =4800 -2 0.25 2400 =3600mm附表总图