YanchingInstituteofTechnology(2018)屆本科生化工設備機械基礎大作業題目： 液氨儲罐的設計 學院：化工與材料工程學院專業: 應用化學 學號： 姓名： 游超杰 指導教師： 2017年6月30日目錄1、設計任務書課題：液氨儲罐的設計（家鄉衡水）設計內容：根據既定的工藝參數設計一臺液氨儲罐已知工藝參數：最高使用溫度T=40C罐體容積V=12mm3此時氨的飽和蒸汽壓P=具體的內容包括：筒體材料選擇罐的結構及尺寸（內徑、長度）形狀（臥式、球形、立式），罐體厚度，封頭形狀及厚度，支座的選擇，人孔及接管，開孔補強下達時間：2017年6月16日完成時間：2017年6月30日— "上、亠2、前言本次課程設計是化工與材料工程學院，應用化學專業對化工設備機械基礎這門課程進行的。課設題目為液氨儲罐的課程設計。液氨，又稱為無水氨，是一種無色液體。氨作為一種重要的化工原料，應用廣泛，為運輸及儲存便利，通常將氣態的氨氣通過加壓或冷卻得到液態氨。液氨在工業上應用廣泛，而且具有腐蝕性，且容易揮發，所以其化學事故發生率相當NH3氣氨相對密度（空氣=1）:，分子量為17.04.液氨的密度是L（50°C）。自燃點：651.11C飽和蒸汽壓：熔點（C）：-77.7 爆炸極限：16%?25%沸點（C）：-33.4 1%水溶液PH值：11.7比熱kJ（kg?K）：氨（液體）氨（氣體）蒸汽與空氣混合物爆炸極限16?25%（最易引燃濃度17%）。氨在20C水中溶解度34%,25C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。液氨主要用于生產、和其他化學肥料，還可用作醫藥和農藥的原料。在國防工業中，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。液氨還可用用于紡織品的絲光整理。液氨通常采用鋼瓶或灌裝。灌裝用鋼瓶或槽車應符合國家勞動局頒發的“氣瓶安全監察規程”、“壓力容器安全監察規程”等有關規定。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。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。本設計過程的內容包括容器的材質的選取、容器筒體的性質及厚度、封頭的形狀及厚度、確定支座、人孔及接管、開孔補強的情況以及其他接管的設計與選取。設計方案設計依據及原則本液氨貯罐屬于中壓容器，設計以“鋼制壓力容器”國家標準(GB150)為依據，嚴格按照政府部門對壓力容器安全監督的法規“壓力容器安全技術監督教程”的規定進行設計。以安全為前提，綜合考慮質量保證的各個環節，盡可能做到經濟合理，可靠的密封性，足夠的安全壽命。設計的步驟如下：根據設計中要用的各種參數進行計算及材料選擇。對容器的筒體、封頭鞍座及其他附件進行參數計算。對計算出來的數據進行校核。

、設計要求技術特性表公稱容積（立方米）12公稱直徑（DN）介質液氨筒體長度（L）工作壓力（Mpa）工作溫度（C）40使用地點河北衡水推薦材料16MnR管口表編號名稱公稱直徑（mm）編號名稱公稱直徑（mm）a1-a2液面計20e安全閥50b人孔450f放空管50c進料管65g排污管50d出料管65、液氨儲罐設計參數的確定、設計溫度與設計壓力的確定（1） 設計溫度：T=40°C（2） 設計壓力:本貯罐在最高使用溫度40C下，氨的飽和蒸汽壓為（絕對壓強），容器上裝有安全閥，則取到倍的最高工作壓力作為設計壓力，這里取最高設計壓力為倍。所以設計壓力為P=X（）=。、罐體和封頭材料的選擇（1）材料選擇：由操作條件可知，該容器屬于中壓、常溫范疇（化工設備機械基礎第六版P56表2-2）。考慮到機械性能、強度條件、腐蝕情況等要求，筒體和封頭的材料選用可以考慮20R、16MnR這兩種鋼種。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。鋼號為16MnR的鋼板（適用溫度范圍-40-475°C，使用狀態為熱軋或正火，鋼板標準為GB6654—1996）。接管材料選用鋼號為16MnR的接管（許用應力：[o]=[o]t=163MPa）。法蘭材料為16MnR，鞍座材料選用16MnR。（2） 鋼板厚度負偏差：由《化工設備機械基礎》第六版P97表4—9可知，鋼板厚度在時鋼板負偏差C=。1（3） 腐蝕裕量:腐蝕裕量由介質對材料的均勻腐蝕速率和容器的設計壽命決定。腐蝕裕量C=Ka，其中K為腐蝕速率；a容器的使用壽命。對于低合金鋼的容器，2其腐蝕程度若屬于輕度腐蝕，腐蝕速度（mm/a），腐蝕余量三，（第六版P98表4-11）故腐蝕余量取C二.2（4） 焊接頭系數：本次課程設計是液氨儲罐的機械設計。氨屬于中度毒性物質，查（第六版P56表2-2）可知該設備為中壓儲存容器，即為第三類壓力容器。由于焊縫區是容器上強度比較薄弱的地方，要保證設備密封性能良好，故筒體焊接結構采用雙面焊的全焊透的對接接頭，且全部無損探傷的，故取焊接頭系數?=。（5） 許用應力：對于本設計是用鋼板卷焊的筒體以內徑作為公稱直徑DN=D=1600mm?假設16MnR鋼的厚度在16-36mm之間，設計溫度下鋼板的許用應i力[o]t=163Mpa。4、設計計算、圓筒厚度設計16MnR的密度為m3，熔點為1430C，許用應力LL列于下表：表 16MnR許用應力鋼號板厚/mm<20在下列溫度（°C）下的許用應力/Mpa1001502002503006?1617017017017015614416?3616316316315914713416MnR36?60157157157150138125>60?100153153150141128116在GB-150-1998《鋼制壓力容器》中規定，將計算厚度與腐蝕裕量作為設計厚度，即： 5=pc:DN+Cd2qap2c式中3一設計厚度（mm）；dC一腐蝕裕量（mm）；2P—圓筒的設計壓力（MPa）；cDN—圓筒的公稱直徑（mm）；?—焊接接頭系數；[o]t—鋼板在設計溫度下的許用應力（MPa）。于是5二pcxDN*c=xi600/（2X163X）+=.d2[6訕一p 2c

將設計厚度加上鋼板負偏差后向上圓整到鋼板的標準規格的厚度，及圓筒的名義厚度：5-5+C=+=nd1即5=5+C=++△。圓整后取6二后的16MnR鋼板制作筒體。nd1n、封頭壁厚設計由于橢圓封頭厚度的計算公式和筒體厚度的計算公式幾乎相同，說明筒體采用標準橢圓封頭，其封頭厚度近似等于筒體厚度，這樣筒體和封頭可采用相同厚度的鋼板制作。因為D/2h=2時，定義為標準橢圓封頭，所以封頭的形狀系數ifK=。封頭的設計厚度為： 5=Pc]N?K+cd2Q]t?-0.5p 2c即5=—pcDNK_+c=x1600/（2X163X）+=。d2[a]10.5p2c考慮鋼板厚度負偏差及沖壓減薄量，需圓整，封頭的名義厚度由公式可得5=5+C=+，圓整后取6=11mm厚的16MnR鋼板作封頭。nd1 n、水壓試驗及強度校核由《化工設備機械基礎》（第六版P100）查得內壓容器液壓試驗時應力校核公式為p(DN+5)g= 厶<0.9c6t 25 se式中p—試驗壓力（MPa）t;6—有效厚度（mm）；。一圓筒材料在試驗es溫度下的屈服點（MPa）；D—圓筒的內直徑；。一圓筒壁在試驗壓力下的計算it應力（MPa）；①一圓筒的焊接接頭系數。其中p==X=t其中p==X=t6=o=325MPaes2.00x(2.00x(1600+8.20)2x8.20二W0.9a?=X325X二.s水壓試驗滿足強度要求。5、選擇人孔并核算開孔補強、人孔參數確定為了檢查設備使用過程中是否產生裂紋、變形、腐蝕等缺陷，應開設檢查孔，此設備應至少開設一個人孔，人孔的形狀有圓形和橢圓兩種，當設備內徑D.>i1000mm時，壓力容器上的開孔最好是圓形的。橢圓形人孔的短軸與受壓容器的軸線平行。圓形人孔的直徑一般為450mm,受壓容器的壓力不高或有特殊需要時，直徑可以大一些。圓形人孔的直徑有DN400、DN450、DN500和DN600共4種。本設計根據儲罐在常溫工作壓力為的條件下工作，人孔標準應按公稱壓力為的等級選取。受壓設備的人孔蓋較重，一般均選用吊蓋式人孔或回轉蓋式人孔。吊蓋式人孔使用方便，墊片壓緊較好，回轉蓋式人孔結構簡單，轉動時所占空間平面較小，如布置在水平位置時，開啟時較費力。故選水平吊蓋帶頸平焊法蘭人孔，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。人孔直徑選擇DN450.該人孔標記為：HG21523—1995人孔RFW(A?G)450—其中RF指凸面封閉，W指材料為20R,A?G是指用普通石棉橡膠板墊片，450—是指公稱直徑為450mm、公稱壓力為。、人孔補強設計開孔補強結構：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。公稱壓力MPa公稱直徑dwXSDDibbib2AHiH2d0450480x1064058534343636530020436、開孔補強的計算由于人孔的筒節不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標準。本設計所選用的人孔筒節內徑d=450mm，壁厚5=10mm。故補強圈尺寸如下：查表(《化m工設備機械基礎》董大勤P302表11-2)得人孔的筒體尺寸申480X10，由標準查的補強圈內公式D=484mm，外徑D=760mm。12開孔補強的有關計算參數如下1、 不計焊縫系數的筒體計算壁厚二PcD(2Q]t—p)二1.6x1600/(2x163-1.6)二7.89mmi2、 開孔所需補強的面積A：開孔直徑：d=d+2C=450+2X(+2)=i補強的面積：A=dX5=X=3、有效地寬度B：B=2Xd=2X=B=d+2X5+5=+2X11+10二nm取最大值B=4、有效高度h：外側高度h=：（dx5）=455.6x10=67.49mm或h二接管實際外伸高度=250mm1 m 1兩者取較小值h=1內側高度h=/（dx5）=i'（455.6xlO）=67.49mm或人=接管實際內伸高2 m 2=0mm兩者取較小值h=0mm25、筒體多余面積A1筒體有效厚度：5=5-C二二en選擇與筒體相同的材料（16MnR）進行補償，故f=1,所以rA=（B-d）（5-5）-25（5-5）（1-f）1 e me r=（）（）-06、 接管多余金屬的截面積A：2接管計算厚度5=PXd/(2[b]t9-P)=X(2X163X)=tc cA=2h(5-C-5)f+0=2XX()=1m tr7、 補強區內焊縫截面積A3A=2XX10X10=100mm238、 有效補強面積AeA=A+A+A=++100=e123比較得A>Ae滿足以下條件的可選用補強圈補強：剛材的標準常溫抗拉強度b<540Mpab補強圈厚度應小于或等于殼體壁厚的倍；殼體名義厚度5<38mm；設計壓力n<4Mpa；設計溫度<350°C。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：A二A-A二2685.034mm24e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，標準HG21506-92得補強圈外徑D二760mm,內徑D二d+（3~5）則取484mm。0i0計算補強圈厚度：A5>——=2685.034/427.2=6.28mcB-Di考慮到鋼板負偏差并圓整，補強材料與殼體材料相同，制造時為便于備材

且查標準補強圈厚度取7m,計算的補強圈厚度也滿足補強圈補強的條件。6、接口管設計、進料管進料管采用965x5mm的無縫鋼管，鋼管一端切成45°，伸入儲罐少許，管長400mm,配用突面板式平焊法蘭HG20593法蘭PLRFQ345R,不需補強。、出料管在化工生產中，需要將液體介質運送到與容器平行的或較高的設備中去，并且獲得純凈無雜質的物料。故采用可拆的壓出管申65x5mm,將它用法蘭固定在接口管975x5mm內。、液位計接口管液面計是用以指示容器內物料液面的裝置,其類型大體上可以分為四類：有玻璃板液面計,玻璃管液面計,浮子液面計和浮標液面計。在中低壓容器中常用前兩種。玻璃板液面計有透光式和反射式兩種結構，其適用溫度在0-200°C。玻璃管液面計適用于工作壓力小于，介質溫度在0-200C情況下。玻璃板液面計和玻璃管液面計均適用于物料沒有結晶等堵塞固體的場合。板式5液面計承壓能力強但比較笨重，成本較高。液氨為較干凈的物料，易透光，不會出現嚴重堵塞現象，所以在此選用玻璃管液面計。選用玻璃管液面計，記作，L=1200mm兩支。與液面計相配的接口管尺寸為?18mmX3mm，管法蘭為HG20595-97法蘭S015—16MnR。、放空閥接口管采用?32mmX無縫鋼管，法蘭為HG20595-97法蘭SO25—16MnR。、安全閥接口管采用?32mmX無縫鋼管，法蘭為HG20595-97法蘭SO25—RF16MnR（尺寸有安全閥泄露放量決定）。、排污管儲罐右端最底部安設排污管一個，管子規格為?76mmX5mm，管端焊有一與截止閥J41W—16相配的管法蘭HG20595-97法蘭SO65—16MnR。排污管一罐體連接處焊有一厚度為10mm的補強圈。、壓力表接口壓力表接口管尺寸的最大工作壓力決定，因此選用057x3.5mm無縫鋼管,管法蘭采用HG5010-58Pgl6Dg65。各接外管外伸高度都是150mm。7、鞍座負載設計首先粗略計算鞍座負荷儲罐總質量：m=m+m+m+m1234式中：m—罐體質量（kg）；1m一封頭質量（kg）；2m—液氨質量（kg）；3m—附件質量（kg）。4、罐體質量m1由公稱直徑D=1600mm，壁厚6=11mm條件下查表得每米質量是q1=390kg/m,故m=qL110于是m二qL=390X=2184kg110、封頭質量m2由封頭公稱直徑DN=1600mm,壁厚6=11mm,h=40mm條件下，根據《化工設備機械n0基礎》（董大勤主編P198）的公式G=8.51（Di+5p）2+24.7（D+5）h1<5x103Kgip0p=[(+)2+(+)X]XX103求得G=封頭質量m=2G=2X=2、液氨質量m3m二V?P3式中V—主管容積（m3）；P一水的密度（kg/m3）。其中，當DN=1600mm，壁厚6=llmm,h=40mm條件下，罐體的容積為12m3d0液氨在0°C時的密度為64kg/m3，小于水的密度，故充液氨質量按水考慮。即P=1000kg/m3。所以m=V?P=12X1000=12000kg3、附件質量m4人孔約重200kg,其他管的總和按300kg計，故m=200+300=500kg4設備的總質量m=m+m+m+m=2184++12000+500二1234各鞍座的支座反力為F=mg/2=X2=,.根據《化工設備機械基礎》（第六版,P358附表16-5）查得由于筒體的公稱直徑DN=1600mm，所以可以選輕型（BI型）120°包角帶墊板鞍座，鞍座高度250mm,底板長度l=1120mm,螺栓連接尺寸l=960mm,12鞍座寬度為b=146mm,底板厚度6=16mm,腹板厚5=12mm，筋板厚度6=12mm,筋1 2 3板長度l=257mm，墊板寬b=320mm，墊板厚5二10mm。3 4 4鞍座標記為：JB/T4712—92鞍座A2800—FJB/T4712—92鞍座A2800—S由《化工設備機械基礎》第六版P175知：當同體的L/D較大，或在鞍座所在平面內有加強圈是，取AW時；當筒體的L/D較大，且在鞍座所在平面內無加強圈時，取AWD/4，且A不宜大于；A最大不得大于。0因為〉，所以取鞍座位置A==X1400=700mm允許載荷Q(KN)鞍座高度h底板腹板筋板墊板螺栓連接尺寸鞍座質量(熄)l1b15152l3b2b353延長b454e間距12螺孔d螺紋M弧長l2702501120200128225170240818703908709602420401168、設計匯總本設備按GB150-1998《鋼制壓力容器》和HG20584-1998《鋼制化工容器制造技術要求》進行制造、檢驗和驗收，并接受國家質量技術監督局頒發的《壓力容器安全技術監察規程》；焊接采用電弧焊，焊條牌號16MnR間為J507,16MnR與碳鋼間為J427；焊接接頭型式及尺寸除圖中注明外，按HG20583的規定，不帶補強圈的接管與筒體的焊接接頭為G2，角焊縫的焊角尺寸按較薄板的厚度，法蘭的焊接按相應法蘭標準中的規定；設備筒體的A、B類焊接接頭應進行無損檢測，檢測長度為100%，射線檢測不低于JB4730-94RTII為合格，且射線照相質量不低于AB級；設備制造完畢，以表壓進行水壓測試；致謝通過本次液氨儲罐的機械設計，使我了解了很多關于化工容器的知識，如容器材料的選

擇、附件型號的選擇、焊接方式、參數校核等。瀏覽了很多與此相關的書籍，感覺受益匪淺。由于所學知識有限，時間有限，在本次課程設計中可能有很多方面還不夠完善，部分設計可能不太合理或有更優選擇，希望老師給予指正。最后，感謝老師細致而耐心的講解，使我更加清楚設計的步驟及關鍵環節，也要感謝同

學的幫助，給我們指出設計過程中的不足使我們本次的課程設計更加完善。參考文獻董大勤《化工設備機械基礎》北京化工工業出版社喻建良王立業刁玉偉《化工設備機械基礎》大連理工大學出版社第六版潘永亮編《化工設備機械基礎》科學出版社第三版.

附錄：表1系數k5k6值鞍座包角e，鞍座墊板包角e+12oK5K6A/RmWA/Rm±11200(120+12。)=132o1350(135o+12o)=147o15Oo(15Oo+12o)=162o條件鞍座包角eK3K4筒體在鞍座平面上有12oo加強圈（用于）135o1/n=——15oo筒體在鞍座平面上無12。9加強圈，且A>Rm/2或靠近鞍座處有加強135o圈（用于）15oo——筒體被封頭加