20m2液氨储罐设计--课程设计(论文).doc

四川理工学院课程设计（论文）

20m2液氨储罐设计

学 生：
专 业：
班 级：

四川理工学院机械工程学院
二O一六年四月

四 川 理 工 学 院
课程设计（论文）任务书

设计（论文）题目：
学院：机械工程学院 专业：过程装备与控制工程 班级：
学生：
接受任务时间
系主任 （签名）　　院长 （签名）

1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求
(1)主要内容：
分别对储罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管进行设计，并对其进行强度校核。
(2) 基本要求：
说明书1份，word电子版及手工版；
PPT讲稿1份。
2．指定查阅的主要参考文献及说明
[1] TSGR0004-2009.《固定式压力容器安全技术监管规程》.
[2]《压力容器设计数据速查手册》P24表3.5
[3]郑津洋，董其伍.过程设备设计.北京：化工工艺出版社，2010.6:P114.
[4]封头标准号为EHA 1900×11－16MnR，GB/T25198-2010.
[5] GB/T709.《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》.
[6]GB150-2011.《压力容器》.
3．进度安排

设计（论文）各阶段名称
起 止 日 期
1
查阅文献、初步计算相关数据

2
初步定稿、基本完成设计说明书

3
根据文档、编制讲解ppt

4

5

V

摘要
本文设计为V=20液氨储罐，采用分析设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管进行设计，并对其进行强度校核，证明了容器了可行性，最后形成合理的设计方案。

关键词：液氨储罐；设计；强度校核

ABSTRACT
Designed in this paper V=20 liquid ammonia storage tank, the analysis and design method, considering the environmental conditions, liquid properties and other factors and with reference to the relevant standards, design sequence according to the process design, equipment structure design, strength calculation, respectively on the tank of the cylinder, head, a saddle, a manhole, nozzle design and the were strength check, prove the feasibility of the container, and finally form a rational design scheme.
Keywords: ammonia tank; design; strength check

目 录
摘要 II
ABSTRACT III
目 录 IV
第一章 选择压力容器 1
1.1.压力容器的选型 1
1.2.压力容器的选材 1
第二章 工作参数的确定 2
2.1.设计温度的确定 2
2.2.设计压力的确定 2
第三章 设计计算 3
3.1.筒体公称直径和长度的确定 3
3.2.封头公称直径和深度的确定 3
3.3.筒体厚度的确定 3
3.4.封头厚度的确定 4
3.5.容器的水压试验 4
3.6.容器的强度校核 5
3.6.1计算容器质量m 5
3.6.2计算弯距并校核 5
第四章 零部件的设计 7
4.1.人孔的设计 7
4.2.支座的设计 8
4.3.接管的选择 9
4.4.液位计的设计 9
第五章 密封 10
5.1接管的连接结构设计 10
5.2回转壳体的焊接结构设计 10
5.3接管与壳体的焊接结构设计 10
5.3.1无补强圈接管的焊接结构 10
5.3.2带补强圈的接管的焊接结构 10
第六章 设计汇总 11
第七章 结束语 12
参考文献 13

四川理工学院毕业设计（论文）
第一章 选择压力容器
1.1.压力容器的选型
根据规定，将压力容器划分为三类，分别为第一类压力容器、第二类压力容器和第三类压力容器。本次设计压力容器中的介质为液态氨，属于中度危害，且设计压力为中压，所以将其划分为第三类压力容器。
1.2.压力容器的选材
压力容器通常采用钢板经过成型焊接而成，法兰视具体情况可采用钢板或锻件，螺栓和螺柱应采用钢棒，接管一般应采用无缝钢管，支座所用材料涉及钢板，型钢及钢管，因为使用温度在-20℃～48℃，设计压力为2.0MPa，所以选用16MnR， 封头采用标准椭圆形封头，同样采用16MnR。16MnR的使用温度为-20～475℃，设计压力p≤35MPa，对容器中的介质没有限制，是压力容器专用钢。

13

第二章 工作参数的确定
2.1.设计温度的确定
根据液氨储罐工作温度为-20～48℃，所以选择设计温度t=50℃。
2.2.设计压力的确定
由得50℃下液氨饱和蒸汽压为1.930MPa，所以工作压力=（1.930－0.101）MPa=1.829MPa，设计压力为容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，而最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不得低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.05—1.10，所以设计压力P=2.0Mpa。

第三章 设计计算
3.1.筒体公称直径和长度的确定
公称容积＝20，则＝20，且设计筒长与筒径＝3.4，(1.5—4.5），计算得 ＝1900mm，L＝6700mm，根据查得直边长度为25mm，得：
封头容积＝2×0.9687＝1.9374，
计算筒体容积＝＝18.845
筒体体积V＝＝20.7824>20
故公称直径DN＝＝1900 mm，筒体长度L=6700mm。
3.2.封头公称直径和深度的确定
封头的公称直径必须与筒体的公称直径相一致，且中低压容器经常采用的封头型式是标准椭圆形封头，根据。得封头公称直径DN＝1900mm，总深度H＝500mm，内表面积A＝4.0624，容积V＝0.9687。
该标准规定以内径为公称直径的标准椭圆形封头(代号EHA)的直边高度只与公称直径有关。
200mm≤DN≤2000mm时,直边高度为25mm；DN>2000mm时,直边高度为40mm。由于所设计的筒体公称直径DN=1900mm<2000mm，所以直边高度为25mm。
所以，封头设计为EHA1900×11-16MnR。
3.3.筒体厚度的确定
卧式容器不考虑液柱静压力，故计算压力＝p＝2.0 MPa。
筒体设计选用6～16mm厚度的16MnR，50℃下其许用应力＝170 MPa。
计算厚度
（3.1）
式中, —计算压力，MPa；
――圆筒内直径，mm；
――容器元件材料在设计温度下的许用应力，Mpa；
――圆筒的焊接接头
根据,负偏差＝0.3系数，＝1.0, 腐蚀裕量＝2mm, 由式(3.1)得,设计厚度＝13.243mm
名义厚度即=(13.243+0.3+0.457)mm=14mm　此厚度在假设范围之内，故计算有效,因此,有效厚度=14-2-0.3=11.7mm,所以选用6～16 mm厚度的16MnR。
3.4.封头厚度的确定
采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同，封头的设计厚度：

考虑到钢板负偏差，所以封头厚度应再加上C1，即13.209+0.3=13.509 mm,根据钢板的厚度规格，查《钢板的常用厚度表》，圆整为δn=14mm，可见跟筒体等厚。
3.5.容器的水压试验
本次设计采用液压试验，根据标准的规定，液压试验时
（3.2）
式中，—容器元件材料在试验温度下的许用应力，170MPa；
――容器元件材料在设计温度下的许用应力，170MPa。
由式（3.2）得
＝1.25×2×170/170=2.5Mpa
而圆筒的应力
（3.3）
式中,――试验压力下圆筒的应力，MPa；
――圆筒内直径，mm；
――圆筒的有效厚度，mm；
――圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa；
――圆筒的焊接接头系数。
由式（3.3）计算得：
＝2.5×(1900+8.943)/(2×8.943)=266.820Mpa
< 0.9=0.9×1×345=310.5 Mpa
所以，厚度校核合格。
3.6.容器的强度校核
3.6.1计算容器质量m
=＝1717.879kg
=＝717.075kg
=358.19kg
=＝21273.4kg
=+
容器总重=23708.354×9.8＝232341.870N
3.6.2计算弯距并校核
将由上述计算所得的质量产生的重力简化为沿容器轴线作用的均布载荷，计算跨中截面处的弯矩M
取L=6900 mm,则均布载荷=34677.891N/m
而支座位置选择A=0.5=0.48 m
所以支座反力
计算跨中截面处的弯矩M：
=
==138648.101
计算圆筒跨中截面最大拉应力和最大压应力，进行应力校核,最大拉应力由介质及弯矩M引起，位于该截面的最低点，即
=64.807Mpa
其强度条件为
=170 Mpa
最大压应力位于该截面的最高点，并且在盛满物料而升压时压应力有最大值，故有最大压应力为：
=54.244Mpa
其稳定性条件为：
（3.4）
式中,为稳定许用压缩应力
按下述方法来确定：按照外压圆筒的图算法，=0.000445，式中为圆筒外半径
根据圆筒的材料选择相应的系数B图，A值位于曲线的右方，则可查出系数B=59Mpa，如此得到的B值就是稳定许用压缩应力，即=B，所以54.244Mpa<88.5 Mpa，故应力校核合格。

第四章 零部件的设计
4.1.人孔的设计
由查得，回转盖带颈对焊法兰人孔适用通径400～600mm,适用压力2.5Mpa,满足设计压力2MPa,所以本次设计选用选择回转盖带颈对焊法兰人孔，人孔公称直径为选择500 mm。
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,壁厚=10mm。
查表得人孔的筒体尺寸为500×10，由标准查得补强圈尺寸为：
内径Di=528外径=840
开孔补强的有关计算参数如下：
(1)筒体的计算壁厚：
(4.1)
(2)计算开孔所需补强的面积A：
开孔直径：
补强的面积：
(3)有效宽度：

(4.2)
取最大值 B=1009.2mm
(4)有效高度：
外侧高度
或
两者取较小值
内侧高度
或
两者取较小值
(5)筒体多余面积A1：
筒体有效厚度：
选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故=1，所以
(4.3)

(6)接管多余金属的截面积A2：
接管计算厚度:
(4.4)

(7)补强区内焊缝截面积A3(焊脚取10mm):
(4.5)
(8)有效补强面积Ae：
(4.6)
因为，所以需要补强
(9)所需补强截面积A4:
(4.7)
(10)补强圈厚度：（补强圈内径，外径）
(4.8)
考虑钢板负偏差并圆整，实取补强圈厚度15mm，补强材料与壳体材料相同（16MnR）。
4.2.支座的设计
卧式容器支座主要有鞍座、圈座、支腿，此处选用鞍座。鞍座又分为A型(轻型)和B型(重型)，对于一般直径在1000 mm以上的容器，选用轻型鞍座就可满足要求，鞍座底板上的螺栓孔形状不同又分为F型（固定支座）和S型（滑动支座）两种，一般为满足容器的热胀冷缩的位移要求，固定式和滑动式应配对使用。故本设计中选用A型鞍座，一个F型，一个S型。
查得，公称直径为1900的A型鞍座单个允许载荷127.5kN>116.17KN,故其承载能力足够。
4.3.接管的选择
各物料进出管及检测仪表等接管内伸形式为插入式。
开孔：安全阀接口DN80，液氨入口DN40，气氨出口DN40，液氨出口DN40，排污管DN32。
两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍，其他管口如液相出口管，安全阀接口，压力表接口，气相管，放气管，排污管等管间的间距均由下述来设计并计算：
（4.9）
（1）上部：安全阀接口，液氨入口，气氨出口。
安全阀接口中心线与人孔中心线间距:

液氨入口中心线与安全阀接口中心线的间距:

气氨出口中心线与液氨入口中心线的间距:

所以取，=1500mm,=400mm,=300mm。
（2）下部：排污管和液氨出口管：
排污管和液氨出口管中心线间距：3000mm
由《带径对焊钢制管法兰（欧洲体系）》及接管开口直径求得接管法兰数据，如表一。
4.4.液位计的设计
液位计型式有很多种，本次设计采用磁性液位计，普通型，压力等级为2.5 Mpa。根据实际要求，选用液位计的中心距为1400 mm。磁性液位计连接法兰的规格一般为DN20，采用带对焊法兰，密封面型式采用突面。

第五章 密封
5.1接管的连接结构设计
该容器设计压力为中压，故接管采用螺栓法兰连接结构，使用整体法兰。法兰压紧面采用突面，垫片为中压橡胶石棉板橡胶垫。
5.2回转壳体的焊接结构设计
回转壳体的拼接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向及环向接头，凸形接头上的拼接接头，即A，B类接头，是容器要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要，必须采用对接焊，不允许采用搭接焊.对接焊易于焊透，质量容易保证，易于作无损检测，可获得最好的焊接接头质量。
5.3接管与壳体的焊接结构设计
接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与对容器的强度与安全的要求有关，涉及到是否开坡口，单面焊与双面焊，焊透与否等问题。
5.3.1无补强圈接管的焊接结构
中低压容器不需另作补强的小直径接管可直接插入壳体所开孔内，有平齐式和内伸式两种。插入出接管与壳体总有一定间隙，但此间隙不大于3 mm，过大的间隙在焊接收缩时易产生裂纹或其他焊接缺陷。
5.3.2带补强圈的接管的焊接结构
作为开孔补强元件的补强圈，一方面要求尽量与补强出的壳体贴合紧密，另外与接管与壳体之间的焊接结构设计也应力求完善合理。
各物料进出管及检测仪表等接口管的外伸长度，接管内伸形式的确定及接管法兰的设计，数据见第五章表三数据。

第六章 设计汇总
表6.1：技术特性表
名称
指标
设计压力
2MPa
工作温度

物料名称
液氨
容积
20.782
表6.2：带颈对焊钢制管法兰及密封面尺寸（mm）
公称直径DN
管外径
法兰外径D
法兰厚度C
法兰颈
法兰高度H
密封面d
密封面
螺栓孔中心圆直径k
N

A
B
20
25
105
16
40
40
6
40
56
2
75
32
38
140
18
56
56
6
42
76
2
100
40
45
150
18
64
64
7
45
84
2
110
80
89
200
24
110
110
12
58
132
2
160
表6.3：接管表

安全阀接口
液相进口管
气氨出口
排污管
液相出口管
液位计
接口
公称直径（mm）
80
40
40
32
40
20
外径(mm)
92
50
50
42
50
27
壁厚(mm)
6.0
5.0
5.0
5.0
5.0
3.5
安装位置
筒体上部
筒体上部
筒体上部
筒体下部
筒体下部
右侧封头
外伸长度(mm)
102
102
102
102
102
120
接管法兰
SO80－2.5RF
SO40－2.5RF
SO40-2.5RF
SO3－2.5RF
SO40－2.5RF
SO20－2.5RF

第七章 结束语
经过两周的紧张忙碌终于把这次大作业做完了。两周以来虽然很累，尤其是三维建模，因为很久没有用UG画图，所以感到特别生疏。通过这次大作业的训练，我们对压力容器的设计有了一个大概的概念，因为是我们第一次设计这个大作业，有不足之处还请批评指正。

参考文献
[1] TSGR0004-2009.《固定式压力容器安全技术监管规程》.
[2]《压力容器设计数据速查手册》P24表3.5
[3]郑津洋，董其伍.过程设备设计.北京：化工工艺出版社，2010.6:P114.
[4]封头标准号为EHA 1900×11－16MnR，GB/T25198-2010.
[5] GB/T709.《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》.
[6]GB150-2011.《压力容器》.
[7] HG21518-2014.《回转盖带颈对焊法兰人孔》.
[8]JB/T4736-2002.《补强圈》.
[9]HG21524-2005.《压力容器设计手册》P174表3-26.
[10]《钢板的常用厚度表》

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