化工设备机械设计提交

1、22 / 23设计任务书一.设计题目液氨贮罐的机械设计二设计条件1.按夏季最高使用温度：T=502.贮罐筒体为圆筒体3.容器设计压力P=2.52MPa4.贮罐内直径Di=1600mm5.不包括封头的罐体长度L=2800mm6.使用地点：柳州三.设计内容1.选择符合要求的材料2.确定设计参数3.罐体壁厚的设计4.选择封头类型，对封头壁厚进行设计5.校核水压试验强度 5.1罐体水压试验强度 5.2封头水压试验强度6.应力的计算 6.1罐体应力的计算 6.2封头应力及应力分布的计算7.鞍座的设计8.人孔的设计9.人孔的补强 9.1补强圈的设计 9.2补强圈的强度校核10.接口管的设计11.设备装配图

2、1张及有关明细表和设计说明书1份任务下达时间：2013年1月6日 任务完成时间：2013年1月16日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与提高，需要运用课堂上所学的理论知识并查阅有关书籍而完成的设计。本设计的液料为液氨，又称无水氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广泛。分子式为NH3，相对密度0.7714g/L，熔点是-77.70C，沸点是-33.350C，自燃点是651.110C，蒸汽压是1013.08Pa(25.70C)。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。液氨在工业上应用广泛。 设计基本思路：设计压力

3、容器要求根据化工生产工艺提出的条件，确定容器设计所需参数（P、T、D），选定材料和结构形式，通过强度计算确定容器筒体及封头壁厚。对已制定材准的受压元件，可直接选取。而本设计容器为2800mm的液氨储罐，所以要求结合所学到的知识和利用身边可以查到的资料对2800mm的液氨储罐进行设计。本设计综合考虑环境条件（柳州）、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

4、件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备液氨储罐属于化工常见的储运设备，一般可分解为筒体，封头，法兰，人孔，支座及管口等几种元件。贮罐的工艺尺寸可通过工艺计算及生产经验决定。液氨贮罐是合成氨工业中必不可少的储存容器，所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体的性状及厚度、封头的性状及厚度、确定支座，人孔及接管、开孔补强的情况以及其他接管的设计与选取。目录设计任务书1前言1第一章·设计选材及结构11.1工艺参数的设定11.1.1设计压力11.1.2圆筒体的选材11.1.3封头的选材11.1.4贮罐的选型11.1.5附件材料的选型1第二章·设计计算12.1筒体

5、壁厚的计算12.2封头壁厚计算12.3水压试验校核12.3.1筒体水压试验校核12.3.2封头水压试验校核12.4应力的计算12.4.1罐体应力的计算12.4.2封头应力的计算12.5鞍座12.6人孔选择12.7人孔补强12.7.1贮罐后所需的补强面积12.7.2有效补强面积即已有的加强面积12.7.3补强圈的结构与尺寸12.8接口管的设计1技术要求1技术特性1接管表1总图材料明细表1总结1致谢1参考文献1附液氨贮罐机械设计设备装配图1张（A2图纸）第一章·设计选材及结构1.1工艺参数的设定1.1.1设计压力 根据500C液氨饱和蒸汽压为2032.5kpa，可以判断本设计的贮罐为内压

6、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500C时的饱和蒸汽压，本设计的设计压力为2.52Mpa，根据参考文献1中表2-2知该贮罐0.6Mpa<P<10Mpa,属于中压容器。1.1.2圆筒体的选材液氨贮罐大都露天放置，因而罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响。在柳州夏季贮，贮罐经太阳曝晒，温度可达50。而在冬季柳州最低气温可达到0。随着气温的变化，贮罐的操作压力也不断变化。由于该容器属于中压、常温范畴，同时温度和压力有波动，所以对材料的要求是耐压，耐低温，且抗压力波动。纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般钢材。可以考虑20R，

7、Q235B,Q345R等钢板。在价格方面，Q345R虽比20R贵，但当制造同等质量设备的费用时，Q345R钢板比较经济，因本设计对钢板应具有良好的综合性能和工艺性能。而Q345R是265-345MPa级的压力容器，屈服强度比Q235B大，Q345R钢是普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。综合知，圆筒体的材料选用Q345R钢板比较合适。1.1.3封头的选材就受力的角度而言，球形封头是最理想的结构形式，但其缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难；对于蝶形封头，考虑到球面部分与过度区连接外的局部高应力，其受力不均匀；至于锥形封头，考虑到封头与筒体连接处存在边

8、缘应力，且不易移动，所以不予采用。而椭圆形封头吸取了碟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。椭圆形封头增加了直边段，目的是避开在椭球边缘与圆筒壳体的连接处设置焊缝，使焊缝转移至圆筒区域，以免出现边缘应力与热应力叠加的情况。因此，从强度、结构和经济方面综合考虑，采用椭圆形封头作为封头的材料最合理。若采用标准椭圆形封头，这样可采用同样厚度的钢板来制造筒体和封头，制造比较方便。故常选用标准椭圆形封头作为圆筒体的封头。封头取与圆筒体相同的材料，即Q345R。根据参考文献2中附录D中压力容器常用零部件的封头设计（摘自GB/T25198-2010）得标准椭圆形封头参数表1标准椭圆形封头

9、参数公称直径DN/mm曲面高度h1/mm直边高度h2/mm内表面积Fi/m2容积V/m31600400252.90070.58641.1.4贮罐的选型在本设计中由于设计体积较小（约为6.8m3）且设计压力较小（P=2.52MPa）可采用卧式圆筒形容器，方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，所以选用圆筒形卧式容器。1.1.5附件材料的选型在确定了设计温度和设计压力之后，才可以选择容器用钢。选择容器用钢必须综合考虑：容器的操作条件，如设计压力、设计温度

10、、介质特性和操作压力等；材料的使用性能，如力学性能、物理性能、化学性能（主要是耐腐蚀性能）；材料的加工工艺性能，如焊接性能、热处理性能等；经济合理性及容器结构，如材料价格、制造费用和使用寿命等。优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。由于法兰必须具有足够大的强度和刚度，以满足连接的条件，使之能够密封良好，故选用Q345R的普通碳素钢。第二章·设计计算2.1筒体壁厚的计算

11、Q345R密度为7.85×103kg/m3， 查参考文献1中附录6得不同温度下Q345R的需用应力t列于下表：表2 Q345R不同温度下的许用应力t钢号板厚度/mm在下列温度（）下的许用应力/MPaQ345R<20100150200250300316189189189183167153>1636185185183170157143>3660181181173160147133>60100181181167150137123圆筒体的计算压力为2.52MPa，查参考文献1中表4-8知，贮罐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时，

12、则取焊接接头系数=1.0，100%无损检测，取许用应力t为189 MPa。则圆筒体计算壁厚： =500C 下液氨对钢板的腐蚀速率约为0.05mm/年。根据参考文献1表4-11知，双面腐蚀取C2=2.0mm，设计厚度： 根据参考文献1中表4-9知，C1=0.3mm。名义厚度： 圆整后该圆筒体可用14mm厚的Q345R钢板制作。2.2封头壁厚计算标准椭圆形封头a:b=2:1封头计算厚度： 封头设计厚度： 名义厚度： 圆整后n=14mm，可见，封头名义厚度与筒体名义厚度一样。2.3水压试验校核2.3.1筒体水压试验校核采用水压试验，试验压力： 式中：为试验压力 P为设计压力 为材料试验温度下的许用应

13、力 t为材料在设计温度下的许用应力 当设计温度小于200时，与t接近，此时，查参考文献1中附录6得显然2.3.2封头水压试验校核采用水压试验，试验压力：当设计温度小于200时，与t接近，此时，试验时薄膜应力 显然2.4应力的计算2.4.1罐体应力的计算筒身应力圆筒的平均直径:经向应力： 环向应力： 2.4.2封头应力的计算 求封头上最大应力a/b=2 , a=793mm ,在处，在处， 应力分布其最大应力有两处：一处在椭圆形封头的顶点，即X=0处；一处在椭圆形封头的底边，即x=a处。应力分布如图1所示。 图1 应力分布图 2.5鞍座先粗略计算鞍座负荷储罐总质量： （1） 罐体质量 ，质量=55

14、7kg/m查参考文献1中附录D压力容器常用零部件得=557（2） 封头的质量 ，直边角度h2=25mm的标准椭圆形封头，其质量m2=315kg（3）液氨的质量 = 其中，裝量系数取0.9（固定式压力容器安全技术监察规程规定，介质液化的气体的固定式压力容器，裝量系数不得大于0.95）其罐体的容积为： 液氨在0oC时的密度为638.6kg/m3查5得： （4）附件质量m4 查得人孔质量为323kg，其他接管质量总和按300kg计。所以m4=623kg。 则贮罐总质量为： 每个鞍座只承受32965.7N负荷，查参考文献1中表6-16知，可以选用轻型(A)，带垫板，包角为1200、焊制、六筋、高度为2

15、50mm的鞍座，允许载荷275.0×103>32965.7，鞍座材料采用Q235-A刚才制造。左鞍座标记为：JB/T4712.1-2007 鞍座A1600-F；右鞍座标记为：JB/T4712.1-2007 鞍座A1600-S由参考文献1中表6-16查得鞍座标准系列如下表： 表3 轻型鞍座参数尺寸 （DN1000-2000） （mm）公称直径DN允许载荷Q/KN鞍座高度h螺柱间距l2鞍座质量 /kg增加100mm高度需增加的质量/kg1600275250960116122.6人孔选择人孔是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等生产中的缺陷。人孔的结构由承受压力的筒

16、节、瑞盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件和安置与启闭瑞盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压元件组成。从是否承压的角度而言，人孔分为常压人孔和承压人孔；从人孔所用法兰类型看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带劲平焊法兰人孔和带劲对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、价格的性质，可以采用凸面、凹凸面、榫槽面或环接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖所处位置看，人孔又可以分为回转盖人孔 、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。选用时应综合考虑公称压力、公称直径、工作温度以及人孔的结构和材料等诸方面的因素。根据参考文献1P189中人孔规定，当设备内径Di=1000mm时，至少开设一个

17、人孔。根据参考文献3中 P279人孔尺寸的确定知，只有设备直径小、压力高的室内设备作为加料、清洗用时，才用400mm的人孔。根据贮罐的设计温度、最高压力、材质、介质及使用要求等条件，选用公称压力为2.5MPa的回转盖带颈对焊法兰人孔，公称直径为450mm,突面法兰密封面。查参考文献4中 D.8得该人孔的基本结构如下图 。图2 回转盖带颈平焊法兰人孔基本机构表4 回转盖带颈对焊法兰人孔几何尺寸参数（摘自HG/T21518-2005）密封面型式公称压力PN/MPa公称直径DN/mm突面型4.0450480×146856102701346050密封面型式b2BLd0d螺柱数量螺柱总质量/k

18、g直径×长度突面型543901752503044820323表5 查参考文献4附录5人孔得回转盖带颈对焊法兰人孔明细表（PN4.0 DN450）件号标准号名称数量材料尺寸1筒节1Q345R2HG/T20613螺柱20353HG/T20595螺母40254HG/T200-20612法兰1橡胶垫、石墨等5HG/T20601垫片1Q235-A F6法兰盖1Q235-A F7把手14碳钢8轴销1Q235-A F9销2Q235-A F10垫圈1Q235-A F11立轴耳11Q235-A F12法兰轴耳11Q235-A F13法兰轴耳21Q235-A F14盖轴耳21Q235-A F2.7人孔补

19、强为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱，而出现应力集中现象。为保证容器安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强，以降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足一定的条件。压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，在这里采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承截面积，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材料相同时，则补强面积等于削弱面积。补强材料为Q345R。2.7.1贮罐后所需的补强

20、面积 其中开孔直径： 强度削弱系数壳体开孔处的计算厚度：接管有效厚度：则2.7.2有效补强面积即已有的加强面积 壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（来自壳体、接管、缝金属、补强元件等） 其中：A e为有效的补强面积 mm2；A1为筒体上多余的金属面积 mm2； A2为人孔接管上的多余面积 mm2； A3为焊缝金属的截面积 mm2。有效宽度： 所以筒体上多余金属面积： 有效高度： 外侧高度： 取两者较小值 外侧高度： 取两者中较小值。 人孔接管上多余的面积：焊缝金属截面积：则 比较得，所以开孔需加补强。满足以下条件的可选用补强圈补强：钢材的标准常温抗拉强度；补强圈厚度小于或等于壳体

21、壁厚的1.5倍；可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。所需补强圈的面积为： 2.7.3补强圈的结构与尺寸根据焊接接头分类，接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，属于D类焊接接头，根据补强圈焊缝要求，根据化工容器及设备简明设计手册知，补强圈坡口取E型（适用于壳体为半坡口的全焊缝结构），查参考文献2表D-15补强圈尺寸系列JB/T4736-2002知，补强圈外径D0=760mm,由Di=do+(35得）内径Di=484mm。计算补强厚度：取标准补强圈厚度为8mm8<1.5=1.5×14=21mm。计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件，查参考文献2表D-15得对应补强圈质量为

22、16.9kg。2.8接口管的设计 （1）液氨进料管采用。管的一端切成450，伸入贮罐内少许。配用突面板式平焊管法兰： 20592 法兰 PL40-40 RF 16Mn（）（2）液氨出料管采用可卸的压出管，将它套入罐体的固定接口管内，并用一非标准法兰固定在接口管法兰上。 罐体的接口管法兰采用“HG/T 20592 法兰 PL32-40 RF 16Mn”，与该法兰相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与法兰：“HG/T 20592 法兰 PL32-25 RF 16Mn”相同，但其内径为25mm。 液氨压出管的断法兰（与氨输送相连）采用“HG/T 20592 法兰 PL20-40 RF 16M

23、n”。液氨出料管也不用补强。（3）排污管 贮罐右端底部安设一个排污管，管子规格是，管端装有一与截止阀J41W-16相配的管法兰：“HG/T 20592 法兰 PL40-40 RF 16Mn”。（4）液面计接管 本贮罐采用反射式玻璃管液面计“A I 2.5-1260-50 HG/T 21550-95”两支。其标记符号意义如下： 第一项用A I表示防霜液面计类型； 第二项2.5表示液面计公称压力等级，； 第三项1260表示液面计的公称长度，； 第四项50表示防霜翅片高度，；第五项HG/T21550-95表示该液面计的标准图号。（5）放空管接管采用无缝钢管，管法兰为“HG/T 20592 法兰 PL

24、25-40 RF 16Mn”。 (6) 安全阀接管采用无缝钢管，相应的管法兰为“HG/T 20592 法兰 PL25-40 RF 16Mn”。 技术要求1.本设备按GB 150.1150.42011压力容器和HG/T205842011钢制化工容器制造技术要求进行制造、检验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的固定式压力容器安全技术监察规程的监督；2.焊接采用电弧焊，焊条牌号Q345R间为J507，Q345R与碳钢间为J427；3.焊接接头型式及尺寸除图中标注外，按HG/T205832011的规定，不带补强圈的接管与筒体的焊接接头为G2，角焊缝的焊缝尺寸按较薄板的厚度，法兰的焊接按相应法兰标准中

25、的规定；4.设备筒体的A、B类焊接接头应进行无损检测，检测长度为100%，射线检测不低于JB/T 4730-2005 RT为合格，且射线照相质量不低于AB级；5.管口方位按贮罐总装配图且手画在A2纸上。技术特性序号名称指标1设计压力2.52MPa2最高工作温度500C3物料名称液氨4容积6.80m3接管表序号公称尺寸接管法兰标准密封面型式用途a1-2DN15 PN40HG/T20592-2009平面液面计接管口b1-2DN15 PN40HG/T20592-2009平面液面计接管口CDN450 PN40HG/T20592-2009突面人孔dDN32 PN40HG/T20592-2009平面出料管

26、eDN40 PN40HG/T20592-2009平面进料管fDN25 PN40HG/T20592-2009平面安全阀接口管GDN25 PN40HG/T20592-2009平面放空口hDN40 PN40HG/T20592-2009平面排污口序号标准号名称尺寸(mm)材料数量1接管45×3.5，L=400Q345R22法兰PL15-40 RI16Mn43接管45×3.5,L=210Q345R24液面计DN1600×14,h=25组合件25椭圆封头DN1600×14,h=25Q345R26罐体DN1600×14,L=2800Q345R17人孔PN=4

27、.0 DN=450组合件18JB/T4736-2002补强圈760/484=4.0Q345R19进料管45×3.5,L =110Q345R110法兰PL40×40,RF16Mn111安全阀接管32×2.5,L=110Q345R112法兰PL25-40 RF16Mn113放空阀接管32×2.5,L=110Q345R114法兰PL25-40 RF16Mn115JB/T4712.1-2007鞍座A1600-F/SQ235-A216法兰PL40×40,RF16Mn117排污管45×3.5，L=100Q345R118法兰PL25-40 RF16Mn119压料管25×3，L=1500Q345R120法兰PL32×25,RF16Mn121法兰PL32-25 RF16Mn122出料管38×3.5，L=100Q345R1总图材料明细表总结通过半个月的精心设计，查阅大量有关资料、书籍，与同学们交流经验和自学，请教老师等方式，完成了对液氨贮罐的设计。在此，非常感谢王贵霞等三位指导老师的精心指导。在本设计中，由于贮罐容积较小，故采用