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液氨储罐设计

已知工艺参数：

最高使用温度：T=50℃

公称直径：DN=3000mm

筒体长度：L=4500mm

1 工艺尺寸的确定

1.1 储罐的体积

筒体长度：L=4500mm  公称直径：DN=3000mm

则圆柱形筒体的体积为：      （1.1）

筒体的总内表面积：          （1.2）

封头壁厚为22mm ，则取直边高度为50mm。经查表的

则封头的总容积为：

单个封头的表面积： 

封头的总内表面积为：

筒体的总体积为：V=

筒体的总内表面积：

长径比为：                       (1.3)

2  工艺计算

2.1 筒体壁厚的计算

根据公式：            (2.1)

式中：  ——圆筒的计算压力，MPa；

 ——圆筒的内径，mm；

——钢板在设计温度t下的许用应力，MPa；

  ——焊接接头系数，≤1;

在设计温度为50℃时候，氨的饱和蒸汽压为（绝对压力），

储罐的表压为：，

在容器上有安全阀的时候取1.05 ~1.1为最高工作压力的设计压力。即：P=1.1

16MnR在40℃的时候许用压力为：（见附表）

公称直径Di=3000mm

 (双面对接焊缝，100%探伤，见表)

由于液氨有一定的腐蚀性，故属于单面腐蚀，取

查表：取钢的负偏差

则筒体的计算壁厚

圆整后，圆筒的名义厚度为δ

2.2 封头壁厚的计算

本设计采用标准椭圆封头（2:1）即：K（形状系数）=1.0。

根据公式，封头的设计壁厚为：   (2.2)

查表：取钢板的负偏差，

则筒体的计算壁厚为：。

上式中

（因钢板的最大宽度为3m，此储罐直径为3000mm故封头需焊后冲压），

其他符号同前。

考虑冲压减薄量，圆整后取名义厚度的16MnR钢制作封头。

2.3 水压试验

很据公式：           (2.3)

其中：

     （查表得：）

故符合工艺条件的要求。

2.4 支座

2.4.1 支座的选取

支座用来支撑容器的重量，固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。卧式圆筒形容器的支座分为鞍座、圈座和支腿三类。常见的卧式容器和大型卧式储罐大多采用鞍座。主要由于鞍座的承压能力较好且对筒体的局部阻力较小，故采用鞍座。

鞍座又分为轻型（A）和重型（B）两大类，每种形式的鞍座又分为固定支座（F）和滑动支座（S），在一台容器上F型与S型总是配对使用。

本设计中由于储罐的体积较小且长径比较小，故采用A型双鞍座，在、其中一个为F型另一个为S型。

2.4.2 鞍座的计算

首先估算鞍座的负荷。

储罐的总质量：

式中：m₁为筒体质量（kg），m₂为封头质量（kg），m₃为液氨质量（kg），m₄为附件质量（kg）。

筒体的质量m₁

   DN=3000mm，的筒节，每米的质量为1640kg（查表4得）

故

封头的质量m₂

DN=3000mm，直边高度h=50mm的标准椭圆形封头，其质量为1780kg（查表6），

故

液氨的质量m₃

上式中：为装料系数，取0.7; V为贮罐容积，V=39.58m³  

为液氨在-20⁰C时候的密度为665kg/m³。

故：18424.5kg

附件的质量：

人孔约重200kg ，其他接口管的总重约为350kg。

则：m₄=550kg

经过上述计算得：

由于每个鞍座承受约146kN负荷，故选用轻型带垫板包角为120⁰的鞍座，即JB/T4712.3-2007鞍座A3000-F,  JB/4712.3-2007鞍座A3000-S。

表3.1   A型支座系列参数尺寸

2.4.3 安装高度

储罐的总长我为：L=4500+（750+50）x2=6100mm=6.1m

    由公式：L＝2a＋l　　　a＝0.208L得：

a为鞍座离罐体一端的距离，

l为两鞍座之间的距离。

计算的，a=1.27m=1270mm，

       l=3.56m=3560mm。

2.5 人孔的选取

压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般的人孔有两个手柄。人孔分为：板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔、带颈对焊法兰人孔。根据储罐在常温下及高温工作压力为2.125Mpa的条件下工作，人孔的标准公称压力为2.125Mpa等级选取，考虑到人孔较大较重，故选用水平呆吊盖带颈对焊法兰人孔。公称直径为450mm，突面法兰密封面。

表4-1 水平吊盖带颈对焊法兰人孔标准尺寸

该人孔标记为：人孔RF Ⅲ（A·G）450-2.5   HG21524-95

2.6 人孔补强

2.6.1 人孔补强的计算

为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去可一部分承载的金属材料而被消弱，进而出现应力集中的现象。为保证容器的安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强以降低峰值的应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富进而被广泛使用。

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为，壁厚。由标准查得补强圈尺寸为：外径，内径。

      开孔补强的有关计算如下：

(1) 不计焊缝系数的筒体计算壁厚：

                   (2.5)

(2) 开孔所需补强的面积A：

        开孔直径： 

        开孔所需的补强面积：

(3) 补强有效区的范围：

       有效宽度B：

                     (2.6)

           取二者中之大值

        外侧有效高度：           (2.7)

               或

               取二者中的最小值

        内侧有效高度：           (2.8)

                或

               取二者中之小值

(4) 有效补偿面积           (2.9)

      式中  ——补强面积，；

——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，；

           ——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，；

          ——焊缝金属截面积，；

其中           (2.10)

筒体的有效厚度为：

接管材料选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故，代入上式得

接管计算厚度

                          (2.11)

有效补强面积

因，所以开孔需另加补强。

所需补强面积

(5) 补强圈厚度

圆整后取26mm，补强材料与壳材料相同，为16MnR

2.6.2 不需补强的最大开孔直径

由于钢板具有一定的规格，壳体的壁厚往往超过实际强度的需要，厚度增加，使最大应力降低，相当于容器已被整体加强，并且容器的开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。同时由于容器材料具有一定的塑性储备，允许承受不大的局部应力。故当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。

不需要补强的条件:

○设计压力小于或等于 2.5MPa；

○两相邻开孔中心的间距应不小于两孔径之和的两倍；

○接管公称外径小于或等于89mm；

○接管最小壁厚满足下表的要求。

接管最小壁厚

     注:接管的腐蚀裕量为1mm

2.7 接口管

2.7.1 液氨进料管

进料管伸进设备内部并将管口的一端切成45⁰ ，为了是避免物料沿设备内壁流动一减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。

取的低合金无缝钢管。配用具有凸面密封的平焊管法兰，法兰标记：HG20592 法兰PL68-1.6 RF 16Mn

2.7.2 液氨出料管

在化工生产中，有时需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。

故采用可拆的压料管排料方式。取压出管，将它用法兰固定接口管内。

筒体的接口管法兰采用HG20592  法兰PL32-1.6RF16Mn相配并焊接在压出管的法兰上，其连接尺寸和厚度与HG20592 法兰PL32-1.6RF16Mn内径为25mm

液氨压出管的端部法兰采用HG20592  法兰PL20-1.6 RF16Mn。

2.7.3 排污管

在清洗储罐时候，为了能将废液完全排除储罐外，液氨介质会腐蚀管壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。

因此管子规格取为：，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的法兰HG20592法兰PL50-1.6 RF 16Mn。

2.7.4 液面计接管

液面计是用来观察设备内部液位变化的一种装置，通过测量液位来确定容器中物料的数量。由于设备不大且压力较小，物料洁净。

故采用玻璃管防霜液面计AI2.5-1260-50HG/T21550-93两支。

与液面计相配的接口管尺寸为：，管法兰HG20592 法兰PL15-1.6RF 16Mn

2.7.5 放空接口管

为了在注入液体时，能将容器内的空气排到罐体外以便能顺利快速的注入，需要安设一个放空管。

采用的无缝钢管，管法兰为：HG20592 法兰 PL25-2.5RF 16Mn

2.7.6 安装阀接口管

安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此需设一安全阀，安全阀的接口管尺寸由安全阀泄放量决定。

因此选用的无缝钢管，管法兰HG20592 法兰 PL25-1.6 RF 16 Mn。

接口管中，因其选择的条件在不需补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。