楼上老王
范文一：液氨储罐的设计
题 目：液氨贮罐的机械设计
班 级： 07080102
学 号： 0708010213
姓 名： 陈 剑
指导教师： 崔 岳 峰
沈阳理工大学环境与化学工程学院
2010年11月 化工设备机械基础课程设计
设计任务书
课题：液氨储罐的机械设计
设计内容：根据给定的工艺参数设计一台液氨储罐。
已知工艺参数：
最高使用温度：T=50℃
公称直径：DN=3000mm
筒体长度：L=4500mm
具体内容包括：
（1） 筒体材料的选择
（2） 储罐的结构和尺寸
（3） 罐的制造施工（焊接 焊缝）
（4） 零部件的型号、位置和接口
（5） 相关校核计算
设计人：陈剑
学号：0708010213
下达时间：2010年11月19日
完成时间：2010年12月24日
目 录
前 言 ............................................................................................................................................................. 1 1 液氨储罐的设计背景 ......................................................................................................................... 2 2 液氨储罐的分类和选型 ..................................................................................................................... 3
2.1 储罐的分类 .................................................................................................................................. 3
2.2 储罐的选型 .................................................................................................................................. 3 3 材料用钢的选取 .................................................................................................................................. 4
3.1 容器用钢 ...................................................................................................................................... 4
3.2 附件用钢 ...................................................................................................................................... 4 4 工艺尺寸的确定 .................................................................................................................................. 5
4.1 储罐的体积 .................................................................................................................................. 5 5 工艺计算 ................................................................................................................................................ 6
5.1 筒体壁厚的计算 ......................................................................................................................... 6
5.2 封头壁厚的计算 ......................................................................................................................... 6
5.3 水压试验 ...................................................................................................................................... 7
5.4 支座 ................................................................................................................................................ 7
5.4.1 支座的选取 ....................................................................................................................... 7
5.4.2 鞍座的计算 ....................................................................................................................... 7
5.4.3 安装高度 ........................................................................................................................... 9
5.5 人孔的选取 .................................................................................................................................. 9
5.6 人孔补强 ...................................................................................................................................... 9
5.6.1 人孔补强的计算 ............................................................................................................. 9
5.6.2 不需补强的最大开孔直径 ......................................................................................... 11
5.7 接口管 ......................................................................................................................................... 12
5.7.1 液氨进料管 ..................................................................................................................... 12
5.7.2 液氨出料管 ..................................................................................................................... 12
5.7.3 排污管 .............................................................................................................................. 12
5.7.4 液面计接管 ..................................................................................................................... 12
5.7.5 放空接口管 ..................................................................................................................... 13
5.7.6 安装阀接口管 ................................................................................................................ 13
6 参数校核 ............................................................................................................................................ 14
6.1 筒体轴向应力校核 ............................................................................................................... 14
6.1.1 筒体轴向弯矩的计算 ................................................................................................ 14
6.1.2 筒体轴向应力的计算 ................................................................................................ 15
6.2 筒体和封头切向应力的校核 .............................................................................................. 15
6.2.1 筒体切向应力的计算 ................................................................................................ 16
6.2.2 封头切向应力的计算 ................................................................................................ 16
6.3 筒体环向应力的计算与校核 .............................................................................................. 16
6.3.1 环向应力的计算 ......................................................................................................... 16
6.3.2 环向应力校核 .............................................................................................................. 17
6.4 鞍座有效断面平均压力 ....................................................................................................... 17 7 总结 ......................................................................................................................................................... 19 8 设计结果一览表 ................................................................................................................................ 20 9 液氨储罐化工设计图 ....................................................................................................................... 21 参考文献 ...................................................................................................................................................... 22
前 言
本学期在学习完化工设备机械基础理论课同时，老师下设了关于化工设备机械基础的课程设计-液氨储罐的机械设计，让我们学好理论知识的同时让我们懂得如何将学到的理论知识运用到实际生产中去，懂得如何综合考虑实际问题。
本次设计是关于液氨储罐的设计，在老师给定的相关条件下，充分利用课堂上学到的理论知识发散思维、扩宽视野使之能更好的联系实际的生产，在实际的操作中我们应考虑的问题非常多，比如说：液氨的一些性质、容器的受压情况、操作的压力、操作的温度等等。充分考虑上述条件的同时设计出符合标准的液氨储罐。这样不仅使我们所学的理论知识的到进一步的提高，也使我们可以了解到更多的实际生产中应该注意的问题，使我们收益匪浅。
通过这次课程设计是我深刻了解到理论知识与实际应用的差别，让我们学到了很多东西比如：如何联系实际考虑问题，分析问题，解决问题。考虑到经济上的问题去解决问题。使我们学到很多有用的东西。
1 液氨储罐的设计背景
化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综合考虑个方面的因素，使之达到最优。
液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。
为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。
2 液氨储罐的分类和选型
2.1 储罐的分类
储罐按其形式可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。 按其承压性质和能力可分为内压和外压，内压容器又可分为常压、低压、中
压、高压、超高压等五类。
根据使用时候的壁温，可分为常温容器、高温容器、中温容器和低温容器。
按其结构材料分类，容器有金属制的和非金属制的两类。
按其反应情况可分为反应压力容器（R）、换热压力容器（E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。
2.2 储罐的选型
在本设计中经初步计算设计体积较小（约为35—40 m3）且工作压力较小（p0=2.125MPa），因此可采用卧式圆筒形容器（因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好），方形和矩形容器大多只在很小设计体积时采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力较强且节省材料，但制造较难和安装内件不方便，一般不使用。立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，综合上诉考虑本设计选用圆筒形卧式容器。
3 材料用钢的选取
3.1 容器用钢
压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。
一般的低压设备可采用屈服极限为245Mpa~345Mpa级别的钢材；直径较大、压力较高的设备，均可采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或者以上；如果容器的操作温度超过400℃还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。
16MnR（GB 6654-1996）钢在板厚为16-36mm时候的屈服极限是350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507）?2?，15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度分别为370、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵。
因此，选用16MnR GB（6654-1996）钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值。
3.2 附件用钢
优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。
优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，一般不宜用作接口管用钢。 由于接管要求焊接性能好且塑性应该较好，故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管（因为低碳钢的塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢翅具有良好的焊接性）。
由于法兰必须具有足够大的强度和刚度且能耐腐蚀，成本低廉等，综合上诉考虑选用Q235-A（强度极限400Mpa，屈服极限240Mpa）的普通低碳钢。但是应注意容器法兰与管法兰不能互换。
4 工艺尺寸的确定
4.1 储罐的体积
筒体长度：L=4500mm 公称直径：DN=3000mm πDN23.14?32
?L??31.8m3 （4.1） 则圆柱形筒体的体积为：V0?44
筒体的总内表面积：S0?ΠDL?3.14?3?4.5?42.39m2 （4.2）
封头壁厚为22mm ，则取直边高度为50mm。经查表(2)的V1?3.89m3
则封头的总容积为：V2?2V1?7.78m3
单个封头的表面积：S1?10.25m2
封头的总内表面积为：S2?2S1?20.5m2
筒体的总体积为：V=V0?V2?7.78?31.8?39.58m3
筒体的总内表面积：S?S0?S2?20.5?42.39?62.89m2 长径比为：S62.89??1.59 (4.3) V39.58
5 工艺计算
5.1 筒体壁厚的计算
根据公式：δd?
式中： PcDi?C2 (5.1) 22[δ]φ?PC
???——钢板在设计温度t下的许用应力，MPa； tp ——圆筒的计算压力，MPa； D ——圆筒的内径，mm； ci
? ——焊接接头系数，?≤1;
在设计温度为50℃时候，氨的饱和蒸汽压为P0?2.032Mpa（绝对压力），
储罐的表压为：P表?2.032?0.1?1.932Mpa，
在容器上有安全阀的时候取1.05 ~1.1为最高工作压力的设计压力。即：P=1.1P0?1.932?1.1?2.125Mpa
16MnR在40℃的时候许用压力为：[б]40℃?170Mpa（见附表）
公称直径Di=3000mm
??1.0 (双面对接焊缝，100%探伤，见表)
由于液氨有一定的腐蚀性，故属于单面腐蚀，取C2?1mm
δd?PcDi2.125?3000??1?19.87mm ?C22?170?1?2.1252[δ]2φ?PC
查表 ：取钢的负偏差C1?0.8mm
则筒体的计算壁厚δ?δd?C1?19.87?0.8?20.67mm
圆整后，圆筒的名义厚度为δn?22mm
5.2 封头壁厚的计算
本设计采用标准椭圆封头（2:1）即：K（形状系数）=1.0。
根据公式，封头的设计壁厚为：piDi
?d?2??0.5p?C2?18.81mm
c (5.2)
查表：取钢板的负偏差C1?0.8mm，
则筒体的计算壁厚为：???d?C1?19.61mm。 上式中??1.0
（因钢板的最大宽度为3m，此储罐直径为3000mm故封头需焊后冲压）， 其他符号同前。
考虑冲压减薄量，圆整后取名义厚度?n?22mm的16MnR钢制作封头。
5.3 水压试验
很据公式：
?
t
?
PT(Di??e)?0.9
2
e
?
s
(5.3)
其中：PT?1.25P?1.25?2.125?2.66Mpa
） ?e??n?C?22?1.8?20.2mm ?s?325MPa （查表得：
?T?
2.66?(3000?20.2)
?149.5MPa?0.9?325?292.5MPa
2.66?20.2?1.0
故符合工艺条件的要求。
5.4 支座
5.4.1 支座的选取
支座用来支撑容器的重量，固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。卧式圆筒形容器的支座分为鞍座、圈座和支腿三类。常见的卧式容器和大型卧式储罐大多采用鞍座。主要由于鞍座的承压能力较好且对筒体的局部阻力较小，故采用鞍座。
鞍座又分为轻型（A）和重型（B）两大类，每种形式的鞍座又分为固定支座（F）和滑动支座（S），在一台容器上F型与S型总是配对使用。
本设计中由于储罐的体积较小且长径比较小，故采用A型双鞍座，在、其中一个为F型另一个为S型。
5.4.2 鞍座的计算
首先估算鞍座的负荷。
储罐的总质量：m?m1?m2?m3?m4
式中：m1为筒体质量（kg），m2为封头质量（kg），m3为液氨质量（kg），m4为附件质量（kg）。 筒体的质量m1
DN=3000mm，?n?22mm的筒节，每米的质量为1640kg（查表4得） 故m1?1640?4.5?7380kg 封头的质量m2
DN=3000mm，其质量为1780kg?n?22mm直边高度h=50mm的标准椭圆形封头，（查表6），
故m2?2?1780?3560kg 液氨的质量m3
m3??V?
上式中：?为装料系数，取0.7; V为贮罐容积，V=39.58 m3 ?为液氨在-200C时候的密度为665kg/m3。 故：m3?0.7?39.58?665?18424.5kg 附件的质量：
人孔约重200kg ，其他接口管的总重约为350kg。 则：m4=550kg
经过上述计算得：m?m1?m2?m3?m4?7380?3560?18424.5?550?29914.5kg
Q?
mg29914.5?9.8
??146581.1N?146kN 22
由于每个鞍座承受约146kN负荷，故选用轻型带垫板包角为1200的鞍座，即JB/T4712-1992鞍座A3000-F, JB/4712-1992鞍座A3000-S。
表3.1 A型支座系列参数尺寸
5.4.3 安装高度
储罐的总长我为：L=4500+（750+50）x2=6100mm=6.1m 由公式：L＝2a＋l a＝0.208L得：
a为鞍座离罐体一端的距离， l为两鞍座之间的距离。 计算的，a=1.27m=1270mm， l=3.56m=3560mm。
5.5 人孔的选取
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。一般的人孔有两个手柄。人孔分为：板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔、带颈对焊法兰人孔。根据储罐在常温下及高温工作压力为2.125Mpa的条件下工作，人孔的标准公称压力为2.125Mpa等级选取，考虑到人孔较大较重，故选用水平呆吊盖带颈对焊法兰人孔。公称直径为450mm，突面法兰密封面。
表4-1 水平吊盖带颈对焊法兰人孔标准尺寸
该人孔标记为：人孔RF Ⅲ（A·G）450-2.5 HG21524-95
5.6 人孔补强
5.6.1 人孔补强的计算
为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去可一部分承载的金属材料而被消弱，进而出现应力集中的
现象。为保证容器的安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强以降低峰值的应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富进而被广泛使用。
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di?450mm，壁厚
?
m
?12mm。由标准查得补强圈尺寸为：外径
D2?760mm，内径D1?484mm。 开孔补强的有关计算如下：
(1) 不计焊缝系数的筒体计算壁厚： δ?
PcDi2.125?3000
??18.87mm (5.5) t
2[δ]?PC2?170?2.125
(2) 开孔所需补强的面积A：
开孔直径：d?di?2c?450?2?1.8?453.6mm
.43mm2 开孔所需的补强面积：A?d???453.6?18.87?8559
(3) 补强有效区的范围：
有效宽度B：B?2d?2?453.6?907.2mm
B?d?2?n?2?m?453.6?2?22?2?12?521.6mm (5.6)
取二者中之大值B?907.2mm
外侧有效高度：h1?d?m?453.6?12?73.78mm (5.7) 或h1?接管实际外伸长度?250mm 取二者中的最小值h1?73.78mm
内侧有效高度：h2?d??m?453.6?12?73.78mm (5.8)
或h2?接管实际内伸高度?0mm 取二者中之小值h2?0mm
(4) 有效补偿面积 Ae?A1?A2?A3 (5.9)
式中 Ae——补强面积，mm；
A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm2；
2
A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，mm；
2
A3——焊缝金属截面积，mm；
2
其中 A1?(B?d)(?e??)?2?m(?e??)(1?fr) (5.10) 筒体的有效厚度为：?e??n?C?22?1.8?20.2mm
接管材料选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故fr?1，代入上
式得
A1?(907.2?453.6)(20.2?18.87)?603.3mm2 接管计算厚度?t?
Pc?d2.125?453.6
??2.85mm t
2?170?1?2.1252???Pc
A2?2h1(?et??t)fr?2h2(?et?C2)fr (5.11)
?2h1(?m?C??t)fr?0
?2?73.78?(12?1.8?2.85)
?1084.6mm2
1
A3?2??12?12?144mm2
2
有效补强面积Ae?A1?A2?A3?603.3?1084.6?144?1831.9mm2 因Ae?A，所以开孔需另加补强。
所需补强面积A4?A?Ae?8559.43?1831.9?6727.53mm2 (5) 补强圈厚度??
A46727.53
??24.38mm
D2?D1760?484
圆整后取26mm，补强材料与壳材料相同，为16MnR
5.6.2 不需补强的最大开孔直径
由于钢板具有一定的规格，壳体的壁厚往往超过实际强度的需要，厚度增加，使最大应力降低，相当于容器已被整体加强，并且容器的开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。同时由于容器材料具有一定的塑性储备，允许承受不大的局部应力。故当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。 不需要补强的条件:
○设计压力小于或等于 2.5MPa；
○两相邻开孔中心的间距应不小于两孔径之和的两倍； ○接管公称外径小于或等于89mm； ○接管最小壁厚满足下表的要求。
接管最小壁厚
注:接管的腐蚀裕量为1mm
5.7 接口管
5.7.1 液氨进料管
进料管伸进设备内部并将管口的一端切成450 ，为了是避免物料沿设备内壁流动一减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。
取??76mm?4mm的低合金无缝钢管。配用具有凸面密封的平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰PL68-1.6 RF 16Mn
5.7.2 液氨出料管
在化工生产中，有时需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。
故采用可拆的压料管排料方式。取压出管??25mm?3mm，将它用法兰固定接口管??38mm?3.5mm内。
筒体的接口管法兰采用HG20592 法兰PL32-1.6 RF16Mn相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与HG20592 法兰PL32-1.6RF16Mn内径为25mm
液氨压出管的端部法兰采用HG20592 法兰PL20-1.6 RF 16Mn。
5.7.3 排污管
在清洗储罐时候，为了能将废液完全排除储罐外，液氨介质会腐蚀管壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。
因此管子规格取为：??57mm?3.5mm，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的法兰HG20592 法兰PL50-1.6 RF 16Mn。
5.7.4 液面计接管
液面计是用来观察设备内部液位变化的一种装置，通过测量液位来确定容器中物料的数量。由于设备不大且压力较小，物料洁净。
故采用玻璃管防霜液面计AI2.5-1260-50 HG/T21550-93两支。
??18mm?3mm，与液面计相配的接口管尺寸为：管法兰HG20592 法兰PL15-1.6 RF 16Mn
5.7.5 放空接口管
为了在注入液体时，能将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速的注入，需要安设一个放空管。
采用??32mm?3.5mm的无缝钢管，管法兰为：HG20592 法兰 PL25-2.5 RF 16Mn
5.7.6 安装阀接口管
安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此需设一安全阀，安全阀的接口管尺寸由安全阀泄放量决定。
因此选用??32mm?2.5mm的无缝钢管，管法兰HG20592 法兰 PL25-1.6 RF 16 Mn。
接口管中，因其选择的条件在不需补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。
6 参数校核
6.1 筒体轴向应力校核
6.1.1
筒体中间处截面的弯矩为：
筒体轴向弯矩的计算
?
?
?2Rm2?hi2?1?2F?L?4A??? (6.1) M1??
4hi4?L?1???3L??
式中:F—鞍座反力（N）；
Rm—椭圆封头长半轴外半径（mm）； L—两封头切线之间的距离（mm）； A—鞍座的位置（mm）； hi—筒体内半径（mm）； 其中Rm=
DN??n3000?22?2==1522mm 22
?2?15222?15002?1?2146000?6144?4?750?7M1??????5.8?10N.mm
46144??1?
??3?6144??
??
支座处截面上的弯矩:
22
?ARm?hi?1??
M2??FA?1?
4h?1?i
?3L?
?
?
? （6.2） ???
?75015222?15002?
??1??6?750??1?故：M2??146000???1.09?10N?mm ??1?
??3?6144??
6.1.2 筒体轴向应力的计算
由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K1=K2=1.0。因为︱M1︱＞＞︱M2︱，且A＜Rm/2=762mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。 （1）有弯矩引起的轴向应力 筒体中间截面上最高点处：?1'??
M13.14Rm?e
2
（6.3）
5.8?107
??0.45MPa 所以?1'??2
3.14?1522?18.87
最低点处：?2'???1'?0.45MPa。
M2?1.09?106
鞍座截面处最高点处：?3?????0.079MPa 22
3.14?1.0?1522?18.873.14K1Rm?eM2?1.09?106
最低点处：?4????0.079MPa 22
3.14?1.0?1522?18.873.14?K1Rm?e（2）有设计压力引起的轴向应力 由： ?p? 所以：?p?
pRm
（6.4） 2?e
2.125?1522
?85.69MPa
2?18.87
（3） 轴向应力组合与校核
最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处，所以有： ?2??p??2'?85.69?0.45?86.147MPa
许用轴向拉压应力[σ]t=163MPa，而σ2＜[σ]t合格。
最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处，?1???1'?0.45MPa，轴向许用应力A?
0.094?e0.094?18.87
??0.0012MPa，根据A值查外压容器设Ri1500
计的材料温度线图[5]得B=150MPa，取许用压缩应力[σ]ac=150MPa，︱σ1︱＜[σ]ac，合格。
6.2 筒体和封头切向应力的校核
因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算
6.2.1 筒体切向应力的计算
由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以
??
K3?F0.880?146000
??4.47MPa Rm??e1522?18.87
6.2.2 封头切向应力的计算
K4?F0.401?146000
??2.04MPa Rm??e1522?18.87
t
t
?h?
1.25?????h?1.25?????
K?P?DN1?2.125?3000
?1.25?163??34.85MPa
2?e2?18.87
因τh＜1.25[σ]t-σh,所以合格。
6.3 筒体环向应力的计算与校核
6.3.1 环向应力的计算
设垫片不起作用
（1）在鞍座处横截面最低点
?5??
k?K5?F
（6-5）
?e?b2
式中 b2——筒体的有效宽度，mm。
由《化工机械工程手册》（上卷，P11-101）查得，K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1，考虑容器焊在鞍座上
b2?b?1.Rm?e （6.6）
式中 b——鞍座轴向宽度，mm。
所以b2?300?1.56??18.87?564.37mm 所以?5??
0.1?0.7603?146000
??1.042MPa
18.87?564.37
（2）鞍座边角处轴向应力
因为L/Rm=6144/1522=4.14＜8,且
?6??
3KFF
?62 （6.7） 4b2?e2?e
1460003?0.0132?146000
??4.69MPa
4?564.37?18.872?18.872
所以：?6??
6.3.2 环向应力校核
︱σ5︱＜[σ]t=163MPa，合格。
︱σ︱＜1.25[σ]t=1.25×163=203.75MPa，合格。
6.4 鞍座有效断面平均压力
鞍座承受的水平分力
Fs?K9?F （6-8）
由《化工机械工程手册》（上卷，P11-103）查得，K9=0.204。 所以Fs?0.204?146000?29784N。 鞍座有效断面平均应力
?9?
Fs
（6.9） Hs?b0
式中 Hs——鞍座的计算高度，mm； b0——鞍座的腹板厚度，mm。
其中Hs取鞍座实际高度（H=250mm）和Rm/3=1522/3=507mm中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度b0=δ2-C1=10-0.8=9.2mm。
所以?9?
29784
?12.95MPa
250?9.2
22
应力校核?9????sa??140?93.33MPa，式中[σ]sa=140MPa，鞍座材料Q235—AF
33
的许用应力。
7 总结
在设计中，由于液氨储罐容积较小，故采用卧式圆筒形容器，因此长径比较小。在选材时候综合考虑材料的物理，力学性能，耐腐蚀性，经济性。在进行工艺计算后在进行了强度校核。在结构设计时，查阅资料参照相关的标准选择附件。设计完毕后，参照设计结果绘制了储罐设备图。
由于所学知识有限，再设计中还有很多不明之处，需要继续学习，以补充知识的缺陷。通过设计，是我学到了分析，考虑，解决问题的综合能力，增加了设计的经验，而且通过绘制设备图也提高了自己的手工绘制图标的能力，真的是受益匪浅。
8 设计结果一览表
9 液氨储罐化工设计图
（见附图）
参考文献
[1] 谭蔚.化工设备设计基础[M].天津：天津大学出版社，2007 [2] 王菲 林英. 化工设备用钢[M] .北京：化学工业出版社，2004
[3] 陈志平 曹志锡.过程设备设计与选型基础[M].浙江：浙江大学出版社，2005 [4] 丁伯明 黄正林.化工容器[M].北京：化学工业出版社，2003 [5] 王志文 蔡仁良.化工容器设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005 [6] 钱自强.大学工程制图[M].上海：华东理工大学出版社，2005 [7] 陈声宗.化工设计[M]. 北京：化学工业出版社，2001
范文二：液氨储罐的设计
设计任务书
1(设计目的:
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。 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。 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。
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):
原始数据
设计条件表
序号 项 目 数 值 单 位 备 注
1 名 称 液氨储罐
2 用 途 液氨储存
3 最高工作压力 2.032 MPa 由介质温度确定
4 工作温度 -20,48 ?
5 公称容积(Vg) 16 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 太原市室外
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 DN65 HG/T20592 RF 液氨进口管
b DN20 HG/T20592 RF 排污阀接口
c DN450 HG/T21518 RF 人 孔
d DN50 HG/T20592 RF 空气进口管
e DN40 HG/T20592 RF 安全阀接管
f DN20 HG/T20592 RF 压力表接口
g DN25 HG/T20592 RF 液位计接口
h DN65 HG/T20592 RF 液氨出口管
前言
本设计是针对《化工设备机械基础》这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。
本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广泛。分子式NH3，分子量17.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7?，沸点-33.35?，自燃点651.11?，蒸汽压1013.08kPa(25.7?)。蒸汽与空气混合物爆炸极限为16~25%(最易引燃浓度为17%)氨在20?水中溶解度34%,25?时,在无水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。遇热、明火，难以点燃而危险性极低，但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇火和燃烧或爆炸，如有油类或其它可燃物存在则危险性极高。
设计基本思路:本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。
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。
2
第一章 设计选材及结构
2.1 工艺参数的设定
2.1.1存储量
由要求可初步确定储罐需满足储存量
W=?νρ=0.85?20?0.5663?1000=9627?
设计压力
根据《化学化工物性数据手册》查得50?蒸汽压为2032.5kpa，可以判断设计的容器为储存内压压力容器，按《压力容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气50?时的饱和蒸汽压力，而且查得当容器上装有安全阀时，取1.05,1.1倍的工作压力作为设计压力;所以
P,1.1P，(2.0325-0.1)，1.1,2.13Mpa0.6Mpa,p,10Mpa设工作，属于中压容器[5]。 设计温度为50摄氏度，在-20,200?条件下工作属于常温容器。
筒体的选材及结构
根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1?/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。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。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为GB6654-1996。 筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。
封头的结构及选材
封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。封头取与筒体相同材料。
3
3 设计计算
尺寸的计算 3.1 筒体
2,,,DLi4 取L/DN=4
Di算出=1720.8查标准并圆整取DN=1800mm，查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1 EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下表1
表1:EHA椭圆形封头内表面积、容积
公称直径DN /mm 总深度H /mm 23Vm封m内表面积A/ 容积/ 1800 475 3.6535 0.8270
'2,,,DNL，2V封4 算出L=5640mm取L=6000mm,L/DN=3.33(在3,6之间)
'V,V,5.7%,5%
V满足要求。查 《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR的密度为
t,,,7.85t/m3，熔点为1430?，许用应力列于下表:
表3.2 16MnR许用应力
在下列温度(?)下的许用应力/ Mpa 钢号 板厚/? ?20 100 150 200 250 300
6,16 170 170 170 170 156 144
16,36 163 163 163 159 147 134 16MnR 36,60 157 157 157 150 138 125
>60,100 153 153 150 141 128 116
圆筒的计算压力为2.13 Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。在板厚为6,16mm时取许用应力为170 Mpa。液柱静压力ρgh=0.5663?9.8?1800=0.01Mpa
而ρgh?2.12=0.5% <5%所以可以忽略。故筒体壁厚>
4
pD2.13，1800ci,,,,11.35mmt2，170，1,2.13,,,,p2,c 查得钢板厚度负偏差0.8,查材料腐蚀手册得50?下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05?/年，所以双
C,22面腐蚀取腐蚀裕量?。
所以设计厚度为:
,,,，C，C,14.15n21?
圆整后取名义厚度16?。
,,14-0.3-2,13.2e有效厚度mm
封头尺寸的计算
标准椭圆形封头a:b=2:1
DiD1800i,2h,H,,475,,25mmHh,2，，44由，得
pDci,,,11.31mmt,,,,2,0.5pc封头厚度计算公式 : ,,11.31，0.8，2,14.11mmn
,,13.2e可见封头厚度近似等于筒体厚度，所以圆整后取δ=16mm，有效厚度查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》得16mm标准椭圆封头质量为453.6kg。
图1椭圆封头
压力试验
水压试验，液体的温度不得低于5?;
试验方法:试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。
水压试验时的压力
5
,,,p,1.25p,1.25，2.13,2.7MpaTt,,, 水压试验的应力校核:
水压试验时的应力
,，，pD，,,2.7，1800，13.2Tie,,,,185.44T,22，13.2eMpa 水压试验时的许用应力为
0.9,,,0.9，1.00，345,292.5Mpas
,,0.9,,TS故筒体满足水压试验时的强度要求[1]。
6
附件选择
4.1 人孔的选择
人孔的作用:为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。 人孔的结构:既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。
人孔类型:从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。
1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。 人孔标准HG21524-95规定PN?
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为φ400?。
综合考虑选择回转盖带颈对焊法兰人孔(HG/T21518-2005), Φ480?12公称压力PN2.5、公称直径DN450、H1=250、MFM型密封面、采用16MnR材料。其尺寸下表
表4.1 人孔标准尺寸表
密封面型凹凸面D 670 41 24 bd10 式 MFM
公称压力2.5 620 46 螺柱数量 20 Db12 PN MPa
公称直径450 250 A 375 螺母数量 40 H1 DN
48?12 121 B 175 螺柱尺寸 M33?2?165 ds，Hw2
d 456 b 42 L 250 总质量kg 245
7
图2人孔结构图
开孔补强的计算
开孔补强结构:压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。 补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。 压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。根据GB150中8.3，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足表4.2要求时，不另行补强。
表4.2 不另外补强的接管最小厚度
接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0 4.2.1 补强设计方法判别
按HG/T2158-2005，选用回转盖带颈对焊法兰人孔。
d,d，(2C，),(480,2，12)，2(0.8，2),461.6mm1iC2开孔直径
8
D1800id,,,600mmD,1800mmi33，在筒体上开孔，可用等面积进行开孔补强计算。
内压容器开孔后所需的补强面积
，，A,d,，2,,1,fetr 式中 开孔直径:
d,d，2C,456，2，2.8,461.6i?;
2强度削弱系数:
t,,,nf,,170/170,1tr,,,
,,11.35mm壳体开孔处的计算厚度
接管有效厚度:
,,,,C,12,2.8,9.2etnt?
170，，A,461.6，11.35，2，11.35，9.2，1,,5239.16170则 ?2 4.2.2 有效补强范围
壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积(包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元
件)根据GB/150式8-7得
B,2d,2，461.6,923.2mm1有效宽度:
B,d，2,，2,,461.6，2，11.35，2，12,508.3mm2nnt
，，BB,923.2mm12B=Max
有效高度:根据GB/150式8-8
'“h,d,,461.6，12,74.425mm1h,H,250mm1nt1，(实际外伸高度)
，，hhh,74.425mm111故=Max
h,02(实际内伸高度)
4.2.3. 有效补强面积
有效补强宽度B=2d
,,16,2.8,13.2e筒体的有效厚度 ?
筒体上多余金属面积:
，，，，，，，，A,B-d,,,,2,,,,1,f1eeter
9
2mm=(923.2-461.6)(13.2-11.35)=853.96
人孔接管上多余金属面积:
，，，，A,2h,,,f，2h,,Cf21ettr2et2r 接管计算厚度:
pd2.13，480,24，，ci,,,,2.7mmtt2，170，1,2.13,,,,p2,nc
所以
2A,2，74.425(9.2-2.7)，1，0,969.01mm2
焊缝金属截面积:
,16mm时焊脚取6mm 按照GB985-80中角焊缝角尺寸的选择规定当材料厚度为12
所以
1A,2，，6，6,3632?2
则有效补强面积:
A,A，A，A,767.104，969.01，36,1858.97e123?2
A,Ae比较的
,,540b满足以下条件的可选用补强圈补强:刚材的标准常温抗拉强度Mpa;补强圈厚度应小于或
,,38,4Mpan,350等于壳体壁厚的1.5倍;壳体名义厚度?;设计压力;设计温度?。可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。
所需另行补强的面积为:
A,A,A,3454.094e?2
4.2.4补强圈的设计
为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。按照根据焊接接头分类，接管、人孔等与壳体连接的接头，补强圈与壳体连接的接头取D类焊缝。根据补强圈焊缝要求，并查得结构图为带补强圈焊缝T型接头，补强圈坡口取D型(查《化工容器及设备简明设
，，D,d，6~12D,760i00计手册》)。查标准JB/T4736-2002得补强圈外径,内径则取490?。 计算补强圈厚度:
A3454.094,,,,12.79cDD,760,4900imm
查标准补强圈厚度取14?，由JB/T4736-2002查得补强圈质量为29.6kg。
4.3 接管及附件的选择
10
4.3.1接管选择:
容器接管一般应采用无缝钢管，所以本设计筒体上接管材料均选择无缝钢管20(GB9948)。 查过程设备设计知当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。
设计压力小于或等于2.5Mpa。
两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。
接管公称外径小于或等于89?。
?接管最小壁厚满足以下要求
下表为不需另补强的尺寸要求
接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89 最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0 根据《化工工艺设计手册》查得在压力在1.0到2.0Mpa时液氨流速约为2m/s，本设计要求流量约
,2qd,,v4为3L/s根据初步确定进出料管直径d=47mm。
根据要求查标准，液氨进出口接管取d76?14公称直径为65mmm的接管，空气进出管选用d57?12公称直径为50mm的无缝钢管，排污管用20(GB9948)无缝钢管尺寸d25?6热轧。排污管一端焊接在筒体下方，另一端用螺纹帽密封，制造便宜，操作方便。
表4.3接管尺寸表
序号 接管名称 公称直径DN(mm) d?s 材料 a 液氨进出口管 65 76?14 20(GB9948) b 空气进出口管 50 57?12 20(GB99948) c 液位计接管 25 32?8 20(GB9948) d 压力表接管 20 25?6 20(GB9948) e 人孔接管 450 480?12 16Mn
(HG/T21518-2005) g 排污管 20 25?6 20(GB9948) F 安全阀接管 40 45?10 20(GB9948) 可见以上所选接管都满足不需另行补强的要求。
4.3.2管法兰及螺栓的选择:
由设计压力2.13Mpa查HG20592-20635-97中PN2.5Mpa板式平焊钢制管法兰(PL)知板式平焊钢制管法兰的密封面形式有突面(RF)和全平面(FF)。
RF形式适用公称压力范围为0.25,2.5Mpa而FF形式适用公称压力范围为0.25,1.6Mpa,本设计压力为2.13Mpa故采用板式平焊钢制管法兰(RF)形式。
钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理(淬火、回火)，通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。根据设计要求选定法兰后，则会得到与螺栓配套的螺栓。
查HG20592-20635-97《钢制管法兰》中PN2.5板式平焊法兰选择以接管公称直径一致的钢制管法兰，得各法兰的尺寸和质量，详细尺寸将见表4.4
表4.4法兰尺寸
11
公称直径接管外法兰外法兰厚法兰内破口宽密封面螺栓孔直螺法兰DN(mm) 径 径 度 径 度 形式 径 栓质量
数 20 25 105 16 26 4 RF 14 4 0.94 25 32 115 16 33 5 RF 14 4 1.12 40 45 150 18 46 5 RF 18 4 2.12 50 57 165 20 59 5 RF 18 4 2.77 65 76 185 22 78 6 RF 18 8 3.46 450 480 670 50 485 12 MFM 36 20 57.6
表4.4
法兰材料选用16MnR
图3 法兰简图
4.3.3 压力表的选择
仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。例如是否需要远传、自动记录或报警;被侧介质的性质(如被测介质的温度高低、粘度大小、腐蚀性、脏污程度、是否易燃易爆等)是否对仪表提出特殊要求，现场环境条件(如湿度、温度、磁场强度、振动等)对仪表类型的要求等。因此根据工艺要求正确地选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的重要前提。
化工行业所用的压力表有多种型号，根据液氨的性质查《化工工艺设计手册》常用的压力表型号为YA-100,管螺纹M20?1.5,压力表一端与带有相应螺纹的接管一端旋合，接管另一端焊接在筒体适合的位置。
5.3螺栓(螺柱)的选择
根据要求法兰处用螺栓做紧固件，螺栓有多种材料和多种结构，选择时应考虑到设计的适用性和安全性。
查HG/T 20613-2009 《钢制管法兰用紧固件》中表5.0.7-9和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸:
表6 螺栓
紧固件用平垫圈 mm
12
公称直径 螺纹 螺柱长 h dd12
a 65 M16 70 17 30 3 b 50 M16 70 17 30 3 c 450 M24 130 25 44 4 d 25 M12 50 13 24 2.5 e 40 M16 65 17 30 3 f 20 M12 50 13 24 2.5
4.3.5垫片的选择
法兰密封常用垫片，垫片有金属垫片、非金属垫片，合成垫片等多种，考虑经济性当非金属垫片能满足要求时首先使用非金属垫片。
由本设计压力和温度要求查《化工工艺设计手册》HG20606选用石棉橡胶垫片，其使用范围PN?4.0 Mpa,t?290?,密封形式为RF(突面)。其尺寸如表4.5
表4.5 垫片尺寸表
符号 法兰公称直垫片内径D1 垫片外径D2 密封形式 垫片材料 垫片厚度
径mm mm a 20 25 58 RF 石棉橡胶 1.5 b 25 32 68 RF 石棉橡胶 1.5 C 40 45 88 RF 石棉橡胶 1.5 d 50 57 102 RF 石棉橡胶 1.5 e 65 76 122 RF 石棉橡胶 1.5 f 450 478 555 RF 石棉橡胶 3
图4 垫片结构图
4.3.4安全阀的选择
查《化工工艺设计手册》知液氨常用安全阀有A21H-40其公称直径是15mm到25mm公称压力为1.6-4.0Mpa使用温度t?200?和A41H-40其公称直径为32mm到48mm公称压力为1.3到4.0Mpa,使用温度t?300?。
根据本设计要求选用公称直径为40mm的弹簧封闭微启式安全阀，材料为不锈钢。
13
图6安全阀结构
4.3.3液面计的设计
液面计的种类很多，常用的有玻璃板液面计和玻璃板液面计。它们都是外购的标准件，只需要选用。玻璃板液面计有三种:透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。 根据设计要求选用查标准HG21589.-1995选用透光式玻璃板液面计，型号T;利用连通器原理，通过液面计的玻璃板视窗可以观察容器内部液面位置的变动情况。结构形式:保温型W,钢板16Mn. 图5磁性液面计
14
4.7 鞍座的选择
鞍座结构和材料的选取
卧式容器的支座有三种形式:鞍座、圈座、和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。
所以本设计就采用这种支座结构。根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。鞍座的材料(除加强垫板除外)为Q235-A，加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR。
15
4.7.2鞍座位置的确定
双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L
A,0.2L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取,其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。
A?0.2L=0.2?,6000+25?2)=1210
当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。为了充分利用这一加强效应，在满足
A,0.5R0A,0.2L下应尽量使.
1800，,)n2A?0.5(=458
综合以上取A=450mm
则两鞍座间距S=(L+2h)-2A=5100mm,鞍座位置及结构如下图所示。
16
图5鞍座位置及结构
4.7.3鞍座载荷计算
m1筒体的质量:查得圆筒体材料16Mn密度ρ=7850?/m,,筒体长度加上封头的直边长度为6.05m,则
m,,DL,,1n=3.14?1.8?(6+0.05) ?0.016?7850=4294.8
mm22封头的质量:根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为453.6?。故=453.6?2=907.2kg
m3水压试验时水的质量:由常用压力容器手册查得公称直径1800mm厚16mm的标准椭圆封头的
3m容积为0.827,则容器容积为:
,2V,V，V,2，0.827，，1.8，6,16.91封头筒体3m4
m3水重 =16.91?1000=16914.4?。
m4附件的质量:人孔重245kg,人孔补强重29.6kg,进出料管约100kg,液面计、安全阀、排污阀等附
m4件总质量约为120kg.故=500kg
所以设备总质量为62876.5kg.即G=9.8mg211.77kN[1,3,5]. 每个鞍座所受支座反力F=106.44KN
鞍座尺寸标准
查JB/T4712.1-4712.4-2007选公称直径DN=1800mm轻型(A),120?包角、焊制、带垫板，高度为250mm的鞍座，允许载荷Q295kN>106.44kN。
由公称直径查《压力容器与化工设备实用手册》得具体尺寸如下表:
公称直径 DN 1800 腹板 10 430 ,b24
垫板 允许载荷 Q/kN 295 295 10 l,34
17
鞍座高度 h 250 筋板 260 e 80 b2
1280 260 螺栓间距 1120 llb132
底板 220 8 螺孔/孔长/D/l 24/40 b,13 螺纹 M20
12 垫板 弧长 2100 鞍座质量 Kg 162 ,1
表4.6 鞍座标准尺寸表
5 容器焊缝标准
压力容器焊接结构设计要求
焊缝分散原则;避免焊缝多条相交原则;对称质心布置原则;避开应力复杂区或应力峰值去原则;对接钢板的等厚连接原则;接头设计的开敞性原则;焊接坡口的设计原则(焊缝填充金属尽量少;避免产生缺陷;焊缝坡口对称;有利于焊接防护;焊工操作方便;复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率)。
筒体与椭圆封头的焊接接头
压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接的环向接头采用A类焊缝。
焊接方法:采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。
封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为Y型坡口。
,,,sbb根据16MnR的抗拉强度=490Mpa和屈服点=325Mpa选择E50系列(强度要求:?490Mpa;,s?400Mpa)的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮(药皮成分:氧化钛30%，加铁粉)，适用于全位置焊接，熔敷效率较高，其结构如下图
Y型坡口
18
筒体和封头的焊接:δ=6~20 α=60~70 b=0~2 p=2 ~3 管法兰与接管的焊接接头
管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97,根据公称通经选择相应的坡口宽度结构如附图中为几种常用的管法兰与结接管焊接形式的局部放大图。
接管与壳体的焊接接头
本设计除人孔接管带补强圈外其它接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T形或角接接头。选择HG20583-1998标
1k,,t,,50:,5:p,1,0.53b,2，0.5准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为;;;，
1,,,ts,,4,25sk,62且，它适用于，，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为24mm，所以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。如附图中的局部放大图所示[4,5]。
图3-12带补强圈焊接接头结构
,,,,bKKccc1212112β=50?+5?,30??2? b=2+0.5,,5?1,,δt ,=,?8) k,0.7 6各附件接管的布局
为了便于操作及考虑到开孔的安全性要求，本设计中将安全阀接管、进料接管、压力表接管、人孔接管、放空口接管成直线依次布局在筒体上方，其中安全阀、压力表、进料管以及左右接管和筒体左右直边间的距离均为800mm，人孔接管与放空管间距离为1000mm,压力表与人孔接管间距离为1800mm。
19
排污口接管和出料管布置在筒体下方，排污口接管在左封头与左支座之间，距左封头直边200mm
处，出料管在右封头直边与右支座之间距右封头直边250mm处。
，其余的接管内伸长度均为10mm,其中进料管内伸长度为1650mm，排污管和出料管内伸长度为0排污管和出料管外伸长度为150mm，人孔接管外伸长度为250mm，液面计外伸长度300mm,其余接
管外伸长度均为200mm,具体布局见装配图。
7. 校核计算(用SW6软件) 7.1封头的校核
内压椭圆封头校核 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计算条件 椭圆封头简图 计算压力Pc 2.13 MPa 设计温度t 50.00 : C
内径Di 1800.00 mm 曲面高度hi 450.00 mm 材料 16MnR(热轧) (板材) 设计温度许用应力 ,,,t 189.00 MPa 试验温度许用应力 ,,, 189.00 MPa 钢板负偏差C1 0.00 mm 腐蚀裕量C2 2.00 mm 焊接接头系数 , 1.00 厚度及重量计算
2形状系数 ，，,,1Di,,2，,,62h,,,,i，， K = = 1.0000
计算厚度 mm KPDcit205[].,,,Pc , = = 10.17
有效厚度 mm ,e =,n - C1- C2= 14.00
最小厚度 mm ,min = 3.00
名义厚度 mm ,n = 16.00
结论 满足最小厚度要求
重量 453.59 Kg
压 力 计 算
20
最大允许工作压力 MPa t2[],,,e
KD，05.,ie [Pw]= = 2.92861 结论 合格
6.2筒体的校核
内压圆筒校核 计算单位 压力容器专用计算软件 ?
计算条件 筒体简图 计算压力Pc 2.13 MPa 设计温度t 50.00 : C 内径Di 1800.00 mm 材料 16MnR(热轧) ( 板材 ) 试验温度许用应力 ,,, 189.00 MPa 设计温度许用应力 ,,,t 189.00 MPa 试验温度下屈服点 ,s 345.00 MPa 钢板负偏差C1 0.00 mm
腐蚀裕量C2 2.00 mm
焊接接头系数 , 1.00 厚度及重量计算
计算厚度 mm PDcit2[],,,Pc , = = 10.20 有效厚度 mm ,e =,n - C1- C2= 14.00 名义厚度 mm ,n = 16.00
重量 4299.26 Kg
压力试验时应力校核
压力试验类型 液压试验
[],试验压力值 MPa t[],PT = 1.25P = 2.7000 (或由用户输入)
压力试验允许通过 MPa ,,,T, 0.90 ,s = 310.50 的应力水平 ,,,T
21
pD.()，,试验压力下 TieMPa
2.,,e圆筒的应力 ,T = = 174.92
校核条件 ,T, ,,,T
校核结果 合格
压力及应力计算
t2,,,[]最大允许工作压力 MPa e()D，,ie [Pw]= = 2.91731
设计温度下计算应力 MPa PD()，,cie
2,e ,t = = 137.99
189.00 MPa ,,,t,
校核条件 ,,,t, ?,t
结论 合格
22
6.3接管的校核
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A1, φ76?14 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 200 mm
接管实际内伸长度 10 mm 接管材料 20(GB9948) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称
mm 补强圈外径 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差C1t 1.75 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t 150.1 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 0.343 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.794 开孔直径d 55.5 mm 补强区有效宽度B 115.5 mm 接管有效外伸长度h1 27.87 mm 接管有效内伸长度h2 8 mm 开孔削弱所需的补强面积A 609.1 mm2 壳体多余金属面积A1 212 mm2 接管多余金属面积A2 543.6 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=791.5 mm2 ，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2 结论: 补强满足要求,不需另加补强。
23
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A2, φ76?14 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 150 mm
接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 20(GB9948) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称
mm 补强圈外径 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差C1t 1.75 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t 150.1 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 0.343 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.794 开孔直径d 55.5 mm 补强区有效宽度B 115.5 mm 接管有效外伸长度h1 27.87 mm 接管有效内伸长度h2 0 mm 开孔削弱所需的补强面积A 609.1 mm2 壳体多余金属面积A1 212 mm2 接管多余金属面积A2 438.7 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=686.7 mm2 ，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2 结论: 补强满足要求,不需另加补强。
24
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A3, φ57?12 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 200 mm
接管实际内伸长度 10 mm 接管材料 20(GB9948) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称
mm 补强圈外径 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差C1t 1.5 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t 150.1 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 0.236 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.794 开孔直径d 40 mm 补强区有效宽度B 96 mm 接管有效外伸长度h1 21.91 mm 接管有效内伸长度h2 8 mm 开孔削弱所需的补强面积A 443.7 mm2 壳体多余金属面积A1 199.5 mm2 接管多余金属面积A2 370.2 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=605.7 mm2 ，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2 结论: 补强满足要求,不需另加补强。
25
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A4, φ45?10 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 200 mm
接管实际内伸长度 10 mm 接管材料 20(GB9948) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称
mm 补强圈外径 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差C1t 1.25 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t 150.1 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 0.179 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.794 开孔直径d 31.5 mm 补强区有效宽度B 83.5 mm 接管有效外伸长度h1 17.75 mm 接管有效内伸长度h2 8 mm 开孔削弱所需的补强面积A 349.6 mm2 壳体多余金属面积A1 187 mm2 接管多余金属面积A2 245.6 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=468.7 mm2 ，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2 结论: 补强满足要求,不需另加补强。
26
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A5, φ32?8 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 300 mm
接管实际内伸长度 10 mm 接管材料 20(GB9948) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称
mm 补强圈外径 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差C1t 1 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t 150.1 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 0.114 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.794 开孔直径d 22 mm 补强区有效宽度B 70 mm 接管有效外伸长度h1 13.27 mm 接管有效内伸长度h2 8 mm 开孔削弱所需的补强面积A 245.4 mm2 壳体多余金属面积A1 174.6 mm2 接管多余金属面积A2 141.1 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=351.7 mm2 ，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2 结论: 补强满足要求,不需另加补强。
27
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A6, φ25?6 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 200 mm
接管实际内伸长度 10 mm 接管材料 20(GB9948) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称
mm 补强圈外径 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差C1t 0.75 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t 150.1 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 0.093 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.794 开孔直径d 18.5 mm 补强区有效宽度B 62.5 mm 接管有效外伸长度h1 10.54 mm 接管有效内伸长度h2 8 mm 开孔削弱所需的补强面积A 202.3 mm2 壳体多余金属面积A1 162.1 mm2 接管多余金属面积A2 68.73 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=266.8 mm2 ，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2 结论: 补强满足要求,不需另加补强。
28
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A7, φ25?6 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 150 mm
接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 20(GB9948) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称
mm 补强圈外径 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差C1t 0.75 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t 150.1 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 0.093 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.794 开孔直径d 18.5 mm 补强区有效宽度B 62.5 mm 接管有效外伸长度h1 10.54 mm 接管有效内伸长度h2 0 mm 开孔削弱所需的补强面积A 202.3 mm2 壳体多余金属面积A1 162.1 mm2 接管多余金属面积A2 52.84 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=250.9 mm2 ，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2 结论: 补强满足要求,不需另加补强。
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A8, φ57?12 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
29
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 150 mm
接管实际内伸长度 0 mm 接管材料 20(GB9948) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称
mm 补强圈外径 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 mm 接管厚度负偏差C1t 1.5 mm 补强圈厚度负偏差C1r mm 接管材料许用应力[σ]t 150.1 MPa 补强圈许用应力[σ]t MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 0.236 mm 补强圈强度削弱系数 frr 0 接管材料强度削弱系数 fr 0.794 开孔直径d 40 mm 补强区有效宽度B 96 mm 接管有效外伸长度h1 21.91 mm 接管有效内伸长度h2 0 mm 开孔削弱所需的补强面积A 443.7 mm2 壳体多余金属面积A1 199.5 mm2 接管多余金属面积A2 287.6 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=523.1 mm2 ，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4 mm2 A-(A1+A2+A3) mm2 结论: 补强满足要求,不需另加补强。
6.4人孔接管补强校核
开孔补强计算 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 接 管: A9, φ480?12 计 算 方 法 : GB150-1998等 面 积 补 强
法, 单 孔
设 计 条 件 简 图
计算压力pc 2.13 MPa
设计温度 50 ?
壳体型式 圆形筒体
壳体材料 16MnR(热轧)
名称及类型 板材
30
壳体开孔处焊接接头系数φ 1
壳体内直径Di 1800 mm
壳体开孔处名义厚度δn 16 mm
壳体厚度负偏差C1 0 mm
壳体腐蚀裕量C2 2 mm
壳体材料许用应力[σ]t 189 MPa
接管实际外伸长度 250 mm
接管实际内伸长度 10 mm 接管材料 16Mn(热轧) 接管焊接接头系数 1 名称及类型 管材
接管腐蚀裕量 2 mm 补强圈材料名称 16MnR(热轧)
mm 补强圈外径 760 mm 凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离 补强圈厚度 14 mm 接管厚度负偏差C1t 1.5 mm 补强圈厚度负偏差C1r 0 mm 接管材料许用应力[σ]t 181 MPa 补强圈许用应力[σ]t 189 MPa 开 孔 补 强 计 算
壳体计算厚度δ 10.2 mm 接管计算厚度δt 2.699 mm 补强圈强度削弱系数 frr 1 接管材料强度削弱系数 fr 0.958 开孔直径d 463 mm 补强区有效宽度B 926 mm 接管有效外伸长度h1 74.54 mm 接管有效内伸长度h2 8 mm 开孔削弱所需的补强面积A 4730 mm2 壳体多余金属面积A1 1757 mm2 接管多余金属面积A2 927.8 mm2 补强区内的焊缝面积A3 36 mm2 A1+A2+A3=2720 mm2 ，小于A，需另加补强。
补强圈面积A4 3920 mm2 A-(A1+A2+A3) 2010 mm2 结论: 补强满足要求。
6.5鞍座的校核
卧式容器(双鞍座) 计算单位 压力容器专用计算软件 ? 计 算 条 件 简 图
计算压力 pC 2.13 MPa
设计温度 t 50 ?
圆筒材料 16MnR(热轧)
鞍座材料 Q235-A
圆筒材料常温许用应力 [,] 189 MPa
圆筒材料设计温度下许用应力[,]t 189 MPa
圆筒材料常温屈服点 , 345 MPa
鞍座材料许用应力 [,]sa 140 MPa
,O1000 kg/m3 工作时物料密度
31
kg/m3 ,1000 T 液压试验介质密度
mm 1800 圆筒内直径Di
mm ,n16 圆筒名义厚度
C2 mm 圆筒厚度附加量
,1 圆筒焊接接头系数
mm ,16 hn 封头名义厚度
封头厚度附加量 Ch 2 mm
L6050 mm 两封头切线间距离
mm ,10 rn 鞍座垫板名义厚度
mm ,10 re 鞍座垫板有效厚度
鞍座轴向宽度 b 220 mm
鞍座包角 θ 120 ?
鞍座底板中心至封头切线距离 A 475 mm
mm h450 i 封头曲面高度
试验压力 pT 2.7 MPa
鞍座高度 H 250 mm
A18680 mm2 sa腹板与筋板组合截面积
Z365686 mm3 r 腹板与筋板组合截面断面系数
地震烈度 <7 圆筒平均半径ra="" 908="" mm="">
,o0.85 物料充装系数
一个鞍座上地脚螺栓个数 1 地脚螺栓公称直径 0 mm 地脚螺栓根径 0 mm 鞍座轴线两侧的螺栓间距 0 mm 地脚螺栓材料
支 座 反 力 计 算
32
圆筒质量(两切线kg ，，m,,D，,L,,,1incns4335.22 间)
封头质量(曲面部kg m,2449.004 分)
kg m, 附件质量 3500
封头容积(曲面部mm3 V,h7.63407e+08 分)
容器容积(两切线V = 1.69222e+10 mm3
间)
kg m,V,,,4oo工作时, 14383.9
容器内充液质量 'mV,,4T压力试验时, = 16922.2
kg m, 耐热层质量 50
m,m，2，m，m，m，m,12345工作时, 20117.1 总质量 kg ,m,m，2，m，m，m，m,12345压力试验时, 22655.4
mg,mgq,,,q,,44单位长度载荷 N/mm Lh，Lh，ii3329.6825 33.4278
11,,,Fmg,,,F,mg,2298694.4 111147 支座反力 N
FFF,max,,,,,，，111147
筒 体 弯 矩 计 算
工作时
，，222,,,，，FL1，2R,h/L4AaiM,,,,14h4Li,,1，,,3L，，= 9.35424e+07 圆筒中间处截 N?mm 面上的弯矩 压力试验
，，222,,,,，，12/4FL，R,hLAaiM,,,,T14h4Li,,1，,3L，，= 1.05345e+08 支座处横 操作工况: N?mm 截面弯矩
33
22，，AR,hai1,，,,L2AL,M,,FA1,,,,24hi,,1，,,3L，， -2.96296e+06
压力试验工况:
22，，AR,hai1,，,,2LAL,,1M,,FA,,,,T24hi,,1，,,3L，， -3.33681e+06
系 数 计 算
K1=0.106611 K2=0.192348 K3=1.17069 K4= K5=0.760258 K6=0.0150465 K6’=0.0123681 K7= K8= K9=0.203522 C4= C5= 筒 体 轴 向 应 力 计 算
pRMCa1,,，,222,,R,eae 71.6538 MPa pRMCa2,,,,322,K,R,e1ae 69.8393 操作状态 pRMCa1,,,,122,,R,eae -2.58095 MPa pRMCa2 ,,，,422,K,R,e2ae轴向 -0.425019
M应力1T,,,,T12,R,ae计算 -2.90513 MPa M2T,,,4T2K,R,2ae -0.478647 水压试验状态 pRMTa1T,,，,2T22,,R,aee 90.4638 MPa pRMTTa2,,,,T322,K,R,e1ae 88.4203
应力0.094,e,,A校核 Ra0.00146222
根据圆筒材料查GB150图6-3,6-10 MPa 许用压缩应力 B = 146.79
tt，，,,,,,,min,,B,ac146.79
MPa
,,,,min(0.9R,B),aceL146.79
34
t,,,,,，,23 < 189="" 合格="">
t,,,,,,ac41||,|| < 146.79合格="" mpa="">
,,,,,,acT4T1||,|| < 146.79合格="">
,T2 ,,T3 < 0.9,s="310.5" 合格="">
R筒体LmA,A,,,,2KFLA3,,,24,,时(时,和封MPa ,,R,L，4h/3ae,i,7.85015 头的不适用)
KFR切应3m,,,A,R,2ae力 时 圆筒中: MPa KF4,,,hR,ahe封头中:
应力校核 KPDci,,,h2,he椭圆形封头,
MPRch封头 MPa ,,,h2,he碟形封头,
PDci,,,h4,he半球形封头,
圆筒 [,] = 0.8 [, ]t = 151.2 MPa t,,,,封头 ,,,,,,125. h
圆筒, , < [="" ,="" ]="151.2" mpa="" 合格="">
封头, ,h < [="" ,="" h]="MPa">
鞍 座 处 圆 筒 周 向 应 力
mm b,b，1.56R,,圆筒的有效宽度 2an408.03
kKF无垫在横截面最MPa 无5,,,,5,b板或低点处 加e2
垫板强L/Rm?8时, MPa
F3KF不起圈6,,,,,264b2,,加强圆在鞍座 ee2
作用筒 边角处 L/Rm<8时, mpa="">
KFRF时 126a,,,,,62,bL,4e2e
无 垫板,W,b，1.56R,an,,，12鞍座垫板宽度 ; 鞍座垫板包角 起加
35
加 强作横截面最低kKF5,,,,5 用时 点处的周向MPa ，，,,，bere2-0.862893 强 应力
L/Rm?8时,
F3KF圈 6MPa ,,,,,6224，b2，，，，， ,,,,鞍座边角处 ereere2
筒 的周向应力 L/Rm<8时,>
F12KFRm6 MPa ,,,,,6224，bL，，，，，,,,,体 ereere2-13.013
L/Rm?8时, '3KFMPa F6,,,,,,624,2,鞍座垫板边 be2e
缘处圆筒中 L/Rm<8时,>
的周向应力 'KFR12FMPa 6m,,,,,,62,b4L,e2e-17.4959
|,5| < [,="" ]t="189" 合格="">
应力校核 |,6 | < 1.25[,="" ]t="236.25" 合格="" mpa="">
|,’6 | < 1.25[,="" ]t="236.25" 合格="">
加强圈材料,
e = mm
d = mm
加强圈数量, n = 个 加强圈参数 组合总截面积, A0 = mm2 有组合截面总惯性矩, I0 = mm4 加MPa t强,,,,R设计温度下许用应力
圈
在鞍座边角处圆筒的周向应力: 圆CKFReKFMPa 478m筒 ,,,,7IA00 加强圈位于 在 鞍 座 边 角 处 ，加 强 圈 内 缘 或 外 缘 表 面 的 周 鞍座平面上 向 应 力 : MPa CKRdFKF57m8,,,,8IA00
有加强圈靠近鞍座 横 截 面 最 低 点 的 周 向 应 力
36
加 无垫板时，( 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 )
kKF强5,,,,5,b圈e2 MPa 圆 采用垫板时，(垫板起加强作用)
kKF筒 5,,,,5，，,,，bere2
在横截上靠近水平中心线的周向应力:
CKFReKF47m8MPa ,,,,7IA00
在横截上靠近水平中心线处，不与筒壁相接的加强圈内缘
或 外 缘 表 面 的 周 向 应 力 : MPa CKRdFKF578m,,,,8IA00
无垫板或垫板不起 加强 作用
F3KF6MPa ,,,,,624b2,,ee2L/Rm?8时,
无垫板或垫板不起 加强 作用 加
F12KFRm6MPa 强,,,,,264bL,,ee2圈L/Rm<8时, 鞍座边角处点靠="" 采用垫板时，(垫板起加强作用)="" 处的周向应力="" 近f3kf6mpa="" ,,,,,6鞍224，b2，，，，，,,,,ereere2l/rm?8时,="" 座="">
采用垫板时，(垫板起加强作用)
F12KFRm6MPa ,,,,,2624，bL，，，，，,,,,ereere2L/Rm<8时,>
|,5| < [,]t="合格">
|,6 | < 1.25[,]t="合格" 应力校核="" mpa="" |,7="" |="">< 1.25[,]t="">
|,8 | < 1.25[,]tr="">
鞍 座 应 力 计 算
水平分力 N F,KF,S922620.9
1,,H,minR,H,,,sa计算高度 mm 3,,250 腹板水
平应力 鞍座腹板厚度 mm b,o10
37
鞍座垫板实际宽度 mm b,4430
鞍座垫板有效宽度 mm bbb,,min,，，r42408.03
无 垫 板 或 垫 板 不 起 加 强 作 用 ,
FS,,,9Hb0S 腹板水平应力 MPa 垫板起加强作用,
FS,,,9Hbb，,0Srre 3.43767
2应力判断 MPa ,9 < [,="" ]sa="93.3333" 合格="">
腹板与由地震水平分力引起的支座强度计算
筋板组 mm H,v圆筒中心至基础表面距离 1166 合截面
应力 F,,mg,轴向力 N Ev1
FHFHFVEvEv,,,,,,saMPa F,Ff，，22AZAL,AEvsarsa,
F,FfHFHF，，sVEvEv,,,,,,saMPa F,Ff，，2AZAL,AEvsarsa,
|,sa| 1.2[,bt]=
00,地脚螺拉应力 MEv,,,MPa btnlA栓应力 1bt
,bt 1.2[,bt] = MPa
FFf,,剪应力 Evs,,,MPa btn'Abt
,bt 0.8,Ko,[,bt] = MPa
F,Ff,温差引N f
FFfH,,起的应t,,,,,MPa saAZsar力 -32.2723
|,tsa| < [,]sa="140">
注:带#的材料数据是设计者给定的
7 总结
通过这次课程设计，让我对过程设备设计这门课有了进一步的认识。这次课设是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。
设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。
通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计的最后附有CAD设备图，在绘图的整个过程中，我对制图软件的操
38
作更加熟悉。
这次课设的书写中对格式的要求也很严格，因为的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，但是我们还是在老师的帮助下通过各种资料完成了这次课程设计。 最后感谢郭老师这些日子的耐心指导。
39
参考文献
中国石化集团上海工程有限公司，《化工工艺设计手册》，化工工业出版社，2009 GB 150-1998，《钢制压力容器》，国家技术监督局，1998
JB/T 4336-2002、JB/T 4746-2002，《补强圈钢制压力容器用封头》，国家经济贸易委员会，2003 JB/T 4731-2005，《钢制卧式容器》，国家发展和改革委员会，2003
贺匡国 编，《化工容器及设备简明设计手册》，化学工业出版社，1989.12.1 国家医药管理局上海医药设计院 编，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1989 JB/T 4700,4704-2000，《压力容器法兰》，国家机械工业局、国家石油和化学工业局，2000 JB/T 4712.1,4712.4-2007，《容器支座》，国家发展和改革委员会，2008
JB 4708-2000 JB/T 4709-2000 JB 4744-2000，《钢制压力容器焊接工艺评定 钢制压力容器焊接规程 钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》，国家机械工业局，国家石油和化学工业局，2000 郑津洋等编，《过程设备设计》(第二版)，化学工业出版社，2005.7
40
范文三：液氨储罐的设计
液氨储罐的设计
液氨储罐设计
1 序言
压力容器 是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。储罐属于贮运容器。
压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的 储罐属于贮运容器。储罐用以存放酸、醇、气体等提炼的化学物质。其种类很多，大体上有:滚塑储罐，玻璃钢储罐，陶瓷储罐、橡胶储罐、焊接塑料储罐等。就储罐的性价比来讲，现在以滚塑储罐最为优越，滚塑储罐又可以分钢衬塑储罐，全塑储罐两大系，分别包括立式，卧式，运输，搅拌等多个品种。
用于储存液体或气体的钢制密封容器即为钢制储罐，防腐储罐工程是石油、化工、粮油、食品、消防、交通、冶金、国防等行业必不可少的、重要的基础设施，我们的经济生活中总是离不开大大小小的钢制储罐，钢制储罐，防腐储罐在国民经济发展中所起的重要作用是无可替代的。钢制储罐是储存各种液体(或气体)原料及成品的专用设备，对许多企业来讲没有储罐就无法正常生产，特别是国家战略物资储备均离不开各种容量和类型的防腐储罐等储罐。
由于储存介质的不同，储罐的形式也是多种多样的，大致分为以下几类
按位置分类:可分为地上储罐、地下储罐、半地下储罐、海上储罐、海底储罐等;
按油品分类:可分为原油储罐、燃油储罐、润滑油罐、食用油罐、消防水罐等;
按用途分类:可分为生产油罐、存储油罐等;
按形式分类:可分为立式储罐、卧式储罐等;
按结构分类:可分为固定顶储罐、浮顶储罐、球形储罐等;
按大小分类: 100m3以上为大型储罐，多为立式储罐; 100m3以下的
为小型储 罐，多为卧式储罐;
按储罐的材料:储罐工程所需材料分为罐体材料和附属设施材料。罐体
材料可按抗拉屈服强度或抗拉标准强度分为低强钢和高强钢，高强钢多用于5000m3以上储罐;附属设施(包括抗风圈梁、锁口、盘梯、护栏等)均采用强度较低的普通碳素结构钢，其余配件、附件则根据不同的用途采用其他材质，制造罐体常用的国产钢材有20、20R、16Mn、16MnR、以及Q235系列等。
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液氨储罐设计
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液氨储罐设计
液氨储罐设计
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液氨储罐设计
液氨储罐设计
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液氨储罐设计
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液氨储罐设计
图1-2 回转盖带颈平焊法兰人孔(HG/T 21517—2005)
- 8 -
液氨储罐设计
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液氨储罐设计
2.2.7 接管
图1-3 液氨储罐接管示意图
1 液氨进料管
采用Φ57×3.5mm,无缝钢管，一段削成45?角，配用凹凸面的密封对焊管法兰。
型号:PN2.5 DN50 HG 200592—97 RF 16MnR
厚度小于5mm，该孔需补强。
2 出料管
采用可拆的压出管Φ25×3mm将它套入罐体固定接口管为Φ38×3.5mm PL2.5 DN32 法兰 RF 16MnR
与该法兰相配并焊接在压出管法兰上，其尺寸与上相同，但 PL2.5 DN20 法兰 RF 16MnR
查压料管质量为m，查表得，无缝钢管标准型号为DN32 ,PN2.5，外径38mm,壁厚
3.5mm，接管公称直径小于8mm，根据条件无需补强。
3 排污管
采用Φ57×3.5mm，管端装有一与截止阀J41W-16，相配管法兰:
HG 20592 PL 2.5 DN50 法兰RF 16MnR
4 液面计接管
采用玻璃管防霜液面计 AI 2.5-1260-50 HG/T 21550-93
5 放空管接管
采用Φ32×3.5mm无缝钢管，管法兰为:
HG 20592 PL2.5 DN25 法兰 RF 16MnR
- 10 -
液氨储罐设计
参考文献
[1].王洪海等.内压式储罐最佳长径比研究.河北工业大学学报.2002.2
[2].蔡纪宁，张秋翔编.化工设备机械基础课程设计指导书.北京:化学工业出版社,2000.6
[3].刁玉玮，王立业编.化工设备机械基础(第五版).大连理工大学出版社.2006.12
[4].回转盖带颈平焊法兰人孔(HG/T 21517—2005)
- 11 -
液氨储罐设计 装配图
- 12 -
液氨储罐设计 附表
- 13 -
液氨储罐设计
致谢
通过本次对液氨卧式储罐的课程设计，让我对它的性能和结构、设计方法等有了更深的了解和认识。熟知了压力容器的设计过程和计算方法，以及一些标准参数的查询方法。在这里要感谢老师的精心指导和团队的相互配合，在他们的帮助下，让我的课程设计得以顺利完成。
- 14 -
范文四：液氨储罐的设计
设计任务书
前言
本设计是针对《化工设备机械基础》这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。
本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应用广泛。分子式NH3，分子量17.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7℃，沸点-33.35℃，自燃点651.11℃，蒸汽压1013.08kPa(25.7℃)。蒸汽与空气混合物爆炸极限为16~25%（最易引燃浓度为17%）氨在20℃水中溶解度34%,25℃时,在无水乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醚,它是许多元素和化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性。液态氨将侵蚀某些塑料制品,橡胶和涂层。遇热、明火，难以点燃而危险性极低，但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇火和燃烧或爆炸，如有油类或其它可燃物存在则危险性极高。
设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。
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。
第一章 设计选材及结构
2.1 工艺参数的设定
2.1.1存储量
由要求可初步确定储罐需满足储存量 W=?νρ=0.8532030.566331000=9627㎏ 设计压力
根据《化学化工物性数据手册》查得50℃蒸汽压为2032.5kpa，可以判断设计的容器为储存内压压力容器，按《压力容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化气50℃时的饱和蒸汽压力，而且查得当容器上装有安全阀时，取1.05～1.1倍的工作压力作为设计压力；所以
P设?1.1P工作?（2.0325-0.1)?1.1?2.13Mpa0.6Mpa?p?10Mpa
，属于中压容器[5]。
设计温度为50摄氏度，在-20～200℃条件下工作属于常温容器。
筒体的选材及结构
根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1㎜/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。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。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为GB6654-1996。
筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。 封头的结构及选材
封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。封头取与筒体相同材料。
3 设计计算
3.1 筒体尺寸的计算
???
算出
i
Di2L
取L/DN=4
D=1720.8查标准并圆整取DN=1800mm，查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中
表B.1 EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下表1
?'??DN2L?2V封
算出L=5640mm取L=6000mm,L/DN=3.33(在3～6之间)
V'?V
?5.7%?5%V满足要求。查 《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR的密度为
t
???7.85t/m3，熔点为1430℃，许用应力列于下表：
表3.2 16MnR许用应力 钢号
板厚/㎜ 6～16
16～36 36～60 >60～100
在下列温度（℃）下的许用应力/ Mpa
100 150 200 ≤20 170
163 157 153
170 163 157 153
170 163 157 150
170 159 150 141
250 156 147 138 128
300 144 134 125 116
16MnR
圆筒的计算压力为2.13 Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。在板厚为6～16mm时取许用应力为170 Mpa。液柱静压力ρgh=0.566339.831800=0.01Mpa 而ρgh∕2.12=0.5%
??
2???pc
t
pcDi
?
2.13?1800
?11.35mm
2?170?1?2.13
查得钢板厚度负偏差0.8,查材料腐蚀手册得50℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05㎜/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量C2?2㎜。 所以设计厚度为：
?n???C2?C1?14.15㎜
圆整后取名义厚度16㎜。 有效厚度
?e?14-0.3-2?13.2mm
封头尺寸的计算
标准椭圆形封头a:b=2:1
由
Di
?2
2H?hh?H?
，得
Di1800?475??25mm44
??
封头厚度计算公式 ：
2???0.5pc
t
pcDi
?11.31mm
?n?11.31?0.8?2?14.11mm
可见封头厚度近似等于筒体厚度，所以圆整后取δ=16mm，有效厚度
?e?13.2查标准
JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》得16mm标准椭圆封头质量为453.6kg。
图1椭圆封头
压力试验
水压试验，液体的温度不得低于5℃；
试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。 水压试验时的压力
pT?1.25p
????t
?1.25?2.13?2.7Mpa
水压试验的应力校核： 水压试验时的应力
?T?
pT?Di??e?2.7??1800?13.2???185.44
2?e2?13.2Mpa
水压试验时的许用应力为
0.9??s?0.9?1.00?345?292.5Mpa
?T＜0.9??S故筒体满足水压试验时的强度要求[1]。
附件选择
4.1 人孔的选择
人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。
人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。
人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。 人孔标准HG21524-95规定PN≥1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为φ400㎜。
综合考虑选择回转盖带颈对焊法兰人孔（HG/T21518-2005）, Φ480312公称压力PN2.5、公称直径DN450、H1=250、MFM型密封面、采用16MnR材料。其尺寸下表
图2人孔结构图 开孔补强的计算
开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。 补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。 压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。根据GB150中8.3，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm时，接管厚度满足表4.2要求时，不另行补强。
按HG/T2158-2005，选用回转盖带颈对焊法兰人孔。 开孔直径
d?di?（2C1?C2)?(480?2?12)?2(0.8?2)?461.6mm
Di?1800mm，在筒体上开孔
d?
Di1800??600mm33，可用等面积进行开孔补强计算。
内压容器开孔后所需的补强面积
A?d??2??et?1?fr?
式中 开孔直径：
d?di?2C?456?2?2.8?461.6㎜；
2强度削弱系数：
t
????n
fr
??t
?170/170?1
壳体开孔处的计算厚度??11.35mm 接管有效厚度：
?et??nt?C?12?2.8?9.2㎜
A?461.6?11.35?2?11.35?9.2?1?1?5239.16
70则 ㎜2
4.2.2 有效补强范围
壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件）根据GB/150式8-7得
有效宽度：B1?2d?2?461.6?923.2mm
??
B2?d?2?n?2?nt?461.6?2?11.35?2?12?508.3mm
B=Max?B1B2??923.2mm 有效高度：根据GB/150式8-8
h'1?dnt?461.6?12?74.425mm
故h1=Max?h1h1??74.425mm
“h，1?H1?250mm（实际外伸高度）
h2?0（实际内伸高度）
4.2.3. 有效补强面积
有效补强宽度B=2d 筒体的有效厚度
?e?16?2.8?13.2㎜
筒体上多余金属面积：
A1??B-d???e????2?et??e????1?fr?
=（923.2-461.6）（13.2-11.35）=853.96mm 人孔接管上多余金属面积：
2
A2?2h1??et??t?fr?2h2??et?C2?fr
接管计算厚度：
?t?
所以
2?n??pc
t
pcdi
?
2.13??480?24??2.7mm
2?170?1?2.13
A2?2?74.425(9.2-2.7）?1?0?969.01mm2
焊缝金属截面积：
按照GB985-80中角焊缝角尺寸的选择规定当材料厚度为12～16mm时焊脚取6mm 所以
1
A3?2??6?6?36
2㎜2
则有效补强面积：
Ae?A1?A2?A3?767.104?969.01?36?1858.97㎜2
比较的
A?Ae
满足以下条件的可选用补强圈补强：刚材的标准常温抗拉强度等于壳体壁厚的1.5倍；壳体名义厚度本设计满足要求，则采用补强圈补强。
所需另行补强的面积为：
?b?540Mpa；补强圈厚度应小于或
?n?38㎜；设计压力?4Mpa；设计温度?350℃。可知
A4?A?Ae?3454.09㎜2
4.2.4补强圈的设计
为检验焊缝的紧密型，补强圈上钻M10的螺孔一个，以通入压缩空气检验焊缝质量。按照根据焊接接头分类，接管、人孔等与壳体连接的接头，补强圈与壳体连接的接头取D类焊缝。根据补强圈焊缝要求，并查得结构图为带补强圈焊缝T型接头，补强圈坡口取D型（查《化工容器及设备简明设计手册》）。查标准JB/T4736-2002得补强圈外径计算补强圈厚度：
D0?760,内径Di?d0??6~12?则取490㎜。
?c?
A43454.09
??12.79
D0?Di760?490mm
查标准补强圈厚度取14㎜，由JB/T4736-2002查得补强圈质量为29.6kg。 4.3 接管及附件的选择
4.3.1接管选择：
容器接管一般应采用无缝钢管，所以本设计筒体上接管材料均选择无缝钢管20（GB9948）。 查过程设备设计知当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。 设计压力小于或等于2.5Mpa。
两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。 接管公称外径小于或等于89㎜。 ④接管最小壁厚满足以下要求
根据《化工工艺设计手册》查得在压力在1.0到2.0Mpa时液氨流速约为2m/s，本设计要求流量约
为3L/s根据
qv?
?
4
d2?
初步确定进出料管直径d=47mm。
根据要求查标准，液氨进出口接管取d76314公称直径为65mmm的接管，空气进出管选用d57312公称直径为50mm的无缝钢管，排污管用20（GB9948）无缝钢管尺寸d2536热轧。排污管一端焊接在筒体下方，另一端用螺纹帽密封，制造便宜，操作方便。 表4.3接管尺寸表
可见以上所选接管都满足不需另行补强的要求。 4.3.2管法兰及螺栓的选择：
由设计压力2.13Mpa查HG20592-20635-97中PN2.5Mpa板式平焊钢制管法兰（PL）知板式平焊钢制管法兰的密封面形式有突面（RF）和全平面（FF）。
RF形式适用公称压力范围为0.25～2.5Mpa而FF形式适用公称压力范围为0.25～1.6Mpa,本设计压力为2.13Mpa故采用板式平焊钢制管法兰（RF）形式。
钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。根据设计要求选定法兰后，则会得到与螺栓配套的螺栓。 查HG20592-20635-97《钢制管法兰》中PN2.5板式平焊法兰选择以接管公称直径一致的钢制管法兰，得各法兰的尺寸和质量，详细尺寸将见表4.4 表4.4法兰尺寸
表4.4 法兰材料选用16MnR
图3 法兰简图 4.3.3 压力表的选择
仪表类型的选用必须满足工艺生产的要求。例如是否需要远传、自动记录或报警；被侧介质的性质（如被测介质的温度高低、粘度大小、腐蚀性、脏污程度、是否易燃易爆等）是否对仪表提出特殊要求，现场环境条件（如湿度、温度、磁场强度、振动等）对仪表类型的要求等。因此根据工艺要求正确地选用仪表类型是保证仪表正常工作及安全生产的重要前提。
化工行业所用的压力表有多种型号，根据液氨的性质查《化工工艺设计手册》常用的压力表型号为YA-100,管螺纹M2031.5,压力表一端与带有相应螺纹的接管一端旋合，接管另一端焊接在筒体适合的位置。
5.3螺栓（螺柱）的选择
根据要求法兰处用螺栓做紧固件，螺栓有多种材料和多种结构，选择时应考虑到设计的适用性和安全性。
查HG/T 20613-2009 《钢制管法兰用紧固件》中表5.0.7-9和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸： 表6 螺栓
4.3.5垫片的选择
法兰密封常用垫片，垫片有金属垫片、非金属垫片，合成垫片等多种，考虑经济性当非金属垫片能满足要求时首先使用非金属垫片。
由本设计压力和温度要求查《化工工艺设计手册》HG20606选用石棉橡胶垫片，其使用范围PN≤4.0 Mpa,t≤290℃,密封形式为RF（突面）。其尺寸如表4.5 表4.5 垫片尺寸表
图4 垫片结构图 4.3.4安全阀的选择
查《化工工艺设计手册》知液氨常用安全阀有A21H-40其公称直径是15mm到25mm公称压力为1.6-4.0Mpa使用温度t≤200℃和A41H-40其公称直径为32mm到48mm公称压力为1.3到4.0Mpa,使用温度t≤300℃。
根据本设计要求选用公称直径为40mm的弹簧封闭微启式安全阀，材料为不锈钢。
图6安全阀结构 4.3.3液面计的设计
液面计的种类很多，常用的有玻璃板液面计和玻璃板液面计。它们都是外购的标准件，只需要选用。玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。
根据设计要求选用查标准HG21589.-1995选用透光式玻璃板液面计，型号T；利用连通器原理，通过液面计的玻璃板视窗可以观察容器内部液面位置的变动情况。结构形式：保温型W,钢板16Mn. 图5磁性液面计
4.7 鞍座的选择
鞍座结构和材料的选取
卧式容器的支座有三种形式：鞍座、圈座、和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。
所以本设计就采用这种支座结构。根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。鞍座的材料（除加强垫板除外）为Q235-A，加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR。
4.7.2鞍座位置的确定
双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取A?0.2L,其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。 A≤0.2L=0.23﹙6000+2532)=1210
当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。为了充分利用这一加强效应，在满足
A?0.2L下应尽量使A?0.5R0.
1800
??n)
A≤0.5(2=458
综合以上取A=450mm
则两鞍座间距S=(L+2h)-2A=5100mm,鞍座位置及结构如下图所示。
图5鞍座位置及结构
4.7.3鞍座载荷计算
筒体的质量m1：查得圆筒体材料16Mn密度ρ=7850㎏/m3,筒体长度加上封头的直边长度为6.05m,则
m1??DL?n?=3.1431.83(6+0.05) 30.01637850=4294.8
封头的质量m2:根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为453.6㎏。故m2=453.632=907.2kg
水压试验时水的质量
3
m3：由常用压力容器手册查得公称直径1800mm厚16mm的标准椭圆封头的
容积为0.827m,则容器容积为：
V?V封头?V筒体?2?0.827?
水重
?
4
?1.82?6?16.91
m3
m3=16.9131000=16914.4㎏。
附件的质量m4：人孔重245kg,人孔补强重29.6kg,进出料管约100kg,液面计、安全阀、排污阀等附件总质量约为120kg.故m4=500kg
所以设备总质量为62876.5kg.即G=9.8mg211.77kN[1,3,5]. 每个鞍座所受支座反力F=106.44KN 鞍座尺寸标准
查JB/T4712.1-4712.4-2007选公称直径DN=1800mm轻型(A),120°包角、焊制、带垫板，高度为250mm的鞍座，允许载荷Q295kN>106.44kN。
表4.6 鞍座标准尺寸表 5 容器焊缝标准
压力容器焊接结构设计要求
焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。 筒体与椭圆封头的焊接接头
压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接的环向接头采用A类焊缝。
焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。
封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为Y型坡口。 根据16MnR的抗拉强度
?b=490Mpa和屈服点?s=325Mpa选择E50系列?（强度要求：b≥490Mpa；
?s≥400Mpa）的焊条，型号为E5014.该型号的焊条是铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加
铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较高，其结构如下图
Y型坡口
筒体和封头的焊接：δ=6~20 α=60~70 b=0~2 p=2 ~3 管法兰与接管的焊接接头
管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97,根据公称通经选择相应的坡口宽度结构如附图中为几种常用的管法兰与结接管焊接形式的局部放大图。
接管与壳体的焊接接头
本设计除人孔接管带补强圈外其它接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T形或角接接头。选择HG20583-1998标
k??t，准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为??50??5?；b?2?0.5；p?1?0.5；
??4～25，
且k?6，它适用于s
?t??s
12
，因为所选接管的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚
度为24mm，所以符合要求。选择全焊透工艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。如附图中的局部放大图所示[4,5]。
图3-12带补强圈焊接接头结构
β1=50°+5°?2＝30°±2° b1=2+0.5,b2＝5±1,K1＝δt ,K1=?c﹙?c≤8) k2＝0.7?c
6各附件接管的布局
为了便于操作及考虑到开孔的安全性要求，本设计中将安全阀接管、进料接管、压力表接管、人孔接管、放空口接管成直线依次布局在筒体上方，其中安全阀、压力表、进料管以及左右接管和筒体左右直边间的距离均为800mm，人孔接管与放空管间距离为1000mm,压力表与人孔接管间距离为1800mm。
排污口接管和出料管布置在筒体下方，排污口接管在左封头与左支座之间，距左封头直边200mm处，出料管在右封头直边与右支座之间距右封头直边250mm处。
进料管内伸长度为1650mm，排污管和出料管内伸长度为0，其余的接管内伸长度均为10mm,其中排污管和出料管外伸长度为150mm，人孔接管外伸长度为250mm，液面计外伸长度300mm,其余接管外伸长度均为200mm,具体布局见装配图。
7. 校核计算（用SW6软件）
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
6.5鞍座的校核
31
32
33
34
35
36
37
注：带#的材料数据是设计者给定的
7 总结
通过这次课程设计，让我对过程设备设计这门课有了进一步的认识。这次课设是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。 设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。
通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计的最后附有CAD设备图，在绘图的整个过程中，我对制图软件的操
38
作更加熟悉。
这次课设的书写中对格式的要求也很严格，因为的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，但是我们还是在老师的帮助下通过各种资料完成了这次课程设计。 最后感谢郭老师这些日子的耐心指导。
39
参考文献
中国石化集团上海工程有限公司，《化工工艺设计手册》，化工工业出版社，2009
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国家医药管理局上海医药设计院 编，《化工工艺设计手册》，化学工业出版社，1989
JB/T 4700～4704-2000，《压力容器法兰》，国家机械工业局、国家石油和化学工业局，2000 JB/T 4712.1～4712.4-2007，《容器支座》，国家发展和改革委员会，2008
JB 4708-2000 JB/T 4709-2000 JB 4744-2000，《钢制压力容器焊接工艺评定 钢制压力容器焊接规程 钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》，国家机械工业局，国家石油和化学工业局，2000 郑津洋等编，《过程设备设计》（第二版），化学工业出版社，2005.7
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范文五：液氨储罐的设计
燕京理工学院 Yanching Institute of Technology
(2018) 届本科生化工设备机械基础大作业 题目:液氨储罐的设计
学院:化工与材料工程学院 专业:应用化学
学号: 140140023 姓名:游超杰
指导教师:周莉莉
2017年 6月 30日
目录
1、设计任务书 ............................................................................................................................................... 1
2、前言 ........................................................................................................................................................... 2
3. 设计方案 ...................................................................................................................................................... 3 3.1设计依据及原则 ............................................................................................................................... 3 3.2、设计要求 ........................................................................................................................................ 3技术特性表 ..................................................................................................................................................... 3 4、设计计算 ................................................................................................................................................... 5 4.1、圆筒厚度设计 ................................................................................................................................ 5 4.2、封头壁厚设计 ................................................................................................................................ 6
4.3、水压试验及强度校核 ..................................................................................................................... 6
5、选择人孔并核算开孔补强 ........................................................................................................................ 7 5.1、人孔参数确定 ................................................................................................................................ 7
5.2、开孔补强的计算 ............................................................................................................................ 8
6、接口管设计 ............................................................................................................................................... 9 6.1、进料管 ............................................................................................................................................ 9 6.2、出料管 ..........................................................................................................................................10 6.3、液位计接口管 ..............................................................................................................................10 6.4、放空阀接口管 ..............................................................................................................................10 6.5、安全阀接口管 ..............................................................................................................................10 6.6、排污管 ..........................................................................................................................................10
6.7、压力表接口 ..................................................................................................................................10
7、鞍座负载设计 .........................................................................................................................................10 首先粗略计算鞍座负荷 . .......................................................................................................................10 7.1、罐体质量 m1 ................................................................................................................................11 7.2、封头质量 m2 ................................................................................................................................11 7.3、液氨质量 m3 ................................................................................................................................11
7.4、附件质量 m4 ................................................................................................................................11
8、设计汇总 .................................................................................................................................................12
1、设计任务书
课题:
液氨储罐的设计(家乡衡水)
设计内容:
根据既定的工艺参数设计一台液氨储罐
已知工艺参数:
最高使用温度 T=40℃
罐体容积 V=12mm3
此时氨的饱和蒸汽压 P=1.55MPa
具体的内容包括:
1. 筒体材料选择
2. 罐的结构及尺寸(内径、长度)形状(卧式、球形、立式),罐体厚度,封 头形状及厚度,支座的选择,人孔及接管,开孔补强
下达时间:2017年 6月 16日
完成时间:2017年 6月 30日
2、前言
本次课程设计是化工与材料工程学院,应用化学专业对化工设备机械基础这 门课程进行的。课设题目为液氨储罐的课程设计。
液氨,又称为无水氨,是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料,应用 广泛, 为运输及储存便利, 通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。 液氨 在工业上应用广泛, 而且具有腐蚀性, 且容易挥发, 所以其化学事故发生率相当 高。
NH
3
气氨相对密度 (空气=1) :0.59,分子量为 17. 04. 液氨的密度是 0.562871Kg/L(50℃ ) 。
自燃点:651. 11℃ 饱和蒸汽压:2.033MPa
熔点 (℃ ) :-77. 7 爆炸极限:16%~25%
沸点 (℃ ) :-33. 4 1%水溶液 PH 值:11. 7
比热 kJ(kg·K) :氨(液体) 4.609 氨(气体) 2.179
蒸汽与空气混合物爆炸极限 16~25%(最易引燃浓度 17%)。氨在 20℃水中溶 解度 34%,25℃时 , 在无水乙醇中溶解度 10%,在甲醇中溶解度 16%,溶于氯仿、乙 醚 , 它是许多元素和化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性。液态氨将侵蚀某些塑料 制品 , 橡胶和涂层。 遇热、 明火 , 难以点燃而危险性较低 ; 但氨和空气混合物达到 上述浓度范围遇明火会燃烧和爆炸 , 如有油类或其它可燃性物质存在 , 则危险性 更高。
液氨主要用于生产硝酸、 尿素和其他化学肥料, 还可用作医药和农药的原料。 在国防工业中, 用于制造火箭、 导弹的推进剂。 可用作有机化工产品的氨化原料, 还可用作冷冻剂。液氨还可用用于纺织品的丝光整理。
液氨通常采用钢瓶或槽车灌装。 灌装用钢瓶或槽车应符合国家劳动局颁发的 “气瓶安全监察规程”、“压力容器安全监察规程”等有关规定。
本设计是针对《化工设备机械基础》这门课程所安排的一次课程设计,是对 这门课程的一次总结,要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。
设计基本思路:本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素,结合给 定的工艺参数,机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准 的设计顺序,分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、 液位计、 鞍座、 焊接形式进行了设计和选择。 设备的选择大都有相应的执行标准, 设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件, 也有一些设备没有相应标
准,则选择合适的非标设备。
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。
本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体的性质及厚度、封头的 形状及厚度、 确定支座、 人孔及接管、 开孔补强的情况以及其他接管的设计与选 取。
3. 设计方案
3.1设计依据及原则
本液氨贮罐属于中压容器,设计以“钢制压力容器”国家标准(GB150)为 依据, 严格按照政府部门对压力容器安全监督的法规 “压力容器安全技术监督教 程”的规定进行设计。以安全为前提,综合考虑质量保证的各个环节,尽可能做 到经济合理,可靠的密封性,足够的安全寿命。
设计的步骤如下:
(1)根 据设计中要用的各种参数进行计算及材料选择。
(2)对 容器的筒体、封头鞍座及其他附件进行参数计算。
(3)对 计算出来的数据进行校核。
3.2、设计要求
技术特性表
管口表
3.3、液氨储罐设计参数的确定
3.3.1、设计温度与设计压力的确定
(1)设计温度:T= 40℃
(2)设计压力 :本贮罐在最高使用温度 40℃下,氨的饱和蒸汽压为 1.55MPa(绝 对压强 ) ,容器上装有安全阀,则取 1.05到 1.10倍的最高工作压力作为设计压 力, 这里取最高设计压力为 1.10倍。 所以设计压力为 P= 1.10×(1.55-0.10133) =1.60MPa。
3.3.2、罐体和封头材料的选择
(1)材料选择:由操作条件可知,该容器属于中压、常温范畴(化工设备机械 基础 第六版 P56表 2-2)。考虑到机械性能、强度条件、腐蚀情况等要求,筒 体和封头的材料选用可以考虑 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。所以在此选择 16MnR 钢板作为 制造筒体和封头材料。钢号为 16MnR 的钢板(适用温度范围 -40-475℃,使用状 态为热轧或正火,钢板标准为 GB6654— 1996)。接管材料选用钢号为 16MnR 的 接管 (许用应力:[σ]=[σ]t =163MPa) 。 法兰材料为 16MnR , 鞍座材料选用 16MnR 。 (2)钢板厚度负偏差:由《化工设备机械基础》第六版 P97表 4— 9可知,钢板 厚度在 7.5-25mm 时钢板负偏差 C
1
=0.80mm。
(3)腐蚀裕量 :腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命决定。
腐蚀裕量 C
2
=Ka,其中 K 为腐蚀速率; a 容器的使用寿命。对于低合金钢的容器, 其腐蚀程度若属于轻度腐蚀,腐蚀速度 0.05-0.13(mm/a),腐蚀余量≥ 1.0mm ,
(第六版 P98 表 4-11)故腐蚀余量取 C
2
=2.0mm.
(4) 焊接头系数:本次课程设计是液氨储罐的机械设计。 氨属于中度毒性物质, 查(第六版 P56 表 2-2)可知该设备为中压储存容器,即为第三类压力容器。由 于焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方, 要保证设备密封性能良好, 故筒体焊接 结构采用双面焊的全焊透的对接接头,且全部无损探伤的,故取焊接头系数 φ=1.0。
(5) 许 用 应 力 :对 于 本 设 计 是 用 钢 板 卷 焊 的 筒 体 以 内 径 作 为 公 称 直 径
DN=D
i
=1600mm.假设 16MnR 钢的厚度在 16-36mm 之间,设计温度下钢板的许用应 力 [σ]t =163Mpa。
4、设计计算
4.1、圆筒厚度设计
16MnR 的密度为 7.85t/m3,熔点为 1430℃,许用应力 []t
σ列于下表:
表 3.1 16MnR许用应力
在 GB-150-1998《钢制压力容器》中规定,将计算厚度与腐蚀裕量作为设计 厚度,即: 2][2C p DN
p c
t
c d +-?=
φσδ 式中 δd —设计厚度(mm );
C 2—腐蚀裕量(mm ); P c —圆筒的设计压力(MPa ); DN —圆筒的公称直径(mm ); φ—焊接接头系数;
[σ]t —钢板在设计温度下的许用应力(MPa )。 于是 2][2C p DN
p c
t
c d +-?=
φσδ=1.60×1600/(2×163×1.0-1.60) +2.0=9.89mm. 将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整到钢板的标准规格的厚度, 及圆筒的
钢号
板厚 /㎜
在下列温度(℃)下的许用应力 / Mpa
≤ 20
100
150
200
250
300
16MnR
6~16 170 170 170 170 156 144
16~36
163 163 163 159 147 134
36~60
157 157 157 150 138 125
>60~100
153 153 150 141 128 116
名义厚度: 1C d n +=δδ=9.89+0.8=10.69mm
即 1C d n +=δδ=9.89+0.80+△。圆整后取 δn =11.00mm后的 16MnR 钢板制作筒 体。
4.2、封头壁厚设计
由于椭圆封头厚度的计算公式和筒体厚度的计算公式几乎相同, 说明筒体采 用标准椭圆封头, 其封头厚度近似等于筒体厚度, 这样筒体和封头可采用相同厚 度的钢板制作。因为 D i /2hf =2时,定义为标准椭圆封头,所以封头的形状系数 K=1.0。
封头的设计厚度为: 25. 0][2··C p K
DN p c
t
c d +-=
φσδ 即 25. 0][2··C p K
DN p c
t
c d +-=
φσδ=1.60×1600/(2×163×1.0-0.5×1.60) +2.0=9.87mm。
考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量,需圆整,封头的名义厚度由公式可得
1C d n +=δδ=9.87+0.8,圆整后取 δn =11mm厚的 16MnR 钢板作封头。
4.3、水压试验及强度校核
由《化工设备机械基础》(第六版 P100)查得内压容器液压试验时应力校 核公式为
φσδδσs e
e t t DN p 9. 02)
(≤+=
式中 p t —试验压力(MPa ); δe —有效厚度(mm ); σs —圆筒材料在试验 温度下的屈服点(MPa ); D i —圆筒的内直径; σt — 圆筒壁在试验压力下的计算 应力(MPa ); Φ—圆筒的焊接接头系数。
其中 p t =1.25p=1.25×1.60=2.00MPa δe =8.2mm σs =325MPa 于是 e
e t t Di p δδσ2) (+=
=20. 8220. 8160000. 2?+?) (=196.12MPa≤ φσs 9. 0=0.9×325×
1.0=292.5MPa.
水压试验满足强度要求。
5、选择人孔并核算开孔补强
5.1、人孔参数确定
为了检查设备使用过程中是否产生裂纹、 变形、 腐蚀等缺陷, 应开设检查孔, 此设备应至少开设一个人孔,人孔的形状有圆形和椭圆两种,当设备内径 D i
> 1000mm 时,压力容器上的开孔最好是圆形的。椭圆形人孔的短轴与受压容器的 轴线平行。 圆形人孔的直径一般为 450mm , 受压容器的压力不高或有特殊需要时, 直径可以大一些。圆形人孔的直径有 DN400、 DN450、 DN500和 DN600共 4种。本 设计根据储罐在常温工作压力为 1.60MPa 的条件下工作, 人孔标准应按公称压力 为 1.60MPa 的等级选取。 受压设备的人孔盖较重, 一般均选用吊盖式人孔或回转 盖式人孔。吊盖式人孔使用方便,垫片压紧较好,回转盖式人孔结构简单,转动 时所占空间平面较小, 如布置在水平位置时, 开启时较费力。 故选水平吊盖带颈 平焊法兰人孔, 该人孔结构中有吊钩和销轴, 检修时只须松开螺栓将盖板绕销轴 旋转一个角度,由吊钩吊住,不必将盖板取下。人孔直径选择 DN450.
该人孔标记为:HG21523— 1995人孔 RF Ⅳ(A ·G ) 450— 1.6
其中 RF 指凸面封闭,Ⅳ指材料为 20R , A ·G 是指用普通石棉橡胶板垫片, 450— 1.6是指公称直径为 450mm 、公称压力为 1.60MPa 。
5.1.1、人孔补强设计
开孔补强结构:压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、 厚壁管补 强、整体锻件补强三种。
补强圈补强是使用最为广泛的结构形式, 它具有结构简单、 制造方便、 原材 料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条件下,可采用补强 圈补强形式。但必须满足规定的条件。
压力容器开孔补强的计算方法有多种,为了计算方便,采用等面积补强法, 即壳体截面因开孔被削弱的承载面积, 必须由补强材料予以等面积的补偿。 当补 强材料与被削弱壳体的材料相同时, 则补强面积等于削弱的面积。 补强材料采用 16MnR 。
5.2、开孔补强的计算
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 d=450mm,壁厚 δm =10mm。故补强圈尺寸如下:查表 (《化 工设备机械基础》 董大勤 P302 表 11-2)得人孔的筒体尺寸 ?480×10,由标 准查的补强圈内公式 D 1=484mm,外径 D 2=760mm。 开孔补强的有关计算参数如下
1、不计焊缝系数的筒体计算壁厚
89. 7) 6. 11632/(16006. 1) ][2(, =-??=-=p PcD t i σδmm
2、开孔所需补强的面积 A :
开孔直径:d=di +2C=450+2×(0.8+2) =455.6mm 补强的面积:A=d×δ=455.6×7.89=3594.684mm 3、有效地宽度 B : B=2×d=2×455.6=911.2mm
B=d+2×δn +δm =455.6+2×11+10=487.6mm 取最大值 B=911.2mm 4、有效高度 h :
外侧高度 h 1=49. 67106. 455) (=?=?m d δmm 或 h 1=接管实际外伸高度 =250mm 两者取较小值 h 1=67.49mm
内侧高度 h 2=mm d m 49. 67) 106. 455() (=?=?δ 或 h2=接管实际内伸高 =0mm
两者取较小值 h 2=0mm 5、筒体多余面积 A 1
筒体有效厚度:δe =δn -C=11-2.8=8.2mm
选择与筒体相同的材料(16MnR )进行补偿,故 f r =1,所以 A 1=(B-d )(δe -δ) -2δm (δe -δ)(1-f r ) =(911.2-455.6)(8.2-7.89) -0 =141.23mm2
6、接管多余金属的截面积 A 2:
接管计算厚度 δt =Pc ×d/(2[σ]t ?
-P c ) =1.6×455.6/(2×163×1-1.6) = 2.25
A 2=2h1(δm -C-δt )f r +0=2×67.49×(10-2.8-2.25) =668.42mm2
7、补强区内焊缝截面积 A 3 A3=2×0.5×10×10=100mm2 8、有效补强面积 A e
Ae =A1+A2+A3=141.23+668.42+100=909.65mm2 比较得 e A A >
满足以下条件的可选用补强圈补强:刚材的标准常温抗拉强度 540≤b σMpa 补强圈厚度应小于或等于壳体壁厚的 1.5倍;壳体名义厚度 38≤n δ㎜;设计 压力 Mpa 4<;设计温度 350≤℃。可知本设计满足要求,则采用补强圈补强。="">
034. 26854=-=e A A A ㎜ 2
补强圈的结构及尺寸:为检验焊缝的紧密型, 补强圈上钻 M10的螺孔一个, 以 通入压缩空气检验焊缝质量。 按照根据焊接接头分类, 接管、 人孔等与壳体连接 的接头, 补强圈与壳体连接的接头取 D 类焊缝。 根据补强圈焊缝要求, 并查得结 构图为带补强圈焊缝 T 型接头,补强圈坡口取 B 型,标准 HG 21506-92 得补强 圈外径 760D 0=mm, 内径 ()5~3D 0+=d i 则取 484㎜。 计算补强圈厚度:
28. 62. 427/034. 26854
==-≥
i
c D B A δ㎜ 考虑到钢板负偏差并圆整,补强材料与壳体材料相同,制造时为便于备材, 且查标准补强圈厚度取 7㎜,计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。
6、接口管设计
6.1、进料管
进料管采用 φ65×5mm 的无缝钢管,钢管一端切成 45°, 伸入储罐少许,管长 400mm , 配用突面板式平焊法兰 HG 20593法兰 PL 50-1.6 RF Q345R,不需补强。
6.2、出料管
在化工生产中, 需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去, 并 且获得纯净无杂质的物料。故采用可拆的压出管 φ65×5mm ,将它用法兰固定在 接口管 φ75×5mm 内。
6.3、液位计接口管
液面计是用以指示容器内物料液面的装置, 其类型大体上可以分为四类: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,其适用温度在 0-200℃。玻 璃管液面计适用于工作压力小于 1.6MPa , 介质温度在 0-200℃情况下。 玻璃板液 面计和玻璃管液面计均适用于物料没有结晶等堵塞固体的场合。 板式 5液面计承 压能力强但比较笨重,成本较高。
液氨为较干净的物料, 易透光, 不会出现严重堵塞现象, 所以在此选用玻璃管液 面计。选用玻璃管液面计,记作 AG1.6-I-1200P , L=1200mm两支。与液面计相配 的接口管尺寸为 φ18mm ×3mm ,管法兰为 HG20595-97法兰 SO15— 1.6RF 16MnR。 6.4、放空阀接口管
采用 φ32mm ×3.5mm 无缝钢管, 法兰为 HG20595-97法兰 SO25— 1.6RF 16MnR 。 6.5、安全阀接口管
采用 φ32mm ×2.5mm 无缝钢管, 法兰为 HG20595-97法兰 SO25— 1.6 RF 16MnR (尺寸有安全阀泄露放量决定)。
6.6、排污管
储罐右端最底部安设排污管一个,管子规格为 φ76mm ×5mm ,管端焊有一与 截止阀 J41W — 16相配的管法兰 HG20595-97法兰 SO65— 1.6RF 16MnR 。排污管一 罐体连接处焊有一厚度为 10mm 的补强圈。
6.7、压力表接口
压力表接口管尺寸的最大工作压力决定,因此选用 mm
5. 3
57?
φ无缝钢管, 管法兰采用 HG 5010-58 Pg16Dg65。各接外管外伸高度都是 150mm 。
7、鞍座负载设计
首先粗略计算鞍座负荷
储罐总质量: m=m1+ m2+ m3+ m4
式中: m1—罐体质量(kg ); m 2—封头质量(kg ); m 3—液氨质量(kg ); m 4—附件质量(kg )。 7.1、罐体质量 m1
由公称直径 D i =1600mm,壁厚 δn =11mm条件下查表得每米质量是 q 1=390kg/m, 故 m 1= q1L 0
于是 m 1= q1L 0= 390×5.5=2184kg 7.2、封头质量 m2
由封头公称直径 DN=1600mm,壁厚 δn =11mm,h0=40mm条件下, 根据 《化工设备机械 基础》(董大勤主编 P198)的公式
[]
g 10h 7. 24) p (51. 83p 02K D Di G p i ??+++=δδδ) (
= [8.51(1.6+0.011) 2+24.7(1.6+0.011)×0.04]×0.011×103 求得 G =260.447Kg
封头质量 m 2=2G=2×260.447=520.894Kg 7.3、液氨质量 m3
m 3=V·ρ
式中 V —主管容积(m 3); ρ—水的密度(kg/ m3)。
其中,当 DN=1600mm,壁厚 δd =11mm,h0=40mm条件下,罐体的容积为 12m 3 液氨在 0℃时的密度为 64kg/m3, 小于水的密度,故充液氨质量按水考虑。即 ρ=1000kg/m3。
所以 m 3=V·ρ=12×1000=12000kg 7.4、附件质量 m4
人孔约重 200kg, 其他管的总和按 300kg 计,故 m 4=200+300=500kg 设备的总质量 m=m1+m2+m3+m4=2184+520.89+12000+500=15204.89kg
各鞍座的支座反力为 F=mg/2=15204.89×9.81/2=74.58KN,.根据 《化工设备机械 基础》(第六版 ,P358 附表 16-5)查得由于筒体的公称直径 DN=1600mm,所以 可以选轻型 (BI 型) 120°包角带垫板鞍座, 鞍座高度 250mm, 底板长度 l 1=1120mm,
螺栓连接尺寸 l 2=960mm,鞍座宽度为 b=146mm,底板厚度 δ1=16mm,腹板厚 =2δ12mm , 筋 板 厚 度 δ3=12mm,筋 板 长 度 l 3=257mm,垫 板 宽 4b =320mm, 垫 板 厚
mm 104=δ。 鞍座标记为:
JB/T4712— 92 鞍座 A2800— F JB/T4712— 92 鞍座 A2800— S
由《化工设备机械基础》第六版 P175 知:当同体的 L/D较大,或在鞍座所在平 面内有加强圈是, 取 A ≤ 0.2L 时; 当筒体的 L/D较大, 且在鞍座所在平面内无加 强圈时,取 A ≤ D 0/4,且 A 不宜大于 0.2A ; A 最大不得大于 0.25L 。 因为 0.2L>0.5R,所以取鞍座位置 A=0.5R=0.5×1400=700mm
8、设计汇总
本设备按 GB 150-1998《钢制压力容器》 和 HG 20584-1998《钢制化工容器制 造技术要求》进行制造、检验和验收,并接受国家质量技术监督局颁发的《压力 容器安全技术监察规程》;
焊接采用电弧焊, 焊条牌号 16MnR 间为 J507,16MnR 与碳钢间为 J427; 焊接 接头型式及尺寸除图中注明外,按 HG 20583的规定,不带补强圈的接管与筒体 的焊接接头为 G2, 角焊缝的焊角尺寸按较薄板的厚度,法兰的焊接按相应法兰标 准中的规定;
设备筒体的 A 、 B 类焊接接头应进行无损检测, 检测长度为 100%, 射线检测 不低于 JB 4730-94RTⅡ为合格,且射线照相质量不低于 AB 级; 设备制造完毕,以 2.7MPa 表压进行水压测试;
致谢
通过本次液氨储罐的机械设计, 使我了解了很多关于化工容器的知识, 如容器材料的选 择、 附件型号的选择、 焊接方式、 参数校核等。 浏览了很多与此相关的书籍, 感觉受益匪浅。 由于所学知识有限, 时间有限, 在本次课程设计中可能有很多方面还不够完善, 部分设 计可能不太合理或有更优选择,希望老师给予指正。
最后, 感谢老师细致而耐心的讲解, 使我更加清楚设计的步骤及关键环节, 也要感谢同 学的帮助,给我们指出设计过程中的不足使我们本次的课程设计更加完善。
参考文献
[1]董大勤《化工设备机械基础》北京化工工业出版社
[2]喻建良 王立业 刁玉伟 《化工设备机械基础》 大连理工大学出版社 第六版 [3]潘永亮编《化工设备机械基础》 科学出版社 第三版 .
附录:
表 1 系数 K 5 K 6 值 表 2 系数 K 3 K 4值
表 3 系数 K 9值
表 4 椭圆形封头(摘自 JB/T4737— 95)
表 5 圆柱形筒体的容积、内表面积和质量
表 6容器按压力等级的分类
表 7筒体、封头的腐蚀腐蚀裕量
燕京理工学院化工设备机械基础 --大作业 表 8钢板厚度的负偏差 (mm)
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