机械基础化工设备课程设计液氨储罐机械设计

1、目录第一章绪论一11.1 设计任务11.2 设计思路21.3 设计特点21.4 主要设计参数的确定及说明3第二章材料及结构的选择与论证 42.1 材料的选择与论证42.2 结构的选择与论证4第三章设计计算73.1 公称直径DN的确定73.2 计算筒体的壁厚73.3 计算封头的壁厚83.4 水压实验及其强度校核83.5 选择人孔并核算开孔补强93.6 选择鞍座并核算承载能力93.7 选择液位计143.8 选配工艺接管14第四章设计小节15第一章绪论1.1设计任务设计题目：液氨储罐机械设计公称容积（）：50工作压力（MPa： 3.2工作温度（C） ： 40材料：16MnR设计任务主要分两个阶段：（

2、1）准备阶段A、准备好设计资料、手册、图纸、说明书的报告纸B、认真研究、分析设计任务及有关设计数据，明确设计要求及设计内容C、认真复习有关教科书内容，熟悉有关资料及步骤D、结合有关图纸，了解设备结构及作用（2）机械设计阶段A、根据设计参数，论证选材、论证物料的腐蚀性及对环境的污染情况B、根据计算有关壳体的尺寸，根据压力计算壳体壁厚，校核壳体的强度，确定合 理尺寸C、选用零部件，查标准及手册，确定尺寸和结构D、计算设备重量，列表有关附件的重量E、绘制设备总装图，进行缩小或放大绘图比例F、提出技术要求，对设备制造、检验、安装提出技术地求，并在总图上标注 清楚G、编写设计说明书1.2 设计思路各种石

3、油化工设备，虽然大小不一、形状不同，但都有一个受到内压或外压 作用的称之为压力容器的外壳0压力容器是化工生产所用的各种各样化工设备外部壳体的总称。所以，容器设计是所有化工设备设计的基础。综合运用所学的机械基础课程知识，考虑结构方面的要求，合理地进行设计， 研究出最佳方案。1.3 设计特点对化工压力容器的基本要求：(1)安全可靠性的要求要求所使用的设备具有足够的强度、韧性和刚度，以及良好的密封性和腐蚀性。(2)工艺条件的要求化工设备是为工艺过程服务的，应保证在指定的生产工艺条件下完成指定的生产任务，即满足相应的工艺条件要求(3)经济合理性要求在满足设备的安全运行和工艺条件的前提下，结构要合理，制

4、造要简单，尽 量减少加工量，降低制造成本。(4)便于操作和维护例如所设置的阀门、平台、人孔形位置要合适，易损件便于更换等。(5)环境保护要求所谓化工设备失效的一个新概念是“环境失败”即有害物质泄露到环境中， 生产过程残留无法消除的有害物质及噪音等，化工容器在设计时包括化工工厂 的选址均应考虑这些因素的影响。1.4 主要设计参数的确定及说明本储罐设计公称容积为 50m3,公称直径DN为2400mm材料为16MnR在温度 40c时工作，工作压力为3.2MPa,取口t=163MP,则双面对接焊的全焊透对接焊 缝为100%无损，由下表可得焊接接头系数全部无损检测 =1.00。焊接接头系数序焊接接头结构

5、焊接接头系数全部无损探伤局部无损探伤1双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊接接头1.00.852单面焊的对接焊接接头，在焊接过程 中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的 垫板0.90.85此储罐采用100%£损探伤，故 =1.0第二章材料及结构的选择与论证2.1 材料选择与论证纯液氨腐蚀性小，储罐可选用一般钢种，但由于压力较高，根据钢种适用范围 的说明，可以考虑采用20R 16MnR 15MnV带钢种。其中适用较多且合理的为20R 和 16MnRffi 种。从钢板耗量上看，钢板耗用量与板厚成正比，采用16MnRM,钢板用量比采用 20R时要少。因此，16MnRffi板的价格虽比20R钢板略贵

6、，但从耗用量和价格综合 考虑，两种钢板均可考虑。从制造费用上看，由于采用16MnRffl板，厚度较薄，质量较轻，且制造费用目前也按碳钢设备重量同等计价，因此采用 16MnRffl板，制造费用较为经济。综上所述，本设计的储罐材料选用 16MnR1风板制作罐体和封头。2.2 结构选择与论证(1)封头形式的确定本设计选用椭圆形封头，椭圆封头是由曲率半径连续变化而成的，所以，封 头上的应力分布也是均匀变化的，受力状态比蝶形封头要好，虽不如半球封头， 但对各种封头的强度和经济合理性进行比较。从钢材耗用量考虑，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。从制造考

7、虑，椭圆形封头制造方便，平板封头则因直径和厚度较大，材料的 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)人孔选择卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠，开 启时人孔盖悬挂于吊杆下，避免搬动较重的人孔盖。碳钢水平吊盖人孔的尺寸、 材料和性能可查 HG 2152221524-2005标准。RF型5。 T *9 m II1-盲节之书"工3-加片F 4由兰美r6-螺华；7-吊坏；8-WW9基图工1口坎甘，II号南412 5L 13无烧用首J 14如骐扳碳钢水平

8、吊盖带颈对焊法兰人孔结构图人孔是安装或按检修人员进入塔器的唯一通道。本设计卧式容器筒体长度为 4600mm设置一个人孔。人孔类型公称压力MPa公称直径mm板式平焊法兰人孔0.6400、450、500、600板式平焊法兰人孔(限用凸面)或带颈平焊法法兰1.0400、450、500、6001.6400、450、500、600带颈对焊法法兰2.5400、450、500、6004.0400、450、500、600卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠,储罐在常温及最高工作压力为3.2MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力 4.0 的等级选取，由于容器公称直径为2400mm碳

9、钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能 可查HG21523-95S准，选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔， DN450人孔，密封压紧 面采用RF型。该人孔标记为：HG21523-95人孔RF Vffl450-4.0其中RF指突面密 封，Vffl指接管与法兰的材料为16MnR用金属缠绕垫片，450-4.0是指公称直径为 450mm公称压力为4.0 Mpa。法兰型式选择法兰与设备的连接形式：平焊法兰制造简单，使用广泛，但刚性较差，仅用于 压力不高的场合。由于本设计 P = 3.2MPa,由HG20592-97标准，可以选择焊接法 兰中的平焊法兰PL。法兰与密封面形式：P=3.2MPa ,根据HG20592-9

10、7标准可以选择RF密封面。 (4)液面计的选择对于承压容器，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接 在一起。当设备直径很大时，可以同时采用两组或几组液面计接口管。在现有标 准中，有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、透光式板式液面计和磁性液 面计。(5)鞍式支座的选择确定鞍式支座是应用最广泛的一种卧式容器支座，常见的卧式容器和大型卧式储槽、 热交换器等多采用这种支座。鞍式支座已有标准JB/T 4712-92鞍式支座，设计时可根据容器的公称直径和容器的重量选用标准中的规格。一台卧式容器的鞍式支座，一般情况下不宜多于两个。因为鞍座水平高度的 微小差异都会造成各支座的受力不均，从而引

11、起筒壁内的附加应力。采用双鞍座， 每种鞍座又分为固定式支座(代号 F)和滑动式支座(代号S)两种安装形式。鞍 座与筒体端部的距离A可按下述原则确定：当筒体的L/D较大，且鞍座所在平面 内又无加强圈时，应尽量利用封头对支座处筒体的加强作用，取A0 0.25D D =2(R +&) =D0;当筒体的L/D较小，6/D较大，或鞍座所在平面内有加强圈时，取A< 0.2L第三章设计计算3.1公称直径DN的确定已知公称容积V=5Q试选用公称直径DN=2400mm查化工机械基础附录12知，1m高筒体的容积=4.524,封头容积=2.00，得：V 50n = =11.1 L=11.1mVI 4.

12、524 查附录12得，DN=2400mmj封头曲面高度为600mm直边高度为40mm得:总长 L总=2 (600 40) 11100 = 12380mmL =11100 =4.625 2<4.625<9 满足要求DN 2400所以选用DN=2400mm)筒体合适3.2 计算筒体的壁厚设计壁厚卬 . C2；t -P 2工作压力Pw = 3.2MPa ,故设计压力PC -1.05PW =1.05 3.2=3.36MPa : 3.4MPa取外径 Di=DN=2400mm 16MnR 最高温度 40C,查附录 6,取。，=163MPa* =1.0腐蚀余量，查腐蚀数据手册16MnFft氨腐蚀

13、其<0.1mm/y,若设计寿命为10年,贝U C2 = a -10 0.1 = 1mm3.4 24002 163 1.0 -3.41.0 = 26.3mm16<36满足条件故，圆整后取名义厚度、：n =28mm查化工机械基础表10-10 ,得钢板厚度负偏差C1 =0.9mm得有效厚度、e =、n - C =、n -(Ci C2) =28-(1 0.9) = 26.1mm3.3 计算封头的壁厚采用标准椭圆形封头，设计厚度:、：dPCDiC2其中各数据跟罐体相同,、d 二 P Di- C2 =2l- 1 -0.5p3.6 2400+1.0=26.2mm2 163 1.0 -0.5 3.

14、4考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量，圆整后取 6n=28mm厚的16MnR钢板制作封3.4 水压试验压力及其强度校核根据公式：“2s试验压力 PT =1.252=1.25 3.4 =4.25MPa由6e =26.1mm查附录6得仃s=325MPa4.25 (2400 26.1)二t =二197.53MPa2 26.10.9 J =0.9 1.0 325 = 295.5MPa.。丁 <0.94气 水压试验满足强度要求3.5 选择人孔弁核算开孔补强根据储罐是在常温及最高工作压力为 3.2Mpa的条件下工作，人孔标准应按公 称压力为4.0 Mpa。从人孔类型系列标准可知，公称压力为 4.0Mpa

15、的人孔类型很 多。本设计考虑人孔盖直径较大较重，故选用水平吊盖人孔，该人孔结构中有吊 钩和销轴，检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转一个角度，由吊钩吊住，不必 将盖板取下。该人孔标记为：HG21523-95人孔RF U450-4.0 其中RF指突面密封，Vffl指 接管与法兰的材料为16MnR用金属缠绕垫片，450-4.0是指公称直径为450mm公称压力为4.0 Mpa。另外，还要考虑人孔补强，确定补强圈尺寸，由于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。本设计所选用的人孔筒节内径为 di=450mm壁厚二10mm 故补强圈尺寸如下：补强圈内径 Di=484mm,外径D2 =760m

16、m,根据补强的金属 面积大于或等于开孔减少的截面积，补强圈的厚度按下式估算，即,di 2、.D2-D1mm = 44.5mm(450 2 10) 26.1760 - 484故补强圈取45mnm13.6 选择鞍座弁核算承载能力首先粗略计算鞍座负荷。储罐总质量 m=m1 m2 m3 m4式中罐体质量，kg;封头质量，kg;液氨质量，kg;m4附件质量，kg。1 .罐体的质量DN=2400mm,=28mmW节，查附录12,得1m高的筒节钢板质量q1 =1167kg/m ,故,m 二qL 二1677 11.1 =18614.7kg2 .封头的质量DN=2400mm6n =28mm,直边高度h=40mm

17、勺椭圆形封头，查附录12,得封头质量q2 =1500kg ,故,m2 = 2q2 = 3000 kg3 .充液质量m3 =V式中：V储罐容积，V =V 封 +V 筒=2x2.00+11.1x4.524 = 54.22m3水密度，为1000kg/m3m3 = V = 54.22 1000 = 54220kg4 .附件的质量m4人孔的质量约为200kg,其他的连接管质量总和按 300kg计，故，m4 = 500 kg5 .设备总质量为：m = m1 m2 m3 m4 =18614.7 3000 54220 500 = 76334.7kg = 76.34t6 .每个鞍座负荷：F =76334.7 9

18、.86 /2 =376.33kN7 .鞍座的选择由DN=2400mm ,查JB/T 4712-92鞍式支座：DN210G4（KXE 12。色的足中片笨板后式支座结科就尺寸应符合图口把表3投定.覆座分固定式（代号F）和滑动式（代号S）两种安装形式.可查得，选用轻型带垫板，120 °包角的鞍座。即，JB/T4712-92鞍座A2400-F,JB/T4712-92 鞍座 A2400-S 。此轻型带垫板120°色角鞍座结构和尺寸应如下图：8 .鞍座的安放位置尺寸鞍座h的选择应按下图，由负荷量求的:A f ilNiTH )f料ni r a z昭吠jnmwrw介门二净“可得 h=280

19、mm因为L/D较大，且鞍座所在平面无加强圈，所以此鞍座与筒体端部的距离A:A£0.25D=0.45 2400 = 1080mm9 .7选择液位计液面计是用以指示容器内物料液面的装置，具类型很多，大体上可分为四类， 有玻璃板液面计、玻璃管液面计、浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。1 .玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场 合。板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。2 .玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。3 .当容器高度大于时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果，应改 用其它适用的液面计。液氨为较干净的

20、物料，易透光，不会出现严重的堵塞现象所以在此选用玻璃 管液面计。玻璃板液面计有透光式玻璃板液面计（T型）、反射式玻璃板液面计（R 型）和试镜式玻璃板液面计（S型）三种结构，具适用温度一般在 0250C。但 透光式适用工作压力较反射式高，试镜式工作压力最小。玻璃管液面计适用工作压力小于3.2MPa ,介质温度在0 2500C的范围。对于承压设备，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备连接在一起，分别用于不同型式的液面计。考虑到本设备的设计压力为3.4MPa,而且液氨为较干净的物料，易透光，不会 出现严重的堵塞现象，所以在此选用反射式玻璃板液面计（ R型）。由筒体公称直 径为2400mm

21、选择长度为1400mm勺液面计。已知其公称直径为 15mm液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径 二2400mm根据 HG/T21550-93,选择玻璃管液面计 AIWPN4.0,L=1000mm HG5-227-80两 支。与其相配的接管尺寸为 18X3mm管法兰为法兰PN 4.0 DN 15 GB 9119.8-88 。3.8选配工艺接管本储罐设有以下接口管（1）液氨进料管：采用45X2.5mm无缝钢管。管的一端切成 45° ,伸入储罐少许.配用具有突面 密封的平焊管法兰：法兰PN4.0 DN40 GB9119.8-88因为壳体名义壁厚二28mm接管公称直径小于80mm故不要补

22、强.（2）液氨出料管：采用可拆的压出管25x 2.5mm,将它套入罐体的固定接口管 38X 3.5mm内，罐体的接口管法兰采用法兰 PN4.0 DN32 GB9119.8-88。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法兰 PN4.0 DN32 GB9119.8-88相同，但其 内径为25mm（L总装图的局部放大部大图）.液氨压出管的端部法兰（与氨输送管相连）采用法兰PN4.0 DN20GB9119.8-88。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐 2.5m。排污管在罐的右端最底部设个排污管一个，规格是 45X 2.5mm管端焊有与截止阀 J41W-16相配的管法兰PN4.0 DN40 GB9119.8-88。排污管与罐体连接处焊有一厚 度为10mm勺补强圈.放空管接口管采用