“液氨贮罐的机械设计”完美版

沈阳理工大学课程设计

I

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设计任务书

课 题： 液氨贮罐的机械设计

设计内容： 根据给定的工艺参数设计一个液氨贮罐

相关工艺参数：

最高使用温度：T=50℃ 公 称 直 径：DN=2800mm 筒体长度（不含封头）：L0=4500mm 设计操作步骤： 1. 筒体材料的选择 2. 罐的结构及尺寸 3. 罐的制造施工

4. 零部件型号及位置、接口 5. 相关校核计算

设 计 人: XXX 学 号：080801XXXX 下达时间：2011年11月25日 完成时间：2011年12月26日

II

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目 录

前 言 ................................................................. 1 1 设计方案 ............................................................ 2

1.1 1.2 1.3

设计原则 ..................................................... 2 材料的选择 ................................................... 2 结构的选择 ................................................... 2

2 设计参数 ............................................................ 4 3 设计计算 ............................................................ 5

3.1

壁厚的计算 ................................................... 5 3.1.1 筒体壁厚 .................................................. 5 3.1.2 封头壁厚 .................................................. 5 3.2

鞍座承载能力计算 ............................................. 7 3.2.1 罐体质量m1 ................................................ 7 3.2.2 封头质量m2 ................................................ 7 3.2.3 液氨质量m3 ................................................ 7 3.2.4 附件质量m4 ................................................ 7 3.3

人孔补强计算 ................................................. 8

4 附件选择 ........................................................... 11

4.1 4.2

人孔选择 .................................................... 11 接口管的选择 ................................................ 11 4.2.1 液氨进料管 ............................................... 11 4.2.2 液氨出料管 ............................................... 11 4.2.3 液面计接口管 ............................................. 11 4.2.4 安全阀接口管 ............................................. 11 4.2.5 放空阀接口管 ............................................. 11 4.2.6 排污管 ................................................... 11

5 参数校核 ........................................................... 12

5.1

筒体轴向应力校核 ............................................ 12 5.1.1 筒体轴向弯矩计算 ......................................... 12

III

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5.1.2 筒体轴向应力计算 ......................................... 12 5.2

筒体和封头切向应力校核 ...................................... 14 5.2.1 筒体切向应力计算 ......................................... 14 5.2.2 封头切向应力计算 ......................................... 14 5.3

筒体环向应力校核 ............................................ 14 5.3.1 环向应力计算 ............................................. 14 5.3.2 环向应力校核 ............................................. 15 5.4

鞍座有效断面平均压力 ........................................ 15

6 设计汇总 ........................................................... 17 7 小 结 .............................................................. 21 参考文献 .............................................................. 22

IV

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前 言

本设计是针对《化工设备机械基础》这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。

液氨作为一种重要的化工原料，在工业上应用广泛。主要用于生产硝酸、尿素和其他化学肥料的原料，国防工业中制造火箭、导弹的推进剂，有机化工产品的氨化原料，冷冻剂等。为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。采用钢瓶或槽车灌装，运输过程中应避免受热，严禁烟火。液氨具有腐蚀性，且容易挥发，故化学事故发生率较高。

在工业生产中，为能够进行连续化操作，需要有储存液氨的容器，因此，液氨贮罐的设计与制造不可或缺。本课程设计为设计一台圆筒形卧式液氨贮罐。设计内容主要包括，贮罐材料的选取，设计参数的确定，筒体和封头壁厚的计算及相关校核，鞍座与一些附件的选取和安装。

1

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1 设计方案

1.1 设计原则

本次课程设计要求综合运用化工设备机械基础知识，根据给定的工艺参数设计一个化工厂中常见的贮存液氨的贮罐。设计以“钢制压力容器”国家标准（GB150）为依据，以安全为前提，综合考虑经济性、实用性、安全可靠性。各项设计参数严格参照行业使用标准或国家标准，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。

1.2 材料的选择

本次课程设计要求综合运用化工设备机械基础知识，根据给定的工艺参数设计一个化工厂中常见的贮存本贮罐选用16MnR制作罐体和封头。纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般钢材，但由于压力较大，故选16MnR这种钢种。16MnR表示平均含碳量为0.16%的容器钢，属于低碳钢，它的塑性好，焊接性和锻造性良好，适宜制造化工容器等焊接件和设备封头等冲压件。

1.3 结构的选择

1) 封头形式的确定

本液氨储罐的封头选用椭圆形封头。

椭圆封头是由曲率半径连续变化而成的，所以，封头上的应力分布均匀变化。 从钢材用量考虑，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；从制造角度考虑，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。

2) 人孔的选择

人孔是安装或检修人员进入塔器的唯一通道，一般每隔5～10m距离才设置一个人孔。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，符合要求的有垂直吊盖带颈平焊法兰人孔和水平吊盖带颈平焊法兰人孔。本设计选用水平吊盖人孔，人孔的公称直径选定为450mm，密封压紧面采用C型。

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3) 法兰形式的选择

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，紧用于压力不高的场合；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。

本设计采用对焊法兰。 4) 鞍式支座的选择

支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。卧式圆筒形容器的支座分为鞍式支座、圈座、腿式支座三类。由于鞍式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故此设计中选用鞍式支座。

鞍座分为A型（轻型）和B型（重型）两类，每种形式的鞍座又分为固定式支座（F）和滑动式支座（S）两种。由于本设计中贮罐体积较小，故采用A型双鞍座，一个S型，另外一个F型。

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2 设计参数

1) 设计温度：T=50℃。

2) 设计压力：根据《化学化工物性数据手册》查得，液氨50℃时的饱和蒸汽压

为2.033MPa（绝对压强），密度为0.562871g/cm3，设计压力取最大操作压力的1.05-1.10倍，即：P=1.10×（2.033-0.10133）=2.125MPa（表压），故设计压力取为2.125MPa。液柱的静压力为

Pi=DN·ρ·g=2.8×0.562871×103×9.81×10-6=0.0154609MPa

<5%P=0.106MPa，所以静压力可忽略不计，可取计算压力PC=P=2.125MPa。

3) 钢板厚度负偏差：根据文献[2]-P173可知，钢板厚度在8.0～25.0mm时钢板厚

度负偏差为C1=0.8mm。

4) 腐蚀裕量：根据文献[2]-P173可知，腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率与

容器的设计寿命决定。腐蚀裕量C2=λ·n，其中λ为腐蚀速率，n为容器的设计寿命。根据文献[3]-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，贮罐为单面腐蚀，故取C2=2.0mm。

5) 焊接头系数：由于PV=2.125×2.82×π/4×4.5=58.88>10MPa·m3，由文献[4]-P125

可知，该贮罐为中压储存容器，即为第三类压力容器。为保证设备密封性能良好，焊接结构采用双面焊或相当于双面的全焊透的对接接头，且全部无损探伤，故取焊接头系数υ=1.0。

6) 许用压力： 由DN=D1=2800mm，假设16MnR钢的厚度在16～36mm之间，

根据文献[2]-P168查表得，常温强度指标σb=490MPa，σs=325MPa，设计温度下的许用应力[σ]t=163MPa。

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3 设计计算

3.1 壁厚的计算

3.1.1

筒体壁厚

筒体壁厚包括计算厚度、设计厚度和名义厚度，其中计算厚度?为：

??即

2?????pctpc?DN （3-1）

??2.125?2800?18.371mm

2?163?1.0?2.125pc?DNt设计厚度?d为计算厚度与腐蚀裕量之和，即

?d?得

2?????pc?C2 （3-2）

?d=

2.125?2800?2.0?20.371mm

2?163?1.0?2.125设计厚度加钢板负偏差向上圆整到钢板的标准规格厚度， 即筒体的名义厚度：

δn=δd+C1+△ （3-3）

得

δn=20.371+0.8+△=22mm

即制作筒体的16MnR钢板厚度取δn=22mm。

其中，筒体有效厚度为：

δe=δn-C1-C2 （3-4）

所以

?e?22?0.8?2.0?19.2mm

3.1.2

封头壁厚

标准椭圆封头厚度近似等于筒体厚度，筒体和封头可采用同样厚度的钢板制造。由文献[2]-P185查得标准椭圆封头的形状系数K=1.00。

封头的设计厚度为：

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?d?即

2?????0.5PctPc?DN?K?C2

（3-5）

?d=

2.125?2800?1.00?2.0=20.311mm

2?163?1.0?0.5?2.125利用公式（3-3）计算封头的名义厚度，加入钢板负偏差圆整， 得

δn=20.311+0.8+△=22mm

即制作封头的16MnR钢板厚度取δn=22mm。

其中，根据公式（3-4），封头有效厚度为：

?e?22?0.8?2.0?19.2mm

由此查得，根据文献[2]-P176，标准椭圆封头的直边高度h0=50mm。 故取两封头切线之间的距离为

L=L0+2h0+1/2DN=4500+100+1400=6000mm。

3.1.3

压力试验

水压试验，试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于 30min。然后将压力降至规定试验压力的 80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。

根据文献[5]-P162公式，管件应力

Pt?DN??e??0.9?s? （3-6）

2?e?t?其中 δe=19.2mm；

σs=325 MPa；

Pt=1.25P=1.25×2.125=2.656 MPa 所以

?t?2.656?(2800?19.2)?194.994MPa

2?19.2水压试验时的许用应力为 ：

0.9?s?=0.9×325×1.0=292.5MPa

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可知，?t?0.9?s?，故水压试验满足强度要求。

3.2 鞍座承载能力计算

贮罐的总质量为：

m=m1+m2+m3+m4 （3-7）

式中，m1—罐体质量；m2—封头质量；m3—液氨质量；m4—附件质量。 3.2.1

罐体质量m1

由文献[5]-P312续表查得，DN=2800mm，δn=22mm时筒节钢板质量q1=1531kg/m，而

m1= q1·L0 （3-8）

于是

m1=1531×4.5=6889.5 kg

3.2.2

封头质量m2

由文献[5]-P312续表查得，DN=2800mm，δn=22mm，h0=50mm条件下椭圆型封头质量q2=1570 kg/m，按公式

m2=2 q2 (3-9)

有

m2=2×1570=3140kg

3.2.3

液氨质量m3

由文献[5] -P312，P315续表查得，DN=2800mm，δn=22mm，h0=50mm条件下1m高筒体的体积V1=6.154 m3，椭圆型封头的容积V2=3.18 m3，故

V=V封+V筒=2V2+L0×V1 （3-10）

于是

V=2×3.18+4.5×6.154=34.053 m3

由于液氨在0℃时的密度为64 kg/ m3，小于水的密度，充满液氨质量可按水计算，即ρ=1000 kg/ m3。所以，

m3=V·ρ （3-11）

可得

m3=34.053×1000=34053 kg

3.2.4

附件质量m4

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人孔约重200 kg，其它管的总和按300 kg计，故

m4=200+300=500 kg

所以，设备的总质量为

m=m1+m2+m3+m4

=6889.5+3140+34053+500=44582.5 kg

各鞍座的反力为

F=mg/2=44.5825×9.81/2=218.677kN。

由文献[6]-P604，P606查得，应选用轻型（A型）120°包角带垫板鞍座，鞍座宽度b=300mm，腹板厚10mm，垫板宽500mm，垫板厚8mm。 鞍座标记为：

JB/T4712—92 鞍座A2800—F JB/T4712—92 鞍座A2800—S

因为0.2L>0.5R，故取鞍座位置A=0.5R=0.5×1400=700mm

3.3 人孔补强计算

开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。

补强材料采用 16MnR。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。根据文献[7]-P76查得，接管公称直径为di=450mm时补强圈外径D2=760mm，内径D1=450+2×12+14=488mm。

1) 开孔所需补强面积A

内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为

A?d??2??et(1?fr) (3-12)

其中 d——开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量；

δ——壳体开孔处的计算厚度； δet——接管有效厚度；

fr——强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。 圆筒壳体开口处的计算厚度为：

??2?????ptpDi （3-13）

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?2.16?2800?18.676mm

2?163?1?2.16开孔直径

d?di?2C?450?2?(0.8?2)?455.6mm； 由于接管材料与壳体材料都为16MnR，故fr=1； 将以上数据代入式(3-12)，得： 开孔所需补强面积

A?455.6?18.676?8508.7856mm2

2) 有效宽度B

B1?2d?2?455.6?911.2mm

B2?d?2?n?2?nt?455.63?2?22?2?12?523.6mm取二者中较大值，得B=911.2mm。

3) 有效高度h

(1) 外侧高度h1

h1?d?nt?455.6?12?73.94mm

h1?接管实际外伸高度?274mm

取二者中较小值h1=73.94mm

(2) 内侧高度h2

h2?d?nt?455.6?12?73.94mm

h2?接管实际外内伸高度?0mm

取二者中较小值h2=0mm。

4) 补强面积Ae

在有效补强范围内，可作补强的截面积为

Ae?A1?A2?A3 其中 Ae——补强面积；

A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积； A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积； A3——焊缝金属截面积。 分别计算A1、A2、A3：

A1?(B?d)(?e??)?2?et(?e??)(1?fr)

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(3-14)

(3-15)

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故

A1?(911.2?455.6)(19.2?18.676)?2?9.2(19.2?18.676)(1?1)?238.7344mm2

A2?2h1(?et??t)?2h2(?et?C2)fr (3-16)

故

A2?2?73.94?(9.2?3.039)?1?0?911.089mm2

1A3?2??12?12?144mm2

2故按公式(3-14)，补强面积Ae为

Ae?238.7344?911.089?144 =1293.8234mm2

由于Ae?A，开孔需另加补强，其面积为：

A4?A?Ae

?8508.7856?1293.8234

?7214.9622mm2?7215mm2

5) 补强圈厚度?'

?'?A4D2?D1?7215?25.5256mm

760?488查标准补强圈厚度，取?'?26mm，计算补强圈厚度满足补强圈补强的条件。

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4 附件选择

4.1 人孔选择

如前文1.3所述选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95），公称压力PN2.5、公称直径DN450、RF型密封面、采用Ⅵ类 20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、C型缠绕垫。标记为：人孔RFⅥ（W·C-1220）450-2.5，总质量为 256kg，其中RF指突面封闭。

4.2 接口管的选择

4.2.1

液氨进料管

采用Φ57×3.5mm无缝钢管，L=500mm，管的一端切成45°，伸入贮罐内少许。配用具有突面密闭的平焊管法兰，法兰标记为：HG20594法兰SO50—2.5RF16MnR。 4.2.2

液氨出料管

采用可拆的压出管Φ25×3mm，L=2900mm，采用市场标准配件，将它用法兰套在接口管Φ38×3.5mm内，罐体的接口管法兰HG20594法兰SO32—2.5RF16MnR。液氨压出管的端部法兰HG20594法兰SO32—2.5RF16MnR。这些小管都不补强，压出管伸入贮罐2.5m。 4.2.3

液面计接口管

本贮罐采用玻璃管液面计BIW PN1.6，L=1000mm，HG21589两支；

与液面计相配的接口管尺寸为Φ18×3mm，L=400mm管法兰为HG20592法兰SO15—2.5RF 16MnR。 4.2.4

安全阀接口管

采用Φ32×2.5mm无缝钢管，L=200mm，法兰为HG20592法兰SO15—2.5RF 16MnR。 4.2.5

放空阀接口管

采用Φ32×2.5mm无缝钢管，L=200mm，法兰为HG20592法兰SO25—2.5RF 16MnR。 4.2.6

排污管

安装在贮罐左端最底部，管子规格为Φ57×3.5mm，L=200mm，管端焊有一与截止阀J41W—16相配的管法兰HG25092法兰SO50—2.5RF16MnR。

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