课程设计（论文）-35M3液氨储罐设计

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1、中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学院：机械与动力工程学院专业：过程装备与控制工程题目：（35）M3 液氨储罐设计指导教师：2014 年 06 月 16 日中北大学课程设计任务书2013/2014学年 第 二 学期学院：机械与动力工程学院专业：过程装备与控制工程学 生 姓 名：课程设计题目：（35）M3 液氨储罐设计起 迄 日 期：06 月 16 日06月 27 日课程设计地点：校内指 导 教 师：基层教学组织负责人：下达任务书日期:2014 年 06 月 16 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：1) 使用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

2、过程。2) 掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。4) 掌握工程图纸的计算机绘图。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1原始数据设计条件表序号项目数值单位备注1名称35m3 液氨储罐2用途液氨储存3最高工作压力MPa由介质温度确定4工作温度-20485公称容积（Vg）10/16/20/25/40M36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使用地点室外10安装与地基要求11其它要求管口表接管代号公

3、称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途或名称aDN80HG/T20592-2009FF液氨进口管bDN80HG/T20592-2009FF安全阀接口cDN80HG/T20592-2009FF空气进口管dDN80HG/T20592-2009FF空气出口管eDN40HG/T20592-2009FF压力表接口fDN450HG/T21524-2005TG人孔gDN40HG/T20592-2009FF液位计接口hDN80HG/T20592-2009FF液氨出口管课 程 设 计 任 务 书2设计内容1）设备工艺、结构设计；2）设备强度计算与校核；3）技术条件编制；4）绘制设备总装配图；5）编制设计说明书。3设计

4、工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1）设计说明书：主要内容包括：封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等；2）总装配图设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机绘制。课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献：1 国家质量技术监督局，GB150-2011钢制压力容器，中国标准出版社，19982 国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，19993 全国化工设备

5、设计技术中心站，化工设备图样技术要求，2000，114 郑津洋、董其伍、桑芝富，过程设备设计，化学工业出版社，20015 黄振仁、魏新利，过程装备成套技术设计指南，化学工业出版社，20026 国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，19967 蔡纪宁主编，化工设备机械基础课程设计指导书，化学工业出版社，2003 年5设计成果形式及要求：1）完成课程设计说明书一份；2）草图一张（A1 图纸一张）3）总装配图一张 (A1 图纸一张)；6工作计划及进度：2014 年 06 月 16 日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 06 月 17、18、19、20 日：机械设计计算

6、（强度计算与校核）及技术条件编制06 月 21 日06 月 24 日：设计图纸绘制（草图和装配图）06 月 25 日06 月 26 日：撰写设计说明书06 月 27 日：答辩及成绩评定基层教学负责人审查意见：签字：年月日目录第一部分工艺设计第一章工艺计算.11.1设计温度.11.2盛装液氨的压力容器设计存储量.11.3设计初步选型及轮廓尺寸.11.4设计压力.21.5工艺设计参数汇总.3第二部分 机械设计第二章 选择材料.4第三章 结构设计.53.1筒体和封头结构设计.53.1.1筒体厚度设计.53.1.2封头厚度设计.53.1.3 封头的结构示意.63.3接口与接管法兰设计.63.3.1 接

7、管和法兰.63.3.2垫片设计.83.3.3螺栓（螺柱）选择.93.4附件的设计.103.4.1人孔的设计.103.4.2视镜的选择.113.4.3液面计的选择.133.4.4安全阀的选用.133.5支座结构设计.143.5.1储罐总质量计算.143.5.2鞍座负荷计算与选型.153.5.3鞍座位置的确定.173.6焊接接头设计.183.6.1 回转壳体的焊接结构设计.183.6.2接管与壳体的焊接结构设计.183.6.3人孔补强圈与壳体结构设计.19第四章 强度计算.204.1圆筒和封头校核.204.2卧式容器鞍式支座应力校核.204.3开孔补强计算.204.3.1补强设计方法判别.204.

8、3.2有效补强范围.214.3.3有效补强面积.224.3.4补强圈设计.224.4容器的压力实验.23参考文献.24附录.25第一部分 工艺设计第一章 工艺计算1.1 设计温度本设计液氨储罐置于室外，工作温度给定-2048，属于常温压力储存。罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，工作温度为相应温度下的饱和蒸汽压，因次此种类型储存罐不设置保温层。在夏季液氨储存经太阳暴晒，液氨温度可达 50，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化。取液氨储罐的设计温度为 50。1.2盛装液氨的压力容器设计存储量WV t式中：W 储存量,kg；装载系数,取 0.85；V压力容器容积，m3 ；t 设计温度

9、下的饱和溶液的密度，kg / m3 ；查压力容器介质手册177 页 表 2 液体氨的性质，液氨在 50时密度为 t =562.871 kg / m3 ，饱和蒸汽压 pv 2.0325 MPa则 W 0.85 35 562.871 16745.41kg1.3设计初步选型及轮廓尺寸筒体直径一般由工艺条件决定，但是要符合压力容器的公称直径。根据公式：D i2 L 35 m 34L / Di 4 （一般取在 36 之间）1得Di2.233m2233mm根据 GB9019-2001压力容器公称直径2可取 Di 2300mm 。本设计容器属于中低压压力容器，而标准椭圆型封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，

10、应力分布比较均匀，且易于冲压成型，是目前中低压容器经常的封头之一，故本设计中采用标准椭圆型封头形式。封头公称直径必须与筒体的公称直径相一致，即封头公称直径=筒体直径= Di 2300mm ，由 JBT4746-2002钢制压力容器用封头3表 B.1 可得封头总深 H=615mm，内表面积 A=6.0233 ，封头容积为 V 封 =1.7588 m3 ，查表 B.2 得封头质量为m封 744.5kg 。根据V 筒 V 1 5% 2 V封 35 1 5% 2 1.7588 33.2324m3而VD2 L筒4 i 筒得 L筒 7.998 m 7998 mm ,圆整得：L筒 8000mmL80003.

11、48 （在 36 之间）Di2300VD2 L 33.24m3筒4 i 筒V计算 V筒 2V封 33.24 2 1.7588 36.76m3误差V计算V100% 0.51% 5% ,故符合要求V所以计算容积为 36.76 m3 ，工作容积为36.76 0.85 31.24 m3 。1.4设计压力设计压力为容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，而最高工作压力指容器顶端在正常工作过程中可能产生的最高表压。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,本设计中不妨取 1.10。计算压力是指在相

12、应的设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，2其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当元件所承受的液柱压力小于 5%设计时，可忽略不计。则设计压力pc1.10( pvpa )1.10(2.03250.1)2.13MPa液柱静压力t gDi562.871 9.82.312687.11Pa0.01269MPa因为 t gDi 0.01269 0.6% 5% pc 2.13则液柱静压力可以不考虑，则计算压力与设计压力相等，由固定式压力容器安全技术监察规程4中压力容器分类方法可知，本设计储罐属于中压（代号M）容器。1.5 工艺设计参数汇总(见表 1.1)表 1.1

13、 工艺设计参数参数（单位）数值设计温度()50液氨饱和蒸汽压(MPa)2.0325最高工作压力(MPa)1.9325设计压力(MPa)2.13液氨密度( kg / m3 )562.871设计存储量(kg)16745.41圆筒公称直径(mm)2300封头公称直径(mm)2300封头总深度(mm)615封头内表面积( m2 )6.0233封头容积( m3 )1.7588封头质量(kg)744.5计算容积( m3 )36.76工作容积( m3 )31.243第二部分 机械设计第二章 选择材料纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般钢材，本设计储罐为中压容器，且工作温度为-2048。根据课程设计指导书14 页

14、材料的选择，可选用碳素钢和低合金钢，一般来说，以强度设计为主的中压设备以采用普通低合金钢为宜。普通低合金钢如16MnR 的屈服极限比普通碳素钢甚至优质碳素钢的屈服极限高出很多，采用这类钢材制造压力容器，可以显著减小设备重量、降低制造成本，同时给设备的运输和安装也带来了很大的方便。根据 GB713-2008 锅炉与压力容器用钢板5，16MnR、16Mng 和 19Mng合并为 Q345R,由最新标准 GB150-2011 钢制压力容器6，此设计筒体和封头材料最终选择 Q345R,钢板标准号为 GB 713。Q345R 的许用应力 t 列于下表：表 2.1Q345R 在不同温度和厚度下的许用应力

15、t钢号板厚/在下列温度（）下的许用应力/ Mpa20100150200250300316189189189183167153Q345R1636185185183170157143366018118117316014713360100181181157150137123注意：由 GB150-2011 钢制压力容器10.3.1 节对需要进行全部射线或超声检测条件的介绍，本设计采用低合金钢 Q345R 作为材料，故需要进行 100%无损检测。4第三章 结构设计3.1筒体和封头结构设计通过第一章第 1.3 节对尺寸轮廓的初步计算，我们得出了筒体和封头的公称直径为2300mm，筒体长度8000mm，封头

16、总深H=615mm，内表面积A=6.0233 m2 ，容积为 V 封 =1.7588 m3 。3.1.1 筒体厚度设计由筒体厚度计算式：Pc Di（3.1）2 t Pc其中： -焊接系数，由 GB150-2011 钢制压力容器规定：焊接接头系数应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。当进行 100%无损检测时 取 1.00。本设计设计温度为 50，由表 3.1 可知，当厚度为 3 16mm 时，t =189MPa，由式（3.1）可得筒体的计算厚度：13.03mm。按照 GB/T709-2006 热轧钢和钢带的尺寸外形7，本设计钢板厚度负偏差 C1 为 0.8mm。碳钢对液氨有良好

17、的耐蚀性腐蚀率在 0.1 /年以下，假设设计寿命为 20 年，则腐蚀余量：C2 0.1 20mm 2mm 。故筒体的设计厚度： dC213.03215.03mm名义厚度： nC1C213.0320.815.83mm 。根据 Q345R 钢板常用规格，取名义厚度为 16mm。有效厚度： enC16(20.8)13.20mm3.1.2 封头厚度设计5封头厚度计算式：Pc Di2 t 0.5Pc解得： 13.00mm可得封头的设计厚度： dC2 13.00 2 15.00mm名义厚度： nC1 C2 13.00 0.8 2 15.80mm 。同理取名义厚度为 16mm。有效厚度： en C 16 (

18、2 0.8) 13.20mm3.1.3 封头的结构图封头结构图如图 4.1 所示，本设计封头采用标准椭圆封头8，则Di2 ，其中2hihiH hD i则h HDi615230040mm44hih图 3.1 封头结构图3.3 接口与接管法兰设计3.3.1 接管和法兰本设计液氨储罐应设置液氨进口、安全阀接口、人孔、空气进口、空气出口、压力表接口、温度计口、液位计接口、液氨出口。根据 GB150-2011钢制压力容器中开孔和开孔补强知，筒体上的开孔应为圆形、椭圆形或长圆形。本设计考虑到圆孔开孔处应力分布比较均匀，故开孔选取圆形。6根据 HG/T 20592-2009钢制管法兰9中 37 页表 8.2

19、 1-1 PN2.5 板式平焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸见表 3.1，查 HG/ T20592-2009钢制管法兰中附录 D 中表 D-3，得各法兰的质量见表 3.1，根据 HG/T20592-2009钢制管法兰4 材料，选用锻件 16Mn，法兰结构图如图 3.2 所示：表 3.1法兰尺寸参数公钢管外径法兰连接尺寸称焊缝外径 A1法兰法兰内径名称尺法兰外螺栓孔中螺栓孔螺栓口螺栓厚度B1质量寸径心圆直径直径数量ThCkgDKLnABABDN液氨进8088.989190150184M161890.5913.0管口安全阀8088.989190150184M161890.5913

20、.0口空气进8088.989190150184M161890.5913.0气口空气出8088.989190150184M161890.5913.0气口液氨出8088.989190150184M161890.5913.0气口视镜口8088.989190150184M161890.5913.0液位计4048.345130100144M121649.5461.5口压力表4048.345130100144M121649.5461.5口温度计4048.345130100144M121649.5461.5孔注：根据 GB150-2011钢制压力容器153 页 6.1.3 节不另行补强的要求可知，本设计开孔

21、都符合这些要7求，故无需补强。图 3.2 法兰结构图3.3.2 垫片设计查 HG/T 20609-2009钢制管法兰用金属包覆垫片10中 144 页表 4.0.1 得本设计储罐各法兰垫片的尺寸见表 3.2。表 3.2 垫片尺寸表（mm）管口名称公称直径内径 D1外径 D2液氨进管口80109.5142安全阀口80109.5142空气进气口80109.5142空气出气口80109.5142液氨出气口80109.5142视镜口80109.5142液位计口406892压力表口406892注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为 GB/T 3880，代号为 L3。2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。3：垫

22、片厚度均为 3mm。83.3.3 螺栓（螺柱）选择根据 HG/T 20613-2009 钢制管法兰用紧固件11中表 5.0.7-2 和附录中表A.0.1,得法兰附件螺柱的长度和平垫圈尺寸见表 3.3，螺柱、螺母、平垫圈如图 4.3，4.4 所示表 3.3螺栓尺寸表(mm)公紧固件用平垫圈质量 kg称数量名称螺纹螺柱长d1d2HM直（个）径液氨进管口80M1648517303136安全阀口80M1648517303136空气进气口80M1648517303136空气出气口80M1648517303136液氨出气口80M1648517303136视镜口80M1648517303136液位计口40M

23、1247013242.556压力表口40M1247013242.556注：所有螺栓材料均采用 35CrMoA。图 3.3 螺栓螺母结构图图 3.4 垫片结构图93.4附件的设计3.4.1 人孔的设计人孔即检查孔。压力容器开设检查孔目的是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部件，一般设备的公称直径在 900mm 以下时可根据需要设置适当数量的手孔，超过 900mm 时应开设人孔。人孔有圆形和长圆两种。人孔大小的设置原则是方便人的进出，因此，圆形人孔的公称直径规定为 400600mm。根据压力容器与化工设备实用手册，筒体长大于 6000mm，故需要开设两个

24、人孔。根据储罐的设计温度、最高工作压力、材料、介质特点及使用要求等条件，查标准 HG/T21514-2005钢制人孔和手孔的类型与技术条件12，选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔，再查水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标 HG/T21524-2005水平吊盖带颈对焊法兰人孔13，选用公称压力 PN=2.5MPa 的水平吊盖带颈对焊法兰人孔，人孔公称直径选定为 DN=450，人孔法兰采用榫槽密封面（TG 型）和石棉橡胶板垫片。水平吊盖带颈对焊法兰人孔模型图如图 4.5 所示，人孔各零件名称，材质、数量及尺寸见表 3.4图 3.5 水平吊盖带颈对焊法兰人孔10表 3.4 人孔的 PN2.5DN450 明细表件号

25、标准号名称数量材料尺寸/mm1GB/T筒节1Q345Rdw=480*12713-2008d=456D=6702HG20592法兰116Mn（锻件）D1 6003HG20592垫片1石棉橡胶板H1 3204HG20592法兰片1Q345RH2 2115HG20613螺栓2035CrMoAb=426HG20613螺母4030CrMob1 417吊环1Q235-A.Fb2 458转臂1Q235-A.FA=3809GB/T 95-垫圈 201100HVM=258kg10GB/T螺母 M2025 级6170-200011吊钩1Q235-A.F12环1Q235-A.F13GB/T无缝钢管1208163-2

26、00814支撑板1Q3453.4.2 视镜的选择根据 NB/T47017-2011压力容器视镜14表 3.6，结合视镜口公称直径、本设计公称压力，可选用视镜为不带射灯和非防爆型射灯结构，不带冲洗装置。其结构如图 3.6111视镜玻璃；2视镜座；3密封垫；4压紧环；5螺母；6双头螺柱图 3.6 视镜的基本型式视镜座外缘直接与容器的壳体或封头相焊（图 3.7）图 3.7视镜座外缘直接与容器的壳体或封头相焊示意图基本尺寸见表3.5：表 3.5 视镜基本尺寸公称公称压力视镜视镜片密封垫螺 柱直径PNXDKGh1h2h3d1Sdgidgo数量螺纹DNMPan802.5203161211203025100

27、20801024M16550123.4.3 液面计的选择液位计型式有很多种，根据 HG/T21584-85磁性液位计，本设计采用磁性液位计。根据罐内工作压力P 1.9325MPa 选取压力等级为 2.5 MPa。选普通型，外加保温层的液位计。中心距 L 的选择：液位：h0.8Di0.821001680mm液位计位置在0.2Di 处： 0.2Di 0.2 2100 420mm则L16804201260mm取L 1400mm 的液位计材质选择：0Cr18Ni9Ti。介质0.569kg / L 。3.4.4 安全阀的选用本设计考虑泄放的氨有毒且污染环境，确定采用封闭式安全阀。所以选用弹簧封闭全启式（

28、带扳手）安全阀。本设计选用弹簧封闭全启式（带扳手）安全阀型号为：A44Y-C ，其结构图与实物图如图 3.8 所示：图 3.8 A44Y-C 安全阀结构图（左）和实物图（右）其主要部件材料见表3.613表 3.6A44Y-C 材料明细表NO.零件名称A44Y-C 材料1阀体WCB2阀座2Cr133调节圈ZG2Cr134反冲盘ZG2Cr135阀瓣2Cr136导向套2Cr137阀盖ZG230-4508弹簧50CrVA9阀杆2Cr1310扳手ZG200-40011调整螺杆4512保护罩ZG200-400密封面材料堆焊 Co 基硬质合金根据安全阀口公称直径，本设计选用安全阀外形尺寸和连接尺寸见表 3.7表 3.7外形和连接尺寸公称DZ d1doDKg1bFZ dD1K1g2b1fLL1H直N径4025150