液氨储罐.doc
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内蒙古科技大学化学与化工学院
液氨储罐设计说明书
指导老师：
张永强、韩晓星
设计人:
张继伟朱溶坤
黄营野王丽新
宋大朋吴辉
时间：
2013年12月4日
设计任务书
设计题目：
液氨储罐设计
已知工艺参数如下：
最高使用温度：
T=40℃；
容积：
18m3
公称直径：
未知；
筒体长度（不含封头）：
未知。
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结构的设计；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。
设计人:
张继伟1166115107
朱溶坤1166115201
吴辉1166115117
王丽新1166115232
宋大朋1166115124
黄营野1166115227
任务下达时间：
2013年11月25日
完成截止时间：
2013年12月4日
目录
设计任务书 1
1前言 5
2设计选材及结构 6
2.1工艺参数的设定 6
2.1.1 设计压力 6
2.1.2 筒体的选材及结构 6
2.1.3 封头的结构及选材 6
3设计计算 7
3.1.公称直径Di和筒体长度L的计算 7
3.2筒体壁厚计算 7
3.3封头壁厚计算 8
3.4压力试验 8
4附件选择 9
4.1 人孔选择 9
4.2 人孔补强的计算 11
5选择鞍座并核算承载能力 14
6.选择液面计 15
7.选配工艺接管 16
8.参数校核 17
8.1.筒体轴向应力校核 17
8.1.1.筒体轴向弯矩计算 17
8.1.2.筒体轴向应力计算 18
8.2筒体封头切向应力校核 19
8.3.筒体环向应力的计算和校核 19
8.3.1.环向应力的计算 19
8.3.2.环向应力的校核 20
8.4.鞍座有效断面平均压力 20
9．耳式支座 21
9.2封头质量m2 21
9.3充液氨质量m3 21
10.人孔的确定 23
11．人孔补强的确定 23
12．接口管 23
12.1液氨进料管：
23
12.2液氨出料管 23
12.3液面计接管 24
12.4放空管接管 24
13.结束语 24
14.液氨贮罐技术要求 24
15.参考文献 27
16．附件 29
附件1：
设计压力 29
附件2：
焊缝系数 29
附件3：
无缝钢管的公称直径DN与外径D。
（mm） 30
附件4：
凸面受压封头的壁厚设计 30
附件5：
系数K1 31
附件6：
补强圈尺寸系列 31
附件7：
支持式支座的形式特征 32
附件8：
各种型号的鞍座结构特征 32
附件9：
材料许用应力表 33
附件10：
容器直径 33
附件11：
奥氏体不锈钢无缝钢管尺寸和理论质量 34
附件12：
尺寸表 34
附件13：
椭圆形和蝶形封头的直边高度 35
附件14：
安全阀压力 35
附件15：
系数A 36
附件16：
PN16带颈对焊钢制管法兰 36
附件17：
耳式支座6种结构形式 37
附件18：
板式平焊法尺寸 37
4
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。
5
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40℃时氨的饱和蒸汽压为1.55MPa，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40℃时的饱和蒸汽压力，可取液氨容器的设计压力为1.6Mpa，属于中压容器。
而且查得当容器上装有安全阀时，取1.05～1.1倍的最高工作压力作为设计压力；所以取1.6Mpa的压力合适。
属于中压容器。
设计温度为40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。
综合考虑：
容器的操作条件，如设计压力、设计温度、介质特性和操作压力等；材料的使用性能，如力学性能、物理性能、化学性能；材料的加工工艺性能，如焊接性能、热处理性能等；经济合理性及容器结构，如材料价格和使用寿命等。
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
2200
550
25
5.419
18
封头取与筒体相同材料。
3设计计算
3.1.公称直径Di和筒体长度L的计算
L=
取Di=2000Di=2200Di=2400经计算当Di=2200时，L=4001mm，此时，Di/L=0.5498所以取Di=2200mm
3.2筒体壁厚计算
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/m3，熔点为1430℃，许用应力列于下表：
表3.116MnR许用应力
钢号
板厚/㎜
在下列温度（℃）下的许用应力/Mpa
≤20
100
150
200
250
300
16MnR
6～16
170
170
170
170
156
144
16～36
163
163
163
159
147
134
36～60
157
157
157
150
138
125
>60～100
153
153
150
141
128
116
圆筒的计算压力为1.6Mpa,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1.0,全部无损探伤。
取许用应力为170Mpa。
壁厚：
㎜（3.1）
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㎜。
所以设计厚度为：
㎜
有钢板厚度负偏差查表得C1=0.25,故名义厚度为：
δn=δd+C1=12.4+0.25=12.65
圆整后取名义厚度14㎜。
3.3封头壁厚计算
标准椭圆形封头a:
b=2:
1
封头计算公式：
㎜
K=1/6[2+（Di/2hi）2]=1
设计厚度：
δd=δ+C2=10.38+2=12.38mm
名义厚度：
δn=δd+C1=12.38+0.25=12.63mm
圆整后取：
δn=14mm
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㎜则标准椭圆形封头的直边高度㎜.
3.4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
已知P=1.6MPa[σ]=[σ]t=170MPa
试验压力：
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。
代入数据的
水压试验的应力校核：
水压试验时的应力：
其中有效厚度δe=δn-C1-C2=14-0.25-2=11.75
故
校核强度
水压试验时的许用应力为
故筒体满足水压试验时的强度要求。
由《化工设备机械基础》大连理工大学出版社附表9-1查得。
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，
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