立方米液氨储罐设计.docx

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立方米液氨储罐设计

《过程设备设计》

课程设计说明书

设计项目：

20M3液氨储罐设计

所属院系：

化学化工学院

专业班级：

化学工程与工艺1304班

学号：

学生姓名：

指导教师：

张铱鈖

2016年01月20日

摘要

本次课程设计任务为设计一个容积为20m3的液氨储罐，采用常规设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管等进行设计，然后对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。

设计说明书的正文部分包括工艺设计和机械设计，其中机械设计包括结构设计和强度计算两部分内容，结构设计中包括设备一系列零部件的数据，强度计算包括厚度计算、水压试验、气密性试验等。

一、设计任务书

20M3液氨储罐设计

课程设计要求及原始数据（资料）

一、课程设计基本要求

1、按照国家压力容器设计标准、规范设计要求，掌握典型过程设备设计的过程。

2、设计计算采用手算，要求设计思路清晰，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

表1设计条件表

序号

项目

数值

备注

1

名称

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℃

-20—50

5

公称容积M3

6

工作压力波动情况

可不考虑

7

装置系数f

8

工作介质

液氨（中度危害）

9

使用地点

太原市，室外

一、设计任务书··········································2

二、课程设计内容·········································5

工艺设计···············································5

一、设计压力的确定···································5

二、设计温度的确定···································6

机械设计···············································6

一、结构设计·········································6

①设计条件·········································6

②结构设计·········································7

1、压力容器选择··································7

物料的物理化学性质

压力容器的类型

压力容器的用材

2、筒体和封头的结构设计··························8

容器的筒体和封头壁厚的设计·····················8

三·设备的设计计算

1、筒体名义厚度的初步确定························8

2、封头壁厚的计算······························8

容器的水压试验·····························10

3、各个接管的位置及法兰的选择····················11

接管的设计

法兰的设计

垫片的选择

4、人孔的选取····································13

5、液面计的设计··································15

6、鞍座的计算····································16

筒体的质量

封头的质量

液氨的质量

附件的质量

确定鞍座类型

鞍座安装位置确定

7、焊接接头设计··································17

回转壳体的焊接结构设计

接管与壳体的焊接结构设计

带补强圈的接管的焊接

8.开孔补强计算··································18

四、参考文献···············································20

二、课程设计内容

课程设计内容包括工艺设计和机械设计两部分

工艺设计

工艺设计的内容是根据设计任务提供的原始数据和生产工艺要求，通过计算和选型确定设备的轮廓尺寸。

其中设计储量：

式中f=V=20m3

由表2得：

=563㎏/m3=m3

故W=×20×=

表二液化气体饱和蒸汽压及饱和液密度

温度℃

-15

10

30

50

饱和蒸汽压MPa（绝压）

氨

饱和液密度Kg/m3

氨

658

625

595

563

1、设计压力的确定

设计压力应根据最高工作压力来确定。

对于盛装液化气体的压力容器，可根据《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0004-2009

经查表2得50℃下液氨饱和蒸汽压（绝压）为。

工作压力

=（－）MPa=

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，而最高工作压力系指容器顶部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，设计压力不得低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的—倍，所以设计压力P=

液柱静压力为：

于是忽略了液柱静压力的影响，得到

二、设计温度的确定

根据液氨储罐工作温度为-20～50℃选择设计温度t=50℃

机械设计

机械设计包括结构设计和强度计算两部分

一、结构设计

①设计条件

表3结构设计条件表

项目

内容

备注

工作介质

液氨

工作压力MPa

由介质温度决定

设计压力MPa

工作温度℃

-20~50

设计温度℃

50

公称容积（Vg）m3

20

计算容积（V计）m3

20

工作容积（V工）m3

装量系数f

介质密度（ρt）t/m3

材质

Q345R，16MnR，16MnⅡ

保温要求

无

其他要求

无

表4管口表

接管代号

公称尺寸

连接尺寸标准

连接面形式

用途或名称

A

DN80

HG/T20592-2009

FM

进口

B

DN100

HG/T20592-2009

FM

备用口

C

DN70

HG/T20592-2009

FM

排气口

D

DN70

HG/T20592-2009

M

放净口

E

DN80

HG/T20592-2009

M

出口

PI

DN25

HG/T20592-2009

FM

压力计口

SV

DN70

HG/T20592-2009

FM

安全阀接口

M

DN450

HG/T20592-2009

MFM

人孔

LG

DN20

HG/T20592-2009

FM

液位计接口

②结构设计

化工设备的结构设计包括设备承压壳体（一般为筒体和封头）及其零部件的设计。

设备零部件包括支座、接管和法兰、人孔和手孔、液面计、视镜等。

我国已经制订了化工设备通用零部件的系列标准，设计时可根据具体设计条件按照附录中给出的相关标准进行选用。

1、压力容器选择

（a）物料的物理化学性质

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，又称为无水氨，是一种无色液体，有强烈的刺激性气味，液氨在工业上应用广泛，而且具有腐蚀性，且容易挥发，采用钢瓶和槽车装运。

（b）压力容器的类型

化工设备的主体是压力容器，容器的强度决定着设备的安全性，为了加强压力容器的安全监察，保护任命生命和财产的安全，国家质量监督局颁布了压力容器安全技术监察规程这是一部对压力容器安全技术监督提出基本要求的法规，压力容器设计、安装、使用、检验、修理和改造等单位必须遵守的法规，为了有利于安全技术监督和管理，压力容器安全技术监察规程将其管辖范围内的压力容器划分为三类，分别为第一类压力容器、第二类压力容器和第三类压力容器。

本次设计压力容器中的介质为液态氨，属于中度危害，是第二组介质且设计压力为中压，所以将其划分为第二类压力容器。

（c）压力容器的用材

正确选择材料对于保护设备的安全使用和降低成本是至关重要的。

压力容器用材料包括容器及压壳体用钢和设备零部件用材料，零部件有受压元件（如接管、法兰）和非受压元件（如支座），所用材料涉及钢板、钢管、锻件、型钢及钢棒等。

压力容器受元件用钢应符合GB150《钢制压力容器》中的有关规定，对于非受压元件用钢，当与受压元件焊接时，也应是焊接性能良好的钢材。

压力容器通常采用钢板经过成型焊接而成，法兰视具体情况可采用钢板或锻件，螺栓和螺柱应采用钢棒，接管一般应采用无缝钢管，支座所用材料涉及钢板，型钢及钢管，因为使用温度在-20℃～50℃，设计压力为，所以选用Q345R，封头采用标准椭圆形封头，同样采用Q345R。

采用16Mn为钢管的材料。

法兰采用16MnⅡ

2、筒体和封头的结构设计

（a）筒体公称直径和筒体长度的确定：

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。

标准椭圆型封头是中低压容器经常采用的封头形式。

封头公称直径必须与筒体的公称直径相一致。

公称体积

二、强度计算

①容器的筒体和封头壁厚的设计

1、筒体名义厚度的初步确定：

筒体设计选用6～16mm厚度的Q345R，50℃下其许用应力

＝185MPa。

计算厚度：

式中，

――计算压力，MPa；

――圆筒内直径，mm；

――容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa；

――圆筒的焊接接头系数

双面对接焊缝，100%无损检测则

＝

计算厚度

取腐蚀裕量

=

，查表得负偏差

=，

所以取

=16mm，则

2、封头壁厚的计算

本设计采用标准椭圆封头（2:

1）即：

K（形状系数）=。

式中

根据公式，封头的设计壁厚为：

查表：

取钢板的负偏差

，

则筒体的名义壁厚为：

。

标准规定以内径为公称直径的标准椭圆形封头（代号EHA）的直边高度只与公称直径有关：

DN≤2000mm时,直边高度为25mm；

DN>2000mm时,直边高度为40mm。

由于所设计的筒体公称直径DN=2200mm≥2000mm，

所以直边高度为h=40mm，

（b）椭圆形封头内表面积、容积：

查GB/T25198-2010《压力容器用封头》中EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下表：

表5EHA椭圆形封头内表面积、容积

公称直径DN/mm

总深度H/mm

内表面积A/m2

容积V封/m3

2200

590

1、容器的水压试验

所谓压力试验，就是用液体或气体作为工作介质，在容器内施加比它的设计压力还要高的试验压力，以检查容器在试验压力下是否有渗漏、明显的塑性变形以及其他缺陷。

压力试验分为液压试验和气压试验两种，一般采用液压试验，而且普遍采用水为液压试验介质，故本次设计采用水压试验。

根据GB150标准的规定，液压试验时

式中，

——容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa；

――容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。

所以　

而圆筒的应力

式中

――试验压力下圆筒的应力，MPa；

――圆筒内直径，mm；

――圆筒的有效厚度，mm；

――圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa；

――圆筒的焊接接头系数。

设计容器：

所以，厚度校核合格。

3、各个接管的位置及法兰的选择

（a）接管的设计：

各物料进出管及检测仪表等接管内伸形式为插入式。

开孔：

入口DN80，出口DN80，放净口DN70，排气孔DN70，备用口DN100，安全阀口DN70，压力表接口DN25,液位计口DN20，人孔DN450。

由《输送流体用无缝钢管》查得各管的外径以及壁厚；外伸的尺寸由实际工程决定；对于液氨的入口管，其伸进的管长应大于筒体中心线的100-200mm,进料管伸进设备内部并将管口的一端切成450，为了是避免物料沿设备内壁流动,减少磨蚀和腐蚀并且为了在短时间内将物料注满容器。

接口

入口

出口

排气孔

放净口

人孔

安全阀接口

压力表接口

液面计接口

备用口

DN

80

80

70

70

450

70

25

20

100

外径（B系列）

89

89

76

76

480

76

32

32

102

壁厚

9

9

9

9

20

9

7

7

10

安装位置

上部

下部

上部

下部

上部

上部

上部

封头

上部

外伸尺寸

200

200

200

200

375

200

200

见图

200

内伸尺寸

1500

0

0

0

0

0

0

0

0

数量

1

1

1

1

1

1

1

2

1

伸出量质量Kg

接管法兰型号

HG/T20592WN80（B）FMS=6

16Mn

HG/T20592WN80（B）FMS=616Mn

HG/T20592WN40（B）FMS=

16Mn

HG/T20592WN25（B）FMS=16Mn

HG/T20592WN32（B）FMS=16Mn

HG/T20592WN80（B）FMS=616Mn

HG/T20592WN25（B）FMS=16Mn

表6各接管设计表

两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍，其他管口如液相出口管，安全阀接口，压力表接口，气相管，放气管，排污管等管间的间距均由下述来设计并计算：

上部：

人孔，进料口，备用口，压力计口，排气口，安全阀接口，

人孔中心线与筒体左间距：

800mm

人孔中心线与进料口心线间距:

600mm

进料口中心线与备用口中心线的间距:

400mm

备用口中心线与压力表接口中心线的间距:

400mm

安全阀口中心线与筒体右间距:

400mm

排气口中心线与安全阀口中心线间距：

40mm

下部：

净放口，出口

出口中心线与筒体间距：

200mm

净放口中心线与筒体间距：

200mm

（b）法兰的设计：

法兰设计可根据法兰标准进行选型设计，也可按GB150相关条款进行设计。

法兰有压力容器法兰和管法兰，二者属不同的标准体系。

设计内容如下：

根据设计压力、操作温度和法兰材料决定法兰的公称压力PN；水压实验的压力PT=，因此选择高一级别的公称压力，因此PN=

根据公称直径DN、公称压力PN及介质特性决定法兰类型及密封面型式，法兰选带颈对焊法兰（标准HG/T20954-2009）

带颈对焊钢制凹凸面法兰

表7PN25带颈对焊钢制管法兰及密封面尺寸（mm）

公称尺寸

钢管外径

连接尺寸

法兰厚度

法兰颈

法兰高度

DN

A1

D

K

L

n

Th

C

N

S

H1

R

H

20

25

105

75

14

4

M12

186

40

6

4

40

25

32

115

85

14

4

M12

18

46

6

4

40

80

38

200

160

18

4

M16

24

105

12

8

58

100

45

235

190

22

8

M20

18

134

12

8

65

450

89

670

600

36

20

M33

46

522

20

12

110

　（c）垫片的选择：

根据温度、压力及介质腐蚀性选择垫片材料

选用柔性石墨复合垫

4、人孔的选取

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。

一般的人孔有两个手柄。

人孔选择回转焊带颈法兰人孔，根据储罐在常温下及高温工作压力为的条件以及水压试验压力下工作，人孔的标准公称压力为等级选取，公称直径为，凹凸面法兰密封面。

由于此卧式容器筒体长度大于等于1000mmm时，应设置1个人孔

表9回转盖带颈对焊法兰人孔明细表

件号

标准号

名称

数量

材料

1

筒节

1

16MnR

2

HG20613

等长双头螺柱

20

级35CrMoA

3

螺母

40

级35CrMo

4

HG20595

法兰

1

16MnII

5

HG20606

垫片

1

非金属平垫

6

HG20601

法兰盖

1

16MnR

7

把手

1

Q235-AF

8

轴销

1

Q235-AF

9

GB/T91

销

2

Q215

10

GB/T95

垫圈

2

100HV

11

盖轴耳

（1）A

1

Q235-AF

12

法兰轴耳

（1）

1

Q235-AF

13

法兰轴耳

（2）

1

Q235-AF

14

盖轴耳

（2）

1

Q235-AF

查表得回转盖带颈平焊法兰人孔的各零件名称、材料及尺寸：

表10回转盖带颈平焊法兰人孔的尺寸

总质量

480x12

670

600

370

175

250

42

41

46

250

121

456

245（kg）

则人孔的标记为：

（NM）T21518-2005

故L1=1000mm

5、液位计的设计

（1）根据罐内水压试验压力

选取压力等级为。

（2）选普通型，外加保温层的液位计。

（3）中心距L的选择：

液位：

液位计位置距筒体顶部为200mm

取

的液位计

（4）材质选择：

0Cr18Ni9（304）。

（5）介质

。

（6）采用规格为DN15的接管外伸600，内伸0。

（7）采用带颈对焊法兰，法兰规格为DN15，密封面型式采用突面。

由工艺标准选择磁性液位计，标记为HG/T21584-95

6、鞍座的计算

首先估算鞍座的负荷。

储罐的总质量：

式中：

m1为筒体质量（kg），m2为封头质量（kg），m3为水质量（kg），m4为附件质量（kg）。

（a）筒体的质量m1

DN=2200mm，

的筒节，Q345R的密度为

故

（b）封头的质量m2

DN=2200mm，

直边高度h=40mm的标准椭圆形封头，其质量为

故

（c）液氨的质量m3，m3=W

（d）附件的质量：

支座，接口管，法兰总的质量约为则：

m4=668kg

（e）经过上述计算得：

由于每个鞍座承受约104kN负荷，故选用轻型带垫板包角为1200的鞍座，即JB/鞍座B2200-F,材料Q235A和JB/鞍座B2200-S,材料Q235A

表11B型支座系列参数尺寸（JB/）

公称直径DN

允许

载荷kN

高度H

底板

腹板

筋板

垫板

螺栓配置

弧长

L2

质量

2200

1230

250

1580

240

16

14

245

208

290

2570

510

12

100

1380

314

（f）鞍座安装位置确定

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=时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，所以通常取尺寸A不超过值，中国现行标准JB4731《钢制卧式容器》规定）A≤=（L+2h+2

），A最大不超过.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。

由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢度具有局部的加强作用。

若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。

因此，JB4731还规定当满足A≤时，最好使A≤m（

）,即

，取A=600mm

综上有：

A=600mm。

7、焊接接头设计

容器各受压元件的组装通常采用焊接。

焊接接头是焊缝,熔合线和热影响区的总称，焊缝是焊接接头的主要部分。

焊接接头的型式直接影响到焊接的质量与容器的安全。

焊接接头的型式及焊接材料应在化工设备的装配图及零部件图中以适当的方式表示出来。

（a）回转壳体的焊接结构设计

回转壳体的拼接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向及环向接头，凸形接头上的拼接接头，即A，B类接头，是容器要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要，必须采用对接焊，不允许采用搭接焊.对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损检测，可获得最好的焊接接头质量。

此采用V型对接接头。

（b）接管与壳体的焊接结构设计

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的强度与安全的要求有关，涉及到是否开坡口，单面焊与双面焊，焊透与否等问题。

中低压容器不需另作补强的小直径接管可直接插入壳体所开孔内，有平齐式和内伸式两种。

插入出接管与壳体总有一定间隙，但此间隙不大于3mm，过大的间隙在焊接收缩时易产生裂纹或其他焊接缺陷。

（c）带补强圈的接管的焊接结构

补强元件的补强圈，一方面要求尽量与补强出的壳体贴合紧密，另外与接管与壳体之间的焊接结构设计也应力求完善合理。

②开孔补强计算

根据GB150，当设计压力小于或等于时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=450mm的人孔和DN=100mm的备用口需要补强。

补强要求为：

补强厚度16mm，人孔补强圈的外径为760，备用口补强圈的外径为200mm

四、参考文献

1.中国石化集团上海工程有限公司，《化工工艺设计手册》，化工工业出版社，2009

2.GB150-1998，《钢制压力容器》，国家技术监督局，1998

3.JB/T4336-2002、JB/T4746-2002，《补强圈钢制压力容器用封头》，国家经济贸易委员会，2003

4.JB/T4731-2005，《钢制卧式容器》，国家发展和改革委员会，2003

5.贺匡国编，《化工容器及设备简明设计手册》，化学工业出版社，国家医药管理局上海医药设计院编，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1989

6.JB/T4700～4704-2000，《压力容器法兰》，国家机械工业局、国家石油和化学工业局，2000

7.JB/T～，《容器支座》，国家发