液氨儲罐的設計

1、化工設備機械基礎課程設計題 目：液氨貯罐的機械設計班 級： 07080102 學 號： 0708010213 姓 名： 陳 劍 指導教師： 崔 岳 峰 沈陽理工大學環(huán)境與化學工程學院2010年11月設計任務書課題：液氨儲罐的機械設計設計內(nèi)容：根據(jù)給定的工藝參數(shù)設計一臺液氨儲罐。已知工藝參數(shù)：最高使用溫度：T=50公稱直徑：DN=3000mm筒體長度：L=4500mm具體內(nèi)容包括：（1） 筒體材料的選擇（2） 儲罐的結(jié)構和尺寸（3） 罐的制造施工（焊接 焊縫）（4） 零部件的型號、位置和接口（5） 相關校核計算設計人：陳劍學號：0708010213下達時間：2010年11月19日完成時間：201

2、0年12月24日目 錄前 言 11 液氨儲罐的設計背景 22 液氨儲罐的分類和選型 32.1 儲罐的分類 32.2 儲罐的選型 33 材料用鋼的選取 43.1 容器用鋼 43.2 附件用鋼 44 工藝尺寸的確定 54.1 儲罐的體積 55 工藝計算 65.1 筒體壁厚的計算 65.2 封頭壁厚的計算 65.3 水壓試驗 75.4 支座 7 支座的選取 7 鞍座的計算 7 安裝高度 95.5 人孔的選取 95.6 人孔補強 9 人孔補強的計算 95.6.2 不需補強的最大開孔直徑 115.7 接口管 12 液氨進料管 12 液氨出料管 12 排污管 12 液面計接管 12 放空接口管 13 安裝

3、閥接口管 136 參數(shù)校核 146.1 筒體軸向應力校核 146.1.1 筒體軸向彎矩的計算 14 筒體軸向應力的計算 146.2 筒體和封頭切向應力的校核 15 筒體切向應力的計算 15 封頭切向應力的計算 166.3 筒體環(huán)向應力的計算與校核 16 環(huán)向應力的計算 16 環(huán)向應力校核 176.4 鞍座有效斷面平均壓力 177 總結(jié) 188 設計結(jié)果一覽表 199 液氨儲罐化工設計圖 20參考文獻 21前 言本學期在學習完化工設備機械基礎理論課同時，老師下設了關于化工設備機械基礎的課程設計-液氨儲罐的機械設計，讓我們學好理論知識的同時讓我們懂得如何將學到的理論知識運用到實際生產(chǎn)中去，懂得如何

4、綜合考慮實際問題。本次設計是關于液氨儲罐的設計，在老師給定的相關條件下，充分利用課堂上學到的理論知識發(fā)散思維、擴寬視野使之能更好的聯(lián)系實際的生產(chǎn)，在實際的操作中我們應考慮的問題非常多，比如說：液氨的一些性質(zhì)、容器的受壓情況、操作的壓力、操作的溫度等等。充分考慮上述條件的同時設計出符合標準的液氨儲罐。這樣不僅使我們所學的理論知識的到進一步的提高，也使我們可以了解到更多的實際生產(chǎn)中應該注意的問題，使我們收益匪淺。通過這次課程設計是我深刻了解到理論知識與實際應用的差別，讓我們學到了很多東西比如：如何聯(lián)系實際考慮問題，分析問題，解決問題?？紤]到經(jīng)濟上的問題去解決問題。使我們學到很多有用的東西。1 液氨

5、儲罐的設計背景化學工業(yè)和其它流程工業(yè)的生產(chǎn)都離不開容器。所有的化工設備的殼體都是一種容器，容器的應用遍及各行各業(yè)，諸如航空、航海、機械制造、輕工、動力等行業(yè)。然而化工容器又有其本身特點，不僅要適應化學工藝過程所要求的壓力和溫度條件，還要承受化學介質(zhì)的作用，要能長期的安全工作且保證良好的密封。因此在容器的設計中應綜合考慮個方面的因素，使之達到最優(yōu)。液氨主要用于生產(chǎn)硝酸、尿素和其它化學肥料，還可用作醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料。在國防工業(yè)中用于制造火箭、導彈的推進劑，可用作有機化工產(chǎn)品的氨化原料，還可用作冷凍劑，將氨進行分解，分解成氫氮混合氣體這種混合氣體是一種良好的保護氣體，可以廣泛地應用于半導體工業(yè)、冶金

6、工業(yè)以及需要保護氣氛的其它工業(yè)和科學研究中。為能夠進行連續(xù)的生產(chǎn)，需要有儲存液氨的容器，因此設計液氨貯罐是制造貯罐的必備步驟，是化工生產(chǎn)能夠順利進行的前提。2 液氨儲罐的分類和選型2.1 儲罐的分類儲罐按其形式可分為方形和矩形容器、球形容器、圓筒形容器（立式、臥式）。按其承壓性質(zhì)和能力可分為內(nèi)壓和外壓，內(nèi)壓容器又可分為常壓、低壓、中壓、高壓、超高壓等五類。根據(jù)使用時候的壁溫，可分為常溫容器、高溫容器、中溫容器和低溫容器。按其結(jié)構材料分類，容器有金屬制的和非金屬制的兩類。按其反應情況可分為反應壓力容器（R）、換熱壓力容器（E）、分離壓力容器（S）、儲存壓力容器（C）等。2.2 儲罐的選型在本設計

7、中經(jīng)初步計算設計體積較小（約為3540 m3）且工作壓力較?。╬0=2.125MPa），因此可采用臥式圓筒形容器（因為作為容器主體的圓柱形筒體，制造容易，安裝內(nèi)件方便，而且承壓能力較好），方形和矩形容器大多只在很小設計體積時采用，因其承壓能力較小且使用材料較多；而球形容器雖承壓能力較強且節(jié)省材料，但制造較難和安裝內(nèi)件不方便，一般不使用。立式圓筒形容器承受自然原因引起的應力破壞的能力較弱，綜合上訴考慮本設計選用圓筒形臥式容器。3 材料用鋼的選取3.1 容器用鋼壓力容器的使用工況（如溫度、壓力、介質(zhì)特性和操作特點等）差別很大，制造壓力容器所用的鋼種類很多，既有碳素鋼、低合金高強度鋼和低溫鋼，也有中

8、溫抗氫鋼、不銹鋼和耐熱鋼，還有復合鋼板。一般的低壓設備可采用屈服極限為245Mpa345Mpa級別的鋼材；直徑較大、壓力較高的設備，均可采用普通低碳鋼，強度級別宜用400Mpa級或者以上；如果容器的操作溫度超過400還需考慮材料的蠕變強度和持久強度。16MnR（GB 6654-1996）鋼在板厚為16-36mm時候的屈服極限是350Mpa級的普通低合金高強度鋼，具有良好的綜合力學性能、焊接性能、工藝性能以及低溫沖擊韌性。在焊接壓力容器時采用堿性焊條（J507），15MnVR鋼和18MnMoNbR鋼是屈服強度分別為370、500Mpa級普通低合金高強度鋼，雖然有較高的強度，但韌性、塑性都較C-M

9、n鋼低，且有較高的缺口敏感性和時效敏感性。并且這兩類鋼均較16MnR鋼昂貴。因此，選用16MnR GB（6654-1996）鋼既符合工藝要求也節(jié)約資源，以便獲得更好的經(jīng)濟價值。3.2 附件用鋼優(yōu)質(zhì)低碳鋼的強度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設備制造中常用作熱交換器列管、設備接管、法蘭的墊片包皮。優(yōu)質(zhì)中碳鋼的強度較高，韌性較好，但焊接性能較差，一般不宜用作接口管用鋼。由于接管要求焊接性能好且塑性應該較好，故選擇10號優(yōu)質(zhì)低碳鋼的普通無縫鋼管制作各型號接管（因為低碳鋼的塑性和韌性較好。因此，其冷成形性良好可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進行冷成形。這種鋼翅具有良好的焊接性）。由于法蘭必須具有足夠大

10、的強度和剛度且能耐腐蝕，成本低廉等，綜合上訴考慮選用Q235-A（強度極限400Mpa，屈服極限240Mpa）的普通低碳鋼。但是應注意容器法蘭與管法蘭不能互換。4 工藝尺寸的確定4.1 儲罐的體積筒體長度：L=4500mm 公稱直徑：DN=3000mm則圓柱形筒體的體積為： （4.1）筒體的總內(nèi)表面積： （4.2）封頭壁厚為22mm ，則取直邊高度為50mm。經(jīng)查表的則封頭的總?cè)莘e為：單個封頭的表面積： 封頭的總內(nèi)表面積為：筒體的總體積為：V=筒體的總內(nèi)表面積：長徑比為： (4.35 工藝計算5.1 筒體壁厚的計算根據(jù)公式： (5.1式中： 圓筒的計算壓力，MPa； 圓筒的內(nèi)徑，mm；鋼板在設

11、計溫度t下的許用應力，MPa； 焊接接頭系數(shù)，1;在設計溫度為50時候，氨的飽和蒸汽壓為（絕對壓力），儲罐的表壓為：，在容器上有安全閥的時候取1.05 1.1為最高工作壓力的設計壓力。即：P=1.116MnR在40的時候許用壓力為：（見附表）公稱直徑Di=3000mm (雙面對接焊縫，100%探傷，見表由于液氨有一定的腐蝕性，故屬于單面腐蝕，取查表 ：取鋼的負偏差則筒體的計算壁厚圓整后，圓筒的名義厚度為5.2 封頭壁厚的計算本設計采用標準橢圓封頭（2:1）即：K（形狀系數(shù)）=1.0。根據(jù)公式，封頭的設計壁厚為： (5.2查表：取鋼板的負偏差，則筒體的計算壁厚為：。上式中（因鋼板的最大寬度為3m

12、，此儲罐直徑為3000mm故封頭需焊后沖壓），其他符號同前?？紤]沖壓減薄量，圓整后取名義厚度的16MnR鋼制作封頭。5.3 水壓試驗很據(jù)公式： (5.3其中： （查表得：）故符合工藝條件的要求。5.4 支座 支座的選取支座用來支撐容器的重量，固定容器的位置并使容器在操作中保持穩(wěn)定。臥式圓筒形容器的支座分為鞍座、圈座和支腿三類。常見的臥式容器和大型臥式儲罐大多采用鞍座。主要由于鞍座的承壓能力較好且對筒體的局部阻力較小，故采用鞍座。鞍座又分為輕型（A）和重型（B）兩大類，每種形式的鞍座又分為固定支座（F）和滑動支座（S），在一臺容器上F型與S型總是配對使用。本設計中由于儲罐的體積較小且長徑比較小，

13、故采用A型雙鞍座，在、其中一個為F型另一個為S型。5.4.2 鞍座的計算首先估算鞍座的負荷。儲罐的總質(zhì)量：式中：m1為筒體質(zhì)量（kg），m2為封頭質(zhì)量（kg），m3為液氨質(zhì)量（kg），m4為附件質(zhì)量（kg）。筒體的質(zhì)量m1DN=3000mm，的筒節(jié)，每米的質(zhì)量為1640kg（查表4得）故封頭的質(zhì)量m2DN=3000mm，直邊高度h=50mm的標準橢圓形封頭，其質(zhì)量為1780kg（查表6），故液氨的質(zhì)量m3上式中：為裝料系數(shù)，取0.7; V為貯罐容積，V=39.58 m3 為液氨在-200C時候的密度為665kg/m3。故：18424.5kg附件的質(zhì)量：人孔約重200kg ，其他接口管的總重約為

14、350kg。則：m4=550kg經(jīng)過上述計算得：由于每個鞍座承受約146kN負荷，故選用輕型帶墊板包角為1200的鞍座，即JB/T4712-1992鞍座A3000-F, JB/4712-1992鞍座A3000-S。表3.1 A型支座系列參數(shù)尺寸公稱直徑DN允許載荷kN高度H底板腹板筋板墊板地腳螺栓弧長規(guī)格3000786250218036014103413164063490500106528M245.4.3 安裝高度儲罐的總長我為：L=4500+（750+50）x2=6100mm=6.1m由公式：L2ala0.208L得：a為鞍座離罐體一端的距離，l為兩鞍座之間的距離。計算的，a=1.27m=1

15、270mm，l=3.56m=3560mm。5.5 人孔的選取壓力容器人孔是為了檢查設備的內(nèi)部空間以及安裝和拆卸設備的內(nèi)部構件。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般的人孔有兩個手柄。人孔分為：板式平焊法蘭人孔、帶頸平焊法蘭人孔、帶頸對焊法蘭人孔。根據(jù)儲罐在常溫下及高溫工作壓力為2.125Mpa的條件下工作，人孔的標準公稱壓力為2.125Mpa等級選取，考慮到人孔較大較重，故選用水平呆吊蓋帶頸對焊法蘭人孔。公稱直徑為450mm，突面法蘭密封面。表4-1 水平吊蓋帶頸對焊法蘭人孔標準尺寸公稱壓力MPa公稱直徑mmdw×SDD1dbb1b2AH1H2d02.5450480×1

16、267060045046404438032021436該人孔標記為：人孔RF （A·G）450-2.5 HG21524-955.6 人孔補強 人孔補強的計算為了滿足各種工藝和結(jié)構上的要求，不可避免的要在容器的筒體或封頭上開孔并安裝接管。開孔后，殼壁因除去可一部分承載的金屬材料而被消弱，進而出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。為保證容器的安全運行，對開孔必須采取適當?shù)拇胧┘右匝a強以降低峰值的應力。這里采用補強圈補強，因其結(jié)構簡單、制造方便、使用經(jīng)驗豐富進而被廣泛使用。由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標準，本設計所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑為，壁厚。由標準查得補強圈尺寸為：外徑，內(nèi)徑。開孔補

17、強的有關計算如下：(1 不計焊縫系數(shù)的筒體計算壁厚： (5.5(2 開孔所需補強的面積A：開孔直徑： 開孔所需的補強面積：(3 補強有效區(qū)的范圍：有效寬度B： (5.6取二者中之大值外側(cè)有效高度： (5.7或取二者中的最小值內(nèi)側(cè)有效高度： (5.8或取二者中之小值(4 有效補償面積 (5.9式中 補強面積，；殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，；接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，；焊縫金屬截面積，；其中 (5.10筒體的有效厚度為：接管材料選擇與筒體相同的材料（16MnR）進行補償，故，代入上式得接管計算厚度 (5.11有效補強面積因，所以開孔需另加補強。所需補強面積(5 補強圈厚度

18、圓整后取26mm，補強材料與殼材料相同，為16MnR5.6.2 不需補強的最大開孔直徑由于鋼板具有一定的規(guī)格，殼體的壁厚往往超過實際強度的需要，厚度增加，使最大應力降低，相當于容器已被整體加強，并且容器的開孔總有接管相連，其接管多于實際需要的壁厚也起補強作用。同時由于容器材料具有一定的塑性儲備，允許承受不大的局部應力。故當孔徑不超過一定數(shù)值時，可不進行補強。不需要補強的條件:設計壓力小于或等于 2.5MPa；兩相鄰開孔中心的間距應不小于兩孔徑之和的兩倍；接管公稱外徑小于或等于89mm；接管最小壁厚滿足下表的要求。接管最小壁厚接管公稱直徑253238454857657689最小壁厚3.54.05

19、.06.0注:接管的腐蝕裕量為1mm5.7 接口管 液氨進料管進料管伸進設備內(nèi)部并將管口的一端切成450 ，為了是避免物料沿設備內(nèi)壁流動一減少磨蝕和腐蝕。為了在短時間內(nèi)將物料注滿容器。取的低合金無縫鋼管。配用具有凸面密封的平焊管法蘭，法蘭標記：HG20592 法蘭PL68-1.6 RF 16Mn5.7.2 液氨出料管在化工生產(chǎn)中，有時需要將液體介質(zhì)運送到與容器平行的或較高的設備中去，并且獲得純凈無雜質(zhì)的物料。故采用可拆的壓料管排料方式。取壓出管，將它用法蘭固定接口管內(nèi)。筒體的接口管法蘭采用HG20592 法蘭PL32-1.6 RF16Mn相配并焊接在壓出管的法蘭上，其連接尺寸和厚度與HG205

20、92 法蘭PL32-1.6RF16Mn內(nèi)徑為25mm液氨壓出管的端部法蘭采用HG20592 法蘭PL20-1.6 RF 16Mn。5.7.3 排污管在清洗儲罐時候，為了能將廢液完全排除儲罐外，液氨介質(zhì)會腐蝕管壁而出現(xiàn)沉淀，故需在筒體底部安設排污管一個。因此管子規(guī)格取為：，管端焊有一與截止閥J41W-16相配的法蘭HG20592 法蘭PL50-1.6 RF 16Mn。5.7.4 液面計接管液面計是用來觀察設備內(nèi)部液位變化的一種裝置，通過測量液位來確定容器中物料的數(shù)量。由于設備不大且壓力較小，物料潔凈。故采用玻璃管防霜液面計AI2.5-1260-50 HG/T21550-93兩支。與液面計相配的接

21、口管尺寸為：，管法蘭HG20592 法蘭PL15-1.6 RF 16Mn5.7.5 放空接口管為了在注入液體時，能將容器內(nèi)的空氣排到罐體外以便能順利快速的注入，需要安設一個放空管。采用的無縫鋼管，管法蘭為：HG20592 法蘭 PL25-2.5 RF 16Mn5.7.6 安裝閥接口管安全閥是通過閥的自動開啟排出氣體來降低容器內(nèi)過高的壓力。為了操作的安全，因此需設一安全閥，安全閥的接口管尺寸由安全閥泄放量決定。因此選用的無縫鋼管，管法蘭HG20592 法蘭 PL25-1.6 RF 16 Mn。接口管中，因其選擇的條件在不需補強的條件之內(nèi)，因此，以上接口管在筒體上的開孔不需要補強。6 參數(shù)校核6.

22、1 筒體軸向應力校核6.1.1 筒體軸向彎矩的計算筒體中間處截面的彎矩為： (6.1式中:F鞍座反力（N）；Rm橢圓封頭長半軸外半徑（mm）；L兩封頭切線之間的距離（mm）；A鞍座的位置（mm）；hi筒體內(nèi)半徑（mm）；其中Rm=1522mm支座處截面上的彎矩: （6.2）故：6.1.2 筒體軸向應力的計算由化工機械工程手冊（上卷，P1199）得K1=K2=1.0。因為M1M2，且ARm/2=762mm，故最大軸向應力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應力。（1）有彎矩引起的軸向應力筒體中間截面上最高點處： （6.3）所以最低點處：。鞍座截面處最高點處：最低點處：（2）有設計壓力引起的軸向應力由： （6

23、.4）所以：（3） 軸向應力組合與校核最大軸向拉應力出現(xiàn)在筒體中間截面最低處，所以有：許用軸向拉壓應力t=163MPa，而2t合格。最大軸向壓應力出現(xiàn)在充滿水時，在筒體中間截面最高處，軸向許用應力，根據(jù)A值查外壓容器設計的材料溫度線圖5得B=150MPa，取許用壓縮應力ac=150MPa，1ac，合格。6.2 筒體和封頭切向應力的校核因筒體被封頭加強，筒體和封頭中的切向剪應力分別按下列計算 筒體切向應力的計算由化工機械工程手冊（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以6.2.2 封頭切向應力的計算因h1.25t-h,所以合格。6.3 筒體環(huán)向應力的計算與校核6.3.1

24、 環(huán)向應力的計算設墊片不起作用（1）在鞍座處橫截面最低點 （6-5）式中 b2筒體的有效寬度，mm。由化工機械工程手冊（上卷，P11-101）查得，K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1，考慮容器焊在鞍座上 （6.6）式中 b鞍座軸向?qū)挾?，mm。所以所以（2）鞍座邊角處軸向應力因為L/Rm=6144/1522=4.148,且 （6.7）所以：6.3.2 環(huán)向應力校核5t=163MPa，合格。1.25t=1.25×163=203.75MPa，合格。6.4 鞍座有效斷面平均壓力鞍座承受的水平分力 （6-8）由化工機械工程手冊（上卷，P11-103）查得，K9=0.204。所以。鞍座有效斷面平均應力 （6.9）式中 Hs鞍座的計算高度，mm；b0鞍座的腹板厚度，mm。其中Hs取鞍座實際高度（H=250mm）和Rm/3=1522/3=5