1、 TOC o 1-5 h z 第一章緒論 2設計任務 2設計思想 3設計特點 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 第二章 材料及結構的選擇與論證 2材料選擇 2結構選擇與論證 2第三章 設計計算 4筒體厚度設計 4封頭壁厚設計 4水壓試驗及強度校核 4 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 人孔并核算開孔補強 5核算承載能力并選擇鞍座 7液面計選擇7壓力表選擇.8接口管選擇 8設計小結.9第四章主要參考資料9附于儲罐裝配圖與儲罐零件圖于本書末第_章緒論設計任務綜合運用所學的機械基礎課程知識設計一個

2、常溫下儲存液氨的儲罐.設計思想綜合運用所學的機械基礎課程知識，本著認真負責的態度，對儲罐進行設計。 在設計過程中綜合考慮了經濟性，實用性，安全可靠性。各項設計參數都正確參 考了行業使用標準或國家標準，這樣讓設計有章可循，并考慮到結構方面的要求， 合理地進行設計。.設計特點容器的設計一般由筒體、封頭、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常、低 壓化工設備通用零部件大都有標準，設計時可直接選用。本設計書主要介紹了液 罐的的筒體、封頭的設計計算，低壓通用零部件的選用。各項設計參數都正確參考了行業使用標準或國家標準，這樣讓設計有章可 循，并考慮到結構方面的要求，合理地進行設計。第二章材料及結構的選擇與論證

3、材料選擇純液氨腐蝕性小,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16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。(2)結構選擇與論證封頭的選擇從受力與制造方面分析來看，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 工與焊接方面都要遇到不少困難。從鋼材耗用量來年：球形封頭用材最

4、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。（二）人孔的選擇壓力容器人孔是為了檢查設備的內部空間以及安裝和拆卸設備的內部構件。 人孔主要由筒節、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個手柄。選用時應 綜合考慮公稱壓力、公稱直徑（人、手孔的公稱壓力與法蘭的公稱壓力概念 類似。公稱直徑則指其簡節的公稱直徑）、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，選擇使用上有較大的靈活性。通常 可以根據操作需要，在這考慮到人孔蓋直徑較大較重,故選用碳鋼水平吊蓋 人孔，人孔筒節軸線垂直安裝。（三）容器支座的選擇容器支座有鞍座，圈座和

5、支腿三種,用來支撐容器的重量。鞍式支座是 應用最廣泛的一種臥式支座。從應力分析看，承受同樣載且具有同樣截面 幾何形狀和尺寸的梁采用多個支承比采用兩個支承優越，因為多支承在粱 內產生的應力較小。所以，從理論上說臥式容器的支座數目越多越好。但 在是實際上臥式容器應盡可能設計成雙支座，這是因為當支點多于兩個時， 各支承平面的影響如容器簡體的彎曲度和局部不圓度、支座的水平度、各 支座基礎下沉的不均勻性、容器不同部位抗局部交形的相對剛性等等，均 會影響支座反力的分市。因此采用多支座不僅體現不出理論上的優越論反 而會造成容器受力不均勻程度的增加，給容器的運行安全帶來不利的影響。 所以一臺臥式容器支座一般情

6、況不宜多于二個。圈座一般對于大直徑薄壁 容器和真空操作的容器。腿式支座簡稱支腿，因這種支座在與容器殼壁連 接處會造成嚴重的局部應力，故只適合用于小型設備（DN1600，L5m）o 綜上考慮在此選擇雙個鞍式支座作為儲罐的支座。（四）法蘭型式法蘭連接主要優點是密封可靠、強度足夠及應用廣泛。缺點是不能快速拆卸、 制造成本較高。壓力容器法蘭分平焊法蘭與對焊法蘭。平焊法蘭又分為甲型與乙 型兩種。甲型平焊法蘭有PN0.25 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa，在較小范圍內 （DN300 mm -2000 mm）適用溫度范圍為-20C-300C。乙型平焊法蘭用于PN0.25 MPa-1.6

7、MPa壓力等級中較大的直徑范圍，適用的全部直徑范圍為DN300 mm -3000 mm,適用溫度范圍為-20C-350C。對焊法蘭具有厚度更大的頸，進一步增大了 剛性。用于更高壓力的范圍（PN0.6 MPa-6.4MPa）適用溫度范圍為-20C-45C。 法蘭設計優化原則：法蘭設計應使各項應力分別接近材料許用應力值，即結構材 料在各個方向的強度都得到較充分的發揮。法蘭設計時，須注意以下二點：管法蘭鋼制管法蘭、墊片、緊固件設計參照 HG20592HG20635 的規定。（五）液面計的選擇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、浮子液面計

8、和浮標液面計。在中低壓容器中常 用前兩種。玻璃板液面計有透光式和反射式兩種結構，其適用溫度一般在 0250C。但透光式適用工作壓力較反射式高。玻璃管液面計適用工作壓力小于 1.6MPa，介質溫度在0250C的范圍。液面計與容器的連接型式有法蘭連接、頸 部連接及嵌入連接，分別用于不同型式的液面計。液面計的選用玻璃板液面計和玻璃管液面計均適用于物料內沒有結品等堵塞固體的場合。板式液面計承壓能力強，但是比較笨重、成本較高。玻璃板液面計一般選易觀察的透光式，只有當物料很干凈時才選反射式。當容器高度大于3m時，玻璃板液面計和玻璃管液面計的液面觀察效果受到限制，應改用其它適用的液面計。液氨為較干凈的物料，

9、易透光，不會出現嚴重的堵塞現象所以在此選用玻璃 管液面計。第三章設計計算（一）筒體厚度設計p設計壓力。儲罐在夏季最高溫度可達到目的40C，查常溫下液體飽和蒸 氣壓表，這時氨的飽和蒸氣壓為1.55MPa（絕對壓力）。取此壓強的1.05倍，故取 P=1.6 MPa作為設計壓力。D 二1600mm在操作溫度-540C的范圍內，估計些筒體的厚度在10 mm左右，為安全計1 =170 MPa（查教材鋼制壓力容器中使用的許用應力表5-3）焊接接頭采用V坡口雙面焊接，采用局部無損檢測，其焊接接頭系數由焊接 接頭系數表查得4 =0.85在鋼制壓力容器中，只考慮鋼板腐蝕裕量，不計鋼板的厚度負偏差C 平面腐裕量取

10、C=1 mm。則設計厚度5 2d筒體厚度5d筒體厚度5d = 2 q寸-p + C21.6 x16002 x170 x .85 1.6+1 = 8.9mm根據鋼板厚度規格表5-8 （教材），圓整后選取厚度5 n=10mm的16MnR鋼板。（二）封頭壁厚設計采用標準橢圓形封頭，各參數與筒體相同+1 = 8.8+1 = 8.8mm2 x170 x 0.85 0.5 x1.6圓整后取10mm厚的16MnR鋼板來制造封頭（三）水壓試驗及強度校核先按公式確定水壓試驗時的壓力pt為:p = p = 1.25 p=1.25 x 1.6 = 2MPa或pt=P + 0 1 = 1 6 + 0 1 = 1 -

11、7 MPa選取前兩者中壓力較大值作為水壓試驗壓力為p廣2.0MPa2 x(10 1)x 0.85水壓試驗時的應力5 = P(D：5。= Y600 + (10-1)2 x(10 1)x 0.85e16mm16MnR鋼板在常壓下的許用應力b = 0.9a 4= 0.9x345x0.85 = 263.93MPa tsat 27039kg.故其承載能力足夠。標記為：Dg1600-A IM-250 JB-4712-92Dg1600-AIIM-250 JB-4712-92（六）液面計的選擇液氨儲罐常用玻璃液面計，由儲罐公稱直徑1600選擇長度為1400mm液面 計一支，體材料（針形閥）為碳鋼，體溫型，液面

12、計接管為無縫鋼管，液面計 相配的接口管尺寸為：25 X 3mm，平焊管法蘭HG 5010-58 Pg16Dg20液面 計標記為：玻璃管液面計A I D L=1400 HG 5-227-80（七）壓力計選擇1）量程裝在鍋爐、壓力容器上的壓力表，其最大量程（表盤上刻度極限值） 應與設備的工作壓力相適應。壓力表的量程一般為設備工作壓力的1. 53倍， 最好取2倍。若選用的壓力表量程過大，由于同樣精度的壓力表，量程越大，允 許誤差的絕對值和肉眼觀察的偏差就越大，則會影響壓力讀數的準確性；反之， 若選用的壓力表量程過小，設備的工作壓力等于或接近壓力表的刻度極限，則會 使壓力表中的彈性元件長期處于最大的變

13、形狀態，易產生永久變形，引起壓力表 的誤差增大和使用壽命降低。另外，壓力表的量程過小，萬一超壓運行，指針越 過最大量程接近零位，而使操作人員產生錯覺，造成更大的事故。因此，壓力表 的使用壓力范圍，應不超過刻度極限的6070%。（2）測量精度壓力表的精度是以允許誤差占表盤刻度極限值的百分數來表示 的。精度等級一般都標在表盤上，選用壓力表時，應根據設備的壓力等級和實際 工作需要來確定精度。額定蒸汽壓力小于2.45MPa的鍋爐和低壓容器所用的壓力 表，其精度不應低于2. 5級；額定蒸汽壓力大于2.45MPa的鍋爐和中、高壓容 器的壓力表，精度不應低于1.5級。（3）表盤直徑為了使操作人員能準確地看清

14、壓力值，壓力表的表盤直徑不應 過小。在一般情況下，鍋爐和壓力容器所用壓力表的表盤直徑不應小于100mm， 如果壓力表裝得較高或離崗位較遠，表盤直徑還應增大。又考慮到液氨有一定腐蝕性，所以綜合考慮選用隔膜壓力表，技術指標為：精度等級：（1. 6）公稱直徑：中50接頭螺紋：1.5 G1測量范圍：0-2.4Mpa（八）接口管選擇本儲罐設有如下接口管液氨進料管采用無縫鋼管8 76X6mm (管壁加厚，具有補強作用).管的一端伸入罐切成45，管長400 mm。配用凸面式平焊管法蘭Pg16Dg65 GB9119.8-88液氨出料管采用可拆的壓出管8 76X4mm，伸入到罐內離罐底約100 mm,外套無縫鋼

15、管8 89 X 6mm(管壁加厚，具有補強作用)，都配用凸面板式平焊管法蘭(GB9119.8-88),凸面管法蘭蓋(GB9119.8-88)和石棉橡膠墊片(GB9126.2-88)。排污管在罐的右端最底部設個排污管，規格是8 57X3.5mm，管端焊有與截止閥J141-16相配的管法蘭HG20592 法蘭PL50-1.6 RF Q235A。排污管與罐體連接 處焊有一厚度為10mm的補強圈.放空管接口管采用8 57 X 3.5mm無縫鋼管，管法蘭Pg16Dg50 HG 5010-58安全閥接口管安全閥接口管尺寸由安全閥泄放量決定.本貯罐選用8 57 X 3.5mm的無縫鋼管,管法蘭 Pg16Dg

16、50 HG 5010-58壓力表接口管壓力表接口管由最大工作壓力決定，因此選用采用8 57 X 3.5mm無縫鋼管，管法蘭采用HG 5010-58 Pg16Dg50。各接管外伸高度都是200mm。第四章主要參考資料化工設備機械基礎第五版 刁與瑋王立業2003.3化工設備設計手冊匡國柱史啟才2005化工制圖華東化工學院制圖教研室編 人民教育出版社1980；鋼制壓力容器GB150-89壓力容器安全技術監察規程國家質量技術監督局1999化工過程設備機械基礎李多民俞惠敏中國石化出版社2007.2典型化工設備機械設計指導李健偉茅曉東東理工大學出版社19958）金屬化工設備零部件9）材料與零部件10）化工

17、機械基礎課程設計韓葉象 北京化工學院出版社附于此罐裝配圖與零件圖于本書末渦街流量計的基本結構在推導頻率與流速關系式時，使用了渦街的穩定條件：間隔比h/項，這說 明旋渦產生的頻率受到一定的旋渦空間構造影響，而旋渦的空間結構與旋渦發生 體的形狀有關.另外，在前面的討論中，我們還應該注意到：在上述推導過程中，均是在一維流動的條件下的.然而在圓管中的流動， 是具有軸對稱分布的三維流動.在上流有管道存在的條件下，會有附加的流速分布畸變、旋流、波動等不 穩定因素.上述兩點都會對旋渦的穩定性與規律性產生重要的影響.所以，在渦街現象 發現以后的很長時間內，一直未能用來進行測量流量，除了信號檢測技術以外， 上述

18、兩點也是重要的原因.為了克服上述因素帶來的影響，必須對旋渦發生體 形狀有一定要求，使管內的旋渦發生體處流動盡量接近二維流動，以控制三維流 動中旋渦發生體發出的旋渦相位，使渦線彎曲變得極小.由此可見，旋渦發生體形狀對渦的發出有決定性的影響.旋渦發生體形狀的基本要求旋渦發生體的形狀目前已有很多種式樣，但它們必須具有一些相同的基本要 求：有鈍的（即非流線型的）截面形狀一一這是產生旋渦的條件；上下截面形狀相同，并且左右對稱一一流動接近二維流動的條件；邊界層分離點是固定的斯特羅哈數St恒定的條件.同時，旋渦發生體在管道中的安裝位置必須嚴格對稱.旋渦發生體上游必須 具有10倍D以上的直管，下游必須有5倍D

19、的直管.旋渦發生體的基本結構旋渦發生體形狀有圓柱、三角往、T型柱、四角柱等，以下主要介紹圓柱與 三角柱這兩種型式。(1)圓柱型旋渦發生體圖3-10電容式三角柱圖3-10電容式三角柱圖3-9圓柱旋渦發生器旋渦發生體 1導壓孔；2 空腔；3 隔墻；4鉑緣開導壓孔的圓柱旋渦發生器如圖3 9所示.由于有導壓孔存在，當旋渦發出的 同時產生的交替升力使流體通過導壓孔流動，產生一邊吸入，一邊吹出的效果.當 流體 附面層在圓柱表面開始分離時，在吸入一側，分離被抑制；在吹出一例， 分離則被促進發生.這樣就可使流體分離點的位置固定下來，也就可以使斯特羅 哈數St相對穩定.(2)三角柱型旋渦發生體目前采用較多的旋渦

20、發生體是三角柱形的，其形狀一般由實驗確定.它不僅 可以得到比圓柱更強烈的旋渦，而且它的邊界層分離點是固定的，即其斯特羅哈 數St相對恒定，大約為St = 0. 16.這樣，渦頻與流速的關系為f = 0. 16u/d， 其中d為三角柱的底邊寬度.形狀可見圖3 10所示.渦街流量計的原理1 .卡門渦街的產生與現象為說明卡門渦街的產生，我們來考慮粘性流體繞流圓柱體的流動.當流體速 度很低時，流體在前駐點速度為零，來流沿圓柱左右兩側流動，在圓柱體前半部 分速度逐 漸增大，壓力下降，后半部分速度下降，壓力升高，在后駐點速度又 為零.這時的流動與理想流體統流圓柱體相同，無旋渦產生，如圖37a所示.隨著來流

21、速度增加，圓柱體后半部分的壓力梯度增大，引起流體附面層的分 離，如圖37b所示.當來流的雷諾數Re再增大，達到40左右時，由于圓柱體 后半 部附面層中的流體微團受到更大的阻滯，就在附面層的分離點S處產生一 對旋轉方面相反的對稱旋渦.如圖3 7c所示.在一定的留諾數Re范圍內，穩定的卡門渦街的及旋渦脫落頻率與流體流速成正 比.圖3 7圓柱繞渦街產生示意圖2.卡門渦街的穩定條件 并非在任何條件下產生的渦街都是穩定的.馮卡門在理論上已證明穩定的渦街 條件是：渦街兩列旋渦之間的距離為h，單列兩渦之間距離為項，若兩者之間關 系滿足或h / =0.281(3 24)時所產生的渦街是穩定的。渦街運動速度為了

22、導出旋渦脫落頻率與流速之間的關系，首先要得到渦街本身的運動速度略.為便于討論，我們假定在旋渦發生體上游的來源是無旋、穩定的流動，即其速度環量為零.從湯姆生定理可知，在旋渦發生體下游所產生的兩列對應旋渦 的速度環量，必然大小相等，方向相反，其合環量為零，由于對應兩渦的旋 向相反，速度環量大小相等，所以在整個渦群的相互作用下，渦街將以一個穩定的速度虬向上游運動.從理論計算可得.的表示式為略=2/ tan h(3-25)對于穩定的渦街，將式(3 25)代入，有:rr略二 2/ tan h(0. 281 勺二點(3-26)流體流速與旋渦脫落頻率的關系從前面討論可知，當流體以流速u流動時，相對于旋渦發生

23、體，渦街的實際 向下游運動速度為u ur.如果單列旋渦的產生頻率為每秒f個旋渦，那么，流 速與頻率的關系為u ur = fl(3 27)將式(3 26)代入，可得到流速u與旋渦脫落頻率f之間的關系.但是，在 實際上不可能測得速度環量的數值，所以只能通過實驗來確定來流速度u與 渦街上行速度ur之間的關系，確定因注形旋渦發生體直徑d與渦街寬度h之間 的關系，有:h=1. 3d(3 28)h=1. 3dur = 0. 14u(3 29)將式(3 24),(3 27),(3 28),(3 29)聯立，可得：m(1 - 0.14)0.86 x 0.281 xf = 如0.281 =1.3 次(3 29)

24、君 0. 2u / d也可將上式寫成：(3 30)St= 攻四0. 2(3 30)St稱為斯特羅哈數.從實驗可知，在雷諾數Re為3X 102 3 X 105范 圍內，流 體速度u與旋渦脫落頻率的關系是確定的.也就是說，對于圓柱形旋渦發生體， 在這個范圍內它的斯特羅哈數St是常數，并約等于0. 2,與理論計算值吻合 的很好.對于圓柱型式的旋渦發生體，其斯特羅哈數St也是常數，但有它自己 的數值.圖3 8為圓往型旋渦發生體產生的渦街結構.根據以上分析，從流體力學的角度可以判定渦街流量計測量的上下限流量為：Re = 3X 102 2X 105 .當雷諾數更大時，圓柱體周圍的邊界層將變成紊流，不符合 上述規律，并且將會是不穩定的.圖3 8渦街結構示意圖流體振動原理當渦街