2024年4月2日发(作者：义烟)

题 目：液氨贮罐的机械设计

班 级： 07080102

学 号： **********

* 名： * *

指导教师： * * *

沈阳理工大学环境与化学工程学院

2010年11月

化工设备机械基础课程设计

沈阳理工大学设计专用纸

设计任务书

课题：液氨储罐的机械设计

设计内容：根据给定的工艺参数设计一台液氨储罐。

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

具体内容包括：

（1） 筒体材料的选择

（2） 储罐的结构和尺寸

（3） 罐的制造施工（焊接 焊缝）

（4） 零部件的型号、位置和接口

（5） 相关校核计算

设计人：陈剑

学号：

下达时间：2010年11月19日

完成时间：2010年12月24日

1

沈阳理工大学设计专用纸

目 录

前 言

.............................................................................................................................................................

1

1

液氨储罐的设计背景

.........................................................................................................................

2

2

液氨储罐的分类和选型

.....................................................................................................................

3

2.1 储罐的分类

..................................................................................................................................

3

2.2 储罐的选型

..................................................................................................................................

3

3

材料用钢的选取

..................................................................................................................................

4

3.1 容器用钢

......................................................................................................................................

4

3.2

附件用钢

......................................................................................................................................

4

4

工艺尺寸的确定

..................................................................................................................................

5

4.1

储罐的体积

..................................................................................................................................

5

5

工艺计算

................................................................................................................................................

6

5.1

筒体壁厚的计算

.........................................................................................................................

6

5.2

封头壁厚的计算

.........................................................................................................................

6

5.3

水压试验

......................................................................................................................................

7

5.4

支座

................................................................................................................................................

7

5.4.1

支座的选取

.......................................................................................................................

7

5.4.2

鞍座的计算

.......................................................................................................................

7

5.4.3

安装高度

...........................................................................................................................

9

5.5

人孔的选取

..................................................................................................................................

9

5.6

人孔补强

......................................................................................................................................

9

5.6.1 人孔补强的计算

.............................................................................................................

9

5.6.2 不需补强的最大开孔直径

.........................................................................................

11

5.7

接口管

.........................................................................................................................................

12

5.7.1

液氨进料管

.....................................................................................................................

12

5.7.2

液氨出料管

.....................................................................................................................

12

5.7.3

排污管

..............................................................................................................................

12

5.7.4

液面计接管

.....................................................................................................................

12

5.7.5

放空接口管

.....................................................................................................................

13

2

沈阳理工大学设计专用纸

5.7.6

安装阀接口管

................................................................................................................

13

6

参数校核

............................................................................................................................................

14

6.1 筒体轴向应力校核

...............................................................................................................

14

6.1.1

筒体轴向弯矩的计算

................................................................................................

14

6.1.2

筒体轴向应力的计算

................................................................................................

15

6.2 筒体和封头切向应力的校核

..............................................................................................

15

6.2.1

筒体切向应力的计算

................................................................................................

16

6.2.2

封头切向应力的计算

................................................................................................

16

6.3

筒体环向应力的计算与校核

..............................................................................................

16

6.3.1

环向应力的计算

.........................................................................................................

16

6.3.2

环向应力校核

..............................................................................................................

17

6.4

鞍座有效断面平均压力

.......................................................................................................

17

7

总结

.........................................................................................................................................................

19

8

设计结果一览表

................................................................................................................................

20

9

液氨储罐化工设计图

.......................................................................................................................

21

参考文献 ......................................................................................................................................................

22

3

沈阳理工大学设计专用纸

前 言

本学期在学习完化工设备机械基础理论课同时，老师下设了关于化工设备机械基础

的课程设计-液氨储罐的机械设计，让我们学好理论知识的同时让我们懂得如何将学到

的理论知识运用到实际生产中去，懂得如何综合考虑实际问题。

本次设计是关于液氨储罐的设计，在老师给定的相关条件下，充分利用课堂上学到

的理论知识发散思维、扩宽视野使之能更好的联系实际的生产，在实际的操作中我们应

考虑的问题非常多，比如说：液氨的一些性质、容器的受压情况、操作的压力、操作的

温度等等。充分考虑上述条件的同时设计出符合标准的液氨储罐。这样不仅使我们所学

的理论知识的到进一步的提高，也使我们可以了解到更多的实际生产中应该注意的问

题，使我们收益匪浅。

通过这次课程设计是我深刻了解到理论知识与实际应用的差别，让我们学到了很多

东西比如：如何联系实际考虑问题，分析问题，解决问题。考虑到经济上的问题去解决

问题。使我们学到很多有用的东西。

1

沈阳理工大学设计专用纸

1 液氨储罐的设计背景

化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容

器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而

化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承

受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综

合考虑个方面的因素，使之达到最优。

液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国

防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷

冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以

广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。

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。

2

沈阳理工大学设计专用纸

2 液氨储罐的分类和选型

2.1

储罐的分类

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。

2.2

储罐的选型

在本设计中经初步计算设计体积较小（约为35—40 m

3

）且工作压力较小

（p

0

=2.125MPa），因此可采用卧式圆筒形容器（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），方形和矩形容器大多只在很小设计体积时

采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力较强且节省材料，但

制造较难和安装内件不方便，一般不使用。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。

3

沈阳理工大学设计专用纸

3 材料用钢的选取

3.1 容器用钢

压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压

力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、

不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。

一般的低压设备可采用屈服极限为245Mpa~345Mpa级别的钢材；直径较大、压力

较高的设备，均可采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或者以上；如果容器的操

作温度超过400℃还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。

16MnR（GB 6654-1996）钢在板厚为16-36mm时候的屈服极限是350Mpa级的普通

低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。

在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507）



2



，15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度

分别为370、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较

C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵

。

因此，选用16MnR GB（6654-1996）钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好

的经济价值。

3.2 附件用钢

优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交

换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。

优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，一般不宜用作接口管用钢。

由于接管要求焊接性能好且塑性应该较好，故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢

管制作各型号接管（因为低碳钢的塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好可采用卷边、

折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢翅具有良好的焊接性）。

由于法兰必须具有足够大的强度和刚度且能耐腐蚀，成本低廉等，综合上诉考虑选用

Q235-A（强度极限400Mpa，屈服极限240Mpa）的普通低碳钢。但是应注意容器法兰

与管法兰不能互换。

4

沈阳理工大学设计专用纸

4 工艺尺寸的确定

4.1

储罐的体积

筒体长度：L=4500mm 公称直径：DN=3000mm

πDN

2

3.143

2

L31.8m

3

（4.1） 则圆柱形筒体的体积为：

V

0



44

筒体的总内表面积：

S

0

ΠDL3.1434.542.39m

2

（4.2）

封头壁厚为22mm ，则取直边高度为50mm。经查表

(2)

的

V

1

3.89m

3

则封头的总容积为：

V

2

2V

1

7.78m

3

单个封头的表面积：

S

1

10.25m

2

封头的总内表面积为：

S

2

2S

1

20.5m

2

筒体的总体积为：V=

V

0

V

2

7.7831.839.58m

3

筒体的总内表面积：

SS

0

S

2

20.542.3962.89m

2

长径比为：

S62.89

1.59

(4.3)

V39.58

5

沈阳理工大学设计专用纸

5 工艺计算

5.1

筒体壁厚的计算

根据公式：

δ

d



式中：

P

c

D

i

C

2

(5.1)

2

2[δ]φP

C

p

——圆筒的计算压力，MPa；

D

——圆筒的内径，mm；







——钢板在设计温度t下的许用应力，MPa；

c

i

t



——焊接接头系数，



≤1;

在设计温度为50℃时候，氨的饱和蒸汽压为

P

0

2.032Mpa

（绝对压力），

储罐的表压为：

P

表

2.0320.11.932Mpa

，

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

P

0

1.9321.12.125Mpa

б]

40℃

170Mpa

（见附表） 16MnR在40℃的时候许用压力为：

[

公称直径Di=3000mm



1.0

(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

C

2

1mm

δ

d



P

c

D

i

2.1253000

C

119.87mm

2

2[δ]

2

φP

C

217012.125

查表 ：取钢的负偏差

C

1

0.8mm

则筒体的计算壁厚

δδ

d

C

1

19.870.820.67mm

圆整后，圆筒的名义厚度为δ

n

22mm

5.2 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：

p

i

Di

t



d



2









0.5p

C

2

18.81mm

c

(

5.2

)

查表：取钢板的负偏差

C

1

0.8mm

，

6

沈阳理工大学设计专用纸

则筒体的计算壁厚为：







d

C

1

19.61mm

。

上式中



1.0

（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



n

22mm

的16MnR钢制作封头。

5.3 水压试验

很据公式：



t



P

T

(Di



e

)

2





e

0.9



s

(5.3)

其中：

P

T

1.25P1.252.1252.66Mpa



e





n

C221.820.2mm



s

325MPa

（查表得：）



T



2.66(300020.2)

149.5MPa0.9325292.5MPa

2.6620.21.0

故符合工艺条件的要求。

5.4 支座

5.4.1 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。

5.4.2 鞍座的计算

首先估算鞍座的负荷。

7

沈阳理工大学设计专用纸

储罐的总质量：

mm

1

m

2

m

3

m

4

式中：m

1

为筒体质量（kg），m

2

为封头质量（kg），m

3

为液氨质量（kg），m

4

为附件质

量（kg）。

筒体的质量m

1

DN=3000mm，



n

22mm

的筒节，每米的质量为1640kg（查表4得）

故

m

1

16404.57380kg

封头的质量m

2

DN=3000mm，其质量为1780kg



n

22mm

直边高度h=50mm的标准椭圆形封头，

（查表6），

故

m

2

217803560kg

液氨的质量m

3

m



V



3

上式中：



为装料系数，取0.7; V为贮罐容积，V=39.58

m

3



为液氨在-20

0

C时候的密度为665kg/m

3

。

故：

m

3

0.739.58665

18424.5kg

附件的质量：

人孔约重200kg ，其他接口管的总重约为350kg。

则：m

4

=550kg

经过上述计算得：

mm

1

m

2

m

3

m

4

7380356018424.555029914.5kg

Q

mg29914.59.8

146581.1N146kN

22

由于每个鞍座承受约146kN负荷，故选用轻型带垫板包角为120

0

的鞍座，即

JB/T4712-1992鞍座A3000-F, JB/4712-1992鞍座A3000-S

。

表3.1 A型支座系列参数尺寸

公称

直径

DN

3000

允许 高

载荷度

底板 腹

板

筋板 垫板 地脚螺栓

kN H

786

l

1

b

1



1



2

14 10

l

3

b

2

b

3

弧长

b

4



4

10

e

d

规格

M24 250 2180 360 341 316 406 3490 500 65 28

8

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5.4.3 安装高度

储罐的总长我为：L=4500+（750+50）

x

2=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。

5.5 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

S

公称公称

dw×

压力直径

MPa

2.5

mm

450 480×12

D D1 d b b1 b2 A H1 H2 d0

670 600 450 46 40 44 380 320 214 36

该人孔标记为：人孔RF Ⅲ（A·G）450-2.5 HG21524-95

5.6 人孔补强

5.6.1 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

9

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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

d

i

450mm

，壁厚

D

2

760mm

，内径

D

1

484mm

。



m

12mm

。由标准查得补强圈尺寸为：外径

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：

δ

P

c

D

i

2.1253000

18.87mm

(5.5)

t

2[δ]P

C

21702.125

(2) 开孔所需补强的面积A：

开孔直径：

dd

i

2c45021.8453.6mm

开孔所需的补强面积：

Ad



453.618.878559.43mm

2

(3) 补强有效区的范围：

有效宽度B：

B2d2453.6907.2mm

Bd2



n

2



m

453.6222212521.6mm

(5.6)

取二者中之大值

B907.2mm

外侧有效高度：

h

1

d



m

453.61273.78mm

(5.7)

或

h

1

接管实际外伸长度250mm

取二者中的最小值

h

1

73.78mm

内侧有效高度：

h

2

d



m

453.61273.78mm

(5.8)

或

h

2

接管实际内伸高度0mm

取二者中之小值

h

2

0mm

(4) 有效补偿面积

A

e

A

1

A

2

A

3

(5.9)

式中

A

e

——补强面积，

mm

；

2

2

A

1

——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，

mm

2

；

A

2

——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，

mm

；

2

A

3

——焊缝金属截面积，

mm

；

其中

A

1

(Bd)(



e





)2



m

(



e





)(1f

r

)

(5.10)

筒体的有效厚度为：



e





n

C221.820.2mm

接管材料选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故

f

r

1

，代入上

10

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式得

A

1

(907.2453.6)(20.218.87)603.3mm

2

接管计算厚度



t



P

c

d

2.125453.6

2.85mm

t

2









P

c

217012.125

A

2

2h

1

(



et





t

)f

r

2h

2

(



et

C

2

)f

r

(5.11)

2h

1

(



m

C



t

)f

r

0

273.78(121.82.85)

1084.6mm

2

1

A

3

21212144mm

2

2

有效补强面积

A

e

A

1

A

2

A

3

603.31084.61441831.9mm

2

因

A

e

A

，所以开孔需另加补强。

所需补强面积

A

4

AA

e

8559.431831.96727.53mm

2

(5) 补强圈厚度





A

4

6727.53

24.38mm

D

2

D

1

760484

圆整后取26mm，补强材料与壳材料相同，为16MnR

5.6.2 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

接管公称直径

最小壁厚

25 32

3.5

38 45 48 57 65 76 89

6.0 4.0 5.0

11

沈阳理工大学设计专用纸

注:接管的腐蚀裕量为1mm

5.7 接口管

5.7.1 液氨进料管

进料管伸进设备内部并将管口的一端切成45

0

，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



76mm4mm

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

5.7.2 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



25mm3mm

，将它用法兰固定接口管



38mm3.5mm

内。

筒体的接口管法兰采用HG20592 法兰PL32-1.6 RF16Mn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 RF 16Mn。

5.7.3 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：



57mm3.5mm

，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的法兰

HG20592 法兰PL50-1.6 RF 16Mn。

5.7.4 液面计接管

12

沈阳理工大学设计专用纸

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AI2.5-1260-50 HG/T21550-93两支。



18mm3mm

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

16Mn

5.7.5 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



32mm3.5mm

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

5.7.6 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



32mm2.5mm

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。

13

沈阳理工大学设计专用纸

6 参数校核

6.1 筒体轴向应力校核

6.1.1

筒体中间处截面的弯矩为：

筒体轴向弯矩的计算





2R

m

2

h

i

2



1

2

FL



4A



L



(6.1)

M

1



4h

i

4



L



1



3L



式中:F—鞍座反力（N）；

R

m

—椭圆封头长半轴外半径（mm）；

L—两封头切线之间的距离（mm）；

A—鞍座的位置（mm）；

h

i

—筒体内半径（mm）；

其中R

m

=

DN



n

3000222

==1522mm

22



21522

2

1500

2



1

2

1460006144



4750



7

6144

M

1









5.8

41500

46144



1



36144





支座处截面上的弯矩:

22



A

R

m

h

i



1

L2AL

M

2

FA



1

4h



1

i



3L









（6.2）











6



1.0910N•mm









7501522

2

1500

2



1

6144



26506144

故：

M

2

146000750



1

4750



1



36144



14

沈阳理工大学设计专用纸

6.1.2 筒体轴向应力的计算

由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K

1

=K

2

=1.0。因为︱M

1

︱＞＞︱M

2

︱，

且A＜R

m

/2=762mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。

（1）有弯矩引起的轴向应力

筒体中间截面上最高点处：



1

'

M

1

3.14R

m



e

2

（6.3）

5.810

7

0.45MPa

所以



1

'

2

3.14152218.87

最低点处：



2

'



1

'0.45MPa

。

M

2

1.0910

6

鞍座截面处最高点处：



3

0.079MPa

22

3.141.0152218.87

3.14K

1

R

m



e

M

2

1.0910

6

最低点处：



4

0.079MPa

22

3.141.0152218.87

3.14K

1

R

m



e

（2）有设计压力引起的轴向应力

由：



p



所以：



p



pR

m

（6.4）

2



e

2.1251522

85.69MPa

218.87

（3） 轴向应力组合与校核

最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处，所以有：



2





p





2

'85.690.4586.147MPa

许用轴向拉压应力[σ]

t

=163MPa，而σ

2

＜[σ]

t

合格。

最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处，



1





1

'0.45MPa

，

轴向许用应力

A

0.094



e

0.09418.87

0.0012MPa

，根据A值查外压容器设

R

i

1500

计的材料温度线图

[5]

得B=150MPa，取许用压缩应力[σ]

ac

=150MPa，︱σ

1

︱＜[σ]

ac

，

合格。

6.2

筒体和封头切向应力的校核

15

沈阳理工大学设计专用纸

因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算

6.2.1 筒体切向应力的计算

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K

3

=0.880，K

4

=0.401。所以





K

3

F

0.880146000

4.47MPa

R

m





e

152218.87

6.2.2 封头切向应力的计算

K

4

F

0.401146000

2.04MPa

R

m





e

152218.87

tt



h



1.25











h

1.25









KPDN12.1253000

1.2516334.85MPa

2



e

218.87

因τ

h

＜1.25[σ]

t

-σ

h

,所以合格。

6.3 筒体环向应力的计算与校核

6.3.1 环向应力的计算

设垫片不起作用

（1）在鞍座处横截面最低点

kK

5

F

（6-5）



e

b

2



5



式中 b

2

——筒体的有效宽度，mm。

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-101）查得，K

5

=0.7603，K

6

=0.0132。式中k=0.1，

考虑容器焊在鞍座上

b

2

b1.56R

m





e

（6.6）

式中 b——鞍座轴向宽度，mm。

16

沈阳理工大学设计专用纸

所以

b

2

3001.56152218.87564.37mm

所以



5



0.10.7603146000

1.042MPa

18.87564.37

（2）鞍座边角处轴向应力

因为L/Rm=6144/1522=4.14＜8,且



6



3KF

F



6

2

（6.7）

4b

2



e

2



e

14600030.0132146000

4.69MPa

4564.3718.87

218.87

2

所以：



6



6.3.2 环向应力校核

︱σ

5

︱＜[σ]

t

=163MPa，合格。

︱σ︱＜1.25[σ]

t

=1.25×163=203.75MPa，合格。

6.4

鞍座有效断面平均压力

鞍座承受的水平分力

F

s

K

9

F

（6-8）

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-103）查得，K

9

=0.204。

所以

F

s

0.20414600029784N

。

鞍座有效断面平均应力



9



F

s

（6.9）

H

s

b

0

式中 H

s

——鞍座的计算高度，mm；

b

0

——鞍座的腹板厚度，mm。

其中H

s

取鞍座实际高度（H=250mm）和R

m

/3=1522/3=507mm中的最小值，即

H

s

=250mm。腹板厚度b

0

=δ

2

-C

1

=10-0.8=9.2mm。

所以



9



29784

12.95MPa

2509.2

17

沈阳理工大学设计专用纸

22

应力校核



9









sa

14093.33MPa

，式中[σ]

sa

=140MPa，鞍座材料Q235—AF

33

的许用应力。

18

沈阳理工大学设计专用纸

7 总结

在设计中，由于液氨储罐容积较小，故采用卧式圆筒形容器，因此长径比较小。在

选材时候综合考虑材料的物理，力学性能，耐腐蚀性，经济性。在进行工艺计算后在进

行了强度校核。在结构设计时，查阅资料参照相关的标准选择附件。设计完毕后，参照

设计结果绘制了储罐设备图。

由于所学知识有限，再设计中还有很多不明之处，需要继续学习，以补充知识的缺

陷。通过设计，是我学到了分析，考虑，解决问题的综合能力，增加了设计的经验，而

且通过绘制设备图也提高了自己的手工绘制图标的能力，真的是受益匪浅。

19

沈阳理工大学设计专用纸

8 设计结果一览表

序号

1

2

3

4

5

6

7

名称

设计压力

工作温度

物料名称

容积

筒体

封头

鞍座

2.125Mpa

=50℃

液氨

39.58m

3

DN300022,L4500

DN300022,h50

指标 材料

16MnR

16MnR

Q235A-F

JB/T4712-1992鞍座A3000-F

JB/T4712-1992鞍座A3000-S

8

人孔

RF Ⅲ（A·G）450-2.5

组合件

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

补强圈

液面计接管

玻璃管液面计

进料管

出料管

压料接管

排污管

放空管

安全阀接管

法兰



760/



484,



26



183

AI2.5-1260-50，

10

10

组合件

10

10

10

10

10

10

Q235-A



76mm4mm



38mm3.5mm



25mm3mm



57mm3.5mm



32mm3.5mm



32mm2.5mm

配合以上各接管

20

沈阳理工大学设计专用纸

9 液氨储罐化工设计图

（见附图）

21

沈阳理工大学设计专用纸

参考文献

[1] 谭蔚.化工设备设计基础[M].天津：天津大学出版社，2007

[2] 王菲 林英. 化工设备用钢[M] .北京：化学工业出版社，2004

[3] 陈志平 曹志锡.过程设备设计与选型基础[M].浙江：浙江大学出版社，2005

[4] 丁伯明 黄正林.化工容器[M].北京：化学工业出版社，2003

[5] 王志文 蔡仁良.化工容器设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005

[6] 钱自强.大学工程制图[M].上海：华东理工大学出版社，2005

[7] 陈声宗.化工设计[M]. 北京：化学工业出版社，2001

22

沈阳理工大学设计专用纸

23

2024年4月2日发(作者：义烟)

题 目：液氨贮罐的机械设计

班 级： 07080102

学 号： **********

* 名： * *

指导教师： * * *

沈阳理工大学环境与化学工程学院

2010年11月

化工设备机械基础课程设计

沈阳理工大学设计专用纸

设计任务书

课题：液氨储罐的机械设计

设计内容：根据给定的工艺参数设计一台液氨储罐。

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

具体内容包括：

（1） 筒体材料的选择

（2） 储罐的结构和尺寸

（3） 罐的制造施工（焊接 焊缝）

（4） 零部件的型号、位置和接口

（5） 相关校核计算

设计人：陈剑

学号：

下达时间：2010年11月19日

完成时间：2010年12月24日

1

沈阳理工大学设计专用纸

目 录

前 言

.............................................................................................................................................................

1

1

液氨储罐的设计背景

.........................................................................................................................

2

2

液氨储罐的分类和选型

.....................................................................................................................

3

2.1 储罐的分类

..................................................................................................................................

3

2.2 储罐的选型

..................................................................................................................................

3

3

材料用钢的选取

..................................................................................................................................

4

3.1 容器用钢

......................................................................................................................................

4

3.2

附件用钢

......................................................................................................................................

4

4

工艺尺寸的确定

..................................................................................................................................

5

4.1

储罐的体积

..................................................................................................................................

5

5

工艺计算

................................................................................................................................................

6

5.1

筒体壁厚的计算

.........................................................................................................................

6

5.2

封头壁厚的计算

.........................................................................................................................

6

5.3

水压试验

......................................................................................................................................

7

5.4

支座

................................................................................................................................................

7

5.4.1

支座的选取

.......................................................................................................................

7

5.4.2

鞍座的计算

.......................................................................................................................

7

5.4.3

安装高度

...........................................................................................................................

9

5.5

人孔的选取

..................................................................................................................................

9

5.6

人孔补强

......................................................................................................................................

9

5.6.1 人孔补强的计算

.............................................................................................................

9

5.6.2 不需补强的最大开孔直径

.........................................................................................

11

5.7

接口管

.........................................................................................................................................

12

5.7.1

液氨进料管

.....................................................................................................................

12

5.7.2

液氨出料管

.....................................................................................................................

12

5.7.3

排污管

..............................................................................................................................

12

5.7.4

液面计接管

.....................................................................................................................

12

5.7.5

放空接口管

.....................................................................................................................

13

2

沈阳理工大学设计专用纸

5.7.6

安装阀接口管

................................................................................................................

13

6

参数校核

............................................................................................................................................

14

6.1 筒体轴向应力校核

...............................................................................................................

14

6.1.1

筒体轴向弯矩的计算

................................................................................................

14

6.1.2

筒体轴向应力的计算

................................................................................................

15

6.2 筒体和封头切向应力的校核

..............................................................................................

15

6.2.1

筒体切向应力的计算

................................................................................................

16

6.2.2

封头切向应力的计算

................................................................................................

16

6.3

筒体环向应力的计算与校核

..............................................................................................

16

6.3.1

环向应力的计算

.........................................................................................................

16

6.3.2

环向应力校核

..............................................................................................................

17

6.4

鞍座有效断面平均压力

.......................................................................................................

17

7

总结

.........................................................................................................................................................

19

8

设计结果一览表

................................................................................................................................

20

9

液氨储罐化工设计图

.......................................................................................................................

21

参考文献 ......................................................................................................................................................

22

3

沈阳理工大学设计专用纸

前 言

本学期在学习完化工设备机械基础理论课同时，老师下设了关于化工设备机械基础

的课程设计-液氨储罐的机械设计，让我们学好理论知识的同时让我们懂得如何将学到

的理论知识运用到实际生产中去，懂得如何综合考虑实际问题。

本次设计是关于液氨储罐的设计，在老师给定的相关条件下，充分利用课堂上学到

的理论知识发散思维、扩宽视野使之能更好的联系实际的生产，在实际的操作中我们应

考虑的问题非常多，比如说：液氨的一些性质、容器的受压情况、操作的压力、操作的

温度等等。充分考虑上述条件的同时设计出符合标准的液氨储罐。这样不仅使我们所学

的理论知识的到进一步的提高，也使我们可以了解到更多的实际生产中应该注意的问

题，使我们收益匪浅。

通过这次课程设计是我深刻了解到理论知识与实际应用的差别，让我们学到了很多

东西比如：如何联系实际考虑问题，分析问题，解决问题。考虑到经济上的问题去解决

问题。使我们学到很多有用的东西。

1

沈阳理工大学设计专用纸

1 液氨储罐的设计背景

化学工业和其它流程工业的生产都离不开容器。所有的化工设备的壳体都是一种容

器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、轻工、动力等行业。然而

化工容器又有其本身特点，不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承

受化学介质的作用，要能长期的安全工作且保证良好的密封。因此在容器的设计中应综

合考虑个方面的因素，使之达到最优。

液氨主要用于生产硝酸、尿素和其它化学肥料，还可用作医药和农药的原料。在国

防工业中用于制造火箭、导弹的推进剂，可用作有机化工产品的氨化原料，还可用作冷

冻剂，将氨进行分解，分解成氢氮混合气体这种混合气体是一种良好的保护气体，可以

广泛地应用于半导体工业、冶金工业以及需要保护气氛的其它工业和科学研究中。

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。

2

沈阳理工大学设计专用纸

2 液氨储罐的分类和选型

2.1

储罐的分类

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。

2.2

储罐的选型

在本设计中经初步计算设计体积较小（约为35—40 m

3

）且工作压力较小

（p

0

=2.125MPa），因此可采用卧式圆筒形容器（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），方形和矩形容器大多只在很小设计体积时

采用，因其承压能力较小且使用材料较多；而球形容器虽承压能力较强且节省材料，但

制造较难和安装内件不方便，一般不使用。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。

3

沈阳理工大学设计专用纸

3 材料用钢的选取

3.1 容器用钢

压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压

力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、

不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。

一般的低压设备可采用屈服极限为245Mpa~345Mpa级别的钢材；直径较大、压力

较高的设备，均可采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或者以上；如果容器的操

作温度超过400℃还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。

16MnR（GB 6654-1996）钢在板厚为16-36mm时候的屈服极限是350Mpa级的普通

低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。

在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507）



2



，15MnVR钢和18MnMoNbR钢是屈服强度

分别为370、500Mpa级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较

C-Mn钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR钢昂贵

。

因此，选用16MnR GB（6654-1996）钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好

的经济价值。

3.2 附件用钢

优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交

换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。

优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，一般不宜用作接口管用钢。

由于接管要求焊接性能好且塑性应该较好，故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢

管制作各型号接管（因为低碳钢的塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好可采用卷边、

折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢翅具有良好的焊接性）。

由于法兰必须具有足够大的强度和刚度且能耐腐蚀，成本低廉等，综合上诉考虑选用

Q235-A（强度极限400Mpa，屈服极限240Mpa）的普通低碳钢。但是应注意容器法兰

与管法兰不能互换。

4

沈阳理工大学设计专用纸

4 工艺尺寸的确定

4.1

储罐的体积

筒体长度：L=4500mm 公称直径：DN=3000mm

πDN

2

3.143

2

L31.8m

3

（4.1） 则圆柱形筒体的体积为：

V

0



44

筒体的总内表面积：

S

0

ΠDL3.1434.542.39m

2

（4.2）

封头壁厚为22mm ，则取直边高度为50mm。经查表

(2)

的

V

1

3.89m

3

则封头的总容积为：

V

2

2V

1

7.78m

3

单个封头的表面积：

S

1

10.25m

2

封头的总内表面积为：

S

2

2S

1

20.5m

2

筒体的总体积为：V=

V

0

V

2

7.7831.839.58m

3

筒体的总内表面积：

SS

0

S

2

20.542.3962.89m

2

长径比为：

S62.89

1.59

(4.3)

V39.58

5

沈阳理工大学设计专用纸

5 工艺计算

5.1

筒体壁厚的计算

根据公式：

δ

d



式中：

P

c

D

i

C

2

(5.1)

2

2[δ]φP

C

p

——圆筒的计算压力，MPa；

D

——圆筒的内径，mm；







——钢板在设计温度t下的许用应力，MPa；

c

i

t



——焊接接头系数，



≤1;

在设计温度为50℃时候，氨的饱和蒸汽压为

P

0

2.032Mpa

（绝对压力），

储罐的表压为：

P

表

2.0320.11.932Mpa

，

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

P

0

1.9321.12.125Mpa

б]

40℃

170Mpa

（见附表） 16MnR在40℃的时候许用压力为：

[

公称直径Di=3000mm



1.0

(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

C

2

1mm

δ

d



P

c

D

i

2.1253000

C

119.87mm

2

2[δ]

2

φP

C

217012.125

查表 ：取钢的负偏差

C

1

0.8mm

则筒体的计算壁厚

δδ

d

C

1

19.870.820.67mm

圆整后，圆筒的名义厚度为δ

n

22mm

5.2 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：

p

i

Di

t



d



2









0.5p

C

2

18.81mm

c

(

5.2

)

查表：取钢板的负偏差

C

1

0.8mm

，

6

沈阳理工大学设计专用纸

则筒体的计算壁厚为：







d

C

1

19.61mm

。

上式中



1.0

（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



n

22mm

的16MnR钢制作封头。

5.3 水压试验

很据公式：



t



P

T

(Di



e

)

2





e

0.9



s

(5.3)

其中：

P

T

1.25P1.252.1252.66Mpa



e





n

C221.820.2mm



s

325MPa

（查表得：）



T



2.66(300020.2)

149.5MPa0.9325292.5MPa

2.6620.21.0

故符合工艺条件的要求。

5.4 支座

5.4.1 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。

5.4.2 鞍座的计算

首先估算鞍座的负荷。

7

沈阳理工大学设计专用纸

储罐的总质量：

mm

1

m

2

m

3

m

4

式中：m

1

为筒体质量（kg），m

2

为封头质量（kg），m

3

为液氨质量（kg），m

4

为附件质

量（kg）。

筒体的质量m

1

DN=3000mm，



n

22mm

的筒节，每米的质量为1640kg（查表4得）

故

m

1

16404.57380kg

封头的质量m

2

DN=3000mm，其质量为1780kg



n

22mm

直边高度h=50mm的标准椭圆形封头，

（查表6），

故

m

2

217803560kg

液氨的质量m

3

m



V



3

上式中：



为装料系数，取0.7; V为贮罐容积，V=39.58

m

3



为液氨在-20

0

C时候的密度为665kg/m

3

。

故：

m

3

0.739.58665

18424.5kg

附件的质量：

人孔约重200kg ，其他接口管的总重约为350kg。

则：m

4

=550kg

经过上述计算得：

mm

1

m

2

m

3

m

4

7380356018424.555029914.5kg

Q

mg29914.59.8

146581.1N146kN

22

由于每个鞍座承受约146kN负荷，故选用轻型带垫板包角为120

0

的鞍座，即

JB/T4712-1992鞍座A3000-F, JB/4712-1992鞍座A3000-S

。

表3.1 A型支座系列参数尺寸

公称

直径

DN

3000

允许 高

载荷度

底板 腹

板

筋板 垫板 地脚螺栓

kN H

786

l

1

b

1



1



2

14 10

l

3

b

2

b

3

弧长

b

4



4

10

e

d

规格

M24 250 2180 360 341 316 406 3490 500 65 28

8

沈阳理工大学设计专用纸

5.4.3 安装高度

储罐的总长我为：L=4500+（750+50）

x

2=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。

5.5 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

S

公称公称

dw×

压力直径

MPa

2.5

mm

450 480×12

D D1 d b b1 b2 A H1 H2 d0

670 600 450 46 40 44 380 320 214 36

该人孔标记为：人孔RF Ⅲ（A·G）450-2.5 HG21524-95

5.6 人孔补强

5.6.1 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

9

沈阳理工大学设计专用纸

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

d

i

450mm

，壁厚

D

2

760mm

，内径

D

1

484mm

。



m

12mm

。由标准查得补强圈尺寸为：外径

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：

δ

P

c

D

i

2.1253000

18.87mm

(5.5)

t

2[δ]P

C

21702.125

(2) 开孔所需补强的面积A：

开孔直径：

dd

i

2c45021.8453.6mm

开孔所需的补强面积：

Ad



453.618.878559.43mm

2

(3) 补强有效区的范围：

有效宽度B：

B2d2453.6907.2mm

Bd2



n

2



m

453.6222212521.6mm

(5.6)

取二者中之大值

B907.2mm

外侧有效高度：

h

1

d



m

453.61273.78mm

(5.7)

或

h

1

接管实际外伸长度250mm

取二者中的最小值

h

1

73.78mm

内侧有效高度：

h

2

d



m

453.61273.78mm

(5.8)

或

h

2

接管实际内伸高度0mm

取二者中之小值

h

2

0mm

(4) 有效补偿面积

A

e

A

1

A

2

A

3

(5.9)

式中

A

e

——补强面积，

mm

；

2

2

A

1

——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，

mm

2

；

A

2

——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，

mm

；

2

A

3

——焊缝金属截面积，

mm

；

其中

A

1

(Bd)(



e





)2



m

(



e





)(1f

r

)

(5.10)

筒体的有效厚度为：



e





n

C221.820.2mm

接管材料选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故

f

r

1

，代入上

10

沈阳理工大学设计专用纸

式得

A

1

(907.2453.6)(20.218.87)603.3mm

2

接管计算厚度



t



P

c

d

2.125453.6

2.85mm

t

2









P

c

217012.125

A

2

2h

1

(



et





t

)f

r

2h

2

(



et

C

2

)f

r

(5.11)

2h

1

(



m

C



t

)f

r

0

273.78(121.82.85)

1084.6mm

2

1

A

3

21212144mm

2

2

有效补强面积

A

e

A

1

A

2

A

3

603.31084.61441831.9mm

2

因

A

e

A

，所以开孔需另加补强。

所需补强面积

A

4

AA

e

8559.431831.96727.53mm

2

(5) 补强圈厚度





A

4

6727.53

24.38mm

D

2

D

1

760484

圆整后取26mm，补强材料与壳材料相同，为16MnR

5.6.2 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

接管公称直径

最小壁厚

25 32

3.5

38 45 48 57 65 76 89

6.0 4.0 5.0

11

沈阳理工大学设计专用纸

注:接管的腐蚀裕量为1mm

5.7 接口管

5.7.1 液氨进料管

进料管伸进设备内部并将管口的一端切成45

0

，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



76mm4mm

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

5.7.2 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



25mm3mm

，将它用法兰固定接口管



38mm3.5mm

内。

筒体的接口管法兰采用HG20592 法兰PL32-1.6 RF16Mn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 RF 16Mn。

5.7.3 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：



57mm3.5mm

，管端焊有一与截止阀J41W-16相配的法兰

HG20592 法兰PL50-1.6 RF 16Mn。

5.7.4 液面计接管

12

沈阳理工大学设计专用纸

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AI2.5-1260-50 HG/T21550-93两支。



18mm3mm

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

16Mn

5.7.5 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



32mm3.5mm

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

5.7.6 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



32mm2.5mm

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。

13

沈阳理工大学设计专用纸

6 参数校核

6.1 筒体轴向应力校核

6.1.1

筒体中间处截面的弯矩为：

筒体轴向弯矩的计算





2R

m

2

h

i

2



1

2

FL



4A



L



(6.1)

M

1



4h

i

4



L



1



3L



式中:F—鞍座反力（N）；

R

m

—椭圆封头长半轴外半径（mm）；

L—两封头切线之间的距离（mm）；

A—鞍座的位置（mm）；

h

i

—筒体内半径（mm）；

其中R

m

=

DN



n

3000222

==1522mm

22



21522

2

1500

2



1

2

1460006144



4750



7

6144

M

1









5.8

41500

46144



1



36144





支座处截面上的弯矩:

22



A

R

m

h

i



1

L2AL

M

2

FA



1

4h



1

i



3L









（6.2）











6



1.0910N•mm









7501522

2

1500

2



1

6144



26506144

故：

M

2

146000750



1

4750



1



36144



14

沈阳理工大学设计专用纸

6.1.2 筒体轴向应力的计算

由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K

1

=K

2

=1.0。因为︱M

1

︱＞＞︱M

2

︱，

且A＜R

m

/2=762mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。

（1）有弯矩引起的轴向应力

筒体中间截面上最高点处：



1

'

M

1

3.14R

m



e

2

（6.3）

5.810

7

0.45MPa

所以



1

'

2

3.14152218.87

最低点处：



2

'



1

'0.45MPa

。

M

2

1.0910

6

鞍座截面处最高点处：



3

0.079MPa

22

3.141.0152218.87

3.14K

1

R

m



e

M

2

1.0910

6

最低点处：



4

0.079MPa

22

3.141.0152218.87

3.14K

1

R

m



e

（2）有设计压力引起的轴向应力

由：



p



所以：



p



pR

m

（6.4）

2



e

2.1251522

85.69MPa

218.87

（3） 轴向应力组合与校核

最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处，所以有：



2





p





2

'85.690.4586.147MPa

许用轴向拉压应力[σ]

t

=163MPa，而σ

2

＜[σ]

t

合格。

最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处，



1





1

'0.45MPa

，

轴向许用应力

A

0.094



e

0.09418.87

0.0012MPa

，根据A值查外压容器设

R

i

1500

计的材料温度线图

[5]

得B=150MPa，取许用压缩应力[σ]

ac

=150MPa，︱σ

1

︱＜[σ]

ac

，

合格。

6.2

筒体和封头切向应力的校核

15

沈阳理工大学设计专用纸

因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按下列计算

6.2.1 筒体切向应力的计算

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K

3

=0.880，K

4

=0.401。所以





K

3

F

0.880146000

4.47MPa

R

m





e

152218.87

6.2.2 封头切向应力的计算

K

4

F

0.401146000

2.04MPa

R

m





e

152218.87

tt



h



1.25











h

1.25









KPDN12.1253000

1.2516334.85MPa

2



e

218.87

因τ

h

＜1.25[σ]

t

-σ

h

,所以合格。

6.3 筒体环向应力的计算与校核

6.3.1 环向应力的计算

设垫片不起作用

（1）在鞍座处横截面最低点

kK

5

F

（6-5）



e

b

2



5



式中 b

2

——筒体的有效宽度，mm。

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-101）查得，K

5

=0.7603，K

6

=0.0132。式中k=0.1，

考虑容器焊在鞍座上

b

2

b1.56R

m





e

（6.6）

式中 b——鞍座轴向宽度，mm。

16

沈阳理工大学设计专用纸

所以

b

2

3001.56152218.87564.37mm

所以



5



0.10.7603146000

1.042MPa

18.87564.37

（2）鞍座边角处轴向应力

因为L/Rm=6144/1522=4.14＜8,且



6



3KF

F



6

2

（6.7）

4b

2



e

2



e

14600030.0132146000

4.69MPa

4564.3718.87

218.87

2

所以：



6



6.3.2 环向应力校核

︱σ

5

︱＜[σ]

t

=163MPa，合格。

︱σ︱＜1.25[σ]

t

=1.25×163=203.75MPa，合格。

6.4

鞍座有效断面平均压力

鞍座承受的水平分力

F

s

K

9

F

（6-8）

由《化工机械工程手册》（上卷，P11-103）查得，K

9

=0.204。

所以

F

s

0.20414600029784N

。

鞍座有效断面平均应力



9



F

s

（6.9）

H

s

b

0

式中 H

s

——鞍座的计算高度，mm；

b

0

——鞍座的腹板厚度，mm。

其中H

s

取鞍座实际高度（H=250mm）和R

m

/3=1522/3=507mm中的最小值，即

H

s

=250mm。腹板厚度b

0

=δ

2

-C

1

=10-0.8=9.2mm。

所以



9



29784

12.95MPa

2509.2

17

沈阳理工大学设计专用纸

22

应力校核



9









sa

14093.33MPa

，式中[σ]

sa

=140MPa，鞍座材料Q235—AF

33

的许用应力。

18

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7 总结

在设计中，由于液氨储罐容积较小，故采用卧式圆筒形容器，因此长径比较小。在

选材时候综合考虑材料的物理，力学性能，耐腐蚀性，经济性。在进行工艺计算后在进

行了强度校核。在结构设计时，查阅资料参照相关的标准选择附件。设计完毕后，参照

设计结果绘制了储罐设备图。

由于所学知识有限，再设计中还有很多不明之处，需要继续学习，以补充知识的缺

陷。通过设计，是我学到了分析，考虑，解决问题的综合能力，增加了设计的经验，而

且通过绘制设备图也提高了自己的手工绘制图标的能力，真的是受益匪浅。

19

沈阳理工大学设计专用纸

8 设计结果一览表

序号

1

2

3

4

5

6

7

名称

设计压力

工作温度

物料名称

容积

筒体

封头

鞍座

2.125Mpa

=50℃

液氨

39.58m

3

DN300022,L4500

DN300022,h50

指标 材料

16MnR

16MnR

Q235A-F

JB/T4712-1992鞍座A3000-F

JB/T4712-1992鞍座A3000-S

8

人孔

RF Ⅲ（A·G）450-2.5

组合件

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

补强圈

液面计接管

玻璃管液面计

进料管

出料管

压料接管

排污管

放空管

安全阀接管

法兰



760/



484,



26



183

AI2.5-1260-50，

10

10

组合件

10

10

10

10

10

10

Q235-A



76mm4mm



38mm3.5mm



25mm3mm



57mm3.5mm



32mm3.5mm



32mm2.5mm

配合以上各接管

20

沈阳理工大学设计专用纸

9 液氨储罐化工设计图

（见附图）

21

沈阳理工大学设计专用纸

参考文献

[1] 谭蔚.化工设备设计基础[M].天津：天津大学出版社，2007

[2] 王菲 林英. 化工设备用钢[M] .北京：化学工业出版社，2004

[3] 陈志平 曹志锡.过程设备设计与选型基础[M].浙江：浙江大学出版社，2005

[4] 丁伯明 黄正林.化工容器[M].北京：化学工业出版社，2003

[5] 王志文 蔡仁良.化工容器设计[M]. 北京：化学工业出版社，2005

[6] 钱自强.大学工程制图[M].上海：华东理工大学出版社，2005

[7] 陈声宗.化工设计[M]. 北京：化学工业出版社，2001

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