液氨储罐设计全(1)

化工设备机械基础课程设计
题目液氨储罐的设计
系（院）
专业
班级
学生姓名
学号
指导教师
职称
二〇一一年六月七日
设计任务书
一、设计时间安排
从2011年05月16 日至2011年06月06日
二、设计内容安排
1.液氨储罐的结构设计
2. 筒体及封头壁厚计算及其强度、稳定性校核
（1）根据设计压力初定壁厚；
（2）计算危险截面的重量载荷、风载荷、地震载荷；
（3）计算危险截面的由各种载荷作用下的轴向应力；
（4）计算危险截面的组合轴向拉应力和组合轴向压应力，并进行强度和稳定性校核。

3. 编写设计计算书一份
三、设计条件
表1接管表
表2设计参数
目录
符号说明 (4)
前言 (6)
液氨储罐设计 (7)
第一章设计参数的选择 (7)
1.1、设计题目 (7)
1.2、设计数据 (7)
1.3、设计压力 (7)
1.4、设计温度 (8)
1.5、主要元件材料的选择 (8)
1.5.1 筒体材料的选择 (8)
1.5.2 鞍座材料的选择 (8)
第二章设备的结构设计 (8)
2.1、圆筒厚度的设计 (8)
2.2、封头厚度的设计 (9)
2.3、筒体和封头的结构设计 (10)
2.3.1 封头的结构尺寸 (10)
2.3.2 筒体的长度计算 (10)
2.4、鞍座选型和结构设计 (10)
第三章：容器强度的校核 (12)
3.1水压试验应力校核 (12)
3.2.筒体轴向弯矩计算 (12)
3.3筒体轴向应力计算与校核 (13)
3.3.1圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 (13)
3.3.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力 (13)
3.3.3筒体轴向应力校核 (14)
3.4.筒体和封头中的切向剪应力计算与校核 ....................................................................... 14 3.5.无加强圈筒体的周向应力计算与校核 ........................................................................... 15 3.6鞍座应力计算与校核 . (15)
3.6.1.腹板水平应力及强度校核 .................................................................................... 15 3.6.2 鞍座有效断面应力校核 (14)
第四章 开孔补强设计 (16)
4.1 补强设计方法判别 .......................................................................................................... 16 4.2有效补强范围 . (17)
4.2.1有效宽度B 的确定 ............................................................................................... 17 4.2.2有效高度的确定 .................................................................................................... 17 4.3 有效补强面积 (17)
4.3.1 筒体多余面积 ....................................................................................................... 18 4.3.2接管的多余面积 .................................................................................................... 18 4.3.3焊缝金属截面积 .................................................................................................... 18 4.4.补强面积 (18)
结束语 ........................................................................................................................................ 19 主要参考资料 (19)
符号说明：
A----鞍座底板中心线至封头切线的距离，2
mm ；
B----设计温度下，按GB150外压设计方法确定的数值，MPa ；
o B ----常温下，按GB150外压设计方法确定的数值，MPa ；
i D ----筒体内直径，mm ； o
D ----筒体外直径，mm ；
F ----每个支座的反力，N ；
19
K K -----系数，查表71,79:；
L ----封头切线间的距离；
1
M ----圆筒中间处的轴向弯矩，m N ⋅；
2
----支座处圆筒的轴向弯矩，；m N ⋅
a R ----圆筒的平均半径，
,2
n
a i R R mm
δ=+
；
i
R ----圆筒的内半径，mm ；
b----支座的轴向宽度，mm ；
1
b ----加强圈的宽度，mm ；
2b -----圆筒的有效厚度，取2b b mm
=+；
4
b -----支座垫板宽度；
g -----重力加速度；
i
h ----封头曲面深度；
k ----系数。

当容器焊在支座上时，取1.0=k ； 当容器不焊在支座上时，取
1k =；
m ---容器的质量，kg ；
p ---设计压力，MPa ；
c
p ---计算压力,MPa ； e
δ---圆筒有效厚度，mm ；
he δ---封头有效厚度，mm ；
n δ---圆筒名义厚度，mm ； re δ--鞍座垫板有效厚度，mm ； rn
δ---鞍座垫板有效厚度，mm ；
θ---鞍座包角，()o
；
[]t σ---设计温度下容器壳体材料的许用应力，MPa ； []t ac
σ---设计温度下容器壳体材料的轴向许用压缩应力，MPa ；
ac ---常温度下容器壳体材料的轴向许用压缩应力，MPa ； []sa
σ---鞍座材料的许用应力，MPa ；
21,T T σσ---圆筒中间处横截面内最高点处，最点低点处的轴向应力，MPa ； 33,T T σσ---支座处圆筒横截面内的轴向应力，MPa ； 5σ---支座处圆筒横截面最低点的轴向应力，MPa ； 6σ---无加强圈时鞍座边缘处的圆筒周向应力，MPa ；
6'σ---无加强圈时鞍座垫板边缘处的圆筒周向应力，MPa ； 9σ---鞍座腹板水平方向上的平均拉应力，MPa ； τ---圆筒切向剪应力，MPa ；
h
τ---封头切向剪应力，MPa 。

前言
储存设备又称储罐，主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用，如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。

储罐内的压力直接受温度影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。

储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐。

饱和蒸汽压是指在一定温度下的密闭容器中，当达到气液两相平衡时气液分界面上的蒸汽压，它随温度而变化，但与容积的大小有关。

对于液化石油气和液化天然气之类，都不是纯净物，而是一种混合物，此时的饱和蒸汽压与混合比例有关，可根据道尔顿定律和拉乌尔定律进行计算。

当储存的介质为具有高粘度或高冰点的液体时，为保持其流动性，就需要对储存设备进行加热或保温，使其保持便于输送的状态。

储存液体的密度，直接影响制造工艺和设备造价。

而介质的毒性程度则直接影响设备制造与管理的等级和安全附件的配置。

当储罐的金属温度受大气环境温度影响时，其最低设计温度可按该地区气象资料，取气象局实测的10年逐月平均最低温度的最小值。

随着液化气体温度的
下降，罐内压力也将较大幅度下降，此时罐体的应力水平就有较大的降低。

为此，在确定储罐设计温度时，可按有关规定进行低温低应力分析。

当储罐内部因温度降低而使内压低于大气压时，还应进行罐体的稳定性校核，以免发生失稳失效。

液氨储罐设计
第一章 设计参数的选择
1.1、设计题目：
液氨储罐的设计
1.2、设计数据： 如下表1
1.3、设计压力：
设计压力取最大工作压力的1.1倍，即 1.1 1.9 2.09P MPa =⨯=
1.4、设计温度： 工作温度为40C ， 设计温度取40+10=50C 。

1.5、主要元件材料的选择： 1.5.1 筒体材料的选择：
根据GB150-1998表4-1，选用筒体材料为低合金钢16MnR （钢材标准为GB6654）
[]
170t
MPa σ=。

16MnR 适用范围：用于介质含有少量硫化物，具有一定腐蚀性,
壁厚较大（8mm ≥）的压力容器。

1.5.2 鞍座材料的选择：
根据JB/T4731,鞍座选用材料为Q235-B ，其许用应力[]147sa MPa σ=
第二章 设备的结构设计
2.1、圆筒厚度的设计： 计算压力c P ：
液柱静压力: 15809.81 1.26827.8P gh Pa ρ==⨯⨯=
61/6827.8/(2.0910)0.3%5%P P =⨯=<,
故液柱静压力可以忽略，即c P 2.09P MPa == 该容器需20%探伤，所以取其焊接系数为0.85φ=。

圆筒的厚度在6~16mm 范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：在设计温度50C 。

下，屈服极限强度345s MPa σ=， 许用应力[]t
170MPa σ=
利用中径公式， 计算厚度：[]i t
c
PD 2.09MPa 1200
8.7420.85170 2.09
2-P mm δφσ⨯=
=
=⨯⨯-
查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm ，而有GB150-1998中 3.5.5.1知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm ，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取10C =。

查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-5知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量2C 不小于1mm 。

本例取2C =2 则筒体的设计厚度28.74210.74n C mm δδ=+=+= 圆整后，取名义厚度12n mm δ=
筒体的有效厚度12120210e n C C mm δδ=--=--= 2.2、封头厚度的设计：
查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表1，得公称直径
i
D N =D =1200m m 选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA ，根据GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：
[]c i
t
c
P D 2.09MPa 1200
8.7120.851700.5 2.09
2-0.5P mm δφσ⨯=
=
=⨯⨯-⨯
同上，取22C mm =，10C =。

封头的设计厚度8.710210.71d mm mm mm δ=++=
圆整后，取封头的名义厚度12n mm δ= ，有效厚度1212210e n C C mm δδ=--=-= 封头型记做 EHA 120012-16MnR JB/T4746⨯
2.3、筒体和封头的结构设计： 2.
3.1 封头的结构尺寸：
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、容积下表2：
其
中
i D 1200
=2325252H-h 44
i D mm =-=由
，得h=H-（）
2.3.2 筒体的长度计算：
'232002253250 3.25L L h mm m
=+=+⨯==
2.4、鞍座选型和结构设计：
该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-B 。

估算鞍座的负荷： 储罐总质量12342m m m m m =+++
1m ——筒体的质量
()331× 3.14 1.212 3.212107.85101147.18n n m D L kg πδδρ-=+=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
2m ——单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表
B.2 EHA 椭圆形封头质量，可知，2154.6m kg =
3m ——充液质量：水液氨ρρ<，
故操作时：2300 1.2 3.220.25455800.81914.6k 4m V g πγφ⎛⎫
==⨯⨯+⨯⨯⨯= ⎪⎝⎭
液压试验时：2
310001000 1.2 3.220.25454126.28k 4m V V g πρ⎛⎫'=∙==⨯⨯⨯+⨯= ⎪⎝⎭
水
4m ——附件质量：人孔质量为302kg ，其他接管质量总和估为200kg ，即4502kg m =
综上所述，
故操作时：123423472.98kg m m m m m =+++= ,
液压试验时：123
426084.66kg m m m m m ''=+++=， 故操作时支座反力： 1
mg=16.742F kN '=
液压试验时支座反力： 1
m g=29.862
F kN '''=
支座反力()max ,=29.86F F F kN '''=
由此查JB4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为BI,包角为120。

，有垫板的鞍座。

查JB4712.1-2007表6得鞍座结构尺寸如下表3：
第三章：容器强度的校核
3.1水压试验应力校核：
试验压力： 1.25 1.25 2.09 2.6125T P P MPa ==⨯= 圆筒的薄膜应力() 2.6125(120010)
158.0562210
0.90.90.85345263.925,T i e T e
s T P D MPa MPa δσδφσσ+⨯+=
=
=⨯=⨯⨯=>合格。

3.2.筒体轴向弯矩计算：
工作时支座反力
''''11
16.7429.8622G kN G kN ====F ，F
0.60552
i n
a D R m δ+==
压力试验时，圆筒中间处截面上的弯矩：
()()222
"
a i 1i 222
12/44413120.6060.3/3.2529.86 3.2540.40510.6540.34 3.2513 3.25T R H L F L A M H L L kN m ⎡⎤+-⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥+
⎢⎦⎣
⎡⎤+⨯-⎢⎥
⨯⨯=-=∙⎢⎥⨯⎢⎥+
⨯⎣⎦
压力试验时，鞍座处横截面弯矩：
222
2i "
2
i
0.4050.6060.311 3.2520.405 3.252129.860.4051 1.536440.3113 3.253a
T R H A L AL M F A kN m H L ⎡⎤
⎡⎤---+-+⎢⎥⎢⎥
⨯⨯=--
=-⨯⨯-
=-∙⎢⎥⎢⎥⨯⎢⎥⎢⎥+
+⎢⎥⎢⎥⨯⎣
⎦⎣⎦
3.3筒体轴向应力计算与校核：
3.3.1圆筒中间横截面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力： 充满水未加压时：
1122
a 10.65
0.85443.140.60550.01
T T e M MPa R σπδ=-
=-=-⨯⨯ 加压状态时：
1222
a e 2.61250.605510.651000
92.16220.01 3.140.60550.01
T a T T e p R M MPa R σδπδ⨯⨯=
+=+=⨯⨯⨯ 3.3.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力：
因鞍座平面上0.5m A R >，即筒体未被封头加强，查JB/T 4731-2005表7-1可得K 1=0.107，K 2=0.192
充满水未加压时鞍座横截面轴向应力：
23
2
2
1a e
1.536 1.2470.107 3.140.60550.01
T T M MPa
K R σπδ-=-=-
=⨯⨯⨯
加压状态时鞍座横截面轴向应力：
242
2e
79.12T a T T e
a p R M MPa K R σδπδ=+=
3.3.3筒体轴向应力校核： 因轴向许用临界应力由：
e a
0.0940.094100.0015676055
A R δ⨯===
由直线内插法：
333
3
100202031020610205.81101005020310E MPa E
-⨯-⨯=⇒=⨯-⨯- 0322
205.81100.00155212.6733
B EA MPa =
=⨯⨯⨯= []()0
0min 0.9,212.67eL ac R B MPa σ==
ａ）充满水未加压时：
[]13|min{,}|170T T ac MPa σσσ
≤= 合格
b ）加压状态时：
24e max(,)0.9R 0.90.85345263.925T T L MPa σσφ<=⨯⨯= 合格
3.4.筒体和封头中的切向剪应力计算与校核：
因m 2
R A >，所以圆筒在鞍座平面上无加强圈，查JB/T4731-2005表7-2得
3 1.171,K =，其最大剪应力位于靠近鞍座边角处
3e 2 1.17129.86 3.2520.405 3.86440.60550.01 3.250.333a i K F L A MPa R L H
τδ⎛
⎫⎛⎫
⎪ ⎪-⨯-⨯==⨯=
⎪ ⎪
⨯ ⎪ ⎪
++⨯⎝⎭⎝⎭
因圆筒 [τ]=0.8 []= 0.8170=136 MPa t
σ⨯
故有 < [] = 136 MPa t τσ ， 故切向剪应力校核合格
3.5.无加强圈筒体的周向应力计算与校核 ：
因为垫板的厚度6mm 小于0.6倍的圆筒的厚度12mm,所以无垫板或者垫板不起作用，圆筒的有效宽度2140mm b = ，当容器焊在支座上时，取1.0=k ，查JB/4731-2005表7-3可得50.76K =。

因为0.51a
A
R <<，由内差法得：60.0257K = (1).鞍座在横截面最低点处周向应力
55e 20.10.7629.861000
1.6210.140.01
kK F MPa b σδ⨯⨯⨯=-
=-=-⨯ (2).鞍座角边处的周向应力
3250 5.378,605.5
a L R ==<因为
则
662
2
e 2e 1229.861000120.025729.8610000.605522.49440.010.14 3.250.01a K FR F MPa b L σδδ⨯⨯⨯⨯⨯=-
-=--=-⨯⨯⨯(3).周向应力校核
[][]56 1.621170 MPa
22.49 1.25 1.25170212.5 MPa t
t
σσσσ=<==<=⨯=，
故周向应力合格
3.6鞍座应力计算与校核： 3.6.1.腹板水平应力及强度校核：
由120θ=可得90.204K =，水平分力S 90.20429.86 6.09F K F kN kN ==⨯= 计算高度s 11min(,)min(606,200)2003
3
a H R H mm ==⨯=，鞍座腹板厚度o 6
b mm =
鞍座有效断面平均应力：
90 6.09
5.070.20.006
s s F MPa H b σ=
==⨯ 3.6.1.鞍座有效断面应力校核：
[]s σ—鞍座材料Q235-B 的许用应力[]235s MPa σ=
9
25.07[]156.673
s MPa σσ=<=
故鞍座有效断面应力校核合格。

第四章 开孔补强设计：
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，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=500mm 的 人孔需要补强。

4.1 补强设计方法判别：
按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。

开孔直径2250022504i d d C mm =+=+⨯=
1200
60022
i D d mm <
== 故可以采用等面积法进行开孔补强计算。

接管材料选用20号钢，其许用应力[]133t MPa σ= 根据GB150-1998中式8-1，A=d 2(1)r et f δδδ+- 其中：壳体开孔处的计算厚度8.7mm δ= 接管的有效厚度et nt 12C C 12111mm δδ=--=-=
强度削弱系数[]133
0.782[]170
t r r f σσ=
== 所以开孔所需补强面积为
22(1)5048.710(10.782)4422.7et r A d f mm δδδ=+-=⨯⨯⨯-=
4.2有效补强范围： 4.2.1有效宽度B 的确定： 按GB150中式8-7，得：
1225041008B d mm ==⨯=
222504*********n nt B d mm δδ=++=+⨯+⨯= 12max(,)1008B B B mm ==
4.2.2有效高度的确定： (1）外侧有效高度1h 的确定 根据GB150中式8-8，得：
1'77.8h mm ===
11''H 280h mm ===接管实际外伸高度 111min(','')77.8h h h mm ==
(2）内侧有效高度2h 的确定 根据GB150-1998中式8-9，得：
2'77.8h mm ===
2''0h =
222min(','')0h h h ==
4.3 有效补强面积：
根据GB150中式8-1--0 ~ 式8-13，分别计算如下：
123e A A A A =++
4.3.1 筒体多余面积
1
A ：
12
()()2()(1)
(1008504)(108.7)210(108.7)(10.782)649.532e et e r A B d f mm δδδδδ=-----=---⨯⨯--= 4.3.2接管的多余面积： 接管厚度：
22.09600
4.732[]0.521330.850.5 2.09
c i t t
c P D mm P δσϕ⨯=
==-⨯⨯-⨯ 21222()2()277.8(10 4.73)0.7820641.252
et t r et r A h f h C f mm δδδ=-+-=⨯⨯-⨯+=
4.3.3焊缝金属截面积： 焊角取6.0mm
2231
62362A mm =⨯⨯=
4.4.补强面积：
2123649.532641.25361326.78e A A A A mm =++=++=
因为24422.7e A A mm <=，所以开孔需另行补强
所需另行补强面积：244422.71326.783095092e A A A mm =-=-=
补强圈设计：根据DN500取补强圈外径D’=840mm 。

因为B>D’，所以在有效补强范围。

补强圈内径d’=530+2=532mm 补强圈厚度：
43542.39
'11.5''840532
A mm D d δ=
==-- 圆整取名义厚度为12mm
结束语：
经过这段时间的查阅文献和计算数据，化工设备机械基础课程设计的基本工作已经完成，并得出了可行的设计方案，全部计算过程已在前面的章节中给以体现。

课程设计是对以往学过的知识加以检验，能够培养理论联系实际的能力，尤其是这次液氨储罐设计更加深入了对机械设备的理解和认识，使我们所学的知识不局限于书本，并锻炼了我们的逻辑思维能力，同时也让我深深地感受到机械设计的复杂性以及我了解的知识的狭隘性。

所有的这些为我今后的努力指明了具体的方向。

设计过程中培养了我的自学能力，设计中的许多知识都需要查阅资料和文献，并要求加以归纳整理和总结。

通过自学及老师的指导，不仅巩固了所学的化工原理知识，更极大的拓展了我的知识面，让我更加认识到实际化工生产过程和理论的联系和差别，这对将来的毕业设计及工作无疑将起到重要的作用。

在此次课程设计实际过程中，我的收获很大，感触也很深，更觉得学好基础知识的重要性。

同时通过这次课程设计，我深深的体会到与人讨论的重要性。

因为通过同学或者是老师的交换看法很容易发现自己认识的不足，从而让自己少走弯路。

在此，特别感谢洪岩美教授和李亚平老师的帮助，通过与她们的交流使得我的设计工作得以圆满完成。

在此我向她们表示衷心的感谢！
主要参考资料：
1. 《化工设备机械基础》第五版刁与玮王立业编著 2003.3；
2. 《化工单元过程与设备设计》匡国柱史启才主编；
3.《化工制图》华东化工学院制图教研室编人民教育出版社 1980；
4.《化工设备机械基础》参考资料；
5.《钢制压力容器》GB150-1998；
6.《钢制塔式容器》JB4710-1992；
7. GB151-1999 《管壳式换热器》1999年；
8.《压力容器安全技术监察规程》国家质量技术监督局 1999年。