的压力容器设计(储罐液氨).doc

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1、设计任务书设计题目： 液氨储罐设计设计任务： 试设计一液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计。包括筒体、封头、零部件的材料的选择及构造的设计；罐的制造施工及焊接形式等；设计计算及相关校核；各设计的参考标准；附 CAD 图。工艺参数如下：最高使用温度：T=50； 公称直径：DN=3000 ；筒体长度不含封头：Lo=5900 。名目设计任务书21 前言12 设计选材及构造22.1 工艺参数的设定22.1.1 设计压力22.1.2 筒体的选材及构造22.1.3 封头的构造及选材23 设计计算43.1 筒体壁厚计算43.2 封头壁厚计算43.3 压力试验54 附件的选择64.1 人孔的选

2、择64.2 人孔补强的计算74.3 进出料接收的选择94.4 液面计的设计104.5 安全阀的选择104.6 排污管的选择104.7 鞍座的选择114.7.1 鞍座构造和材料的选取114.7.2 容器载荷计算124.7.3 鞍座选取标准124.7.4 鞍座强度校核135 容器焊缝标准145.1 压力容器焊接构造设计要求145.2 筒体与椭圆封头的焊接接头145.3 管法兰与接收的焊接接头145.4 接收与壳体的焊接接头146 筒体和封头的校核计算166.1 筒体轴向应力校核166.1.1 由弯矩引起的轴向应力166.1.2 由设计压力引起的轴向应力176.1.3 轴向应力组合与校核176.2

3、筒体和封头切向应力校核187 总结19参考文献201 前言本设计是针对化工设备机械根底这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结，要综合运用所学的学问并查阅相关书籍完成设计。本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广泛。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 1625%(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,它是很多元

4、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,难以点燃而危急性较低; 但氨和空气混合物到达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 ,则危急性更高。设计根本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计挨次， 分别对储罐的筒体、封头、人孔接收、人孔补强、接收、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进展了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择适宜的非标设备。各项设计参数都

5、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，并考虑到构造方面的要求，合理地进展设计。222 设计选材及构造2.1 工艺参数的设定2.1.1 设计压力依据化学化工物性数据手册查得 50蒸汽压为 2032.5kpa，可以推断设计的容器为储存内压压力容器，按压力容器安全技术监察规程规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气 50时的饱和蒸汽压力，可取液氨容器的设计压力为 2.16 Mpa，属于中压容器。而且查得当容器上装有安全阀时，取 1.051.3 倍的最高工作压力作为设计压力；所以取 2.16 Mpa 的压力适宜。0.6Mpa p 6010015315315014

6、1128116圆筒的计算压力为 2.16 Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都承受双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为 1.00,全部无损探伤。取许用应力为 163 Mpa。壁厚：d =p Dci=2.16 3000= 20.013.12 s t f - pc2 163 1 - 2.16钢板厚度负偏差 C= 0.8 ,查材料腐蚀手册得 50下液氨对钢板的腐蚀速率小于10.05 /年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量C= 2 。2所以设计厚度为：圆整后取名义厚度 24 。3.2 封头壁厚计算标准椭圆形封头 a:b=2:1 封头计算公式 ：d= d + C+ C= 22.81

7、d21d =p D ci3.22 s t f - 0.5 pc可见封头厚度近似等于筒体厚度，则取同样厚度。由于封头壁厚 20 则标准椭圆形封头的直边高度h= 50 1,4.03.3 压力试验水压试验，液体的温度不得低于 5；试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外外表的枯燥。试验时压力应缓慢上升，到达规定试验压力后，保压时间一般不少于 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便对全部焊接接头和连接部位进展检查。如有渗漏，修补后重试验。水压试验时的压力s tp T = 1.25 p s = 1.25 2.16 = 2.

8、7Mpa(3.3)水压试验的应力校核： 水压试验时的应力p(D+ d )2.7 3000 + (24 - 1)s=Tie=()= 177.44 Mpa(3.4)T2de2 24 - 1水压试验时的许用应力为0.9fss= 0.9 1.00 325 = 292.5Mpas T0.9fs S 故筒体满足水压试验时的强度要求1。4 附件选择4.1 人孔选择人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。人孔的构造：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人

9、孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，依据人孔承压的凹凸、介质的性质，可以承受突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。人孔标准HG21524-95 规定PN1.0Mpa 时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。容器上开设人孔规定当 Di1000 时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为400 。综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔 HG21524-95,公称压力 PN2.5、公称直径 DN4

10、50、H1=320、RF 型密封面、承受类 20R 材料、垫片承受外环材料为低碳钢、金属带为 0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C 型缠绕垫。标记为：人孔 RFWC-1220 450-2.5HG21524-95 总质量为 256kg. 法兰标准号为 HGJ50 53-91, 垫片标准号为HGJ6972-91,法兰盖标准 HGJ6165-91 材料为 20R，螺柱螺母标准 HGJ75-91 螺柱材料 40Cr 螺母材料 45，吊环转臂和材料 Q235-AF,垫圈标准为 GB95-85 材料 100HV,螺母标准 GB41-86，吊钩和环材料 Q235-AF，无缝钢管材料为 20，支承板材料为

11、 20R2,3,。5尺寸表如下表 4.1人孔标准尺寸表密封面型式PN/MpaDNdwsdDD1H1H2突面2.545048012450670600320214总质量kg 2564.2 人孔补强的计算开孔补强构造：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。补强圈补强是使用最为广泛的构造形式，它具有构造简洁、制造便利、原材料易解决、安全、牢靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可承受补强圈补强形式。但必需满足规定的条件。压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算便利，承受等面积补强法，即壳体截面因开孔被减弱的承载面积，必需由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与

12、被减弱壳体的材料一样时，则补强面积等于减弱的面积。补强材料承受 16MnR。1、 内压容器开孔后所需的补强面积式中 开孔直径：A = dd + 2d(1 - fetr)4.1强度减弱系数：d = d+ 2C = 456 + 2 2.8 = 461.6 ；itn ssrf=t= 133 / 163 = 0.82壳体开孔处的计算厚度d = 20.01 接收有效厚度：(d et = d nt - C = 12 - 2.8 = 9.2 163则A = 461.6 20.01 + 2 20.01 9.2 1 - 133)= 9304.38 22、有效补强面积即已有的加强面积壳体开孔后，在有效补强范围内，

13、可作为补强的截面积包括来自壳体、接收、焊缝金属、补强元件筒体上多余金属面积：A= A + A+ Ae1234.2A= (B - d)(d- d )- 2d(d- d )(1 - f)4.31eeter有效补强宽度 B=2d筒体的有效厚度 de所以= 24 - 2.8 = 21.2 ()() ( 133)2A = 461.6 121.2 - 20.01- 2 9.2 21.2 - 20.01 1 -163= 545.27 人孔接收上多余的面积：外侧有效高度：A= 2h (d21et- d )ftr+ 2h (d2et- C)f2r4.4ddnt12 461.6h=1= 74.43 内侧有效高度即

14、实际内伸高度 h2 = 0接收计算厚度：d =p d ci2.16 (480 - 24)= 2 133 1 - 2.16= 3.73t所以A= 2 22 s t f - pn12 461.6c163 (9.2 - 3.73) 133= 664.36 2焊缝金属截面积：A= 2 312 12 12 = 144 2则Ae比较的 A Ae= A + A12+ A= 545.27 + 664.36 + 144 = 1353.63 23满足以下条件的可选用补强圈补强：刚材的标准常温抗拉强度 sb 540 Mpa；补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的 1.5 倍；壳体名义厚度dn 38 ；设计压力 4Mpa

15、；设计温度 350 。可知本设计满足要求，则承受补强圈补强。所需补强圈的面积为：A= A - A4e= 7950.75 2补强圈的构造及尺寸：为检验焊缝的严密型，补强圈上钻M10 的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。依据依据焊接接头分类，接收、人孔等与壳体连接的接头，补强圈与壳体连接的接头取 D 类焊缝。依据补强圈焊缝要求，并查得构造图为带补强圈焊缝 T 型接头，补强圈坡口取 B 型查化工容器及设备简明设计手册。查标准 HG 21506-92 得补强圈外径D= 760 ,内径D= d+ (3 5)则取 485 。0i0计算补强圈厚度：Ad=4cB - Di7950.75= 461.6 2

16、- 485 = 18.14 4.5查标准补强圈厚度取 20 ，计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。查得对应补强圈质量为 42.3 3,5.4.3 进出料接收的选择材料：容器接收一般应承受无缝钢管，所以液体进料口接收材料选择无缝钢管，承受无缝钢管标准 GB8163-87。材料为 16MnR。构造：接收伸进设备内切成 45 度，可避开物料沿设备内壁流淌，削减物料对壁的磨损与腐蚀。接收的壁厚要求：接收的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般状况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应承受厚壁管或整体锻件，以保证接收与壳

17、体相焊局部厚度的匹配。不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。 设计压力小于或等于 2.5Mpa。 两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的 2 倍。 接收公称外径小于或等于 89 。 接收最小壁厚满足以下要求。表 4.2接收最小壁厚要求5776接收公称直径/mm6589最小壁厚/mm5.06.0因此热轧无缝钢管的尺寸为8912 。 钢治理论重量为 22.79 /m。取接收伸出长度为 150 。管法兰的选择：依据平焊法兰适用的压力范围较低PN627.765kN,为使封头对鞍座处的圆筒起加强作用，可取A 0.5R m，则选 A=700mm。左鞍座标记为 JB/T47

18、12-1992 鞍座 A3000-F.右鞍座标记为 JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S.具体尺寸如下表：表 4.3鞍座标准尺寸表公称直径允许载荷鞍座高度螺栓间距鞍座质量增加 100mm 高度DNQ/kNhl2/kg增加的质量/kg30007862501940405344.7.4 鞍座强度校核鞍座腹板的水平分力：F= K FS9查得鞍座包角 120对应系数 K= 0.2049支座反力：F = mg = 313.8825kN2鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：Fs=9H bS 0S+ b drre3H- 计算高度，取鞍座实际高度和 Rm两者中的较小值，mmSb- 鞍座腹板厚度，m

19、m0R dmeb- 鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度 b与圆筒体的有效宽度 b= b + 1.56两r42者中的较小值，mmd- 鞍座垫板有效厚度，10mmreF0.204 313882.5则s=9H bS0s+ b drre= 250 10 + 500 10 = 8.538Mpa应力校核：鞍座材料 Q235-AF 的许用应力s = 125Mpa ，则 2 s = 83.333Mpas 2 s 3sa3sa93sa5 容器焊缝标准5.1 压力容器焊接构造设计要求焊缝分散原则；避开焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力简单区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡

20、口的设计原则焊缝填充金属尽量少；避开产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作便利；复合钢板的坡口应有利于削减过渡层焊缝金属的稀释率。5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头压力容器受压局部的焊接接头分为 A、B、C、D 四类，查得封头与圆筒连接的环向接头承受 A 类焊缝。焊接方法：承受手工电弧焊，其原理是利用电弧热量溶化焊条和母材，由溶化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的结实密实的焊缝焊接，这种方法机敏便利，适应性强，设备简洁，修理便利，生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚承受对接焊接。平行长度

21、任取。坡口形式为 I 型坡口。依据 16MnR 的抗拉强度s =490Mpa 和屈服点s =325Mpa 选择 E50 系列强度要求：bss 490Mpa；s 400Mpa的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮药bs皮成分：氧化钛 30%，加铁粉，适用于全位置焊接，熔敷效率较高，脱渣性较好，焊缝外表光滑，焊波整齐，角焊缝略凸，能焊接一般的碳钢构造。5.3 管法兰与接收的焊接接头管法兰与接收焊接接头形式和尺寸参照标准 HG20605-97,依据公称通经 DN 80 选择坡口宽度 b=6mm，如附图中的局部放大图所示。5.4 接收与壳体的焊接接头所设的接收都是不带补强圈的插入式接收，

22、接收插入壳体，接收与壳体间的焊接有全焊透和局部焊头两种，它们的焊接接头均属 T 形或角接接头。选择 HG20583-2022 标3准中代号为 G2 的接头形式，根本尺寸为 b = 50 5 ；b = 2 + 0.5 ；p = 1 0.5 ；k = 1d ，t1且k 6 ，它适用于ds= 425 ， dtd ，由于所选接收的厚度都为壳体厚度的一半，2s壳体的厚度为 24mm，所以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。如附图中的局部放大图所示4,5。6 筒体和封头的校核计算6.1 筒体轴向应力校核6.1.1 由弯矩引起的轴向应力()筒体中间处截面的弯矩：2 R2 -

23、h 2FL 1 +M=miL2-4 A(6.1)144hL i1 + 3L式中 F鞍座反力，N；R 椭圆封头长轴外半径，mm；mL两封头切线之间的距离，mm； A鞍座与筒体一端的距离，mm； hi封头短轴内半径，mm。DN + 2d3000 + 24 2R=n = 1524mm()m222 15242 - 7502313.8825 59001 +M= 590024 750 - = 2.0 105 N mm141 +4 7503 59005900 支座处截面上的弯矩：AR2 - h 2 1 -+M= -FA1 -L2mi2 AL4h(6.2)i1 + 3L1 -700 +15242 - 7502

24、 所以M= -313.8825 700 1 - = -1.4 104 N mm59002 700 590021 +4 7503 5900由化工机械工程手册上卷，P1199得 K1=K2=1.0。由于M1M2，且 ARm/2=762mm，故最大轴向应力消灭在跨中面，校核跨中面应力。筒体中间截面上最高点处s ” = -1M13.14R 2dme(6.3)d= d- C- C= 24 - 0.8 - 2 = 21.2en122.0 105所以s” = -13.14 15242 21.2= -1.3 10-3 MPa最低点处：鞍座截面处最高点处：Ms ” = -s ” = 0.0013MPa(6.4)

25、21- 1.4 104最低点处：s= -323.14K R 2d1meM= -= 9.110-5 MPa(6.5)3.14 1.0 15242 21.2-1.4 104s=243.14 K R 2d1me= -9.110-5 MPa(6.6)3.14 1.0 15242 21.26.1.2 由设计压力引起的轴向应力pR由s=p2d m(6.7)e所以s= 2.16 1524 = 77.6MPap2 21.26.1.3 轴向应力组合与校核最大轴向拉应力消灭在筒体中间截面最低处所以s 2 = s p + s 2 ” = 77.6 + 0.0013 = 77.6013MPa许用轴向拉压应力t=163

26、MPa，而2t 合格。最大轴向压应力消灭在布满水时，在筒体中间截面最高处 s1 = -s1 ” = 0.0013MPa轴向许用应力：A = 0.094d eRi= 0.094 21.21500= 0.0013MPa依据A 值查外压容器设计的材料温度线图得 B=150MPa，取许用压缩应力ac=150MPa，1ac，合格。6.2筒体和封头切向应力校核筒体切向应力计算：由化工机械工程手册上卷，P11-100查得 K3=0.880，K4=0.401。所以K F0.880 313.88253t = Rdme=1524 21.2= 0.0085MPa(6.8)封头切向应力计算：t= K F = 0.40

27、1 313.8825 = 0.0039MPa(6.9)4hRdme1524 21.21.25s t - sh= 1.25 s t- K P DN2de= 1.25 163 - 1 2.16 30002 21.2= 50.9MPa因 t h1 .25 s t- s h所以合格6。7 总结通过这次课程设计，让我对化工设备机械根底这门课有了进一步的生疏。这次课设是对这门课程的一个总结，对化工机械学问的应用。设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择适宜的设计参数，对罐体的材料和构造确定之后还要进展一系列校核计算，包括筒体、封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。校核合

28、格之后才能确定所选设备型符合要求。通过这次设计对我们单独解决问题的力量也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关学问要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计的最终附有CAD 设备图，在绘图的整个过程中，我对制图软件的操作更加生疏。这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在教师的指导下我们依据毕业设计的格式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了根底。由于的学问有限，所做出的设计存在很多缺点和缺乏，请教师做出批判和指正。最终感谢教师对这次课设的评阅。参考文献1 赵军，张有忱等编. 化工设备机械根底. 其次版. 北京：化学工业出版社，2022.72 压力容器有用技术丛书编写委员会编. 压力容器设计学问. 北京：化学工业出版社，2022.73 刘湘秋编. 常用压力容器手册. 北京：机械工业出版社，2022.64 董大勤编. 化工设备机械根底. 北京：化学工业出版社，20225 贺匡国. 化工容器及设备简明设计手册，其次版. 2022.46 余国琮. 化工机械工程手册，上卷. 北京：化学工业出版社7 郑晓梅编. 化工制图. 北京：化学工业出版社，2022.118 林大军编著. 简明化工制图. 北京：化学工业出版社，2022.6