“液氨贮罐的机械设计”完美版设计任务书课题：液氨贮罐的机械设计设计内容：根据给定的工艺参数设计一个液氨贮罐相关工艺参数：最高使用温度：T=50℃公称直径：DN=2800mm筒体长度（不含封头）：L0=4500mm 设计操作步骤：1.筒体材料的选择2.罐的结构及尺寸3.罐的制造施工4.零部件型号及位置、接口5.相关校核计算设计人: XXX学号：080801XXXX下达时间：2011年11月25日完成时间：2011年12月26日目录前言 (1)1设计方案 (2)1.1设计原则 (2)1.2材料的选择 (2)1.3结构的选择 (2)2设计参数 (4)3设计计算 (5)3.1壁厚的计算 (5)3.1.1筒体壁厚 (5)3.1.2封头壁厚 (5)3.2鞍座承载能力计算 (7)3.2.1罐体质量m1 (7)3.2.2封头质量m2 (7)3.2.3液氨质量m373.2.4附件质量m4 (8)3.3人孔补强计算 (8)4附件选择 (11)4.1人孔选择 (11)4.2接口管的选择 (11)4.2.1液氨进料管 (11)4.2.2液氨出料管 (11)4.2.3液面计接口管 (11)4.2.4安全阀接口管 (11)4.2.5放空阀接口管 (11)4.2.6排污管 (11)5参数校核 (12)5.1筒体轴向应力校核 (12)5.1.1筒体轴向弯矩计算 (12)5.1.2筒体轴向应力计算 (12)5.2筒体和封头切向应力校核 (14)5.2.1筒体切向应力计算 (14)5.2.2封头切向应力计算 (14)5.3筒体环向应力校核 (15)5.3.1环向应力计算 (15)5.3.2环向应力校核 (16)5.4鞍座有效断面平均压力 (16)6设计汇总 (17)7小结 (22)参考文献 (23)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。
液氨作为一种重要的化工原料，在工业上应用广泛。
主要用于生产硝酸、尿素和其他化学肥料的原料，国防工业中制造火箭、导弹的推进剂，有机化工产品的氨化原料，冷冻剂等。
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。
采用钢瓶或槽车灌装，运输过程中应避免受热，严禁烟火。
液氨具有腐蚀性，且容易挥发，故化学事故发生率较高。
在工业生产中，为能够进行连续化操作，需要有储存液氨的容器，因此，液氨贮罐的设计与制造不可或缺。
本课程设计为设计一台圆筒形卧式液氨贮罐。
设计内容主要包括，贮罐材料的选取，设计参数的确定，筒体和封头壁厚的计算及相关校核，鞍座与一些附件的选取和安装。
1设计方案1.1设计原则本次课程设计要求综合运用化工设备机械基础知识，根据给定的工艺参数设计一个化工厂中常见的贮存液氨的贮罐。
设计以“钢制压力容器”国家标准（GB150）为依据，以安全为前提，综合考虑经济性、实用性、安全可靠性。
各项设计参数严格参照行业使用标准或国家标准，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。
1.2材料的选择本次课程设计要求综合运用化工设备机械基础知识，根据给定的工艺参数设计一个化工厂中常见的贮存本贮罐选用16MnR制作罐体和封头。
纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般钢材，但由于压力较大，故选16MnR这种钢种。
16MnR表示平均含碳量为0.16%的容器钢，属于低碳钢，它的塑性好，焊接性和锻造性良好，适宜制造化工容器等焊接件和设备封头等冲压件。
1.3结构的选择1)封头形式的确定本液氨储罐的封头选用椭圆形封头。
椭圆封头是由曲率半径连续变化而成的，所以，封头上的应力分布均匀变化。
从钢材用量考虑，球形封头用量最少，比椭圆形封头节约25.8％，平板封头的用量最多，是椭圆形封头的4倍多；从制造角度考虑，椭圆形封头制造方便，平板封头则因直径和厚度较大，坯材的获得、车削加工、焊接等方面都遇到不少困难，且封头与筒体厚度相差悬殊，结构也不合理。
所以，从强度、结构和制造等方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。
2)人孔的选择人孔是安装或检修人员进入塔器的唯一通道，一般每隔5～10m距离才设置一个人孔。
根据储罐是在常温及最高工作压力为1.6MP a的条件下工作，人孔标准应按公称压力为1.6MPa的等级选取，符合要求的有垂直吊盖带颈平焊法兰人孔和水平吊盖带颈平焊法兰人孔。
本设计选用水平吊盖人孔，人孔的公称直径选定为450mm，密封压紧面采用C型。
3)法兰形式的选择法兰与筒体、封头或管段以角焊方式联接的，称为平焊法兰。
平焊法兰制造简单，广泛应用，但刚性较差，紧用于压力不高的场合；筒体、封头或管段以对焊方式连接用的法兰，称为对焊法兰或带颈法兰，对焊法兰刚性好且对焊缝的强度高，适用于压力、温度较高的场合。
本设计采用对焊法兰。
4)鞍式支座的选择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式支座、圈座、腿式支座三类。
由于鞍式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故此设计中选用鞍式支座。
鞍座分为A型（轻型）和B型（重型）两类，每种形式的鞍座又分为固定式支座（F）和滑动式支座（S）两种。
由于本设计中贮罐体积较小，故采用A型双鞍座，一个S型，另外一个F型。
2设计参数1)设计温度：T=50℃。
2)设计压力：根据《化学化工物性数据手册》查得，液氨50℃时的饱和蒸汽压为2.033MPa（绝对压强），密度为0.562871g/cm3，设计压力取最大操作压力的1.05-1.10倍，即：P=1.10×（2.033-0.10133）=2.125MPa（表压），故设计压力取为 2.125MPa。
液柱的静压力为P i=DN·ρ·g=2.8×0.562871×103×9.81×10-6=0.0154609MPa <5%P=0.106MPa，所以静压力可忽略不计，可取计算压力P C=P=2.125MPa。
3)钢板厚度负偏差：根据文献[2]-P173可知，钢板厚度在8.0～25.0mm时钢板厚度负偏差为C1=0.8mm。
4)腐蚀裕量：根据文献[2]-P173可知，腐蚀裕量由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命决定。
腐蚀裕量C2=λ·n，其中λ为腐蚀速率，n为容器的设计寿命。
根据文献[3]-P216，钢铁对于氨气和液氨有优良的耐蚀性，腐蚀率在0.1mm/a以下，贮罐为单面腐蚀，故取C2=2.0mm。
5)焊接头系数：由于PV=2.125×2.82×π/4×4.5=58.88>10MPa·m3，由文献[4]-P125可知，该贮罐为中压储存容器，即为第三类压力容器。
为保证设备密封性能良好，焊接结构采用双面焊或相当于双面的全焊透的对接接头，且全部无损探伤，故取焊接头系数φ=1.0。
6)许用压力：由DN=D1=2800mm，假设16MnR钢的厚度在16～36mm 之间，根据文献[2]-P168查表得，常温强度指标σb=490MPa，σs=325MPa，设计温度下的许用应力[σ]t=163MPa。
3 设计计算3.1 壁厚的计算3.1.1 筒体壁厚筒体壁厚包括计算厚度、设计厚度和名义厚度，其中计算厚度δ为：[]c t c p DN p -⨯=ϕσδ2（3-1）即 =δ371.18125.20.116322800125.2=-⨯⨯⨯mm 设计厚度d δ为计算厚度与腐蚀裕量之和，即[]22C p DN p c t c d +-⨯=ϕσδ（3-2）得 d δ=371.200.2125.20.116322800125.2=+-⨯⨯⨯mm 设计厚度加钢板负偏差向上圆整到钢板的标准规格厚度，即筒体的名义厚度：δn =δd +C 1+△ （3-3）得δn =20.371+0.8+△=22mm即制作筒体的16MnR 钢板厚度取δn =22mm 。
其中，筒体有效厚度为：δe=δn -C 1-C 2 （3-4）所以2.190.28.022=--=e δmm3.1.2 封头壁厚标准椭圆封头厚度近似等于筒体厚度，筒体和封头可采用同样厚度的钢板制造。
由文献[2]-P 185查得标准椭圆封头的形状系数K=1.00。
封头的设计厚度为：[]2ct5.02C P KDN P c d +-⨯⨯=φσδ（3-5）即d δ=0.2125.25.00.1163200.12800125.2+⨯-⨯⨯⨯⨯=20.311mm利用公式（3-3）计算封头的名义厚度，加入钢板负偏差圆整， 得δn =20.311+0.8+△=22mm即制作封头的16MnR 钢板厚度取δn =22mm 。
其中，根据公式（3-4），封头有效厚度为：2.190.28.022=--=e δmm由此查得，根据文献[2]-P 176，标准椭圆封头的直边高度h 0=50mm 。
故取两封头切线之间的距离为L=L 0+2h 0+1/2DN=4500+100+1400=6000mm 。
3.1.3压力试验水压试验，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。
根据文献[5]-P 162公式，管件应力()φσδδσs ee t t DN P 9.02≤+=（3-6）其中 δe =19.2mm ；σs =325 MPa ；P t =1.25P=1.25×2.125=2.656 MPa 所以994.1942.192)2.192800(656.2=⨯+⨯=t σMPa水压试验时的许用应力为 ：0.9φσs =0.9×325×1.0=292.5MPa可知，≤t σ0.9φσs ，故水压试验满足强度要求。
3.2 鞍座承载能力计算贮罐的总质量为：m=m 1+m 2+m 3+m 4 （3-7）式中，m 1—罐体质量；m 2—封头质量；m 3—液氨质量；m 4—附件质量。
3.2.1罐体质量m1由文献[5]-P 312续表查得，DN=2800mm ，δn =22mm 时筒节钢板质量q 1=1531kg/m ，而m 1= q 1·L 0 （3-8）于是m 1=1531×4.5=6889.5 kg3.2.2封头质量m2由文献[5]-P 312续表查得，DN=2800mm ，δn =22mm ，h 0=50mm 条件下椭圆型封头质量q 2=1570 kg/m ，按公式m 2=2 q 2 (3-9)有m 2=2×1570=3140kg3.2.3液氨质量m3由文献[5] -P 312，P 315续表查得，DN=2800mm ，δn =22mm ，h 0=50mm 条件下1m 高筒体的体积V 1=6.154 m 3，椭圆型封头的容积V 2=3.18 m 3，故V=V 封+V 筒=2V 2+L 0×V 1 （3-10）于是V=2×3.18+4.5×6.154=34.053 m 3由于液氨在0℃时的密度为64 kg/ m 3，小于水的密度，充满液氨质量可按水计算，即ρ=1000 kg/ m 3。
