1、Yanching Institute of Technology(2018)屆本科生化工設備機械基礎大作業題目： 50立方米液氨儲罐設計學院：化工與材料工程學院 專業:應用化學1402學號： 9 姓名:張震指導教師：周莉莉教研室主任(負責人)：顧明廣2017年6月20日目錄課程設計任務書錯 .誤!未定義書簽。50m3液氨儲罐設計錯.誤!未定義書簽。課程設計內容錯 .誤!未定義書簽。液氨物化性質及介紹錯.誤!未定義書簽。第一章設備的工藝計算錯 .誤!未定義書簽。設計儲存量錯.誤!未定義書簽。設備的選型的輪廓尺寸的確定錯.誤!未定義書簽。設計壓力的確定錯.誤!未定義書簽。設計溫度的確定錯.誤!未定

2、義書簽。主要元件材料的選擇錯 .誤!未定義書簽。第二章設備的機械設計錯 .誤!未定義書簽。設計條件（見表2-1 和表2-2） 錯. 誤 ! 未定義書簽。結構設計錯.誤!未定義書簽。材料選擇錯.誤!未定義書簽。筒體和封頭結構設計錯.誤!未定義書簽。法蘭的結構設計錯 .誤!未定義書簽。人孔、液位計結構設計錯.誤!未定義書簽。支座結構設計錯.誤!未定義書簽。焊接接頭設計及焊接材料的選取錯.誤!未定義書簽。開孔補強計算錯.誤!未定義書簽。補強設計方法判別錯 .誤!未定義書簽。有效補強范圍錯.誤!未定義書簽。有效補強面積錯.誤!未定義書簽。接管的多余面積錯 .誤!未定義書簽。補強面積 錯.誤!未定義書簽

3、。第三章 液面計的選用錯. 誤 ! 未定義書簽。第四章視鏡的選用錯.誤!未定義書簽。第五章安全閥的選用錯.誤!未定義書簽。第六章焊接接頭的設計錯.誤!未定義書簽。第七章墊片及螺栓的選擇錯 .誤!未定義書簽。課程設計總結錯. 誤 ! 未定義書簽。參考文獻錯. 誤 ! 未定義書簽。課程設計任務書50m3液氨儲罐設計一、課程設計要求：1.按照國家最新壓力容器標準、規范進行設計，掌握典型過程設備設計的全 過程。2.設計計算采用手算，要求設計思路設計思路清晰，計算數據準確、可靠。3.獨立完成。二、原始數據設計條件表廳P項目數值/名稱單位備注1名稱液氨儲罐2 用途液氨儲存3 最高工作壓力MPa由介質溫度確

4、定4工作溫度0-40 CC5公稱容積（Vg）50M36 1工作壓力波動情況口/、考慮7裝量系數（V）8工作介質液氨9 使用地點河北省張家口市110安裝與地基要求11其它要求三、課程設計主要內容1、設備工藝、結構設計；2、設備強度計算與校核；3、技術條件編制；4、繪制設備總裝配圖；5、編制設計說明書。四、學生應交出的設計文件（論文）：1 .設計說明書一份；2 .總裝配圖一張（A3圖紙一張）課程設計內容液氨物化性質及介紹液氨，又稱為無水氨，是一種無色液體，有強烈刺激性氣味。氨作為一種重 要的化工原料，為運輸及儲存便利，通常將氣態的氨氣通過加壓或冷卻得到液態 氨。液氨在工業上應用廣泛，具有腐蝕性且容

5、易揮發，所以其化學事故發生率很 局。液氨分子式NH3,分子量，相對密度L,熔點C,沸點C,自燃點C,蒸汽 壓C ）。蒸汽與空氣混合物爆炸極限為1625%（最易引次然濃度為17%）氨在20c 水中溶解度34%; 25c時,在無水乙醇中溶解度10%；在甲醇中溶解度16%,溶于 氯仿、乙醴，它是許多元素和化合物的良好溶劑。水溶液呈堿性。液態氨將侵蝕 某些塑料制品，橡膠和涂層。遇熱、明火，難以點燃而危險性極低，但氨和空氣 混合物達到上述濃度范圍遇火和燃燒或爆炸，如有油類或其它可燃物存在則危險 性極高。第一章設備的工藝計算工藝設計的內容是根據設計任務提供的原始數據和生產工藝要求，通過計算和選型確定設備的

6、輪廓尺寸。設計儲存量W V t式中：W儲存量，t；裝量系數；V-壓力容器容積；m3t 設計溫度下的飽和溶液的密度，ymW=X50X = t設備的選型的輪廓尺寸的確定根據設計要求，本設計為臥式容器，筒體采用圓筒形，封頭采用標準橢 圓形封頭由已知數據計算出筒體的基本參數如下：表1-1筒體基本參數公稱容積Vg/m3公稱直徑DN/mm筒體長度L/mm5026008400橢圓形封頭基本參數如下表:表1-2橢圓形封頭參數公稱直徑DN/mm總深度H/mm內表面積A/m2容積V/m32600690設備計算容積V計=兀 /4XDN2XL+V封><2=兀 /4X X +X2= 實際工作容積V 工=V

7、計 X f= X =設計壓力的確定液氨在40c的飽和蒸汽壓為 MPa,由于按壓力容器安全技術監察規程 規定，盛裝液化氣體無保冷設施的壓力容器，其設計壓力應不低于液化氣40 c時的飽和蒸汽壓力Pv=,大氣壓Pa=.而最高工作壓力指容器頂部在正常工作過 程中可能產生的最高表壓可取液氨容器的設計壓力為最大工作壓力的倍。即P=水壓試驗Pt=x =設計溫度的確定設計溫度系指容器在正常操作情況下， 在相應設計壓力下，設定受壓元件的 金屬溫度，具值不得低于元件金屬可能達到的最高金屬溫度，對于0 c以下的金屬溫度，則設計溫度不高于元件金屬可能達到的最低金屬溫度，容器的設計溫度是指殼體的設計溫度，可知器設計溫度

8、選取的依據是：其值不得低于最高金屬溫 度或不得高于最低金屬溫度（0c以下）。河北省張家口市當地最高工作溫度為 -15C-35C,則設計溫度取40Co主要元件材料的選擇液氨屬于液化氣體，查閱文獻，可知屬于第一組介質查第一組介質一壓力容器類別劃分圖，可知50m3液氨儲罐屬于第II類壓力容用，V/L容器第二章設備的機械設計設計條件（見表2-1和表2-2）表2-1設計條件表內容備注工作介質液氨工作壓力Mpa設計壓力Mpa工作溫度c-15-35設計溫度C40公稱容積（Vg） m350計算容積 （V計）m3工作容積 （V工）m3裝量系數f介質密度 （p ） t/m3L材質Q345R保溫要求無保溫層表2-2

9、管口表接管代號公稱尺寸連接尺寸標準連接面形式用途或名稱aDN450HG20592FM人孔bDN15G1/2FM壓力表口cDN50HG20592FM氣相出口dDN80HG20592FM安全閥排氣口eDN80HG20592FM安全閥排氣口fDN50HG20592FM進料口gDN50HG20592FM放空口h1-2DN20HG20592FM液位口jDN25HG20592M放盡口iDN50HG20592M出料口tDN20M27<M溫度計口結構設計材料選擇根據液氨的物性選擇罐體材料，碳鋼對液氨有良好的耐蝕性腐蝕率在加 /年以下，且又屬于中壓儲罐，可以考慮 20R和16MnR這兩種鋼材，綜合考慮經

10、濟因素，根據GB150-1998表4-1,選用筒體材料為低合金鋼(16MnR) Q345 (鋼 材標準為GB6654)(rt=163 Mpa。Q345 (16MnR)適用范圍：用于介質含有少 量硫化物，具有一定腐蝕性，壁厚較大(>8mm)的壓力容器。2.2.2 筒體和封頭結構設計由表1-1可知筒體公稱直徑 DN=2600mm ,長度L=8400mm由表1-2可知EHAft準橢圓形封頭公稱直徑 DN=2600mm 總深度H=690mm2.2.3 法蘭的結構設計法蘭有設備法蘭和管法蘭，設備筒體和封頭焊接在一起，所以不需要設備法 蘭，只有管法蘭。(1)公稱壓力確定計算壓力是指在相應的設計溫度下

11、，用以確定組件最危險截面厚度的壓力， 其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設計壓力與液柱靜壓力之和， 當組件所承受的液柱靜壓力小于 5%設計時，可忽略不計。經查壓力容器安全技術監察規程得液氨的設計壓力P&=xPX# = x ()=液柱靜壓力p gh=x x 2600=(2)法蘭類型、密封面形式選擇液氨易揮發，為強滲透性的中度危害介質，查文獻可知須采用帶頸對焊型管法蘭，面封面采用凹凸面密封(3)法蘭尺寸查閱文獻可知各法蘭詳細尺寸及法蘭質量，詳細見下圖 2-2和表2-3圖2-2Ai表2-3PN25帶頸對焊鋼制法蘭單位：mm接 管 代 號公稱 尺寸DN鋼 管 外 徑Ai連接尺寸法 蘭

12、 厚 度C法蘭頸法 蘭 高 度H法蘭 質量M(kg)法蘭 外徑D螺栓孔 中心圓 直徑K螺 栓 孔 直 徑L螺栓孔 數量n (個)螺栓ThNSHiRB8089200160188M162410512858D5057165125184M1620758648C253211585144M12184664402.2.4人孔、液位計結構設計(1)人孔設計人孔的作用：為了檢查壓力容器在使用過程中是否產生裂紋、變形、腐蝕等缺陷以及裝拆設備的內部零件。人孔的結構：人孔為組合件，包括承壓零件筒節、端蓋、法蘭、密封墊片、緊固件等受壓元件，以及人孔啟閉所需要的軸、銷、耳、把手等非受壓件。圓形人孔的公稱直徑規定為4006

13、00mm容器公稱直徑大于或等于1000mm且筒體與封頭為焊接連接時，至少設一個人孔。臥式容器的筒體長度大于等于 6000mm，應考慮設置2個以上人孔。綜合考慮，選擇回轉該帶頸又t焊法蘭人孔，公稱壓力，公稱直徑DN450,MFM型密封面，材料選用16MnR標記為：人孔 MFMm S-35CM (NM-XB350) A HG/T 21518-2005查閱文獻，得本次選用回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔結構尺寸，見下圖 2-3和表 2-4表2-4回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔尺寸表密封面 型式公稱 壓力PN公稱直徑DNdw sdDDiHiH2bMFM450480 1245667060025012142b1b2ABLd

14、0螺 柱螺 母螺柱總質 量數量直徑長度4146375175250242040M33 2 165245圖2-3回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔結構圖*工(2)液位計的選擇液位計是用以指示容器內物料液面的裝置，液位計的種類很多，常見的有許多包括玻璃管液面計、玻璃板液面計、浮標液面計、防霜液面計、磁性液位計等其中：玻璃管液面計和玻璃板液面計適用于工作溫度在0c以上；浮標液面計適用于常壓設備；防霜液面計適用于液體溫度在 0 C 一下的液體測量；液氨儲罐工作溫度在-2050C,設計壓力為，以上三種都不適合。磁性液位計適用于PN=16MPa -40300C,液體密度cm3,適合于液氨 儲罐根據設計要求選擇磁性液位計

15、，標記如下：HG/T 21584-95 BF321C2.2.5支座結構設計容器支座有鞍式支座、腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座。腿式 支座和支承式支座用于低矮立式設備的支承，耳式支座用于中小型立式圓筒形容 器的懸掛式支承，裙式支座用于高大型高塔的支承，鞍式支座是臥式容器經常采 用的支座形式，本設計也采用鞍式支座。置于支座上的臥式容器，其情況和梁相似，有材料力學分析可知，梁彎曲產 生的應力與支點的數目和位置有關。當尺寸和載荷一定時多支點在梁內產生的應 力較小，因此支座數目似乎應該多些好。 對于大型臥式容器而言，一般情況采用 雙支座。止匕外，臥式容器由于溫度或載荷變化時都會產生軸向的伸縮，

16、因此容器兩端的支座不能都固定在基礎上，必須有一端能在基礎上滑動，以避免產生過大 的附加應力。通常的做法是將一個支座上的地腳螺栓孔做成長圓形，并且螺母不上緊，使其成為活動支座，而另一支座仍為固定支座。所以本設計就采用這種雙支座結構。查閱文獻，可知一邊為F型，一邊為S型。鞍座的材料除墊板外都為 Q235-B,加強墊板的材料與設備殼體材料相同為 Q345R(1)筒體和封頭壁厚計算I筒體壁厚計算該容器需100%探傷，所以取其次I接系數為1.0。圓筒的厚度在16-36mm范圍內，查GB150-1998中表4-1,可得：在設計溫度50C下，屈服極限強度 s 345MPa ,許用應力 t 163Mpa利用中

17、徑公式，PcDi2.16Mpa 2600計算厚度： 17.34mm 圓整至 18mm2 tpe 2 163 1.00 2.16取 C1 00 =2則筒體的設計厚度dC2 C1 20mmn d C120mm筒體的有效厚度e n C1c2 18mmII封頭壁厚計算查標準JB/T4746-2002鋼制壓力容器用封頭中表1 ,得公稱直徑Dn Di 2600mm 選用標準橢圓形封頭，型號代號為EHA,則2 2,根據GB150-1998中橢圓形2。封頭計算中式7-1計算：17.28mmpcDi2.16 pa 26002 t 0.5pc 2 1.00 163 0.5 2.16圓整得 18mm腐蝕裕量C2=2

18、mm,設計厚度6 d= 6 +Q8+2=20mm對于16MnR器岡板負偏差C2=0取名義厚度n d & 20mm有效厚度e n Ci C2 18mm 2由于筒體的名義厚度與封頭的名義厚度相近，所以可以統一去名義厚度為n 20mm。選擇封頭的數據：DN=2600mm,曲面高h1=690mm,直邊高h0=40mm,內表面積=itf ,容積=3,名義厚度6 n=20mm,t量=。III計算壓力Pc計算壓力是指在相應的設計溫度下，用以確定組件最危險截面厚度的壓力， 其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設計壓力與液柱靜壓力之和， 當組件所承受的液柱靜壓力小于 5%設計時，可忽略不計。經查

19、壓力容器安全技術監察規程得液氨的設計壓力P&=XPX# = X ()=液柱靜壓力p gh=x X 2600=,液柱靜壓力可以忽略，計算壓力與設計壓力相等。，即Pc二(2)支座結構尺寸確定該臥式容器采用雙鞍式支座材料選用 Q235-B,其許用應力sa 147MPa查得 16MnR 密度 7900Kg/m3筒體總質量M=m1+m2+m3+m4m1:筒體質量 m1 DL n 3.14 2.6 8.4 0.02 7900 10835.3Kgm2:封頭質量 m2 2 1184.6Kg 2369.2Kgm3:液氨質量 m3液氨V 0.85 1000 -D2L 2V封49500Kg4m4:附件質量：

20、人孔及其它附件質量總共估取 400KgG Mg (10835.3 2369.2 49500 400) 9.8 618.4KN每個鞍座承受的壓力F G 618.4 309.2KN 22所以選鞍座JB/,標準尺寸為：DN=2600mm許用載荷435KN,包角120°,帶墊板,A型。鞍座尺寸標準：查閱文獻根據筒體公稱直徑，選取公稱直徑 DN=2000mm , 1200色 角輕型(A)帶墊板鞍式支座，允許載荷 Q295kN>,滿足要求。由公稱直徑查文獻得具體尺寸如下表 2-5及圖2-4圖2-4鞍式支座結構尺寸圖F If圖1S 9表2-5鞍座結構尺寸表公稱直彳仝DN2000腹板210墊板

21、b430允許載荷Q/kN295l3295410鞍座局度h250筋板b2190e80底板I11280b3260螺栓間距l21120bi22038螺孔/螺紋D/l24/M20112墊板弧長2100鞍座質量Kg162鞍座位置的確定雙鞍座臥式容器的受力狀態可簡化為受均布載荷的外伸梁，由材料 力學知，當外伸長度A二時，跨度中央的彎矩與支座截面處的彎矩絕對值相等， 從而使上述兩截面上保持等強度，所以一般近似取A 0.2L,其中L取兩封頭切線間距離，A為鞍座中心線至封頭切線間距離。 考慮到支座截面處除彎矩以外的 其他載荷，面且支座截面處應力較為復雜，故常取支座處圓筒的彎矩略小于跨距 中間圓筒的彎矩，通常取尺

22、寸 A不超過值，為此中國現行標準 JB 4731鋼制臥 式容器規定 除二(L+2h), A最大不超過.否則由于容器外伸端的作用將使支座 截面處的應力過大。則可以取鞍座間距 8000mm。由標準橢圓封頭 一D 2,有h H -DL 40mm2(H-h)4故 A 0.2( L 2h) 0,2(10032 2 40) 2022.4mm止匕外，由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗變鋼度， 故封頭對于圓筒的抗 彎鋼度具有局部的加強作用。若支座靠近封頭，則可充分利用罐體封頭對支座處 圓筒截面的加強作用。因此，JB 4731還規定當滿足A喇寸，最好使 A&Rm Ri ，即 Rm 1300 1310mm 2

23、2A 0.5Rm 0.5 1310 655mm，貝可取 A=1000mm綜上有：A=1000mm(A為封頭切線至封頭焊縫間距離，L為筒體和兩封頭的總長)焊接接頭設計及焊接材料的選取容器各受壓元件的組裝通常采用焊接。焊接接頭是焊縫和熱影響區的總稱。 焊接接頭的形式直接影響到焊接的質量與容器安全。(1)焊接接頭的設計綜合考慮各種因素，針對本次設計儲存的介質是高毒性介質， 所以本次設計 的殼體A、B類焊接接頭應為X型的如圖。而對于法蘭與殼體、接管連接的接頭, 應采用全焊透接頭。(2)焊接材料的選取本設計采用手工電弧焊，其設備簡單，便于操作，適用于各種焊接，在 壓力容器制造中應用十分廣泛，鋼板對接，接

24、管與筒體、封頭的連接等都可 以米用。手工電弧焊的焊接材料是焊條，本設計材料主要為低合金鋼和碳鋼，需 要用到低合金焊條和碳鋼焊條，對于這二者的選用主要考慮如下因素：對低碳鋼和低合金鋼，要按等強度原則選擇焊條，即要求焊縫與母材強 度相等或基本相等，而不要求焊縫金屬的化學成分與母材相同；當低碳鋼與低合金鋼之間、或不同種類的低合金鋼之間進行焊接時, 選用與其中強度較低的鋼材等強度的焊條進行焊接。Q345R鋼板 16Mn無縫鋼管Q235B鋼板抗拉強度510640MPa 抗拉強度510660MPa 抗拉強度375500MPa查閱文獻結合本設計實際綜合考慮，所選用焊條如下表2-6表2-6焊條的選取材 料Q

25、345R1 6MnQ 235-BQ 345RE 5015E 5015E430316 MnE 5015E 5015E4303Q 235-BE 4303E 4303E4303開孔補強計算根據GB150中，當設計壓力小于或等于時，在殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距大于兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑不大于89mm時，接管厚度滿足要求，不另行補強，故該儲罐中只有 DN=500mm的人孔需要補強。補強設計方法判別 按HG/T 21518-2005選用回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔。開孔直徑 d di 2C2 500 2 2 504mmd D 2600 1300mm 22故可以采用等面積法進行開孔補強計算。接管

26、材料選用10號鋼正火，其許用應力 t 113MPa根據 GB150-1998中式 8-1, A=d 2 et(1 f,)其中：殼體開孔處的計算厚度17.5mm接管的有效厚度et nt C C2 20 2 18mm強度削弱系數fr U 108 0,663 163所以開孔所需補強面積為2A d 2 et(1 f ) 504 18 2 17.5 18 0.337 3374mm有效補強范圍(1)有效寬度B的確定按GB150中式8-7,得：B1 2d 2 504 1008mmB2 d 2 n 2 nt 504 2 17.5 2 20 579mmB max(B1,B2) 1008mm有效高度的確定(2)外

27、側有效高度的確定根據GB150中式8-8,得：h； nt 504 20 100.4mmh1 ''接管實際外伸高度也 280mm一,"h1 min(h1, h1) 100.4mm(3)內側有效高度的確定根據GB150-1998中式8-9,得：h1 %'d nt <504 20 100.4mm, h20, h2 min(h2',h2 ) 0有效補強面積根據GB150中式8-10-式8-13,分別計算如下:AeAiA2A3筒體多余面積A B d e 2 et e 1 f1008 504 1 7.5 1 7.34 2 18 1 7.5 1 7.34 0.

28、337 78.69mm2接管的多余面積接管厚度:PcDi2 t0.5Pc2.16 5002 163 0.5 2.163.323mmA 2h1 ett f 2h2 et C2 f2 2 100.418 3.323 0.663 0 1953.955mm2焊縫金屬截面積焊角取1 22A 62 2 36mm22補強面積2Ae A1 A2 A3 78.69 36 1953.955 2513mm2因為Ae A 3376mm ,所以開孔需另行補強所需另行補弓S面積：A4 A Ae 3776 2513 6289 mm2所以在有效20mm。補強圈設計：根據 DN500取補強圈外徑D' =840mm。因為

29、B>D , 補強范圍。補強圈內徑 d' =530+2=532mm補強圈厚度：A- 7215.665 19.427mm圓整取名義厚度為D d 840 532第三章液面計的選用透光式玻璃面7面計，型號T;利用連通器原理，通過液面計的玻璃板視窗可以觀察容器內部液面位置的變動情況。結構形式：保溫型W,鋼板=900標準.第四章視鏡的選用選用不帶頸視鏡；不帶頸視鏡結構簡單，便于窺視，由于視鏡接緣直接焊接在設備上， 容易在 焊接后引起接緣上的密封面變形，所以應有可靠的焊接工藝保證。選用視鏡白數據：DN=80 PN= D=130 b1=36 b2=26 H=91螺柱：個數n=8 直徑d=M12 重量m二 標準：不銹鋼HGJ501-86-15第五章安全閥的選用液氨：A44H-160對于高壓容器和安全泄放量達的中低壓容器，最好采用全 啟式安全閥，考慮泄放的介質質量是否易燃、有毒、污染環境，確定采用封閉式 安全閥。所以選用彈簧封閉全啟式（帶扳手）安全閥。第六章焊接接頭的設計綜合考慮各種因素，針對本次設計儲存的介質是高毒性介質， 所以本次設計 的殼體A、B類焊接接頭應為X型的如圖。而對于法蘭與殼體、接管連接的接頭, 應采用全焊透接頭。第七章 墊片及螺栓的選擇墊片凹凸面用MFM型（mm）公稱通徑墊片內徑墊片外徑墊片厚度202