1、22 / 23設計任務書一.設計題目液氨貯罐的機械設計二設計條件1.按夏季最高使用溫度：T=502.貯罐筒體為圓筒體3.容器設計壓力P=2.52MPa4.貯罐內直徑Di=1600mm5.不包括封頭的罐體長度L=2800mm6.使用地點：柳州三.設計內容1.選擇符合要求的材料2.確定設計參數3.罐體壁厚的設計4.選擇封頭類型，對封頭壁厚進行設計5.校核水壓試驗強度 5.1罐體水壓試驗強度 5.2封頭水壓試驗強度6.應力的計算 6.1罐體應力的計算 6.2封頭應力及應力分布的計算7.鞍座的設計8.人孔的設計9.人孔的補強 9.1補強圈的設計 9.2補強圈的強度校核10.接口管的設計11.設備裝配圖

2、1張及有關明細表和設計說明書1份任務下達時間：2013年1月6日 任務完成時間：2013年1月16日前言本設計是針對化工設備機械基礎這門課程所安排的一次課程設計，是對這門課程的一次總結與提高，需要運用課堂上所學的理論知識并查閱有關書籍而完成的設計。本設計的液料為液氨，又稱無水氨，它是一種無色液體。氨作為一種重要的化工原料，應用廣泛。分子式為NH3，相對密度0.7714g/L，熔點是-77.70C，沸點是-33.350C，自燃點是651.110C，蒸汽壓是1013.08Pa(25.70C)。為運輸及儲存便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻得到液態(tài)氨。液氨在工業(yè)上應用廣泛。 設計基本思路：設計壓力

3、容器要求根據化工生產工藝提出的條件，確定容器設計所需參數（P、T、D），選定材料和結構形式，通過強度計算確定容器筒體及封頭壁厚。對已制定材準的受壓元件，可直接選取。而本設計容器為2800mm的液氨儲罐，所以要求結合所學到的知識和利用身邊可以查到的資料對2800mm的液氨儲罐進行設計。本設計綜合考慮環(huán)境條件（柳州）、介質的理化性質等因素，結合給定的工藝參數，機械按容器的選材、壁厚計算、強度核算、附件選擇、焊縫標準的設計順序，分別對儲罐的筒體、封頭、人孔接管、人孔補強、接管、管法蘭、液位計、鞍座、焊接形式進行了設計和選擇。設備的選擇大都有相應的執(zhí)行標準，設計時可以直接選用符合設計條件的標準設備零部

4、件，也有一些設備沒有相應標準，則選擇合適的非標設備液氨儲罐屬于化工常見的儲運設備，一般可分解為筒體，封頭，法蘭，人孔，支座及管口等幾種元件。貯罐的工藝尺寸可通過工藝計算及生產經驗決定。液氨貯罐是合成氨工業(yè)中必不可少的儲存容器，所以本設計過程的內容包括容器的材質的選取、容器筒體的性狀及厚度、封頭的性狀及厚度、確定支座，人孔及接管、開孔補強的情況以及其他接管的設計與選取。目錄設計任務書1前言1第一章·設計選材及結構11.1工藝參數的設定11.1.1設計壓力11.1.2圓筒體的選材11.1.3封頭的選材11.1.4貯罐的選型11.1.5附件材料的選型1第二章·設計計算12.1筒體

5、壁厚的計算12.2封頭壁厚計算12.3水壓試驗校核12.3.1筒體水壓試驗校核12.3.2封頭水壓試驗校核12.4應力的計算12.4.1罐體應力的計算12.4.2封頭應力的計算12.5鞍座12.6人孔選擇12.7人孔補強12.7.1貯罐后所需的補強面積12.7.2有效補強面積即已有的加強面積12.7.3補強圈的結構與尺寸12.8接口管的設計1技術要求1技術特性1接管表1總圖材料明細表1總結1致謝1參考文獻1附液氨貯罐機械設計設備裝配圖1張（A2圖紙）第一章·設計選材及結構1.1工藝參數的設定1.1.1設計壓力 根據500C液氨飽和蒸汽壓為2032.5kpa，可以判斷本設計的貯罐為內壓

6、容器，按壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程規(guī)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500C時的飽和蒸汽壓，本設計的設計壓力為2.52Mpa，根據參考文獻1中表2-2知該貯罐0.6Mpa<P<10Mpa,屬于中壓容器。1.1.2圓筒體的選材液氨貯罐大都露天放置，因而罐內液氨的溫度和壓力直接受到大氣溫度的影響。在柳州夏季貯，貯罐經太陽曝曬，溫度可達50。而在冬季柳州最低氣溫可達到0。隨著氣溫的變化，貯罐的操作壓力也不斷變化。由于該容器屬于中壓、常溫范疇，同時溫度和壓力有波動，所以對材料的要求是耐壓，耐低溫，且抗壓力波動。純液氨腐蝕性小，貯罐可選用一般鋼材。可以考慮20R，

7、Q235B,Q345R等鋼板。在價格方面，Q345R雖比20R貴，但當制造同等質量設備的費用時，Q345R鋼板比較經濟，因本設計對鋼板應具有良好的綜合性能和工藝性能。而Q345R是265-345MPa級的壓力容器，屈服強度比Q235B大，Q345R鋼是普通低合金高強度鋼，具有良好的綜合力學性能、焊接性能、工藝性能以及低溫沖擊韌性。綜合知，圓筒體的材料選用Q345R鋼板比較合適。1.1.3封頭的選材就受力的角度而言，球形封頭是最理想的結構形式，但其缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難；對于蝶形封頭，考慮到球面部分與過度區(qū)連接外的局部高應力，其受力不均勻；至于錐形封頭，考慮到封頭與筒體連接處存在邊

8、緣應力，且不易移動，所以不予采用。而橢圓形封頭吸取了碟形封頭深度淺的優(yōu)點，用沖壓法易于成形，制造比球形封頭容易。橢圓形封頭增加了直邊段，目的是避開在橢球邊緣與圓筒殼體的連接處設置焊縫，使焊縫轉移至圓筒區(qū)域，以免出現邊緣應力與熱應力疊加的情況。因此，從強度、結構和經濟方面綜合考慮，采用橢圓形封頭作為封頭的材料最合理。若采用標準橢圓形封頭，這樣可采用同樣厚度的鋼板來制造筒體和封頭，制造比較方便。故常選用標準橢圓形封頭作為圓筒體的封頭。封頭取與圓筒體相同的材料，即Q345R。根據參考文獻2中附錄D中壓力容器常用零部件的封頭設計（摘自GB/T25198-2010）得標準橢圓形封頭參數表1標準橢圓形封頭

9、參數公稱直徑DN/mm曲面高度h1/mm直邊高度h2/mm內表面積Fi/m2容積V/m31600400252.90070.58641.1.4貯罐的選型在本設計中由于設計體積較小（約為6.8m3）且設計壓力較小（P=2.52MPa）可采用臥式圓筒形容器，方形和矩形容器大多在很小設計體積時采用，因其承壓能力較小且使用材料較多；而球形容器雖承壓能力強且節(jié)省材料，但制造較難且安裝內件不方便；立式圓筒形容器承受自然原因引起的應力破壞的能力較弱，所以選用圓筒形臥式容器。1.1.5附件材料的選型在確定了設計溫度和設計壓力之后，才可以選擇容器用鋼。選擇容器用鋼必須綜合考慮：容器的操作條件，如設計壓力、設計溫度

10、、介質特性和操作壓力等；材料的使用性能，如力學性能、物理性能、化學性能（主要是耐腐蝕性能）；材料的加工工藝性能，如焊接性能、熱處理性能等；經濟合理性及容器結構，如材料價格、制造費用和使用壽命等。優(yōu)質低碳鋼的強度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設備制造中常用作熱交換器列管、設備接管、法蘭的墊片包皮。優(yōu)質中碳鋼的強度較高，韌性較好，但焊接性能較差，不宜用作接管用鋼。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故選擇10號優(yōu)質低碳鋼的普通無縫鋼管整理各型號接管。由于法蘭必須具有足夠大的強度和剛度，以滿足連接的條件，使之能夠密封良好，故選用Q345R的普通碳素鋼。第二章·設計計算2.1筒體壁厚的計算

11、Q345R密度為7.85×103kg/m3， 查參考文獻1中附錄6得不同溫度下Q345R的需用應力t列于下表：表2 Q345R不同溫度下的許用應力t鋼號板厚度/mm在下列溫度（）下的許用應力/MPaQ345R<20100150200250300316189189189183167153>1636185185183170157143>3660181181173160147133>60100181181167150137123圓筒體的計算壓力為2.52MPa，查參考文獻1中表4-8知，貯罐縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭都采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭時，

12、則取焊接接頭系數=1.0，100%無損檢測，取許用應力t為189 MPa。則圓筒體計算壁厚： =500C 下液氨對鋼板的腐蝕速率約為0.05mm/年。根據參考文獻1表4-11知，雙面腐蝕取C2=2.0mm，設計厚度： 根據參考文獻1中表4-9知，C1=0.3mm。名義厚度： 圓整后該圓筒體可用14mm厚的Q345R鋼板整理。2.2封頭壁厚計算標準橢圓形封頭a:b=2:1封頭計算厚度： 封頭設計厚度： 名義厚度： 圓整后n=14mm，可見，封頭名義厚度與筒體名義厚度一樣。2.3水壓試驗校核2.3.1筒體水壓試驗校核采用水壓試驗，試驗壓力： 式中：為試驗壓力 P為設計壓力 為材料試驗溫度下的許用應

13、力 t為材料在設計溫度下的許用應力 當設計溫度小于200時，與t接近，此時，查參考文獻1中附錄6得顯然2.3.2封頭水壓試驗校核采用水壓試驗，試驗壓力：當設計溫度小于200時，與t接近，此時，試驗時薄膜應力 顯然2.4應力的計算2.4.1罐體應力的計算筒身應力圓筒的平均直徑:經向應力： 環(huán)向應力： 2.4.2封頭應力的計算 求封頭上最大應力a/b=2 , a=793mm ,在處，在處， 應力分布其最大應力有兩處：一處在橢圓形封頭的頂點，即X=0處；一處在橢圓形封頭的底邊，即x=a處。應力分布如圖1所示。 圖1 應力分布圖 2.5鞍座先粗略計算鞍座負荷儲罐總質量： （1） 罐體質量 ，質量=55

14、7kg/m查參考文獻1中附錄D壓力容器常用零部件得=557（2） 封頭的質量 ，直邊角度h2=25mm的標準橢圓形封頭，其質量m2=315kg（3）液氨的質量 = 其中，裝量系數取0.9（固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程規(guī)定，介質液化的氣體的固定式壓力容器，裝量系數不得大于0.95）其罐體的容積為： 液氨在0oC時的密度為638.6kg/m3查5得： （4）附件質量m4 查得人孔質量為323kg，其他接管質量總和按300kg計。所以m4=623kg。 則貯罐總質量為： 每個鞍座只承受32965.7N負荷，查參考文獻1中表6-16知，可以選用輕型(A)，帶墊板，包角為1200、焊制、六筋、高度為2

15、50mm的鞍座，允許載荷275.0×103>32965.7，鞍座材料采用Q235-A剛才制造。左鞍座標記為：JB/T4712.1-2007 鞍座A1600-F；右鞍座標記為：JB/T4712.1-2007 鞍座A1600-S由參考文獻1中表6-16查得鞍座標準系列如下表： 表3 輕型鞍座參數尺寸 （DN1000-2000） （mm）公稱直徑DN允許載荷Q/KN鞍座高度h螺柱間距l(xiāng)2鞍座質量 /kg增加100mm高度需增加的質量/kg1600275250960116122.6人孔選擇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、腐蝕等生產中的缺陷。人孔的結構由承受壓力的筒

16、節(jié)、瑞蓋、法蘭、密封墊片、緊固件等受壓元件和安置與啟閉瑞蓋所需要的軸、銷、耳、把手等非受壓元件組成。從是否承壓的角度而言，人孔分為常壓人孔和承壓人孔；從人孔所用法蘭類型看，承壓人孔有板式平焊法蘭人孔、帶勁平焊法蘭人孔和帶勁對焊法蘭人孔，在人孔法蘭與人孔蓋之間的密封面，根據人孔承壓的高低、價格的性質，可以采用凸面、凹凸面、榫槽面或環(huán)接面。從人孔蓋的開啟方式及開啟后人孔蓋所處位置看，人孔又可以分為回轉蓋人孔 、垂直吊蓋人孔和水平吊蓋人孔三種。選用時應綜合考慮公稱壓力、公稱直徑、工作溫度以及人孔的結構和材料等諸方面的因素。根據參考文獻1P189中人孔規(guī)定，當設備內徑Di=1000mm時，至少開設一個

17、人孔。根據參考文獻3中 P279人孔尺寸的確定知，只有設備直徑小、壓力高的室內設備作為加料、清洗用時，才用400mm的人孔。根據貯罐的設計溫度、最高壓力、材質、介質及使用要求等條件，選用公稱壓力為2.5MPa的回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔，公稱直徑為450mm,突面法蘭密封面。查參考文獻4中 D.8得該人孔的基本結構如下圖 。圖2 回轉蓋帶頸平焊法蘭人孔基本機構表4 回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔幾何尺寸參數（摘自HG/T21518-2005）密封面型式公稱壓力PN/MPa公稱直徑DN/mm突面型4.0450480×146856102701346050密封面型式b2BLd0d螺柱數量螺柱總質量/k

18、g直徑×長度突面型543901752503044820323表5 查參考文獻4附錄5人孔得回轉蓋帶頸對焊法蘭人孔明細表（PN4.0 DN450）件號標準號名稱數量材料尺寸1筒節(jié)1Q345R2HG/T20613螺柱20353HG/T20595螺母40254HG/T200-20612法蘭1橡膠墊、石墨等5HG/T20601墊片1Q235-A F6法蘭蓋1Q235-A F7把手14碳鋼8軸銷1Q235-A F9銷2Q235-A F10墊圈1Q235-A F11立軸耳11Q235-A F12法蘭軸耳11Q235-A F13法蘭軸耳21Q235-A F14蓋軸耳21Q235-A F2.7人孔補

19、強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。在一般用途、條件不苛刻的條件下，可采用補強圈補強形式。但必須滿足一定的條件。壓力容器開孔補強的計算方法有多種，為了計算方便，在這里采用等面積補強法，即殼體截面因開孔被削弱的承截面積，必須由補強材料予以等面積的補償。當補強材料與被削弱殼體材料相同時，則補強面積等于削弱面積。補強材料為Q345R。2.7.1貯罐后所需的補強

20、面積 其中開孔直徑： 強度削弱系數殼體開孔處的計算厚度：接管有效厚度：則2.7.2有效補強面積即已有的加強面積 殼體開孔后，在有效補強范圍內，可作為補強的截面積（來自殼體、接管、縫金屬、補強元件等） 其中：A e為有效的補強面積 mm2；A1為筒體上多余的金屬面積 mm2； A2為人孔接管上的多余面積 mm2； A3為焊縫金屬的截面積 mm2。有效寬度： 所以筒體上多余金屬面積： 有效高度： 外側高度： 取兩者較小值 外側高度： 取兩者中較小值。 人孔接管上多余的面積：焊縫金屬截面積：則 比較得，所以開孔需加補強。滿足以下條件的可選用補強圈補強：鋼材的標準常溫抗拉強度；補強圈厚度小于或等于殼體

21、壁厚的1.5倍；可知本設計滿足要求，則采用補強圈補強。所需補強圈的面積為： 2.7.3補強圈的結構與尺寸根據焊接接頭分類，接管、人孔、凸緣、補強圈等與殼體連接的接頭，屬于D類焊接接頭，根據補強圈焊縫要求，根據化工容器及設備簡明設計手冊知，補強圈坡口取E型（適用于殼體為半坡口的全焊縫結構），查參考文獻2表D-15補強圈尺寸系列JB/T4736-2002知，補強圈外徑D0=760mm,由Di=do+(35得）內徑Di=484mm。計算補強厚度：取標準補強圈厚度為8mm8<1.5=1.5×14=21mm。計算的補強圈厚度也滿足補強圈補強的條件，查參考文獻2表D-15得對應補強圈質量為

22、16.9kg。2.8接口管的設計 （1）液氨進料管采用。管的一端切成450，伸入貯罐內少許。配用突面板式平焊管法蘭： 20592 法蘭 PL40-40 RF 16Mn（）（2）液氨出料管采用可卸的壓出管，將它套入罐體的固定接口管內，并用一非標準法蘭固定在接口管法蘭上。 罐體的接口管法蘭采用“HG/T 20592 法蘭 PL32-40 RF 16Mn”，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/T 20592 法蘭 PL32-25 RF 16Mn”相同，但其內徑為25mm。 液氨壓出管的斷法蘭（與氨輸送相連）采用“HG/T 20592 法蘭 PL20-40 RF 16M

23、n”。液氨出料管也不用補強。（3）排污管 貯罐右端底部安設一個排污管，管子規(guī)格是，管端裝有一與截止閥J41W-16相配的管法蘭：“HG/T 20592 法蘭 PL40-40 RF 16Mn”。（4）液面計接管 本貯罐采用反射式玻璃管液面計“A I 2.5-1260-50 HG/T 21550-95”兩支。其標記符號意義如下： 第一項用A I表示防霜液面計類型； 第二項2.5表示液面計公稱壓力等級，； 第三項1260表示液面計的公稱長度，； 第四項50表示防霜翅片高度，；第五項HG/T21550-95表示該液面計的標準圖號。（5）放空管接管采用無縫鋼管，管法蘭為“HG/T 20592 法蘭 PL

24、25-40 RF 16Mn”。 (6) 安全閥接管采用無縫鋼管，相應的管法蘭為“HG/T 20592 法蘭 PL25-40 RF 16Mn”。 技術要求1.本設備按GB 150.1150.42011壓力容器和HG/T205842011鋼制化工容器制造技術要求進行制造、檢驗和驗收，并接受國家質量技術監(jiān)督局頒發(fā)的固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程的監(jiān)督；2.焊接采用電弧焊，焊條牌號Q345R間為J507，Q345R與碳鋼間為J427；3.焊接接頭型式及尺寸除圖中標注外，按HG/T205832011的規(guī)定，不帶補強圈的接管與筒體的焊接接頭為G2，角焊縫的焊縫尺寸按較薄板的厚度，法蘭的焊接按相應法蘭標準中

25、的規(guī)定；4.設備筒體的A、B類焊接接頭應進行無損檢測，檢測長度為100%，射線檢測不低于JB/T 4730-2005 RT為合格，且射線照相質量不低于AB級；5.管口方位按貯罐總裝配圖且手畫在A2紙上。技術特性序號名稱指標1設計壓力2.52MPa2最高工作溫度500C3物料名稱液氨4容積6.80m3接管表序號公稱尺寸接管法蘭標準密封面型式用途a1-2DN15 PN40HG/T20592-2009平面液面計接管口b1-2DN15 PN40HG/T20592-2009平面液面計接管口CDN450 PN40HG/T20592-2009突面人孔dDN32 PN40HG/T20592-2009平面出料管

26、eDN40 PN40HG/T20592-2009平面進料管fDN25 PN40HG/T20592-2009平面安全閥接口管GDN25 PN40HG/T20592-2009平面放空口hDN40 PN40HG/T20592-2009平面排污口序號標準號名稱尺寸(mm)材料數量1接管45×3.5，L=400Q345R22法蘭PL15-40 RI16Mn43接管45×3.5,L=210Q345R24液面計DN1600×14,h=25組合件25橢圓封頭DN1600×14,h=25Q345R26罐體DN1600×14,L=2800Q345R17人孔PN=4

27、.0 DN=450組合件18JB/T4736-2002補強圈760/484=4.0Q345R19進料管45×3.5,L =110Q345R110法蘭PL40×40,RF16Mn111安全閥接管32×2.5,L=110Q345R112法蘭PL25-40 RF16Mn113放空閥接管32×2.5,L=110Q345R114法蘭PL25-40 RF16Mn115JB/T4712.1-2007鞍座A1600-F/SQ235-A216法蘭PL40×40,RF16Mn117排污管45×3.5，L=100Q345R118法蘭PL25-40 RF16Mn119壓料管25×3，L=1500Q345R120法蘭PL32×25,RF16Mn121法蘭PL32-25 RF16Mn122出料管38×3.5，L=100Q345R1總圖材料明細表總結通過半個月的精心設計，查閱大量有關資料、書籍，與同學們交流經驗和自學，請教老師等方式，完成了對液氨貯罐的設計。在此，非常感謝王貴霞等三位指導老師的精心指導。在本設計中，由于貯罐容積較小，故采用臥式圓筒形容器，因此其長徑比較小。在選材時綜合考慮材料的物理、力學性能，