液氨贮罐的机械设计任务书

1、沈阳理工大学环境与化学工程学院课程设计设计任务书课题：液氨贮罐的机械设计 设计内容：根据给定工艺参数设计一台液氨储罐已知工艺参数：最高使用温度：T=50公称直径：DN=3600mm筒体长度（不含封头）：L0=6500mm具体内容包括：1.筒体材料的选择2.罐的结构尺寸3.罐的制造施工4.零部件型号及位置5.相关校核计算 下达时间： 完成时间： 目 录1前言12液氨储罐设计参数的确定22.1设计温度与设计压力的确定22.2罐体和封头的材料的选择22.3其他设计参数22.3.1封头的选择32.3.2许用应力32.3.3焊接接头设计43筒体和封头的壁厚的计算53.1筒体壁厚的计算53.2封头壁厚的计

2、算53.3水压试验63.3.1确定水压试验的试验压力值63.3.2计算水压试验时的器壁应力值63.3.3校核强度64选择人孔并核算开孔补强84.1人孔选择84.2开孔补强的计算.95选择鞍座并核算承载能力125.1罐体质量W1125.2液氨质量W2125.3其他附件质量W3125.4设备总质量W135.5鞍座的选择136选择液面计147选配工艺接管157.1液氨进料管157.2液氨出料管157.3排污管157.4安全阀接口157.5液面计接口管157.6放空管接管口168参数校核178.1筒体轴向应力校核178.1.1筒体轴向弯矩计算178.1.2筒体轴向应力计算188.2筒体和封头切向应力校

3、核208.2.1筒体切向应力计算208.2.2封头切向应力计算208.3筒体环向应力的计算和校核208.3.1环向应力的计算208.3.2环向应力的校核218.4鞍座有效断面平均压力219设计汇总239.1符号汇总239.2公式汇总2410小结26参考文献27271 前言液氨，又称为无水氨，是一种无色液体。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。液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，所以其化学事故发生率相当高。无色气体,有刺激性恶臭味。分子式NH3。分子量17.03。相对密度0.7714g/L。熔点-77.7。沸点-33.35

4、。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。与硫酸或其它强无机酸反应放热,混合物可达到沸腾。不能与下列物质共存:乙醛、丙烯醛、硼、卤素、环氧乙烷、次氯酸、硝酸、汞、氯化银、硫、锑、双氧水等。本次课程设计将根据液

5、氨的性质，结合所学知识设计一个液氨贮罐。2 液氨储罐设计参数的确定2.1 设计温度与设计压力的确定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。根据设计任务书的要求，所设计液氨贮罐的最高使用温度为50，查表可知50时液氨的饱和蒸汽压为2.033MPa。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，设计压力可取最大操作压力的1.05-1.10倍。取1.10倍最大操作压力为设计压力，所以设计压力p = 1.10×(2.033 0.1) = 2.1263MPa，故取设计压力p=2.2MPa。2.

6、2 罐体和封头的材料的选择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、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。纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般碳素钢，压力容器专用钢板为20R，另外还有一些合金钢，如16MnR、15MnVR等也适合作为压力容器的钢板。16MnR是345MPa级的低合金钢，具有良好的机械性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。中温及低温的机械性能均优于Q235-A、15、20等碳素钢，是使用十分成熟的钢种，质量稳

7、定、可使用-40475场合。15MnVR是屈服极限为390MPa级的低合金结构钢，其塑性和冲击韧性较16MnR低，其波动较大。另外从经济的角度考虑，16MnR也较20R制造费用低。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体的材料。16MnR的含碳量为0.12%0.20%，含Mn量较低，伸长率为19-21%，是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。2.3 其他设计参数在本设计中由于设计体积较小（约为80m3）且设计压力较小（P=2.2MPa）,故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

8、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，故选用圆筒形卧式容器。2.3.1 封头的选择几何方面，就单位容积的表面积来说，以半球形封头为最小。椭圆形和蝶形封头的容积和表面积基本相同，可以近似认为相等。力学方面，在直径、厚度和计算压力相同的条件下，半球形封头的应力最小，二向薄膜应力相等，而沿经线的分布式均匀的。如果与壁厚相同的圆筒体连接，边缘附近的最大应力与薄膜应力并无明显不同。椭圆形封头的应力情况就不如半球形封头均匀。由应力分析可知，椭圆形封头沿经线各点的应力是变化的，顶点处应力最大，在赤道上可能出现环向内压应力，对于标准椭圆形封头与壁厚相等的圆筒体相连接时，其可以达到与筒体等

9、强度。从制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是浓度大，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。因此，从几何、力学和制造方面综合考虑，采用标准椭圆形封头最为合理。椭圆形封头的型式及尺寸按JB/T 4737-95椭圆形封头的规定标准椭圆形封头的长短轴比值为2。封头材料与筒体一样为16MnR。2.3.2 许用应力制造容器所用的钢板，其在设计温度下许用应力值的大小，直接决定着容器强度，是主要设计参数之一。在GB 150钢制压力容器中，对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力，16MnR的许用应力见表2-1。表2.1 压力容器用

10、16MnR钢板的许用应力钢号钢板标准使用状态厚度mm常温强度指标在下列温度()下的需用应力/MPabMPasMPa2010015016MnRGB 6654热轧，正火616510345170170170163649032516316316336604703051571571572.3.3 焊接接头设计焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成出大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构刚性约束造成焊接内应力过大等。焊缝区的强度主要决定于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。设计所需的焊接街头系数大小主要根据焊接接头的型式和无损检测的长度比率确定

11、。容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头基本上都采用双面焊，所以取焊接接头系数(双面焊，全部无损探伤)。3 筒体和封头的壁厚的计算3.1 筒体壁厚的计算取计算压力pc=p=2.2MPa，筒体内径Di=DN=3600mm，查表2.1知16MnR在设计温度为50时的许用应力为t=163MPa，筒体的理论计算壁厚公式为： (3.1)式中：筒体的理论计算壁厚，mm； pc筒体计算压力，MPa； Di筒体内径，mm； t钢板在设计温度下的许用应力，MPa;焊接接头系数，其值为1。将数值代入公式(3.1)计算出筒体的计算厚度为：由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量C2=2mm，故筒体的设计厚度为：由钢板

12、厚度负偏差表查得C1=0.8mm，故名义壁厚为：圆整后取n=28mm。3.2 封头壁厚的计算采用的是标准椭圆形封头，各参数与筒体相同，其厚度计算式为：设计厚度为：名义厚度为：圆整后取n=28mm。查得标准椭圆形封头的直边高度(JB/T4737-95)为h0=50mm。3.3 水压试验3.3.1 确定水压试验的试验压力值已知p=2.2MPa， =t=163MPa试验压力： (3.2)式中：PT试验压力，MPa;p设计压力，MPa; 、t分别为液压试验温度和设计温度下壳壁材料的许用应力，MPa。带入数据得：3.3.2 计算水压试验时的器壁应力值实验时器壁的应力： (3.3)其中有效厚度故3.3.3

13、 校核强度查表2.1可知28mm的16MnR钢板的常温强度指标s=325MPa。所以，故所设计的器壁厚度满足设计要求。4 选择人孔并核算开孔补强4.1 人孔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。根据储罐是在常温下及设计压力为2.2MPa 的条件下工作,人孔的标准按公称压力为2.5 MPa 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，

14、而不必将其取下以节约维修时间。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MPa公称直径dW×SDD1dbb1b2AH1H2d02.5450480×1267060045046394438032021436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)明细表件号标准号名称数量材

15、料尺寸/mm1筒节116MnRdW×S=480×12，H1=3202HGJ52-91法兰116Mn(锻件)3HGJ69-91垫片1石棉橡胶板=3(代号AG)4HGJ63-91法兰盖116MnRb1=39， b2=445HGJ75-91P螺柱2035M33×2×1756螺母4025M337吊环1Q235-A.F8转臂1Q235-A.Fd0=369GB95-85垫圈201100HV10GB41-88螺母M2024级11吊钩1Q235-A.F12环1Q235-A.F13无缝钢管12014支承板116MnR4.2 开孔补强的计算.由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，

16、故不能直接选用补强圈标准。由表4.1知本设计所选用的人孔筒节内径di450mm，壁厚nt12mm。据此差得补强圈尺寸(JB/T 4736-2002)为：外径D2=760mm，内径D1=450+2×12+14=488mm。开孔补强的有关计算参数如下：(1) 开孔所需补强面积A对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为：。开孔直径。由于接管材料与壳体材料都为16MnR，故fr=1，内压容器的圆筒开孔强面积为： mm2 (4.1)式中 d开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量，mm；壳体开孔处的计算厚度，mm；et接管有效厚度，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

17、比值。代入数据得：开孔所需补强面积(2) 有效宽度B二者中取较大值B=911.2mm。(3) 有效高度外侧高度h1二者中取较小值h1=73.94mm内侧高度h2二者中取较小值h2=0mm。(4) 补强面积Ae在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算 (4.2)式中 Ae补强面积，mm2；A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积按式(4.3)，mm2;A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积按式(4.4)，mm2；A3焊缝金属截面积，mm2。计算如下： (4.3)其中接管有效厚度为故 (4.4)其中接管计算厚度为故焊缝金属截面积故补强面积Ae为由于，故开孔需另加补强，其另加补强面积为(

18、5) 补强圈厚度圆整后取，补强材料与壳体材料相同为16MnR。5 选择鞍座并核算承载能力5.1 罐体质量W1罐体质量m1：公称直径DN=3600mm，壁厚=28mm的筒体，查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表4)得每米质量是q1=2505kg/m，所以封头质量m2：公称直径DN=3600mm，壁厚=28mm，直边高度h0=50mm的标准椭圆形封头，查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表6)得其质量，所以W1=m1+m2=16282.5+6520=22802.5kg5.2 液氨质量W2 (5.1)式中:装量系数，取0.9；(压力容器安全技术监察规程规定：介质为液化气体的固定式压力容

19、器，装量系数一般取0.9)V贮罐容积，m3；液氨的密度，在-20时液氨的密度为665kg/m3。筒体公称直径DN=3600mm，筒体长度L0=6.5m，查表(常用压力容器手册，机械工业出版社，P208)得封头容积为Vh=6.6162m3，则贮罐总容积为于是5.3 其他附件质量W3人孔约重200kg，其它接口管的总重约350kg。于是W3=550kg。5.4 设备总质量WW=W1+W2+W3=22802.5+47497.4388+550=70849.94kg5.5 鞍座的选择每个鞍座承受的负荷为根据鞍座承受的负荷，查表(化工设备机械基础，大连理工大学出版社，附录16)可知，选择轻型(A)带垫板，

20、包角为120°的鞍座。即JB/T4712-92 鞍座A3600-F，JB/T4712-92 鞍座A3600-S。其标准尺寸如下：表5.1 A型鞍座标准尺寸(mm)公称直径DN允许载荷/kN鞍座高度h底板腹板筋板垫板螺栓连接尺寸l1b112l3b2b33弧长b44e间距l2螺孔d螺纹M孔长l3600848250264038014124183354251041806001080236028M2460安放位置：筒体长度式中A鞍座与封头切线之间的距离，mm；L1两鞍座间距，mm。由于筒体L/D较大，且鞍座所在平面又无加强圈，取6 选择液面计液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大

21、体上可分为四类，有玻璃板液面计、玻璃管液面计、磁性液位计和用于低温设备的防霜液面计。在中低压容器中常用前两种。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，其适用温度一般在0250。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1.6MPa，介质温度在0250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2.2MPa,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，所以在此选用透光式玻璃板液面计（T型）。由筒

22、体公称直径为3600mm选择长度为1450mm的液面计。.确定液面计为透光式（T型）、公称压力PN2.5MPa、锻钢材料（16Mn）、保温型、排污口配阀门、长颈对焊突面法兰连接（按HG 20595-97）、公称长度L=1450mm的液面计,标记为：液面计 AT 2.5-W-1450V7 选配工艺接管7.1 液氨进料管采用57×3.5mm无缝钢管。管的一端切成45°，伸入储罐内少许。配用突面板式平焊管法兰：HG20592-97 法兰 PL50-2.5 RF-16MnR7.2 液氨出料管在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。故

23、采用可拆的压出管，将它用法兰固定在接口管内。罐体的接口管法兰采用HG20592-97法兰 WN50-2.5 RF-16MnR。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HG20592-97 法兰 WN50-2.5 RF-16-MnR相同，但其内径为38mm。液氨压出管的端部法兰采用HG20592-97 法兰 WN32-2.5 RF-16-MnR。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐3.708m7.3 排污管贮罐右端最底部安设一个排污管，管子规格：，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的管法兰HG20592-97 法兰 WN50-2.5 RF-16-MnR。7.4 安全阀接口安全阀接管

24、尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用的无缝钢管，法兰为HG20592-97 法兰 WN50-2.5 RF-16MnR。各接管的长度都是200mm。7.5 液面计接口管本贮罐采用透光式玻璃板液面计AT 2.5-W-1450V 两支。与液面计相配的接管尺寸为，管法兰为HG20592-97 法兰 WN50-2.5 RF-16MnR7.6 放空管接管口为了在注入液体时，将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速地注入，需安设一放空管。采用无缝钢管，法兰为HG20592-97 法兰 WN50-2.5 RF-16MnR。8 参数校核8.1 筒体轴向应力校核8.1.1 筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩用下式计

25、算 (8-1)式中 F鞍座反力，N； Rm椭圆封头长轴外半径，mm； 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。其中，所以支座处截面上的弯矩 (8-2)所以8.1.2 筒体轴向应力计算由化工机械工程手册（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因为M1M2，且ARm/2=914mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。（1） 由弯矩引起的轴向应力筒体中间截面上最高点处 (8-3)所以最低点处：。鞍座截面处最高处：最低点处：（2） 由设计压力引起的轴向应力由 (8-4)所以（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

26、以许用轴向拉压应力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，轴向许用应力根据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。8.2 筒体和封头切向应力校核因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算。8.2.1 筒体切向应力计算由化工机械工程手册（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以8.2.2 封头切向应力计算因h1.25t-h,所以合格。8.3 筒体环向应力的计算和校核8.3.1 环向应力的计算设垫片不起作用1）在鞍座处横截面最低点 (8-5)式中 b2筒体的

27、有效宽度，mm。由化工机械工程手册（上卷，P11-101）查得，K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1，考虑容器焊在鞍座上 (8-6)式中 b鞍座轴向宽度，mm。所以所以2）鞍座边角处轴向应力因为L/Rm=6500/1828=3.5568,且 (8-7)所以8.3.2 环向应力的校核5t=163MPa，合格。1.25t=1.25×163=203.75MPa，合格。8.4 鞍座有效断面平均压力鞍座承受的水平分力 (8-8)由化工机械工程手册（上卷，P11-103）查得，K9=0.204。所以。鞍座有效断面平均应力 (8-9)式中 Hs鞍座的计算高度，mm； b0鞍座的腹

28、板厚度，mm。其中Hs取鞍座实际高度（H=250mm）和Rm/3=1828/3=609.3mm中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度b0=2-C1=12-0.8=11.2mm。所以应力校核式中sa=140MPa，鞍座材料Q235AF的许用应力。9 设计汇总9.1 符号汇总表9-1 符号汇总序号名称指标材料1设计压力2.2MPa2工作温度503物料名称液氨4容积79.36m35筒体DN3600×28mm，L=6500mm16MnR6封头DN3600×28mm，h=50mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A3600-FJB/T4712-92 鞍座A3600-SQ235A.F8人孔HG21524-95 人孔RF （AG）450-2.5组合件9补强圈16MnR10液面计液面计 AT 2.5-W-1450V组合件11液面计接管，L=200mm16MnR12进料管，L=200mm16MnR13出料管，L=200mm16MnR14压料接管，L=3