m3 液氨储罐设计_毕业论文

目录

附：课程设计任务书

一序言

（一）设计任务

（二）设计思想

（三）设计特点

二储罐总装配示意图

三材料及结构的选择

（一）材料的选择

（二）结构的选择

四设计计算内容

（一）设计温度和设计压力的确定

（二）名义厚度的初步确定

（三）容器的压力实验

（四）容器应力的校核计算

（五）封头的设计

（六）人孔的设置

（七）支座的设计确定

（八）各物料进出管位置的确定及其标准的选择（九）液位计的设计

（十）焊接接头设计

五设计小结

六参考资料

附：课程设计任务书

一序言

（一）设计任务：

针对化工厂中常见的液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图和零件图，并编写设计说明书。（二）设计思想：

综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。（三）设计特点：

容器的设计一般由筒体，封头，法兰，支座，接口管及人孔等组成。常，低压化工设备通用零件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的筒体，封头的设计计算，低压通用零件的选用。

各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理的进行设计。

二储罐总装配示意图

三材料及结构的选择

（一）材料的选择

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。

纯液氨腐蚀性小，储罐可选用一般钢材，但由于压力较大，可以考虑20R，16MnR这两种钢材。如果纯粹从技术角度看，可用20R 类的低碳钢板，16Mn钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，

同等重量设备的计价，16MnR钢板较为经济，所以在此选择16MnR 钢板作为制造筒体和封头的材料。

（二）结构的选择

1 封头的选择

从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小的多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看：球形封头用材最少，比椭圆封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度，结构和制造方面综合考虑，采用椭圆封头最为合理。

2 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。选用时应综合考虑公称压力，公称直径，工作温度以及人，手孔的结构和材料等诸多方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有很大的灵活性。在此，考虑到人孔盖直径较大较重，可选用MFM 型，A型盖轴耳，公称压力为2.5MPa，公称直径为500mm,H为280mm 的回转盖对焊法兰人孔。

3 法兰的选择

法兰连接的主要优点是密封可靠，强度足够及应用广泛。缺点是不能快速拆卸，制造成本较高。压力容器的法兰分平焊法兰和对焊法兰。法兰设计的优化原则是：法兰设计应使各项应力分别接近许用

应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到充分的发挥。

4 液面计的选择

液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型大体上可以分为四类：有玻璃板液面计，玻璃管液面计，浮子液面计和浮标液面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度在0~250摄氏度。玻璃管液面计适用于工作压力小于1.6MPa，介质温度在0~250摄氏度情况下。玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料没有结晶等堵塞固体的场合。板式5液面计承压能力强但比较笨重，成本较高。

液氨为较干净的物料，易透光，不会出现严重堵塞现象，所以在此选用玻璃管液面计。

5 鞍式支座的选择

鞍式支座是应用较为广泛的一种卧式支座。从应力分析来看，理论上支座数目越多越好。但实际上，卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点过多时，各支撑平面的影响均会影响支座反力的分布，因而采用多支座不仅体现不出理论上的优越性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影响。

在此选择轻型的鞍式双支座，一个S型，一个F型。

四设计计算内容

（一）设计温度和设计压力的确定

１．设计温度的确定

根据液氨储罐工作温度为-20～48℃

所以选择设计温度t=50℃ ２．设计压力的确定

3NH 的临界温度C C T o o c 504.132>=

对于承装临界温度大于C o 50的液化气体的压力容器，设计有可靠的保冷措施，则其最高工作压力为所盛液化气体在可能达到的最高工作温度下的保和蒸汽压。

氨的最高工作温度为C o 48。

在C C o o 50~40范围内用内插法求C o 48时的压力为：

MPa C P C P C P P o o o 844.120.15810

20

.1525.19)40(810)40()50(=+?-=+?-=

MPa P P c 295.11)(=<临界压力

（其中25.19)50(20.15)40(==C P C P o o 和由下表一查得：

表一 液化气饱和蒸汽压及饱和液密度

（三） 名义厚度的初步确定

1 所需参数的确定

1.1 筒体长度的确定（以长宽尽量符合黄金比例为准）

24

2i g D V

V L π-=

若取公称直径mm DN 1000=时：

m L 72.18114.34

11505

.02152=???-=

0534.072.181==

L D i 同理： mm DN 1300=时：

m L 82.103.114.34

13208

.02152=???-=

1201.082.103.1==

L D i mm DN 1600=时： m L 88.66.114.34

15864

.02152=???-=

2326.088.66.1==

L D i mm DN 1900=时： m L 61.49.114.34

19687

.02152=???-=

618.04121.061.49.1<==

L D i mm DN 2200=时： m L 13.32.214.34

15459

.12152=???-=

618.07802.013.32.2>==

L D i 再取mm DN 2100=，则有：

m L 55.31.214.34

13508

.12152=???-=

618.05915.055.31.2<==

L D i 取L D i 最接近0.618的值为：

mm DN 2100= m L 55.3= 5915.0=L D i 于是筒体长度确定为3.55m.

1.2 计算压力c P 的确定（由设计压力与液柱静压力来确定） 设计压力MPa P 844.1=； 液柱静压力为：

Pa gD P i i 7.136851.28.9665)(=??==氨ρ Pa P 922001844000%5%5=?=

P P i %5<，于是忽略了液柱静压力的影响，得到MPa P P c 844.1==

1.3 []t σ （MPa ）----设计温度下的许用应力

对于M n R 16的低合金钢钢管，在C t o 50=的设计温度下

[]M P a

t

163=σ。 1.4 Φ-----焊接接头系数 （取值根据接头形式及无损检测的长度比例来确定）

采用双面对接接头或相当于双面对接接头的全焊透对接头，进行100%无损检测时，0.1=Φ。

2 名义厚度的计算 2.1 计算厚度 筒：[]mm P D P c

t

i

c 946.11844

.1116322100

844.12=-???=

-Φ=

σδ

封头：[]mm P D P c

t

i

c 912.11844

.15.0116322100

844.15.02=?-???=

-Φ=

σδ

2.2 设计厚度（加入腐蚀裕量） 筒：mm C d 946.132946.112=+=+=δδ 封头：mm C d 912.132912.112=+=+=δδ 2.3 名义厚度（设计厚度+钢板厚度负偏差） 筒：mm d n 196.1425.0946.1325.0=+=+=δδ 封头：mm d n 162.1425.0912.1325.0=+=+=δδ

根据钢板的常用规格，取筒和封头的名义厚度均为mm 18 2.4 有效厚度

筒：mm C n e 75.15)5.02(18=+-=-=δδ 封头：mm C n e 75.15)5.02(18=+-=-=δδ

（四） 容器的压力实验

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 t T P P ][][25.1σσ=

取设计实验温度为C o 50，查表有[][]t MPa σσ==163 所以 M P a P T 305.2844.125.1=?= 而圆筒的应力 e

e i T T D P δδσ2)

(+=

所以 MPa T 82.15475

.152)

75.152100(305.2=?+?=

σ

查表得到MPa s 320=σ

MPa s 2883209.09.0=?=σ s T σσ9.0< 所以，厚度校核合格。

（五） 容器应力的校核计算

1计算容器质量m

1.1容器自重，包括筒体质量1m 和封头质量2m

()[]22

1)04.024

)(i n i D D L m -+?-?

?=σπ

ρ（钢 ()(

)[]221.2018.01.204.025526.34

7850-+?-??=π

kg 7.1624=

()钢σδ???=n A m 22

kg 5.14257850018.00443.52=???=

容器自重kg m m m 2.30505.14257.162421=+=+= 1.2 充液质量 充水时：

()()kg V m m 2.180501510002.3050=?+=+=水总ρ

N mg G 96.1768918.92.18050=?==

充液氨时：

()()kg V m m 2.130********.3050=?+=+=氨总ρ

N mg G 96.1276468.92.13025=?==

2建立力学模型计算圆筒中的弯距 2.1 鞍座位置的确定

鞍座位置的选择一方面要考虑到利用封头的加强效应，另一方面又要考虑到不使壳体中因荷重引起的弯曲应力过大。由此，鞍座的位置按L a 2.0≤，并尽量使i R a 5.0≤的条件来确定，其中a 为鞍座中心线至圆筒端部的距离，L 为圆筒长度（两封头切线间距离），i R 为筒体内半径。

m L a 71.055.32.02.0=?=≤

m R a i 525.02

1

.25.05.0=?=≤

取m a 525.0= 2.2 力学模型

2.3 圆筒最大弯矩的计算

将由上述计算所得的质量产生的重力简化为沿容器轴线作用的均布载荷，计算跨中截面处的弯矩M 。 取m L 55.3=

而支座位置m a 525.0=

分析受力图可知 由于两支座距罐两端距离相等，两支座A,B 受力相同，均为罐重力的一半，且在罐中心截面上弯矩最大。 液压实验时：N G R R B A 98.8844596.1768912

12

1

=?=?==

m N G R M A ?=???-??? ??-=7.32061255

.321255.355

.3525.0255.3max

q

a

a

A

B

L

正常操作时：N G R R B A 48.6382396.1276462

121

=?=?==

m N G R M A ?=???-??? ??-=0.23136255

.321255.355

.3525.0255.3max

3计算圆筒跨中截面最大拉应力和最大压应力，进行应力校核 最大拉应力由介质压力及弯矩M 引起，位于该截面的最低点

即 e

e C D M D P δδσ2max

785.04+= MPa 47.6175

.152100785.00

.2313675.1542100844.12=??+??=

其强度条件为 M P a t 163][m a x =≤σσ 条件符合。

最大压应力位于该截面的最高点，并且在盛满物料而升压时压应力有最大值，故有最大压应力为：

MPa D M e T 4

2

2min

1088.575

.152100785.07.32061785.0-?-=??-==δσ 其强度条件为 M P a s 2889.0m i n =Φ≤σσ 条件符合。 稳定性条件为：{

}[]cr T σσσ≤--min min ,max ，式中][cr

σ

为

稳定许用压缩应力。 []AE B cr 3

2==σ 301039.175

.151822100094

.0094.0-?=??

?

??+==

e

R A δ M P a E 5100.2?= []MPa B cr 3.185100.21039.13

253=????==-σ

由以上计算可知此稳定性条件符合。

（五）封头的设计

标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头形式,其最新的

标准为JB/T4746-2002.该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=2100mm>2000mm ， 所以直边高度为40mm ，

又根据《EHA 椭圆形封头内表面积及容积》查得：DN=2100mm 时，总深度H=565mm ，内表面积A=5.04432m ，容积V=1.35083m 所以，封头设计为EHA2100×18-16MnR JB/T4746-2002 示意图如下：

（六） 人孔的设置

1 人孔位置和尺寸的设置

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

565

2100

40

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400～600mm ，所以本次设计选择人孔公称直径为500 mm 。外伸170mm 。

人孔位置的确定：

mm

D d L n 88.2711821001250011=?+?=+≥δδ1δ：人孔的壁厚，1d ：人孔的公称直径，δ：筒体壁厚，n D ：

筒体公称直径 取mm L 450= 2 人孔补强的计算

2.1 圆筒开孔所需补强面积 ()t et f d A -+=12δδδ 式中：d-----开孔直径，506mm 。 δ-----圆筒计算厚度，11.946mm 。 et δ-----接管有效厚度，10.946mm 。