液氨贮罐的机械设计

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1、设计任务书1. 设计课题：液氨贮罐的机械设计2. 工艺参数最高使用温度：T=50公称直径：DN=2800mm筒体长度（不含封头）：L0=5200mm3. 设计内容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4. 设计人：卢思聪5. 学号：07080102216. 下达时间：2010年11月19日7. 完成时间：2010年12月21日目录设计任务书I1 前言12 设计思想及基本参数22.1 设计思想22.2 基本设计参数23 材料结构的选择与论证33.1 材料的选择33.2 结构选择与论证43.2.1 贮罐结构形式的选择43.2.2 封头的选择

2、43.2.3 人孔的选择43.2.4 法兰的选择53.2.5 支座的选择64 设计计算74.1 筒体厚度的计算74.2 封头厚度的计算74.3 水压实验及强度校核84.4 选择人孔及核算开孔补强94.5 核算承载能力及选择鞍座115 附件的选择与确定135.1 选择液面计135.2 选择工艺接管135.2.1 液氨进料管135.2.2 液氨出料管135.2.3 排污管145.2.4 安全阀接管145.2.5 放空接管145.2.6 液面计接管146参数校核156.1 筒体轴向应力校核156.1.1 筒体轴向弯矩计算156.1.2 筒体轴向应力计算166.2 筒体和封头切向应力校核176.2.1

3、 筒体切向应力计算176.2.2 封头切向应力计算176.3 筒体环向应力校核176.3.1 环向应力计算176.3.2 环向应力校核186.4 鞍座有效断面平均压力187 设计总汇208 液氨储罐装配图219 结束语2210 参考文献231 前言本次课程设计是在我们学完化工设备机械基础这门课程后开的课程设计，任务是设计一台液氨贮罐，以提高我们对理论知识的理解和运用。在设计中通过工艺计算及查阅了相关的资料，按照设计任务对液氨贮罐的材料结构和相应的型号进行了确定，并用CAD工具绘制成图。由于个人的知识水平有限，若在设计中有不足和错误之处，还望老师指正。2 设计思想及基本参数2.1 设计思想化工容

4、器设计的基本要求是安全性与经济性，安全是核心问题，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。首先根据设计任务及基本参数，查阅各种国家规定的设计标准进行容器的选型、基本结构的确定和材料的选择，其中包括贮罐类型的选择，容器用钢材料的选择，封头的选择，人孔的选择，法兰的选择，液面计的选择，支座的选择。然后再根据设计参数进行工艺计算，设计出容器各组成部分的工艺数据，其中包括筒体的厚度，封头的厚度，水压实验及强度核算，人孔及开孔补强，承载能力及鞍座的设计等等。最后对设计出的结果进行总汇并做出所设计贮罐的装配CAD图。2.2 基本设计参数最高使用温度：T=50公称直径：DN=2800mm筒体长度（不含封头）：

5、L0=5200mm查表可知50时液氨的饱和蒸汽压为P=2.033Mpa（绝对压力）此压力即为容器的最大工作压力。容器的设计压力应该高于其最大工作压力，对于装有安全阀的容器，其设计压力不得低于安全阀的开启压力，安全阀的开启压力是根据容器最大工作压力调定，据此，取最大压力的1.10倍作为容器的设计压力，则设计压力p=1.1（2.033-0.101）=2.1252Mpa（表压），取p=2.2Mpa（表压）。3 材料结构的选择与论证3.1 材料的选择钢材根据化学成分，压力容器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。在设计和制造化工容器时，选择容器用钢必须综合考虑：容器的操作条件，材料的使用性能，材料的加

6、工工艺性能，经济的合理性。并且必须符合GB150-1988钢制压力容器的要求。由于设计要求最高使用温度：T=50，设计压力P=2.2Mpa（表压），液氨低腐蚀，该容器属于中压、低温范畴，同时温度和压力有波动。对材料的要求应是耐压，耐低温，且抗压力波动。根据选材原则优先考虑16MnR、15MnVR、15MnTi等钢材。再考虑到经济性选择16MnR为设计容器筒体和封头所用钢材。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3-1。表3.1 压力容器用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/MPa

7、bMPasMPa2010015016MnRGB 6654热轧，正火61651034517017017016364903251631631633660470305157157157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，选择相应的钢材。3.2 结构选择与论证 3.2.1 贮罐结构形式的选择贮罐的结构形式主要有卧

8、式贮罐、立式贮罐和球形贮罐。根据设计要求，作为储存液氨的容器一般选用地面卧式储罐，主要由筒体、封头和支座组成。3.2.2 封头的选择化工容器上常用的封头型号有半球形封头，椭圆形封头，锥形封头，平盖型。半球形应力小，但深度大，冲压困难，制造困难，一般用于高压容器上。椭圆形应力分布比较均匀，深度小，易于冲压成型。是目前中低压容器中应用较广泛的封头之一。所以本设计选用椭圆形封头。锥形封头一般多用于立式容器上，故不选用。平盖型结构简单，制造容易，但材料耗费多。故不选用。总之，从受力情况，制造角度以及费用综合考虑后，本设计选用标准椭圆形封头。3.2.3 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

9、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，选择使用上有较大的灵活性，其尺寸大小及位置以设备内件安装和工人进出方便为原则。由于贮罐是在常温及最高压力为2.2MPa下工作，人孔标准按公称压力2.5MPa的压力等级选取。又人孔盖直径较大且质量较重，选用水平吊盖法兰人孔，因为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，而不必将其取下以节约维修时间。查得该人

10、孔的有关数据如下:表3.2 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dWSDD1dbb1b2AH1H2d02.54504801267060045046404438032021436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3.3 人孔PN2.5 DN450(HG21524-95)明细表件号标准号名称数量材料尺寸/mm1筒节116MnRdWS=48012，H1=320

11、2HGJ52-91法兰116Mn(锻件)3HGJ69-91垫片1石棉橡胶板=3(代号A.G)4HGJ63-91法兰盖116MnRb1=39， b2=445HGJ75-91P螺柱2035M3321756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116MnR3.2.4 法兰的选择压力容器法兰的标准（JB/T47047072000）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PN0.25

12、 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa，在较小范围内（DN300 mm 2000 mm）适用温度范围为-20300。乙型平焊法兰用于PN0.25 MPa1.6 MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为DN300 mm 3000 mm，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（PN0.6 MPa6.4MPa）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。管法兰、钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照原化学工业部于1997年颁布的钢制管法

13、兰、垫片、紧固件标准（HG20592HG20635-1997）的规定。3.2.5 支座的选择卧式容器的支座应用最普遍，而且有标准可查的是鞍式支座，简称鞍座，鞍座标准是（JB/T4712-92）。鞍座分为A型（轻型）和B型（重型）两类，每种形式的鞍座又分为固定式支座（F）和滑动式支座（S）两种。鞍座的尺寸是由公称直径确定的。本设计公称直径DN=2800mm 1000mm，则选用轻型A双鞍座，焊制、120包脚、带垫板、一为固定式F型一为滑动式支座S型。4 设计计算4.1 筒体厚度的计算筒体的理论计算壁厚公式为： (4.1)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，

14、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1.0（双面焊对接接头，100%探伤）。取计算压力pc=p=2.2MPa，筒体内径Di=DN=2800mm，查表3.1知16MnR在设计温度为50时的许用应力为t=163MPa，将这些数值代入公式(4.1)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：由钢板厚度负偏差表查得C1=0.8mm，故名义壁厚为：圆整后取n=22mm。4.2 封头厚度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=22mm。查得标准椭圆形封头的直边高度(

15、JB/T4737-95)为h0=50mm4.3 水压实验及强度校核GB 150-1998钢制压力容器规定液压试验压力如下： (4.2)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。将p=2.2MPa， =t=163MPa代入式(4.2)得液压试验的试验压力为：试验时器壁的应力为： (4.3)其中有效厚度：，故查表3.1可知22mm的16MnR钢板的常温强度指标s=325MPa。所以，则，故所设计的器壁厚度满足水压试验要求。4.4 选择人孔及核算开孔补强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。由表3.2知本设计所选

16、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+212+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内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为 mm2 (4.4)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比值。对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为：开孔直径取将这些数据代入式(4.4)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。

17、(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 (4.5)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，mm2;A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；A3焊缝金属截面积，mm2。计算如下： (4.6)接管有效厚度为，故 (4.7)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(5) 补强圈厚度圆整后取，补强材料与壳体材料相同为16MnR。4.5 核算承载能力及选择鞍座本设计公称直径DN=28

18、00mm 1000mm，则选用轻型A双鞍座，焊制、120包脚、带垫板、一为固定式F型一为滑动式支座S型。首先粗略计算鞍座负荷。贮罐总质量为 (4.8)式中 m1罐体质量，kg；m2封头质量，kg；m3液氨质量，kg；m4附件质量，kg。(1) 罐体质量m1查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表4)公称直径DN=2800mm，壁厚=22mm的筒体，得每米质量是q1=1531kg/m，所以(2) 封头质量m2查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表6)公称直径DN=2800mm，壁厚=22mm，直边高度h0=50mm的标准椭圆形封头，得其质量，所以(3) 液氨质量m3 (4.9)式中 装

19、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。查表(化工设备设计基础，天津大学出版社，附表5)得筒体公称直径DN=2800mm，筒体长度L0=5.2m，封头容积为Vh=3.18m3，则贮罐总容积为于是(4) 附件质量m4人孔约重200kg，其它接口管的总重约300kg。于是m4=500kg。故设备总质量为每个鞍座承受的负荷为筒体长度式中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，取根据鞍座承受的负荷，查表（化工

20、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，包角为120的鞍座。即JB/T4712-92 鞍座A2800-F，JB/T4712-92 鞍座A2800-S。其标准尺寸如下：表4.1 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l28004472502040300121032026835883260500865180024M20405 附件的选择与确定5.1 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，大体上可分为四类，有玻璃板液面计、玻璃管液面计、

21、浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度一般在0250。但透光式适用工作压力较反射式高。玻璃管液面计适用工作介质温度在0250的范围。液面计与容器的连接型式有法兰连接、颈部连接及嵌入连接，分别用于不同型式的液面计。液面计的选用：（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3m时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果受到限制，应改用其它适用的液面计。液氨为较干净的物料，易透

22、光，不会出现严重的堵塞现象，所以在此选用玻璃管液面计。由储罐公称直径2800选择长度为1450mm 液面计二支，体材料(针形阀)为碳钢,体温型, 液面计标记为：玻璃管液面计 AT 2.5-W-1450V。5.2 选择工艺接管5.2.1 液氨进料管采用57mm3.5mm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 法兰 PL502.5 RF16Mn5.2.2 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HG20595 法兰 WN32-2.

23、5 RF 20。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HG20595 法兰 WN32-2.5 RF 20相同，但其内径为25mm。液氨压出管的端部法兰采用HG20595 法兰 WN20-2.5 RF 20。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐2.6m5.2.3 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HG20595 法兰 WN50-2.5 RF 20。5.2.4 安全阀接管安全阀接管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用的无缝钢管，法兰为HG20595 法兰 WN32-2.5 RF 20。各接管的长度都是200mm。5.2.5 放空

24、接管为了在注入液体时，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HG20595 法兰 WN32-2.5 RF 20。5.2.6 液面计接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HG20595 法兰 WN10-2.5 RF 20。6 参数校核6.1 筒体轴向应力校核6.1.1 筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩为 (6.1)式中F鞍座反力(N)；Rm椭圆封头长半轴外半径(mm)；L两封头切线之间的距离(mm)；A鞍座的位置(mm)；hi筒体内半径(mm)；其中所以 支座处截面上的弯矩为 (6.2

25、)于是6.1.2 筒体轴向应力计算由化工机械工程手册（上卷）P11-99 表11.4-11 查得K1=K2=1.0。因为，且ARm/2=711mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。由弯矩引起的轴向应力圆筒中间截面上最高点处： (6.3)于是最低点处：鞍座截面处最高点处：最低点处：=由设计压力引起的轴向应力 (6.4)于是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点处, 于是 (6.5)许用轴向拉压应力t=163MPa，合格。最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面的最高点处轴向许用应力 (6.6)根据A值查外压容器设计的材料温度线图6（化工设备机械基础,赵军编，P1

26、52）图11-9，查得B=130MPa，取许用压缩应力，合格。6.2 筒体和封头切向应力校核6.2.1 筒体切向应力计算 (6.7)由化工机械工程手册（上卷）P11-100表11.4-12查得K3=0.880，K4=0.401。于是6.2.2 封头切向应力计算 (6.8)于是合格.6.3 筒体环向应力校核6.3.1 环向应力计算设垫片不起作用。在鞍座处横截面最低点处 (6.9)式中b2筒体有效宽度。由化工机械基础手册（上卷）P11-101表11.4-13查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1考虑容器焊在鞍座上 (6.10)式中b支座轴向宽度。于是故鞍座边角处轴向应力因为，所

27、以 (6.11)6.3.2 环向应力校核合格。合格。6.4 鞍座有效断面平均压力支座承受的水平分力 (6.12)由化工机械工程手册（上卷）P11-103表11.4-15查得K9=0.204。于是鞍座有效断面平均应力 (6.13)式中Hs鞍座计算高度；b0鞍座腹板厚度。其中Hs取鞍座实际高度（Hs=250mm）和中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度于是应力校核：合格。式中，鞍座材料16MnR的许用应力。7 设计总汇序号名称指标材料1设计压力2.2MPa2工作温度503物料名称液氨4容积38.36m35筒体DN2800mm22mm，L=5200mm16MnR6封头DN2800mm22mm，h=

28、50mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍座A2800-FJB/T4712-92 鞍座A2800-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=500mm1012进料管，L=500mm1013出料管，L=200mm1014压料接管，L=3000mm1015排污管，L=200mm1016放空管，L=200mm1017安全阀接管，L=200mm1018法兰配合以上接管Q235A8 液氨储罐装配图贮罐的总装配图见附页，各零部件的名称，规格、尺寸、材料等见明细表。9 结

29、束语通过这次课程设计，我对所学化工设备机械基础中的基础力学理论、金属材料的基础知识有了更深刻的理解；对有关化工容器设计、制造、材料使用和监察管理的国家标准有了一定的了解，对CAD制图技能有了一定的提高。由于知识有限，在设计中还有诸多不足之处，需要继续学习，以补充知识的缺陷。10 参考文献【1】 董大勤.化工设备机械基础.北京：化学工业出版社，2009.【2】 丁伯民，黄正林.化工容器.北京：化学工业出版社，2003.【3】 刁玉玮，王立业.化工设备机械基础.大连：大连理工大学出版社，2003.【4】 谭蔚.化工设备设计基础.天津：天津大学出版社，2008.【5】 赵军，张有忱，段成红.化工设备机械基础.北京：化学工业出版社，2007.【6】 林大钧.简明化工制图.北京：化学工业出版社，2005.【7】 陈钟秀，顾飞燕，胡望明.化工热力学.北京：化学工业出版社，2001.