1、課程設計任務書課程設計任務書1 .設計題目：液氨儲罐機械設計2 .課程設計要求及原始數(shù)據(jù)(資料)(1)、課程設計要求: .使用國家最新壓力容器和換熱器標準、規(guī)范進行設計，掌握典型過程設備設計的全過程。 .廣泛查閱和綜合分析各種文獻資料，進行設計方法和設計方案的可行性研究和論證。 .設計計算要求設計思路清晰，計算數(shù)據(jù)準確、可靠。 .設計說明書可以手寫，也可打印，但工程圖紙要求手工繪圖。 .課程設計全部工作由學生本人獨立完成。2 2).設計數(shù)據(jù)：技術特性公稱容積(m3)16公稱直徑DN(mm)2000介質液氨筒體長度L(mm)4700工作壓力(MPa)2.07工作溫度(0C)50廠址茂名推后材料1

2、6MnR管口表編p名稱公稱直徑(mm)編p名稱公稱直徑(mm)a1-2液位計15e安全閥32b進料管50f放空管25c出料管32g人孔450d壓力表h排污管503 .工藝條件圖工藝搴件的4 .計算及說明部分內容(設計內容)第1章緒論：(1)液氨儲罐的設計背景(2)液氨貯罐的分類及選型；(3)主要設計參數(shù)的確定及說明。第2章材料及結構的選擇與論證(1)材料選擇與論證；(2)結構選擇與論證：封頭型式的確定、人孔選擇、法蘭型式、液面計的選擇、鞍座的選擇確定。第3章工藝尺寸的確定第4章設計計算(1)計算筒體的壁厚；(2)計算封頭的壁厚；(3)水壓試驗壓力及其強度校核;(4)選擇人孔并核算開孔補強；(5

3、)選擇鞍座并核算承載能力；(6)選擇液位計；(7)選配工藝接管。設計小結參考文獻5.繪圖部分內容：總裝配圖一張(A1圖紙)6.設計期限：1周（2013年06月24日2013年07月05日）7、設計參考進程：（1）設計準備工作、選擇容器的型式和材料半天（2）設計計算筒體、封頭、選擇附件并核算開孔補強等一天（3）繪制裝配圖二天（4）編寫計算說明書一天（5）答辯半天8.參考資料：（一）國家質量技術監(jiān)督局，GB150-1998鋼制壓力容器，中國標準出版社，1998;（二）國家質量技術監(jiān)督局，壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程，中國勞動社會保障出版社,1999（三）金屬化工設備零部件第四卷（四）中華人民共和國化學

4、工業(yè)部，中華人民共和國待業(yè)標準鋼制管法蘭、墊片、緊固件，1997（五）化工設備機械基礎課程設計指導書（圖書館借閱書號：TQ05/51）（六）刁玉緯王立業(yè)，化工設備機械基礎，大連理工大學出版社，2003年第五版；（七）李多民俞惠敏，化工過程設備機械基礎，中國石化出版社，2007;（八）董大勤，化工設備機械基礎，化學工業(yè)出版社，1994年第二版；（九）湯善甫朱思明，化工設備機械基礎，華東理工大學出版社，2004年第二版；發(fā)給學生（簽名）：指導教師:年月日（注：此任務書應附于所完成的課程設計說明書封面后）3目錄第一章緒論61.1 液氨貯罐的設計背景61.2 液氨貯罐的分類及選型61.2. (1)貯罐

5、的分類61.3. (2)貯罐的選型61.4. 計溫度和設計壓力的確定7第二章材料及結構的選擇與論證82.1 材料選擇與論證82.1. (1)容器用鋼82.2. (2)附件用鋼82.2 結構選擇與論證82.2.(1)封頭形式的確定82.2.(1)人孔的選擇92.2.(3)法蘭形式92.2.(4)液面計的選擇102.2.(5)鞍式支座的選擇10第三章工藝尺寸的確定11第四章設計計算144.1 計算罐體壁厚設計144.2 計算封頭的壁厚144.3 校核罐體和封頭水壓試驗強度154.4 選擇人孔并核算開孔補強154.4(1)計算削去的承受應力所必須的金屬截面164.4(2).計算有效補強范圍164.4

6、(3).計算有效補強金屬截面積164.4(4).所需補強截面積人為174.4(5).補強圈設計174.5.選擇鞍座并核算承載能力17目錄4.5(1).罐體的質量m1174.5(2).封頭的質量m2184.5(3).水壓試驗時水的質量m3184.5(4).附件的質量m4184.6選擇液位計184.7選配工藝接管184.7(1).液氨進料管194.7(2)液氨出料管194.7(3)排污管194.7(4).放空管接口管194.7(5).液面計接管194.7(6).安全閥接口管19設計心得20參考文獻215第一章第一章緒論：1.1.液氨貯罐的設計背景化學工業(yè)和其它流程工業(yè)的生產都離不開容器。所有的化工

7、設備的殼體都是一種容器，容器的應用遍及各行各業(yè)，諸如航空、航海、機械制造、輕工、動力等行業(yè)。然而化工容器又有其本身特點，不僅要適應化學工藝過程所要求的壓力和溫度條件，還要承受化學介質的作用，要能長期的安全工作且保證良好的密封。因此在容器的設計中應綜合考慮個方面的因素，使之達到最優(yōu)。液氨主要用于生產硝酸、尿素和其它化學肥料，還可用作醫(yī)藥和農藥的原料。在國防工業(yè)中用于制造火箭、導彈的推進劑，可用作有機化工產品的氨化原料，還可用作冷凍劑，將氨進行分解，分解成氫氮混合氣體這種混合氣體是一種良好的保護氣體，可以廣泛地應用于半導體工業(yè)、冶金工業(yè)以及需要保護氣氛的其它工業(yè)和科學研究中。為能夠進行連續(xù)的生產，

8、需要有儲存液氨的容器，因此設計液氨貯罐是制造貯罐的必備步驟，是化工生產能夠順利進行的前提。1.2.液氨貯罐的分類及選型1.2.（1）貯罐的分類貯罐按其形狀可分為方形和矩形容器、球形容器、圓筒形容器（立式、臥式）。按其承壓性質可分為內壓和外壓，內壓容器又可分為低壓、中壓、高壓、超高壓4個壓力等級。按其工作的溫度環(huán)境可分為低溫、常溫、中溫、高溫容器。按制造器的材料可分為金屬制和非金屬制兩類。按其應用情況可分為反應壓力容器（R）、換熱壓力容器（E）、分離壓力容器（S）、儲存壓力容器（C）等。1.2.（2）貯罐的選型在本設計中由于設計體積較小（約為16m3）且工作壓力較?。╬0=1.6MPa可采用臥式

9、圓筒形容器，方形和矩形容器大多在很小設計體積時采用，因其承壓能力較小且使用材料較多；而球形容器雖承壓能力強且節(jié)省材料，但制造較難且安裝內件不方便；立式圓筒形容器承受自然原因引起的應力破壞的能力較弱，故選用圓筒形臥式容器。臥式圓筒形液氨儲罐通常由臥式圓筒形筒體和兩端的橢圓形封頭組成，按照化學生產工藝的要求設置進料口、出料口、放空口、排污口、壓力表、安全閥和液面計等。為了檢修方便，還要開設人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。2.3設計溫度和設計壓力的確定罐儲存的是經過壓縮機壓縮后，被冷卻水冷凝的液態(tài)氨，由于冷卻水的溫度隨氣候變化而波動，通常氨被壓縮到0.94MPat能被冷卻水冷凝。儲罐通常置于室外

10、，罐內液氨的溫度和壓力直接受到大氣溫度的影響，在冬季可達-30C,在夏季儲罐經太陽曝曬后，液氨的溫度可達50C,這時候氨的飽和蒸汽壓隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷改變（參考下表3-1）。表3-1:液氨的飽和蒸汽壓和密度溫度（C）50403020100-10-20-30飽和蒸汽壓（絕壓，MPa2.071.5531.1650.8560.6140.4280.2910.1900.120密度（kg/m3）563580595610625639652665678液氨儲罐的操作溫度通?？扇∠募镜淖罡邭鉁?0c（參考表3-2所示）。為了確保操作安全，我國勞動和社會保障部頒布的壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程第2

11、5條規(guī)定:臨界溫度高于50c的液氨，無保溫常溫儲存，儲罐必須安裝安全閥，工程中其設計壓力不低于安全閥開啟壓力（參考表3-3所示，安全閥開啟壓力取1.051.10倍工作壓力），通常選取為2.07X1.1=2.16MPa（相當于取50c時飽和蒸汽壓對應的設計壓力）。表3-2設計溫度介質工作溫度設計溫度IntV-20C介質最低工作溫度介質工作溫度減010c-20CWt015C介質最低工作溫度介質工作溫度減510ct15C介質最局，作溫度介質工作溫度加1530c注：當最高（低）工作溫度不明確時，按表中的口確定。表3-3設計壓力類型設計壓力p內壓容器無安全泄放裝置1.01.10倍工作壓力裝后安全閥不低于

12、（等于或稍大于）安全閥開啟壓力（安全閥開啟壓力取1.051.10倍工作壓力）裝后爆破片取爆破片設計爆破壓力的上限出口管線上裝后安全閥不低于安全閥的開啟壓力加上流體從容器流至安全閥處的壓力降兩側受壓的壓力容器元件一般應以兩側的設計壓力分別作為該兀件的設計壓力。當有可靠措施確保兩側同時受壓時，可取兩側最大壓力差作為設計壓力真空容器當有安全閥控制時，取1.25倍的內外壓力差，或0.1MPa兩者中的較小值。當沒有安全閥控制裝置時，取0.1MPa。第二章材料及結構的選擇與論證2.1 材料選擇與論證2.1. （1）容器用鋼壓力容器的使用工況（如溫度、壓力、介質特性和操作特點等）差別很大，制造壓力容器所用的

13、鋼種類很多，既有碳素鋼、低合金高強度鋼和低溫鋼，也有中溫抗氫鋼、不銹鋼和耐熱鋼，還有復合鋼板。一般中低壓設備可采用屈服極限為245MPa-345MPSa的鋼材；直徑較大、壓力較高的設備，均應采用普通低合金高強度鋼，強度級別宜用400MPa級或以上；如果容器的操作溫度超過400C,還需考慮材料的蠕變強度和持久強度。16MnRffl是屈服強度350Mp故的普通低合金高強度鋼，具有良好的綜合力學性能、焊接性能、工藝性能以及低溫沖擊韌性。在焊接壓力容器時采用堿性焊條（J507）因，15MnVR岡和18MnMoNb鋼是屈服強度分別為400、500Mp故普通低合金高強度鋼，雖然有較高的強度，但韌性、塑性都

14、較C-Mn鋼低，且有較高的缺口敏感性和時效敏感性。并且這兩類鋼均較16MnRffl昂貴。因此選用16MnR鋼既符合工藝要求，也節(jié)約資源，以便獲得更好的經濟價值。2.1. 附件用鋼優(yōu)質低碳鋼的強度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設備制造中常用作熱交換器列管、設備接管、法蘭的墊片包皮等。優(yōu)質中碳鋼的強度較高，韌性較好，但焊接性能較差，不宜用作接管用鋼。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故選擇10號優(yōu)質低碳鋼的普通無縫鋼管制作各型號接管。由于本貯罐使用地點為：茂名，在夏季最高溫度可達50C,這時氨的飽和蒸氣壓為2.07MPa（絕對壓力）。由于法蘭必須具有足夠大的強度和剛度，以滿足連接的條件，使之能

15、夠密封良好，故選用普通低合金高強度鋼16MnR（新鋼號名稱已統(tǒng)一為Q345R。2.2 結構選擇與論證2.2.（1）封頭形式的確定從受力與制造方面分析來看，球形封頭是最理想的結構形式。但缺點是深度大，沖壓較為困難；橢圓封頭濃度比半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前中低壓容器中應用較多的封頭之一。平板封頭因直徑各厚度都較大，加工與焊接方面都要遇到不少困難。從鋼材耗用量來年：球形封頭用材最9第二章少，比橢圓開封頭節(jié)約，平板封頭用材最多。因此，從強度、結構和制造方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。22(2)人孔的選擇壓力容器人孔是為了檢查設備的內部空間以及安裝和拆卸設備的內部構件。人孔的類型很多，

16、選擇用上有較大的靈活性。選用時應綜合考慮公稱壓力、公稱直徑工作溫度以及人、手孔的結構和材料等諸方面的因素。臥式液氨儲罐常用碳鋼水平吊蓋人孔，這種人孔使用方便，壓緊墊片可靠，本設計臥式容器設計壓力為2.28MPa,人孔標準應按公稱壓力為2.5MPa的等級選取，由于容器公稱直徑為2000mme鋼水平吊蓋人孔的尺寸、材料和性能可查HG/T21524-95標準，選用水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔，DN450人孔，密封壓緊面采用TG型。該人孔標記為：HG/T21524-2005人孔TGVffl(A.G)450-2.5其中TG旨凸面密封,Vffl指接管與法蘭的材料為16MnRA.G是指用普通石棉橡膠板墊片，45

17、0-2.5是指公稱直徑為450mm公稱壓力為2.5Mpa。RF塞簡節(jié)F怯當3屋片74嘲蘭蓋；5-螺出6螺母二”吊環(huán)79里圈10-螺母彳11-吊飽彳環(huán)；13-無縫綱管；141支承板碳鋼水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔結構圖22(3)法蘭型式#廣東石油化工學院：液氨儲罐機械設計法蘭與設備的連接形式：平焊法蘭制造簡單，使用廣泛，但剛性較差，僅用于壓力不高的場合，如管法蘭P20005500時，取1415h=40mm33.481722.7288總深度H=h+h1,hl為封頭內曲面高度。圖5-1標準橢圓形封頭第四章設計計算根據(jù)材料分析，選用16MnRJ作筒體和封頭。4.1 計算罐體壁厚設計液氨儲罐是內壓容器，按公

18、式計算出筒體的壁厚6o一_pD，、一2LT一p其中：p為設計壓力，本儲罐在夏季最高溫度可達500C,此時液氨的飽和蒸汽壓為2.07MPa（絕對壓力），所以P=2.17MPaDi=2000mm上l=163MPa*=1.00（雙面對接焊，100%損探傷）；,_PDi則：2bt-P二200-2.17=13.4mm查得相應的負偏差C1=0.8mm,腐蝕裕量C2=2mmC=0.8+2=2.8mm、d:JiC2則：2,P=13.4+2.8=16.2mm根據(jù)C1=0.8mm及鋼板的厚度規(guī)格圓整后確定選用6n=18mm厚的16MnRffi板制作罐體4.2 計算封頭的壁厚本容器用標準橢

19、圓封頭，厚度根據(jù)公式0dPDi2 k f -0.5PC22 = 15.4m m2.17*200021631.0-0.52.17、n=、dC1=15.40.8mm=16.2mm根據(jù)C1=0.8mm,其中各數(shù)據(jù)跟罐體相同，*=1.00向上圓整后取取標準0n=18mm確定用6n=18mm厚的16Mn伴岡板制作封頭4.3 校核罐體和封頭水壓試驗強度根據(jù)公式L-1631.25P一7-1.252.172.71MPaPT=bl163P+0.1=2.17+0.1=2.27MPa取所=2.71MPa式中：5e=&n-C=162.8=13.2mm;s=345Mpaa則水壓試驗時的應力：pTDi、e2.711800

20、13.2T=2、e213.21.0=186.13MPa16MnRS制容器在常溫水壓試驗時的許可應力=0.9二s=0.9345=310.5MPa可見：。丁工!所以罐體厚度滿足水壓試驗時的強度4.4選擇人孔弁核算開孔補強根據(jù)儲罐是在常溫及最高工作壓力為2.17Mpa的條件工作，人孔標準應按公稱壓力為2.17Mpa。從人孔類型系列標準可知，公稱壓力為2.17Mpa的人孔類型很多。本設計考慮人孔蓋直徑較大較重，故選用水平吊蓋人孔，該人孔結構中有吊鉤和銷軸，檢修時只須松開螺栓將蓋板繞銷軸旋轉一個角度，由吊鉤吊住，不必將蓋板取下。該人孔標記為：HG21524-2005人孔RFVfflDN450-PN1.6

21、其中RF指突面密封，Vffl指接管與法蘭的材料為16MnRDN450是指公稱直徑為450mmPN2.17指公稱壓力為2.17Mpa。另外，還要考慮人孔補強，確定補強圈尺寸，由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標準。本設計所選用的人孔筒節(jié)內徑為d=450mms厚6nt=10mm故補強圈尺寸如下：筒體內徑Di=2000mm壁厚=18mm設計壓力2.17MPa,設計溫度為50C,焊接接頭系數(shù)1.0。由標準查得補強強圈內徑D1=484mm,卜徑D2=760mm開孔補強的有關計算參數(shù)如下：4.4 (1).計算削去的承受應力所必須的金屬截面筒體的計算壁厚：、二一PD一二一2.172000=

22、13.0mm2二t-P21631.0-2.17計算開孔所需補強的面積A開孔直徑：d=di2nt-2C=450210-22.8=464.4mm一一一_2A=464.413.0=6037.20mm4.5 (2).計算有效補強范圍、有效寬度：B1=2d=2464.4=928.8mmB2=d2、n2、nt=464.4218210=520.4mm取最大值B=B1=928.8mm外側高度h1=Jd=n-.464.410-68.1mmh2=接管實際的外伸高度取較小值，故h1=68.1mm內側高度h1=d；=464.410=68.1mmh2=0取小值,故h2=04.4(3).計算有效補強金屬截面積筒體多余金屬

23、截面積A1筒體有效厚度：e=、：n-C=18-(20.8)=15.2mmA1(Bd)(、e、)2(、nt-C)(e-)-(928.8-464.4)(15.2-13.4)-2(10-2.8)(15.2-13.4)-810mm2接管多余金屬截面積A接管計算厚度二27464.4=3.1mm2-t-p21631.0-2.17A2=2%(討-t)=268.1(10-3.1)=939.78mm2補強區(qū)內焊縫截面積A2A3=20.51010=：100mm有效補強面積AAe=AAA3=810939.78100=1849.78mm2A+A2+A3VA,所以需要另加強4.4 (4).所需補強截面積A4為A4=A-

24、Ae=6037.20-1849.78=4187.42mm24.5 (5).補強圈設計參考JB/T4736-2002標準，取內徑D=484mm外徑D2=760mm補強圈厚度.A=4187.42=15.17mmD2-D1760-484考慮到罐體與人孔筒節(jié)均有一定的壁厚裕量，取故補強圈取16mm厚。因補強圈厚度6t1.56n=30,符合GB150-1998的規(guī)定。故用補強圈補強是合適的4.6 .選擇鞍座弁核算承載能力首先粗略計算鞍座負荷，儲罐總質量m=m14m2+m3+m4式中m1罐體質量，kg;m2一封頭質量，kg;m3液氨質量，kgm4一附件質量，kg斗=895%4.5(1).罐體的質量m1根據(jù)

25、DN=2000mm,dn=18mm的筒節(jié)，可得每米筒體質量23由V=丫封+V筒=2、V杳+Di2L=16.07m3則43V查=1.1257m3,16.07-2*1.1257-八一可求得：L=4.4m向上圓整后取標準圓筒長度為2*2.024L=4.4m所以:m1=q1L=8954.4=3938kg4.5(2).封頭的質量m2DN=2000mm6n=18mm直邊高度h=25mm的標準封頭，由查得其質量q2=627.7kgm2=2627.7=1255.4kg4.5(3).水壓試驗時水的質量m3m3=a：V式中：a沖裝系數(shù)，取0.9V儲罐容積。水密度，為1000kg/m3由JB/74746-2002查

26、得，封頭容積為1.1257m3一一一一一3V=VV筒=2.2513.75=16.07m3m3=a：V=0.9100016.07=14463kg4.5(4).附件的質量m4人孔的質量約為200kg,其他的連接管質量總和按300kg計，則：m4=500kg設備總質量為：m=m1m2m3m4=39381255.414463500=20156.4kg每個鞍負荷F=mg20156.4 9.812= 98.87kN所以選用輕型帶墊板，包角為120的鞍座:JB/T4712.1-2007鞍座A2600-FJB/T4712.1-2007鞍座A2600-S。4.6選擇液位計液氨儲罐常用玻璃管液面計，由儲罐公稱直徑

27、Di=2000mm根據(jù)HG/T21550-93,選擇玻璃管液面計AIWPN2.17,L=1000mmHG5-227-80一支。與其相配的接管尺寸為,18X3m,管法蘭為法蘭PN2.17DN15GB9119.8-88。4.7選配工藝接管本儲罐設有以下接口管4.7(1).液氨進料管采用57X3.5mm無縫鋼管。管的一端切成45,伸入儲罐少許.配用具有突面密封的平焊管法蘭：法蘭PN1.6DN50GB9119.8-88因為殼體名義壁厚一n=18mm大于12mm接管公稱直徑小于80mm故不要補強.4.7(2)液氨出料管采用可拆的壓出管*25X3mm將它套入罐體的固定接口管,38X3.5mm內，并用一非標

28、準法蘭固定在接口法蘭上。罐體的接口管法蘭采用法蘭PN2.17DN32GB9119.8-88。與該法蘭相配并焊接在壓出管的法蘭上，其連接尺寸和厚度與法蘭法蘭PN2.17DN32GB9119.8-88相同，但其內徑為25mm(L總裝圖的局部放大部大圖).液氨壓出管的端部法蘭(與氨輸送管相連)采用法蘭PN1.6DN20GB9119.8-88。這些小管都不必補強。壓出管伸入貯罐2.5m。4.7(3)排污管在罐的右端最底部設個排污管一個，規(guī)格是*57X3.5mm管端焊有與截止閥J41W-16相配的管法蘭PN1.6DN50GB9119.8-884.7(4).放空管接口管采用,32X3.5mm無縫鋼管，法蘭PN1.6DN25GB9119.8-884.7(5).液面計接管液氨儲罐常用玻璃管液面計，由儲罐公稱直徑Di=2000mm根據(jù)HG/T21550-