液氨卧式储罐设计

前言

本说明书为《31m3液氨储罐设计说明书》。本文采用分析设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、人孔、接管进行设计，然后采用1SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。

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目录

附：设计任务书…………………………………………….2 第一章 绪 论…………………………………………….3 （一）设计任务…………………………………………….3 （二）设计思想…………………………………………….3 （三）设计特点…………………………………………….3 第二章 材料及结构的选择与论证…………………………3 （一）材料选择……………………………………………..3 （二）结构选择与论证……………………………………..3 第三章 设计计算……………………………………………5 （一）计算筒体的壁厚……………………………………..5 （二）计算封头的壁厚……………………………………..6 （三）水压试验及强度校核………………………………..6 （四）选择人孔并核算开孔补强…………………………..7 （五）核算承载能力并选择鞍座…………………………..9 （六）选择液面计…………………………………………..9 （七）选择压力计………………………………………….10 （八）选配工艺接管……………………………………….10 第四章 设计汇总…………………………………………...11 第五章 结束语……………………………………………...12 第六章 参考文献……………………………………………13

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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。平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

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用量来年：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。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。压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。平焊法兰又分为甲型与乙型两种。甲型平焊法兰有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℃。乙型平焊法兰用于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近材料许用应力值，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

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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，各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、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

此时氨的饱和蒸汽压 Pc—设计压力 储罐的最高工作温度为40℃，

为1.55MPa ，取此压强的1.10倍作为设计压力，故 Pc=1.10×1.55=1.705MPa

在操作温度-5～40℃的范围内，估计筒体壁厚大约为16mm，在《常用容器钢板（管）许用应力表》中按设计温度40℃，板厚6～16mm间插值取得[σ]t=200.75MPa

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

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系数由焊接接头系数表查得φ=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：

δd=

Pc⋅Di1.705×2700

+C=+2=13.515mm 2t

2×200.75×1.002[σ]ϕ−Pc

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δn=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 δd=

Pc⋅Di1.705×2700

+C=+2=13.515mm 2t

2×200.75×1.002[σ]ϕ−Pc

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 δn=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：

[σ]⎧

1.25P=P=1.25×1.705=2.13MPa⎪ct

⎨t[σ]

⎪⎩Pt=Pc+0.10=1.705+0.10=1.805MPa

选取两者中压力较大值作为水压试验压力，即取Pt=2.13MPa， 水压试验时的应力为

σt=

Pt(Di+δe)2.13×[2700+(16−0.8−2)]

=218.91MPa =

2δeϕ2×(16−0.8−2)×1

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查表得厚度为16mm的16MnR钢板的钢材屈服极限σs=345MPa 故在常温水压试验时的许用应力为 0.9σs=0.9×345=310.5MPa 故σt<0.9σs 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,故选用水平吊盖人孔(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di=450mm,壁厚δm=10mm

查表得人孔的筒体尺寸为Φ480×10，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：

δ=

PcDi1.705×2700

==11.515mm

2[σ]tϕ−Pc2×200.75×1−1.705

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)=453.6mm 补强的面积：A=d⋅δ=453.6×11.515=5223.204mm2 3. 有效宽度：

B=2⋅d=2×453.6=907.2mm

B=d+2⋅δn+2⋅δm=453.6+2×16+2×10=505.6mm

取最大值 B=907.2mm 4. 有效高度：

外侧高度h1=d⋅δm=453.6×10=67.35mm 或h1=接管实际外伸高度=250mm

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两者取较小值h1=67.35mm

内侧高度h2=d⋅δm=453.6×10=67.35mm 或h2=接管实际内伸高度=0mm 两者取较小值h2=0mm 5. 筒体多余面积A1：

筒体有效厚度：δe=δn−C=16−1.8=14.2mm

选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故fr=1，所以

A1=(B−d)(δe−δ)−2δm(δe−δ)(1−fγ)

=(907.2−453.6)(14.2−11.515)−2×10×(14.2−11.515)(1−1)=1217.916mm

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6. 接管多余金属的截面积A2： 接管计算厚度δt=

Pc⋅d1.705×453.6

==1.93mm t

2[σ]ϕ−Pc2×200.75×1−1.705

A2=2⋅h1(δet−δt)fγ+2⋅h2(δet−C2)fγ =2⋅h1(δm−C−δt)fγ+0

=2×67.35×(10−1.8−1.93)=844.569mm

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7. 补强区内焊缝截面积A3：

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A3=2××10×10=100mm2

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8. 有效补强面积Ae：

Ae=A1+A2+A3=1217.916+844.569+100=2162.485mm2 因为Ae8

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A4=A−Ae=5223.204−2162.485=3060.719mm2

（补强圈内径Di=484，外径Do=760） 10. 补强圈厚度δ'：

δ'≥

A43060.719==11.09mm

Do−Di760−484

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δ'=16mm

（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+W2+W3 ，式中

W1—罐体的质量，Kg

W2—水压试验时水的质量，Kg W3—附件的质量，Kg 1. 罐体质量W1：

储罐公称容积为31m3，筒体公称直径DN=2700 mm，那么每米长

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的容积为5.73m3 ，由《材料与零部件》查得封头容积V2=2.8055m/m，则V=2V2+LV1=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δn=16的筒体的重量为7238Kg，封头自重为1016Kg，故罐体自重W1=7238+2×1016=9270Kg 2. 水压试验时水的质量W2:

储罐的总容积V=2V2+LV1=2×2.8055+4.5×5.73=31.396m3 故水压试验时罐内水重W2=31396Kg 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=W1+W2+W3=9270+31396+550=41216Kg

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

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（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, 液面计接管为无缝钢管，液面计相配的接口管尺寸为:φ32×3.5mm平焊管法兰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近压力表的刻度极限，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近零位，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：φ50 接头螺纹：1.5G1 测量范围：0～2.4MPa

（八）选配工艺接管：

本储罐设有如下接口管 1.液氨进料管

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采用无缝钢管YB231-70 φ76×4mm ,管的一端伸入罐切成45°,管长400 mm。配用凸面式平焊管法兰HG 5010-58 Pg16Dg25

2.液氨出料管

采用可拆的压出管φ76×4mm,伸入到罐内离罐底约100 mm,外套无缝钢管φ89×6mm(管壁加厚，具有补强作用),都配用凸面板式平焊管法兰（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φ76×4mm，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φ76×4mm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φ57×3.5mm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

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指标 1.705MPa ≤40℃ 液氨 31.396m3

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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

液面计接口管 压力计接口管 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

第六章 参考文献

[1]《压力容器设计手册》 董大勤 袁凤隐 2005.7

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[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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