课程设计(论文)-35m3液氨储罐设计大学论文.doc

中北大学

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名：
学 号：

学 院： 机械与动力工程学院

专 业： 过程装备与控制工程

题 目： （35）M3 液氨储罐设计

指导教师：

2014 年 06 月 16 日

中北大学

课程设计任务书

2013/2014 学年 第 二 学期

学
院：

机械与动力工程学院

专
业：

过程装备与控制工程

学 生 姓 名：

课程设计题目：

（35）M3 液氨储罐设计

起 迄 日 期：
06 月 16 日～06
月 27 日

课程设计地点：

校内

指 导 教 师：

基层教学组织负责人：

下达任务书日期: 2014 年 06 月 16 日

课 程 设 计 任 务 书

1．设计目的：

1) 使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。

2) 掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。

3) 掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。

4) 掌握工程图纸的计算机绘图。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

1．原始数据

设计条件表

序号

项
目
数
值
单位

备
注

1
名
称

35m3 液氨储罐

2
用
途

液氨储存

3
最高工作压力

MPa

由介质温度确定

4
工作温度

-20～48
℃

5
公称容积（Vg）

10/16/20/25/40
M3

6
工作压力波动情况

可不考虑

7
装量系数(φV)

0.85

8
工作介质

液氨（中度危害）

9
使用地点

室外

10
安装与地基要求

11
其它要求

管口表

接管代号
公称尺寸
连接尺寸标准
连接面形式
用途或名称

a
DN80
HG/T20592-2009
FF
液氨进口管

b
DN80
HG/T20592-2009
FF
安全阀接口

c
DN80
HG/T20592-2009
FF
空气进口管

d
DN80
HG/T20592-2009
FF
空气出口管

e
DN40
HG/T20592-2009
FF
压力表接口

f
DN450
HG/T21524-2005
TG
人孔

g
DN40
HG/T20592-2009
FF
液位计接口

h
DN80
HG/T20592-2009
FF
液氨出口管

课 程 设 计 任 务 书

2．设计内容

1）设备工艺、结构设计；

2）设备强度计算与校核；

3）技术条件编制；

4）绘制设备总装配图；

5）编制设计说明书。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：

1）设计说明书：

主要内容包括：封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺

寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等；

2）总装配图

设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要

合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸

采用计算机绘制。

课 程 设 计 任 务 书

4．主要参考文献：

[1] 国家质量技术监督局，GB150-2011《钢制压力容器》，中国标准出版社，1998

[2] 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

[3] 全国化工设备设计技术中心站，《化工设备图样技术要求》，2000，11

[4] 郑津洋、董其伍、桑芝富，《过程设备设计》，化学工业出版社，2001

[5] 黄振仁、魏新利，《过程装备成套技术设计指南》，化学工业出版社，2002

[6] 国家医药管理局上海医药设计院，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1996

[7] 蔡纪宁主编，《化工设备机械基础课程设计指导书》，化学工业出版社，2003 年

5．设计成果形式及要求：

1）完成课程设计说明书一份；

2）草图一张（A1 图纸一张）

3）总装配图一张 (A1 图纸一张)；

6．工作计划及进度：

2014 年 06 月 16 日：布置任务、查阅资料并确定设计方法和步骤 06 月 17、18、19、20 日：机械设计计算（强度计算与校核）及技术条件编制

06 月 21 日～06 月 24 日：设计图纸绘制（草图和装配图）

06 月 25 日～06 月 26 日：撰写设计说明书

06 月 27 日：答辩及成绩评定

基层教学负责人审查意见：

签字：

年 月 日

目录

第一部分
工艺设计
第一章
工艺计算.............................................................................................................................
1
1.1
设计温度...........................................................................................................................
1
1.2
盛装液氨的压力容器设计存储量..................................................................................
1
1.3
设计初步选型及轮廓尺寸..............................................................................................
1
1.4
设计压力...........................................................................................................................
2
1.5
工艺设计参数汇总...........................................................................................................
3

第二部分 机械设计
第二章 选择材料
...............................................................................................................................
4
第三章 结构设计
...............................................................................................................................
5
3.1
筒体和封头结构设计.......................................................................................................
5

3.1.1
筒体厚度设计.......................................................................................................
5

3.1.2
封头厚度设计.......................................................................................................
5

3.1.3 封头的结构示意....................................................................................................
6
3.3
接口与接管法兰设计.......................................................................................................
6

3.3.1 接管和法兰.............................................................................................................
6

3.3.2
垫片设计...............................................................................................................
8

3.3.3
螺栓（螺柱）选择..............................................................................................
9
3.4
附件的设计.....................................................................................................................
10

3.4.1
人孔的设计.........................................................................................................
10

3.4.2
视镜的选择.........................................................................................................
11

3.4.3
液面计的选择....................................................................................................
13

3.4.4
安全阀的选用....................................................................................................
13
3.5
支座结构设计.................................................................................................................
14

3.5.1
储罐总质量计算................................................................................................
14

3.5.2
鞍座负荷计算与选型........................................................................................
15

3.5.3
鞍座位置的确定................................................................................................
17
3.6
焊接接头设计.................................................................................................................
18

3.6.1 回转壳体的焊接结构设计..................................................................................
18

3.6.2
接管与壳体的焊接结构设计............................................................................
18

3.6.3
人孔补强圈与壳体结构设计............................................................................
19
第四章 强度计算
.............................................................................................................................
20
4.1
圆筒和封头校核.............................................................................................................
20
4.2
卧式容器鞍式支座应力校核........................................................................................
20
4.3
开孔补强计算.................................................................................................................
20

4.3.1
补强设计方法判别............................................................................................
20

4.3.2
有效补强范围....................................................................................................
21

4.3.3
有效补强面积....................................................................................................
22

4.3.4
补强圈设计.........................................................................................................
22
4.4
容器的压力实验.............................................................................................................
23
参考文献
...........................................................................................................................................

24
附录...................................................................................................................................................

25

第一部分 工艺设计

第一章 工艺计算

1.1 设计温度

本设计液氨储罐置于室外，工作温度给定-20～48℃，属于常温压力储存。

罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响，工作温度为相应温度下的饱和

蒸汽压，因次此种类型储存罐不设置保温层。在夏季液氨储存经太阳暴晒，液氨

温度可达 50℃，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化。取液氨储罐

的设计温度为 50℃。

1.2 盛装液氨的压力容器设计存储量

W V t

式中：W ——储存量,kg；

——装载系数,取 0.85；

V——压力容器容积，m3 ；

t ——设计温度下的饱和溶液的密度，kg / m3 ；

查《压力容器介质手册》[1]77 页 表 2 液体氨的性质，液氨在 50℃时密度

为 t =562.871 kg / m3 ，饱和蒸汽压 pv 2.0325 MPa

则 W 0.85 35 562.871 16745.41kg

1.3 设计初步选型及轮廓尺寸

筒体直径一般由工艺条件决定，但是要符合压力容器的公称直径。

根据公式：

D i2 L 35 m 3
4

L / Di 4 （一般取在 3~6 之间）

1

得 Di 2.233m 2233mm

根据 GB9019-2001《压力容器公称直径》[2]可取 Di 2300mm 。

本设计容器属于中低压压力容器，而标准椭圆型封头的椭球部分经线曲率变

化平滑连续，应力分布比较均匀，且易于冲压成型，是目前中低压容器经常的封

头之一，故本设计中采用标准椭圆型封头形式。封头公称直径必须与筒体的公称

直径相一致，即封头公称直径=筒体直径= Di 2300mm ，

由 JBT4746-2002《钢制压力容器用封头》[3]表 B.1 可得封头总深 H=615mm，

内表面积 A=6.0233 ，封头容积为 V 封 =1.7588 m3 ，查表 B.2 得封头质量为
m封 744.5kg 。

根据
V 筒 V 1 5% 2 V封 35 1 5% 2 1.7588 33.2324m3
而
V

D2 L

筒

4 i 筒
得 L筒 7.998 m 7998 mm ,圆整得：L筒 8000mm

L

8000
3.48 （在 3~6 之间）

Di
2300

V

D2 L 33.24m3

筒

4 i 筒

V计算 V筒 2V封 33.24 2 1.7588 36.76m3
误差
V计算
V
100% 0.51% 5% ,故符合要求

V

所以计算容积为 36.76 m3 ，工作容积为36.76 0.85 31.24 m3 。

1.4 设计压力

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

工作压力指容器顶端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 倍,本设计中不妨取 1.10。

计算压力是指在相应的设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，

2

其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力与液柱静压力之和，当元件所承受的液柱压力小于 5%设计时，可忽略不计。

则设计压力 pc 1.10( pv pa ) 1.10 (2.0325 0.1) 2.13MPa

液柱静压力 t gDi 562.871 9.8 2.3 12687.11Pa 0.01269MPa

因为 t gDi 0.01269 0.6% 5% pc 2.13

则液柱静压力可以不考虑，则计算压力与设计压力相等，由《固定式压力容

器安全技术监察规程》[4]中压力容器分类方法可知，本设计储罐属于中压（代号

M）容器。

1.5 工艺设计参数汇总(见表 1.1)

表 1.1 工艺设计参数

参数（单位）
数值

设计温度(℃)
50

液氨饱和蒸汽压(MPa)
2.0325

最高工作压力(MPa)
1.9325

设计压力(MPa)
2.13

液氨密度( kg / m3 )
562.871

设计存储量(kg)
16745.41

圆筒公称直径(mm)
2300

封头公称直径(mm)
2300

封头总深度(mm)
615

封头内表面积( m2 )
6.0233

封头容积( m3 )
1.7588

封头质量(kg)
744.5

计算容积( m3 )
36.76

工作容积( m3 )
31.24

3

第二部分 机械设计

第二章 选择材料

纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般钢材，本设计储罐为中压容器，且工作温

度为-20～48℃。

根据《课程设计指导书》14 页 材料的选择，可选用碳素钢和低合金钢，一

般来说，以强度设计为主的中压设备以采用普通低合金钢为宜。普通低合金钢如

16MnR 的屈服极限比普通碳素钢甚至优质碳素钢的屈服极限高出很多，采用这

类钢材制造压力容器，可以显著减小设备重量、降低制造成本，同时给设备的运输和安装也带来了很大的方便。

根据 GB713-2008 《锅炉与压力容器用钢板》[5]，16MnR、16Mng 和 19Mng

合并为 Q345R,由最新标准 GB150-2011 《钢制压力容器》[6]，此设计筒体和封头

材料最终选择 Q345R,钢板标准号为 GB 713。Q345R 的许用应力 t 列于下表：

表 2.1
Q345R 在不同温度和厚度下的许用应力 t

钢号
板厚/㎜

在下列温度（℃）下的许用应力/ Mpa

≤20
100
150
200

250
300

3～16

189
189
189
183

167
153

Q345R
16～36

185
185
183
170

157
143

36～60

181
181
173
160

147
133

>60～100

181
181
157
150

137
123

注意：由 GB150-2011 《钢制压力容器》10.3.1 节对需要进行全部射线或超声检测条件的介绍，本设计采

用低合金钢 Q345R 作为材料，故需要进行 100%无损检测。

4

第三章 结构设计

3.1 筒体和封头结构设计

通过第一章第 1.3 节对尺寸轮廓的初步计算，我们得出了筒体和封头的公称

直径为2300mm，筒体长度8000mm，封头总深H=615mm，内表面积A=6.0233 m2 ，

容积为 V 封 =1.7588 m3 。

3.1.1 筒体厚度设计

由筒体厚度计算式：

Pc Di
（3.1）
2 t Pc

其中： ---焊接系数，由 GB150-2011 《钢制压力容器》规定：焊接接头系数φ应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。当进行 100%

无损检测时 取 1.00。

本设计设计温度为 50℃，由表 3.1 可知，当厚度为 3 ～16mm 时，

t =189MPa，由式（3.1）可得筒体的计算厚度： 13.03mm。

按照 GB/T709-2006 《热轧钢和钢带的尺寸外形》[7]，本设计钢板厚度负偏

差 C1 为 0.8mm。碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在 0.1 ㎜/年以下，假设设计

寿命为 20 年，则腐蚀余量：C2 0.1 20mm 2mm 。

故筒体的设计厚度： d C2 13.03 2 15.03mm

名义厚度： n C1 C2 13.03 2 0.8 15.83mm 。根据 Q345R 钢板常

用规格，取名义厚度为 16mm。

有效厚度： e n C 16 (2 0.8) 13.20mm

3.1.2 封头厚度设计

5

封头厚度计算式：

Pc Di

2 t 0.5Pc

解得： 13.00mm

可得封头的设计厚度： d
C2 13.00 2 15.00mm

名义厚度： n
C1 C2 13.00 0.8 2 15.80mm 。同理取名义
厚度为 16mm。

有效厚度： e
n C 16 (2 0.8) 13.20mm

3.1.3 封头的结构图

封头结构图如图 4.1 所示，

本设计封头采用标准椭圆封头[8]，则
Di
2 ，其中

2hi

hi
H h

D i则

h H
Di
615
2300
40mm

4
4

hi h

图 3.1 封头结构图

3.3 接口与接管法兰设计

3.3.1 接管和法兰

本设计液氨储罐应设置液氨进口、安全阀接口、人孔、空气进口、空气出口、

压力表接口、温度计口、液位计接口、液氨出口。根据 GB150-2011《钢制压力

容器》中开孔和开孔补强知，筒体上的开孔应为圆形、椭圆形或长圆形。本设计

考虑到圆孔开孔处应力分布比较均匀，故开孔选取圆形。

6

根据 HG/T 20592-2009《钢制管法兰》[9]中 37 页表 8.2 1-1 PN2.5 板式平焊钢

制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸见表 3.1，查 HG/ T20592-2009

《钢制管法兰》中附录 D 中表 D-3，得各法兰的质量见表 3.1，根据 HG/T

20592-2009《钢制管法兰》4 材料，选用锻件 16Mn，法兰结构图如图 3.2 所示：

表 3.1
法兰尺寸参数

公
钢管外径法兰

连接尺寸

称
焊缝外径 A1

法兰
法兰内径

名称
尺
法兰外
螺栓孔中

螺栓孔

螺栓口
螺栓
厚度
B
1
质量

寸

径
心圆直径

直径

数量
Th
C

kg

D
K

L

n

A
B

A
B

DN

液氨进

80
88.9
89
190
150

18

4
M16
18
90.5
91
3.0
管口

安全阀

80
88.9
89
190
150

18

4
M16
18
90.5
91
3.0
口

空气进

80
88.9
89
190
150

18

4
M16
18
90.5
91
3.0
气口

空气出

80
88.9
89
190
150

18

4
M16
18
90.5
91
3.0
气口

液氨出

80
88.9
89
190
150

18

4
M16
18
90.5
91
3.0
气口

视镜口
80
88.9
89
190
150

18

4
M16
18
90.5
91
3.0

液位计

40
48.3
45
130
100

14

4
M12
16
49.5
46
1.5
口

压力表

40
48.3
45
130
100

14

4
M12
16
49.5
46
1.5
口

温度计

40
48.3
45
130
100

14

4
M12
16
49.5
46
1.5
孔

注：根据 GB150-2011《钢制压力容器》153 页 6.1.3 节不另行补强的要求可知，本设计开孔都符合这些要

7

求，故无需补强。

图 3.2 法兰结构图

3.3.2 垫片设计

查 HG/T 20609-2009《钢制管法兰用金属包覆垫片》[10]中 144 页表 4.0.1 得

本设计储罐各法兰垫片的尺寸见表 3.2。

表 3.2 垫片尺寸表（mm）

管口名称
公称直径
内径 D1
外径 D2

液氨进管口
80
109.5
142

安全阀口
80
109.5
142

空气