卧式液氨储罐设计

1、1前前 言言.12设计总论设计总论.22.1设计任务.22.2材料及结构的选择与论证.22.2.1材料的选择.22.2.2封头的选择.32.2.3人孔的选择.32.2.4容器支座的选择.42.2.5密封装置设计.52.2.6开孔和开孔补强.62.2.7焊接结构设计.73设计计算设计计算.93.1确定罐体的形状及内径.93.2设计主要技术参数的确定.143.2.1设计压力.143.2.2设计温度.143.2.3厚度及厚度附加量.153.2.4焊接接头系数.163.2.5许用应力.163.3筒体厚度设计.173.4封头壁厚设计.193.5水压试验及强度校核.193.6人孔并核算开孔补强.203.6

2、.1人孔的选择.203.6.2开孔补强的计算.213.6.3补强圈设计.243.7核算承载能力并选择鞍座.243.7.1承载核算.243.7.2鞍座的选择.253.8液面计选择.263.9压力计选择.263.10安全阀选择.273.11接口管选择.274筒体和封筒体和封头头的的应力校核计算应力校核计算.294.1由弯矩引起的轴向应力校核.294.2筒体和封头切向应力校核.325结结 论论.33参考参考文文献献.34谢谢 辞辞.35附附 录录.36本储罐技术要求.36主要设计数据列表.36接管方位示意图.37压力容器装配结构简图.38卧式液氨储罐设计摘要：用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质

3、的储罐，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用。本设计运用常规设计的方法，对卧式液氨储罐的筒体、封头进行厚度设计计算，对水压试验进行校核，并对所开人孔进行补强设计。按照相关标准选择密封装置、人孔、支座、接口管以及部分安全附件。根据设计时的需要附上一些储罐零件图与储罐装配简图。完成了一个相对比较完整的卧式液氨储罐的设计。关键字关键字：储罐；压力容器；设计；计算Design of Horizontal Type Liquid Ammonia Storage TankAbstract: Storage tank is used to store or pack gases, l

4、iquids, liquefaction gases and other media. It is widely used in the chemical industry, petroleum, energy, light industry, environmental protection, pharmacy and food industries. Conventional design methods is used in this design to calculate and design the thickness of the horizontal cylinder of li

5、quid ammonia storage tank and the head, check the water pressure test, and reinforced design of the opened manhole. Selected hermetic devices, manhole, supports, hicky tube and security accessories according to related standard. It includes some simplified drawing of tank parts and tank assembly acc

6、ording to the needs of this design. A relatively completed design of horizontal liquid ammonia storage tank is accomplished.Keywords: storage tank; pressure vessel; design; calculate11 前 言压力容器是一种密闭的承压容器，通常是由板、壳组合而成的焊接结构。其应用广泛且用量大，但又比较容易发生事故且事故往往是严重的。压力容器的设计一般有筒体、封头、密封装置、支座、接口管、人孔及安全附件等组成。与任何工程设计一样，压

7、力容器的设计目标也是对新的或该进的工程系统和装置进行创新和优化，以满足人们的愿望与需要。具体来说，压力容器的设计人员应根据设计任务的特定要求，遵循设计工作的基本规则或规范，以及材料控制结构细节制造工艺检验及质量管理等方面的规则，并尽可能地采用标准1。液氨储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、容器筒体结构和强度的设计，密封的设计、罐体壁厚设计、封头壁厚设计、确定支座，人孔及接管、开孔补强的情况以及焊接形式的设计与选取。在设计过程中要综合考虑经济性、实用性和安全可靠性。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

8、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。此次设计主要原理来自过程设备设计一书以及其他参考资料13。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

9、仿、乙醚，它是许多元素和化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性。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。设计一台具体的化工设备或容器，必须全面考虑设计对象的工况条件，使其有：1. 总体结构合理、符合工艺要求，高效、可靠、经济；2. 保证受压元件强度、刚度和稳定性，密封良好，使用期内具有安全寿命；3. 力求制造、运输、安装、维修简便，易于实现质量监检与控制；4. 符合国家设计规定和标准，符合劳动部门法规。设计概要1. 强度、稳定性及密封设计1) 根据设计条件及所造的结构、材料进

10、行强度、稳定性及密封计算，以确定设备或容器的机械尺寸。通过计算，常会对结构加以修改，使之更加合理。22) 施工图设计 根据设计计算的结果，绘制施工图，确定制造技术要求，提出各零件质量及设备总重、材料、品种、规格、用量及标准件、外构件等。2. 编写技术文件1) 计算书2) 设计说明书 内容应包含技术经济分析，并表明技术经济指标位生产能力与消耗系数；材料消耗与生产；维护管理费用。3) 设计图纸3. 设计可行性论证 设备或容器设计的可行性分析应就以下诸方面论证：1) 任务来源，目的与意义；2) 设计对象在国内外的现状及发展；3) 结构合理性、技术指标、技术可行性、技术关键；4) 原材料来源及价格；5

11、) 制造工艺、运输、安装、维护、管理的特殊要求；6) 技术经济分析，产品成本与投资3 4 20。2设计总论2.1设计任务设计一个容积为 150.0m3液氨卧式贮罐。设计数据表如表 2-1 所列：表 2-1 设计数据表序号项目数值单位备注1名称卧式液氨储罐2用途液氨储藏3最高工作压力2.5MPa4最高工作温度555全容积150M6装料系数0.25T/立方米7工作介质名称及特性液氨2.2材料及结构的选择与论证2.2.1材料选择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，贮罐可选用一般钢材，根据液氨贮罐的工作压力、工作温度和介质的性质可知该设备为一中压常温设备，介质

12、对碳钢的腐蚀作用很小。故选材料时，主要考虑的强度指标（指 s和 b）和塑性指标适合的材料，内罐贮存中温液氨，可以考虑20R、16MnR 这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用 20R 类的低碳钢板，316MnR 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。其中 16MnR 的机械加工性能、强度和塑性指标都比较好，综合金属的强度、刚度、温度、抗腐蚀能力等方面考虑选用 16MnR 制作罐体和封头。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筒体，制造容易

13、，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广3 6。2.2.2封头的选择压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。可参阅文献1137139 页。常见容器凸形封头形式如图 2-1 示14。图 2-1 常见容器凸形封头的形式从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板

14、封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头较为合理11。2.2.3人孔的选择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。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其简节的公称直径)、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，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

15、、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种。选择使用上有较大的灵活性。常见的人孔形状有圆形和椭圆形两种，为使操作人员在能够自由出入，圆形人孔的直径至少应为 400，椭圆形人孔的尺寸一般为 350 4501 2。4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。通常可以根据操作需要选择，本设计考虑到人孔盖直径较大较重，故选用碳钢水平吊盖人孔，人孔筒节轴线垂直安装8。2.2.4

16、容器支座的选择压力容器靠支座支承并固定在基础上，圆筒形容器和球形容器的支座不同。随安装位置不同，圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，其中立式容器支座有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种；卧式容器支座有鞍座，圈座和支腿三种。而球形容器多采用柱式或裙式支座。鞍座是应用最广泛的一种卧式支座，鞍座普遍使用双鞍座支承。从应力分析看，承受同样载荷且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度

17、和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部矫形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。所以一般卧式储罐最好采用双鞍座支承。圈座一般用于大直径薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿，因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN1600，L5m） 。综上考虑在此选择双个鞍座作为储罐的支座,一个 S 型，一个 F 型2。另外，由材料力学可知，对于双支座上受均布载荷的简支梁，若梁的全长为 L,则当外伸长度为时，双支座跨距中间截面的

18、最大弯矩和支座截面处的弯矩绝0.207AL对值相等，从而使上述两截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸值，为此中国现行标准 JB 4731钢制卧式容器0.2L规定取，A 值最大不得超过。否则由于容器外伸端的作用将使支座截0.2AL0.25L面处的应力过大。其中 A 为封头切线至支座中心线之距离，L 为两封头切线间之距离，此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于支座处圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用1 10。5图 2-2 鞍式支座总体图2.2.5密封装置设计压力容器的可拆密封装置形式很多，如中低压容器中的螺纹连接、承插式连接和螺栓法兰连接等，

19、其中以结构简单、装配比较方便的螺栓法兰连接用得最普遍。螺栓法兰连接主要有法兰、螺栓和垫片组成。螺栓的作用有两个：一是提供预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；二是使螺栓法兰连接变为可拆连接。垫片装在两个法兰中间，作用是防止容器发生泄漏。法兰上由螺栓孔，以容纳螺栓。螺栓法兰连接设计的一般目的是：对于已知的垫片特性，确定安全、经济的法兰和螺栓尺寸，使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内，使接头内的应力在材料允许范围内，即确保密封性和结构完整性。螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题：一是保证连接处“紧密不漏” ；二是法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。实际应用中，螺栓法兰连接很少因强度不足而破

20、坏，大多因密封性能不良而导致泄漏。因此密封设计是螺栓法兰连接中的重要环节，而密封性能的优劣又与压紧面和垫片有关1 14。1. 法兰压紧面的选择压紧面主要应根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。常用的压紧面形式有全平面图 2-3（a） 、突面图 2-3（b） 、凹凸面图 2-3（c） 、榫槽面图 2-3（d） 及环连接面（或称 T 形槽） 图 2-3（e） 等，其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。图 2-3 压紧面的形式62. 垫片的选择垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能。设计时，主要应根据介质特性、压力、温度和压紧面的形状来选择垫片的结构形式、材料和尺寸，通常

21、兼顾价格、制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形能力和回弹能力，以及在工作温度下不易变质硬化或软化等。对于化工、石油、轻工、食品等生产中常用的介质，可以参阅垫片选用表选用垫片，查得结果如下表。可参考文献1149157 页。表 2-2 垫片选用表垫片介质法兰公称压力MPa工作温度密封面形式材料氨2.5150凹凸橡胶垫中压橡胶石棉板法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲型与乙型两种。甲型平焊法兰有 PN0.25MPa、0.6MPa、1.0MPa、1.6MP

22、a，在较小范围内（DN3002000）适用温度范围为-20300。乙型平焊法兰用于 PN0.25MPa4.0MPa 压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为 DN3003000，适用温度范围为-20350。对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。用于更高压力的范围（PN0.6MPa6.4MPa）适用温度范围为-2045。法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。可参考文献6209227 页。法兰设计时，须注意以下二点：管法兰钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照HG20592HG20635 的规定。故本设计选用长颈堆焊法兰，

23、标准号 JB/T 4703-2000；密封面的形式为凹凸面密封，代号 MFM；法兰名称：一般法兰，代号：法兰14。标记为：法兰 MFM 3800-2.5、68-155 JB/T 4703-20002.2.6开孔和开孔补强由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。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

24、壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积1 2。补强材料采用 16MnR。压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式，如图 2-4 所示。7图 2-4 补强元件的基本类型1)补强圈补强 这是中低压容器使用最为广泛的补强结构，补强圈贴焊在壳体与接管连接处，如图 2-4（a）所示。它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠、使用经验丰富等优点。但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强区域产生较大的热应力；另外，补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。这种补

25、强结构一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于 540MPa、补强圈厚度小于或等于、壳体名义厚度不大于 38的场合。1.5nn2)厚壁接管补强 即在开孔处焊上一段厚壁接管，如图 2-4（b）所示。由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈更能有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检查，因此补强效果较好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。3)整锻件补强 该补强结构是接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，如图 2-4（c）所示。此补强只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服点在

26、 500MPa 以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔等。可参考文献1173180 页。2.2.7 焊接结构设计压力容器各受压部件的组装大多采用焊接方式，焊缝的接头形式和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全，因而必须对容器焊接接头的结构进行合理设计。焊缝系指焊件经焊接所形成的结合部分，而焊接接头是焊缝、熔合线盒热影响区的总称。焊接接头形式一般有被焊接两金属件的相互结构位置来决定，统称分为对接接头、角接接头及 T 字接头、搭接接头。见图 2-5。对接接头时压力容器中最常用的焊接接头形式。可参阅文献1186189 页。8（a）对接接头（b）角接接头（c）搭接接头图 2-5

27、 焊接接头的三种形式为了保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般需将焊件连接处预先加工成各种形状，称为焊接坡口。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。基本的坡口形式有 5 种，即形、形、单边形、U 形和 J 形，如图 2-6 所示。图 2-6 坡口基本形式压力容器焊接结构的设计遵循以下基本原则。1)尽量采用对接接头 前已述及，对接接头易于保证焊接质量，因而除容器壳体上所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其他位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。2)尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷 所谓未熔透是指基本金属盒焊缝金属局部未完成熔合而留下

28、空隙的现象。未熔透往往是导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳。3)尽量减少焊缝处的应力集中 焊接接头常常是脆性断裂和疲劳的起源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。如对接接头应尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚度钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度不大于 10，两板厚度差2超过 3；或当薄板厚度大于 10，两板厚度差超过薄板的 30%，或超过 5时，2均需按图 2-7 的要求削薄厚板边缘。9图 2-7 板厚不等时的对接接头综上所述，本设计采用全熔透的对接接头形式。3设计计算3.1确定罐体的形状及内

29、径根据工艺要求，液氨储罐可设计为罐身为圆筒形，两端均用标准椭圆形封头的卧式容器5。根据化工设备标准手册标准 GB 9019-88 中的表 3-1 压力容器的公称直径，筒体的容积、面积及质量查标准 GB 9019-88 表 3-2。表 3-1 筒体用钢板卷制时，容器的公称直径表300350400450500550600650700750800900100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400250026002800300032003400350036003800400042004400450046004800500052

30、0054005500560058006000标记示例：直径 1200的容器的公称直径：公称直径 DN 1200 GB 9019-8810表 3-2 筒体的容积、面积及质量表 一米高筒节钢板质量（）壁厚公称直径Dg一米高的容积V一米高的内表面积BF34568101214161820222426283030035040045050055060065070080090010001100120013001400150016001800200022002400260028003000320034003600380040000.0710.0960.1260.1590.1960.2380.2830.3320

31、.3850.5030.6360.7850.9501.1311.3271.5391.7672.0172.5453.1423.8014.5245.3096.1587.0308.0509.07510.18011.34012.5660.941.101.261.411.511.741.882.042.202.512.833.143.463.774.094.404.715.035.666.286.817.558.178.809.4310.0510.6811.3211.8312.57222630343741453035404550556065697980374450566268758187991121241

32、361491611731861984460677582909710511913414916417819320822323826729632235659791001211301401591791992182382582782973173563974364755145545936326727117517909912515017620022424927429832334837239744649554559664469374279184189093998811915018021324027029635841844647653659665571477483188195010081070112611861

33、752113502803153484184875566276957148349039701040110811771246131513833633994795676367167958749601030111011901267134614241514158240845054063072080698598410801160125013381425151716061693178050360270080089799510931194129013901490158716871785188419806627708809871095120413141422153116401745185719652047218

34、5840960108012001318143515531671179019082027214522632380914104011701300142915561684181219402069219723252453258598611241263140015401677181519562091222923672505264327851058120613531501165017981946209422422390253326862834298511封头尺寸表如下表 3-3。 表 3-3 封头尺寸表 公称直径gD曲边高度1h直边高度2h内表面积 F()容积（m）14003502540502.232.2

35、92.330.3980.4210.43616004002540502.892.973.020.5870.5130.530（1700）4252540503.253.343.390.7000.7340.75718004502540503.643.733.780.8260.8660.889（1900）47525404.054.140.9711.0120005002540504.484.574.631.131.181.20（2100）525405.031.3622005502540505.405.505.571.491.541.58（2300）575406.001.7624006002540506.4

36、16.5260601.932.002.0526006502540507.507.637.712.432.512.56280070040508.828.913.123.183000750405010.110.23.823.893200800405011.511.64.614.69340036003800400085090095010005050505013.014.616.217.95.606.627.759.0212封头容积、重量查标准 JB 1154-73 中表 3-4。表 3-4 以内经为公称直径的碳素钢、普通低合金钢、复合钢板制椭圆形封头质量 厚度e4681012141618202224

37、26直边高度2h254050公称直径gD重量 G（）300350400450500550600650700800900100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400260028003000320034003600380040003.885.126.538.2010.011.913.816.318.523.930.236.75.897.739.9012.315.117.921.224.528.236.045.255.566.878.691.61061211377.9713.320.123.928.332.737.748.4

38、60.974.189.210612314216218520823225828418.327.137.750.363.679.697.411613715918420923726629733036440043847451922.132.746.060.071.297.311716522128532035839743848252757562273084296526.038.553.971.491.31131371942583344195135636166727288529851120127030.045.261.581.6104129157222296383479588705835975112012

39、80146050.570.091.8117147178250334431540663782940110012701450164059.080.510613616820328538048860674689510501230142016201740208023202570285088.61181501862243154205386748229871160136015701780204097.613016520424634445859073690210801280149017201960222025002800310034401792222683744986428009781170138016201

40、8602130241013续表 3-4厚度e28303234363840424650直边高度2h50公称直径gD重量 G（）3003504004505005506006507008009001000110012001300140015001600170018001900200021002200230024002600280030003200340036003800400023929040453869286410601260150017402010230026002920326036304010311435579743928113013601600187021602460279046661979

41、599312101450172020002300263029803350374041604600497659846106012801540182021202450280031707029101120136016401940226026002970336037804220468051807439531180146017302040239027503140356010001250152018302160252029003310376010601320160019202260264030403480394014501760212025002910335038201580193023102720317

42、0366014试选用筒体内径 Di=3800，设罐身的长度为 L，则：设 L=12000对容积的核算：筒体体积 V1：V1=311.340 12136.08m封头体积 V2：经查表得到 V2=7.753m总体积：V3122136.082 7.75151.58mVVV 3=150sVm式中设计容积，m。sV所以取筒体： L=12000。11 203800iD 3.2设计主要技术参数的确定压力容器设计技术参数主要有设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数和许用应力等。3.2.1设计压力设计压力为压力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

43、可能产生的最高表压。设计压力应视为内压或外压容器分别取值。当内压容器上装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定。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，设计压力不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的 1.051.10 倍；装设爆破片时，设计压力不得低于爆破片的爆破压力。对于盛装液化气体的容器，由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸汽压，在规定的装量系数范围内，与体积无关，仅取决于温度的变化，故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。此外，还要考虑容器外壁有否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据

44、工作条件下可能达到的最高金属温度确定。计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于 5%设计压力时，可忽略不计。可参阅文献1124 页。3.2.2设计温度设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值） 。当元件金属温度不低于 0时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于 0时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。GB150 规定设计温度等于或等于-20的容器属于低温容器。元件的金属温度可

45、以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最15高（最低）温度确定，或在此基础上增加（或减少）一定数值。设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器遇有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。可参阅文献1124125 页。3.2.3厚度及厚度附加量由公式所给出的厚度为计算厚度，并未包括厚度附加量。设计时要考虑的厚度附加量由钢材的厚度负偏差 C1和腐蚀裕量 C2组成，即 C=C1+C2,不包括加工减薄量CC3。加工减薄量一般根据具体制造工艺和板材的实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定。因此，出厂时的实际厚度可能

46、和图样厚度不完全一样。计算厚度（）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。必要时还用计入其他载荷对厚度的影响。设计厚度（d）系计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度（n）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，及标注在图样上的厚度。有效厚度（e）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。成形后厚度指制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。一般情况下，只要成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求。各种厚度间的关系见图 3-1。图 3-1 各种厚度关系图钢板或钢管厚度负偏差 C1应按相应钢材标准的规定选取。当钢材的

47、厚度负偏差不大于 0.25,且不超过名义厚度的 6%时，可取 C1=0。由于 GB6654压力容器用钢板和 GB3531低温压力容器用低合金钢钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于 0.25，一次使用该标准中钢板厚度超过 5时（如 20R、16MnR 和16MnDR 等） ，可取=0；其他常用钢板（如、Q235-A 以及 0Cr18Ni9 等）的厚1C20g16度负偏差见表 3-5。表 3-5 其他常用钢板的厚度负偏差 C1值钢板标准GB/T 3274 GB/T 3280 GB/T 4237 GB/T 4238钢板厚度5.57.57.52525303034负偏差1C0.60.80.91.0

48、钢板厚度3440405050606080负偏差1C1.11.21.31.8腐蚀余量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器设计寿命确定。在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，不小于 1；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微2C时，可取=0。2C但腐蚀裕量只对防止发生均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，用增加腐蚀裕量的办法来防止腐蚀效果不佳，此时应着重于选择腐蚀材料或进行适当的防腐蚀处理。可参阅文献1125126 页。3.2.4

49、焊接接头系数通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹渣、未熔透、裂纹、气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使目的材料的强度或塑性有所降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体强度的削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与目的材料强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。可参阅文献1126 页。影响焊接接头系数大小的因素较多，但主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求及长度比例有关。中国钢制压力容器的焊接接头系数可按表 3-6 选取。表 3-6 钢制压力容器的焊接接头系数值焊接接头形式无损检测比例值焊接接头形式无损检测比例值100%1.00

50、100%0.90双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头局部0.85单面焊对接接头（沿焊接根部全长又紧贴基本金属的垫板）局部0.803.2.5许用应力许用应力是容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。设计时必须合理地选择材料的17许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部件过分笨重而浪费材料，反之则使部件过于单薄而容易破损。作为压力容器受压元件设计时的许用应力，即按下式取值 mintbssbssnnn，也就是说在设计受压元件时，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。GB150 给出了钢板、钢管、锻件以及螺栓材料在设计温度下

51、的许用应力值，同时也列出了确定钢材许用应力的依据，表 3-7 所示为钢材（除螺栓材料外）许用应力的确定依据。可参阅文献1126127 页。表 3-7 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法材料许用应力取下列各值中的最小值/MPa碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢3.0 1.6 1.6 1.5 1.0tttbssnD，奥氏体高合金钢0.20.2()()3.01.51.51.5 1.0ttttbssnD ，3.3筒体厚度设计液氨储罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，在夏季液氨储罐经太阳暴晒，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化。储罐在夏季最高温度可达到 55，查常温下液体

52、饱和蒸气压表,这时氨的饱和蒸气压为2.355MPa(绝对压力) 2。压力容器安全监察规程规定液化气体储罐必须安装安全阀，设计压力通常可取最大操作压力的 1.051.10 倍。设计压力MPap65. 25 . 206. 1故取设计压力2.65pMPa由于5%0.05 2.650.133pMPa液柱静压力1.14 9.87 38000.0425%lpghMPap所以2.65cpMPa在操作温度 2060的范围内,估计筒体的厚度在 40左右，为安全计取许用应力=157MPa(查教材钢制压力容器设计中使用的许用应力表 3-8 钢板许用应力 钢 t18板标准 GB664)焊接接头采用 V 坡口双面焊接，

53、采用 100%无损检测，其焊接接头系数由焊接接头系数表查得=1.01 5。表 3-8 16MnR 的许用应力表在下列温度（）下的许用应力/MPa钢号板厚/2010015020025030016MnR6161636366060100170163157153170163157153170163157150170159150141156147138128144134125116筒体厚度计算由于 2.650.40.4 157 1.062.8tcpMPaMPa所以 34.3265. 20 . 11572380065. 22cticpDp式中筒体计算厚度，；计算压力，MPa；cp许用应力，MPa； t焊缝

54、街头系数；筒体内径，。iD在钢制压力容器中，只考虑钢板腐蚀裕量，不计钢板的厚度负偏差 C1，平面腐裕量取 C2=2。34.34234.322Cd式中设计厚度，。d根据及钢板厚度规格，圆整后取名义厚度n，确定选用n =3816MnR10C 罐体。现已知圆筒尺寸、，需对圆筒进行强度校核，其应力强度判别按下式进行。iDn 2.653800382141.19157 1.015722362tcietepDMPaMPa式中有效厚度，,；e=enC名义厚度，；n19C厚度附加量，；设计温度下圆筒的计算应力，MPa。t满足强度条件。因此，圆筒的最大允许工作压力为 wp2.5 22382157 1.02.953

55、800362tewiepMPaDMPa式中圆筒的最大允许工作压力，MPa。 wp满足条件。根据钢板厚度规格表，圆整后选取厚度 3816MnR 钢板。筒体尺寸表如表所示：表 3-9 筒体尺寸表公称直径iD一米高的容积V（）3m一米高的内表面积()BF名义厚度（）n一米高筒节钢板质量（）380011.34011.833834203.4封头壁厚设计采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。 21.3265. 25 . 00 . 11572380065. 25 . 02cticpDp式中1.0(钢板最大宽度为 3m，该储罐直径 2.6m，故封头需将钢板并焊后压)。设计厚度21.34221.322Cd考虑钢

56、板厚度负偏差及冲压减薄量，圆整后选取名义厚度的 16MnR 钢38n板。椭圆形封头的最大允许工作压力按下式确定 22362157 1.02.962.50.51.0 38000.5382tewiepMPaMPaD所以封头也符合设计条件。可参阅文献1140141 页。 表 3-10 封头尺寸表 公称直径gD曲面高度1h直边高度2h容积 V（）3m内表面积()F名义厚度（）n质量（）203800950507.7516.23849403.5水压试验及强度校核根据公式，试验压力 tTpp式中试验压力，MPa；Tp耐压试验压力系数，查表知；=1.25设计压力，MPa；p材料许用应力，当容器各元件（筒体、封

57、头、接管、法兰及紧固件等） 所用材料不同时，应取各元件材料许用应力比的最小值； /t设计温度下材料的许用应力，MPa。 t先按公式确定水压试验时的压力为：TPMPaPPMPaPPcTtcT75. 210. 065. 210. 0313. 30 . 165. 225. 125. 1选取两者中压力较大值作为水压试验压力，即取，aTMPP313. 3水压试验时应力校核1 2：计算水压试验时应力MPaDpeeiTT51.1760 . 123822384000313. 3216MnR 钢板的钢材屈服极限asMP305在常温水压试验时的许用应力MPas5 .2740 . 13059 . 09 . 0sT9

58、 . 0，故筒体厚度满足水压试验时的强度要求。3.6人孔并核算开孔补强3.6.1人孔的选择根据储罐是在常温下及最高工作压力为 2.5MPa 的条件下工作,人孔的标准按公称压力为 2.5MPa 等级选取，考虑到人孔盖直径较大较重,故选用碳钢水平吊盖带颈对焊法兰人孔(HG 21524-95)，人孔筒节轴线垂直安装。公称直径 500,凹凸法兰密封面21（C 型） ，采用类 20R 材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为 0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C 型缠绕垫。该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只须松开螺栓将盖板旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖松取下。法兰标准号为 HGJ5053-91,

59、垫片标准号为 HGJ6972-91,法兰盖标准 HGJ6165-91 材料为 20R，螺柱螺母标准HGJ75-91 螺柱材料 40Cr 螺母材料 45，吊环转臂和材料 Q235-AF,垫圈标准为GB95-85 材料 100HV,螺母标准 GB41-86，吊钩和环材料为 Q235-AF，无缝钢管材料为 20，支承板材料为 20R。人孔尺寸表如下表3 4。表 3-11 水平吊盖带颈对焊法兰人孔尺寸表 螺柱螺母螺柱密封面形式PN/MPaDNwdsdD1D1H2Hb1b1b2bAod数量直径长度总质量凹凸面（MFM型）2.550053012500730660340213484348415482040M

60、332180 312该人孔标记为：HG21524-95 人孔 MFM VI (W.C-1220) 500-2.5-HG 21524-95 3.6.2开孔补强的计算开孔补强的有关计算参数如下：补强及补强方法判别1. 补强判别GB150 规定，当在设计压力小于或等于 2.5MPa 的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称直径小于或等于 89时，只要接管最小厚度满足表 3-12 要求，就可不另行补强。表 3-12 不另行补强的接管最小厚度 单位：接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.0根据表 3-12,允许不