20立方米液氨储罐设计说明书

1、目录课程设计任务书 220m³液氨储罐设计 2课程设计内容 3液氨物化性质及介绍 31. 设备的工艺计算 31.1 设计储存量 31.2 设备的选型的轮廓尺寸的确定 31.3 设计压力的确定 41.4 设计温度的确定 41.5 压力容器类别的确定 42. 设备的机械设计 52.1 设计条件 52.2 结构设计 6 材料选择 6 筒体和封头结构设计 6 法兰的结构设计 6（1）公称压力确定 7（2）法兰类型、密封面形式及垫片材料选择 7（3）法兰尺寸 7 人孔、液位计结构设计 8（1）人孔设计 8（2）液位计的选择 9 支座结构设计 10（1）筒体和封头壁厚计算 10（2）支座结构尺寸

2、确定 12 焊接接头设计及焊接材料的选取 14（1）焊接接头的设计 14（2）焊接材料的选取 162.3 强度校核 16 计算条件 16 内压圆筒校核 17 封头计算 18 鞍座计算 20 开孔补强计算 213. 心得体会 224. 参考文献 22课程设计任务书20m³液氨储罐设计一、课程设计要求：1.按照国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。2.设计计算采用手算，要求设计思路设计思路清晰，计算数据准确、可靠。3.工程图纸要求计算机绘图。4.独立完成。二、原始数据设计条件表序号项目数值单位备 注1名 称液氨储罐2用 途液氨储存3最高工作压力 （MPa）1.

3、93由介质温度确定4工作温度 （）-20505公称容积 （M3） 206工作压力波动情况可不考虑7装量系数(V)0.858工作介质液氨（中度危害）9使用地点太原市室外三、课程设计主要内容1.设备工艺设计2.设备结构设计3.设备强度计算4.技术条件编制5.绘制设备总装配图6.编制设计说明书四、学生应交出的设计文件（论文）：1.设计说明书一份； 2.总装配图一张 (A1图纸一张)课程设计内容液氨物化性质及介绍液氨，又称为无水氨，是一种无色液体，有强烈刺激性气味。氨作为一种重要的化工原料，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，具有腐蚀性且容易挥发，所以其化

4、学事故发生率很高。液氨分子式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为1625%（最易引燃浓度为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，难以点燃而危险性极低，但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇火和燃烧或爆炸，如有油类或其它可燃物存在则危险性极高。1 设备的工艺计算工艺设计的内容是根据设计任务提供的原始数据

5、和生产工艺要求，通过计算和选型确定设备的轮廓尺寸。1.1设计储存量式中：W储存量，t； 装量系数； V压力容器容积；m3 设计温度下的饱和溶液的密度， W=0.85×20×0.563=9.57 t1.2 设备的选型的轮廓尺寸的确定 根据设计要求，本设计为卧式容器，筒体采用圆筒形，封头采用标准椭圆形封头 查阅文献，筒体的基本参数如下：表1-1 筒体基本参数公称容积Vg/m³公称直径DN/mm筒体长度L/mm2020005800查阅文献确定椭圆形封头基本参数如下表：表1-2 椭圆形封头参数公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/m²容积V/m³

6、20005254.49301.1257 设备计算容积 V计=/4×DN2×L+V封×2=/4×2.0²×5.8+0.1257×2=20.46m³ 实际工作容积 V工=V计×f=20.46×0.85=17.39m³1.3 设计压力的确定 查阅文献 常温压力储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力液化气体临界温度规定温度下的工作压力无保冷设施有保冷设施无试验实测温度有试验实测最高工作温度并且能保证低于临界温度5050饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下的饱和蒸气压力50在设计所规定的最大充

7、装量下为50的气体压力试验实测最高工作温度下的饱和蒸气压力液氨液化气饱和蒸汽压及饱和液密度温度 -15103050饱和蒸汽压（绝压） MPa0.2690.6031.1562.030饱和蒸汽压密度 kg/m³658625595563液氨临界温度为132.4，其50饱和蒸汽压为1.93MPa 故其设计压力为 Pd=1.1×1.93=2.12 MPa 0.6MPa Pd 10MPa 属于中压容器1.4 设计温度的确定 设备工作温度为-2050，故其设计温度为50，在-20200条件下工作属于常温容器。1.5 压力容器类别的确定 液氨属于液化气体，查阅文献4，可知属于第一组介质查第

8、一组介质压力容器类别划分图，可知20m³液氨储罐属于第类压力容器 2 设备的机械设计2.1 设计条件（见表2-1和表2-2）表2-1设计条件表 内容备注工作介质液氨工作压力 Mpa1.93设计压力 Mpa2.12工作温度 -2050设计温度 50公称容积 （Vg） m320计算容积 （V计）m320.46工作容积 （V工）m317.39装量系数 f0.85介质密度 （）t/m³0.563kg/L材质Q345R保温要求无保温层其他要求表2-2 管口表符号公称规格DN/mm连接法兰标准密封面用途或名称L1.L220HG/T 20592-2009FM液位计接口M450/FM人孔S

9、V70HG/T 20592-2009FM安全阀接口A80HG/T 20592-2009FM液相进口管B100HG/T 20592-2009FM压力表接口C25HG/T 20592-2009FM放空管D70HG/T 20592-2009FM氨气出口管E70HG/T 20592-2009FM液相出口管F70HG/T 20592-2009FM排污管2.2 结构设计 材料选择 一般而言，以强度为主的中压设备采用低合金钢为宜，而且低合金钢对液氨也具有良好的耐腐蚀率，可选用低合金钢，Q245R和Q345R这两种钢材可以满足要求。由于Q345R许用应力高于Q245R,相同条件下，采用Q345R制造设备，可减

10、小壁厚，减小设备重量，降低成本，同时壁厚减小，也可以为材料和设备的运输以及制造加工带来很大的方便，所以选择Q345R制造设备筒体和封头。 筒体和封头结构设计 由表1-1可知筒体公称直径DN=2000mm ，长度L=5800mm 由表1-2可知EHA标准椭圆形封头公称直径DN=2000mm 总深度H=525mm 则其直边长h=25mm 法兰的结构设计 法兰有设备法兰和管法兰，设备筒体和封头焊接在一起，所以不需要设备法兰，只有管法兰。（1）公称压力确定设备设计压力为2.12MPa，操作温度为-2050，可选用锻件，材料选16Mn 查文献可知，在操作温度范围内，PN25材料为16Mn的钢制管法兰最大

11、允许工作压力为2.5MPa，满足设计要求，故管法兰公称压力为PN25（2）法兰类型、密封面形式选择 液氨易挥发，为强渗透性的中度危害介质，查文献可知须采用带颈对焊型管法兰，面封面采用凹凸面密封。（3）法兰尺寸查阅文献可知各法兰详细尺寸及法兰质量，详细见下图2-2和表2-3图2-2 表2-3 PN25带颈对焊钢制法兰 单位： mm接管代号公称尺寸DN钢管外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰颈法兰高度H法兰质量M(kg)法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n（个）螺栓ThNSH1RB8089200160188M16241053.2128585.0D5057165125184M1620752

12、.986483.0C253211585144M1218462.664401.06576185145188M1622902.9106524.0L1.L2202510575144M1218402.364401.0 人孔、液位计结构设计 （1）人孔设计 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、腐蚀等缺陷以及装拆设备的内部零件。人孔的结构：人孔为组合件，包括承压零件筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，以及人孔启闭所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。圆形人孔的公称直径规定为400600mm容器公称直径大于或等于1000mm且筒体与封头为焊接连接时，至少设一个人孔。卧式容器的

13、筒体长度大于等于6000mm,应考虑设置2个以上人孔。综合考虑，选择回转该带颈对焊法兰人孔，公称压力PN2.5,公称直径DN450，MFM型密封面,材料选用16MnR 标记为：人孔 MFM s-35CM (NM-XB350) A 450-2.5 HG/T 21518-2005 查阅文献，得本次选用回转盖带颈对焊法兰人孔结构尺寸，见下图2-3和表2-4 表2-4 回转盖带颈对焊法兰人孔尺寸表密封面型式公称压力PN公称直径DNdDD1H1H2bMFM2.54504801245667060025012142b1b2ABLd0螺柱螺母螺柱总质量数量直径长度4146375175250242040M332

14、165245 图2-3 回转盖带颈对焊法兰人孔结构图（2）液位计的选择液位计是用以指示容器内物料液面的装置，液位计的种类很多，常见的有许多包括玻璃管液面计、玻璃板液面计、浮标液面计、防霜液面计、磁性液位计等 其中：玻璃管液面计和玻璃板液面计适用于工作温度在0以上； 浮标液面计适用于常压设备； 防霜液面计适用于液体温度在0一下的液体测量； 液氨储罐工作温度在-2050，设计压力为1.23MPa，以上三种都不适合。 磁性液位计适用于PN=1.616MPa，-40300，液体密度0.45g/cm³，适合于液氨储罐 根据设计要求选择磁性液位计，标记如下： HG/T 21584-95 UZ2.

15、5M-1400-0.6 BF321C 支座结构设计 容器支座有鞍式支座、腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座。腿式支座和支承式支座用于低矮立式设备的支承，耳式支座用于中小型立式圆筒形容器的悬挂式支承，裙式支座用于高大型高塔的支承，鞍式支座是卧式容器经常采用的支座形式，本设计也采用鞍式支座。 置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。对于大型卧式容器而言，一般情况采用双支座。此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上

16、，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。 所以本设计就采用这种双支座结构。查阅文献，可知一边为F型，一边为S型。鞍座的材料除垫板外都为Q235-B，加强垫板的材料与设备壳体材料相同为Q345R。（1）筒体和封头壁厚计算 筒体壁厚计算圆筒的设计压力为2.12 Mpa,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。在板厚316mm时取许用应力为189 Mpa。液柱静压力gh=1×9.8

17、5;2000=0.02Mpa而gh2.123=0.9% <5%所以可以忽略。故筒体壁厚 1 =(2.12×2000)/(2×189-2.12)=11.28mm 查得钢板厚度负偏差C1=0.3mm,双面腐蚀取腐蚀裕量。1筒体的设计厚度为： d=+C2=11.28+2=13.28mm n=d+C1=13.28+0.3=13.58mm对厚度进行圆整可得名义厚度为：=14mm确定用厚的Q345R钢板制作筒体。有效厚度mm 封头壁厚计算本容器用标准椭圆封头，厚度根据公式：1 其中各数据跟筒体相同， = (2.12×2000)/(2×189-0.5×

18、2.12)=11.25mm 封头的设计厚度为：2d=+C2=11.25+2=13.25mm n=d+C1=13.25+0.3=13.55mm对厚度进行圆整可得名义厚度为：=14mm确定用厚的Q345R钢板制作封头。有效厚度可见封头厚度近似等于筒体厚度，所以圆整后取=14mm，有效厚度水压试验试验方法： 试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。水压试验，液体的

19、温度不得低于5；试验校核：材料Q345R的=189Mpa,t =189Mpa，P=2.12Mpa,s=345Mpa。水压试验时的压力 PT=1.25×2.12=2.65Mpa 水压试验的应力校核：水压试验时的应力1 = 2.65×（2000+11.7）/（2×11.7） =227.82Mpa 水压试验时的许用应力为 故筒体满足水压试验时的强度要求。（2）支座结构尺寸确定 鞍座载荷计算：储罐总质量筒体的质量：查得圆筒体材料Q345R密度=7800/m³,筒体长度5.8m,则质量:m1=DLn=3.14×2.0×5.8 ×0.0

20、14×7800=3977.50kg封头的质量:根据封头的名义厚度查阅文献可知封头质量为395.8kg水压试验时水的质量： m3=20×1000=20000。附件的质量：人孔重245kg，补强圈31.64kg，管法兰27kg，钢管7.721kg，液位计16.47kg。 m4=327.83kg所以设备总质量为m=3977.50+2×395.8+20000+327.83=25096.93kg即 G=mg=25096.93×9.8=245.9kN每个鞍座所受支座反力F=122.95 kN鞍座尺寸标准:查阅文献根据筒体公称直径，选取公称直径DN=2000mm ，1

21、20°包角轻型(A)带垫板鞍式支座，允许载荷Q295kN>245.9kN，满足要求。由公称直径查文献得具体尺寸如下表2-5及图2-4 图2-4 鞍式支座结构尺寸图表2-5 鞍座结构尺寸表公称直径DN2000腹板10垫板430允许载荷Q/kN295筋板29510鞍座高度h250190e80底板1280260螺栓间距11202208螺孔/螺纹D/l24/M2012垫板弧长2100鞍座质量Kg162鞍座位置的确定双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取,其中L取两封头切线

22、间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。A0.2L=0.2×5800+25×2)=1170mm当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。为了充分利用这一加强效应因此当满足A0.2L时，最好使A0.5R 0, 即 A0.5R 00.5×（1000+14）=507mm综合以上：取A=507mmS=L-2A=5800+50-1000=4850mm, 2.2.6 焊接接头设计及焊接材料的选取 容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝和热影响区的总称。焊接接头的形式直接影响到焊接的质量与容器安全。（1）焊接接头的设计 本设计中，壳体上的所有纵向及环向接头

23、、椭圆形封头上的拼接街头及壳体与封头的接头，即A、B类接头，必须采用对接焊，不允许采用搭接焊，且对接接头都为等厚度焊接。焊接接头坡口形式及尺寸：对接接头坡口形式及尺寸 筒体壁厚为14mm，所以选择X形坡口，适用于筒体上A、B类接头，具体结构尺寸如下图2-5图2-5 对接接头结构尺寸图 接管与筒体连接接头坡口形式与尺寸 接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与对容器强度与安全的要求有关，有多种形式，涉及到是否开坡口、单面焊、焊透与焊不透等问题。 本设计接管与筒体的连接有带补强圈与不带补强圈两种，查阅文献，结合本设计实际综合考虑，确定接头结构尺寸如下图2-6、图2-7

24、图2-6 不带补强圈接管与筒体连接接头结构尺寸图2-7 带补强圈接管与筒体连接接头结构尺寸（2）焊接材料的选取 本设计采用手工电弧焊，其设备简单，便于操作，适用于各种焊接，在压力容器制造中应用十分广泛，钢板对接，接管与筒体、封头的连接等都可以采用。 手工电弧焊的焊接材料是焊条，本设计材料主要为低合金钢和碳钢，需要用到低合金焊条和碳钢焊条，对于这二者的选用主要考虑如下因素： 对低碳钢和低合金钢，要按等强度原则选择焊条，即要求焊缝与母材强度相等或基本相等，而不要求焊缝金属的化学成分与母材相同； 当低碳钢与低合金钢之间、或不同种类的低合金钢之间进行焊接时，应选用与其中强度较低的钢材等强度的焊条进行焊

25、接。 Q345R钢板 抗拉强度510640MPa 16Mn无缝钢管 抗拉强度510660MPa Q235B钢板 抗拉强度375500MPa 查阅文献结合本设计实际综合考虑，所选用焊条如下表2-6 表2-6 焊条的选取 材料Q345R16MnQ235-BQ345RE5015E5015E430316MnE5015E5015E4303Q235-BE4303E4303E43032.3 强度校核2.3.1 计算条件钢制卧式容器计算单位太原理工大学计 算 条 件 简 图设计压力 p2.12MPa设计温度 t50筒体材料名称Q345R封头材料名称Q345R封头型式椭圆形筒体内直径 Di2000mm筒体长度

26、L5800mm筒体名义厚度 dn14mm支座垫板名义厚度 drn10mm筒体厚度附加量 C2.3mm腐蚀裕量 C12mm筒体焊接接头系数 F1封头名义厚度 dhn14mm封头厚度附加量 Ch2.3mm鞍座材料名称Q235-B鞍座宽度 b220mm鞍座包角 120°支座形心至封头切线距离 A450mm鞍座高度 H250mm地震烈度 八(0.2g)度 2.3.2 内压圆筒校核内压圆筒校核计算单位太原理工大学计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 Pc 2.12MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 2000.00mm材料 Q345R ( 板

27、材 )试验温度许用应力 s 189.00MPa设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度下屈服点 ss 345.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00厚度及重量计算计算厚度 d = = 11.28mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 11.70mm名义厚度 dn = 14.00mm重量 3977.50Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值PT = 1.25P = 2.65 MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT£ 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 20

28、3.62 MPa校核条件 sT£ sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 Pw= = 2.44113MPa设计温度下计算应力 st = = 162.59MPastf 189.00MPa校核条件stf st结论 合格2.3.3 封头计算 左封头计算：左封头计算计算单位 太原理工大学计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 2.10MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 1800.00mm曲面深度 hi 450.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00M

29、Pa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT = 1.25Pc= 2.63 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT£ 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 227.82MPa校核条件sT£ sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 11.25mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 11.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 14.00mm结论 满

30、足最小厚度要求重量 395.82 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.20485MPa结论 合格右封头计算：右封头计算计算单位 太原理工大学计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 Pc 2.12MPa设计温度 t 50.00° C内径 Di 2000.00mm曲面深度 hi 525.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 189.00MPa试验温度许用应力 s 189.00MPa钢板负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 1.00压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 PT

31、= 1.25Pc= 2.65 MPa压力试验允许通过的应力stsT£ 0.90 ss = 310.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 227.82MPa校核条件sT£ sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 11.28mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 11.70mm最小厚度 dmin = 3.00mm名义厚度 dnh = 14.00mm结论 满足最小厚度要求重量 395.82 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 Pw= = 2.20485MPa结论 合格2.3.4 鞍座计算卧式容器（双鞍座）计算单位太

32、原理工大学计 算 条 件简 图 计算压力 pC2.12MPa 设计温度 t50 圆筒材料Q345R 鞍座材料Q235-B 圆筒材料常温许用应力 s189MPa 圆筒材料设计温度下许用应力st189MPa 圆筒材料常温屈服点 ss345MPa 鞍座材料许用应力 ssa147MPa 工作时物料密度 563kg/m3 液压试验介质密度 1000kg/m3 圆筒内直径Di2000mm 圆筒名义厚度 14mm 圆筒厚度附加量 2.3mm 圆筒焊接接头系数 1 封头名义厚度 14mm 封头厚度附加量 Ch2.3mm 两封头切线间距离 6850mm 鞍座垫板名义厚度 10mm 鞍座垫板有效厚度 10mm 鞍

33、座轴向宽度 b220mm 鞍座包角 120° 鞍座底板中心至封头切线距离 A450mm 封头曲面高度 525mm 试验压力 pT2.65MPa 鞍座高度 H250mm腹板与筋板组合截面积 16880mm2 腹板与筋板组合截面断面系数360302mm3 地震烈度8(0.2g)圆筒平均半径 Ra 907mm 物料充装系数 0.85一个鞍座上地脚螺栓个数2地脚螺栓公称直径20mm地脚螺栓根径17.294mm鞍座轴线两侧的螺栓间距1120mm地脚螺栓材料Q235-A2.3.5 开孔补强计算 根据GB150当壳体开孔同时满足设计压力2.5MPa，两相邻开孔中心的间距不小于两孔直径之和的两倍，接管工程外径80mm，且最小壁厚满足如下表2-7要求时，可不另行补强。 表2-7 接管最小壁厚 mm接管公称直径253238454857