压缩空气储罐设计

PAGE\*MERGEFORMAT#绪论TOC\o"1-5"\h\z第一章压缩空气的特性4第二章设计参数的选择5第三章容器的结构设计63.1圆筒厚度的设计63.2封头厚度的计算63.3筒体和封头的结构设计63.4人孔的选择73.5接管，法兰，垫片和螺栓（柱）93.6鞍座选型和结构设计1.1第四章开孔补强设计144.1补强设计判别134.2有效补强范围134.3有效补强面积144.4补强面积14第五章强度计算165.1水压试验应力校核155.2圆筒轴向弯矩计算155.3圆筒轴向应力计算及校核165.4切向剪应力的计算及校核175.5圆筒周向应力的计算和校核205.6鞍座应力计算及校核225.7地震引起的地脚螺栓应力24HYPERLINK\l"bookmark41"第六章设计汇总25参考文献错误！未定义书签绪论课程设计是一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。通过课程设计，学生应该注重以下几个能力的训练和培养：查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集）的能力;树立既考虑技术上的先进性与可行性，乂考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问的能力；迅速准确的进行工程计算的能力；用简洁的文字，活晰的图表来表达自己设计思想的能力本次设计为压缩空气储罐，在三周时间内内，通过相关数据及对国家的查找计算出合适的尺寸，设计出主体设备及相关配件，画出装备图零件图以及课程设计说明书。压缩空气储罐的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有意可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。第一章压缩空气的特性中文名称：压缩空气Englishname:compressedair主要成分：氮气、氧气等。外观与性状：无色无味沸点（C）:—192C（101.3千帕）相对密度（水=1）:0.9健康危害：无环境危害：无燃烧危险：无危险特性：局压常温储存，周温剧烈震动易爆。特性总述：压缩空气，即被外力压缩的空气。它具有下列明显的特点：清晰透明，输送方便，没有特殊的有害性能，没有起火危险，不怕超负荷，能在许多不利环境下工作，空气在地面上到处都有，取之不尽。来源：大气中的空气常压为0.1Mpa,经过空气压缩机加压后达到理想的压力。作用或用途：压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，乂是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。第二章设计参数的选择1、设计题目：压缩空气储罐设计2、最高工作压力：3.3MPa3、工作温度：＜150C4、工作介质：压缩空气5、全容积：3m36、设计压力：3.75MPa7、设计温度：150C8、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为1200mm9、焊接接头系数：0.8510、主要元件材料的选择：根据GB150-19981]表4-1,选用筒体材料为16MnR（钢材标准为GB6654；根据JB/T4731[2],鞍座选用材料为Q235-B,其许用应力错误！未找到引用源。；地脚螺栓选用符合GB/T700规定的Q23§Q235的许用应力错误！未找到引用源11、容器类别：第二类第三章容器的结构设计3.1圆筒厚度的设计由丁该容器储存压缩空气，所以该容器的焊缝都要采用全焊透结构，需要对该储罐进行100嘛伤，所以取焊缝系数为错误！未找到引用源。。假设圆筒的厚度在6~16mnffi围内，查GB150-1998中表4-1,可得：疲劳极限强度错误！未找到引用源。，屈服极限强度错误！未找到引用源。，150C错误！未找到引用源。下的许用应力为错误！未找到引用源。，利用中径公pDiFp2X0.85X633.75>1200a=—|2寸(3-1)查标准HG20580-199皆表7-1到引用源。。设计任务说明书给定腐蚀裕量mm=16.46mm3.75知，钢板厚度负偏差为0.8mm故取错误！未找错误！未找到引用源。。则筒体的名义厚度错误！未找到引用源。圆整后取为错误！未找到引用源。3.2封头厚度的计算查标准JB/T4746-2002［4］中表1,得公称直径DN=Di=1200mm选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2,根据［1］中椭圆形封头计算中式(7-1)PcDi3.75X200a=t==16.33mm2［『40.5pc2X63X0.850.5彳.75(3-2)同上，取错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。则封头的名义厚度为错误！未找到引用源。圆整后取为错误！未找到引用源。3.3筒体和封头的结构设计一D由封头长短轴Z比为2,即——=2错误！未找到引用源。，得2hih=dl=1200mm=300mmlt®!未找到引用源。44查标准［4］中表B.1EHA和B.2EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表3-1和图3-1Tt_一V=-DiLo+2V封4取装料系数为0.9,则VTt—=DL+2V封0.94即31°=2>1.22XLo+2X0.2545错误！未找到引用源0.94算得错误！未找到引用源。圆整后取为错误！未找到引用源。表3-1封头尺寸表公称直径DNmm总深度Hmm内表面积A2m容积3m质量Kg12003251.65520.2545234.7图3-1椭圆形封头3.4人孔的选择根据HG/T21518-95，查表3-3，选用凸面的法兰，其明细尺寸见表3-2:表3-2人孔尺寸表单位：mm密封向型式凸面D775b156公称压力PNMPa4.0Di670b260螺柱数量20公称直径DN500Hi290A430螺母数量40dw心53CX14H2140B225螺柱尺寸M39X3X22&d495b62L300总质量kg4183.5接管、法兰、垫片和螺栓（柱）3.5.1接管和法兰该压缩空气储罐应设置物料入口、物料出口、温度计口、压力表口、安全阀口、液面计口、排污口和人孔。初步确定各口方位如图3-2:遂料口计口盅力表口人孔妾企冏口常空口图3-2各管口方位查HG/T20592-2009［6］中表8.23-1PN带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。查［6］中附录D中表D-3,得各法兰的质量。查［6］中表3.2.2,法兰的密封面均采用RF（凸面密封）。将查得的各参数整理如表3-43.5.2垫片查HG/T20606-1997，得各管口的垫片尺寸如表3-3:表3-3垫片尺寸表管口名称公称直径内径D1外径D2进料口5061107出料口5061107排污口5061107人孔500温度计口202761压力表口202761安全阀口253471排空口253471注：1:包覆金届材料为纯铝板，标准为GB/T3880,代号为L3,最高工作温度200七2:填充材料为有机非石棉纤维橡胶板有机材料,代号NAS最高工作温度200C。3:垫片厚度均为1.5mm表3-4各管口法兰尺寸表名称法兰质量Kg公称直径DN法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孑L直径L螺栓孔数量n（个）螺栓规格法兰厚度C法兰颈NRSH1进料口14450165125184M16207562.98出料口14450165125184M16207562.98排污口14450165125184M16207562.98人孔418500温度计口602010575144M1216404562压力表口602010575144M1216404562安全阀口602511585144M1216504652排空口602511585144M12165046523.5.3螺栓(螺柱)的选择查HG/T20613-2009[8]中表5.0.7-11和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸如表3-5:表3-5螺栓及垫片名称公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈mmd〔d2H进料口50M169017303出料口50M169017303排污口50M169017303人孔500温度计口20M127513242.5压力表口20M127513242.5安全阀口25M127517302.5排空口25M127517302.53.6鞍座选型和结构设计3.6.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q235-R估算鞍座的负荷：罐总质量m=m1+2m2+m3+m4(3-3)3一一m1—筒体质量：m〔=%DL0S户3.14刈.2X2.5X0.018X7.85刈0=1331kgm2—单个封头的质量，m2=234.7kgm3—充液质量：p/K>p压缩空气，水压试验充满水，故取介质密度为3豚=1000kg/m,m3=豚V则m3=p水V=1000>3.24kg=3240kgm4—附件质量：人孔质量为418kg，其他接管总和为672kg,即m4=1090kg综上所述m=m1+2m2+m3+m4=1331+2X234.7+3240+1090=6130.4kg则每个鞍座承受的质量为3065.2kg，即为30.65kN。查JB4712.1-2007［9］表1,优先选择轻型支座。查［9］中表2,得出鞍座尺寸如表3-6:表3-6鞍座尺寸表公称直径DN1200腹板们6垫板b4320允许载荷QkN145筋板I3200d6鞍座局度h200b2140e55底板1i880b3200螺栓问距I2720b11706鞍座质量Kg5610垫板弧长1410增加100mm增加的高度Kg73.6.2鞍座的安装位置1200根据［2］中6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离A小丁等丁0.5Ra，当无法满足A小丁等丁0.5Ra时，A值不宜大丁0.2L。R,为圆筒的平均内径。=D2L=L0+2h=L0+2(Hhi)=2500+2X(325300)=2550mm即A<0.5Ra=0.5X610=305mm取A=0.3m鞍座的安装位置如图3-3所示:LLoA图3-3鞍座安装位置第四章开孔补强设计根据［1］中式8.3,知该储罐中只有人孔需要补强。4.1补强设计方法判别人孔开孔直径为d=1+2C2=500+2Xl.5=503mmD1200d<一==600mm且d<520mm故可米用等面积法进仃补强计算2接管材料选用16MnR其许用应力［卜=170MPa根据GB150-1998中式8-1:A=da+2a§(1fr)(4-1)式中：壳体开孔处的计算厚度a=14.92mm接管的有效厚度&=antC=141.5=12.5mm强度削弱系数fr=1所以A=da+2aet(1fr)=503><14.92=7504.76mm24.2有效补强范围4.2.1有效宽度B按［1］中式8-7,得：Bi=2d=2X503=1006mmB2=d+2漏+2品=503+2X20+2>14=567mmB=max(B1,B2)=1006mm(4-2)4.2.2外侧有效高度根据［1］中式8-8,得:hi=(无f'503X4=83.9mm"，、….、一•……、、hi=接官头际外伸局度=Hi=290mm'"hi=min(hi,hi)=83.9mm4.2.3内侧有效高度根据［i］中式8-9,得：h2fdnf503X4=83.9mmTOC\o"1-5"\h\z".—、-h2=接管实际内伸局度=0,"h2二min(h2,h2)二04.3有效补强面积根据［i］中式8-i0至式8-i3,分别计算如下：Ae=AiA2A3(4-3)A一筒体多余面积Ai=(Bd)(8)2&(aea)(ifr)=(i006503)X(i6.5i4.92)=794.74mm2A2—接管多余面积A2=2hi(aet8t)fr+2h2(aetC2)fr=2X83.9X(i2.5i2.5)冲+0=0A3—焊缝金届截面积，焊脚去8mm则-i22A3=—X8X2=64mm24.4补强面积2Ae=Ai+A2+A3=794.74+0+64=858.74mm2因为AeAAe=7504.76858.74=6646.02mm第五章强度计算5.1水压试验应力校核试验压力PT=1.25P=1.25X3.75=4.69MPa2>16.5圆筒的薄膜应力为LPT(E)=冬*携=172.89MPa0.9巾s=0.9X0.85>^45=263.9MPa即0.9巾(J>CT,所以水压试验合格5.2圆筒轴向弯矩计算圆筒的平均半径为Ra=B+A=埋22220+竺=610mm2鞍座反力为"号=^^=30039.0N5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩Mi-FLL+2（Rah「）1L214A-30039x2550『一2”61023002）122150214乂30041+组3LL一4一43001+f325502550根据［2］中式7-2,得:=8.47106N*mm5.2.2鞍座平■面上的轴向弯矩根据［2］中式7-3,得:「M2FAA.Ra2L2AL1也3Lhi2!3003930030024.86106N•mm2300610255023002550<4300132550弯矩图图5-1(b)筒体受弯矩图5.3圆筒轴向应力计算及校核5.3.1圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力根据［2］中式7-4至式7-7计算最高点处：_pcRaM1_3.75刈06X610伊=2—=2TtRaae2刈6.5(5-1)最低点处：_pcRaM1_3.75X106X610叼=+2—=2Se%Ra2Se2刈6.58.47刈06—""""213.142X0.610X16.58.47刈0623.142X0.6102刈6.5=69.03MPa=69.59MPa(5-2)5.3.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核(即A£Ra2鞍座平■面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算:a).当圆筒在鞍座平■面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强时，轴向应力％位丁横截面最高点处.取鞍座包角6=120',查表7-1(JB/T4731-2005)得，K1=1.0,K2=1.02SeM2_3.75刈06X6102=-2>16.5TKiRaBe4.86刈06，一_._2=69.57MPa3.142X1X0.610」X16.5b).在横截面最低点处的轴向应力。4：PcRaM2~+22Se水2Raae=69.07MPa3.75刈06X6104.86X106…+~,八〜c2“2刈6.53.142刈X0.610刈6.55.3.3圆筒轴向应力校核A=0.094=0.094=0.002543Ri/ae610/16.5(5-3)查图4-8[10]得,E=1.86X05，则25B=—EA=—>1.86>105X0..002543=315.3MPa3[]max=[CT1,b2,(T3[oac]=B=315.3MPa满足条件Mc］＞［］max5.4切向剪应力的计算及校核5.4.1圆筒切向剪应力的计算根据［2］中式7-9计算，查［2］中表7-2,得:K3=0.880K4=0.401『宜=0.88况039=2.63MPaRa&0.610X0.0165(5-4)5.4.2圆筒被封头加强（A170=136MPa故圆筒满足强度要求。根据［2］中式7-1221200.+=12X3002K=12+-D^=—X262hi6(5-6)KpcDi1X3.75X200%=J==136.36MPa2She2X6.5(5-7)Th=1.20MPa<1.25[｝「％=1.25X170136.36=76.14MPa故封头满足强度要求5.5圆筒周向应力的计算和校核根据鞍座尺寸表知：b4=320mmb+1.56jRaan=200+1.562610>6=294.4mm即b4>b+1.56jRa希,所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座5.5.1在横截面的最低点处:根据［2］中式7-18查[2]kK5F（禄+谎*其中k=0.1（容器焊在支座上）(5-8)中表7-3知，K5=0.76则05—0.1X0.76*0039八—7r0.63MPa(20+6)X405.5.2在鞍座边角处工十2550由于LRa-4.18<8610根据［2］中式7—20:64(R+谎b,03由丁a/尺--°^-0.49<0.50.610查[2]中表7-3知，K6=0.013则_3003g%一4X(20+6)X4012>0.013彳0039X6102550X§0+62)5.63MPa(5-9)5.5.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力由丁L/Ra<8，根据［2］中式7-22，—F12K&FRa_30039%一:~2一7~~—~TTr4&b2LR4X20>140L&212冲.。俗痂039005.48MPa2550X2025.5.4周向应力校核根据［2］中式7.3.4.3°5-0.65MPa<[]「-170MPa°6-5.63MPa<1.25[「-1.25X70-212.5MPa06-5.48MPa<1.25[｝「-1.25XI70-212.5MPa故圆筒周向应力强度满足要求5.6鞍座应力计算及校核5.6.1腹板水平■分力及强度校核根据［2］中表7-7鞍座包角B=120',查［2］中表7—5得：K9=0.204。则Fs=K9F=0.204300=6912N8垫板起加强作用，则:Fs-9Hsbbr、re其中are=6mm,br=b2=140mmRa-610=203mm,H=2036=197mm.Ra…一s=minH,==197mm3=3.03MPa612809_0.197>0.006+0.14X0.0062n查［2］中表5—1,得:&】sa=147MPa，则2［］sa=98MPa由丁b9<2［］sa,所以其强度满足要求。5.6.2鞍座压缩应力及强度校核根据［2］中表7-6,取％=0.08则Fev=o^mg=0.08X6130.4>0.8=4806.2N,钢底板对水泥基础的f=0.4则mgf=6130.4X9.8>0.4=24031.1N>FEv所以压应力应按［2］中式7-29计算:=上FevHFevHv知_Aa云TAa(L2A)(5-9)_1200其中Hv=R+H=+197=697mm,2筋板面积A1=b2&=140X6=840mm2腹板面积：A2=(1i50)§2=(88050)x6=4980mm22Asa=6A1A2=68404980=10020mmTOC\o"1-5"\h\zIi880x=-1015&l3=——10156200=209mm2236Zi=x+^=209+—=212mm22Z2=Z1+l3=212+200=412mm形心：6A1(b2+&)/26X840X(140+6)'212_==36.7mmTOC\o"1-5"\h\zAsa10020b2+&140+6yc=yc=36.7=36.3mm22b2&22^2a2(l120)3Iy=23x^^+Ai(Zi+Z2)+Ly1212140X62/22\6x(88020)3=2X3X+840X(2122+4122)+—kL1212=498367180mm4,3b2&Iz=6+Axyc12，3(Ii20)人+-^+A2yc八1403X6c”=6X+8401263(88020)X209X36.3++4980X36.712=46667214mm4腹板与筋板组合截面断面系数:maxZmaxb2l12_170_10=10=75mm288010=10=430mm2ZryIyZmax4983671803=1158993.4mm430ZrzIzZmax466672143=108528.4mm430Zr=minin{Zry,Zrz}=108528.4mm3代入公式C、aFFevHFevHvAsa2ZrAsaL-2A_FOsa=一FevHAsa2ZrFEvH_30039Asa(L2A)100204806.2刈974806.2X6972X108528.4100202550230o)7.531MPat°saFfH30039Zr1002030039R.4冲97“=24.807MPa108528.4取Ko=1.2K0卜L=1.2147=176.4MPa根据[2]中式7-32进行校核bsa=7.531MPa314取载荷系数K°=1.2,［obt］=147MPa，则心［筋］=1.2X147=176.4MPa由丁阳＜心［%］,所以强度符合要求。5.7.3由地震引起的地脚螺栓剪应力根据［2］中式7-35计算nAbt(5-11)其中n为承受剪应力的地脚螺栓个数，n'=4；Abt=河="X202=314mm2F&4806.2乳==3.83MPan>%t4彳140.8［句］=0.8刈47=117.6MPa由丁敬<0.8［旧］故符合强度要求第六章设计汇总技术特性表设计压力3.75MPa设计温度150C最高工作压力3.3MPa工作温度<150C工作介质压缩空气主要受压元件材料16MnR焊接头系数0.85腐蚀裕度1.5mm全容积33.0m容积类别第二类表接管序号工称尺寸连接尺寸标准连接面形式用途a50PN4.0DN150HG20592-97RF进料口b50PN4.0DN150HG20592-97RF出料口c50PN4.0DN150HG20592-97RF排污口d500PN4.0DN150HG20592-97RF人孔e20PN4.0DN150HG20592-97RF温度计孔g20PN4.0DN150HG20592-97RF压力表口h25PN4.0DN150HG20592-97RF安全阀口i25PN4.0DN150HG20592-97RF排空口参考文献GB150-1998,《钢制压力容器》JB/T4731-2005,《钢制卧式压力容器》HG20580-1998,《钢制化工容器设计基础规定》JB/T4746-2002,HG/T21517-2005HG/T20592-2009HG/T20609-2009HG/T20613-2009JB4712.1-2007,[10][12][13][14][15]《过程设备设计》《压力容器设计手册》《化工机械基础课程设计》《化工设备设计全书》《钢制压力容器用封头》,《回转盖带颈平焊法兰人孔》,《钢制管法兰》,《钢制管法兰用金届包覆垫片》,《钢制管法兰用紧固件》《鞍式支座》郑津洋等化学工业出版社董大勤袁凤隐潘永是刘玉良科学出版社王非林英詹长福机械工业出版社《化工设备机械基础课程设计指导书》2_2_3V=VW+2V封=—DiL0+2V封=—X1.22*4X2.5+2X0.2545=3.24m344