课程设计 液氨储罐设计

化工设备机械基础
课程设计
题目：液氨储罐设计
指导老师：
设计人:
设计任务书
课题：液氨储罐的机
械设计设计内容：
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=42mm3
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，设备装配图（A2）
下达时间： 2011 年 11 月 10 日
完成时间：2011 年 11 月 16 日
前言
本次课程设计是化工学院，化学工程与工艺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。

N H3 气氨相对密度(空气＝1)：0.59，分子量为17．04.液氨的密度是0.562871K g/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。

此次设计主要原理来自《化工设计机械基础》及《过程装备机械设备设计》、《化工设计》、《化工机械基础》等参考书。

1. 设计方案 (6)
1.1. 设计依据及原则 (6)
1.2. 设计参数的确定 (6)
2. 各种参数计算 (8)
2.1. 确定罐体的形状及内径 (8)
2.2. 壁厚设计 (8)
2.2.1. 筒体壁厚设计 (8)
2.2.2. 封头壁厚设计 (10)
2.2.3. 筒体与封头水压试验 (10)
2.3. 人孔设计 (11)
2.3.1. 人孔参数确定 (11)
2.3.2. 人孔补强设计 (11)
2.4. 接口管设计 (13)
2.4.1. 进料管 (13)
2.4.2. 出料管 (14)
2.4.3. 液位计接口管 (15)
2.4.4. 放空阀接口管 (15)
2.4.5. 安全阀接口管 (15)
2.4.6. 排污管 (15)
2.5. 鞍座负载设计 (15)
2.5.1.罐体质量m1 (16)
2.5.2.封头质量m2 (16)
2.5.3.液氨质量m3 (16)
2.5.4.附件质量m4 (16)
3. 各种参数校核 (18)
3. 1 筒体轴向应力校核 (18)
3. 1. 1 筒体轴向弯矩计算 (18)
3. 1. 2. 筒体轴向应力计算 (19)
3. 2 筒体和封头切向剪应力校核 (20)
3. 2. 1 筒体切向应力 (20)
3. 2. 2 封头切向剪应力 (20)
3. 3 筒体周向应力校核 (20)
3. 3. 1 周向应力计算 (20)
3. 3. 2 周向应力校核 (21)
3. 4 鞍座有效断面平均应力 (21)
4. 设计汇总 (24)
5. 结束语 (25)
6. 参数对照表 (26)
7. 参考文献 (26)
8.附录 (26)
1 .设计方案
1 .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。

( 4) 根据以上容器参数的设计，画出总设备图。

1 .
2 . 设计参数的确定
（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）材料选择：由操作条件可知，该容器属于中压、常温范畴。

. 由《化工机械工程手册》（上卷）（余国琮第七篇第一章 P7- 5 表 7. 1- 1），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。

（4）钢板厚度负偏差：由《化工设备机械基础》P97 表 4—9 可知，钢板厚度在
7. 5- 25mm时钢板负偏差 C1=0. 80mm。

（5）腐蚀裕量: 腐蚀裕量有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C2=λa，其中λ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. 0m m，（教材 P98 表4- 11）故腐蚀余量取C2=2. 0mm.
（6）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《化工设备机械基础》（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。

（7）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=D1=2800mm. 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 。

2. 各种参数计算
2 .1 . 确定罐体的形状及内径
（1）此容器为液氨储存性容器，从受力方面分析来看，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。

从钢材耗用量来说：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。

所以此容器选用罐身为圆筒形，两端均用标准椭圆形封头的卧式容器。

（2）内径的确定
根据《化工设备机械基础》中的表 8- 1 压力容器的公称直径，由于 V=42m3液氨贮罐，试选用 D i=2800mm, 设罐身的长度为 L，则
Lπ（D i /2）×（D i /2）+V2×2≥42 V2—
—标准椭圆形封头的容积的计算：
h0=40m m（封头直边高度）《化工制图》（郑晓梅P95附表1J B/T4737-95）
3 2
V2 =π/24×D i +π/4×D i ×h0
=3.14÷24×2.83+3.14÷4×2.82×0.04
=3.12m3
将上式带入可求得罐身长度L L=5.
81m
故取L=5.81m.由L/D i =2.075符合L/D i =2-9 所以次容器的罐身
的长度L=5810m m，公称直径D i =2800m m
2 .2 . 壁厚设计
2.2.1. 筒体壁厚设计
16M nR的密度为7.85t/m3，熔点为1430℃，许用应力t 列于下表：
c
n
d
1
C 表 3. 1
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
16MnR
16～36
163
163
163
159
147
134
36～60
157
157
157
150
138
125
>60～100
153
153
150
141
128
116
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：
d
p c DN
C
2[ ] t p
2
式中 δ d —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（M Pa ）。

于是 d
p c DN 2[ ] t p C 2 =1. 60×2800/（2×163×1. 0- 1. 60）+2. 0=15. 81mm.
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，及圆筒的名义厚
度：
C = 15. 81+0. 8+△=17mm
n d
1
=21. 64+0. 8+△。

圆整后取δ n =24m m 后的 16M nR 钢板制作筒体。

c
即
C C C C 2
C C C 有效厚度
e n
1 2
e
n
1
=17. 0- 0. 8- 2. 0=14. 2mm 。

2.2.2. 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 /2h f =
2 时，定义为标准椭圆封头，所以封头的形状系数 K =1. 0。

p 〃D N 〃K
封头的设计厚度为：
c
d
2
2[ ]
0 . 5 p p c 〃DN 〃K
d
t
C =1. 60×2800/（2×163×1. 0- 0. 5×1. 60）+2. 0=15. 75mm 。

2[ ]
0 .5 p c
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
n
d
1
=15. 75+0. 8+△，圆整后取δ n =17m m 厚的 16M nR 钢板作封头。

椭圆封头标记为：椭圆封头 DN2800×17—16MnR J B/T4737
封头的有效厚度由公式（2. 3）得
n
1
2 =17- 0. 8- 2. 0=14. 2mm 。

标准椭圆封头的直边高度与封头公称直径有关。

查表（《化工制图》 郑晓梅，P95， 附录 化工设备零件标准摘录） 得当封头的公称直径 DN=2800mm 时， 封头直边高度 h 0=40mm 。

2.2.
3. 筒体与封头水压试验
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
p t ( DN
2 e
e
)
0 .9
式中 p t —试验压力（M Pa ）； δ e —有效厚度（m m ）；σ s —圆筒材料在试验温度下的 屈服点（M Pa ）；D i —圆筒的内直径；σ t — 圆筒壁在试验压力下的计算应力（M Pa ）；Φ —圆筒的焊接接头系数。

其中 p t =1. 25p=1. 25×1. 60=2. 00M Pa
δ e =14. 2m m σ s =325M Pa
则
C 2 c
即
e t
s
于是
t p
t
( Di
e
) = 2.00 （2800 14.20）=198. 18MPa ≤0.9=0. 9 × 325 ×
2
e
214.20
1. 0=29
2. 5MPa .
水压试验满足强度要求。

2 .
3 . 人孔设计
2.3.1. 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，如布臵在水平位臵时，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RFⅣ（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 。

2.3.2. 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
s
( d m ) 4 5 5 . 6 1 0 ( d m ) i
t 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 。

1、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δ m =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=484m m ，外径 D 2=
760m m 。

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
P c D ( 2[ ] p ) 1 . 6 2 8 0 0 /( 2 1 6 3 1 . 6 )
1 3 . 8 1 mm
2、开孔所需补强的面积 A ：
开孔直径：d=d i +2C=450+2×（0. 8+2）=455. 6mm 补强的面积：A=d×δ =455. 6×13. 81=6291. 836mm 3、有效地宽度 B ：
B=2×d=2×455. 6=911. 2mm
B=d+2×δ n +δ m =455. 6+2×17+2×10=509. 6mm 取最大值 B=911. 2mm 4、有效高度 h ：
外侧高度 h 1= 两者取较小值 h 1=67. 49mm 6 7 . 4 9 m m 或 h 1=接管实际外伸高度=250m m
内侧高度 h 2= 两者取较小值 h 2=0mm 5、筒体多余面积 A 1
6 7 . 4 9 m m 或 h 2=接管实际内伸高度=0m m
筒体有效厚度：δ e =δ n - C=17- 2. 8=14. 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 ）（δ e - δ ）- 2δ m （δ e - δ ）（1- f r ）
=（911. 2- 455. 6）（14. 2- 13. 81）- 0 =177. 68m m 2
6、接管多余金属的截面积 A 2：
接管计算厚度δ t =P c ×d/（2[ ] - P c ）=1. 6×455. 6/（2×163×1- 1. 6）= 2. 25
( 4 5 5 . 6 1 0 )
,
t
2 1 m t r
3 e 1 2 3 b
n
A =2h ( δ - C- δ ) f +0=2×67. 49×（10- 2. 8- 2. 25）=668. 42m m 2
7、补强区内焊缝截面积 A 3
A =2×0. 5×10×10=100m m 2
8、有效补强面积 A e
A =A +A +A =177. 68+668. 42+100=946. 10m m 2
比较得
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 Mpa ；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 ㎜；设计压力 4Mpa ；设
计温度 3 5 0 ℃。

可知本设计满足要求，则采用补强圈补强。

所需补强圈的面积为：
A
A A
5345 .73 ㎜ 2
4
e
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 D 760 m m , 内径
3 ~ 5 则取 48
4 ㎜。

计算补强圈厚度：
A 4
B D i
5345 .73 /276
19 .37 ㎜
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 22 ㎜，计算的补强圈厚度也满足补强圈补强的条件。

查《化工设备机械基础》（董大勤 P327 表 12- 1）得对应补强圈质量为 46. 5K g.
2 .4 .
接 口 管 设 计
2.4.1. 进料管
材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管， 采用无缝钢管标准 GB8163- 87。

材料为 16MnR 。

e
D
d i
c
结构：接管伸进设备内切成 45 度，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对壁的
磨损与腐蚀。

接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位臵等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。

一般情况下，管壁厚不
宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚
度的匹配。

不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。

①设计压力小于或等于 2. 5Mpa 。

②两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的 2 倍。

③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。

表 4. 2 接管最小壁厚要求
接管公称直径5776
/mm 6589
最小壁厚/mm 5. 0 6. 0
由《化工原理》上册（夏青，陈常贵主编）P357 附录23 可知，采用φ76mm×5mm 无缝钢管。

管的一端切成45°，伸入贮罐内少许，管长 400mm。

根据《化工设备机械基础》第六版P343 附表15- 4 查得配用具有突面密封的带颈平焊管法兰，法兰标记：HG20595- 97 法兰SO65—1. 6RF 16MnR。

因为壳体名义壁厚δn=17mm>12mm, 接管公称直径小于 80mm, 故不用补强。

2.4.2. 出料管
采用可拆的压出管φ 45mm×3. 5mm，伸入到罐内离罐底约 100mm，将它用法兰套连接在接口管φ57mm×3. 5mm内，罐体的接口管法兰采用 HG20595- 97 法兰 SO501. 6RF 16MnR。

该法兰与φ 57mm×3. 5mm的接口管（管壁加厚，具有补强作用）相配并焊接在一起，
另一法兰盖与该法兰用螺栓紧固，法兰盖上穿过φ 45mm×3.5mm的压出管，两者焊牢。

其连接尺寸和厚度与 HG20595- 97 法兰 SO50—1. 6RF 16MnR 相同，但其内径为 45mm。

液
氨压出管的端部法兰 HG20595- 97 法兰 SO40—1. 6RF 16MnR。

这些小管都不补强。

压出
管
伸入贮罐 2. 6m。

2.4.
3. 液位计接口管
液面计是用以指示容器内物料液面的装臵，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φ 18mm×3mm，管法兰为 HG20595- 97 法兰 SO15—1. 6RF 16MnR。

2.4.4. 放空阀接口管
采用φ 32mm×3. 5mm无缝钢管，法兰为 HG20595- 97 法兰 SO25—1. 6RF 16MnR。

2.4.5. 安全阀接口管
采用φ 32mm×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）。

2.4.6 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J 41W—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。

2.4.7 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57 3.5mm 无缝钢管，管法兰采用 HG 5010- 58 Pg16Dg65。

各接外管外伸高度都是150mm。

2 .5 . 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）；
m2—封头质量（kg）；
m3—液氨质量（kg）；
d 0 2
D i
p
3 2
m 4—附件质量（kg ）。

. 罐体质量 m 1
由公称直径 D i =2800m m ，壁厚δ n =17m m 条件下根据《化工设备机械基础》（董大勤 P195） 表 8- 24 续表得筒节钢板质量 q 1=1181kg/m , 故
m 1=
q 1L 0 于是 m 1=
q 1L 0= 1181×5. 81=6861. 61kg
. 封头质量 m 2
由封头公称直径 D N =2800m m , 壁厚δ n =17m m , h 0=40m m 条件下，根据《化工设备机
械基础》（董大勤主编 P198）的公式
G
8 . 5 1( D i p ) 2 4 .（7 ） h 1 0 Kg
= [ 8. 51（2. 8+0. 017）2
+24. 7（2. 8+0. 017）×0. 04] ×0. 017×10
3
求得 G =1195. 3Kg
封头质量 m 2=2G =2×1195. 3=2390. 6K g
. 液氨质量 m 3
式中 V —主管容积（m 3
）； ρ —水的密度（kg/ m 3）。

m 3=
V 〃ρ 其中，当 D N =2800m m , 壁厚δ =17m m , h =40m m 条件下，罐体的容积为 42m 3
液氨在 0℃时的密度为 64kg/m 3
, 小于水的密度，故充液氨质量按水考虑。

即 ρ =1000kg/m 3。

所以 m 3=
V 〃ρ =42×1000=42000kg
. 附件质量 m 4
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 =m 1+m 2+m 3+m 4=
6861. 61+2390. 6+42000+500=51752. 21kg 各鞍座的支座反力为 F=mg/2=51752. 21×9. 81/2=253. 84KN, . 根据《化工设备机械基 础》（第六版, P354 附表 16- 1）查得由于筒体的公称直径 DN=2800mm ，所以可以选轻型 （ A 型） 120 ° 包角带垫板鞍座，鞍座高度 250m m , 底板长度 l 1=2040m m , 螺栓连接尺寸
l 2=1800m m , 鞍座宽度为 b=300m m , 底板厚度δ 1=12m m , 腹板厚
10m m ，筋板厚度δ 3=8m m ,
p
筋板长度l3=320m m,垫板宽b =500m m，垫板厚8m m。

44
鞍座标记为：
J B/T4712—92 鞍座 A2800—F
J B/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≤D0/4, 且 A不宜大于 0. 2A；A 最大不得大于 0. 25L。

因为 0. 2L>0. 5R, 取鞍座位臵 A=0. 5R=0. 5×1400=700mm
2
i 0
2
i
2
2
3.各种参数校核
3 .1 筒 体 轴 向 应 力 校 核
3.1.1 筒体轴向弯矩计算
筒体中间处截面的弯矩
2 R h 1
F 〃L M
m
i
L
4 A 1
4
4 h L
1
3 L
式中 F —鞍座反力（N ）； R m —椭圆封头外直径（m m ）； L —两封头切线之间的距离（m m ）； A —鞍座位臵（m m ）；
h i —封头曲面深度（m m ）；
D N
2
2800 2 17
其中 R m =
n
= 1417 m m
2
2
2h 5810 2 40 5890 mm
所以
2 R h 1
F 〃L M
m
i
L
4 A 1
4
4 h
L
1
3 L
1417 2 1 2 700 2
2
= 253840 5890 ×
5890 4 700 =17.32 107 KN 4
1 4 700 5890 3 5890
支座处截面上的弯矩
L 2
L 0 2
4h m 2 2 e
A R
2
h 2
1
m
i
M 2
FA 1 L
2 AL 4h
1
i
3L
所以
A R
2
h 2
700
1417 2
700 2
1
m
i
1
M
FA 1 L
2 AL = 253840 700
1 5890
2 700 5890 =
2
1
i
4 700 1
3 5890
1.43 107
KN
3. 1. 2. 筒体轴向应力计算
查表得 K 1=K 2=1. 0。

因为|M 1|>>|M 2|，且 A≤R m /2=708. 5mm ，故最大轴向应力出席在跨 中面，校核跨中面应力。

（1）由弯矩引起的轴向应力及介质压力引起的轴向应力 圆筒中间截面上
最高点处：
` M 1
1
2
P c R m 1 . 6 =
1 4 1 7 1 7 . 3
2 1 0 2
7 7 . 9 0 MPa
3 .1
4 R m e
2 e 2 1 4 . 2
3 . 1
4 1 4 1 7 1 4 . 2
最低点处：
` M 1
P c R m 1 . 6 =
1 4 1 7 1 7 . 3
2 1 0 8 1 . 7 7 MPa
1
3 .1
4 R 2
2
2 1 4 . 2
3 . 1
4 1 4 1 7 1 4 . 2
鞍座截面处 最高点处：
P c R m
M 2
1.6 1417
1.43 10
7 80.00 MPa
2
e
K 1 m e
2 14.2
3.14 1.0 1417 2
14.2
最低点处：
P c R m
M 2 1.6 1417 1.43 107
79.67 M Pa
2 e
K 1 R
m e
2 14.2
3.14 1.0 1417 2
14.2
（3）轴向应力组合与校核 许用轴向拉压应力 t
=163MPa ，
< t
合格。

轴向许用应力 0.094 A=
e
R i
7
7
e
2
3
4
2
2t h
0.094
于是 A=
R m
e
=
0.094 14.2 =0. 0009420MPa
1417
根据 A 值查外压容器设计的材料温度线图，得 B=145M Pa 《化工设备机械基础》（第
六版 P136 图 5- 9），取许用压缩应力
=B=145MPa ，
合格。

3 .2 筒 体 和 封 头 切 向 剪 应 力 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。

3.2.1 筒体切向应力
3 R
m e
由《化工机械工程手册》（上卷）P11—100 表 11. 4—12 查得 K 3=0. 880，K 4=0. 401。

于是
K F
0.880 253840
3
= R
1417 14.2 =11. 10MPa
m e
3.2.2 封头切向剪应力.
4
R
m e
K F 0.401 253840
于是
4
=
R
1417 14.2
=5. 06MPa
m e
1. 25
=1. 25× t
KPD
N
=1.25 h e
163
1 1.6
2 2800
14.2
=142. 13MPa
t
1 .
2 5
合格 由《化工机械工程手册》 P11- 100 （11. 4- 88）知
3 .3 筒 体 周 向 应 力 校 核
3.3.1 周向应力计算
（1）在鞍座处横截面最低点处
a c
<
1
a c
K F
h
K F
t
h
h
h
F H b 5
b
2
e
e t
K kK F
5
e 2
式中 b 2—筒体有效宽度。

由《化工机械工程手册》（上卷）P11—101 表 11. 4—13 查得 K 5=0. 7603，K 6=0. 0132。

式中 k=0. 1 考虑容器焊在鞍座上
1.56
式中 b —支座轴向宽度。

于是 b b 1.56 =300 1.56 =521. 286mm
kK F
0.1 0.7603 253840
5
=
b
14.2 521.2
=- 2. 61MPa e 2
（2）鞍座边角处轴向应力 因 L/R m =7290/1417=5. 14<8，故
F
3K F
253840 3 0.0132 253840
6
= =- 33. 50MPa
4b 2 2
4 521.286 14.2 2 14.2
2
3.3.2 周向应力校核
| 5 |
=163MPa
| 6 | 1 . 2 5
=203. 75MPa
3.4 鞍 座 有 效 断 面 平 均 应 力
鞍座承受的水平分力
s
9
由《化工机械工程手册》（上卷）P11—103 表 11. 4—15 查得 K 9=0. 204。

于是 F s =K 9〃F=0. 204×253840=51783. 4N 鞍座有效断面平均应力
s 9
s
式中 H s —鞍座计算高度；
R m e
R m e 1417 14.2 b b 2
2 故
5
6
t
F 〃F
F
H b b 0—鞍座腹板厚度。

其中 H s 取鞍座实际高度（
H =250m m ） 和 R m /3=1417/3=472. 33m m 中的最小值， 即
H s =
250m m 。

腹板厚度 b 0= 2
C 1 =10- 0. 8=9. 2mm
于是
9
s
= 51783.4 =22. 51MPa
250 9.2
应力校核
2
9
3
= 2
163 =108. 67MPa 3
=163MPa ，鞍座材料 16MnR 的许用应力。

s 0
s a
式中
s a
4. 设计汇总
1. 本设备按 GB 150- 1998《钢制压力容器》和 HG20584- 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》；
2. 焊接采用电弧焊，焊条牌号 16MnR 间为 J 507, 16MnR 与碳钢间为 J 427；
3. 焊接接头型式及尺寸除图中注明外，按 HG20583 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；
4. 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 J B 4730- 94RTⅡ为合格，且射线照相质量不低于 AB 级；
5. 设备制造完毕，以 2. 7MPa 表压进行水压测试；
6. 管口及方位按附图。

5. 结束语
经过了一百多个小时的不懈努力，终于完成了这次课程设计，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。

此次课程设计过程中，感觉最困难的应该是绘制平面设计图，由于很长时间没有绘图，所以有些生疏。

对相应的标准和规定不太清楚。

不过通过这次课程设计，使我对制图中的零件绘制、尺寸标准、比例、字体等各方面有了更深刻的掌握，对手工制图的掌握更加熟练。

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，使我们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。

6. 参数对照表
符号 代表参数 符号 代表参数
DN
筒体直径
H s
鞍座设计高度 筒体长度（不
L 0 σs 屈服极限
K 形状系数 τ 剪应力
C 1
厚度负偏差
b 2
筒体有效宽度
T 含封头）
温度 V
体积 P 设计压力 σt 管件应力 P c 计算压力 m
质量
两封头切线间 [σ]
t 许用应力 L
距离 λ 腐蚀速率 h 0 封头直边高 n 设计年限 F 支座反力 C 2
腐蚀裕量
H
鞍座高度
鞍座中心线与
φ
焊接接头系数
A 封头切线间的距
离
ρ 密度 R m 椭圆封头外径 δ
计算厚度 h i
封头曲面深度
δd
设计厚度 M
弯矩 δn 名义厚度 σp 轴向应力 δe 有效厚度 R
封头内径
有效厚度封头
7. 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2009
[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2009[3]余国琮《化工机械工程手册》化学工业出版社 2003
[4]郑津洋董其伍桑芝富《过程设备设计》化学工业出版社 2010 [5]
李福宝李勤《压力容器过程设备设计》化学工业出版社2010[6]
夏清陈常贵《化工原理上册》天津大学出版社2005
[7]丁伯民黄正林《高压容器》化学工业出版社 2002 [8]
郑晓梅魏崇光《化工制图》化学工业出版社2001
8. 附录：
表 11 .4 - 1 3 系数 K 5 K 6 值
表 11 .4 - 1 2 系数 K 3 K 4 值
表 11 .4 - 1 5 系数 K 9 值
附表 1 椭圆形封头（摘自 J B /T 4 7 3 7 — 9 5 ）
A （轻型）型鞍座标准系列（ DN 2 1 0 0 ~4 0 0 0 ）
附 表 1 5 - 4 :
管 法 兰 连 接 尺 寸
注 :
① 也 可 采 用 8 个 螺 栓 孔 .。

② PN1 .0 ~4 .0 M Pa, DN80 法 兰 的 连 接 尺 寸 相 同 。

③ 表 中 黑 线 框 内 为 不 同 压 力 等 级 具 有 相 同 连 接 尺 寸 的 法 兰 。

表 8 - 2 4
圆 柱 形 筒 体 的 容 积 、 内 表 面 积 和 质 量
注 ： 1 .表 中 数 据 计 算 公 式 V
D 2 ； F
π D ； G=24 .66 × 1 0 3
( D
δ )δ （ 质 量 公 式 中 D 雨 δ
4
i
1
i
i
p
p
单 位 均 为 m m ）。

2 .中 间 值 用 内 插 法 求 。

表 1 2 - 1补强圈尺寸（ J B /T 4 7 3 6 - 2 0 0 2 ）
注 : 内径Di 为补强圈成型后的尺寸
容器按压力等级的分类
压力容器的公称直径 /m m
表 11 - 2人孔受压件尺寸 /m m （根据 H G 2 0 5 9 4 和 H G 2 0 6 0 1 编制）
钢板厚度的负偏差( m m )
筒体、封头的腐蚀腐蚀裕量
注：表中腐蚀速度为均匀、单面腐蚀。

最大腐蚀裕量不大于6 mm ，否则应采取防腐蚀措施。