20m3液氨储罐的设计

20m液氨储罐的设计

摘要

储罐按其形式可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。 按其承压性质和能力可分为内压和外压，内压容器又可分为常压、低压、中压、高压、超高压等五类。根据使用时候的壁温，可分为常温容器、高温容器、中温容器和低温容器。按其结构材料分类，容器有金属制的和非金属制的两类。按其反应情况可分为反应压力容器（R）、换热压力容器（E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。

本次设计，我选用的是卧式圆筒形、中压常温的内压容器。经计算，筒体规格为：公称直径DN 1800mm，1m高的容积V1 2.545m3，1m高的内表面积F1 5.66m2，1m高筒节质量536kg。封头选用椭圆形标准封头，其规格为：公称直径DN 1800mm，曲面高度h1 450mm，直边高度h0 40mm，内表面积Fi, 3.73m2,，容积V 0.866m3。筒体外伸端到支座的距离a = 1.8m。

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目录

1 引言............................................................................................................................ 1 2 设计任务书................................................................................................................ 1 3 设计参数及材料的选择............................................................................................ 1 3.1 设备的选型与轮廓尺寸......................................................................................... 1 3.2 设计压力................................................................................................................. 2 3.3 筒体及封头材料的选择......................................................................................... 2 3.4 许用应力................................................................................................................. 3 4 结构设计.................................................................................................................... 3 4.1 筒体壁厚计算......................................................................................................... 3 4.2 封头设计................................................................................................................. 4 4.2.1 半球形封头.......................................................................................................... 4 4.2.2 标准椭圆形封头.................................................................................................. 4 4.2.3 标准碟形封头...................................................................................................... 5 4.2.4 圆形平板封头...................................................................................................... 6 4.2.5 不同形状封头比较.............................................................................................. 6 4.3 压力试验................................................................................................................. 7 4.4鞍座.......................................................................................................................... 8 4.4.1鞍座的选择........................................................................................................... 8 4.4.2 鞍座的位置.......................................................................................................... 9 5 结 果........................................................................................................................ 11 参考文献...................................................................................................................... 13

1 引言

液氨，是一种无色液体，有强烈刺激性气味。氨作为一种重要的化工原料，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。氨易溶于水，溶于水后形成氢氧化铵的碱性溶液。液氨多储于耐压钢瓶或钢槽中，且不能与乙醛、丙烯醛、硼等物质共存。液氨在工业上应用广泛，具有腐蚀性且容易挥发，所以其化学事故发生率很高。为能够进行连续的生产，需要有储存液氨的容器，因此设计液氨贮罐是制造贮罐的必备步骤，是化工生产能够顺利进行的前提。

设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺要求，考虑存储介质的性质、容量、钢材的耗费量等等。而且液化气体必须考虑它的膨胀性和压缩性，液化气体的体积会因温度的改变而变化，所以必须严格控制储罐的充装量（指装量系数与储罐实际容积和设计温度下介质的饱和液体密度的乘积）。在总贮量小于500m，单罐容积小于100m时选用卧式贮罐比较经济。

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、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。

2 设计任务书

请设计一20m3的液氨储罐，具体要求： 1）储罐设计参数及材料的选定 2）压力容器结构设计 3）压力试验及强度校核 4）使用地点：北京

5）编写储罐说明书（摘要，目录，正文，参考文献）

3 设计参数及材料的选择

3.1 设备的选型与轮廓尺寸

1

筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。

筒体直径一般由工艺条件决定，但是要符合压力容器的公称直径。立式圆筒形容器承受自然原因引起的应力破坏的能力较弱，综合上诉考虑本设计选用圆筒形卧式容器。

粗略计算内径：

4Dil20(15%)，一般

2LL5，得3~6 ，取DDDi=1749mm，圆整至Di=1800mm，则L=9000mm。

3.2 设计压力

本储罐在北京使用，夏季最高温度为42℃，冬季最低温度为-27.4℃，工作温

度在-27.4~42℃，取最高工作温度为45℃。根据《化学化工物性数据手册》查得：

44℃蒸汽压为PMPa，46℃蒸汽压为PMPa，用内差法求得W11.734W21.829545℃时蒸汽压为：PMPa。可以判断设计的容器为内压容器，按《压力W1.7818容器安全技术监察规程》规定，盛装液化气体无保冷设施的压力容器，其设计压力应不低于液化45℃时的饱和蒸汽压力1.7818MPa。当容器上装有安全阀时，取1.05～1.1倍的最高工作压力作为设计压力，液氨储罐的设计压力P为1.96MPa。

查阅文献，最高温度45℃时，液氨密度为571.29kg/m3，最低温度-28℃时，液氨密度为675kg/m3，由《各地区重力加速度表》查得北京地区的重力加速度g=9.8m/s2，则P.299.801.80.01MPa i571静gh因为

P静0.01 100%100%0.5%5%，所以可忽略静压强，即Pc=P设。

P设1.96由于1.6MPa≦1.96MPa<10.0MPa[1]，故该储罐属于中压容器。

3.3 筒体及封头材料的选择

本贮罐选用16MnR制作罐体和封头。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，16MnR钢板为比较经济，也可用来制造受载不大的

2

螺栓，或经渗碳后制作齿轮和轴等零件。所以，本液氨储罐选用16MnR制作罐体和封头。

3.4 许用应力

设计温度为45ºC，属于常温容器。查阅文献[2]，当16MnR钢板厚度δ=6~16mm时，16MnR钢板的强度极限σb=510 MPa，屈服极限σs=345MPa。

常温下，当取强度极限作为16MnR 钢板的极限应力时，许用应力查阅文献得nb=3，应力时，许用应力bnb，

510170MPa；当取屈服极限作为16MnR 钢板的极限3sns，查阅文献得ns=1.6，345215.6MPa。则许用1.6应力[σ]取两者这间的较小值，则[σ]t=170MPa。

4 结构设计

4.1 筒体壁厚计算

计算壁厚δ按照（4-1）式计算。

式中：

pc：计算压力，MPa Di：筒体内径，mm

pcDi （4-1） t2pc [σ]t：设计温度下的许用应力，MPa φ：焊接接头系数

容器筒体的纵向焊接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。把相关数据带入（4-1）式，得到圆柱形筒体的计算壁厚δ。

1.96180010.4mm

217011.96查材料腐蚀手册，45℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐

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蚀裕量C2=2 mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+C2=12.4mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.0~25mm范围内，负偏差C1=0.8 mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=14mm。在6～16mm之间，故假设是成立的。

查GB150—1998，得到圆柱形筒体的规格尺寸见表4-1。

表4-1 筒体标准

公称直径DN/mm

1800

1m高的容积V1/m3

2.545

1m高的内表面积F1/m2

5.66

1m高筒节质量/kg

536

4.2 封头设计

4.2.1 半球形封头

球形封头的计算壁厚δ按照（4-2）式计算。

式中：

pc：计算压力，MPa

pcDi （4-2） t4pc Di：半球形封头的内径，mm [σ]t：设计温度下的许用应力，MPa φ：焊接接头系数

封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。把相关数据带入（4-2）式，得到半球形封头的计算壁厚δ。

1.6918005.2mm

417011.96查材料腐蚀手册，45℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐蚀裕量C2=2mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+C2=7.2mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度<8mm，负偏差C1=0.6mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=8mm。 4.2.2 标准椭圆形封头

4

标准椭圆形封头的计算壁厚δ按照（4-3）式计算。

式中：

pc：计算压力，MPa

pcDi （4-3） t20.5pc Di：椭圆形封头的内径，mm [σ]t：设计温度下的许用应力，MPa φ：焊接接头系数

封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。把相关数据带入（4-3）式，得到标准椭圆形封头的计算壁厚δ。

1.96180010.4mm

217010.51.96查材料腐蚀手册，45℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐蚀裕量C2=2 mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+C2=12.4mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.0~25mm范围内，负偏差C1=0.8 mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=14mm。 4.2.3 标准碟形封头

标准碟形封头的计算壁厚δ按照（4-4）式计算。

式中：

pc：计算压力，MPa

MpcRi （4-4） t20.5pc [σ]t：设计温度下的许用应力，MPa φ：焊接接头系数

R1M(3i) （4-5）

4ri式中：

M：碟形封头系数 R i =0.9Di ；r i =0.17Di

5

封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。把相关数据及式（4-5）带入（4-4）式，得到标准蝶形封头的计算壁厚δ。

1.331.96162012.5mm

217010.51.96查材料腐蚀手册，45℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐蚀裕量C2=2 mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+C2=14.5mm。查阅钢板厚度负偏差表，钢板厚度在8.0~25mm范围内，负偏差C1=0.8 mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+C1+圆整量=16mm。 4.2.4 圆形平板封头

圆形平板封头的计算壁厚δ按照（4-6）式计算。

Dc式中：

pc：计算压力，MPa

tKpc （4-6）

K：平板封头的结构特征系数 Dc：圆形平板封头的计算直径，mm [σ]t：设计温度下的许用应力，MPa φ：焊接接头系数

圆形平板封头的计算直径Dc 等于压力容器内径Di ,则Dc =1800mm。封头的拼接接头采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数φ=1.00，全部无损探伤。对于圆形平板封头，取K值等于0.25。把相关数据带入（4-6）式，得到圆形平板封头的计算壁厚δ。

18000.251.9696.6mm

1701查材料腐蚀手册，50℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05mm/年，取双面腐蚀裕量C2=2 mm。所以，筒体的设计壁厚δd=δ+C2=98.6mm。查阅钢板厚度负偏差表，负偏差C1=1.7mm。

所以，筒体的名义壁厚δn=δd+ C1+圆整量=102mm。 4.2.5 不同形状封头比较

6

不同形状封头壁厚见表4-2。从表4-2可以看出，标准椭圆形封头的壁厚与筒体的壁厚相同。标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以，选择椭圆形封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。因为封头壁厚>10mm则标准椭圆形封头的直边高度h0=40mm。

表4-2 不同形状封头的壁厚

封头 名义壁厚/mm

半球形

8

标准椭圆形

14

标准蝶形

16

圆形平板

102

查椭圆形封头标准（JB/T4737-95），得到椭圆形封头规格尺寸见表4-3。

表4-3 标准椭圆封头

公称直径DN/mm

1800

曲面高度h1/mm

450

直边高度h0/mm

40

内表面积Fi/m2

3.73

容积V/m3

0.866

4.3 压力试验

水压试验，液体的温度不得低于5℃；

试验方法：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。

水压试验时的压力：

pT1.25p （4-7）

t1702.45MPa 170 1.251.96筒体的有效壁厚δe=δn-(C1+C2)=14-(0.8+2)=11.2mm σs=345MPa

水压试验时的计算应力：

T

pT(Die) （4-8）

2e7

2.45(180011.2) 211.21198.1MPa水压试验时的许用应力为

0.9s0.9345310.5MPa

T＜0.9S，故筒体满足水压试验时的强度要求。

4.4鞍座

4.4.1鞍座的选择

储罐总质量m按照（4-9）式计算。

mm1m2m3 （4-9）

式中：

m1:罐体质量，kg m2:封头质量，kg m3:充液质量，kg 1）罐体质量

根据DN=1800mm，δn=14mm的筒节，每米质量为m1’=627kg/m，L=9m。则：

m1m1'L62795643kg （4-10）

2）封头质量

根据DN=1800mm，δn=14mm，直边高度h0=40mm的椭圆形封头，其质量为m2’=419kg，则

'm22m22419838kg （4-11）

3）充液质量

储罐容积V按照（4-12式）计算。

V9V12V2 （4-12）

式中：

V:储罐容积，m3 V1:1m高的筒体容积，m3

8

V2:封头容积，m3

根据DN=1800mm，1米高的筒体容积V1=2.545m3。根据DN=2600mm，直边高度h0=40mm的椭圆形封头的容积V2=0.866 m3。把相关数据带入式（4-12），得：

V92.54520.86624.637m3

充液质量按照（4-13）式计算。

m3V （4-13）

式中：

m3:充液质量，kg V:储罐容积，m3

ρ:液氨在-28oC时的的密度，ρ=675kg/ m3

m367524.63716630kg

设备总质量为

m56438381663023111kg23.1t Gmg231119.8226487.8N226.5kN

每个支座需承受113.25kN的负荷。根据筒体DN=1800mm，支座负荷295kN，鞍式支座标准JB/T4712.1-2007，选取轻型带垫板、包角120°的鞍座, 即JB/T4712-92 鞍座A2600-F，JB/T4712-92 鞍座A2600-S。 4.4.2 鞍座的位置

卧式容器可以简化成受均布载荷的外伸梁。图4-1表示受均布载荷q作用的筒体总长L=9000mm。

q

C

RA a l L 图4-1 卧式容器简化图

D

RB a

9

1）求支反力

根据：

Fy0，RARBq(l2a) （4-14）

q(l2a)2 （4-15） mc(F)0，RAaRB(al)2得到RARB2）写弯矩方程

q(l2a) 2截面1-1处的弯矩方程：

qx12M(x1)，0x1a （4-16）

2当x1=a时，弯矩最大值为：M1max截面2-2处的弯矩方程：

qa2

22qqx2M(x1)(l2a)(x2a)，ax2a1 （4-17）

22lq(l24a2)当x2a时，弯矩最大值为M2max

28截面3-3处的弯矩方程：

q(l2ax3)2M(x3)，lax3l2a （4-18）

2当x3la时，弯矩最大值为M3maxqa2

2欲使设备受力情况最好，就必须适当选择a和L的比例,使得外伸段和中间段的最大弯矩的绝对值相等，即要M1maxM2max，由此得到

qa2q(l24a2) （4-19） 28即 l28a2

10

则 a因为lL2a,带入（4-15）式，得

al22 （4-20）

L0.207L （4-21）

2(12)因此，支座位置应满足a=0.2L=1.8m。

5 结 果

通过计算和核算得到筒体和封头的参数及主要尺寸： 1）主要参数：

工作压力：Pw=1.78MPa 设计压力：P=1.96MPa 计算压力：Pc=1.96MPa 许用应力：170MPa

t 焊接系数：1.0 2）筒体类型及尺寸

筒体类型：圆筒形 筒体厚度 ：

计算厚度 10.4mm 设计厚度 d12.4mm 名义厚度 n14mm 圆筒体的规格尺寸见表5-1。

表5-1 圆筒体的规格

公称直径DN/mm

1800

1m高的容积V1/m3

2.545

1m高的内表面积F1/m2

5.66

1m高筒节质量/kg

536

3）封头类型及尺寸

封头类型：标准椭圆形 封头厚度：

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计算厚度 10.4mm 设计厚度 d12.4mm 名义厚度 n14mm 标准椭圆形封头的规格尺寸见表5-2。

表 5-2 标准椭圆形封头的规格

公称直径DN/mm 曲面高度h1/mm

1800

450

直边高度h0/mm 内表面积Fi/m2

40

3.73

容积V/m3

0.866

4）鞍座类型及位置

鞍座类型：鞍座JB/T4712-92 鞍座A2600-F，JB/T4712-92 鞍座A2600-S 鞍座位置：筒体外伸端到支座的距离a = 1.8m

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参考文献

[1] 潘永亮. 化工设备机械基础（第二版）[M].北京:科学出版社.2007:118-115. [2] 陈国桓. 化工机械基础（第二版）[M].北京:化学工业出版社.2006:299-315.

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