立式液氨储罐设计说明书

十六组

液氨储罐设计说明书

（化工设备机械基础课程设计）指导教师：张永强韩晓星

完成时间：2012.11

设计任务书

设计课题：

液氨储罐

工艺参数：

最高使用温度：T=40℃

公称直径：Di=2400mm

筒体长度（不含封头）：L0=4500mm

设计内容：

1.罐体材料的选择

2.罐体的规格

3.罐体的形状

4.罐体的厚度

5.封头形状及厚度

6.支座的选择

7.人孔及接管选择

8.开孔补强

9.核算校验

10.设备装备图（A2）

设计人：

冯静轻化 2010 1066155136

王加化工10-3班 1066115310

袁录勇化工10-4班 1066115425

谭陆然化工10-4班 1066115404

邹文富化工10-4班 1066115438下达时间：2012年11月

完成时间：2012年11月

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℃。自燃点651.11℃。蒸汽压1013.08kPa(25.7℃)。蒸汽与空气混合物爆炸极限16～25%(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氨的性质，结合所学知识设计一个液氨贮罐。由于时间仓促，如有不足之处，欢迎指正。

编者

2012年11月

目录

1. 液氨储罐设计参数的确定............... 错误！未定义书签。

1.1.设计温度与设计压力的确定........... 错误！未定义书签。

1.2.罐体和封头的材料的选择............. 错误！未定义书签。

1.3.形状设计参数 (2)

2. 封头的选择 (2)

2.1.许用应力.......................... 错误！未定义书签。

2.2.焊接接头设计 (3)

3. 筒体和封头的壁厚的计算.............. 错误！未定义书签。

3.1.筒体壁厚的计算..................... 错误！未定义书签。

3.2.筒体壁厚的计算..................... 错误！未定义书签。

3.3.封头壁厚的计算 (3)

3.4.水压试验 .......................... 错误！未定义书签。

3.4.1.确定水压试验的试验压力值 (5)

3.4.2.计算水压试验时的器壁应力值 (5)

3.4.3.校核强度 (5)

4. 选择人孔并核算开孔补强 (5)

4.1.人孔的选择 (6)

4.2.开孔补强的计算 (7)

5. 选择鞍座并核算承载能力. (9)

5.1.罐体质量W1 (10)

5.2液氨质量W2 (10)

5.3.其他附件质量W3 (10)

5.4.设备总质量W (10)

5.5.鞍座的选择 (10)

6. 选择液面计 (11)

7. 选配工艺接管 (12)

7.1.液氨进料管 (12)

7.2.液氨出料管 (12)

7.3.排污管 (13)

7.4.安全阀接口管 (13)

7.5.液面计接口管 (13)

7.6.放空管接管口 (12)

8. 参数校核 (13)

8.1.筒体轴向应力校核 (15)

8.2.筒体和封头切向应力校核............. 错误！未定义书签。

8.2.1.筒体切向应力计算............... 错误！未定义书签。

8.2.2.封头切向应力计算............... 错误！未定义书签。

8.3.环向应力校核....................... 错误！未定义书签。

8.3.1.环向应力的计算................. 错误！未定义书签。

8.3.2.环向应力的校核................. 错误！未定义书签。

8.4.鞍座有效断面平均压力.............. 错误！未定义书签。9

9. 设计汇总 (20)

10. 结束语 (24)

参考文献 (206)

1.液氨储罐设计参数的确定

1.1.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40℃，查表可知40℃时液氨的饱和蒸汽压为1.55MPa。《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×(1.55? 0.1) = 1.595MPa，故取设计压力p=1.6MPa。

1.2.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，质量稳定、可使用-40～475℃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。

1.3.形状设计参数

在本设计中由于设计体积较小（24m3）且设计压力较小（P=1.6MPa）,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.封头的选择

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。

2.1.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

σb

MPa

σs

MPa

≤20 100 150

16MnR GB 6654 热轧

正火

6～16 510 345 170 170 170

＞16～

36

490 325 163 163 163 ＞36～

60

470 305 157 157 157

2.2.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

2n Di 4

π

V 2V L -=

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。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1=?(双面焊，全部无损探伤)。

3.筒体和封头的壁厚的计算

3.1.公称直径Di 和筒体长度L 的计算

经计算 当Di = 2400mm 时，L = 4500mm,此时，Di/L = 0.5325 最接近0.618 所以取 Di = 2400mm

3.2.筒体壁厚的计算

取计算压力p c =p=1.60MPa ，筒体内径D i =DN=2400mm ，查表2.1知16MnR 在设计温度为40℃时的许用应力为[σ]t =170MPa ，筒体的理论计算壁厚公式为：

p

φ2[σ]D p δt

i c -=

(3.1)

式中：δ——筒体的理论计算壁厚，mm ； c p ——筒体计算压力，MPa ； i D ——筒体内径，mm ；

t [σ]——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：

[]mm 34.116

.1117022400

6.1σ2D p δt

i

c =-???=

-=

Pc ?

由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量C 2=2mm ，故筒体的设计厚度为：

mm C 34.12134.112d =+=+=δδ

由钢板厚度负偏差表查得C 1=0.8mm ，故名义壁厚为：

mm C 14.138.034.121d n =+=+=δδ

圆整后取δn =14mm 。

3.3.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：

[]mm 32.111.6

0.5117022400

1.6p 0.5σ2D Kp δt

c i

=?-???=

-=

?

1h 2Di 261K 2

i =???

?

???????? ??+= 设计厚度为：mm 32.12132.11C δδ2d =+=+= 名义厚度为：mm 12.130.832.12C δδ1d n =+=+= 圆整后取δn =14mm 。

查得标准椭圆形封头的直边高度(JB/T4737-95)为h 0=40mm 。

3.4.水压试验

容器制成以后，必须做压力试验或增加气密性试验，其目的是在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。

对需要进行焊后热处理的容器，应在全部焊接工作完成并经热处理之后，才能进行压力试验和气密性试验；对于分段交货的压力容器，可以分段热处理，在安装工地组装焊接，并对焊接的环焊缝进行局部热处理之后，再进行压力试验。

压力试验一般采用液压试验或气压测试，本次设计我们选用液压测试，液压试验一般采用水。需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。实验室液体的温度应低于其闪点或沸点。奥氏体不锈钢制容器用水进行液压实验后，应将水渍清楚干净。无法清楚干净时，应控

制水中氯离子的含量不超过25mg/L 。

试验温度：对碳钢、16MnR 、15MnRNbR 和正火的15MnVR 钢制容器进行液压试验时，液体温度不得低于5℃；对于其他低合金钢制容器进行液压试验时，液体的温度不得低于15℃。如果由于板厚等因素造成材料无塑性转变温度升高，则须相应提高试验液体的温度。

试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液是应将容器内空气排净，试验过程中保持容器观察表明干燥。试验时压力应缓慢上升至设计压力，若无泄露，再缓慢上升，达到一定的试验压力后，保压一段时间后一般不低于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，直至合格。对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，然后进行夹套内的液压试验；液压试验完毕后，应将液体排净，并用压缩空气净内部吹干。

3.4.1.确定水压试验的试验压力值

已知p=1.6MPa ，[σ] =[σ]t =170MPa 试验压力：p ]

[]

1.25[P t

T σσ=

(3.2) 式中：P T ——试验压力，MPa;

p ——设计压力，MPa;

[σ] 、[σ]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：

MPa 2.001.670

170

11.25p ]

1.25[P ]

[T =??=

=

σσt

3.4.3.校核强度

查表2.1可知15mm 的16MnR 钢板的常温强度指标σs =345MPa 。所以MPa .531015430.90.9s σ=??=?,?σσs T 9.0≤，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.人孔的选择

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1.6MPa 的条件下工作,人孔的标准按公称压力为 1.6 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平焊法兰人孔(HG 20593-95)，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一个角度，由吊钩吊住，即可轻松进入，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 水平吊盖带颈平焊法兰人孔(突面)标准尺寸(mm)

公称压力MPa 公

称

直

径

d W×S D D1 b b1b2 A H1H2d0

1.6 450 480×

10

64

58

5

34 34 36

36

5

30

20

4

36

该水平吊盖带颈对焊法兰人孔的标记为：HG20593-95 人孔RF Ⅴ（A?G）450-1.6 其中RF指突面密封，Ⅴ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，450-1.6是指公称直径为

450mm、公称压力为1.6 Mpa。

表4.2 人孔PN1.6DN450(HG20593-95)明细表

件号标准号名称数量材料尺寸/mm

1 筒节 1 16MnR d W×S=480×10，H1=300

2 HGJ52-91 法兰 1 16Mn(锻件)

3 HGJ69-91 垫片 1 石棉橡胶板δ=3(代号A?XB350)

4 HGJ63-91 法兰盖 1 16MnR b1=34， b2=36

5 HGJ75-91螺柱20 35 M27×2×150

P

6 螺母40 25 M33

7 吊环 1 Q235-A.F

8 转臂 1 Q235-A.F d0=36

9 GB95-85 垫圈20 1 100HV

10 GB41-88 螺母M20 2 4级

11 吊钩 1 Q235-A.F

12 环 1 Q235-A.F

13 无缝钢管 1 20

14 支承板 1 16MnR

4.2.开孔补强的计算

在开孔或安装接管处一般采取相应的补强措施。容器开孔后，在空附近的局部地区，应力会达到很大的数值。这种局部的应力增长现象叫做“应力集中”。在应力集中区域的最大应力值，称为“应力峰值”，通常用σmax表示。

引起开孔附近应力集中现象的基本原因是结构的连续性被破坏。在开孔处，壳体和接管的变形不一致。为了使二者在连接之后的变形协调一致，连接处便产生了附加内力，主要是附加弯矩。由此产生的附加弯曲应力，便形成了连接处局部地区的应力集中。

补强的形式有：（1）内加强平齐接管；（2）外加强平齐接管；（3）对称加强凸出接管；（4）密集补强。

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4.1知本设计所选用的人孔筒节内径d i＝450mm，壁厚δnt ＝10mm。据此差得补强圈尺寸(JB/T 4736-2002)为：外径D2=760mm，内径D1=450+2×10+14=484mm。

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：

[]mm 35.111.6

1701200

241.6p

σ2pD δt

i

=-???=

-=

?。

C=C 1+C 2=1+0.8=1.8mm

开孔直径m m .6345)1(0.82450C 2d d i =+?+=+=。由于接管材料与壳体材料都为16MnR ，故f r =1，内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为：

)

f (1δδ2d δA r et -+=

(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 ；

δ——壳体开孔处的计算厚度，mm ； δet ——接管有效厚度，mm ；

f r ——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。

代入数据得：开孔所需补强面积2mm 36.514835.11.6345A =?=

(2) 有效宽度B

m m .2079.63452d 2B =?==

mm .6035102512.6345δ2δ2d B nt n =?+?+=++=

二者中取较大值B=907.2mm 。 (3) 有效高度

①外侧高度h 1

mm 3567.10.6345d δh nt 1=?==

mm 240接管实际外伸高度h 1==

二者中取较小值h 1=67.50mm

②内侧高度h 2

mm 3567.10.6345d δh nt 2=?==

mm 0接管实际外内伸高度h 2==

二者中取较小值h 2=0mm 。 (4) 补强面积e A

在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算

3

21A A A A e ++=

(4.2)

式中 e A ——补强面积，mm 2；

1A ——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积[按式

(4.3)]，mm 2；

2A ——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积[按式

(4.4)]，mm 2；

3A ——焊缝金属截面积，mm 2

。

计算如下：

)

f δ)(1(δδ2δ)d)(δ(B A r e et e 1-----=

(4.3)

其中接管有效厚度为mm .2810.810C C δδ21nt et =--=--=，故

2

mm 16.8391))(135.11.237.2(12)35.11.23.6)(1345.207(9A 1=--?---=r

2et 2t et 12f )C (δh 2)δ(δh 2A -+-=

(4.4)

其中接管计算厚度为[]mm 201.21.6

11702470

1.6p σ2D p δC t

0c t =+???=+=

?，故 2mm 865.80901)012.2.28(67.52A 2=+?-??=

焊缝金属截面积23mm 10010102

1

2A =???

=，故补强面积e A 为 2mm 025.1749100865.80916.839A A A A 321e =++=++=

由于A A e <，故开孔需另加补强，其另加补强面积为

2mm 335.3399025.174936.5148A A A e 4=-=-=

(5) 补强圈厚度δ`

mm 316.12484

760335

.3399D D A δ'124=-=-≥

圆整后取mm 13δ'=，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

选择鞍座时应该考虑容器的质量、介质的质量以及其他附件的质量，计算三者的总质量，并根据总质量选择符合相应承载的鞍座。

5.1.罐体质量W 1

筒体质量m 1：公称直径Di=2400 mm ，壁厚δ=14mm 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q 1=833kg/m ，所以kg 5.3748504.833L q m 011=?==

封头质量m 2：公称直径Di=2400mm ，壁厚δ=14 mm ，直边高度h 0=40mm 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kg 94.888m '2=，所以

kg 88.177794.8882m 2m '22=?==

kg 38.552688.17775.3748m m W 211=+=+=

5.2 液氨质量W 2

ρ

?V W =2

(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器，装量系数一般取0.9)

V ——贮罐容积，m 3；

ρ——液氨的密度，在-20℃时液氨的密度为665kg/m 3。 于是kg 2394066500.409.02=??==ρ?V W

5.3.其他附件质量W 3

人孔约重200kg ，其它接口管的总重约350kg 。于是W 3=550kg 。

5.4.设备总质量W

W=W 1+W 2+W 3=5526.38+23940+550=30016.38kg

5.5.支座的选择 容器的总重力为

kN 46.2941081.938.30016F 3=??==-mg

由下表可知应选择耳式A 型支座。

[]问题的。

所以选择此型支座是没，可知地震系数为度为查资料可得包头的地震kN

kN n S G Ph kn G g kN mg P mm

s l b D e e e e n i 100Q 06.9810

37.26633)20019.66(43181.938.3001610)(4m Q 19.6681.938.3001645.05.05.045.0837.2663)90200(2)102200()1621422400()

(2)2()22(33

022*******=<=???

???????+??=???

????+++==???===-?+?--?+?+=-+--++=--φαδδδφ

表5.1 A 型鞍座标准尺寸(mm)

公称直径DN

允许载荷/k N

鞍座高度h

底板

腹板 筋板 垫板 螺栓连接尺寸 l 1 b 1

δ

1

δ2

l 3 b 2 b 3

δ

3

弧

长

b 4

δ

4

e 间距

l 2 螺孔 d 螺纹M 孔长l 3000

786 250 2180 300 360 10 341 316 406 10 3490 500 10 65 1940 2

8 M2

4 6

6.液面计尺寸确定

选用玻璃管液面计(HG 21592-95)，选用材料如下：

内容 玻璃管液面计

A 型：带颈平焊突面管法兰（HG 20594-95）

法兰形式及其代号B型：带颈带焊凸面管法兰（HG 20594-95）

C型：带颈平焊突面管法兰（HG 20616-95）液面计型号G型

液面计主要材料代号

Ⅰ：16Mn

Ⅱ：OCr18Ni9

结构形式及其代号

无代号：普通型

W:保温型

公称长度及透光长度

（mm）500（345）、600（445）、800（645）、1000（845）、1200（1045）、1400（1245）

排污结构一律配螺塞

玻璃管液面计选用表

液面积标记为AG 1.6-Ⅰ W-1400

7.选配工艺接管

7.1.液氨进料管

进料管采用φ57×3.5mm的无缝钢管，钢管一端切成45°,伸入储罐少许，管长400mm，配用突面板式平焊法兰 HG 20593法兰 PL 50-1.6 RF 16MnR,壳体名义厚度σn=14>12mm,所以不需补强。

7.2.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mm

3

25

φ ，

将它用法兰固定在接口管mm 5.338φ?内。

罐体的接口管法兰采用HG20593 法兰 SO32-1.6 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HG20593 法兰 SO32-1.6 RF 16MnR 相同，但其内径为25mm 。

液氨压出管的端部法兰采用HG 20593 法兰 SO20-1.6 RF 16MnR 。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐2500mm 。

7.3.排污管

贮罐右端最底部安设一个排污管，管子规格：mm 3.5mm 57φ?，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的管法兰HG 20593法兰 PL 50-1.6 RF 16MnR ，排污管与罐体联接处焊有一厚度为10mm 的补强圈

7.4.安全阀接口管

安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过规定值，安全阀打开，将系统中得一部分气体排出罐体，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。

本设计采用mm .5232φ?无缝钢管，法兰为HG20593 法兰 PL 25-1.6 RF 16MnR 。

7.5.液面计接口管

本贮罐采用透光式玻璃管液面计

BIW

PN1.6,L=1000mm,HG5227-80 两支。与液面计相配的接管尺寸为

mm 318φ?, 与液面计接口管相配的法兰型号为 HG 20593-97 法兰

PL15-1.6 RF 16MnR 。 7.6.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mm 3.523φ?无缝钢管，法兰为HG20592 法兰 PL25-1.6 RF 16MnR 。 7.7.试镜选择

选择不带颈视镜，视镜公称压力确定为2.45MPa 选择公称直径为

80mm 。则视镜尺寸确定如表：

公称直径公

称

压

力

D

（m

m）

D1

（m

m）

b1

（m

m）

b2

（m

m）

H

（m

m）

螺柱

质量

（kg

）

标准

图图

号

数量

n

直径d

（mm）

80

1.5

7 160 130 36 26 91

8

M12 7.1

HGJ

501-8

6-5

视镜尺寸

9.设计汇总

技术要求