1 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。

本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。

氨作为一种重要的化工原料，应，分子量17.03，相对密度0.7714g/L，熔点-77.7℃，沸点用广泛。

分子式NH3-33.35℃，自燃点651.11℃，蒸汽压1013.08kPa(25.7℃)。

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。

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。

2 设计选材及结构2.1 工艺参数的设定2.1.1 设计压力根据《化学化工物性数据手册》查得40℃蒸汽压为1.555Mp(绝对压力)，可以判断设计的容器为储存内压压力容器，按《压力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气40℃时的饱和蒸汽压力，可取液氨容器的设计压力为Pc=1.1×1.555=1.7105 Mpa，属于中压容器。

而且查得当容器上装有安全阀时，取1.05～1.3倍的最高工作压力作为设计压力；所以取1.7105 Mpa的压力合适。

6.0Mpa≤Pc≤10Mpa属于中压容器。

2.1.2 筒体的选材及结构。

设计温度为40摄氏度，在-20～200℃条件下工作属于常温容器。

根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1㎜/年以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。

如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板， 16MnR钢板的价格虽比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。

钢板标准号为GB6654-1996。

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。

2.1.3 封头的结构及选材。

封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。

椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于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。

查椭圆形封头标准（JB/T4737-95）表2.1 标准椭圆封头 公称直径DN曲面高度h1 直边高度h2 内表面积A/㎡ 溶剂V/m ³ 2600650 40 7.63 2.51封头取与筒体相同材料。

3 设计计算3.1 筒体壁厚计算查 《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR 的密度为7.85t/m3[]t σ，熔点为1430℃，许用应力列于下表：表3.1 16MnR 许用应力 钢号 板厚/mm在下列温度（℃）下的许用应力/Mpa≤20 100 150 200 250 300 16MnR 6~16170 170 170 170 156 144 16~36163 163 163 159 147 134 36~60157 157 157 150 138 125 >60~100153 153 150 141 128 116圆筒的计算压力为1.7105 Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为1.00,全部无损探伤。

取许用应力为170 Mpa 。

壁厚： （3—1）钢板厚度负偏差C1=0,查材料腐蚀手册得40℃下液氨对钢板的腐蚀速率小于0.05㎜/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量C2=2㎜。

[]mm p D p c t i c 1.137.10.1170226007.12=-⨯⨯⨯=-=φσδ所以设计厚度为：δn =δ +C1+C2 +Δ=15.1mm 近似为16mm故取dn ＝16mm 厚的16MnR 钢板制作罐体。

3.2 封头壁厚计算标准椭圆形封头a:b=2:1 封头计算公式 ：（3-2）可见封头厚度近似等于筒体厚度，则取同样厚度。

因为封头壁厚<20㎜则标准椭圆形封头的直边高度h0=40㎜，则δn=16mm3.3 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[][]pa 14.27105.125.125.1tM p Pt =⨯=∂∂= (3—3) de= dn -C1-C2 =16-0-1=15mmδs=345 MPa（3-4）水压试验的应力校核：水压试验时的应力 0.9*φ*δs=0.9x1.0x345 =310.5MPa水压试验时的许用应力为 故筒体满足水压试验时的强度要求。

MPa D p e e i T T 5.186152)152600(14.22)(=⨯+⨯=+=δδδ[]mm p D p c t i c 3.135.07.10.1170226007.15.02=⨯-⨯⨯⨯=-=φσδ4 附件选择4.1 人孔选择人孔的作用：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。

人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。

人孔类型：从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。

从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。

从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。

人孔标准HG21524-95规定PN≥1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。

容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为φ400㎜。

综合考虑选择水平吊盖带颈对焊法兰人孔（HG21524-95）,公称压力PN1.7、公称直径DN450、H1=320、RF型密封面、采用Ⅵ类20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。

标记为：人孔RFⅥ（W·C-1220）450-2.5HG21524-95总质量为256kg.法兰标准号为HGJ50～53-91,垫片标准号为HGJ69～72-91,法兰盖标准HGJ61～65-91材料为20R，螺柱螺母标准HGJ75-91螺柱材料40Cr螺母材料45，吊环转臂和材料Q235-A·F,垫圈标准为GB95-85材料100HV,螺母标准GB41-86，吊钩和环材料Q235-A·F，无缝钢管材料为20，支承板材料为20R。

尺寸表如图表4.1 人孔标准尺寸表密封面形式PN/Mpa DN dw×s d D1 D2 H1 H2总质量Kg突面 1.7 450 480×12 450 484 760 320 214 2564.2 人孔补强的计算开孔补强结构：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、内压容器开孔后所需的补强面积)1(2r et f d A -+=δδδ （4-1） 式中开孔直径mm C d d i 469224652=⨯+=+= （4-2） 强度消弱系数[][]78.0170/133===t t n r f σσ（4-3） 壳体开孔处的计算厚度13.1mm接管有效厚度mm c en et10212=-=-=δδ （4-4）则 9.6200)170/1331(101.1321.13469=-⨯⨯⨯+⨯=A （4-5）2、有效补强面积即已有的加强面积 壳体开孔后，在有效补强范围内，可作为补强的截面积（包括来自壳体、接管、焊缝金属、补强元件）321A A A A e ++=（4-6） 筒体上多余金属面积)1)((2))((1r e et e f d B A -----=δδδδδ（4-7） 有效补偿宽度 B=2d筒体的有效厚度 14216=-=e δ所以18.418)170/1331()1.1314(102)1.1314(4691=-⨯-⨯⨯--⨯=A m ㎡ （4-8）人孔接管上多余的面积r et r t et f C h f h A )(2)(22212-+-=δδδ （4-9）外侧有效高度02.75469121=⨯==d h nt δ内侧有效高度即实际内伸高度2h =0接管计算厚度[]00.371.111332)16480(71.12=-⨯⨯-⨯=-=c t n i c t p d p φσδ (4-10) 69.821170/133)310(4691222=⨯-⨯⨯⨯=A (4-11)焊缝金属截面积 231441212212mm A =⨯⨯⨯= 所以232178.138314469.82118.418mm A A A A e =++=++=（4-12） 比较e 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b σ≤540Mpa ；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n δ≤38㎜；设计压力<4Mpa ；设计温度≤350℃。