液氨贮罐的机械设计

设计课题：液氨贮罐的机械设计

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=5100mm

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

设计人：万栋

学号：0708010225

下达时间：2010年11月19日

完成时间：2010年12月21日

目录

1    前言    1

2    液氨贮罐设计参数的确定    2

2.1    设计温度与设计压力的确定    2

2.2    筒体和附件材料的选择    2

2.3    其他设计参数    2

2.3.1    封头的选择    3

2.3.2    许用应力    3

2.3.3    焊接接头系数    3

2.3.4    液面计的选取    4

3    工艺计算    5

3.1    筒体壁厚的计算    5

3.2    封头壁厚的计算    5

3.3    强度检验及水压试验    6

3.4    选择人孔并核算开孔补强    6

3.4.1    人孔的选择    7

3.4.2    开孔补强的计算    8

3.5    支座    9

3.5.1    支座的选取    9

3.5.2    鞍座的计算    10

3.5.3    安装位置    11

4    选配工艺接管    12

4.1    液氨进料管    12

4.2    液氨出料管    12

4.3    排污管    12

4.4    液面计接管    12

4.5    放空管接口管    13

4.6    安全阀接口管    13

5    参数校核    14

5.1    筒体轴向应力校核    14

5.1.1    筒体轴向弯矩计算    14

5.1.2    筒体轴向应力计算    15

5.2    筒体和封头切向应力校核    16

5.2.1    筒体切向应力计算    16

5.2.2    封头切向应力计算    16

5.3    筒体环向应力校核    17

5.3.1    环向应力计算    17

5.3.2    环向应力校核    17

5.4    鞍座有效断面平均压力    18

6    设计结果一览表    19

7    液氨贮罐装配图    20

8    总结    21

参考文献    22

1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。液氨主要用于生产、尿素和其他化学肥料，还可用作医药和农药的原料。液氨在国防工业中，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。液氨还可用于纺织品的丝光整理。

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。

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，目的就是设计一台液氨贮罐。根据设计任务书的要求，贮罐形式为圆筒形，由于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。设计内容主要包括，设计所需参数的确定，贮罐材料的选取，筒体和封头壁厚的计算以及相关校核，另外还有支座以及一些附件的选取与安装。最后汇出液氨贮罐的装配图。

由于本人能力有限，设计过程中难免出现错误，还请老师指出。

2

液氨贮罐设计参数的确定

2.1设计温度与设计压力的确定

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50℃，查表可知50℃时液氨的饱和蒸汽压为2.033MPa[1]。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1.1倍作为容器的设计压力，故设计压力为，

，取。

2.2筒体和附件材料的选择

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等也适合做为压力容器的钢板。

16MnR是345 MPa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[2]。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。

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，故选用20号钢。

2.3其他设计参数

2.3.1封头的选择

几何方面，就单位容积的表面积来说，以半球形封头为最小。椭圆形和蝶形封头的容积和表面积基本相同，可以近似认为相等。

力学方面，在直径、厚度和计算压力相同的条件下，半球形封头的应力最小，二向薄膜应力相等，而沿经线的分布式均匀的。如果与壁厚相同的圆筒体连接，边缘附近的最大应力与薄膜应力并无明显不同。椭圆形封头的应力情况就不如半球形封头均匀。由应力分析可知，椭圆形封头沿经线各点的应力是变化的，顶点处应力最大，在赤道上可能出现环向内压应力，对于标准椭圆形封头与壁厚相等的圆筒体相连接时，其可以达到与筒体等强度[2]。

从制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是浓度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。

因此，从几何、力学和制造方面综合考虑，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。

2.3.2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[2]。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

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(双面焊，全部无损探伤)[2]。

2.3.4液面计的选取

液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，本设计只考虑两种常见的液面计，玻璃板液面计和玻璃管液面计。玻璃管液面计只有一种（G型），由于其公称压力为1.6MPa，不符合本设计要求，故不能选用玻璃管液面计。另外，玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计（T型）、反射式玻璃板液面计（R型）、视镜式玻璃板液面计（S型）。由于S型承压能力低（公称压力0.6MPa），故只能选用T型和R型的液面计。考虑到本设备不大且设计压力为2.16MPa，选用T型即透光式玻璃板液面计[2]。

透光式、公称压力PN2.5MPa、碳钢材料、保温型、排污口配阀门、长颈对焊突面法兰连接（按HG 20595-97），公称长度L=1450mm的液面计，标记为：

液面计 AT 2.5-W-1450V

3

工艺计算

3.1筒体壁厚的计算

筒体的理论计算壁厚公式为[2]：

                            (3.1)

式中  δ——筒体的理论计算壁厚，mm；

     pc——筒体计算压力，MPa；

     Di——筒体内径，mm；

    [σ]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。

取计算压力pc=p=2.2MPa，筒体内径Di=DN=2800mm，查表2.1知16MnR在设计温度为50℃时的许用应力为[σ]t=163MPa，将这些数值代入公式(3.1)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δn=22mm。

3.2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[2]：

设计厚度为： 

名义厚度为： 

圆整后取δn=22mm。

查得标准椭圆形封头的直边高度(JB/T4737-95)为h0=50mm。

3.3强度检验及水压试验

强度检验指的是容器制成后，经过热处理及焊缝处的无损检验合格的容器要做液压试验或气压试验来检验容器的强度，因为在压力下充以气体的容器，它具有是裂纹扩展的内能要比充以不可压缩液体的相同容器要大得多，万一当受压容器或管道在受气压下破坏时，其危险性远比液压试验大。所以通常采用液压试验。以水为液压试验的介质。

GB 150-1998《钢制压力容器》规定液压试验压力如下[3]：

                               (3.2)

式中  PT——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。

将p=2.16MPa，[σ] =[σ]t=163MPa代入式(3.2)得液压试验的试验压力为：

试验时器壁的应力为：

                             (3.3)

其中有效厚度，故

查表2.1可知22mm的16MnR钢板的常温强度指标σs=325MPa。

所以，则，故所设计的器壁厚度满足水压试验要求。

3.4选择人孔并核算开孔补强

3.4.1人孔的选择

在化工设备中，为了便于内部附件的安装，修理和村里，防腐以及对设备内部进行检查、清洗，往往开设人孔和手孔。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。贮罐的工作温度为常温，设计压力为2.16MPa，故人孔的标准按公称压力为2.5MPa等级选取。由于人孔盖直径较大且质量较重，故选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔(HG 21524-95)，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，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[2]：

表3.1 水平吊盖带颈对焊法兰人孔(突面)标准尺寸

(mm)

公称压力

表3.2 人孔PN2.5 DN450(HG21524-95)明细表

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3.1知本设计所选用的人孔筒节内径di＝450mm，壁厚δnt＝12mm。据此差得补强圈尺寸(JB/T 4736-2002)为：外径D2=760mm，内径D1=450+2×12+14=488mm。

开孔补强的有关计算参数如下[3]：

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                      (3.4)

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；

δ——壳体开孔处的计算厚度，mm；

δet——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

由于接管材料与壳体材料都为16MnR，故fr=1，将这些数据代入式(3.4)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。

3、 有效高度

(1) 外侧高度h1

二者中取较小值h1=73.94mm

(2) 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

                            (3.5)

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[按式(3.6)]，mm2;

A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积[按式(3.7)]，mm2；

A3——焊缝金属截面积，mm2。

计算如下：

                   (3.6)

其中接管有效厚度为，故

                      (3.7)

其中接管计算厚度为，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。

3.5支座

3.5.1支座的选取

支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。卧式圆筒形容器的支座分为鞍式支座、圈座、腿式支座三类。由于鞍式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故此设计中选用鞍式支座。

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。由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，故采用A型双鞍座，一为固定式，一为滑动式支座。

3.5.2鞍座的计算

首先粗略计算鞍座负荷。贮罐总质量为[5]

                         (3.8)

式中 m1——罐体质量，kg；

m2——封头质量，kg；

m3——水的质量，kg；

m4——附件质量，kg。

1、 罐体质量m1

公称直径DN=2800mm，壁厚δ=22mm的筒体，查表[5]（《化工设备设计基础》，天津大学出版社，附表4）得每米质量是q1=1531kg/m，所以

2、 封头质量m2

公称直径DN=2800mm，壁厚δ=22mm，直边高度h0=50mm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，所以

3、 水的质量m3

                              (3.9)

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，m3；

ρ——水的密度，1000kg/m3。

筒体公称直径DN=2800mm，筒体长度L0=5.1m，查表[5]（《化工设备设计基础》，天津大学出版社，附表5）得封头容积为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350kg。于是m4=550kg。

故设备总质量为

每个鞍座承受的负荷为

根据鞍座承受的负荷，查表[4]（《化工设备机械基础》，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3.3  A型鞍座标准尺寸

(mm)

筒体长度

                             (3.10)

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[2]

4

选配工艺接管

4.1液氨进料管

进料管伸进设备内部并将管的一端切成45℃，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。

采用的无缝钢管。配用具有突面密封的带颈对焊管法兰，法兰标记：HG20595 法兰 WN50-2.5 RF 20。接管长500mm，不需补强[6]。

4.2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 WN32-2.5 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2.6m。

4.3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。

4.4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。

4.5放空管接口管

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。

4.6安全阀接口管 

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

参数校核

5.1筒体轴向应力校核

5.1.1筒体轴向弯矩计算

筒体中间处截面的弯矩为

                    (5.1)

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

                       (5.2)

于是

5.1.2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A≤Rm/2=711mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。

1、由弯矩引起的轴向应力

圆筒中间截面上

最高点处：

                           (5.3)

于是

最低点处： 

鞍座截面处

最高点处： 

最低点处： =

2、由设计压力引起的轴向应力

                            (5.4)

于是

3、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

               (5.5)

许用轴向拉压应力[σ]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

                 (5.6)

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，P152）图11-9，查得B=130MPa，取许用压缩应力，合格。

5.2筒体和封头切向应力校核

5.2.1筒体切向应力计算

                               (5.7)

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

5.2.2封头切向应力计算

                               (5.8)

于是

合格.

5.3筒体环向应力校核

5.3.1环向应力计算

设垫片不起作用。

1、在鞍座处横截面最低点处

                             (5.9)

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

                          (5.10)

式中b——支座轴向宽度。

于是

故

2、鞍座边角处轴向应力

因为，所以

      (5.11)

5.3.2环向应力校核

合格。

合格。

5.4鞍座有效断面平均压力

支座承受的水平分力

                               (5.12)

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

                               (5.13)

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。

6

设计结果一览表

液氨贮罐装配图

贮罐的总装配图见附页[7]，各零部件的名称，规格、尺寸、材料等见明细表。

贮罐技术要求：本设计按GB 150-1998《钢制压力容器》进行制造，试验和验收；焊接材料、对接焊接接头形式及尺寸可按GB 985-80中规定（设计焊接接头系数取1.0）；焊接采用电弧焊，焊条牌号E4303；壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100%；设备制造完毕后，以2.7MPa表压进行水压试验；管口安装位置见图。

8

总结

经过近一个月对液氨贮罐的机械设计，我更加深入的理解了液氨贮罐的设计过程，以及设计中需要考虑的各方面因素。在设计中，由于贮罐容积较小，采用的是卧式圆筒形容器。在选材时综合考虑材料的物理、力学性能，耐腐蚀性，经济性等。在进行工艺计算后再进行了强度校核。在结构设计时，查阅资料参照相关标准选择附件。设计完毕后，参照设计结果用AutoCAD绘制了贮罐设备图。

通过本次设计，我从中学到了综合分析问题的能力，增加了设计经验，更进一步提高了AutoCAD制图的技能，为以后进一步的研究打下了坚实的基础。同时，也要感谢各位老师和同学在设计过程中给我的帮助。由于本人知识有限，在设计中难免存在不明之处，还需要继续学习，以补充知识的缺陷。

参考文献

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