25立方米液氨储罐设计说明书1

一、

工艺设计.......................................................................................................... 1

1.1存储量设计...................................................................................................... 1 1.2 设计压力的确定............................................................................................. 1 1.3设计温度.......................................................................................................... 2 二、 结构设计.............................................................................................................. 2

2.1设计条件.......................................................................................................... 2 2.2结构设计.......................................................................................................... 3

2.2.1材料选择............................................................................................... 3 2.2.2筒体和封头结构设计........................................................................... 4 2.2.3法兰设计............................................................................................... 5 2.2.4人孔、手孔、液面计结构设计........................................................... 7 2.2.5支座结构设计....................................................................................... 9 2.2.6焊接接头设计..................................................................................... 12

三、强度计算.............................................................................................................. 15

3.1容器的筒体和封头壁厚设计........................................................................ 15

3.1.1容器的筒体和封头壁厚计算............................................................. 15 3.1.2压力容器水压试验............................................................................. 16 3.2开孔补强计算................................................................................................ 16

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一、 工艺设计

工艺设计的内容是根据设计任务提供的原始数据和生产工艺要求，通过计算和选型确定设备的轮廓尺寸。 1.1存储量设计

设计存储量由式1-1进行计算：

1-1

式中， -- 存储量， ； -- 装量系数； -- 压力容器容积，

-- 设计温度下饱和液体密度， 。 1.2 设计压力的确定

设计压力应根据最高工作压力来确定。对于承装液化气体的压力容器，可根据《固定式压力容器安全技术监察规程》 TSG R0004-2009 中条例3.9.3来确定，常温储存液化气体压力容器温度下的工作压力按表1-1确定:

表1-1 常温储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力 液化气体临界温度 无保冷设施 无试验实测温度 50 饱和蒸汽压力 规定温度下的工作压力 有保冷设施 有试验实测最高工作温度并且能保证低于临界温度 可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力 在设计所规定的最大充装量试验实测最高工作温度下下为50 的气体压力 的饱和蒸汽压力

设计条件要求储罐无保冷设施，且临界温度为50 ，因此规定温度下的工作压力为50 的饱和蒸汽压，液氨50 时的饱和蒸汽压为1.968 。

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1.3设计温度

设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属截面的平均温度值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0 以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。由表1-2给出了液氨的饱和蒸汽压及密度：

表1-2 液氨饱和蒸汽压及饱和液密度

温度 ℃ 饱和蒸汽压 饱和液密度 -15 0.169 658 10 0.503 625 30 1.056 595 50 1.868 563 设计条件要求工作温度为-20 —50 ，因此，设计温度为50 。

二、 结构设计

2.1设计条件

以结构设计条件表和管口表的形式列出，见表2-1和表2-2：

表2-1 结构设计条件表

项目 工作介质 工作压力 内容 液氨 1.868 备注 饱和蒸汽压为绝压，减去大气压强表示为表压 设计压力 工作温度 设计温度 工程容积（ ） 计算容积（ 计） word文档 可自由复制编辑

2.2 -20 —50 50 25 25.03 1.1 工作压力 元件金属在工作状态可能达到的最高温度 筒体容积 封头容积 工作容积 工 装量系数 介质密度（ ） 材质 21.27 0.85 0.563 筒体用Q345R，法兰用20钢 装量系数 计算容积 保温要求 其他要求 无 无 表 2-2 管口表

公称规格 PN40DN500 PN40DN50 PN40DN50 PN40DN50 PN40DN25 PN40DN50 PN40DN80 PN40DN25 PN40DN20 2.2结构设计

连接法兰标准 HG/T 21518 HG/T 20592-2009 HG/T 20592-2009 HG/T 20592-2009 HG/T 20592-2009 HG/T 20592-2009 HG/T 20592-2009 HG/T 20592-2009 HG/T 20592-2009 密封面 凹凸面 突面 突面 突面 突面 突面 突面 突面 突面 用途或名称 人孔 液氨进料管 液氨出料管 出气管 测压管 备用管 安全阀管 排污口 液位计管口 化工设备的结构设计包括设备承压壳体（一般为筒体和封头）及其零部件的设计。设备零部件包括支座、接管和法兰、人孔和手孔、液面计等。我国已经制订了化工设备通用零部件的系列标准，设计时可根据具体设计条件按照附录中给出的相关标准进行选用。 2.2.1材料选择

压力容器用材料包括容器受压壳体用钢和设备零件用材料。零部件有受压元件（如接管、法兰）和非受压元件（如支座）。所用材料涉及钢板、钢管、锻件、

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型钢及钢棒等。

压力容器受压元件用钢应符合《钢制压力容器》GB150中的有关规定。选择材料要综合考虑设备结构、制造工艺（锻造、焊接和切削加工等）、实际的工作条件（压力、温度、介质特性和操作特点等）以及材料的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能、价格与供应等诸多因素。

压力容器受压元件用钢应符合《钢制压力容器》 GB150中得规定，对于非受压元件用钢，当与受压元件焊接时，也应是焊接性能良好的钢材。

压力容器壳体通常采用钢板经过焊接而成，法兰视具体情况可采用钢板或锻件，螺栓和螺柱应采用钢棒，接管一般应采用无缝钢管，支座所用材料涉及钢板，型钢及钢管。

任务书中要求所设计容器的设计压力为2.2 ，工作温度为-20 —50 ，所以Q235-B和Q235-C不能选用，Q345的使用温度为-20 —475 ，设计压力 ，均符合设计要求，液氨在《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》HG 20660-2000中属于中度危害的化学介质，具有一定的腐蚀性，同时，低合金钢如Q345R的屈服极限比碳素钢的屈服极限高出许多，采用这类钢材制造压力容器，可以显著减小设备重量，降低制造成本，同时给设备的运输和安装也带来很大的方便。综合考虑，该容器筒体选用Q345R。

封头、法兰、接管等均要受压，同样要具有一定的塑性，因此，封头、法兰、接管选用和筒体一样的钢材，即Q345R。支座属于非受压部件，为了焊接方便等因素，这里也选用Q345R做为钢材。 2.2.2筒体和封头结构设计

设计要求压力容器的公称容积为 ，包括筒体体积和封头容积，设计要求长径比在3—6之间，设筒体内径为 ，筒体长度为 ，首先忽略封头容积，取长径比为 ，则

2-1

2-2

联立式2-1和式2-2，解得 ,取公称直径为 ，容器的工程直径就是内径。

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标准椭圆形封头是中低压容器中经常采用的封头型式，由《钢制压力容器用封头》 JB/T 4746-2002查取数据，可得公称直径为 的封头容积为 ，总深度为 ，如图2-1所示：

图2-1

压力容器总体积为筒体体积和封头容积之和，可得

2-3

将 带入式2-3，可得 。

则计算容积为 ，符合设计要求；长径比为 ，符合长径比要求。

因此设计容器筒体长度为 ，公称直径为 ，选用标准椭圆形封头。

2.2.3法兰设计

管法兰设计参照《钢制管法兰》 HG/T20592-2009标准进行设计，设计要求有液氨进料管法兰、液氨出料管法兰、出气管法兰、测压管法兰、测温口法兰、备用口管法兰、安全阀法兰、排污口管法兰、液位计接管法兰等。

此压力容器设计压力为 ，公称压力为 ，查表后选取公称压力 。

液氨进料管法兰采用 ，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母；液氨出料管法兰采用 ，带颈对焊法

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兰，采用凹凸密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母；出气管法兰采用 ，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母；备用管法兰采用 ，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母；测温管法兰采用 ，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母；排污口管法兰采用 ，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母；测压口管法兰采用 ，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母；安全阀管法兰采用 ，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母；液位计接管法兰采用 ，带颈对焊法兰，采用凹凸面密封面，缠绕垫垫片材料， 个螺柱， 个螺母。测温管只在筒体上接一根接管，并不焊接法兰。

管法兰的结构如图2-2所示，法兰连接尺寸如图2-3所示，尺寸如表2-3所示：

NRA1H1n×LRCKD 图2-2

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H

图2-3

表2-3 PN40带颈对焊法兰尺寸表

工程尺寸DN 钢管外径法兰焊端外径 法兰外径D 连接尺寸 螺栓孔中心圆直径K 螺栓孔直径L 螺栓孔数量n（个） 法兰厚度C N 法兰颈 R 法兰高度H 20 25 50 80 25 32 57 90 115 165 200 60 85 125 160 14 14 18 18 4 4 4 8 18 18 20 24 28 6 4 46 6 4 75 8 6 105 12 8 35 40 48 58 2.2.4人孔、手孔、液面计结构设计

（1）人孔

人孔和手孔统称为检查孔。压力容器开设检查孔的目的是为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷以及装拆设备的内部零部件。一

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般公称直径在 以上时应开设人孔，圆形人孔的公称直径规定为 — ，容器公称直径大于 且筒体与封头为焊接连接时，容器应至少设置一个人孔，卧式容器筒体长度大于等于 时，应考虑设置2个以上人孔。人孔是组合件，包括承压零件筒节、法兰、法兰盖、密封垫片及紧固件，以及与人孔启闭有关的非承压零件。现行的人手孔标准为《钢制人孔和手孔》HG/T 21514-2005。从《回转盖带颈对焊法兰人孔》 HG/T 21518查阅相关标准回转盖带颈对焊法兰结构型式。

该压力容器筒体长度为 ，大于 ，需要设计两个人孔，筒节选用16MnR，公称直径选 ，35CrMoA螺柱使用于工作温度大于 时，标记为35CM，35CrMoA螺柱配用35CrMo螺母，20个螺柱，40个螺母。选用凹凸密封面，缠绕式垫片，查阅相关标准，该人孔标记为:

人孔 人孔结构如图2-4所示：

3-5bH2b1H1dwXs

图2-4

（2）液面计

液面计的测量可分为在设备本体上作为液位指示的就地液面计和对液位进行控制的液位变送器。液位计一般通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接在一起，设计时应根据所选的液面计配相应的接口。在标准HG/T 21584中，磁性液

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位计适用范围为 — ， — ，液体密度大于等于 ,粘度小于 ，符合设计要求，因此选用磁性液位计。

磁性液位计的工作原理是基于浮子的浮力及磁性原理，在测量管内浮子随液位的升降而上下移动，浮子内的磁钢通过磁耦合驱动显示板的双色翻版（柱）来显示液位高度。磁性液位计的特点有：

（1） 适用范围广、安装形式多样，适合任何介质的液位、界面的测量； （2） 集现场指示、远传变送、报警控制开关于一体，功能齐全； （3） 被测介质与指示结构完全隔离，密封性能好，防泄漏，不受高、低温

度剧变的影响，不需多组液位计的组合，适应高压、高温、腐蚀条件下的液位测量，可靠性高；

（4） 全过程测量无盲区，双色指示、连续直观、醒目、测量范围大，观察

方向可任意改变；

（5） 耐振动性能好，能适应液位波动大的情况下工作； （6） 结构简单，安装方便，维护费用低。 由上所述，选用磁性液位计是最合适的。

按照设计要求，磁性液位计选用PN4.0的压力等级，不需要保温，使用温度低于 ，因此选用不加保温层的普通型结构。此液氨存储罐的公称直径为 ，所以磁性液位计的中心距L（测量范围）为 ，由于不是常用规格，在订货时要注明。磁性液位计连接法兰的规格为 ，采用带颈对焊法兰，密封面型式采用突面。因此根据设计要求所选磁性液位计标记为：

2.2.5支座结构设计

鞍式支座是卧式容器经常采用的支座型式，根据《鞍式支座 第1部分：鞍式支座》 JB/T 4712.1-2007确定鞍式支座结构尺寸。

首先要计算设备及物料总重。

（1） 筒体重量：

；

（2） 封头重量：查表得PN40DN2000的封头重量为556.2kg，则封头重量

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为 ；

（3） 人孔重量：查表得PN40DN500的人孔重量为399kg，则人孔重量为

；

（4） 连接法兰钢管重量：

1、计算钢管总体积：液位计法兰连接钢管长度为 ，液氨进料口法兰连接钢管长度为 ，液氨出料口法兰连接钢管长度为 。

液位计法兰连接钢管：

排污口、出气口、测压口、出气口法兰连接钢管：

备用口法兰连接钢管：

安全阀法兰连接钢管：

液氨进料口法兰连接钢管：

液氨出料口法兰连接钢管：

测温口连接管： 总体积： 总

2、总重量： 总 。

（5）补强圈：查表得厚度为 ，接管公称直径为 的补强圈重量为 ，则补强圈重量为 。

（6）填装物重量：

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1、最大液氨重量： 2、水压试验时水的重量：

明显，水压试验时的水重量大于最大液氨重量，所以填装物重量选水压试验时水的重量。

所以该设备最大总重量为 。因为 。

查表后选择 、 包角重型带垫板鞍式支座。 鞍座的结构尺寸如图2-5所示：

5045°302501614202×?24配螺栓11040146012601233012101533012101419012110100

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2502×?11

图2-5

接下来，确定支座的位置：由 得 ，经过式 判定不符合要求，故选 。 2.2.6焊接接头设计

容器各受压元件的组装通常采用焊接。焊接接头是焊缝和热影响区的总称。压力容器焊接结构设计的基本原则：

（1） 回转壳体的拚接接头必须采用对接接头，壳体上的所有纵向及环向接

头，凸型封头上的拚接接头，即A、B类接头，不需采用对接焊，不允许采用搭接焊。

（2） 对接接头应采用等厚度基本相等，当厚度差较大的两部分回转壳体对

接时，应对厚度较大的一侧进行削薄加工，以使得两侧的厚度基本相等。这样可以减小刚度差，降低应力集中，并便于焊接。

（3） 焊接接头应便于进行无损检测，对某些无损检测要求较高的容器，应

使一些角接接头设计成对接接头。

焊接接头的坡口设计是焊接结构设计的重要内容。坡口型式只被焊两金属件相连接处预先被加工成的结构形式，一般由焊接工艺本身来决定。

接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构

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还与对容器强度与安全的要求有关，有多种形式，涉及到是否开坡口、单面焊与双面焊、焊透与不焊透等问题。

筒体与封头之间的采用V型焊接接头型式，如图2-6所示：

60°±5°

图2-6

接管与壳体及补强圈之间的焊接一般只能采用角焊和搭焊，具体的焊接结构还与对容器强度与安全的要求有关，这里采用双面焊、焊透型式。

带补强圈接管采用X型的焊接接头型式，如图2-7所示：

5±135°±2°622192±0.550°±5°0.52±

图2-7

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不带补强圈接管采用X型的焊接接头型式，如图2-8所示：

2±0.550°±5°0.52±168

图2-8

焊条的选用应考虑一下因素：

对低碳钢和低合金结构钢要按等强度原则选择焊条，即要求焊缝与母材强度相等或基本相等，而不要求焊缝金属的化学成分与母材相同。当低合金钢与低碳钢之间、或不同种类的低合金钢之间进行焊接时，应选用与其中强度较低的钢材等强度的焊条进行焊接。

在本次设计中，钢号选择Q345R，属于低合金钢，根据低合金钢焊接选用原则：等机械性能原则，所以选择低合金钢焊条。对于Ⅱ、Ⅲ类容器之间的焊条采用碱性焊条。考虑母材力学性能与化学材料，构建的结构与刚性和经济性，该容器所用焊条使用型号如表2-4所示：

表2-4 焊接材料选择

焊接母体 16MnR与16MnR Q235-A与Q235-A 16MnR与Q235-A

焊接牌号示例 J507 J422 J427 word文档 可自由复制编辑

三、强度计算

依据我国现行压力容器常规设计的标准《钢制压力容器》GB/T 150-1998、《钢制卧式容器》JB/T 4731-2005、《压力容器法兰》 JB/T 4700-4707-2000、《容器支座》 JB/T 4712-2007。 3.1容器的筒体和封头壁厚设计 3.1.1容器的筒体和封头壁厚计算

内压圆筒的计算厚度由3-1式即中径公式确定：

3-1

式中， ——计算压力， ；根据设计压力 和液柱静压力来确定。当受压元件所承受的液柱静压能压力小于设计压力的5%时，可忽略静压力的影响，去 ，否则计算压力为设计压力与液柱静压力之和。

——公称直径；

——设计温度下材料的许用应力， ， 与钢板的厚度有关，设计计算时应检查所选用的许用应力是否与得到的名义厚度相一致，如果“跳档”，则应重新计算，直至而这相一致为止。

——焊接接头系数，对筒体指纵向焊接接头，对椭圆形封头，若为整体冲压，可取 。

双面对接焊的全焊透对接接头用100%无损检测， 。厚度在 ，温度在 — 时钢板的许用应力为170 。

带入数据，得 ，在 范围内，所以内压圆筒计算厚度为 。

标准圆筒形封头是经常采用的封头型式，其计算厚度由式3-2确定：

3-3

同理带入数据，得 ，在 范围内，因此标准椭圆封头的计算厚度为 。

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设计厚度为 ， 为腐蚀余量，名义厚度为设计厚度加上钢板负偏差 后向上圆整至钢板的规格厚度即名义厚度，设计腐蚀余量 ，钢板负偏差 ，得到筒体和标准椭圆封头名义厚度为 。 3.1.2压力容器水压试验

容器制造过程中，从选材、加工、焊接至组装，虽然每一工序都有严格的检验，但制成的压力容器是否能承受规定的工作压力、承压过程中容器是否会发生过大的变形以及法兰连接处、焊缝处是否会发生局部渗漏等，这些都需要通过压力容器制成后的压力试验来验证。

根据中国GB 150标准的规定，内压容器的试验压力大小根据式3-3确定：

3-3

式中， ——试验压力， ； ——设计压力， ；

——容器元件材料在试验温度下的许用应力， ； ——容器元件材料在设计温度下的许用应力， 。

带入数据，得到 。 在压力试验前，用式3-4校核圆筒应力：

3-4

式中， ——试验压力下圆筒的应力， ； ——圆筒的内直径， ； ——圆筒的有效厚度， ；

（或0.2%屈服强度）， ； （ ）——圆筒材料在试验温度下的屈服点 ——圆筒的焊接接头系数。

带入数据验证得， ，符合设计要求，液氨存储罐是安全

的。

3.2开孔补强计算

压力容器不可避免地要开孔并往往带有关系或凸缘。容器开孔接管后在应力

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分布和强度方面会带来如下影响：（a）开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中；（b）接管处容器壳体与接管形成不连续应力；（c）壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。这样往往在开孔接管根部产生很大的应力峰值，引起局部强度削弱，有时需要采取一定的补强措施。

按GB 150壳体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） 两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之和的两倍； （3） 接管工程外径小于或等于 ； （4） 接管最小壁厚满足表3-1要求。

表3-1 接管最小壁厚 mm

接管公称直径 最小壁厚 25 32 38 45 48 57 65 76 3.5 4.0 5.0 6.0 经过验证，只有人孔需要补强。GB 150采用等面积补强准则进行补强计算，这种补强计算的方法简便，在工程上有很长的使用经验。

通过查阅《补强圈》 JB/T 4736-2002规定，补强圈采用D型破口型式，接管公称直径 的补强圈的外径是 。

由式3-5进行人孔补强厚度计算：

3-5

式中， ——人孔内径， ； ——筒体壁厚， ； ——补强厚度， ； ——补强外径， 。

带入数据，解得补强圈人孔厚度 ，取 。

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