1、沈陽XX大學課程設計題目： 液氨儲罐設計 院系： 環境與化學工程學院 專業： 化學工程與工藝 班級： 姓名： 指導教師： 完成日期：2010年12月25日設計任務書設計題目：液氨儲罐設計設計任務：試設計一液氨儲罐，完成主體設備的工藝設計和附屬設備的選型設計。包括筒體、封頭、零部件的材料的選擇及結構的設計；罐的制造施工及焊接形式等；設計計算及相關校核；各設計的參考標準；附CAD圖。已知工藝參數如下：最高使用溫度：T=50；公稱直徑：DN=3000；筒體長度（不含封頭）：Lo=5900。任務下達時間：2010年11月19日完成截止時間：2010年12月30日目錄設計任務書1 前言12 設計選材及結

2、構22.1 工藝參數的設定22.1.1設計壓力22.1.2筒體的選材及結構22.1.3封頭的結構及選材23 設計計算43.1 筒體壁厚計算43.2 封頭壁厚計算43.3 壓力試驗54 附件的選擇64.1人孔的選擇64.2人孔補強的計算74.3進出料接管的選擇94.4液面計的設計104.5 安全閥的選擇104.6排污管的選擇104.7 鞍座的選擇114.7.1鞍座結構和材料的選取114.7.2容器載荷計算124.7.3鞍座選取標準124.7.4鞍座強度校核135 容器焊縫標準145.1壓力容器焊接結構設計要求145.2筒體與橢圓封頭的焊接接頭145.3管法蘭與接管的焊接接頭145.4接管與殼體的

3、焊接接頭146 筒體和封頭的校核計算166.1 筒體軸向應力校核166.1.1由彎矩引起的軸向應力166.1.2 由設計壓力引起的軸向應力176.1.3 軸向應力組合與校核176.2筒體和封頭切向應力校核187 總結19參考文獻201 前言本設計是針對化工設備機械基礎這門課程所安排的一次課程設計，是對這門課程的一次總結，要綜合運用所學的知識并查閱相關書籍完成設計。本設計的液料為液氨，它是一種無色液體。氨作為一種重要的化工原料，應用廣泛。分子式NH3，分子量17.03，相對密度0.7714g/L，熔點-77.7，沸點-33.35，自燃點651.11，蒸汽壓1013.08kPa(25.7)。蒸汽與

4、空氣混合物爆炸極限1625%(最易引燃濃度17%)。氨在20水中溶解度34%,25時,在無水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是許多元素和化合物的良好溶劑。水溶液呈堿性。液態氨將侵蝕某些塑料制品,橡膠和涂層。遇熱、明火,難以點燃而危險性較低; 但氨和空氣混合物達到上述濃度范圍遇明火會燃燒和爆炸,如有油類或其它可燃性物質存在,則危險性更高。設計基本思路：本設計綜合考慮環境條件、介質的理化性質等因素，結合給定的工藝參數，機械按容器的選材、壁厚計算、強度核算、附件選擇、焊縫標準的設計順序，分別對儲罐的筒體、封頭、人孔接管、人孔補強、接管、管法蘭、液位計、鞍座、焊接形式進行了

5、設計和選擇。設備的選擇大都有相應的執行標準，設計時可以直接選用符合設計條件的標準設備零部件，也有一些設備沒有相應標準，則選擇合適的非標設備。各項設計參數都正確參考了行業使用標準或國家標準，這樣讓設計有章可循，并考慮到結構方面的要求，合理地進行設計。2 設計選材及結構2.1 工藝參數的設定2.1.1 設計壓力 根據化學化工物性數據手冊查得50蒸汽壓為2032.5kpa，可以判斷設計的容器為儲存內壓壓力容器，按壓力容器安全技術監察規程規定，盛裝液化氣體無保冷設施的壓力容器，其設計壓力應不低于液化氣50時的飽和蒸汽壓力，可取液氨容器的設計壓力為2.16 Mpa，屬于中壓容器。而且查得當容器上裝有安全

6、閥時，取1.051.3倍的最高工作壓力作為設計壓力；所以取2.16 Mpa的壓力合適。屬于中壓容器5。設計溫度為50攝氏度，在-20200條件下工作屬于常溫容器。2.1.2 筒體的選材及結構根據液氨的物性選擇罐體材料，碳鋼對液氨有良好的耐蝕性腐蝕率在0.1/年以下，且又屬于中壓儲罐，可以考慮20R和16MnR這兩種鋼材。如果純粹從技術角度看，建議選用20R類的低碳鋼板， 16MnR鋼板的價格雖比20R貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價，16MnR鋼板為比較經濟。所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。鋼板標準號為GB6654-1996。筒體結構設計為圓筒形。因為作為容器主體的圓

7、柱形筒體，制造容易，安裝內件方便，而且承壓能力較好，這類容器應用最廣1，5。2.1.3 封頭的結構及選材 封頭有多種形式，半球形封頭就單位容積的表面積來說為最小，需要的厚度是同樣直徑圓筒的二分之一，從受力來看，球形封頭是最理想的結構形式，但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。橢圓形封頭的應力情況不如半球形封頭均勻，但對于標準橢圓形封頭與厚度相等的筒體連接時，可以達到與筒體等強度。它吸取了蝶形封頭深度淺的優點，用沖壓法易于成形，制造比球形封頭容易，所以選擇橢圓形封頭，結構由半個橢球面和一圓柱直邊段組成。查橢圓形封頭標準（JB/T4737-95）表2.1 橢

8、圓封頭標準公稱直徑DN曲面高度h1直邊高度h2內表面積Fi/m2容積V/m330007505010.23.89封頭取與筒體相同材料1,5。3 設計計算3.1 筒體壁厚計算 查 壓力容器材料使用手冊-碳鋼及合金鋼得16MnR的密度為7.85t/m3，熔點為1430，許用應力列于下表：表3.1 16MnR許用應力鋼號板厚/在下列溫度（）下的許用應力/ Mpa2010015020025030016MnR61617017017017015614416361631631631591471343660157157157150138125>60100153153150141128116 圓筒的計算壓力

9、為2.16 Mpa,容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭都采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數為1.00,全部無損探傷。取許用應力為163 Mpa。壁厚： （3.1）鋼板厚度負偏差,查材料腐蝕手冊得50下液氨對鋼板的腐蝕速率小于0.05/年，所以雙面腐蝕取腐蝕裕量。所以設計厚度為：圓整后取名義厚度24。3.2 封頭壁厚計算 標準橢圓形封頭a:b=2:1 封頭計算公式 ： （3.2）可見封頭厚度近似等于筒體厚度，則取同樣厚度。因為封頭壁厚20則標準橢圓形封頭的直邊高度1,4.3.3 壓力試驗水壓試驗，液體的溫度不得低于5；試驗方法：試驗時容器頂部應設排氣口，充液時應將容器

10、內的空氣排盡，試驗過程中，應保持容器外表面的干燥。試驗時壓力應緩慢上升，達到規定試驗壓力后，保壓時間一般不少于30min。然后將壓力降至規定試驗壓力的80%，并保持足夠長的時間以便對所有焊接接頭和連接部位進行檢查。如有滲漏，修補后重新試驗。水壓試驗時的壓力 (3.3)水壓試驗的應力校核：水壓試驗時的應力Mpa (3.4)水壓試驗時的許用應力為 故筒體滿足水壓試驗時的強度要求1。4 附件的選擇4.1 人孔的選擇人孔的作用：為了檢查壓力容器在使用過程中是否產生裂紋、變形、腐蝕等缺陷。人孔的結構：既有承受壓力的筒節、端蓋、法蘭、密封墊片、緊固件等受壓元件，也有安置與啟閉端蓋所需要的軸、銷、耳、把手等

11、非受壓件。人孔類型：從是否承壓來看有常壓人孔和承壓人孔。從人孔所用法蘭類型來看，承壓人孔有板式平焊法蘭人孔、帶頸平焊法蘭人孔和帶頸對焊法蘭人孔，在人孔法蘭與人孔蓋之間的密封面，根據人孔承壓的高低、介質的性質，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或環連接面。從人孔蓋的開啟方式及開啟后人孔蓋的所處位置看，人孔又可分為回轉蓋人孔、垂直吊蓋人孔和水平吊蓋人孔三種。人孔標準HG21524-95規定PN1.0Mpa時只能用帶頸平焊法蘭人孔或帶頸對焊法蘭人孔。容器上開設人孔規定當Di>1000時至少設一個人孔，壓力容器上的開孔最好是圓形的，人孔公稱直徑最小尺寸為400。綜合考慮選擇水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔（H

12、G21524-95）,公稱壓力PN2.5、公稱直徑DN450、H1=320、RF型密封面、采用類20R材料、墊片采用外環材料為低碳鋼、金屬帶為0Cr19Ni9、非金屬帶為柔性石墨、C型纏繞墊。標記為：人孔RF（W·C-1220）450-2.5HG21524-95總質量為256kg.法蘭標準號為HGJ5053-91,墊片標準號為HGJ6972-91,法蘭蓋標準HGJ6165-91材料為20R，螺柱螺母標準HGJ75-91螺柱材料40Cr螺母材料45，吊環轉臂和材料Q235-A·F,墊圈標準為GB95-85材料100HV,螺母標準GB41-86，吊鉤和環材料Q235-A

13、3;F，無縫鋼管材料為20，支承板材料為20R2,3,5。尺寸表如下表4.1 人孔標準尺寸表密封面型式PN/MpaDNdw×sdDD1H1H2總質量kg突面2.5450480×124506706003202142564.2 人孔補強的計算 開孔補強結構：壓力容器開孔補強常用的形式可分為補強圈補強、厚壁管補強、整體鍛件補強三種。補強圈補強是使用最為廣泛的結構形式，它具有結構簡單、制造方便、原材料易解決、安全、可靠等優點。在一般用途、條件不苛刻的條件下，可采用補強圈補強形式。但必須滿足規定的條件。 壓力容器開孔補強的計算方法有多種，為了計算方便，采用等面積補強法，即殼體截面因開

14、孔被削弱的承載面積，必須由補強材料予以等面積的補償。當補強材料與被削弱殼體的材料相同時，則補強面積等于削弱的面積。補強材料采用16MnR。1、 內壓容器開孔后所需的補強面積 （4.1）式中 開孔直徑：；強度削弱系數：殼體開孔處的計算厚度接管有效厚度：則 22、有效補強面積即已有的加強面積殼體開孔后，在有效補強范圍內，可作為補強的截面積（包括來自殼體、接管、焊縫金屬、補強元件） （4.2）筒體上多余金屬面積： （4.3）有效補強寬度 B=2d筒體的有效厚度 所以2人孔接管上多余的面積： （4.4） 外側有效高度：內側有效高度即實際內伸高度 接管計算厚度：所以2焊縫金屬截面積：2則 2比較的 滿足

15、以下條件的可選用補強圈補強：剛材的標準常溫抗拉強度Mpa；補強圈厚度應小于或等于殼體壁厚的1.5倍；殼體名義厚度；設計壓力；設計溫度。可知本設計滿足要求，則采用補強圈補強。所需補強圈的面積為：2補強圈的結構及尺寸：為檢驗焊縫的緊密型，補強圈上鉆M10的螺孔一個，以通入壓縮空氣檢驗焊縫質量。按照根據焊接接頭分類，接管、人孔等與殼體連接的接頭，補強圈與殼體連接的接頭取D類焊縫。根據補強圈焊縫要求，并查得結構圖為帶補強圈焊縫T型接頭，補強圈坡口取B型（查化工容器及設備簡明設計手冊）。查標準HG 21506-92 得補強圈外徑,內徑則取485。計算補強圈厚度： （4.5）查標準補強圈厚度取20，計算的

16、補強圈厚度也滿足補強圈補強的條件。查得對應補強圈質量為42.33,5.4.3 進出料接管的選擇 材料：容器接管一般應采用無縫鋼管，所以液體進料口接管材料選擇無縫鋼管，采用無縫鋼管標準GB8163-87。材料為16MnR。結構：接管伸進設備內切成45度，可避免物料沿設備內壁流動，減少物料對壁的磨損與腐蝕。接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考慮上述要求外，還需考慮焊接方法、焊接參數、加工條件、施焊位置等制造上的因素及運輸、安裝中的剛性要求。一般情況下，管壁厚不宜小于殼體壁厚的一半，否則，應采用厚壁管或整體鍛件，以保證接管與殼體相焊部分厚度的匹配。不需另行補強的條件：當殼體上的開孔滿足下述全部要求時，可

17、不另行補強。 設計壓力小于或等于2.5Mpa。 兩相鄰開孔中心的距離應不小于兩孔直徑之和的2倍。 接管公稱外徑小于或等于89。 接管最小壁厚滿足以下要求。表4.2 接管最小壁厚要求接管公稱直徑/mm57657689最小壁厚/mm5.06.0因此熱軋無縫鋼管的尺寸為89×12。 鋼管理論重量為22.79/m。取接管伸出長度為150。 管法蘭的選擇：根據平焊法蘭適用的壓力范圍較低（PN<4.0Mpa）,選擇突面板式平焊管法蘭，標記為：HG20592-1997法蘭RF(A)80-2.5,其中D=190,管法蘭材料鋼號（標準號）:20（GB711）。根據（歐洲體系）鋼制管法蘭、墊片、墊

18、片、緊固件選配表（HG20614-1997）選擇：墊片型式為石棉橡膠板墊片(尚無標準號)，密封面型式為突面，密封面表面為密紋水線，緊固件型式為六角螺栓雙頭螺柱全螺紋螺柱。在離筒體底以上250處安裝容器出料管，容器內的管以彎管靠近容器底，這種方式用于臥式容器。出料口的基本尺寸以及法蘭與進料口相同。進出料接管滿足不另行補強的要求所以不再另行補強5。4.4 液面計的設計 液面計的種類很多，常用的有玻璃板液面計和玻璃板液面計。它們都是外購的標準件，只需要選用。玻璃板液面計有三種：透光式玻璃板液面計、反射式玻璃板液面計、視鏡式玻璃板液面計。 根據選用表選用：選用反射式玻璃板液面計，標準號HG21590-

19、95，法蘭形式及其代號C型（長頸對焊突面管法蘭HG20617-97）,液面計型號R型公稱壓力PN4.0,使用溫度0250，液面計的主題材料代號：鍛鋼（16Mn），結構形式及其代號:普通型（無代號），公稱長度為1450mm，排污口結構:V（排污口配螺塞）。 液面計標記為：液面計CR4.0-1450V根據筒體公稱直徑3000選擇兩個同樣的液面計，單個質量為90左右。兩個液面計接口管的安裝位置如裝配圖所畫。液面計接管：無縫鋼管GB8163-87熱軋鋼管，尺寸為89×124。4.5 安全閥的選擇 安裝位置：在離右封頭切線處1150處安裝一安全閥。由操作壓力決定安全閥的公稱壓力，由操作溫度決定

20、安全閥的使用溫度范圍，所以由本設計的溫度、壓力、介質等基本參數可以查得標準型號A21H-40,公稱通徑DN取20，質量約為80。與安全閥和接管連接的法蘭選擇突面板式平焊管法蘭HG20592-1997法蘭RF(A)80-2.5，與殼體連接的接管為無縫鋼管GB8163-87熱軋鋼管，尺寸為89×125。4.6 排污管的選擇 安裝位置：在離右鞍座的左側1000mm處安裝一個排污管。選擇無縫鋼管GB8163-87熱軋鋼為材料的排污管焊接在容器底部，尺寸為89×12。管端法蘭：突面板式平焊管法蘭HG20592-1997法蘭RF(A)80-2.5，法蘭一端連接排污閥（截止閥），型號J4

21、1H-40，取公稱通徑為80，對應質量為44.4。排污閥的結構是利用裝在閥桿下面的閥盤與閥體的突緣部分相配合，一控制閥的啟閉。結構較閘閥簡單，制造、維修方便。可以調節流量，應用廣泛5。4.7 鞍座的選擇4.7.1 鞍座結構和材料的選取 臥式容器的支座有三種形式：鞍座、圈座、和支腿，常見的臥式容器和大型臥式儲罐、換熱器等多采用鞍座，它是應用得最為廣泛的一種臥式容器支座。置于支座上的臥式容器，其情況和梁相似，有材料力學分析可知，梁彎曲產生的應力與支點的數目和位置有關。當尺寸和載荷一定時多支點在梁內產生的應力較小，因此支座數目似乎應該多些好。但對于大型臥式容器而言，當采用多支座時，如果各支座的水平高

22、度有差異或地基沉陷不均勻，或殼體不直不圓等微小差異以及容器不同部位受力撓曲的相對變形不同，是支座反力難以為個支點平均分攤，導致課題應力增大，因而體現不出多制作的優點，故一般情況采用雙支座。 采用雙支座時選取的原則如下： 雙鞍座臥式容器的受力狀態可簡化為受均布載荷的外伸梁，由材料力學知，當外伸長度A=0.207L時，跨度中央的彎矩與支座截面處的彎矩絕對值相等，所以一般近似取,其中L取兩封頭切線間距離，A為鞍座中心線至封頭切線間距離。 當鞍座鄰近封頭時，則封頭對支座處筒體有加強剛性的作用。為了充分利用這一加強效應，在滿足下應盡量使. 此外，臥式容器由于溫度或載荷變化時都會產生軸向的伸縮，因此容器兩

23、端的支座不能都固定在基礎上，必須有一端能在基礎上滑動，以避免產生過大的附加應力。通常的做法是將一個支座上的地腳螺栓孔做成長圓形，并且螺母不上緊，使其成為活動支座，而另一支座仍為固定支座。所以本設計就采用這種支座結構。根據設備的公稱直徑和容器的重量參照鞍座標準JB/T4712-1992選取鞍座結構及尺寸。鞍座的材料（除加強墊板除外）為Q235-A·F，加強墊板的材料應與設備殼體材料相同為16MnR。4.7.2 容器載荷計算筒體的質量：查得圓筒體理論質量為1778/m,筒體長度加上封頭的直邊長度為6m,則W1=1778×6=10668。封頭的質量:根據封頭的名義厚度查得2:1標

24、準橢圓形封頭理論質量為1901。 水壓試驗時水的質量：由常用壓力容器手冊查得公稱直徑3000mm厚24mm的標準橢圓封頭的容積為3.887,則容器容積為： （4.6）水重 =49.4575×1000=49457.5。附件的質量：人孔重256kg,人孔補強重42.3kg,進出料管約100kg,兩個液面計共180kg,安全閥80kg,排污閥44.4kg,再加上與閥門相接的接管重量，附件總質量約為750kg.所以設備總質量為62776.5kg.即627.765kN1,3,5.4.7.3 鞍座選取標準查得公稱直徑為3000mm的容器選擇輕型(A),120°包角、焊制、六筋、帶墊板，

25、高度為250mm的鞍座，允許載荷Q786kN>627.765kN,為使封頭對鞍座處的圓筒起加強作用，可取，則選A=700mm。左鞍座標記為JB/T4712-1992 鞍座 A3000-F.右鞍座標記為JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S.具體尺寸如下表：表4.3 鞍座標準尺寸表公稱直徑DN允許載荷Q/kN鞍座高度h螺栓間距l2鞍座質量/kg增加100mm高度增加的質量/kg30007862501940405344.7.4 鞍座強度校核鞍座腹板的水平分力：查得鞍座包角120°對應系數 支座反力：鞍座腹板有效界面內的水平方向平拉應力：計算高度，取鞍座實際高度和兩者中的較

26、小值，mm鞍座腹板厚度，mm鞍座腹板有效寬度，取墊板寬度與圓筒體的有效寬度兩者中的較小值，mm鞍座墊板有效厚度，10mm則 應力校核：鞍座材料Q235-A·F的許用應力，則35 容器焊縫標準5.1 壓力容器焊接結構設計要求 焊縫分散原則；避免焊縫多條相交原則；對稱質心布置原則；避開應力復雜區或應力峰值去原則；對接鋼板的等厚連接原則；接頭設計的開敞性原則；焊接坡口的設計原則（焊縫填充金屬盡量少；避免產生缺陷；焊縫坡口對稱；有利于焊接防護；焊工操作方便；復合鋼板的坡口應有利于減少過渡層焊縫金屬的稀釋率）。5.2 筒體與橢圓封頭的焊接接頭壓力容器受壓部分的焊接接頭分為A、B、C、D四類，查

27、得封頭與圓筒連接的環向接頭采用A類焊縫。焊接方法：采用手工電弧焊，其原理是利用電弧熱量融化焊條和母材，由融化的金屬結晶凝固而形成接縫，焊接材料為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼，應用范圍廣，適用短小焊縫及全位置施焊，可適用在靜止、沖擊和振動載荷下工作的堅固密實的焊縫焊接，這種方法靈活方便，適應性強，設備簡單，維修方便，生產率低，勞動強度高。封頭與圓筒等厚采用對接焊接。平行長度任取。坡口形式為I型坡口。根據16MnR的抗拉強度=490Mpa和屈服點=325Mpa選擇E50系列（強度要求：490Mpa；400Mpa）的焊條，型號為E5014.該型號的焊條是鐵粉鈦型藥皮（藥皮成分：氧化鈦30%，加鐵粉），適用

28、于全位置焊接，熔敷效率較高，脫渣性較好，焊縫表面光滑，焊波整齊，角焊縫略凸，能焊接一般的碳鋼結構。5.3 管法蘭與接管的焊接接頭 管法蘭與接管焊接接頭形式和尺寸參照標準HG20605-97,根據公稱通經DN 80選擇坡口寬度b=6mm，如附圖中的局部放大圖所示。5.4 接管與殼體的焊接接頭所設的接管都是不帶補強圈的插入式接管，接管插入殼體，接管與殼體間的焊接有全焊透和部分焊頭兩種，它們的焊接接頭均屬T形或角接接頭。選擇HG20583-1998標準中代號為G2的接頭形式，基本尺寸為；，且，它適用于，因為所選接管的厚度都為殼體厚度的一半，殼體的厚度為24mm，所以符合要求。選擇全焊透工藝，可用于交

29、變載荷，低溫及有較大溫度梯度工況。如附圖中的局部放大圖所示4,5。6 筒體和封頭的校核計算6.1 筒體軸向應力校核6.1.1 由彎矩引起的軸向應力筒體中間處截面的彎矩： (6.1)式中 F鞍座反力，N； 橢圓封頭長軸外半徑，mm； L兩封頭切線之間的距離，mm； A鞍座與筒體一端的距離，mm； hi封頭短軸內半徑，mm。支座處截面上的彎矩： (6.2)所以 由化工機械工程手冊（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因為M1M2，且ARm/2=762mm，故最大軸向應力出現在跨中面，校核跨中面應力。筒體中間截面上最高點處 (6.3)所以 最低點處： (6.4)鞍座截面處最高點處： (6.5)最低點處： (6.6)6.1.2 由設計壓力引起的軸向應力由 (6.7)所以 6.1.3 軸向應力