1、课程设计任务书课程设计任务书1. 设计题目：液氨储罐机械设计2. 课程设计要求及原始数据（资料）：(1)、课程设计要求：.使用国家最新压力容器和换热器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。.广泛查阅和综合分析各种文献资料，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。.设计计算要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠。.设计说明书可以手写，也可打印，但工程图纸要求手工绘图。.课程设计全部工作由学生本人独立完成。(2). 设计数据：技 术 特 性公称容积(m3)16公称直径DN(mm)2000介 质液氨筒体长度L(mm)4700工作压力(MPa)2.07工作温度(0C)50厂 址茂名推荐材料
2、16MnR管 口 表编号名称公称直径(mm)编号名称公称直径(mm)a1-2液位计15e安全阀32b进料管50f放空管25c出料管32g人孔450d压力表h排污管503.工艺条件图4.计算及说明部分内容（设计内容）：第1章 绪论：（1）液氨储罐的设计背景（2）液氨贮罐的分类及选型；（3）主要设计参数的确定及说明。第2章 材料及结构的选择与论证（1）材料选择与论证；（2）结构选择与论证：封头型式的确定、人孔选择、法兰型式、液面计的选择、鞍座的选择确定。第3章 工艺尺寸的确定第4章 设计计算（1）计算筒体的壁厚；（2）计算封头的壁厚；（3）水压试验压力及其强度校核；（4）选择人孔并核算开孔补强；（
3、5）选择鞍座并核算承载能力；（6）选择液位计；（7）选配工艺接管。设计小结参考文献5绘图部分内容： 总装配图一张（A1图纸）6设计期限：1周（ 2013 年 06月 24 日 2013 年 07 月 05 日）7、设计参考进程：(1)设计准备工作、选择容器的型式和材料 半天(2)设计计算筒体、封头、选择附件并核算开孔补强等 一天(3)绘制装配图 二天(4)编写计算说明书 一天(5)答辩 半天8参考资料：(一)国家质量技术监督局，GB150-1998钢制压力容器，中国标准出版社，1998；(二)国家质量技术监督局，压力容器安全技术监察规程，中国劳动社会保障出版社，1999(三)金属化工设备零部件
4、第四卷(四)中华人民共和国化学工业部，中华人民共和国待业标准钢制管法兰、垫片、紧固件，1997(五)化工设备机械基础课程设计指导书（图书馆借阅书号：TQ05/51）(六)刁玉纬 王立业，化工设备机械基础，大连理工大学出版社，2003年第五版；(七)李多民俞惠敏，化工过程设备机械基础，中国石化出版社，2007；(八)董大勤，化工设备机械基础，化学工业出版社，1994年第二版；(九)汤善甫 朱思明，化工设备机械基础，华东理工大学出版社，2004年第二版；发给学生（签名）： 指导教师： 年 月 日（注：此任务书应附于所完成的课程设计说明书封面后）目录第一章 绪论61.1液氨贮罐的设计背景61.2液氨
5、贮罐的分类及选型61.2.（1） 贮罐的分类61.2.（2）贮罐的选型 61.3设计温度和设计压力的确定7 第二章材料及结构的选择与论证82.1材料选择与论证82.1.（1）容器用钢82.2.（2）附件用钢82.2结构选择与论证 82.2.（1）封头形式的确定82.2.（1）人孔的选择 92.2.（3）法兰形式 92.2.（4）液面计的选择10 2.2.（5）鞍式支座的选择10 第三章工艺尺寸的确定 11第四章设计计算 144.1计算罐体壁厚设计144.2计算封头的壁厚 144.3校核罐体和封头水压试验强度154.4选择人孔并核算开孔补强 154.4（1）计算削去的承受应力所必须的金属截面16
6、4.4（2）.计算有效补强范围 164.4（3）. 计算有效补强金属截面积164.4（4）. 所需补强截面积为174.4（5）.补强圈设计 174.5.选择鞍座并核算承载能力1724目录第一章4.5（1）.罐体的质量 174.5（2）.封头的质量184.5（3）.水压试验时水的质量184.5（4）.附件的质量184.6选择液位计18 4.7选配工艺接管184.7（1）.液氨进料管 194.7（2）液氨出料管 194.7（3）排污管 194.7（4）.放空管接口管 194.7（5）.液面计接管 194.7(6).安全阀接口管 19 设计心得20 参考文献21第一章绪论：1.1.液氨贮罐的设计背景
7、化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保
8、护气氛的其它工业和科学研究中。为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。1.2. 液氨贮罐的分类及选型1.2.（1） 贮罐的分类贮罐按其形状可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。按其承压性质可分为内压和外压，内压容器又可分为低压、中压、高压、超高压4个压力等级。按其工作的温度环境可分为低温、常温、中温、高温容器。按制造器的材料可分为金属制和非金属制两类。按其应用情况可分为反应压力容器（R）、换热压力容器（E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。1.2.（2）贮罐的选型在本设计中由于设计体积较小（约
9、为 16 m3）且工作压力较小（p0=1.6MPa）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。卧式圆筒形液氨储罐通常由卧式圆筒形筒体和两端的椭圆形封头组成，按照化学生产工艺的要求设置进料口、出料口、放空口、排污口、压力表、安全阀和液面计等。为了检修方便，还要开设人孔，用鞍式支座支承于混凝土基座上。2.3 设计温度和设计压力的确定罐储存的是经过压缩机压缩后，被冷却水冷凝的液态氨，由于冷却水的温度随气候变化而波动
10、，通常氨被压缩到0.94MPa才能被冷却水冷凝。储罐通常置于室外，罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，在冬季可达-30，在夏季储罐经太阳曝晒后，液氨的温度可达50，这时候氨的饱和蒸汽压随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断改变（参考下表3-1）。表3-1：液氨的饱和蒸汽压和密度温度（）50403020100-10-20-30饱和蒸汽压（绝压，MPa）2.071.5531.1650.8560.6140.4280.2910.1900.120密度（kg/m3）563580595610625639652665678液氨储罐的操作温度通常可取夏季的最高气温50（参考表3-2所示）。为了确保操作安
11、全，我国劳动和社会保障部颁布的压力容器安全技术监察规程第25条规定：临界温度高于50的液氨，无保温常温储存，储罐必须安装安全阀，工程中其设计压力不低于安全阀开启压力（参考表3-3所示，安全阀开启压力取1.051.10倍工作压力），通常选取为2.071.12.16MPa（相当于取50时饱和蒸汽压对应的设计压力）。表3-2设计温度介质工作温度设计温度t-20介质最低工作温度介质工作温度减010-20t15介质最低工作温度介质工作温度减510t15介质最高工作温度介质工作温度加1530注：当最高（低）工作温度不明确时，按表中的确定。表3-3设计压力类 型设计压力内压容器无安全泄放装置1.01.10倍
12、工作压力装有安全阀不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.051.10倍工作压力）装有爆破片取爆破片设计爆破压力的上限出口管线上装有安全阀不低于安全阀的开启压力加上流体从容器流至安全阀处的压力降两侧受压的压力容器元件一般应以两侧的设计压力分别作为该元件的设计压力。当有可靠措施确保两侧同时受压时，可取两侧最大压力差作为设计压力真空容器当有安全阀控制时，取1.25倍的内外压力差，或0.1MPa两者中的较小值。当没有安全阀控制装置时，取0.1MPa。第二章 材料及结构的选择与论证2.1 材料选择与论证2.1.（1）容器用钢压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别
13、很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采用屈服极限为245MPa345MPa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低合金高强度钢，强度级别宜用400MPa级或以上；如果容器的操作温度超过400，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR钢是屈服强度350MPa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507），15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为400、500MPa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的
14、强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。因此选用16MnR钢既符合工艺要求，也节约资源，以便获得更好的经济价值。2.1.（2）附件用钢优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮等。优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。由于本贮罐使用地点为：茂名，在夏季最高温度可达50，这时氨的饱和蒸气压为2.07MPa（绝对压力)。由于法兰必须具有足够大的强度和刚度，以满足
15、连接的条件，使之能够密封良好，故选用普通低合金高强度钢16MnR（新钢号名称已统一为Q345R）。2.2 结构选择与论证2.2.（1）封头形式的确定从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来年：球形封头用材最第二章少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。2.2.(2) 人孔的选择压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内
16、部构件。人孔的类型很多，选择用上有较大的灵活性。选用时应综合考虑公称压力、公称直径工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。卧式液氨储罐常用碳钢水平吊盖人孔，这种人孔使用方便，压紧垫片可靠，本设计卧式容器设计压力为2.28MPa, 人孔标准应按公称压力为2.5MPa的等级选取，由于容器公称直径为2000mm,碳钢水平吊盖人孔的尺寸、材料和性能可查HG/T21524-95标准，选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔，DN450人孔，密封压紧面采用TG型。该人孔标记为：HG/T21524-2005 人孔 TG(A.G) 450-2.5 其中TG指凸面密封，指接管与法兰的材料为16MnR，A.G是指用普
17、通石棉橡胶板垫片，450-2.5是指公称直径为450mm、公称压力为2.5 Mpa。碳钢水平吊盖带颈对焊法兰人孔结构图 2.2.(3)法兰型式法兰与设备的连接形式：平焊法兰制造简单，使用广泛，但刚性较差，仅用于压力不高的场合，如管法兰P。由于本设计，由HG20592-97标准,可以选择焊接法兰中的板式平焊法兰PL。法兰与密封面形式：，根据HG20592-97标准可以选择RF密封面。2.2.(4) 液面计的选择液氨储罐常用防霜式玻璃板液位计，由储罐公称直径=2000mm。根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计A2.5-1260-50 HG/T21550-93。与其相配的接管尺寸为183m
18、,管法兰为HG20592-97法兰PL15-2.5RF 16MnR。2.2.(5)鞍式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。鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。因此采用多支座不仅体现不出理论上的
19、优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。而且，现在储罐等的支座已经标准化了，所以鞍座采用了双支座，一个S型，另外一个F型，为了充分利用封头对筒体的加强作用，支座应靠近封头，即ARi/2 ，且A不大于0.2L，以便使筒体的中间部分截面与支撑部分截面的弯矩值相等或相近。参考资料第三章工艺尺寸的确定设计体积：，公称直径：。采用标准椭圆形封头（图5-1），按JB/T 4746-2002规定：取直边高度。则由表5-1、表5-2可得1) 单个封头容积：2) 封头总容积： ，则3) 筒体部份容积为：，则4) 筒体长度：5) 取整后（按百位数）筒体实际长度：6) 所以储罐实际
20、容积为：。表5-1筒体的容积、面积及质量（钢制：JB/T 4746-2002）公称直径DN1m高的容积V/1m高的内表面积Fi/1 m 高 筒 节 质 量 值/kg壁厚/mm3456810121416182022242628303500.0961.102635444000.1261.263040506079991194500.1591.41344556675000.1961.51375062751001251501755500.2381.74415568826000.2831.88456075901211501802116500.3322.046581971307000.3852.206987
21、1051401762132508000.5032.5179991191592002402809000.6362.838911213417922427031536340810000.7853.1412414919924929634839945050311000.9503.4613616421827412001.1313.7714917823829835841847954060266213001.3274.0916119325832314001.5394.40173208278348418487567630700770840914986105815001.7674.7118622329737244
22、616002.0175.0319823831739747655663672080088096010401124120618002.5455.66267356446536627716806897987108011701263135320003.1426.282963974955966957958959951095120013001400150122003.8016.8132243654565571487498410931204131814291540165024004.5247.55356475596714834960108011941314143515561677179826005.3098.
23、175146447749031030116012901422155316841815194628006.1588.805546938319701110125013901531167118121953209430007.0309.4359374288110401190133814901640179019402091224232008.05010.0563279195011081267142515871745190820692229239034009.07510.686728411008117713461517168718572027219723672538360010.18011.3271189
24、01070124614241606178519652145232525052686380011.14011.837519391126131515141693188420742263245326432834400012.56621.577909881186138315821980198021852380258527852985表5-2EHA椭圆形封头内表面积、容积（钢制：JB/T 4746-2002）序号公称直径DN（mm）总深度H（mm）内表面积A（）容积V（）序号公称直径DN（mm）总深度H（mm）内表面积A（）容积V（）13001000.12110.00533126006907.65452
25、.513123501130.16030.00803227007158.24152.805534001250.20490.01153328007408.85033.119844501380.25480.01593429007659.48073.456755001500.31030.021335300079010.13293.817065501630.37110.027736310081510.80674.201576001750.43740.035337320084011.50214.611086501880.50900.044238330086512.21935.046397002000.58
26、610.054539340089012.95815.5080107502130.66860.066340350091513.71865.9972118002250.75660.079641360094014.50086.5144128502380.84990.094642370096515.30477.0605139002500.94870.111343380099016.13037.6364149502631.05290.1300443900101516.97758.24271510002751.16250.1505454000104017.84648.88021611003001.3980
27、0.1980464100106518.73709.54981712003251.65520.2545474200109019.649310.25231813003501.93400.3208484300111520.583210.98831914003752.23460.3977494400114021.538911.75882015004002.55680.4860504500116522.516212.56442116004252.90070.5864514600119023.515213.40602217004503.26620.6999524700121524.535914.28442
28、318004753.65350.8270534800124025.578215.20032419005004.06240.9687544900126526.642216.15452520005254.49301.1257555000129027.728017.14792621005655.04431.3508565100131528.835318.18112722005905.52291.5459575200134029.964419.25502823006156.02331.7588585300136531.115220.37042924006406.54531.99055954001390
29、32.287621.52813025006657.08912.2417605500141533.481722.7288注：对于封头直边高度h的取值，JB/T4746-2002规定：当DN2000时，取h=25mm；当DN2000时，取h=40mm。总深度Hhh1，h1为封头内曲面高度。图5-1标准椭圆形封头第四章 设计计算根据材料分析，选用16MnR制作筒体和封头。4.1计算罐体壁厚设计液氨储罐是内压容器，按公式计算出筒体的壁厚。其中：为设计压力，本储罐在夏季最高温度可达500，此时液氨的饱和蒸汽压为2.07MPa（绝对压力），所以P=2.17MPaDi2000mm；=163MPa；=1.00
30、 （双面对接焊，100%无损探伤）；则： = 查得相应的负偏差，腐蚀裕量 C=0.8+2=2.8mm则： =13.42.8 =16.2mm根据及钢板的厚度规格 圆整后确定选用厚的16MnR钢板制作罐体4.2计算封头的壁厚本容器用标准椭圆封头，厚度根据公式根据，其中各数据跟罐体相同，=1.0。向上圆整后取取标准确定用厚的16MnR钢板制作封头4.3校核罐体和封头水压试验强度根据公式 取2.71MPa 式中：162.8 = 13.2mm 345Mpa a则水压试验时的应力： = =186.13 MPa16MnR钢制容器在常温水压试验时的许可应力MPa可见：,所以罐体厚度满足水压试验时的强度4.4选
31、择人孔并核算开孔补强根据储罐是在常温及最高工作压力为2.17 Mpa的条件工作，人孔标准应按公称压力为2.17 Mpa。从人孔类型系列标准可知，公称压力为2.17 Mpa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，检修时只须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：HG 21524-2005 人孔 RF DN450-PN1.6 其中RF指突面密封，指接管与法兰的材料为16MnR，DN450是指公称直径为450mm、PN2.17指公称压力为2.17Mpa。另外,还要考虑人孔补强,确定补强圈尺寸,由于人孔的筒节不是采
32、用无缝钢管,故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径为d=450mm,壁厚=10mm。故补强圈尺寸如下：筒体内径Di2000mm，壁厚dn18mm，设计压力2.17MPa，设计温度为50，焊接接头系数1.0。由标准查得补强强圈内径=484mm,外径=760mm。开孔补强的有关计算参数如下：4.4（1）.计算削去的承受应力所必须的金属截面筒体的计算壁厚： 计算开孔所需补强的面积A开孔直径： 4.4（2）.计算有效补强范围、有效宽度： 取最大值外侧高度 接管实际的外伸高度取较小值，故内侧高度 0取小值，故=04.4（3）. 计算有效补强金属截面积筒体多余金属截面积A1筒体有效厚度：接管
33、多余金属截面积A2接管计算厚度补强区内焊缝截面积A3 有效补强面积 ，所以需要另加强4.4（4）. 所需补强截面积为 4.4（5）.补强圈设计参考JB/T 4736-2002标准,取内径D1=484mm，外径D2=760mm 补强圈厚度 考虑到罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量，取故补强圈取16mm厚。 因补强圈厚度，符合GB150-1998的规定。故用补强圈补强是合适的。4.5.选择鞍座并核算承载能力首先粗略计算鞍座负荷，储罐总质量式中罐体质量，kg；封头质量，kg； 液氨质量，kg附件质量，kg4.5（1）.罐体的质量 根据，的筒节，可得每米筒体质量，由 则可求得： 向上圆整后取标准圆筒长度
34、为 所以： 4.5（2）.封头的质量DN=2000mm=18mm直边高度 h=25mm的标准封头，由 查得其质量=627.7kg4.5（3）.水压试验时水的质量式中：a 冲装系数，取0.9 V 储罐容积 水密度，为1000kg/m3由JB/74746-2002查得，封头容积为1.1257 m34.5（4）.附件的质量人孔的质量约为200kg，其他的连接管质量总和按300kg计，则：=500kg设备总质量为：每个鞍负荷F=所以选用轻型带垫板，包角为120的鞍座：JB/T 4712.1-2007 鞍座 A2600-FJB/T 4712.1-2007 鞍座 A2600-S。4.6选择液位计液氨储罐常
35、用玻璃管液面计，由储罐公称直径=2000mm根据HG/T21550-93，选择玻璃管液面计AIW PN2.17,L=1000mm，HG5-227-80一支。与其相配的接管尺寸为183m,管法兰为法兰PN 2.17 DN 15 GB 9119.8-88。4.7选配工艺接管本储罐设有以下接口管4.7（1）.液氨进料管采用573.5mm无缝钢管。管的一端切成45,伸入储罐少许.配用具有突面密封的平焊管法兰: 法兰PN1.6DN50 GB9119.8-88因为壳体名义壁厚=18mm,大于12mm,接管公称直径小于80mm,故不要补强.4.7（2）液氨出料管采用可拆的压出管253mm,将它套入罐体的固定
36、接口管383.5mm内,并用一非标准法兰固定在接口法兰上。罐体的接口管法兰采用法兰PN2.17 DN32 GB9119.8-88。与该法兰相配并焊接在压出管的法兰上,其连接尺寸和厚度与法兰法兰PN2.17 DN32 GB9119.8-88相同,但其内径为25mm(见总装图的局部放大部大图).液氨压出管的端部法兰(与氨输送管相连)采用法兰PN1.6 DN20 GB9119.8-88。这些小管都不必补强。压出管伸入贮罐2.5m。4.7（3）排污管在罐的右端最底部设个排污管一个，规格是573.5mm，管端焊有与截止阀J41W-16相配的管法兰PN1.6DN50 GB9119.8-88。4.7（4）.放空管接口管采用323.5mm无缝钢管, 法兰PN1.6 DN25 GB9119.8-884.7（5）.液面计接管液氨储罐常用玻璃管液面计，由储罐
