液氨储罐机械设计分析

课程设计任务书

广东石油化工学院

《化工机械基础》课程设计任务书

1.设计题目：液氨储罐机械设计

2. 设计数据：

技术特性

公称容积V0(m3) 16 公称直径D i(mm) 2000介质液氨筒体长度L(mm) 4000

工作压力(MPa) 2.07 工作温度(0C) ≤50 厂址茂名推荐材料16MnR

管口表

编号名称公称直径(mm) 编号名称公称直径(mm) a1-2 液位计15 e 安全阀32

b 进料管50 f 放空管25

c 出料管32 g 人孔500

d 压力表15 h 排污管50

工艺条件图

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3.计算及说明部分内容（设计内容）：

第一部分绪论：

（1）设计任务、设计思想、设计特点；

（2）主要设计参数的确定及说明。

第二部分材料及结构的选择与论证

（1）材料选择与论证；

（2）结构选择与论证：封头型式的确定、人孔选择、法兰型式、液面计的选择、鞍式支座的选择确定。

第三部分设计计算

（1）计算筒体的壁厚；

（2）计算封头的壁厚；

（3）水压试验压力及其强度校核；

（4）选择人孔并核算开孔补强；

（5）选择鞍座并核算承载能力；

第四章主要附件的选用

（1）、液面计选择

（2）、各进出口的选择

（3）、压力表选择

第五章设计小结

附设计参考资料清单

4．绘图部分内容：

总装配图一张（1#）

5．设计期限：1周（2014 年 07 月 07 日—— 2014 年 07月 11 日）

6、设计参考进程：

(1)设计准备工作、选择容器的型式和材料半天

(2)设计计算筒体、封头、选择附件并核算开孔补强等一天

(3)绘制装配图二天

(4)编写计算说明书一天

(5)答辩半天

7．参考资料：

[1]《化工过程设备机械基础》，李多民、俞慧敏主编，中国石化大学出版社

课程设计任务书

[2]《化工设备机械基础》，汤善甫朱思明主编，华东理工大学出版社。

[3]《化工设备机械基础课程设计指导书》，蔡业彬宣征南主编。

[4]《钢制压力容器》GB150-98

发给学生（签名）：指导教师：陈华豪

2014 年07 月8日

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第一章绪论

1、液氨贮罐的设计背景

化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。

液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。

为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。

2.设计任务、设计思想、设计特点

设计任务：根据储罐筒体公称直径D i = 2000mm ，罐体公称容积 V=16m3 ,设计一液氨储罐, 通过设计储罐的厚度，使其能满足工艺要求。

设计思想：通过图书馆和上网查找有关的书籍与资料，获取需要的数据，来完成所要求要设计的部分。液氨储罐是我们平时运输液氨的一个常用设备，在设计液氨储罐时，要有利于成批生产，提高质量，便于互换，降低成本，提高劳动的生产率，要对容器的设计（如封头、法兰、支座、人孔、液面计等）进行标准化，除此之外还要尽量满足工艺的要求，密封性能要好。

设计特点：为了满足工艺过程的需要，必须做到如下要求：

（1）强度：液氨储罐可以抵抗外力破坏能力，以保证生产安全。

（2）刚度：零部件应有抵抗外力使其变形的能力，以防止容器在使用、运输或安装的过程中发生不允许的变形。

（3）稳定性：容器或其零部件在外力作用下有维持其原型的能力，防止容器被压瘪或出现皱折。

（4）耐久性：容器有一定的抵抗介质及大气的腐蚀能力，保持一的使用年限。

（5）气密性：容器在承受压力或处理有毒介质时有可靠的气密性，提供良好的劳动环境及维持正常的操作。

（6）其他：节约材料、便于制造、运输、安装、操作、维修方便，符合有关的国家标准

绪论

和行业标准等的规定。

2、主要设计参数的确定及说明

（1）设计压力

本储罐在茂名夏季最高温度380C左右，其工作温度480C，该温度下氨的饱和蒸汽压为：1.929Mp，比工作压力相同，故取设计压力为P=2.07Mp。

（2）设计温度

该储罐内的介质工作时温度为480C，故可取设计温度为：t=480C+150C=630C （3）许用应力、屈服极限

制造该储罐采用16MnR刚板，其在设计温度630C下的许用应力为170Mp，屈服极限为345Mp。

（4）焊接系数

本设计采用双面对接焊，100%无损伤，焊接接头系数为1.0。

（5）厚度附加量

预计钢材厚度在8mm-25mm之间取钢材厚度偏差为0.8mm。液氨有轻腐蚀作用筒体和封头的腐蚀欲量为1.0mm。

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第二章材料及结构的选择与论证

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16MnR钢种。

从钢板耗量和价格综合考虑，采用16MnR钢板，制造费用较为经济。

综上所述，本设计的储罐材料选用16MnR钢板制作罐体和封头。

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

人孔是安装或按检修人员进入塔器的唯一通道。人孔不应该设置在鞍座截面和跨中截面上，也不宜在封头上设置人孔。人孔尺寸应根据容器直径大小、压力等级、容器内部可拆构件尺寸等因素决定，一般情况下：

●容器直径大于或等于900～1000mm时，选用DN400人孔；

●容器直径大于1000～1600mm时，选用DN450人孔；

●容器直径大于1600～3000mm时，选用DN500人孔；

●容器直径大于3000mm时，选用DN600人孔。

材料及结构的选择与论证

表6-5 人孔的设置

容器公称直径DN/mm 有内部构件时无内部构件时300＜DN＜900 设置设备法兰设置一个人孔或设置1-2个检查孔900≤DN＜2600 设置一个人孔设置一个人孔DN≥2600 设置二个人孔设置一个人孔本设计的容器公称直径是2000mm，设置一个DN500人孔。

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2.07MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力为2.5MPa的等级选取，由于容器公称直径为2000mm,碳钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查

HG/T21524-2005标准，选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔，DN500人孔，密封压紧面采用RF型。该人孔标记为：HG/T21524-2005 人孔 TGⅧ(A.G) 500-2.5 其中RF指凸面密封，Ⅷ指接管与法兰的材料为16MnR，A.G是指用普通石棉橡胶板垫片，500-2.5 是指公称直径为500mm、公称压力为2.5Mpa。。

③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，如管法兰P 2.5MPa

。由于本设计P=2.07Mpa，由HG20592-97标准,可以选择焊接法兰中的板式平焊法兰PL。

法兰与密封面形式：P=2.5Mpa，根据HG20592-97标准可以选择RF密封面。

④液位计的选择

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、浮子液面计和浮标液面计。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，易透光，不会出现严重的堵塞现象所以在此选用玻璃管液面计。液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径Di=2000mm选择玻璃管液面计AT25-ⅠHG5-1364-80两支。

与其相配的接管尺寸为 18×3mm,管法兰为PL15-2.5RF 16MnR HG20592-97。

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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支座。从应力分析看，承受同样载荷且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分市。因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。而且，现在储罐等的支座已经标准化了，所以鞍座采用了双支座，一个S型，另外一个F型，为了充分利用封头对筒体的加强作用，支座应靠近封头，即A≤Ri ，A不大于0.2L，以便使筒体的中间部分截面与支撑部分截面的弯矩值相等或相近。

鞍座的公称直径是筒体的公称直径，每一公称直径的鞍座规格有轻型（A型）和重型（B型）。

卧式液氨储罐选用鞍式支座（JB/T 4712.1-2007），按照储罐公称直径DN=2000选用A型（轻型）带垫板的鞍座一对（其中S型和F型各一个），包角为120℃标记为：JB/T 4712.1-2007 鞍座 A2000-F

JB/T 4712.1-2007 鞍座 A2000-S。（具体参数如下图表）

设计计算

第三章 设计计算

1、计算筒体的壁厚

液氨储罐是内压薄壁容器，根据选材分析，本储罐选用16MnR 制作罐体和封头。 根据《压力容器安全技术监察规程》规定液氨储罐设计温度为48℃，设计压力P=2.07Mpa 。由设计参数i D =2000mm ，可以查得[]t σ=170Mpa ，MPa 345s =σ φ=1.00(带垫板的单面对接焊缝，全部无损检测）。

根据介质的性质，可以查得腐蚀裕量为2C =1mm ；根据内径查常用钢板厚度负偏差规格，可以查得，负偏差为1C =0.8mm 。

厚度附加量为C=12C C +=0.8mm+1mm=1.8mm 因此，筒体的计算厚度为：

[]p D p t

i

-?=φσδ2=07.200.117022000

07.2-???=12.3mm 筒体的设计厚度为：

mm

c d 3.132=+=δδ

mm c d n 1.148.03.131=+=+=δδ

对厚度进行圆整可得名义厚度为：n δ=16mm 确定用mm n 16=δ厚的16MnR 钢板制作罐体。

2、计算封头的壁厚

本容器用标准椭圆封头，厚度根据公式：

[]25.02C p

D p t

i d +-?=

φσδ

其中各数据跟罐体相同，

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[]25.02C p

D p t

i d +-?=

φσδ =07.25.000.117022000

07.2?-???+1 =13.2mm

mm c d n 01.148.021.131=+=+=δδ

对厚度进行圆整可得名义厚度为：mm n 16=δ 确定用厚的mm n 16=δ16MnR 钢板制作封头。

3、水压试验压力及其强度校核

根据公式

()s e e i T T D p σφ

δδσ9.02≤+=

取

=T p 1.1P=1.1χ

2.07Mpa =2.3 Mpa

式中： =-=C n e δδ16－1.8 = 14.2mm =s σ345 Mpa

则水压试验时的应力： ()

φ

δδσe e i T T D p 2+=

= =163.1Mpa

Q345R 钢制容器在常温水压试验时的许可应力

0.3153459.09.0=?=s σMPa 可见：s T σσ9.0＜

因此罐体厚度满足水压试验时的强度。

4、选择人孔并核算开孔补强

根据储罐是在常温及最高工作压力为2.07Mpa 的条件工作，人孔标准应按公称压力为2.07Mpa 。从人孔类型系列标准可知，公称压力为2.07 Mpa 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，检修时只须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：HG 21524-2005 人孔 RF Ⅷ DN500-PN2.5其中RF 指突面密封，Ⅷ指接管与法兰的材料为16MnR ，DN500是指公称直径为500mm 、PN2.5指公称压力为2.5 Mpa 。

查得如下图水平吊盖人孔（JB583-79；《化工过程设备机械基础》）各零件的名称、材料及尺寸如下：

设计计算

件号 标准号 名称

数量

材料 尺寸/mm

1 筒节 1 16MnR

2 GB30—76 煤栓 20 A4 直径×长度=M27×120

3 GB30—76

螺母 20 16MnR M27

4 法兰 1 16MnR

D=640，D1=585,b=42

5 垫片 1 橡胶石棉

δ=3

6 盖 1 16MnR b1=42;b2=44

7 吊环 1 16MnR d=20 8 转臂 1 16MnR d=36 9 吊钩 1 16MnR 螺纹部分M20

10 GB41—76 螺母 2 16MnR M20 11 GB95—76

垫圈 1 16MnR

12 环 1 16MnR 外径d=50,内径d=36

13 无缝钢管 11 10 φ45×3.5

14

支承板

1

Q345-AF

δ=10

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d=500mm,壁厚nt δ=10mm 。故补强圈尺寸如下：

由标准查得补强圈内径1D =534mm ,外径2D =840mm 。 开孔补强的有关计算参数如下： （1） 计算开孔所需补强面积A

○

1筒体的计算壁厚： []=-???=-=

07.20.117022000

07.22P

PD t

i φσδ 12.25mm ○

2计算开孔所需补强的面积A 开孔直径：4.5168.1210250022=?-?+=-+=c d d nt i δ

29.6325

25.124.516mm d A =?==δ （2）计算有效补强范围

○

1、有效宽度：mm d B 8.10324.516221=?==

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mm d B nt n 4.568222=++=δδ

取最大值==1B B 1032.8mm ②外侧高度:

86

.71104.5161=?==nt d h δ

=2h 接管实际的外伸高度 取较小值，故86.711=h 内侧高度：

86

.71104.5161=?==nt d h δ

=2h 0 取小值，故2h =0

（3） 计算有效补强金属截面积 ○

1筒体多余金属截面积A1 筒体有效厚度：2.148.116=-=-=c n e δδ

21975)25.122.14))(8.110(2)4.5168.1032(()))((2)((mm c d B A e nt =--?--=----=δδδ

②接管多余金属截面积A 2

接管计算厚度

[]mm

p

pd t

t 16.307

.20.117024

.51607.22=-???=

-=

φσδ

21235.724)8.116.310(86.712)(2mm c h A t nt =--??=--=δδ ○

3补强区内焊缝截面积A 3 2310010105.02mm A =???= ○

4有效补强面积e A 2

32135.179910035.724975mm A A A A e =++=++=

A A A A ＜321++，所以需要另加强

（4） 所需补强截面积4A 为

2455.452635.17999.6325mm A A A e =-=-=

（5）补强圈设计

设计计算

参考JB/T 4736-2002标准,取内径D 1=534mm ，外径D 2=840mm

补强圈厚度

mm

D D A 8.1453484055

.4526124=-=-≥

δ

考虑到罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，取δ=14.8mm 。 其标记为:补强圈φ840/φ534 δ=15 16MnR JB/T 4736-2002

5、选择鞍座并核算承载能力

首先粗略计算鞍座负荷，储罐总质量4321m m m m m +++=

式中1m —罐体质量，kg ；

2m —封头质量，kg ；

3m —液氨质量，kg

4m —附件质量，kg

○

1罐体的质量1m DN=2000mm ，n δ=16mm,L=4400mm=4.4m 的筒节， 由GB150-1998查得，每米的质量为q 1=795kg/m m 1=q 1L=795×4.4 kg =3498 kg ○

2封头的质量2m DN=2000mm ，n δ=16mm, 直边高度 h=25mm 的标准封头， 由GB150-1998 查得其质量2q =284kg

kg m 56828422=?=

○

3水压试验时水的质量3m V ρa m 3= 式中：a ——冲装系数，取0.9 V —— 储罐容积

ρ——水密度，为1000kg/m 3

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由JB/T4746-2002查得，封头容积为1.1257m 3 由GB3019-88查得，筒体每米容积为3.142m 3

0762.16142.34.41257.12=?+?=+=筒封V V V

58.144680762.1610009.03=??==v a m ρ ○

4附件的质量4m 人孔的质量约为200kg ，其他的连接管质量总和按300kg 计，则： 4m =500kg 设备总质量为：

kg m m m m 58.1853458.144685683498321=++=++=

每个鞍负荷

N mg F 1149.90912281

.958.185342=?==

所以选用轻型带垫板，包角为120°的鞍座： JB/T 4712.1-2007 鞍座 A2200-F JB/T 4712.1-2007 鞍座 A2200-S 。

6、选择液位计

液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径i D =2000mm

根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AIW PN2.0 ,L=1200mm ，HG5-227-80两支。 与其相配的接管尺寸为φ18×3m,管法兰为法兰PN 2.0 DN 15 GB 9119.8-88。

7、选配工艺接管

○

1液氨进料管： 采用φ57×3.5mm 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PN2.0DN50 GB9119.8-88

因为壳体名义壁厚n δ=16mm,接管公称直径小于80mm,故不要补强.

○

2液氨出料管：

设计计算

采用可拆的压出管φ25×3mm,将它套入罐体的固定接口管φ38×3.5mm内,

罐体的接口管法兰采用法兰PN2.0 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PN2.0 DN32 GB9119.8-88相同,但其内径为25mm(见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PN2.0 DN20 GB9119.8-88。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐2.5m。

○3排污管

在罐的右端最底部设个排污管一个，规格是φ57×3.5mm，管端焊有与截止阀

J41W-16相配的管法兰PN2.0DN50 GB9119.8-88。排污管与罐体连接处焊有一厚度为10mm 的补强圈.

○4放空管接口管

采用φ32×3.5mm无缝钢管,法兰PN2.0 DN25 GB9119.8-88

○5液面计接管

液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐公称直径

D=2000mm

i

根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AIW PN2.0,L=1200mm，HG5-227-80两支。

与其相配的接管尺寸为φ18×3m,管法兰为法兰PN2.0 DN15 GB9119.8-88。

○6安全阀接口管

安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。本贮罐选用φ32×2.5mm的无缝钢管,法兰PN2.0 DN25 GB9119.8-88。

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第四章设计小结

为期两周的课程设计结束了，在本次设计中要查阅的数据多，刚开始时，不知如何下手，查有关资料后才有一定的了解，才得以知怎么计算。通过这次课程设计，使我对所学的《化工过程设备机械基础》中的工程力学理论、金属材料的基础知识有了更深入的了解我更加扎实地掌握了有关内压容器方面的知识，加深了对化工容器设计、制造、材料使用和监察管理的国家标准的了解，而且在此设计过程中，要具有耐心，考虑周到。通过设计，从中学到了综合分析问题的能力，增加了设计经验，更近一步提高了手工绘图的技能。实践出真知，通过亲自动手制作，我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

还有，在这次课程设计过程中我感谢我们的指导老师和班上的同学，经过大家的探讨和帮助我才能顺利的把说明书和把装配图画好。世上无难事，只怕有心人。只要持之以恒，就可以克服一切的苦难。功夫不负有心人，最终我把图画完了。

经过这次《化工过设备机械基础》的课程设计让我学会了很多关于机械方面的知识，同时也培养了我很多好习惯。虽然这次的课程设计比较辛苦，但是当我看到我画的图和我自己设计的方案，感到很开心。

致谢

致谢

为期两周的课程设计结束了，在本次设计中要查阅的数据多，刚开始时，不知如何下手，查有关资料后才有一定的了解，才得以知怎么计算。通过这次课程设计，使我对所学的《化工过程设备机械基础》中的工程力学理论、金属材料的基础知识有了更深入的了解我更加扎实地掌握了有关内压容器方面的知识，加深了对化工容器设计、制造、材料使用和监察管理的国家标准的了解，而且在此设计过程中，要具有耐心，考虑周到。通过设计，从中学到了综合分析问题的能力，增加了设计经验，更近一步提高了手工绘图的技能。实践出真知，通过亲自动手制作，我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

还有，在这次课程设计过程中我感谢我们的指导老师和班上的同学，经过大家的探讨和帮助我才能顺利的把说明书和把装配图画好。世上无难事，只怕有心人。只要持之以恒，就可以克服一切的苦难。功夫不负有心人，最终我把图画完了。

经过这次《化工过设备机械基础》的课程设计让我学会了很多关于机械方面的知识，同时也培养了我很多好习惯。虽然这次的课程设计比较辛苦，但是当我看到我画的图和我自己设计的方案，感到很开心。

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参考文献

[1]国家质量技术监督局，GB150-1998《钢制压力容器》，中国标准出版社，1998；

[2]《金属化工设备·零部件》第四卷；

[3]中华人民共和国化学工业部，中华人民共和国待业标准《钢制管法兰、垫片、紧固件》，1997；

[4]《化工设备机械基础课程设计指导书》；

[5]刁玉纬王立业，《化工设备机械基础》，大连理工大学出版社，2003年第五版；

[6]李多民俞惠敏，《化工过程设备机械基础》，中国石化出版社，2007；

[7]董大勤，《化工设备机械基础》，化学工业出版社，1994年第二版；

[8]汤善甫朱思明，《化工设备机械基础》，华东理工大学出版社，2004年第二版。