課程設計（論文）35M3液氨儲罐設計

1、中北大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： 學 號： 學院：機械與動力工程學院專業(yè)：過程裝備與控制工程題目：（35）m3 液氨儲罐設計指導教師：2014 年 06 月 16 日中北大學課程設計任務書2013/2014學年 第 二 學期學院：機械與動力工程學院專業(yè)：過程裝備與控制工程學 生 姓 名：課程設計題目：（35）m3 液氨儲罐設計起 迄 日 期：06 月 16 日06月 27 日課程設計地點：校內指 導 教 師：基層教學組織負責人：下達任務書日期:2014 年 06 月 16 日課 程 設 計 任 務 書1設計目的：1) 使用國家最新壓力容器標準、規(guī)范進行設計，掌握典型過程設備設計的全

2、過程。2) 掌握查閱和綜合分析文獻資料的能力，進行設計方法和設計方案的可行性研究和論證。3) 掌握電算設計計算，要求設計思路清晰，計算數據準確、可靠，且正確掌握計算機操作和專業(yè)軟件的使用。4) 掌握工程圖紙的計算機繪圖。2設計內容和要求（包括原始數據、技術參數、條件、設計要求等）：1原始數據設計條件表序號項目數值單位備注1名稱35m3 液氨儲罐2用途液氨儲存3最高工作壓力mpa由介質溫度確定4工作溫度-20485公稱容積（vg）10/16/20/25/40m36工作壓力波動情況可不考慮7裝量系數(v)0.858工作介質液氨（中度危害）9使用地點室外10安裝與地基要求11其它要求管口表接管代號公

3、稱尺寸連接尺寸標準連接面形式用途或名稱adn80hg/t20592-2009ff液氨進口管bdn80hg/t20592-2009ff安全閥接口cdn80hg/t20592-2009ff空氣進口管ddn80hg/t20592-2009ff空氣出口管edn40hg/t20592-2009ff壓力表接口fdn450hg/t21524-2005tg人孔gdn40hg/t20592-2009ff液位計接口hdn80hg/t20592-2009ff液氨出口管課 程 設 計 任 務 書2設計內容1）設備工藝、結構設計；2）設備強度計算與校核；3）技術條件編制；4）繪制設備總裝配圖；5）編制設計說明書。3設計

4、工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：1）設計說明書：主要內容包括：封面、設計任務書、目錄、設計方案的分析和擬定、各部分結構尺寸的設計計算和確定、設計總結、參考文獻等；2）總裝配圖設計圖紙應遵循國家機械制圖標準和化工設備圖樣技術要求有關規(guī)定，圖面布置要合理，結構表達要清楚、正確，圖面要整潔，文字書寫采用仿宋體、內容要詳盡，圖紙采用計算機繪制。課 程 設 計 任 務 書4主要參考文獻：1 國家質量技術監(jiān)督局，gb150-2011鋼制壓力容器，中國標準出版社，19982 國家質量技術監(jiān)督局，壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程，中國勞動社會保障出版社，19993 全國化工設備

5、設計技術中心站，化工設備圖樣技術要求，2000，114 鄭津洋、董其伍、桑芝富，過程設備設計，化學工業(yè)出版社，20015 黃振仁、魏新利，過程裝備成套技術設計指南，化學工業(yè)出版社，20026 國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設計院，化工工藝設計手冊，化學工業(yè)出版社，19967 蔡紀寧主編，化工設備機械基礎課程設計指導書，化學工業(yè)出版社，2003 年5設計成果形式及要求：1）完成課程設計說明書一份；2）草圖一張（a1 圖紙一張）3）總裝配圖一張 (a1 圖紙一張)；6工作計劃及進度：2014 年 06 月 16 日：布置任務、查閱資料并確定設計方法和步驟 06 月 17、18、19、20 日：機械設計計算

6、（強度計算與校核）及技術條件編制06 月 21 日06 月 24 日：設計圖紙繪制（草圖和裝配圖）06 月 25 日06 月 26 日：撰寫設計說明書06 月 27 日：答辯及成績評定基層教學負責人審查意見：簽字：年月日目錄第一部分工藝設計第一章工藝計算.11.1設計溫度.11.2盛裝液氨的壓力容器設計存儲量.11.3設計初步選型及輪廓尺寸.11.4設計壓力.21.5工藝設計參數匯總.3第二部分 機械設計第二章 選擇材料.4第三章 結構設計.53.1筒體和封頭結構設計.53.1.1筒體厚度設計.53.1.2封頭厚度設計.53.1.3 封頭的結構示意.63.3接口與接管法蘭設計.63.3.1 接

7、管和法蘭.63.3.2墊片設計.83.3.3螺栓（螺柱）選擇.93.4附件的設計.103.4.1人孔的設計.103.4.2視鏡的選擇.113.4.3液面計的選擇.133.4.4安全閥的選用.133.5支座結構設計.143.5.1儲罐總質量計算.143.5.2鞍座負荷計算與選型.153.5.3鞍座位置的確定.173.6焊接接頭設計.183.6.1 回轉殼體的焊接結構設計.183.6.2接管與殼體的焊接結構設計.183.6.3人孔補強圈與殼體結構設計.19第四章 強度計算.204.1圓筒和封頭校核.204.2臥式容器鞍式支座應力校核.204.3開孔補強計算.204.3.1補強設計方法判別.204.

8、3.2有效補強范圍.214.3.3有效補強面積.224.3.4補強圈設計.224.4容器的壓力實驗.23參考文獻.24附錄.25第一部分 工藝設計第一章 工藝計算1.1 設計溫度本設計液氨儲罐置于室外，工作溫度給定-2048，屬于常溫壓力儲存。罐內液氨的溫度和壓力直接受到大氣溫度的影響，工作溫度為相應溫度下的飽和蒸汽壓，因次此種類型儲存罐不設置保溫層。在夏季液氨儲存經太陽暴曬，液氨溫度可達 50，隨著氣溫的變化，儲罐的操作壓力也在不斷變化。取液氨儲罐的設計溫度為 50。1.2盛裝液氨的壓力容器設計存儲量wv t式中：w 儲存量,kg；裝載系數,取 0.85；v壓力容器容積，m3 ；t 設計溫度

9、下的飽和溶液的密度，kg / m3 ；查壓力容器介質手冊177 頁 表 2 液體氨的性質，液氨在 50時密度為 t =562.871 kg / m3 ，飽和蒸汽壓 pv 2.0325 mpa則 w 0.85 35 562.871 16745.41kg1.3設計初步選型及輪廓尺寸筒體直徑一般由工藝條件決定，但是要符合壓力容器的公稱直徑。根據公式：d i2 l 35 m 34l / di 4 （一般取在 36 之間）1得di2.233m2233mm根據 gb9019-2001壓力容器公稱直徑2可取 di 2300mm 。本設計容器屬于中低壓壓力容器，而標準橢圓型封頭的橢球部分經線曲率變化平滑連續(xù)，

10、應力分布比較均勻，且易于沖壓成型，是目前中低壓容器經常的封頭之一，故本設計中采用標準橢圓型封頭形式。封頭公稱直徑必須與筒體的公稱直徑相一致，即封頭公稱直徑=筒體直徑= di 2300mm ，由 jbt4746-2002鋼制壓力容器用封頭3表 b.1 可得封頭總深 h=615mm，內表面積 a=6.0233 ，封頭容積為 v 封 =1.7588 m3 ，查表 b.2 得封頭質量為m封 744.5kg 。根據v 筒 v 1 5% 2 v封 35 1 5% 2 1.7588 33.2324m3而vd2 l筒4 i 筒得 l筒 7.998 m 7998 mm ,圓整得：l筒 8000mml80003.

11、48 （在 36 之間）di2300vd2 l 33.24m3筒4 i 筒v計算 v筒 2v封 33.24 2 1.7588 36.76m3誤差v計算v100% 0.51% 5% ,故符合要求v所以計算容積為 36.76 m3 ，工作容積為36.76 0.85 31.24 m3 。1.4設計壓力設計壓力為容器的設計載荷條件之一，其值不得低于最高工作壓力，而最高工作壓力指容器頂端在正常工作過程中可能產生的最高表壓。裝設安全閥的容器，考慮到安全閥開啟動作的滯后，容器不能及時泄壓，設計壓力不低于安全閥的開啟壓力，通?？扇∽罡吖ぷ鲏毫Φ?1.051.10 倍,本設計中不妨取 1.10。計算壓力是指在相

12、應的設計溫度下，用以確定元件最危險截面厚度的壓力，2其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設計壓力與液柱靜壓力之和，當元件所承受的液柱壓力小于 5%設計時，可忽略不計。則設計壓力pc1.10( pvpa )1.10(2.03250.1)2.13mpa液柱靜壓力t gdi562.871 9.82.312687.11pa0.01269mpa因為 t gdi 0.01269 0.6% 5% pc 2.13則液柱靜壓力可以不考慮，則計算壓力與設計壓力相等，由固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程4中壓力容器分類方法可知，本設計儲罐屬于中壓（代號m）容器。1.5 工藝設計參數匯總(見表 1.1)表 1.1

13、 工藝設計參數參數（單位）數值設計溫度()50液氨飽和蒸汽壓(mpa)2.0325最高工作壓力(mpa)1.9325設計壓力(mpa)2.13液氨密度( kg / m3 )562.871設計存儲量(kg)16745.41圓筒公稱直徑(mm)2300封頭公稱直徑(mm)2300封頭總深度(mm)615封頭內表面積( m2 )6.0233封頭容積( m3 )1.7588封頭質量(kg)744.5計算容積( m3 )36.76工作容積( m3 )31.243第二部分 機械設計第二章 選擇材料純液氨腐蝕性小，貯罐可選用一般鋼材，本設計儲罐為中壓容器，且工作溫度為-2048。根據課程設計指導書14 頁

14、材料的選擇，可選用碳素鋼和低合金鋼，一般來說，以強度設計為主的中壓設備以采用普通低合金鋼為宜。普通低合金鋼如16mnr 的屈服極限比普通碳素鋼甚至優(yōu)質碳素鋼的屈服極限高出很多，采用這類鋼材制造壓力容器，可以顯著減小設備重量、降低制造成本，同時給設備的運輸和安裝也帶來了很大的方便。根據 gb713-2008 鍋爐與壓力容器用鋼板5，16mnr、16mng 和 19mng合并為 q345r,由最新標準 gb150-2011 鋼制壓力容器6，此設計筒體和封頭材料最終選擇 q345r,鋼板標準號為 gb 713。q345r 的許用應力 t 列于下表：表 2.1q345r 在不同溫度和厚度下的許用應力

15、t鋼號板厚/在下列溫度（）下的許用應力/ mpa20100150200250300316189189189183167153q345r1636185185183170157143366018118117316014713360100181181157150137123注意：由 gb150-2011 鋼制壓力容器10.3.1 節(jié)對需要進行全部射線或超聲檢測條件的介紹，本設計采用低合金鋼 q345r 作為材料，故需要進行 100%無損檢測。4第三章 結構設計3.1筒體和封頭結構設計通過第一章第 1.3 節(jié)對尺寸輪廓的初步計算，我們得出了筒體和封頭的公稱直徑為2300mm，筒體長度8000mm，封頭

16、總深h=615mm，內表面積a=6.0233 m2 ，容積為 v 封 =1.7588 m3 。3.1.1 筒體厚度設計由筒體厚度計算式：pc di（3.1）2 t pc其中： -焊接系數，由 gb150-2011 鋼制壓力容器規(guī)定：焊接接頭系數應根據受壓元件的焊接接頭型式及無損檢測的長度比例確定。當進行 100%無損檢測時 取 1.00。本設計設計溫度為 50，由表 3.1 可知，當厚度為 3 16mm 時，t =189mpa，由式（3.1）可得筒體的計算厚度：13.03mm。按照 gb/t709-2006 熱軋鋼和鋼帶的尺寸外形7，本設計鋼板厚度負偏差 c1 為 0.8mm。碳鋼對液氨有良好

17、的耐蝕性腐蝕率在 0.1 /年以下，假設設計壽命為 20 年，則腐蝕余量：c2 0.1 20mm 2mm 。故筒體的設計厚度： dc213.03215.03mm名義厚度： nc1c213.0320.815.83mm 。根據 q345r 鋼板常用規(guī)格，取名義厚度為 16mm。有效厚度： enc16(20.8)13.20mm3.1.2 封頭厚度設計5封頭厚度計算式：pc di2 t 0.5pc解得： 13.00mm可得封頭的設計厚度： dc2 13.00 2 15.00mm名義厚度： nc1 c2 13.00 0.8 2 15.80mm 。同理取名義厚度為 16mm。有效厚度： en c 16 (

18、2 0.8) 13.20mm3.1.3 封頭的結構圖封頭結構圖如圖 4.1 所示，本設計封頭采用標準橢圓封頭8，則di2 ，其中2hihih hd i則h hdi615230040mm44hih圖 3.1 封頭結構圖3.3 接口與接管法蘭設計3.3.1 接管和法蘭本設計液氨儲罐應設置液氨進口、安全閥接口、人孔、空氣進口、空氣出口、壓力表接口、溫度計口、液位計接口、液氨出口。根據 gb150-2011鋼制壓力容器中開孔和開孔補強知，筒體上的開孔應為圓形、橢圓形或長圓形。本設計考慮到圓孔開孔處應力分布比較均勻，故開孔選取圓形。6根據 hg/t 20592-2009鋼制管法蘭9中 37 頁表 8.2

19、 1-1 pn2.5 板式平焊鋼制管法蘭，選取各管口公稱直徑，查得各法蘭的尺寸見表 3.1，查 hg/ t20592-2009鋼制管法蘭中附錄 d 中表 d-3，得各法蘭的質量見表 3.1，根據 hg/t20592-2009鋼制管法蘭4 材料，選用鍛件 16mn，法蘭結構圖如圖 3.2 所示：表 3.1法蘭尺寸參數公鋼管外徑法蘭連接尺寸稱焊縫外徑 a1法蘭法蘭內徑名稱尺法蘭外螺栓孔中螺栓孔螺栓口螺栓厚度b1質量寸徑心圓直徑直徑數量thckgdklnababdn液氨進8088.989190150184m161890.5913.0管口安全閥8088.989190150184m161890.5913

20、.0口空氣進8088.989190150184m161890.5913.0氣口空氣出8088.989190150184m161890.5913.0氣口液氨出8088.989190150184m161890.5913.0氣口視鏡口8088.989190150184m161890.5913.0液位計4048.345130100144m121649.5461.5口壓力表4048.345130100144m121649.5461.5口溫度計4048.345130100144m121649.5461.5孔注：根據 gb150-2011鋼制壓力容器153 頁 6.1.3 節(jié)不另行補強的要求可知，本設計開孔

21、都符合這些要7求，故無需補強。圖 3.2 法蘭結構圖3.3.2 墊片設計查 hg/t 20609-2009鋼制管法蘭用金屬包覆墊片10中 144 頁表 4.0.1 得本設計儲罐各法蘭墊片的尺寸見表 3.2。表 3.2 墊片尺寸表（mm）管口名稱公稱直徑內徑 d1外徑 d2液氨進管口80109.5142安全閥口80109.5142空氣進氣口80109.5142空氣出氣口80109.5142液氨出氣口80109.5142視鏡口80109.5142液位計口406892壓力表口406892注：1：包覆金屬材料為純鋁板，標準為 gb/t 3880，代號為 l3。2：填充材料為有機非石棉纖維橡膠板。3：墊

22、片厚度均為 3mm。83.3.3 螺栓（螺柱）選擇根據 hg/t 20613-2009 鋼制管法蘭用緊固件11中表 5.0.7-2 和附錄中表a.0.1,得法蘭附件螺柱的長度和平墊圈尺寸見表 3.3，螺柱、螺母、平墊圈如圖 4.3，4.4 所示表 3.3螺栓尺寸表(mm)公緊固件用平墊圈質量 kg稱數量名稱螺紋螺柱長d1d2hm直（個）徑液氨進管口80m1648517303136安全閥口80m1648517303136空氣進氣口80m1648517303136空氣出氣口80m1648517303136液氨出氣口80m1648517303136視鏡口80m1648517303136液位計口40m

23、1247013242.556壓力表口40m1247013242.556注：所有螺栓材料均采用 35crmoa。圖 3.3 螺栓螺母結構圖圖 3.4 墊片結構圖93.4附件的設計3.4.1 人孔的設計人孔即檢查孔。壓力容器開設檢查孔目的是為了檢查壓力容器在使用過程中是否產生裂紋，變形，腐蝕等缺陷以及裝拆設備的內部零部件，一般設備的公稱直徑在 900mm 以下時可根據需要設置適當數量的手孔，超過 900mm 時應開設人孔。人孔有圓形和長圓兩種。人孔大小的設置原則是方便人的進出，因此，圓形人孔的公稱直徑規(guī)定為 400600mm。根據壓力容器與化工設備實用手冊，筒體長大于 6000mm，故需要開設兩個

24、人孔。根據儲罐的設計溫度、最高工作壓力、材料、介質特點及使用要求等條件，查標準 hg/t21514-2005鋼制人孔和手孔的類型與技術條件12，選擇水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔，再查水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔的標 hg/t21524-2005水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔13，選用公稱壓力 pn=2.5mpa 的水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔，人孔公稱直徑選定為 dn=450，人孔法蘭采用榫槽密封面（tg 型）和石棉橡膠板墊片。水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔模型圖如圖 4.5 所示，人孔各零件名稱，材質、數量及尺寸見表 3.4圖 3.5 水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔10表 3.4 人孔的 pn2.5dn450 明細表件號

25、標準號名稱數量材料尺寸/mm1gb/t筒節(jié)1q345rdw=480*12713-2008d=456d=6702hg20592法蘭116mn（鍛件）d1 6003hg20592墊片1石棉橡膠板h1 3204hg20592法蘭片1q345rh2 2115hg20613螺栓2035crmoab=426hg20613螺母4030crmob1 417吊環(huán)1q235-a.fb2 458轉臂1q235-a.fa=3809gb/t 95-墊圈 201100hvm=258kg10gb/t螺母 m2025 級6170-200011吊鉤1q235-a.f12環(huán)1q235-a.f13gb/t無縫鋼管1208163-200814支撐板1q3453.4.2 視鏡的選擇根據 nb/t47017-2011壓力容器視鏡14表 3.6，結合視鏡口公稱直徑、本設計公稱壓力，可選用視鏡為不帶射燈和非防爆型射燈結構，不帶沖洗裝置。其結構如圖 3.6