压力容器课程设计.docx
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压力容器课程设计
武汉工程大学
课程设计
题目：
液氨储罐设计
院系：
化学工程学院
专业：
化学工程与工艺
班级：
姓名：
指导教师：
完成日期：
2010年12月25日
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
包括筒体、封头、零部件的材料的选择及结构的设计；罐的制造施工及
计计算及相关校核；各设计的参考标准；附CAD图。
已知工艺参数如下：
最高使用温度：
T=50℃；
公称直径：
DN=3000㎜；
筒体长度（不含封头）：
Lo=5900㎜。
任务下达时间：
2010年11月19日
完成截止时间：
2010年12月30日
目录
设计任务书
1前言......................................................................................................................................1
2设计选材及结构..................................................................................................................2
2.1工艺参数的设定.......................................................................................................2
2.1.1设计压力........................................................................................................2
2.1.2筒体的选材及结构........................................................................................2
2.1.3封头的结构及选材........................................................................................2
3设计计算..............................................................................................................................4
3.1筒体壁厚计算...........................................................................................................4
3.2封头壁厚计算............................................................................................................4
3.3压力试验....................................................................................................................5
4附件的选择..........................................................................................................................6
4.1人孔的选择...............................................................................................................6
4.2人孔补强的计算.......................................................................................................7
4.3进出料接管的选择...................................................................................................9
4.4液面计的设计.........................................................................................................10
4.5安全阀的选择..........................................................................................................10
4.6排污管的选择.........................................................................................................10
4.7鞍座的选择.............................................................................................................11
4.7.1鞍座结构和材料的选取..............................................................................11
4.7.2容器载荷计算..............................................................................................12
4.7.3鞍座选取标准..............................................................................................12
4.7.4鞍座强度校核..............................................................................................13
5容器焊缝标准....................................................................................................................14
5.1压力容器焊接结构设计要求.................................................................................14
5.2筒体与椭圆封头的焊接接头.................................................................................14
5.3管法兰与接管的焊接接头.....................................................................................14
5.4接管与壳体的焊接接头.........................................................................................14
6筒体和封头的校核计算....................................................................................................16
6.1筒体轴向应力校核.................................................................................................16
6.1.1由弯矩引起的轴向应力..............................................................................16
6.1.2由设计压力引起的轴向应力......................................................................17
6.1.3轴向应力组合与校核..................................................................................17
6.2筒体和封头切向应力校核.....................................................................................18
7总结....................................................................................................................................19
参考文献..................................................................................................................................20
1前言
本设计是针对《化工设备机械基础》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，要综合运用所学的知识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。
设计基本思路：
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、焊缝标准的设计顺序，
分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接
形式进行了设计和选择。
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，则选择合适的非标设备。
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，合理地进行设计。
2设计选材及结构
2.1工艺参数的设定
2.1.1设计压力
根据《化学化工物性数据手册》查得50℃蒸汽压为2032.5kpa，可以判断设计的容
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2.16Mpa，属于中压容器。
而且查得当容器上装有安全阀时，取1.05～
1.3倍的最高工作压力作为设计压力；所以取2.16Mpa的压力合适。
0.6Mpa≤p<10Mpa
[5]
属于中压容器。
设计温度为50摄氏度，在-20～200℃条件下工作属于常温容器。
2.1.2筒体的选材及结构
根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1㎜/年以
下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。
如果纯粹从技术角度看，
建议选用20R类的低碳钢板，16MnR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钢板为比较经济。
所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体
和封头材料。
钢板标准号为GB6654-1996。
筒体结构设计为圆筒形。
因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方
[1，5]
便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。
2.1.3封头的结构及选材
封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样
直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，
直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。
椭圆形封头的应
力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达
到与筒体等强度。
它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封
头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。
查椭圆形封头
标准（JB/T4737-95）
表2.1椭圆封头标准
公称直径DN曲面高度h1直边高度h2内表面积Fi/m2容积V/m3
30007505010.23.89
[1,5]
封头取与筒体相同材料。
3设计计算
3.1筒体壁厚计算
3
查《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR的密度为7.85t/m，熔点为
t
1430℃，许用应力[σ]列于下表：
表3.116MnR许用应力
在下列温度（℃）下的许用应力/Mpa
钢号板厚/㎜
≤20100150200250300
6～16170170170170156144
16～36163163163159147134
16MnR
36～60157157157150138125
>60～100153153150141128116
圆筒的计算压力为2.16Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双
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163Mpa。
壁厚：
pcDi2.16×3000
δ===20.01㎜（3.1）
t
2[σ]φ-pc2×163×1-2.16
钢板厚度负偏差C1=0.8,查材料腐蚀手册得50℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于
0.05㎜/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量C2=2㎜。
所以设计厚度为：
δd=δ+C2+C1=22.81㎜
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：
pcDi
δ=（3.2）
t
2[σ]φ-0.5pc
可见封头厚度近似等于筒体厚度，则取同样厚度。
因为封头壁厚≥20㎜则标准椭
[1,4]
圆形封头的直边高度h0=50㎜.
3.3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，应保持容器外表面的干燥。
试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，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。
水压试验时的压力
[σ]
p=1.25p=1.25×2.16=2.7Mpa（3.3）
Tt
[σ]
水压试验的应力校核：
水压试验时的应力
pT（Di+δe）2.7×[3000+（24-1）]
σT===177.44Mpa（3.4）
2δe2×（24-1）
水压试验时的许用应力为
0.9φσs=0.9×1.00×325=292.5Mpa
[1]
σ＜φσ故筒体满足水压试验时的强度要求。
T0.9S
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。
人孔的结构：
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，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、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PN≥1.0Mpa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Di>1000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φ400㎜。
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DN450、H1=320、RF型密封面、采用Ⅵ类20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金
属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。
标记为：
人孔RFⅥ（W·C-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
HGJ69～72-91,法兰盖标准HGJ61～65-91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-A·F,垫圈标准为GB95-85材料100HV,螺母标
[2,3,5]
准GB41-86，吊钩和环材料Q235-A·F，无缝钢管材料为20，支承板材料为20R。
尺寸表如下
表4.1人孔标准尺寸表
密封面PN/总质量
DNdw×sdDD1H1H2
型式Mpakg
256
突面2.5450480×12450670600320214
4.2人孔补强的计算
开孔补强结构：
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结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解
决、安全、可靠等优点。
在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。
但必须满足规定的条件。
压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体
截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。
当补强材料与被削
弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。
补强材料采用16MnR。
1、内压容器开孔后所需的补强面积
A=dδ+2δδet（1-fr）（4.1）
式中开孔直径：
d=di+2C=456+2×2.8=461.6㎜；
强度削弱系数：
t
[σ]n
fr=t=133/163=0.82
[σ]
壳体开孔处的计算厚度δ=20.01㎜
接管有效厚度：
δet=δnt-C=12-2.8=9.2㎜
2
则A=461.6×20.01+2×20.01×9.2×（1-133）=9304.38㎜
163
2、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，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊
缝金属、补强元件）
=++（4.2）
AeA1A2A3
筒体上多余金属面积：
A1=（B-d）（δe-δ）-2δet（δe-δ）（1-fr）（4.3）
有效补强宽度B=2d
筒体的有效厚度δe=24-2.8=21.2㎜
所以
2
A1=461.6×（21.2-20.01）-2×9.2×（21.2-20.01）×（1-133）=545.27㎜
163
人孔接管上多余的面积：
A2=2h1（δet-δt）fr+2h2（δet-C2）fr（4.4）
外侧有效高度：
h1=δntd=12×461.6=74.43㎜
内侧有效高度即实际内伸高度h2=0
接管计算厚度：
pcdi2.16×（480-24）
δ===3.73㎜
tt
2[σ]nφ-pc2×133×1-2.16
所以
2
A2=2×12×461.6×（9.2-3.73）×133=664.36㎜
163
焊缝金属截面积：
12
A3=2××12×12=144㎜
2
2
则Ae=A1+A2+A3=545.27+664.36+144=1353.63㎜
比较的>
AAe
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σb≤540Mpa；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δn≤38㎜；设计压力<4Mpa；
设计温度≤350℃。
可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。
所需补强圈的面积为：
2
A4=A-Ae=7950.75㎜
补强圈的结构及尺寸：
为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入
压缩空气检验焊缝质量。
按照根据焊接接头分类，接管、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。
根据补强圈焊缝要求，并查得结构图为带补强圈焊
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D0=760,内径Di=d0+（3~5）则取485㎜。
计算补强圈厚度：
A47950.75
δc===18.14㎜（4.5）
B-Di461.6×2-485
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。
[3,5]
查得对应补强圈质量为42.3㎏.
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