（完整版）20立方米液氨储罐设计

1、本word文档可编辑可修改 过程设备设计课程设计说明书设计项目： 20M 3液氨储罐设计所属院系：化学化工学院专业班级：化学工程与工艺 1304班学号：学生姓名：指导教师：张铱鈖2016年 01月 20日1 摘要本次课程设计任务为设计一个容积为 20m3的液氨储罐，采用常规设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管等进行设计，然后对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。设计说明书的正文部分包括工艺设计和机械设计，其中机械设计包括结构设计和强度计算两部分内容，结构设计中包括设备一系列零部件

2、的数据，强度计算包括厚度计算、水压试验、气密性试验等。2 一、设计任务书20M3液氨储罐设计课程设计要求及原始数据（资料）一、课程设计基本要求1、按照国家压力容器设计标准、规范设计要求，掌握典型过程设备设计的过程。2 、设计计算采用手算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠。3 、工程图纸要求计算机绘图。4 、独立完成。二、原始数据表 1 设计条件表序号项目数值备注123456789名称用途液氨储罐液氨储存最高工作压力工作温度MPa由介质温度确定-20 50公称容积 M3工作压力波动情况装置系数 f可不考虑0.85工作介质液氨（中度危害）使用地点太原市，室外- 3 - 目 录一、设计任务书 2

3、二、课程设计内容 5工艺设计 5一、设计压力的确定 5二、设计温度的确定 6机械设计 6一、结构设计 6设计条件 6结构设计 71、压力容器选择 7物料的物理化学性质压力容器的类型压力容器的用材2、筒体和封头的结构设计 8容器的筒体和封头壁厚的设计 8三设备的设计计算1、筒体名义厚度的初步确定 82 、封头壁厚的计算 8容器的水压试验 103、各个接管的位置及法兰的选择 11接管的设计法兰的设计垫片的选择- 4 - 4、人孔的选取 135、液面计的设计 156、鞍座的计算 16筒体的质量封头的质量液氨的质量附件的质量确定鞍座类型鞍座安装位置确定7、焊接接头设计 17回转壳体的焊接结构设计接管与

4、壳体的焊接结构设计带补强圈的接管的焊接8.开孔补强计算 18四、参考文献 20- 5 - 二、课程设计内容课程设计内容包括工艺设计和机械设计两部分工艺设计工艺设计的内容是根据设计任务提供的原始数据和生产工艺要求，通过计算和选型W fV确定设备的轮廓尺寸。其中设计储量：t式中f =0.85 V =20m3由表 2得：563/m3=0.563t/m 3故 W=0.85200.563=9.571t表二液化气体饱和蒸汽压及饱和液密度=t温度-15103050饱和蒸汽压氨氨0.2690.6031.1562.030MPa（绝压）饱和液密度Kg/m3658625595563一、设计压力的确定设计压力应根据最

5、高工作压力来确定。对于盛装液化气体的压力容器，可根据固定式压力容器安全技术监察规程 TSG R0004-2009中条例 3.9.3来确定：经查表 2得 50下液氨饱和蒸汽压（绝压）为 2.030MPa。pW工作压力=（2.030.1）MPa=1.93MPa设计压力为容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，而最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不得低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的 1.05 1.10倍，所以设计压力 P=2.1MPa液柱静压力为：P氨Di氨ghg2.2 9.8 5

6、63Pa 12138. 28Pa氨- 6 - P12138. 28Pa2. 1MPa氨0. 5780 5,P于是忽略了液柱静压力的影响，得到 P P 2. 1MPac二、设计温度的确定根据液氨储罐工作温度为 -2050选择设计温度 t=50机械设计机械设计包括结构设计和强度计算两部分一、结构设计设计条件表 3结构设计条件表项目内容液氨1.932.1备注工作介质工作压力MPaMPa由介质温度决定设计压力工作温度设计温度-205050公称容积（ Vg）m320计算容积（ V）m3计20工作容积（ V）m3工20.6装量系数 f0.85介质密度（）t/m 3t0.563材质Q345R，16MnR，1

7、6Mn保温要求其他要求无无表 4 管口表接管代号公称尺寸DN80连接尺寸标准连接面形式用途或名称ABHG/T20592-2009HG/T20592-2009FMFM进口DN100备用口- 7 - CDDN70DN70DN80DN25DN70DN450DN20HG/T20592-2009HG/T20592-2009HG/T20592-2009HG/T20592-2009HG/T20592-2009HG/T20592-2009HG/T20592-2009FMM排气口放净口EM出口PISVMFMFMMFMFM压力计口安全阀接口人孔LG液位计接口结构设计化工设备的结构设计包括设备承压壳体（一般为筒体和

8、封头）及其零部件的设计。设备零部件包括支座、接管和法兰、人孔和手孔、液面计、视镜等。我国已经制订了化工设备通用零部件的系列标准，设计时可根据具体设计条件按照附录中给出的相关标准进行选用。1、压力容器选择（a）物料的物理化学性质氨作为一种重要的化工原料，应用广泛，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。液氨，又称为无水氨，是一种无色液体，有强烈的刺激性气味，液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，采用钢瓶和槽车装运。（b）压力容器的类型化工设备的主体是压力容器，容器的强度决定着设备的安全性，为了加强压力容器的安全监察，保护任命生命和财产的安全，国家质量监督局颁布

9、了?压力容器安全技术监察规程 ?这是一部对压力容器安全技术监督提出基本要求的法规，压力容器设计、安装、使用、检验、修理和改造等单位必须遵守的法规，为了有利于安全技术监督和管理，?压力容器安全技术监察规程 ?将其管辖范围内的压力容器划分为三类，分别为第一类压力容器、第二类压力容器和第三类压力容器。本次设计压力容器中的介质为液态氨，属于中度危害，是第二组介质且设计压力为中压，所以将其划分为第二类压力容器。（c）压力容器的用材- 8 - 正确选择材料对于保护设备的安全使用和降低成本是至关重要的。压力容器用材料包括容器及压壳体用钢和设备零部件用材料，零部件有受压元件（如接管、法兰）和非受压元件（如支座

10、），所用材料涉及钢板、钢管、锻件、型钢及钢棒等。压力容器受元件用钢应符合 GB150钢制压力容器中的有关规定，对于非受压元件用钢，当与受压元件焊接时，也应是焊接性能良好的钢材。压力容器通常采用钢板经过成型焊接而成，法兰视具体情况可采用钢板或锻件，螺栓和螺柱应采用钢棒，接管一般应采用无缝钢管，支座所用材料涉及钢板，型钢及钢管，因为使用温度在 -2050，设计压力为 2.1MPa，所以选用 Q345R，封头采用标准椭圆形封头，同样采用 Q345R。采用 16Mn为钢管的材料。法兰采用 16Mn2、筒体和封头的结构设计（a）筒体公称直径和筒体长度的确定：筒体直径一般由工艺条件决定，但是要符合压力容器

11、的公称直径。标准椭圆型封头是中低压容器经常采用的封头形式。封头公称直3径必须与筒体的公称直径相一致。公称体积 V 20m , L 4600mm,Di2200mmg二、强度计算容器的筒体和封头壁厚的设计1、筒体名义厚度的初步确定：t筒体设计选用 616 mm厚度的 Q345R，50下其许用应力 185MPa。计算厚度：p D ic2 tp c式中，pc计算压力， MPa；Di圆筒内直径， mm； t容器元件材料在设计温度下的许用应力， MPa；圆筒的焊接接头系数双面对接焊缝， 100%无损检测则1.0PC Dit2. 1 2200计算厚度mm 12. 678mm2 185 1 2. 12PC-

12、9 - 取腐蚀裕量 C =2mm，查表得负偏差2C1=0.3mm，C C ( 12. 678 2 0. 3)mm 15. 978mmd12所以取=16mm，则nC C (16 2 0.3)mm 13.7mmen212、封头壁厚的计算1.0本设计采用标准椭圆封头（ 2:1）即： K（形状系数） =1.0。式中PcDi根据公式，封头的设计壁厚为：C215. 52mmdt20. 5PcC 0.30mm，查表：取钢板的负偏差则筒体的名义壁厚为：116mmC 15.82mm。1d标准规定以内径为公称直径的标准椭圆形封头 (代号 EHA)的直边高度只与公称直径有关：DN 2000mm时,直边高度为 25m

13、m；DN2000mm时,直边高度为 40mm。由于所设计的筒体公称直径 DN=2200mm 2000mm，所以直边高度为 h =40mm，（b ）椭圆形封头内表面积、容积：查 GB/T25198-2010压力容器用封头中 EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下表：- 10 - 表 5 EHA椭圆形封头内表面积、容积公称直径 DN/mm总深度 H/mm内表面积 A/m2容积 V /m3封22005905.52291.54591、容器的水压试验所谓压力试验，就是用液体或气体作为工作介质，在容器内施加比它的设计压力还要高的试验压力，以检查容器在试验压力下是否有渗漏、明显的塑性变形以及其他缺陷。压力试验

14、分为液压试验和气压试验两种，一般采用液压试验，而且普遍采用水为液压试验介质，故本次设计采用水压试验。根据 GB150标准的规定，液压试验时PT 1.25P t式中， 容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa； t容器元件材料在设计温度下的许用应力， MPa。185PT 1. 25 2.12. 625MPa所以185PT (D)eT2e而圆筒的应力MPa；式中T试验压力下圆筒的应力，圆筒内直径， mm；Die圆筒的有效厚度， mm；s圆筒材料在试验温度下的屈服点， MPa；圆筒的焊接接头系数。设计容器：2.625 (2200 13.7)2 13.7212.079MPa 0.9R 0.9 1 3

15、45 310.5MPaeLT- 11 - 所以，厚度校核合格。3、各个接管的位置及法兰的选择（a）接管的设计：各物料进出管及检测仪表等接管内伸形式为插入式。开孔：入口 DN80，出口 DN80，放净口 DN70，排气孔 DN70，备用口 DN100，安全阀口 DN70，压力表接口 DN25,液位计口 DN20，人孔 DN450。由输送流体用无缝钢管查得各管的外径以及壁厚；外伸的尺寸由实际工程决定；对于液氨的入口管，其伸进的管长应大于筒体中心线的100-200mm,进料管伸进设备内0部并将管口的一端切成 45，为了是避免物料沿设备内壁流动 ,减少磨蚀和腐蚀并且为了在短时间内将物料注满容器。表 6

16、各接管设计表压力表接液面计接备用口接口入口出口排气孔70放净口70人孔 安全阀接口口口DN8080450480707625322032100102外径（B系列）89897676壁厚99下部20009上部20009下部200020上部375097上部20007封头见图010上部2000安装位置外伸尺寸内伸尺寸数量上部20015001上部200011111121伸出量质量 Kg0.613.222.522.522.112.112.110.6127.125HG/THG/THG/THG/THG/THG/T20592WN32(B)-4.0 FMS=4.516Mn20592205922059220592HG

17、/T 20592 20592WN80(B)-4. WN25(B)0 FM S=6 -4.0 FM接管法兰 WN80(B WN80(B WN40(B WN25(B型号)-4.0 FM )-4.0 FM )-4.0 FM )-4.0 FMS=6S=6S=4.516MnS=4.516Mn16MnS=4.516Mn16Mn16Mn- 12 - 两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍，其他管口如液相出口管，安全阀接口，压力表接口，气相管，放气管，排污管等管间的L2 ( d nd )m间距均由下述来设计并计算：上部：人孔，进料口，备用口，压力计口，排气口，安全阀接口，人孔中

18、心线与筒体左间距： 800mm人孔中心线与进料口心线间距 :600mm进料口中心线与备用口中心线的间距 :400mm备用口中心线与压力表接口中心线的间距 :400mm安全阀口中心线与筒体右间距 :400mm排气口中心线与安全阀口中心线间距： 40mm下部：净放口，出口出口中心线与筒体间距： 200mm净放口中心线与筒体间距： 200mm（b）法兰的设计：法兰设计可根据法兰标准进行选型设计，也可按 GB150相关条款进行设计。法兰有压力容器法兰和管法兰，二者属不同的标准体系。设计内容如下：根据设计压力、操作温度和法兰材料决定法兰的公称压力PN；水压实验的压力P =2.625MPaT，因此选择高一

19、级别的公称压力，因此 PN =2.5根据公称直径 DN、公称压力 PN及介质特性决定法兰类型及密封面型式，法兰选带颈对焊法兰（标准 HG/T 20954-2009）- 13 - 带颈对焊钢制凹凸面法兰表 7 PN25带颈对焊钢制管法兰及密封面尺寸（ mm）公称钢管尺寸外径法兰法兰高度H连接尺寸法兰颈厚度DN20A1DKLnThCNS H1 R25 105 7532 115 8514 4 M12 18614 4 M1240 2.3 646 2.6 644402518408038 200 160 18 4 M1645 235 190 22 8 M2089 670 600 36 20 M3324 1

20、05 3.2 12 818 134 3.6 12 8581004506546 522 8.8 20 12 110（c）垫片的选择：根据温度、压力及介质腐蚀性选择垫片材料选用柔性石墨复合垫4、人孔的选取压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般的人孔有两个手柄。人孔选择回转焊带颈法兰人孔，根据储罐在常温下及高温工作压力为2.1 Mpa的条件以及水压试验压力 2.5 Mpa下工作，人孔的标准公称压力为 2.5 Mpa等级选取，公称直径为 450.0mm，凹凸面法兰密封面。由于此卧式容器筒体长度大于等于 1000mmm时，应设置 1个

21、人孔- 14 - 表 9回转盖带颈对焊法兰人孔明细表件号标准号名称筒节数量1材料16MnR1234HG20613HG20595等长双头螺柱螺母204018.8级35CrMoA8.8级35CrMo16MnII法兰- 15 - 56HG20606HG20601垫片法兰盖1111221111非金属平垫16MnR7把手Q235 -AFQ235 -AFQ2158轴销9GB/T91GB/T95销1011121314垫圈100HV盖轴耳（ 1）A法兰轴耳（ 1）法兰轴耳（ 2）盖轴耳（ 2）Q235 -AFQ235 -AFQ235 -AFQ235 -AF查表得回转盖带颈平焊法兰人孔的各零件名称、材料及尺寸：

22、表10回转盖带颈平焊法兰人孔的尺寸DABLbd总质量d swD1b1b2H 1H 2480x12 670 600 370 175 250 42 41 46 250 121 456 245（kg）则人孔的标记为： MFMIII-8.8(NM)A500-4.0HG/T21518-2005故L =1000mm15、液位计的设计（1）根据罐内水压试验压力 P 2. 5MPa选取压力等级为 2.5 MPa。（2）选普通型，外加保温层的液位计。（3）中心距 L的选择：液位： h 0.85 Di0.85 2200 1870mm- 16 - 液位计位置距筒体顶部为 200mmL 1870 200 1630mm

23、 L 1700mm取的液位计（4）材质选择： 0Cr18Ni9（304）。（5 ）介质0.658kg / L。（6）采用规格为 DN15的接管外伸 600，内伸 0。（7）采用带颈对焊法兰，法兰规格为 DN15，密封面型式采用突面。由工艺标准选择磁性液位计，标记为 HG/T21584-95 UZ4M-1700-0.563AF304C6、鞍座的计算m m m m m4首先估算鞍座的负荷。储罐的总质量：123式中： m为筒体质量（ kg），m为封头质量（kg），m为水质量（ kg），m为附1234件质量（ kg）。（a）筒体的质量 m1316 mm的筒节， Q345R的密度为 7.83 10 Kg

24、 / m3DN=2200mm，n2D 2L23.14 2.2 2 0.0162.227.60.846m3VD 2n44m17830 0.846 g 6624.18KgK故（b）封头的质量 m2DN=2200mm，16 mm直边高度 h=40mm的标准椭圆形封头，其质量为 683.2kgn故m 2 683.2kg 1366.4kg2（c）液氨的质量 m3，m =W3W fV 0. 85 32 563 15313.6kg（d）附件的质量：支座，接口管，法兰总的质量约为则： m4=668kg（e）经过上述计算得： m m m m m 2103.05kg1234mg 21030. 5 9. 8Q103

25、049. 45N 104kN22- 17 - 0120的鞍座，即由于每个鞍座承受约 104kN负荷，故选用轻型带垫板包角为JB/T4712.1-2007鞍座 B2200-F,材料 Q235A和 JB/T4712.1-2007鞍座 B2200-S,材料 Q235A表 11 B型支座系列参数尺寸（JB/T4712.1-2007）腹板螺栓配置公称直径DN允许载荷kN底板筋板垫板高度 Hl1b1l 3b2b3b4eL2质量弧长1242200 1230 2501580 2401614245 208 290 2570 510 121001380314（f）鞍座安装位置确定双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受

26、均布载荷的外伸梁， 由材料力学知，当外伸长度 A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，所以通常取尺寸 A不超过 0.2L值，中国现行标准 JB4731钢制卧式容器规定） A 0.2L=0.2（L+2h+2 n），A最大不超过 0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。- 18 - A 0.2(L 2h 2 ) 1542.4mm由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此，JB 4731还规定当满足 A 0.2L时，最

27、好使 A 0.5R（ R R in2）,即mmn) 604mm，取2A=600mmA 0.5R 0.5（Rim综上有： A=600mm。7、焊接接头设计容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝 ,熔合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。焊接接头的型式直接影响到焊接的质量与容器的安全。焊接接头的型式及焊接材料应在化工设备的装配图及零部件图中以适当的方式表示出来。（a）回转壳体的焊接结构设计回转壳体的拼接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向及环向接头，凸形接头上的拼接接头，即 A，B类接头，是容器要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要，必须采用对接焊，不允许采用搭接焊 .对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损检测，可获得最好的焊接接头质量。此采用 V型对接接头。- 19 - （b）接管与壳体的焊接结构设计接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊， 具体的焊接