梁敏茹压力容器设计

1、榆林学院榆林学院 过程装备与控制工程课程设计 题 目液氨储罐设计 系 （院） 化学与化工学院 专 业过程装备与控制工程 班 级08 本一 学生姓名梁敏茹 学 号 指导教师范晓勇 职 称讲师 设计任务书设计任务书 设计题目： 液氨储罐设计 设计任务： 设计一液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型 设计。包括应力分析报告、设计图样、制造技术条件。其中，应力分析报告包 括筒体、封头、零部件的材料的选择及结构的设计；罐的制造施工及焊接形式 等；设计计算及相关校核；各设计的参考标准。设计图样包括总图和零部件图 （CAD） 。 设计要求： 经济性和安全性。安全是前提，经济是目的，在确保安全的前

2、提下尽量可能做到经济。 设计条件： 公称直径（DN）2000mm工作压力2.07MPa 罐体长度 L6000mm工作温度50 使用年限20 年推荐材料Q235、16MnR、20R 使用地点榆林介质液氨 附：压力波动不考虑 设计任务书设计任务书.2 1 前言前言.4 2 设计选材及结构设计选材及结构.4 2.1 工艺参数的设定.4 2.1.1 设计压力.4 2.1.2 筒体的选材及结构.5 2.1.3 封头的选材及结构.6 3 设计计算设计计算.6 3.1 筒体壁厚计算.6 3.2 封头壁厚计算.7 3.3 压力试验.8 4 附件选择附件选择.9 4.1 人孔选择.9 4.2 人孔补强的计算.1

3、1 4.3 有效补偿面积.13 5 鞍座选型和结构设计鞍座选型和结构设计.13 5.1 估算鞍座的负荷.13 5.2 鞍座应力计算与校核：.15 5.2.1.腹板水平应力及强度校核：.15 5.2.2.鞍座有效断面应力校核：.15 6 容器焊缝标准容器焊缝标准.15 6.1 压力容器焊接结构设计要求.15 6.2 筒体与椭圆封头的焊接接头.16 6.3 管法兰与接管的焊接接头.16 6.4 接管与壳体的焊接接头.16 7 筒体和封头的校核计算筒体和封头的校核计算.17 7.1 筒体轴向应力校核.17 7.1.1 由弯矩引起的轴向应力.17 7.2 筒体和封头切向应力校核.19 8 总结总结.2

4、0 1 前言前言 本设计是针对过程装备与控制工程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。本 设计的液料为液氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广 泛。分子式 NH3，分子量 17.03，相对密度 0.7714g/L，熔点-77.7，沸点- 33.35，自燃点 651.11，蒸汽压 1013.08kPa(25.7)。蒸汽与空气混合物 爆炸极限 1625%(最易引燃浓度 17%)。氨在 20水中溶解度 34%,25时,在无 水乙醇中溶解度 10%,在甲醇中溶解度 16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化 合物的良好溶剂。水

5、溶液呈碱性。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。遇 热、明火,难以点燃而危险性较低; 但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明火 会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在,则危险性更高。 设计基本思路： 本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机 械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分 别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、 焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以 直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选 择合适的非标设备。 各项设计参数都正确参考了

6、行业使用标准或国家标准，这 样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。 2 设计选材及结构设计选材及结构 2.1 工艺参数的设定工艺参数的设定 2.1.1 设计压力 根据化学化工物性数据手册查得 50蒸汽压为 2032.5kpa，可以判断设 计的容器为储存内压压力容器，按压力容器安全技术监察规程规定，盛装 液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气 50时的饱和蒸 汽压力 2.07M pa，可取液氨容器的设计压力为 2.17 M pa，属于中压容器。而 且查得当容器上装有安全阀时，取 1.051.3 倍的最高工作压力作为设计压力； 所以取 2.17 M pa 的压力

7、合适。属于中压容器5。 pa10pM6 . 0Mpa 设计温度为 50 摄氏度，在-20200条件下工作属于常温容器 2.1.2 筒体的选材及结构 根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在 0.1/ 年以下，且又属于中压储罐，可以考虑 20R 和 16MnR 这两种钢材。如果纯粹从 技术角度看，建议选用 20R 类的低碳钢板， 16MnR 钢板的价格虽比 20R 贵，但 在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR 钢板为比较经济。所以在此选 择 16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为 GB6654-1996。筒体结 构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形

8、筒体，制造容易，安装内件方便， 而且承压能力较好，这类容器应用最广。 2.1.3 封头的选材及结构 封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度 是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但 缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量 也较大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头 与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅 的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结 构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。查椭圆形封头标准（JB/T4737-95） 表

9、2.1 椭圆封头标准 公称直径 DN 总深度 H/mm 内表面积 Fi/m2容积 V/m3 2000 525 4.49301.1257 3 设计计算设计计算 3.1 厚度厚度计算计算 查 压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢得 16MnR 的密度为 7.85t/m 3，熔 点为 1430，许用应力列于下表： t 常温强度指标 在下列温度（）下的许用应 力/ M pa 钢号 钢板标 准 板厚 / b /aMPs /aMP 2 0 100150200250300 616510345170170170170156144 163 6 490325163163163159147134 366 0 4703

10、05157157157150138125 16MnRGB6654 60 100 460285153153150141128116 圆筒的计算压力为 2.17 M pa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头 都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为 1.00, 全部无损探伤。取许用应力为 163 M pa。 壁厚 计算厚度为： 钢板厚度负偏差为：mm 1 0.8C 查材料腐蚀手册得 50下液氨对钢板的腐蚀速率小于 0.05mm/年。 双面腐蚀取腐蚀裕量： 2 0.05 20 22mmC 设计厚度为：mm d2 tt+C13.4215.4 名义厚度为：mm n12 tt13

11、.40.8216.2CC 有效厚度为; mm en12 tt182.815.2CC 圆整后的名义厚度为：18mm 3.2 封头壁厚计算封头壁厚计算 标准椭圆形封头：ab=2 1 k=1： 封头计算公式： 可见封头壁厚近似等于筒体壁厚，则取同样厚度。3 筒体和封头的结构设计： 3.2.1 封头的结构尺寸： 查标准 JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表 B.1 EHA 椭圆形封头内表 面积、容积下表 2： 2.17 2000 13.4mm 2 163 1 2.17 2 c it c p D p t 1 2.17 2000 13.35mm 2 163 1 0.5 2.17 20.5 c

12、it c Kp D p t 表表 2 2 ：EHAEHA 椭圆形封头内表面积、容积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/ 2 m 容积/V封 3 m 20005254.49301.1257 i D2000 =252525 2 H-h44 i D mm由，得h=H - （） 3.2.2 筒体的长度计算 260002 2560506.05mLLhmm 3.3 压力试验压力试验 压力试验包括强度试验和致密性实验。 前者 是指超工作压力下进行液压实验，目的是检查 容器在超工作压力下的宏观强度，包括检查材料的缺陷、容器各部分的变形、 焊接接管的强度和容器

13、法兰连接的泄露检查等;而后者是对介质的毒性程度为极 度或高度危害的容器或对密封性有特殊要求的容器，在强度实验合格后进行的 泄露检查。 用于液压试验的介质一般是水，为了防止氯离子的腐蚀，试压水应当控制 ，为避免试压时发生低温脆性破坏，对于 16MnR，液体温度 6 cl25 10 （质量） 不得低于 5. 水压实验时的压力： 水压实验的应力校核 水压实验时的应力： 水压实验时的许用应力： 4 附件选择附件选择 s 0.90.9 1 325292.5paM t p1.25p1.25 2.072.5875pa T M ie e (t2000 15.2 2.5875171.52pa 2t2 15.2

14、T T P D M ） 4.1 人孔选择人孔选择 人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺 陷。 人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元 件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。 人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看， 承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人 孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用 突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所 处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三

15、种。 人孔标准 HG21524-95 规定 PN1.0Mpa 时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊 法兰人孔。 容器上开设人孔规定当 Di1000 时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是 圆形的，人孔公称直径最小尺寸为 400。 综上所述，并根据储罐是在常温下及设计压力为 2.07M Pa 的条件下工作,人孔 的标准按公称压力为 2.5 M Pa 等级选取。考虑到人孔盖直径较大较重,故选用 水平吊盖带颈对焊法兰人孔(HG 21524-95)，公称直径为 450mm，突面法兰密封 面(RF 型)。该人孔结构中有吊钩和销轴，在检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴 旋转，即可轻松进入，而不必将其取下以节约

16、维修时间。查得该人孔的有关数 据如下: 表 4.1 水平吊盖带颈对焊法兰人孔(突面)标准尺寸 (mm) 公称压力 M Pa 公称 直径 dWSDD1dbb1b2AH1H2d0 2.5450 4801 2 67060045046394438032021436 该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为：HG21524-95 人孔 RF （AG）450-2.5 其中 RF 指突面密封，指接管与法兰的材料为 16MnR，AG 是指用普通石棉 橡胶板垫片，450-2.5 是指公称直径为 450mm、公称压力为 2.5 Mpa。 表 4.2 人孔 PN2.5 DN450(HG21524-95)明细表 件号标准号

17、名称数量材料尺寸/mm 1 筒节 116MnR dWS=48012，H1=320 2HGJ52-91 法兰 1 16Mn(锻件) 3HGJ69-91 垫片 1 石棉橡胶板=3(代号 AG) 4HGJ63-91 法兰盖 116MnR b1=39， b2=44 5HGJ75-91P 螺柱 2035M332175 6 7 8 9 10 11 12 13 14 GB95-85 GB41-88 螺母 吊环 转臂 垫圈 20 螺母 M20 吊钩 环 无缝钢管 支承板 40 1 1 1 2 1 1 1 1 25 Q235-A.F Q235-A.F 100HV 4 级 Q235-A.F Q235-A.F 20

18、 16MnR M33 d0=36 4.2 人孔补强的计算人孔补强的计算 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。 压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即 壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补 强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采 用 16MnR。 中国容器规定当 12 时，接管公称直径小于或等于 80mm；当 12 时， n t n t 接管公称直径小于或等于 50mm 的单个开孔允许不另行补强。 且接管 DN=45080mm 需另行补强 n t18m

19、m12mm 中国容器标准中对最大开孔直径的限制如下：当内径 1500 时，开孔最大直 i d 径 =666.7mm 满足1000mm 取 =450mm 故 i d i d 可采用等面积补偿。 开孔补强的有关计算参数如下： 开孔后所需补强面积 A 对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为： 2.17 2000 13.4mm 2 163 1 2.17 2 c it c p D p T 开孔直径。由于接管材料与壳体材料 mmCdd i 6 . 455)28 . 0(24502 都为 16MnR，故 fr=1，内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为： (4.1) 0n d2 (t)(1) r ATTCf 式中

20、d开孔直或接管内径加上壁厚加量 C 以后的直径， 2 i ddC T壳体开孔处的计算厚度，mm； 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, 。 1.0 r f 代入数据得：开孔所需补强面积 455.6 13.46105.04A 2 mm (2) 有效宽度 B mmdB2 .911 6 . 45522 mm 22455.62 182 17525.6 nn BdTt 二者中取较大值 B=911.2mm。 补强区外侧高度 mm 1n hdt455.6 1788.0 =接管实际外伸高度=320mm 1 h 所以 =88.0mm 1 h 补强区内侧高度 mm 1n hdt455

21、.6 1788.0 i i 2000 d= 33 D =接管区实际内伸长度=0mm 2 h 所以 =0mm 2 h 4.3 有效补偿面积有效补偿面积 筒体多余面积 1 A ： 1nnnr 2 (d)(T -T-C)-2(t -C)(T -T-C)(1-f ) =(911.2-45.6)(18-13.4-2.8) =820.08mm AB 接管的多余面积： 2 A 21nr2n2r 2 2(t -C)-t f2(t -C)-Cf 2 88(17 1) 13.41457.6mm Ahh 焊缝金属截面积： 焊角取 6.0mm 22 3 1 6236 2 Amm 820.08+457.6+36=131

22、3.68 123e AAAA 2 mm 0 A 所以开孔需另行补强 另需补强面积为：=4791.36 4e AAA 2 mm 5 鞍座选型和结构设计鞍座选型和结构设计 5.1 估算鞍座的负荷估算鞍座的负荷： 储罐总质量 1234 2mmmmm 筒体的质量 1 m 1 33 3.14 2.018 6.05 18 107.85 10 5416.87 nn mDL kg 单个封头的质量：查标准 JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表 2 m B.2 EHA 椭圆形封头质量，可知， 2 m627.7kg 充液质量：， 3 m 水液氨 3 2 m 4 kg 水封头筒体 （V+V） =1000（

23、2 1. 1257+26） =21091. 4 附件质量：人孔质量为 302kg，其他接管质量总和估为 200kg，即 4 m 4 502kgm 综上所述，=28265.67kg 1234 2mmmmm 支座反力 =138.5KN mg F= 2 该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用 Q235-B。 由此查 JB4712.1-2007 容器支座，选取轻型，焊制为 BI,包角为 120 ，有垫板 。 的鞍座。查 JB4712.1-2007 表 6 得鞍座结构尺寸如下表 3： 表 3：鞍式支座结构尺寸 公称 直径 DN2000 腹板 2 104 b 350 允许 载荷 Q/kN3003 l 3314

24、 8 鞍座 高度 h2502 b 190 垫板 e40 1 l 14203 b 260 螺栓间 距 2 l 1260 1 b 220 筋板 3 8 底板 1 12 垫板弧长 2330 鞍座 质量 Kg152 5.2 鞍座应力计算与校核鞍座应力计算与校核： 5.2.1.腹板水平应力及强度校核： 由可得，水平分力 120 9 0.204K S9 0.204 138.528.254FK FkNkN 计算高度，鞍座腹板厚 os 11 10min(,)min(1000,200)200 33 a bmmHR Hmm 度 o 10bmm 鞍座有效断面平均应力： 9 0 28.254 11.30 0.25 0

25、.01 s s F MPa H b 5.2.2.鞍座有效断面应力校核： 鞍座材料 Q235-B 的许用应力 s 235 s MPa 9 2 11.30 156.67 3 sMPa 故鞍座有效断面应力校核合格。 6 容器焊缝标准容器焊缝标准 6.1 压力容器焊接结构设计要求压力容器焊接结构设计要求 焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复 杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则； 焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称； 有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金 属的稀释率） 。 6.2

26、筒体与椭圆封头的焊接接头筒体与椭圆封头的焊接接头 压力容器受压部分的焊接接头分为 A、B、C、D 四类，查得封头与圆筒连接的环 向接头采用 A 类焊缝。 焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化 的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围 广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚 固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生 产率低，劳动强度高。 封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为 I 型坡口。 根据 16MnR 的抗拉强度=490Mpa 和屈服点=325Mpa 选择 E

27、50 系列（强度要 b s 求：490Mpa；400Mpa）的焊条，型号为 E5014.该型号的焊条是铁粉 b s 钛型药皮（药皮成分：氧化钛 30%，加铁粉） ，适用于全位置焊接，熔敷效率较 高，脱渣性较好，焊缝表面光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢 结构。 6.3 管法兰与接管的焊接接头管法兰与接管的焊接接头 管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准 HG20605-97,根据公称通经 DN 80 选择坡口宽度 b=6mm，如附图中的局部放大图所示。 6.4 接管与壳体的焊接接头接管与壳体的焊接接头 所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊 接有全焊透和

28、部分焊头两种，它们的焊接接头均属 T 形或角接接头。选择 HG20583-1998 标准中代号为 G2 的接头形式，基本尺寸为； 550 ；，且，它适用于， 5 . 02 b 5 . 01p t k 3 1 6k 254 s ，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为 24mm，所 st 2 1 以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。 如附图中的局部放大图所示。 7 筒体和封头的校核计算筒体和封头的校核计算 7.1 筒体轴向应力校核筒体轴向应力校核 7.1.1 由弯矩引起的轴向应力 筒体中间处截面的弯矩： (6.1) L A L h L hR FL M

29、 i im 4 3 4 1 2 1 4 2 22 1 式中 F鞍座反力，N； 椭圆封头长轴外半径，mm； m R L两封头切线之间的距离，mm； A鞍座与筒体一端的距离，mm； hi封头短轴内半径，mm。 22000 18 2 1018 22 n m DN Rmm 22 2 5 1 21018482 1 138.5 70504 482 7050 1.75 10 4 482 47050 1 3 7050 MN mm 支座处截面上的弯矩： (6.2) L h AL hR L A FAM i im 3 4 1 2 1 1 22 2 所以 22 4 2 4021018482 1 70502 402 7

30、050 138.5 40215.61 10 4 402 1 3 7050 MN mm 由化工机械工程手册 （上卷，P1199）得 K1=K2=1.0。因为 M1M2，且 ARm/2=509mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核 跨中面应力。 筒体中间截面上最高点处 (6.3) em R M 2 1 1 14 . 3 12 180.8216.2 en CC 所以 5 -3 1 2 1.75 10 3.54 10 3.14 101815.2 MPa 最低点处： -3 21 3.54 10 MPa 鞍座截面处最高点处： 4 3 2 3 22 1 5.61 10 1.13 10 3.143.14 1.

31、0 101815.2 me M MPa K R 最低点处： 4 3 2 3 22 1 5.61 10 1.13 10 3.143.14 1.0 101815.2 me M MPa K R 7.1.2 由设计压力引起的轴向应力 由 e m p pR 2 所以 2.17 1018 72.7 2 15.2 p MPa 7.1.3 轴向应力组合与校核 最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处 所以 22 72.70.0035472.7035 p MPa 许用轴向拉压应力t=163MPa，而 2t 合格。 最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处 11 0.00354MPa 轴向许用应力： 0.0940.094 15.2 0.00143 1000 e i AMPa R 根据 A 值查外压容器设计的材料温度线图得 B=150MPa，取许用压缩应力 ac=150MPa，1ac，合格。 7.2 筒体和封头切向应力校核筒体和封头切向应力校核