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31立方米液氨储罐设计说明书

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第一章 绪论 (一)设计任务:
针对化工厂中常见的液氨储罐, 完成主体设备的工艺设计和附属 设备的选型设计,绘制总装配图和零件图,并编写设计说明书。

(二)设计思想:
综合运用所学的机械基础课程知识,本着认真负责的态度,对储 罐进行设计。 在设计过程中综合考虑了经济性, 实用性, 安全可靠性。 各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准, 这样让设计有 章可循,并考虑到结构方面的要求,合理地进行设计。 (三)设计特点: 容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组 成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准,设计时可直接选用。 本设计书主要介绍了液罐的的筒体、封头的设计计算,低压通用零部 件的选用。 各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准, 这样让设计有 章可循,并考虑到结构方面的要求,合理地进行设计。

第二章 材料及结构的选择与论证 (一)材料选择:
纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,可以考 虑 20R、16MnR 这两种钢种。如果纯粹从技术角度看,建议选用 20R 类的低碳钢板, 16MnR 钢板的价格虽比 20R 贵,但在制造费用方面, 同等重量设备的计价,16MnR 钢板为比较经济,且 16MnR 机械加工性 能、强度和塑性指标都比较号,所以在此选择 16MnR 钢板作为制造筒 体和封头材料。 (二)结构选择与论证: 1.封头的选择: 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。*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:球形封头用材最少,比椭圆开封头节约,*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.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 的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有 两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径(人、手孔的公称 压力与法兰的公称压力概念类似。 公称直径则指其简节的公称直径)、 工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很 多,选择使用上有较大的灵活性,其尺寸大小及位置以设备内件安装 和工人进出方便为原则。通常可以根据操作需要,在这考虑到人孔盖 直径较大较重, 可选择回转盖对焊法兰人孔。 3.法兰的选择: 法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。缺点是不 能快速拆卸、制造成本较高。压力容器法兰分*焊法兰与对焊法兰。 *焊法兰又分为甲型与乙型两种。甲型*焊法兰有 PN0.25 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa,在较小范围内(DN300 mm ~2000 mm)适用温 度范围为-20℃~300℃。乙型*焊法兰用于 PN0.25 MPa~1.6 MPa 压 力等级中较大的直径范围,适用的全部直径范围为 DN300 mm ~3000 mm,适用温度范围为-20℃~350℃。 对焊法兰具有厚度更大的颈, 进一步增大了刚性。用于更高压力的范围(PN0.6 MPa~6.4MPa)适 用温度范围为-20℃~45℃。法兰设计优化原则:法兰设计应使各项 应力分别接*材料许用应力值, 即结构材料在各个方向的强度都得到 较充分的发挥。 法兰设计时,须注意以下二点:管法兰、钢制管法兰、垫片、紧 固件设计参照原化学工业部于 1997 年颁布的《钢制管法兰、垫片、 紧固件》标准(HG20592~HG20635-1997)的规定。 4.液面计的选择: 液面计是用以指示容器内物料液面的装置,其类型很多,大体上 可分为四类,有玻璃板液面计、玻璃管液面计、浮子液面计和浮标液 面计。在中低压容器中常用前两种。玻璃板液面计有透光式和反射式 两种结构,其适用温度一般在 0~250℃。但透光式适用工作压力较 反射式高。玻璃管液面计适用工作压力小于 1.6MPa,介质温度在 0~ 250℃的范围。液面计与容器的连接型式有法兰连接、颈部连接及嵌

入连接,分别用于不同型式的液面计。液面计的选用: (1)玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵 塞固体的场合。板式液面计承压能力强,但是比较笨重、成本较高。 (2)玻璃板液面计一般选易观察的透光式,只有当物料很干净时 才选反射式。 (3)当容器高度大于 3m 时,玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面 观察效果受到限制,应改用其它适用的液面计。 液氨为较干净的物料,易透光,不会出现严重的堵塞现象,所以 在此选用玻璃管液面计。 4.鞍座的选择: 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*面的影响如容器简体 的弯曲度和局部不圆度、 支座的水*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。所以一台 卧式容器支座一般情况不宜多于二个。 在此选择鞍式双支座,一个 S 型,一个 F 型。

第三章 设计计算 (一)计算筒体的壁厚:
因为液氨的储量为 31m3,按原化工部 1985 年颁布实施的有关贮 罐尺寸和质量的行业标准 《卧式椭圆形封头贮罐系列》 ( HG5-1580-85) , 取 Di=2700mm Pc—设计压力 储罐的最高工作温度为 40℃, 此时氨的饱和蒸汽压 为 1.55MPa ,取此压强的 1.10 倍作为设计压力,故
Pc ? 1 .10 ? 1 .55 ? 1 .705 MP a

在操作温度-5~40℃的范围内, 估计筒体壁厚大约为 16mm, 《常 在 用容器钢板(管)许用应力表》中按设计温度 40℃,板厚 6~16mm 间插值取得 [? ] t ? 200 .75 MP a 焊接接头采用 V 坡口双面焊接,采用全部无损检测,其焊接接头

系数由焊接接头系数表查得 ? =1.00 钢板负偏差由《钢板厚度负偏差表》查得 C1=0.8 mm;液氨为轻 微腐蚀,腐蚀裕量由(壳体、封头腐蚀裕量表)查得 C2=2 mm。 液氨储罐是内压薄壁容器,按公式计算筒体的设计厚度为:
?d ?
Pc ? D i 2[? ] ? ? Pc
t

? C2 ?

1 . 705 ? 2700 2 ? 200 . 75 ? 1 . 00

? 2 ? 13 . 515 mm

考虑到钢板负偏差,所以筒体厚度应再加上 C1,即 13.515+0.8=14.315 根据钢板的厚度规格,查《钢板的常用厚度表》 ,圆整为δ n=16mm

(二)计算封头的壁厚:
采用标准椭圆形封头,各参数与筒体相同。 封头的设计厚度
?d ?
Pc ? D i 2[? ] ? ? Pc
t

? C2 ?

1 . 705 ? 2700 2 ? 200 . 75 ? 1 . 00

? 2 ? 13 . 515 mm

考虑到钢板负偏差,所以封头厚度应再加上 C1, 即 12.515+0.8=14.315 mm 根据钢板的厚度规格,查《钢板的常用厚度表》 ,圆整为 δ n=16mm,可见跟筒体等厚。

(三)水压试验及强度校核:
先按公式确定水压试验时的压力 Pt 为:
[? ] ? ? 1 . 25 ? 1 . 705 ? 2 . 13 MPa ? Pt ? 1 . 25 Pc t [? ] ? ? Pt ? Pc ? 0 . 10 ? 1 . 705 ? 0 . 10 ? 1 . 805 MPa ?

选取两者中压力较大值作为水压试验压力,即取 Pt 水压试验时的应力为
?t ?
Pt ( D i ? ? e ) 2? e ? ? 2 . 13 ? [ 2700 ? (16 ? 0 . 8 ? 2 )] 2 ? (16 ? 0 . 8 ? 2 ) ? 1 ? 218 . 91 MP a

? 2 . 13 MP a ,

查表得厚度为 16mm 的 16MnR 钢板的钢材屈服极限 ? s 故在常温水压试验时的许用应力为
0 . 9? s ? 0 . 9 ? 345 ? 310 .5 MP a

? 345 MP a

故? t

? 0 . 9? s

因此满足水压试验要求

(四)选择人孔并核算开孔补强:
根据储罐是在常温下及最高工作压力为 1.705 MPa 的条件下工作, 人孔的标准按公称压力为 2.5 MPa 等级选取,考虑到人孔盖直径较大 较重,故选用水*吊盖人孔(GH21524-2004),公称直径 450mm,突面 法兰密封面。 该人孔标记为:人孔 RF Ⅳ(A·G)450-2.5 GH21524-2004 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 d i ? 450 mm ,壁厚 ? =10mm 查表得人孔的筒体尺寸为 ? 480×10,由标准查得补强圈尺寸为: 内径 Di=484 外径 Do=760 开孔补强的有关计算参数如下: 1. 筒体的计算壁厚:
m

? ?

Pc D i 2[? ] ? ? Pc
t

?

1 . 705 ? 2700 2 ? 200 . 75 ? 1 ? 1 . 705

? 11 . 515 mm

2. 计算开孔所需补强的面积 A: 开孔直径: d ? di ? 2C ? 450 ? 2 ? ( 0 .8 ? 1) ? 453 .6 mm 补强的面积: A ? d ? ? ? 453 .6 ? 11 .515 ? 5223 .204 mm 2 3. 有效宽度:
B ? 2 ? d ? 2 ? 453 .6 ? 907 .2 mm B ? d ? 2 ? ? n ? 2 ? ? m ? 453 .6 ? 2 ? 16 ? 2 ? 10 ? 505 .6 mm

取最大值 B=907.2mm 4. 有效高度: 外侧高度 h1 或 h1
? d ?? m ? 453 .6 ? 10 ? 67 .35 mm

? 接管实际外伸高度

? 250 mm

两者取较小值 h1 内侧高度 h 2 或 h2
?

? 67 .35 mm
453 . 6 ? 10 ? 67 . 35 mm

d ?? m ?

? 接管实际内伸高度
? 0 mm

? 0 mm

两者取较小值 h 2

5. 筒体多余面积 A1: 筒体有效厚度: ? e
? ? n ? C ? 16 ? 1 .8 ? 14 .2 mm

选择与筒体相同的材料(16MnR)进行补偿,故 f r =1,所以
A1 ? ( B ? d )( ? e ? ? ) ? 2? m (? e ? ? )(1 ? f ? )
? ( 907 . 2 ? 453 . 6 )(14 . 2 ? 11 . 515 ) ? 2 ? 10 ? (14 . 2 ? 11 . 515 )(1 ? 1) ? 1217 . 916 mm
2

6. 接管多余金属的截面积 A2: 接管计算厚度 ? t
? Pc ? d 2[? ] ? ? Pc
t

?

1 . 705 ? 453 . 6 2 ? 200 . 75 ? 1 ? 1 . 705

? 1 . 93 mm

A 2 ? 2 ? h1 (? et ? ? t ) f ? ? 2 ? h 2 (? et ? C 2 ) f ? ? 2 ? h1 (? m ? C ? ? t ) f ? ? 0
? 2 ? 67 . 35 ? (10 ? 1 . 8 ? 1 . 93 ) ? 844 . 569 mm
2

7. 补强区内焊缝截面积 A3:
A3 ? 2 ? 1 2 ? 10 ? 10 ? 100 mm
2

8. 有效补强面积 Ae:
Ae ? A1 ? A 2 ? A3 ? 1217 .916 ? 844 .569 ? 100 ? 2162 .485 mm
2

因为 Ae

? A ,所以需要补强

9. 所需补强截面积 A4:
A 4 ? A ? Ae ? 5223 .204 ? 2162 .485 ? 3060 .719 mm
2

10.补强圈厚度 ? ' : (补强圈内径 D i
? '?
A4 Do ? Di ? 3060 . 719 760 ? 484

? 484

,外径 D o

? 760



? 11 . 09 mm

考虑钢板负偏差并圆整,实取补强厚度 12mm,补强材料与壳体 材料相同,制造时为便于备材,且补强圈耗材也不多,设计时可采 用与壳体相同的板厚,即取 ? ' ? 16 mm

(五)核算承载能力并选择鞍座:
首先粗略计算鞍座负荷 储罐总质量: W =W1 ? W 2 ? W3 ,式中 W 1 —罐体的质量,Kg W 2 —水压试验时水的质量,Kg W 3 —附件的质量,Kg 1. 罐体质量 W1: 储罐公称容积为 31 m 3 ,筒体公称直径 D N =2700 mm,那么每米长 3 的容积为 5.73 m 3 ,《材料与零部件》 由 查得封头容积 V2 =2.8055 m /m, 则 V ? 2V 2 ? LV 1 ? 2 ? 2 .8055 ? L ? 5 .73 ? 31 解得 L=4.43,取 L=4.5 即取 L=4500 罐体的自重由《压力容器设计手册》可查得,公称直径 DN=2700, 壁厚 ? n ? 16 的筒体的重量为 7238Kg,封头自重为 1016Kg,故罐体自 重 W1 ? 7238 ? 2 ? 1016 ? 9270 Kg 2. 水压试验时水的质量 W2: 储罐的总容积 V ? 2V 2 ? LV 1 ? 2 ? 2 .8055 ? 4 .5 ? 5 .73 ? 31 .396 m 3 故水压试验时罐内水重 W 2 ? 31396 Kg 3. 其他附件质量 W3: 人孔质量约为 200Kg,其他接管总和按 350Kg 计 4. 设备总质量 W:
W ? W 1 ? W 2 ? W 3 ? 9270 ? 31396 ? 550 ? 41216 Kg

查《压力容器设计手册》得,公称直径为 2800,高度 H=250 的 A 型鞍座单个允许载荷 447kN>403.9168Kn,故其承载能力足够。标记 为: 支座 Dg2008 A JB/T 4712-1992

(六)选择液面计:

液氨储罐常用玻璃液面计,由储罐公称直径 2700 选择长度为 2000mm 液面计二支,体材料(针形阀)为碳钢,体温型, 液面*庸芪 无缝钢管,液面计相配的接口管尺寸为: ? 32 ? 3 .5 mm *焊管法兰 HG 5010-58 Pg16Dg25 液面计标记 为:玻璃管液面 计 AIDL-1200 HG 5-227-80

(七)选择压力计:
量程装在锅炉、压力容器上的压力表,其最大量程(表盘上刻度 极限值)应与设备的工作压力相适应。压力表的量程一般为设备工作 压力的 1.5~3 倍,最好取 2 倍。若选用的压力表量程过大,由于同 样精度的压力表,量程越大,允许误差的绝对值和肉眼观察的偏差就 越大, 则会影响压力读数的准确性; 反之, 若选用的压力表量程过小, 设备的工作压力等于或接*压力表的刻度极限, 则会使压力表中的弹 性元件长期处于最大的变形状态,易产生永久变形,引起压力表的误 差增大和使用寿命降低。另外,压力表的量程过小,万一超压运行, 指针越过最大量程接*零位,而使操作人员产生错觉,造成更大的事 故。因此,压力表的使用压力范围,应不超过刻度极限的 60~70%。 测量精度压力表的精度是以允许误差占表盘刻度极限值的百分 数来表示的。精度等级一般都标在表盘上,选用压力表时,应根据设 备的压力等级和实际工作需要来确定精度。额定蒸汽压力小于 2.45MPa 的锅炉和低压容器所用的压力表,其精度不应低于 2.5 级; 额定蒸汽压力大于 2.45MPa 的锅炉和中、高压容器的压力表,精度不 应低于 1.5 级。 表盘直径为了使操作人员能准确地看清压力值, 压力表的表盘直 径不应过小。在一般情况下,锅炉和压力容器所用压力表的表盘直径 不应小于 100mm,如果压力表装得较高或离岗位较远,表盘直径还应 增大。 考虑到液氨有一定腐蚀性,所以综合考虑选用隔膜压力表, 技术 指标为: 精度等级: (1 .6 ) 公称直径: ? 50 接头螺纹:1 .5G 1 测量范围: 0 ~ 2 .4 MPa

(八)选配工艺接管:
本储罐设有如下接口管 1.液氨进料管 采用无缝钢管 YB231-70

?

76×4mm ,管的一端伸入罐切成 45°,

管长 400 mm。配用凸面式*焊管法兰 HG 5010-58 Pg16Dg25 2.液氨出料管 采用可拆的压出管 ? 76×4mm,伸入到罐内离罐底约 100 mm,外套 无缝钢管 ? 89×6mm(管壁加厚,具有补强作用),都配用凸面板式*焊 管法兰(HG 5010-58 Pg16Dg25) ,凸面管法兰盖(GB9123.9-88)和 石棉橡胶垫片(GB9126.2-88) 。 3.排污管 在罐的右端最底部设个排污管,规格是 ? 76×4mm,管端焊有与 截止阀相配的管法兰 HG 5010-58 Pg16Dg70。排污管与罐体连接处焊 有一厚度为 10mm 的补强圈. 4.安全阀接口管 安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。 本贮罐选用 ? 76×4mm 的 无缝钢管, 管法兰 HG 5010-58 Pg16Dg70 5.压力表接口管 压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此选用采用 ? 57×3.5mm 无缝钢管,管法兰采用 HG 5010-58 Pg16Dg50。各接管外伸高度都是 150mm。

第四章 设计汇总

技术特性表 名称 设计压力 工作温度 物料名称 容积 指标 1.705MPa ≤40℃ 液氨 31.396m3

接管表

符号

连接法兰标准

密封面形式 突面 突面 突面 突面 突面 突面 突面

用途 液面*涌诠 压力*涌诠 人孔 出料口 进料口 安全阀接口管 排污口

a1-2 HG 5010-58 Pg16Dg25 b1-2 HG 5010-58 Pg16Dg50 c d e f g HG 5010-58 Pg16Dg25 HG 5010-58 Pg16Dg25 HG 5010-58 Pg16Dg25 HG 5010-58 Pg16Dg70 HG 5010-58 Pg16Dg70

第五章 结束语
经过两周的紧张忙碌终于把这次设计做完了。 两周以来虽然很累, 尤其是画图, 因为很久没有用 AUTO CAD 画图, 所以感到特别生疏, 但是在使用了一段时间后还是熟悉了, 又整天对着电脑, 眼睛感到特 别的难受,不过凡事只要坚持就好了。 在这次设计中我要感谢我们的张永强老师,他总是在我们感到困 惑的时候给我们进行耐心的讲解, 正是因为他的耐心与细心, 才能够 使我们的设计能够顺利的进行下去。 还有要感谢我的同学, 是他们一 次次的帮我发现问题,并且耐心的给我指正,谢谢你们了。

第六章 参考文献 [1]《压力容器设计手册》 董大勤 袁凤隐 2005.7 [2]《化工设备设计全书》 王 非 林 英 2003.12 [3]《化工设备机械基础》 (第二版) 潘永亮 2007 [4]《化工制图》 熊洁羽 2007.1 化学工业出版社 [5]《钢制压力容器》 GB150-89 [6]《化工机械基础课程设计》 韩叶象 北京化工学院出版社 [7]中华人民共和国行业标准 JB/T 4746-2002 [8]《金属化工设备零部件》 [9]《材料与零部件》




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