1、湖北大學化學化工學院化工設備機械基礎課程設計計算說明書課程設計題目：液氨儲罐設計姓名鄒曉雙學號20039專業年級12級化工2班指導教師魯德平日 期 指導教師評語:成績指導教師簽名年月日學院審查意見院長簽名年月日一、設計任務書1二、液氨儲罐設計參數的確定 21、 根據要求選擇罐體和封頭的材料22、 確定設計溫度與設計壓力23、 其他設計參數 2三、筒體和封頭壁厚的計算 21、筒體壁厚的計算21.1設計參數的確定31.2筒體壁厚的設計31.3剛度條件設計筒體的最小壁厚 32、罐體封頭壁厚的計算 33、罐體的水壓試驗33.1液壓試驗壓力的確定33.2液壓試驗的強度校核 33.3壓力表的量程、水溫的要

2、求 33.4液壓試驗的操作過程 34、 罐體的氣壓試驗44.1氣壓試驗壓力的確定44.2氣壓試驗的強度校核 4丄久壓力表的量程、氣溫的要求 4-4.4、氣壓試驗的操作過程4四、罐體的開孔與補強41、 開孔補強的設計準則42、 開孔補強的計算42.1、開孔補強的有關計算參數52.2、補強圈的設計5五、選擇鞍座并核算承載能力 51、支座的設計52、鞍座的計算63、安裝位置64、人孔的設計65、液面計的設計7六、選配工藝接管71、 液氨進料管72、 液氨出料管73、 排污管74、 安全閥接口管75、 壓力表接口管8七、設計結果一覽表 9八、液氨儲罐裝配圖（見附圖）九、設計總結lh、設計任務書試設計一

3、液氨儲罐，其公稱容積、儲罐內徑、罐體（不包括封頭）長度見下 表。使用地點：家鄉-湖北省十堰市竹溪縣。技術特性表公稱容積（立方 米）25公稱直徑（DN）2.0介質液氨筒體長度（L）7.4工作壓力（MPa）1.550工作溫度C）< 40使用地點湖北省十堰市 竹溪縣推薦材料16MnR編號名稱公稱直徑（mrh編號名稱公稱直徑（mma1-a2液面計20e安全閥80b人孔450f放空管65c進料管80g排污管65d出料管80二、液氨儲罐設計參數的確定1、根據要求選擇罐體和封頭的材料純液氨腐蝕性小 , 貯罐可選用一般鋼材 , 但由于壓力較大 ,可以考慮 20R、 16MnR這兩種鋼種。如果純粹從技術角

4、度看，建議選用 20R類的低碳鋼板， 16MnR鋼板的價格雖比20R貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價， 16MnR鋼板為比較經濟。所以在此選擇16MnF鋼板作為制造筒體和封頭材料。2、確定設計溫度與設計壓力液氨儲罐通常置于室外， 雖然設計有保溫措施， 但罐內液氨的溫度和壓力 還是可能直接受到大氣溫度的影響，在夏季液氨儲罐經太陽暴曬，液氨溫度 可達40C，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷變化 .根據化學化 工物性數據手冊查得40C飽和蒸汽壓為1.55MPa,可以判定設計的容器為儲 存內壓壓力容器，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

5、液化氣 40C時的飽和蒸汽壓力， 可取液氨的設計壓力為 1.70MPa,當液化氣體儲罐安裝有安全閥時，設計壓 力可取最大操作壓力的倍，所以1.7MPa合適。0.6MPa<p< 10MPa 屬于中壓容器。3、其他設計參數容器公稱直徑見技術特性表即公稱直徑DN=2.0m罐體和封頭的材料為16MnR查教材P168表8-7可知其設計溫度下的許用應力c t =170MPa。 液氨儲罐封頭從受力方面分析來看，球形封頭是最理想的結構形式。但缺點 是深度大，沖壓較為困難；橢圓封頭濃度比半球形封頭小得多，易于沖壓成 型，是目前中低壓容器中應用較多的封頭之一。平板封頭因直徑各厚度都較 大，加工與焊接方

6、面都要遇到不少困難。從鋼材耗用量來年：球形封頭用材 最少，比橢圓開封頭節約，平板封頭用材最多。因此，從強度、結構和制造 方面綜合考慮，采用橢圓形封頭最為合理。液氨儲罐筒體為板卷焊，焊接接 頭采用 V 坡口雙面焊接 , 采用局部無損檢測 , 根據焊接接頭結構和無損探傷比 例確定焊接接頭系數為 1.0。三、筒體和封頭壁厚的計算1. 筒體壁厚的計算1.1 設計參數的確定由文獻查得：焊接接頭系數© =1.0（雙面焊對接接頭，100%£損探傷檢查）， 腐蝕裕量 C2=2mm 微（ 弱腐蝕 ）1.2 筒體壁厚的設計圓筒的計算壓力為1.70MPa，由教材P195-P208表8-6，取許用

7、應力 (T t =170MPa ,由上表知 Pc=1.7MPa , Di=2*1000mm=2000mm 壁厚：S = Pc Di/(2 (T t -Pc)代入數據得S =10.05mm鋼板厚度負偏差 3= 0.8mm,查材料腐蝕手冊得40C下液氨對鋼板的腐蝕速 率小于0.05mm/年，所以雙面腐蝕取腐蝕裕量 C2=2mm 所以設計厚度為：S d = S +C2+C1=10.05+0.8+2=12.85mm 圓整后取名義厚度 14mm.1.3 剛度條件設計筒體的最小壁厚因為 Di=2000mm<3800mm所以 S min=2Di/1000=4.0mm,另力口 C2=2mm所 以S d=

8、6.0mm 按強度條件設計的筒體壁厚S d= 14mm>S d = 6.0mm,滿足 剛度條件的要求。2. 封頭的壁厚計算標準橢圓形封頭 a:b=2:1封頭計算公式：S = Pc Di/(2 (T t -0.5Pc)可見封頭厚度近似等于筒體厚度，則可取同樣厚度。3. 罐體的水壓試驗3.1 、液壓試驗壓力的確定根據公式，Pt =1.25P (T / (T t ,當設計溫度小于200C時，(T 與C t 接近，所以 Pt =1.25 x 1.70 x 1MPa=2.125MPa=3.2 、液壓試驗的強度校核根據公式，t t =Pt (Di + S e)/2 S e©,代入數據，T

9、t =2.125 x(2000+142-0.8 )/ 2 x (140.8-2) MPa=190.8MPa 由文獻查得：t s =345MPa因為 t ma© 190.8 MPa v0.9 t s=0.9 x 345 x 1=310.5 MPa 所以，液壓強度足夠。3.3 、壓力表的量程、水溫的要求壓力表的量程：2Pt=2X 2.125=4.25 MPa，水溫15C3.4 、液壓試驗的操作過程在保持罐體表面干燥的條件下， 首先用液體將罐體內的空氣排空， 再將液體的壓力 緩慢升至 21.25Kgf/cm2, 保壓 10-30 分鐘，然后將壓力緩慢降 至 17.6Kgf/cm2, 保壓足

10、夠長時 間(不低于 30 分鐘)，檢查所有焊縫和連接 部位，若無泄漏和明顯的殘留變形。則質 量合格，緩慢降壓將罐體內的液 體排凈，用壓縮空氣吹干罐體。若質量不合格，修補 后重新試壓直至合格 為止4. 罐體的氣壓試驗4.1 、氣壓試驗壓力的確定根據公式，Pt =1.15P (T / (T t ，當設計溫度小于200E時，(T 與c t 接近，所以 Pt =1.15 x 1.70 x 1 MPa=1.955 MPa。4.2 、氣壓試驗的強度校核根據公式，T T =Pt (Di + S e)/2 S e©,代入數據，T t =1.955 x(2000+142-0.8 )/ 2 x (142

11、-0.8) MPa=175.5MPa 。 由文獻查得：t s =345MPa 因為 t max= 175.5 MPa v 0.8 t s=0.8 x 345 x 1=276.0 MPa 所以，氣壓強度足夠。4.3 、壓力表的量程、氣溫的要求壓力表的量程：2Pt=2X 1.955=3.91 MPa，氣溫15E 。4.4 、氣壓試驗的操作過程氣壓試驗時緩慢升壓至 0.5Kgf/ cm2 ，保持 10 分鐘并進行初檢，合格 后繼續升壓至 10.12 Kgf/ cm2 ， 然后按級差為 1.955 Kgf/ cm2 逐級升至 19.55 Kgf/cm2 ，保持1030分鐘，然后再降至17.6 Kgf/

12、 cm2 ，至少保 壓 30 分鐘，同時進行檢查。若無泄露和明顯的殘留變形。則質量合格，若 質量不合格，修補后重新試壓直至合格為止。四、罐體的開孔與補強1、開孔補強的設計準則等面積設計法 : 起補強作用的金屬面積不小于被削弱金屬的面積。2、開孔補強的計算為了滿足各種工藝和結構上的要求， 不可避免的要在容器的筒體或封頭上 開孔并安裝接管。開孔后，殼壁因除去了一部分承載的金屬材料而被削弱， 而出現應力集中現象。為保證容器安全運行，對開孔必須采取適當的措施加 以補強，以降低峰值應力。這里采用補強圈補強，因其結構簡單、制造方便、 使用經驗豐富。 采用等面積補強法。本設計取人孔筒節內徑 di =450m

13、m， 壁厚S m=14mm由標準查得補強圈尺寸為： 外徑D2=760mm,內徑D1 =484mm2.1 、開孔補強的有關計算參數(1) 開孔所需補強的面積 A開孔直徑：d = di + 2C = 450+2 x 2.8mm =455.6 mm開孔所需補強面積：A = d d = 455.6 x 10.48 mm2=4774.688 mm2(2) 補強有效區的范圍 有效寬度:B =2d=2 x 455.6mm=911.2mmB =2d+2 S n+2 S m=455.6+2x 14+2x 14mm=511.6mm取兩者之中的最大值 B=911.2mm 外側有效高度： h1=(dSm)1/2 =(

14、4 55.6x14)1/2mm =79.86mmh仁接管實際外伸長度=250mm取兩者之中的最小值 B=79.86mm內側有效高度： h2=0mm(3) 有效補強面積 A=A1+A2+A3 其中 A1 =(B-d)( S e - S )-2 S m( S e - S )(1-fr)筒體有效厚度 S e = S n - C=14-2.8=11.2mm接管材料選擇與筒體相同的材料(16MnR進行補償,故fr=1 ,代入上式得，A1 = (911.2-455.6)x (11.2-10.48)=632.78mm2 接管計算厚度S t = Pc d/(2 (T t -Pc)=1.7 x 455.6/(2

15、 x 163X 1-1.7)=2.39mmA2 = 2h1( SntS t) fr+2h2( S ntC2) fr =2 x 79.86x(142.82.39)+0=1407.13mm2 A3 =2 x 1/2 x 12x 12=144mm2 Ae =A1+A2+A3=632.78mm2+1407.13mm2+144mm2=2183.91mm22.2 、補強圈的設計因為 Ae<A ，所以開孔需要另加補強。所需補強面積 A4 =AAe =4774.688-2183.91=2590.778 mm2 補強圈厚度 SA4/(D2 D1)= 2590.778/(760 484)=7.92mm圓整后

16、取8mm補強材料與殼體材料相同，為16MnR五、選擇鞍座并核算承載能力1、支座的設計 臥式容器支座又可分為：鞍座、圈座和支座。常見的臥式容器和大型臥 式儲罐、換熱器等多采用鞍座，它是應用得最為廣泛的一種臥式容器支座。 故本設計選用鞍座。 置于支座上的臥式容器，其情況和梁相似，由材料力 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。但對 于大型臥式容器而言，當采用多支座時，如果各支座的水平高度有差異或地 基沉陷不均勻，或殼體不直不圓等微小差異以及容器不同部位受力撓曲的相 對變形不同，使支座反力難以為各支點平均分攤

17、，導致殼體應力增大，因而 體現不出多支座的優點，故一般情況采用雙支座。 鞍座的底板尺寸應保證 基礎的水泥面不被壓壞。根據底板上的螺栓孔形狀不同，又分為 F 型（固定 支座）和S型（活動支座），除螺栓孔外，F型與S型各部分的尺寸相同。在 一臺容器上， F 型和 S 型總是配對使用。 綜上所述，本設計選擇鞍式雙支 座，一個S型，一個F型。2、鞍座的計算貯罐總質量： m=m1+m2+m3+m4其中，m筒體質量，kg；m2封頭質量，kg；m3液氨質量，kg；m4附件質量，kg ； 液氨質量 m3m3p V,式中書一一裝量系數，取 0.9 ；（壓力容器安全技術監察規程規定：介 質為液化氣體的 固定式壓力

18、容器，裝量系數一般取 0.9）。P 液氨在-20 C時的密度為665Kg/m3V貯罐容積（V=V 封+V筒=0.854+8.292=9.146m3）所以 m3=0.9X 665X 9.146=5473.88 Kg 附件質量 m4 則查得：人孔質量約為201Kg,其它接管等質量總和按300Kg計，m4=501Kg 所以設備總質量 m=m1+m2+m3+m4=570+1961.12+5474.88+501=8507.00Kg每個鞍座承受的負荷Q=mg/2 =8507.00 X 9.8/2=41684.3Kg 42KN根據文獻，由于每個鞍座承受約 42K N負荷，故選用輕型帶墊板包角為120

19、6; 的鞍座。即 JB/T 4712-92 鞍座 A2200-F ， JB/T 4712-92 鞍座 A2200-S。3、安裝位置為了充分利用封頭對筒體鄰近部分的加強作用， 應盡可能將鞍座安放在靠 近圭寸頭的位置，即a應小于或等于0.5R （R是容器半徑）。 貯罐長度（不含封頭） L=2a+l =4100mm 式中 a 鞍座離罐體一端的距離；l 兩鞍座之間的距離；取 a=0.5R=0.5 X 1600/2=400mm，所以 l=3300mm。所以兩鞍座之間的距離為 3300mm。4、人孔的設計人孔是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。 人孔主要由筒節、法蘭、蓋板和手柄

20、組成。選用時應綜合考慮公稱壓力、公 稱直徑、工作溫度以及人、手孔的結構和材料等諸方面的因素。人孔的類型很多：從人孔所用法蘭類型來看，承壓人孔有板式平焊法蘭人孔、帶頸平焊 法蘭人孔和帶頸對焊法蘭人孔；從人孔蓋的開啟方式及開啟后人孔蓋所處位 置看，人孔又可分為回轉蓋人孔、垂直吊蓋人孔和水平吊蓋人孔（重量：水 平吊蓋垂直吊蓋 回轉蓋）。選擇使用上有較大的靈活性， 其尺寸大小及位置 以設備內件安裝和工人進出方便為原則。 根據貯罐是在常溫及最高壓力 1.7MPa下工作。考慮到人孔蓋直徑較大較重，故選用水平吊蓋帶頸對焊法蘭 人孔。公稱直徑 450mm凸面法蘭密封面。該人孔標記為：人孔A川Pg17,Dg45

21、0 。5、液面計的設計 液面計是用以指示容器內物料液面的裝置，其類型很多，大體上可分為 四類，有玻璃板液面計、玻璃管液面計、磁性液位計和用于低溫設備的防霜 液面計。選取玻璃板液面計。考慮到本設備不大且設計壓力為1.55MPa,選用T型即透光式玻璃板液面計。透光式、公稱壓力PN1.55MPa碳鋼材料、保溫型、排污口配閥門、長頸對焊突面法蘭連接（按HG20595-97）,公稱長度L=1150 mm的液面計，標記為：液面計 AT 2.5-W-1150V。六、選配工藝接管1、液氨進料管采用80X 4mm低合金無縫鋼管。進料管伸進設備內部并將管的一端切成 45C,為的是避免物料沿設備內壁流動以減少磨蝕和

22、腐蝕。配用凸面密封的 帶頸對焊管法蘭：HG 20595法蘭 WN50-2.5 RF Q235-A。長度 500mm不必 補強。2、液氨出料管采用可拆的壓出管25X 3mm將它套入罐體的固定接口管 38X 3.5mm 內，并用法蘭固定在接口管法蘭上。罐體的接口管法蘭采用 HG 20595 法蘭 WN32-2.5 RF Q235-A ，與該法蘭 相配并焊接在壓出管的法蘭上，其連接尺寸和厚度與法蘭： HG 20595 法蘭 WN32-2.5 RF Q235-A相同，但其內徑為 25mm液氨壓出管的端部法蘭采用 HG 20595 法蘭 WN20-2.5 RF Q235-A 。液氨 出料管也不必補強。壓

23、出管伸入貯罐 2m 。3、排污管貯罐右端最底部，安設排污管一個，管子規格是 80X 3.5mm管端裝有 一與截止閥J41W-16相配的管法蘭：HG 20595法蘭 WN50-2.5 RF Q235-A。4、安全閥接口管安全閥是通過閥的自動開啟排出氣體來降低容器內過高的壓力。為了操作 的安全，因此安設一安全閥。安全閥接口管尺寸由安全閥泄放量決定。本貯罐選用50X 3.5mm的無縫鋼管，管法蘭為：HG20595法蘭 WN25-2.5 RF Q235-A5、壓力表接口管壓力表工作管由最大壓力決定，因此選用 40X 2.5mm無縫鋼管，管法蘭 采用 HG5010-58Pg16Dg65七、設計結果一覽表

24、序號名稱指標材料1設計壓力1.7MPa/2工作溫度40/3物料名稱液氨/4容積25m3/5筒體DN2000rX 14mmL=4120mm16MnR6封頭DN1600m)m14mm h=40mm16MnR7鞍座JB/T4712-92 鞍 座 A2200-FJB/T4712-92 鞍 座 A2200-SQ235AF8入孔RF IH( A.G) 450-2.5組合件9補強圈© 76Omm0484mm$ =8mm16MnR10液面計接管© 20mm<2, L=300mm1011玻璃管液面計AT 2.5-W-1150V, L=1150mm組合件12進料管© 80mm&

25、lt;4, L=500mm1013出料管© 57mm<4,L=200mm1014壓料接管© 25mm< 3, L=2500mm1015排污管© 57mrK 3.5 , L=200mm1016放空管© 32mrK 3.5 , L=200mm1017安全閥接管© 32mm< 3.5mm L=200mm1018法蘭配合以上各接管Q235-A八、液氨儲罐裝配圖（見附圖）九、課程設計總結自開始學習化學工程與工藝專業以來， 這是我第二次接觸課程設計并親手 完成制作，最初接到老師的任務時，覺得自己完成不了。俗話說，不經歷風 雨哪能見彩虹，抓

26、住鍛煉自己的機會才會進步！我堅信，有信心，才有沖勁！ 雖然時間有點緊張，但抓住了零碎的時間，還是可以完成的。 通過構思框 架，查閱檢索各種資料，剛開始手忙腳亂的，不知從何入手，很多數據都要 來自于相關資料，并考慮周全，急需一定的耐心，不然很容易放棄，我不斷 告訴我自己，對事物的熟悉是建立在一步步的理解之上的，抱此態度，慢慢 摸索，最終完成了課題為液氨貯罐的設計的課程設計。過程中遇到了許 多難以解決的問題， 對課本有了更進一步的了解 ，加固了對相關課程知識的 認知程度，我認為最重要的是學會了很多關于 word 軟件的使用技巧和排版， 認識到了計算機處理問題的重要性， 相信在以后的工作和生活中會很

27、有用處。 我認為，本次課程設計的重要限不僅僅在于對知識的學習和鞏固，它告訴我 做任何事情一定要有端正的態度和明確的目的，戒驕戒躁，端正態度，靜心 摸索才是永遠要牢記的話。 由于時間倉促，水平有限，設計中會存在一些 問題，請老師批評指正！致謝非常感謝老師給予我們制做課程設計書的機會，制做這份課程設計書雖然不容易， 特別是畫圖部分，因為我個人最不喜歡畫圖了，但做完以后很有成就感，越不容易做到 的事情越覺得自己很了不起。特別要謝謝老師給我們提供的課程設計規范的PPT,對我這次設計起到了很大作用。 同時， 我也要感謝網絡， 網絡讓我查閱資料更快捷， 更方便， 在以后的學習中我會繼續努力的。參考資料：1

28、 董大勤、高炳軍、董俊華等編 化工設備機械基礎 北京 ：化學工業出版社 . 第四版，2011.32 蔡紀寧、張莉彥編化工設備機械基礎課程設計指導書指導書. 北京：化學工業出版社 . 第二版， 2010.83 何銘新 錢可強編， 機械制圖 北京 高等教育出版社 . 第六版 .2010 年4 董大勤 , 袁鳳隱 編. 壓力容器設計手冊 北京：化學工業出版社 . 第二.， 20065 參考網址：答辯問題1. 液氨儲罐的機械設計包括哪些內容 ？ 答:內容：設備總裝配圖一張；零部件圖一至兩張；設計計算說明書一份2. 設計參數中設計壓力是如何確定的？（具體說明在設計中設計壓力的確 定） 答：液氨儲罐通常置

29、于室外，雖然設計有保溫措施，但罐內液氨的溫度和壓 力還是可能直接受到大氣溫度的影響，在夏季液氨儲罐經太陽暴曬，液氨溫 度可達40C，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷變化.根據化學化工物性數據手冊查得40C飽和蒸汽壓為1.55MPa,可以判定設計的容器為 儲存內壓壓力容器，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40C時的飽和蒸汽壓力，可取液氨的設計壓力為1.70MPQ當液化氣體儲罐安裝有安全閥時，設計壓力可取最大操作壓力的倍，所以1.70MPa合適。3. 設計參數中焊接接頭系數是如何確定？答：容器公稱直徑見技術特性表即公稱直徑 DN=2.0m罐體和封頭的材料為 16MnR查教材P168表8-7可知其設計溫度下的許用應力c t =163MPa。液氨儲罐封頭從受力方面分析來看，球形封頭是最理想的結構形式。但缺點 是深度大，沖壓較為困難；橢圓封頭濃度比