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液氨储罐设计

第一章绪论

1.1设计任务

设计一液氨贮罐。

工艺条件：

温度为40℃，氨饱和蒸气压1.55MPa，容积

为20m3,使用年限15年。

1.2设计要求及成果

1.确定容器材质；

2.确定罐体形状及名义厚度；

3.确定封头形状及名义厚度；

4.确定支座，人孔及接管，以及开孔补强情况

5.编制设计说明书以及绘制设备装配图1张（A1）。

1.3技术要求

（一）本设备按GBl50-1998《钢制压力容器》进行制造、试验和验收

（二）焊接材料，对接焊接接头型式及尺寸可按GB985-80中规定（设计焊接

接头系数1.0）

（三）焊接采用电弧焊，焊条型号为E4303

（四）壳体焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度为100％

第二章设计参数确定

2.1设计温度

题目中给出设计温度取40C

2.2设计压力

在夏季液氨储罐经太阳暴晒，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变

化。

通过查阅资料可知包头最高气温为40.4℃，通过查表可知，在40℃时液氨的饱和蒸汽压（绝对压力）为1.55MPa，密度为580kg/m3，而容器设计时必须考虑在工作情况下可能遇到的工作压力和相对应的温度两者相结合中最苛刻工作压

力来确定设计压力。

一般是指容器顶部最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。

此液氨储罐采用安全法，依据《化工设备机械基础》若储罐采用安全法时

设计压力应采用最大工作压力

Pw的1.05

1.1倍，取设计压力P

1.05Pw（已知

Pw1.55MPa表压）所以

P1.05Pw

1.6MPa。

2.3腐蚀余量

查《腐蚀数据手册》

16MnR耐氨腐蚀，其

0.1mm/y，若设计寿命为

15

年，则

C2

150.1

1.5mm

2.4焊缝系数

该容器属中压贮存容器，技《压力容器安全技术监察规程》规定，氨属中度毒性介质，容器筒体的纵向焊接接头和封头基本上都采用双面焊或相当于双面焊

的全焊透的焊接接头，所以

取1.0或0.85常见。

得选取按下表选择:

表2.1焊接接头系数

序

焊接接头系数

焊接接头结构

号

全部无损探伤

局部无损探伤

1

双面焊或相当于双面焊的全焊透对接

焊接接头

1.0

0.85

2

单面焊的对接焊接接头，在焊接过程

中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的

0.9

0.85

垫板

此储罐采用100%无损探伤，故1.0

2.5容器直径

考虑到压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要，

直径都有规定。

此储罐设计的公称直径（内径）选择Di

容器的筒体和封头的

2400mm。

表

2.2

公称直径

Di

公称直径

Di

300、400、500、600、700、800、900、1000、1200、1400、1600、1800、2000、

2200、2400、2600、2800、3000、3200、3400、3600、3800、4000

2.6许用应力

o

知

t

MPa

40C温度时，16MnR钢材的许用应力表

170.0

表2.3

400C温度时，16MnR钢材的许用应力表

钢材厚度nmm

许用应力

tMPa

屈服极限sMPa

＜16

170

345

16～36

163

325

36～60

157

305

2.7、材料选择

根据液氨贮罐的工作压力（P1.60MPa作为设计压力）、工作温度（最

高工作温度为40C）和介质的性质可知该设备为一中压常温设备，介质对碳钢

的腐蚀作用很小,主要考虑的强度指标（指s和b）和塑性指标适合的材料有：

A3R、20g、16MnR、15MnVR、20R。

为了节省金属，高压设备应优先选取普通低合

金钢、中强度。

凡属强度计算为主要的中压设备亦以采用普通低合金钢为宜。

因

为屈服强度分别为345MPa和392MPa的普通低合金钢，其材料价格与碳素钢

差不多，但强度比碳素钢约高30%-60%，采用该类钢材制造压力容器，可以有

效地减少设备质量，降低成本，给设备的制造、运输、安装带来很大的方便。

所

以主要考虑16MnR和20R这两种。

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。

第三章结构的选择与论证

3.1储罐类型选择

储罐可分为立式储罐、卧式储罐和球式储罐。

在本设计中由于设计体积较

小（约为26m3）且设计压力较小（P1.6MPa）,故可采用卧式圆筒形容器，

方形和矩形容器大多在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较

多；而球形容器虽承压能力强且节省材料，但制造较难且安装内件不方便；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。

3.2封头的选择

本液氨储罐的封头选用标准型椭圆形封头。

从应力分布情况考虑：

在直径、壁厚、设计压力相同的条件下各种封头应力

分布由好到坏的顺序是：

半球形、椭圆形、蝶形、锥形、球冠形、平板形。

椭圆

型封头的最大应力值和与其相连接的圆筒体中的最大应力值相等，便于筒体强度

设计；碟心封头有两处连接边界，受力不及椭圆形。

从金属消耗量考虑：

在相同设计条件下，各种封头的金属消耗量按下列顺序依次增大：

半球形，椭圆形，蝶形，平板形。

球形封头用量最少，比椭圆形封头节约25.8％，平板封头的用量最多，是椭圆形封头的4倍多。

从制造考虑：

椭圆形封头制造方便，平板封头则因直径和厚度较大，坯材的

获得、车削加工、焊接等方面都遇到不少困难，且封头与筒体厚度相差悬殊，结

构也不合理。

所以，从强度、结构和制造等方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。

3.3出料接管的选择

材料：

容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。

材料为16MnR。

结构：

接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。

接管的壁厚要求：

接管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。

一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半。

否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。

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。

①设计压力小于或等于2.5MPa。

②两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。

③接管公称外径小于或等于89mm。

④接管最小壁厚满足以下要求。

表3.1

接管最小壁厚要求

接管公称直径/mm

57

76

65

89

最小壁厚/mm

5.0

6.0

因此热轧无缝钢管的尺寸为

8912mm。

钢管理论重量为22.79kg/m。

取

接管伸出长度为150mm。

管法兰的选择：

根据平焊法兰适用的压力范围较低（

PN4.0MPa）,选择突

面板式平焊管法兰，标记为：

HG20592-1997法兰RF（A）80-2.5,其中D=190,管法兰材料钢号（标准号）:

20（GB711）。

根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、垫片、紧固件选配表（HG20614-1997）选择：

垫片型式为石棉橡胶板垫片（尚无标

准号），密封面型式为突面，密封面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双

头螺柱全螺纹螺柱。

在离筒体底以上250mm处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容器底，这种方式用于卧式容器。

出料口的基本尺寸以及法兰与进料口相同。

进出料接管满足不另行补强的要求，所以不再另行补强。

3.4容器支座的选择

容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。

可知大型卧式储槽和卧式容器常采用鞍座，多于两个支撑的长容器常采用圈座，小型容器常采用支腿，由于本设计采用卧式储罐，故采用鞍式支座。

3.5人孔的选择

人孔的作用：

检查设备和便于安装与拆除设备内部构件。

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。

根据储罐是在常温及最高工作压力为1.6MPa的条件下工作，人孔标准应按公称压力为1.6MPa的等级选取。

从人孔类型标准可知，公称压力为1.6MPa的人孔类型很多，本设计考虑人孔盖直径较大较重，故选用水平吊盖人孔。

该人孔结构中有吊钩和销轴，检修时只需松开螺栓将盖板绕销轴旋转一个角度，由吊钩吊住，不必将盖板取下。

该人孔标记为：

HG21523-95人孔RFⅣ（A·G）450-1.6，

其中RF面密封，Ⅳ指接管与法兰的材料为20R，A·G指用普通石棉橡胶板垫片，450-1.6是指公称直径为450mm、公称压力为1.6MPa。

表3.2人孔选择表

人孔类型

公称压力MPa

公称直径mm

板式平焊法兰人孔

0.6

400、450、500、600

板式平焊法兰人孔（限用凸面）

1.0

400、450、500、600

或带颈平焊法法兰

1.6

400、450、500、600

带颈对焊法法兰

2.5

400、450、500、600

4.0

400、450、500、600

3.6法兰的选择

法兰与筒体、封头或管段以角焊方式联接的，称为平焊法兰，平焊法兰制造

简单，广泛应用，但刚性较差，紧用于压力不高的场合，如管法兰PN小于或等

于2.5MPa,压力容器法兰PN小于或等于4.0MPa；是筒体、封头或管段以对焊方式连接用的法兰，称为对焊法兰或带颈法兰，对焊法兰刚性好且对焊缝的强度高，适用于压力、温度较高的场合。

3.7液面计的选择

液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四类，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。

1．玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。

板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。

2．玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。

3．当容器高度大于3m时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果，应改用其它适用的液面计。

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

玻璃板液面计有透光式玻璃板液面计（T型）、反射式玻璃板液面计

（R型）和试镜式玻璃板液面计（S型）三种结构，其适用温度一般在0～250℃。

但透光式适用工作压力较反射式高，试镜式工作压力最小。

玻璃管液面计适用工

作压力小于1.6MPa，介质温度在02500C的范围。

对于承压设备，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备连接在一起，分别用于不同型式的液

面计。

考虑到本设备的设计压力为1.6MPa,而且液氨为较干净的物料，易透光，

不会出现严重的堵塞现象，所以在此选用透光式玻璃板液面计（T型）。

由筒体

公称直径为2600mm，选择长度为1450mm的液面计。

.

确定液面计为透光式（T型）、公称压力PN1.60MPa、锻钢材料（16MnR）、

保温型、排污口配阀门、长颈对焊突面法兰连接（按HG20595-97）、公称长度

L1450mm的液面计,标记为：

液面计AG1.6-ⅠW-1450

第四章设计计算

4.1储罐高度确定

储罐容量为20，查表：

表4.1筒身常量

1米高容器体

1米高容器内

1米高容器钢板质量Kg

公称直径DN

钢板厚度

积V

表面积Fi

10

14

1600

2.017

5.03

397

557

2000

3.142

6.28

422

695

2200

3.801

6.81

446

764

2400

4.524

7.55

471

833

2600

5.309

8.17

496

902

表4.2

封头常量

公称直

曲面高

直边高

内表面

径DN

度h1

度h0

积

容积V

厚度

质量G

F

10

224

12

270

1600

400

25

2.901

0.586

14

315

16

362

18

408

2200

590

40

5.5229

1.5459

14

616

2400

600

40

6.52

2

16

835

试选用公称直径为

2000mm，由工艺尺寸HG-T3154-1985

得：

罐体长度L=4800mm

则总长为

L2

60040

4800mm

6080mm,取整L

6080mm。

由于液氨筒体的长径比值为

L圆整

4800

2.0

29为合适值，所选的长径比

2400

Di

所以，选用公称直径为2000mm的筒体合适。

4.2设计与校核

4.2.1筒体壁厚设计

4.2.1.1筒体计算壁厚

根据公式:

pDi

d

2

t

p

其中P

1.6MPa、Di

2400mm、

t

1.0代入公式：

170MPa、

δ

1.6

2400

mm11.35mm

d

2

170

1.0

1.6

由2.3

可知C21.50mm

则

δ

pDi

C2

d

2σt

p

得：

δ

1.6

2400

C

2

mm12.85mm

d

170

1.0

1.6

2

根据

d

11.35mm

，查书中表可知C10.8mm

δ

则可得：

δn筒

δC

1

C

2

13.6514mm

d

4.2.1.2筒体最小厚度校验

δ

2D

i

10004.8mm

δ

筒

C

2

12.15mm，满足要求

min

n

4.2.1.3筒体水压试验

液压试验时

PT

1.25P[

]

[

]t

设计温度T400C

[

][]T

170MPa

PT

1.25P

1.251.62.0MPa

圆筒的应力

T

PT（Di

e）

2

e

T

2.0（2400

12.58）

191.78MPa

2

12.58

因为

s345MPa

0.9s0.9345310.5MPa

T0.9S

所以，水压校验符合要求

4.2.2筒体轴向应力计算与校核

4.2.2.1筒体轴向弯矩计算

筒体中间处截面的弯矩用下式计算：

FL1

2Rm

2

hi

2

M1

L2

4A

4

4hi

L

1

3L

式中F——鞍座反力，N；

Rm——椭圆封头长轴外半径，mm；

L——两封头切线之间的距离，mm；

A——鞍座与筒体一端的距离，mm；

h1——封头短轴内半径，mm。

其中：

DN2δ

2400142

Rm

n

2

1214mm。

2

所以：

FL1

2（Rm

2

hi）

4A

M1

L2

[

4hi

]

4

1

L

3

式中F

mg

9.82

120KN

；hi

Di

24368.4

600mm；

2

4

L

6980mm

；A

600mm

将数值代入公式得

1

2（1214

2

6002）

34.45

6080

60802

4

600

3.0010

7

Nmm支座处截面上

M1

[

4

600

]

4

6080

1

6080

3

的弯矩

A

Rm

2

hi

2

1

2AL

M2

FA1

L

4hi

1

3L

600

12142

6002

1

60801.20106Nmm

所以：

M23445060016080

2

600

1

4

600

3

6080

4.2.2.2筒体轴向应力计算

由《化工机械工程手册》（上卷，P11—99）得K1K21.0。

因为：

M1M2，且ARm/2600mm，

所以，最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。

4.2.2.3由弯矩引起的轴向应力

筒体中间截面上最高点处

M1

1'

2

3.14Rm

e

式中enC1C2140.81.511.7mm

所以：

M1

3107

1'

2

0.6580143470.66MPa

3.14Rm

e

45591711.05

筒体中间截面上最低点处：

2'1'0.66MPa。

鞍座截面处最高点处：

M2

1.20106

0.03MPa

3

2

3.141.012142

3.14K1Rm

e

11.7

鞍座截面处最低点处：

M2

43.14K1Rm2e

0.03MPa

4.2.2.4由设计压力引起的轴向应力

由：

p

pRm

2e

所以：

1.6

1214

MPa

p

2

76.1709401776.17

11.7

4.2.2.5

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处，所以

2p2'76.8287314776.83MPa，

许用轴向拉压应力

t

170.0MPa，

由上述计算得：

2[]t，合格。

最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处，

'

0.66MPa，

1

1

轴向许用应力：

A

0.094e

0.09411.7

9.87104MPa

Rm

1214

从书中查得：

B

2AEt，Et

2.001105

3

计算得B131.6MPa，取许用压缩应力ac150MPa，

1ac，所以合格。

4.2.3封头壁厚计算

4.2.3.1封头计算壁厚

根据公式：

KPDi

d

t

0.5p

2

a

本储罐选用标准椭圆形封头，2，故形状系数k1，代入：

b

d

1.6

2400

mm11.32mm

2

170

1.0

0.5

1.6

4.2.3.2封头设计壁厚

根据公式：

d

KPDi

C2

C1

0.8mm,C