液氨贮罐机械设计石贤才 2

1、化工设备机械基础课程设计题 目：液氨贮罐的机械设计姓 名：石贤财学 号：2012115107指导教师：徐想娥2014年6月 设计任务书课 题：液氨贮罐的机械设计设计内容：根据给定工艺参数设计一台液氨贮罐已知工艺参数：最高使用温度：T=40公称直径：DN=2600mm筒体长度（不含封头）：L0=4800mm具体内容包括：1.罐体及封头壁厚设计2.鞍座的选择4.人孔的选择5.各类接管和法兰的确定设 计 人：学 号：下达时间：完成时间：目录1设计方案311设计原则312设计参数的确定313设计结果42各种参数设计计算621壁厚设计6211筒体壁厚设计6212封头壁厚设计6213封头水压试验与强度校核

2、722鞍座设计7221罐体质量m17222封头质量m28223液氨质量m38224附件质量m4823人孔设计9231人孔的设计9232人孔补强的确定924接口管设计9241液氨进料管设计9242液氨出料管设计9243液面计接管设计10244放空阀接口管设计10245安全阀接口管设计10246排污管103参数校核1131筒体轴向应力校核11311筒体轴向弯矩计算11312通体轴向应力计算1232筒体和封头切向剪应力校核13321筒体切向应力计算13322封头切向剪应力计算1333筒体环向应力校核14331环向应力计算14332环向应力校核1534鞍座有效断面平均应力154符号及公式对照表1641

3、符号对照表1642公式对照表175总结19参考文献201设计方案11设计原则本液氨贮罐属于中压容器，设计以“钢制压力容器”国家标准（GB150）为依据，严格按照政府部门对压力容器安全监督的法规“压力容器安全技术监督教程”的规定进行设计。以安全为前提，综合考虑质量保证的各个环节，尽可能做到经济合理，可靠的密封性，足够的安全寿命。其设计的主要步骤如下：1）对设计中要用的各种设计参数进行计算和选取，以及根据制造容器的特殊要求选择材料。2）利用计算公式对容器筒体和封头壁厚的设计，以及封头类型的选择。3）根据鞍座承受的载荷而选用对称布置的双鞍座，再对容器进行各种应力分析和校核。4）从连接的密封性，强度等

4、角度出发，标准选用各种法兰。12设计参数的确定1）设计温度：T=402）设计压力：本贮罐在最高使用温度40下，氨的饱和蒸汽压为1.555Mpa（绝对压强），故取设计压力为p=1.08(1.555-0.10133)=1.5699636Mpa（表压），原因是因为容器上装有安全阀时，可取1.05到1.11倍的最高工作压力作为设计压力，这里取最高设计压力为1.08倍。3）材料的选择：由操作条件分析，该容器属于中压，常温范畴。在常温下材料的组织和力学性能没有明显变化。考虑到材料的机械性能、焊接性能、腐蚀情况、强度条件、钢板价格、钢板的耗材量与质量等要求，根据化工设备机械基础（董大勤，高炳军，董俊华，P1

5、96）表86钢板选用表，筒体和封头的材料选择钢号为16MnR的钢板。接管材料选用10号钢管（许用应力：=t=121Mpa）（化工设备机械基础（董大勤，高炳军，董俊华，P201）表88钢管许用应用表），法兰材料选用16Mn（锻），鞍座底板材料选用16MnR，鞍座其余材料选用Q235AF。4）钢板厚度负偏差：由化工设备机械基础（董大勤，高炳军，董俊华，P211）对压力容器用的低合金钢钢板（GB713-2008）和不锈钢（含耐热钢）钢板（GB24511-2009），钢板负偏差C1=0.8mm。5)腐蚀裕量：根据化工设备机械基础（董大勤，高炳军，董俊华，P211）知腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率与

6、容器的设计寿命决定。腐蚀裕量C2=n，其中为腐蚀速率；n为容器的设计寿命。根据腐蚀数据与选材手册（左景伊，左禹编著P216）钢铁对于氨气和液氨有优良的耐蚀性，腐蚀率在0.1mm/a以下。且设计贮罐为单面腐蚀，故取C2=2.0mm。6）焊接头系数：本次设计是液氨贮罐的机械设计。氨属于中度毒性物质，要保证设备密封性能良好，故筒体焊接结构采用双面焊接或相当于双面的全焊透的对接接头，且全部无损探伤的，故取焊接头系数=1.0。7)许用应力：对于本设计是用钢板卷焊的筒体以内径作为公称直径DN=D1=2600mm。假设16MnR刚的厚度在1636mm之间，设计温度下钢板的许用应力t=163Mpa。常温强度指

7、标b=490Mpa、s=325Mpa。13设计结果罐体：采用16MnR钢板，DN=2600mm，L0=4800mm，n=18mm封头：采用DN22001816MnR JB/T4737鞍座：采用JB/T471292 鞍座A2200F JB/T471292 鞍座A2600S人孔：采用HG2152395人孔RF（AG）4502.5液氨进料管：采用57mm3.5mm无缝钢管液氨出料罐：采用可拆的压出管25mm3mm，将它与法兰套在接口管38mm3.5mm内排污管：采用57mm3.5mm的管子液面计：采用玻璃管液面计BIW PN1.6，L=1000mm，HG522780放空阀接口管：采用32mm3.5m

8、m无缝钢管，法兰HG20592，法兰SO251.6RF 16MnR安全阀接口管：采用32mm3.5mm无缝钢管，法兰HG20592 ，法兰SO251.6RF 16MnR2各种参数设计计算21壁厚设计211筒体壁厚设计根据化工设备机械基础（董大勤编P172），将计算厚度与腐蚀裕量作为设计厚度，即： + （2-1）式中：d设计厚度（mm）； C2腐蚀裕量（mm）； Pc圆筒的设计压力（Mpa）； Di圆筒的公称直径（mm）； 焊接接头系数； t钢板在设计温度下的许用应力（Mpa）。于是 + =1.5699636Mpa2600/（21631.00-1.5699636）+2.0=14.58177738

9、866mm将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整到钢板的标准规格的厚度，圆筒的名义厚度：n=dC1 （2-2）即 n=dC1=14.6+0.8+=16mm。圆整后取n=16mm厚的16MnR钢板制作筒体。有效厚度：e=nC1C2 （2-3）所以 e=nC1C2=160.82.0=13.2mm212封头壁厚设计由于椭圆封头厚度的计算公式和筒体厚度的计算公式几乎一样，说明园筒体采用标准椭圆圆封头，其封头厚度近似等于筒体厚度，这样筒体和封头可采用同样厚度的钢板来制造。故采用标准椭圆型封头。由化工设备机械基础（董大勤编，P214）知，h=，封头的直边高度与封头公称直径有关，封头公称直径小于等于2000mm

10、时，=25mm，封头公称直径大于2000mm时，=40mm。封头的设计厚度： （2-4）即=1.569963626001/（21631.00）+2.0=14.5211821mm考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，需圆整，封头的名义厚度仍利用公式（2-2）于是n=dC1=14.5211821+0.8+=16mm。圆整后取n=16mm厚的16MnR钢板制作封头。椭圆封头标记为：椭圆封头DN26001616MnR JBT4737封头的有效厚度由公式（2-3）计算，于是e=nC1C2=160.32.0=13.2mm由化工设备机械基础（董大勤编，P214）得标准椭圆封头的直边厚度h0=40mm。故两封头切线

11、之间的距离为L= L02h0=4800+240=4880mm。213封头水压试验与强度校核根据化工设备机械基础（董大勤编，P460）公式 （2-5）式中:pt试验压力（Mpa）； e有效厚度（mm）； s强度指标（Mpa）。其中pt=1.25p=1.251.5699636=1.9624545Mpa e =13.7mm s=325Mpa于是=194.25326Mpa0.9s=0.93251.0=295.2Mpa因此，水压试验满足强度要求。22鞍座设计首先，粗略计算鞍座负荷贮罐总质量：m=m1m2m3m4 （2-6）式中：m1罐体质量（kg）； m2封头质量（kg）； m3液氨质量（kg）； m4

12、附件质量（kg）。221罐体质量m1根据化工设备机械基础（董大勤P227）表查得，DN=2600mm，壁厚n=16mm条件下筒节钢板质量q1=1032kg/m，故m1=q1L0 （2-7） 于是m1=q1L0=10324.8=4953.6kg 222封头质量m2根据化工设备机械基础（董大勤P230）续表查得，DN=2600mm，壁厚n=16mm，h0=40mm条件下， （2-8）于是m2=8.512.6137+24.72.61370.04 0.01371000Kg=831.833658Kg2 23液氨质量m39液氨质量公式 m3=V （2-9）式中：V主管容积（m3）； 水的密度（kg/m3）

13、。其中根据化工机械基础（陈国恒编P312，）续表查得，DN=2600mm,壁厚n=16mm，h0=40mm条件下1m高筒体的体积V1=5.309m3，椭圆型封头的容积V2=，故 V=V封V筒 （2-10）于是V=V封V筒=2V2+L0V1=22.51296+4.85.309=30.50913m3液氨在0时的密度为64kg/m3，小于水的密度，故充液氨质量按水考虑。即=1000kgm3。所以，m3=V=30.509131000=30509.13kg224附件质量m4人孔约重200kg，其他管的总和按300kg计，故 m4=200300=500kg设备总质量为 m=m1m2m3m4=4953.6+

14、831.833658x2+30509.13+500=37626.397316kg各鞍座的反力为F=mg/2=37.639.81/2=184.5752 KN,由化工容器及设备简明设计手册（贺匡国编P606）表22-3查得，所以选用轻型（A型）120包角带垫板鞍座，鞍座底板，mm，腹板，垫板弧长=3030mm，。为防止筒体热应力，故选用一个固定鞍座和一个滑动鞍座。鞍座标记为：JBT4712.12007 鞍座A2600FJBT4712.12007 鞍座A2600S为了充分利用封头对筒体临近部分的加强作用，应尽可能将鞍座安放在靠近封头，即A应小于或等于0.5R。但当筒体的L/D较小，/D较大，或在鞍座

15、所在的垂直平面内装有加强圈时，可取A0.5R=650，取鞍座位置A=0.5R=0.51300=650mm。23人孔设计231人孔的设计根据贮罐是在常温及最高工作压力为1.5699636Mpa的条件下，人孔标准应按公称压力为1.6Mpa的等级选取。受压设备的人孔盖较重，一般均选用吊盖式人孔或回转盖式人孔。吊盖式人孔使用方便，垫片压紧较好，回转盖式人孔结构就黯淡，转动时所占空间平面较小，如布置在水平位置时，开启时较为费力。故选取水平吊盖式人孔。该人孔标记为：HG2152395人孔RF（AG）4501.6其中RF指突面封闭，指接管于法兰的材料为20R，AG是指用普通石棉橡胶板垫片，4501.6是指公

16、称直径为450mm、公称压力为1.6MPa。232人孔补强的确定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。根据化工设备机械基础（董大勤编P387）表121查得，接管公称直径为di=450mm时补强圈外径760mm。而内径按补强圈坡口类型确定。故设计选用C型20（C=10）。因此内径为 Di=di+2C+(1216) （2-11）于是内径为 Di=di2C（1216）=45021014=484mm补强圈厚度按下式估算 (2-12)式中：计算厚度（mm）。于是 故补强圈取26mm厚。24接口管设计241液氨进料管设计根据化工设备课程设计指导（方书起编P133），表610查得，采用5

17、7mm3.5mm无缝钢管。管的一端切成45，深入贮罐内少许。配用具有突面密封的平焊管法兰，法兰标记：HG20592法兰SO502.5 RF 16MnR。因为壳体名义厚度d=16mm12mm，接管公称直径80mm，故不用不强。242液氨出料管设计采用可拆的压出管25mm3mm，将它用法兰套在接口管38mm3.5mm内，罐体的接口管法兰采用法兰HG 20592 法兰SO322.5 RF 16MnR。与该法兰相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与HG 20592法兰SO322.5 RF 16MnR相同，但其内径为25mm。液氨压出管的端部法兰HG 20592法兰SO322.5 RF 16Mn

18、R。这些小管都不补强。压出管伸入贮罐2m。243液面计接管设计被贮罐采用玻璃管液面计AIW PN1.6，L=1000mm，HG 522780两支。与液面计相配的接口管尺寸为18mm3mm,管法兰为HG 20592 法兰SO152.5 RF 16MnR。244放空阀接口管设计采用32mm3.5mm无缝钢管，法兰为HG 20592 法兰SO252.5 RF 16MnR。245安全阀接口管设计采用32mm3.5mm无缝钢管，法兰为HG 20592 法兰SO252.5 RF 16MnR（尺寸由安全阀泄露放量决定）246排污管贮罐右端最底部安设排污管一个，管子规格为57mm3.5mm，管端焊有一与截止阀

19、J41W16相配的管法兰HG 25092 法兰SO502.5 RF 16MnR。排污管一罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈。3参数校核31筒体轴向应力校核311筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩 (3-1)式中：F鞍座反力（N）； Rm椭圆封头外半径（mm）； L两封头切线之间的距离（mm）； A鞍座位置（mm）； Hi筒体内半径（mm）；其中所以支座处截面上的弯矩 （3-2）312通体轴向应力计算由化工机械工程手册（上卷）P11-19表11.411查得K1=K2=1.0。因为,且，故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圆筒中间截面上最高点处： （3-3）于是最

20、低点处：鞍座截面处最高点处：最低点处：由设计压力引起的轴向应力 （3-4）于是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点处 （3-5）于是 许用轴向拉压应力，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点处轴向许用应力 （3-6）于是 根据A值查化工设备机械基础（赵军，张有忱，段成红编P152）119，外压容器设计的材料温度线图，得B=130MPa，取许用压缩应力，合格。32筒体和封头切向剪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。321筒体切向应力计算 （3-7）由化工机械工程手册（上卷）P11100表11.412查得K3=0.880，K4=0

21、.401。于是 322封头切向剪应力计算 （3-8）于是 ，合格。33筒体环向应力校核331环向应力计算设垫片不起作用。（1）在鞍座处横截面最低点处 （3-9）式中：b2筒体有效宽度。由化工机械工程手册（上卷）P11101表11.413查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中:k=0.1考虑容器焊在鞍座上 式中: b2筒体有效宽度。由化工机械工程手册（上卷）P11101表11.413查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中：k=0.1考虑容器焊在鞍座上 (3-10)式中: b支座轴向宽度。于是故 （2）鞍座边角处轴向应力因 LRm=49001308=3.758，于是 （3-11

22、）故 332环向应力校核MPaMPa34鞍座有效断面平均应力支座承受的水平分力 (3-12)由化工机械工程手册（上卷）P11103表11.415查得K9=0.204。于是鞍座有效断面平均应力 (3-13)式中：Hs鞍座计算高度； B0鞍座腹板厚度。其中Hs取鞍座实际高度（H=250mm）和Rm3=13083=436mm中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度b0=2C1=100.8=9.2mm于是 应力校核MPa式中:MPa，鞍座材料Q235AF的许用应力。 4符号及公式对照表41符号对照表符号代表参数符号代表参数DN筒体直径Hs鞍座设计高度L0筒体长度（不含封头）s屈服极限T温度V体积P设计

23、压力Pt试验压力Pc计算压力t管件应力t许用应力m质量腐蚀速率L两封头切线间距离n设计年限h封头直边高C2腐蚀裕量F支座反力P1液柱静压力H鞍座高度焊接接头系数A鞍座中心线与封头切线间的距离密度Rm椭圆封头外径计算厚度hi封头曲面深度d设计厚度M弯矩n名义厚度p轴向应力e有效厚度R封头内径K有效厚度封头形状系数剪应力C1厚度负偏差b2筒体有效宽度42公式对照表名称公式贮罐总质量m=m1m2m3m4罐体质量m1=q1L0封头质量m2=2q2充液质量m3=V筒体中间处截面的弯矩支座处截面上的弯矩由弯矩引起的轴向应力（最高点处）由弯矩引起的轴向应力（最低点处）设计压力引起的轴向应力轴向拉应力轴向压应力轴向许用压缩应力筒体切向剪应力封头切向剪应力鞍座处横截面最低点处周向应力鞍座边角处