毕业论文范文——DN1200氨吸收塔设计

南华大学机械工程学院毕业设计DN1200氨吸收塔设计摘要：此次设计的是混合气流量为10000的氨吸收塔。根据有关的设计参数，故选用填料塔来吸收氨气，填料塔是把塔内的填料当作气液两相间接触的传质设备。设计填料塔包括：物料衡算、热量衡算、塔设备的工艺结构设计（塔内径、塔高、封头、填料、进出口接管及裙座等）、对塔设备进行强度的计算及校核，绘制吸收塔图纸等。设计思路：首先进行物料衡算和热量衡算，然后进行塔设备的尺寸计算，主要包括塔的高度确定和填料层高度的计算，以及对塔附件（吊柱、液体分布器、人孔、手孔、裙座等）的计算与选择，最后进行强度计算和校核。关键词：氨吸收；填料塔；物料衡算；强度计算。iThe design of DN1200 ammonia absorption tower Abstract: This design is about of an ammonia absorption tower whose the gas mixture flow of 10000 m3/h. According to the related design parameter. So the selection of ammonia absorption filler tower .Packed tower is a tower in the filler as two gas and liquid contact mass transfer equipment .Design packed tower include: material balance, heat balance, the process structural design of the tower (tower inside diameter, tower height, head, fillers, import and export take over and skirt), calculation and check of the strength of the tower, draw absorber drawings and so on. Design ideas: First material balance and heat balance, and tower equipment sizing, determine the height and filler layer height, tower, and the tower accessories (davit, liquid distributor, manholes, handhole, skirt and so on) calculation and selection, and finally the strength calculation and verification.Keywords: ammonia absorption; packed tower; material balance; strength calculationiiii目录引言11. 工艺计算21.1吸收剂用量及吸收溶液深度21.2泛液速度41.3塔径的估算71.4液体喷淋密度的验算71.5填料层高度的计算82. 塔结构的设计132.1塔内件及附件的选择133. 塔的设计及强度校核233.1塔体和封头的厚度计算233.2塔体载荷分析253.3塔体的强度及稳定性校核323.4 裙座的强度及稳定性较核343.5裙座基础环353.6地脚螺栓计算363.7水压试验时塔的强度和稳定性验算374. 开孔和开孔补强设计384.1开孔及补强说明384.2 开孔补强设计计算435.1 椭圆封头部件的制造485.2筒节的主要制造工艺485.3总装485.4 主要件的热处理495.5主要检验要求49参考文献51附录一 外文原稿52附录二 外文原稿翻译59谢辞66iv引言在化工、炼油与石油化学工业等各类生产中,作为分离过程工艺设备而言的塔设备,在精馏、蒸馏、萃取、吸收跟解吸等传质单元操作中有着无可替代的重要地位。据统计，塔设备在化工与石油化工行业投资比例在20-25%，化纤行业约占45%。因而通过强化塔设备来强化生产操作过程是生产、设计人员都十分重视的课题。板式塔在70年代以前占据着绝对的优势，但随着石油化工的发展，填料塔由于结构简单、压降小，而且可用各种材料制造等优点而日益受到人们的重视。而氨在工业上也具有多种用途，主要用来制造含氮肥料、炸药以及各种纤维及塑料，同样也可以把氨制成硝酸，进而再制造硝化甘油、硝酸铵、硝基纤维素等。在化学纤维和塑料工业中，则以氨作为氮源，生产人造丝等产品。在农业方面，氮肥是农业生产过程中需求量比较大的化肥之一，氨又是氮肥的主要来源，因而回收氨在国民经济中就显得尤为重要。因而填料塔吸收氨气工业在现代工业发展中占据重要地位。本设计是在段小林老师的耐心指导下从2013年1月7日开始进行的，经历了资料查找、任务书撰写、设计方案拟定、设备设计、图纸绘画、编写设计说明书等过程。通过此次的设计让我们了解到填料塔设备生产制造工艺的大概过程，让我在过程设备设计和制造知识方面得到了拓宽，进一步巩固了学习过的专业知识，熟悉了绘图软件的操作，加强了灵活运用书本知识的能力，是对我们大学四年所学知识的总结、巩固和加深。由于本人知识水平、实践经验有限等因素，本设计中肯定存在着不足之处，望指导老师及同学及时批评与指正。第 51 页 共 66 页 1. 工艺计算1.1吸收剂用量及吸收溶液深度1.1.1惰性气体流量已知设计参数：用20的清水吸收混合气中的氨，混合气中含氨10%，其余为空气。操作压力为1.01105pa，操作温度40，混合气流量10000m3/h，吸收剂用量为最小用量的1.1倍,气相体积吸收总系数为200kmol/( m3.h),氨的回收率为95%。V(10.1)= (1-0.1) =350.43 1.1.2 最小气液比按照设计条件中平衡数据得：表1.1不同温度下的氨浓度 在XY坐标图上绘制平衡曲线，如下图1.1所示： 图 1.1平衡曲线Y10.111 Y2Y1（1）0.111（10.95）0.00556由图1.1.1中查得当 Y10.111时X值为： X0.0425故最小气液比()=2.481.1.3最小吸收剂用量 由上面计算可得，最小气液比()=2.48，V=350.4； 故最小吸收剂用量L=()V2.48350.4868.992869； 一直设计参数可知吸收剂用量为最小用量的1.1倍，得吸收剂用量： L1.1 L=1.1869=955.9 1.1.4吸收液浓度 从全塔范围内看氨的衡算= 即：1.2泛液速度考虑塔顶情况来计算，为了计算的方便，所以操作温度以及压强取平均会值。 气体千摩尔流量：Vv= =352.3861821352.41.2.1 塔顶混合气体平均分子量M=MY+M公式中 Ma空气平均分子量， Ma=28.84 MNH3氨气平均分子量， MNH3=17.03 Ya,2 塔顶混合气中空气浓度，摩尔分率； YNH3,2塔顶混合空气中氨气的浓度，摩尔分率； 计算可得 Ya,2=0.9943 YNH3,20.0057将Ya,2与YNH3,2 代入上述公式得M28.840.9943+17.030.005728.77 气体密度V= 液体密度l992.2 液体粘度1.004 mPas1.2.2填料的选择 经过比较，最终选取选取50金属鲍尔环 查资料的50金属鲍尔环的特性数据如下：表1.2金属鲍尔环数据1.2.3泛点气速用贝恩霍根关联式计算 式中 u泛点气速，m/s； g重力加速度，9.81m/s2 ； a/干填料因子，m-1； a比表面积，m2.m-3； ,气相，液相密度，kg/m3； 液相黏度，mPas； L,G液相，气相流量 kg/h； A关联常数，见表1-2； 填料层空隙率；表1.3各类填料A值参数数据，g=9.81 kg/s2, =1.12 kg/m3 , =992.2 kg/m3=1.004mPas, 计算得填顶气体的质量流量： G=VvMm,2=352.428.77=10138.5 kg/h ;由题可知吸收剂为纯水，其质量流量为： L=955.9 =955.918=17206.2 kg/h 将上述数据代入得：解得 u=3.6 m/s1.3塔径的估算由于空塔气速一般取泛点气速的50%85%，假设设计取70来计算得 u=0.7u=0.73.6=2.52m/s代入塔径计算公式D =1.18m VS操作条件下混合气体流量，m3/s圆整后取塔径D=1200mm 空塔气速的核算： u=2.45m/s=68% u假设符合要求。1.4液体喷淋密度的验算液体喷淋密度公式： U= U 液体喷淋的密度，m3/(m2h) ; LK 液体喷淋的质量， m3/h ; D 填料塔的直径， m ; 最小喷淋密度：为了使填料塔中填料得到充分的湿润，塔内液体的喷淋密度应不能低于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以U来表示。对散装填料，其最小的喷淋密度大多采用下列公式计算， U=(L)at式中 U 最小的喷淋密度，m3/(m2h) ； (L) 最小的湿润速率，m3/(mh) ； at 塔料的总比表面积，m2/m3 ；对于直径75mm的散装填料，最小的湿润速率(L)=0.08m3/(mh)故 U=0.08112.3=8.984 m3/(mh)而液体喷淋质量 L=17.34 m3/h ； 实际的液体喷淋密度U=15.4 m3/(mh) U满足液体最小喷淋密度的要求。1.5填料层高度的计算1.5.1传质单元高度的计算已知参数 V350.4 kmol/h ； KY=200 kmol/(m3h) 传质单元高度计算公式 Hog= 故 HOG=1.55 m 1.5.2传质单元数的计算根据（X1,Y1）与（X2，Y2），在图中作出操作线，从图中读出若干个塔的截面上推动力（YY），并计算相应的，列出下表：表1.4塔截面推动力YYYY0.0056 00.0056 1800.010.00150.0085117.60.020.0040.001662.50.030.0080.021546.50.040.0130.02737.00.050.0210.02934.50.060.0270.03330.30.070.0360.03429.40.080.0470.03330.30.090.0590.03132.20.100.0750.02540.00.1110.09150.091551.3在坐标纸上绘Y与的关系曲线图，如图1.5.1所示，关系曲线与跟YY1，YY2和0之间围成的面积即为积分值。 图1.2图解积分法求传质单元数由图得积分面积为4.8，故NOG4.8 ；所以填料层高度为： ZHOGNOG1.554.87.44 m ；由经验公式可知，填料层设计高度一般取Z=(1.21.5)Z式中 Z 设计的填料高度 ； Z 工艺计算的填料高度 ； 故 Z1.2Z1.27.448.9 m圆整填料层高度，即Z9 m 。1.5.3填料层的分段当液体沿填料层向下流动时，将逐渐流向塔壁而形成壁流效应的趋势，结果将会造成液体分布的不均匀，降低气液两相的有效接触表面，从而降低传质效率。因此，在设计过程中需要设置液体收集分布器，即将填料层分段。对于散装填料而言，一般推荐的高度见下表，表中h/D为分段后的高度与塔径之比，h为允许下的最大填料层高度 散装填料分段高度推荐值：表1.5 散装填料分段高度推荐值填料类型h/DH/m拉西环254矩鞍环586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156由表可知取各段填料层高度为4.5m，分成两段。1.5.4填料层压降的计算查表得：填料因子130 m-1 ；液相密度校正系数 1 ；操作空塔速度 u=2.45 m/s ；横坐标 0.058 ；纵坐标 0.022（计算纵坐标过程中用u代替u） 图1.3 Eckert压降通用关联图由Eckert压降通用关联图查得：单位压降=119.8=107.8 Pa/m(填料)900mm,因此需要在支承圈下设置加强肋板。填料支承的结构尺寸见下表：表2.2填料支撑板塔径Dg填料环直径栅板尺寸支承装置允许填料高度DHst支承圈宽厚肋板数1200508006010506010厚S1066Dg 填料支撑板结构如下： 图2.1填料支撑板结构2.1.3液体分布器由于填料塔塔径D800mm，故常选用是盘式液体分布器，其结构图如下： 图2.2盘式液体分布器2.1.4液体再分布器在填料塔中，在离填料顶面一定距离处时，喷淋液体便开始向塔壁偏流，再沿塔壁下流，塔中心处的填料就不能得到好的湿润，进而形成“干锥”现象。为了克服此现象，每隔一定的距离就必须设置液体再分布器。工业生产中应用广泛的是截锥式再分布器，其设计尺寸参考表与结构图如下： 表2.3液体再分布器 图2.3液体再分布器2.1.5 裙座的结构设计1.裙座形式：从加工与制造方便考虑，宜采用圆筒型；2.材料：选用Q235-B；3.裙座与塔体的连接：焊接方式采用对接式，如下图：图2.4裙座结构 4裙座检查孔：选用B型长圆形孔；5地脚螺栓座：包括盖板、垫板、筋板及基础环，都详见裙座部件图； 6.裙座排气孔、接管引出孔以及其他结构详见总装图跟裙座部件图。2.1.6 人孔的设计与选择根据中华人民共和国行业标准钢制手孔和人孔可知： 本设计选用“回转盖板式平焊法兰人孔” （HG/T 21516-2005） 其结构形式如下： 图2.5人孔结构示意图2.1.7塔吊柱选择吊柱的方位跟回转半径S应该能够使吊柱经人工推动，使经过吊柱的垂线可以转到人孔的附近，还要使吊钩垂线可以转到平台外，以便于将塔内件从塔平台外场地上吊到塔平台上的人孔处或从塔平台上人孔处吊到塔平台以外的场地上。因而吊柱的方位要首先取决于人孔方位。人孔的方位应该由管道专业依据设备布置跟配管要求来进行确定。查压力容器与化工设备实用手册知，应选用HG 5-1373-80-15吊柱；其基本参数如下：S=900，H=1000，L=3400，R=750，=15910，l=110,e=250,重量为234图2.6吊柱吊杆料为20号的无缝钢管，其他材料均为A3F钢，支座垫板的材料与塔体的材料相同，吊柱的下端支承结构要采用椭圆形封头。吊杆是以整根管子来作为计算依据的。若管子的长度不够要拼接时，应符合下列要求：1.只许拼接在一处；2拼接选取的位置只可在下图所示的B至C，E至W之间；3. 焊接的结构按图所示，焊缝系数选0.9. 图2.7吊柱焊接封板 用管子制成的吊柱都焊有端封板，用来防止雨水的灌入而引起生锈，封板上方需开30的牵引孔；吊钩 常用吊钩形式有三种，其中圆钢弯成U形而焊在吊杆上的形式最多，故采用此种形式，其结构图如下： 图2.8吊钩2.1.8接管选择 排气管内气体流速u=20 m/s 。 QV=0.0048 m3/s (液) QG2.51m3/s ; D=式中： D 管子的直径；QV 流体体积流量m3/s ;U 流体流速 m/s ；气体进出口管直径为：则D=0.399 m故选用DN350mm接管工业的供水速率 1.5 3 m/s,液体进口管u取2m/s则D=0.055m 取DN50mm接管液体出塔的速度u取 1 m/s；则d=0.078m取DN80mm接管。2.1.9 接管法兰的选择 根据中华人民共和国的国家标准GB 9112.2-2000可知，应选用PN0.6Mpa的平面板式平焊法兰，其结构图如下所示： 图2.9法兰结构具体尺寸如下：表2.3接管法兰 接管名称公称通径DN 管子外径A 法兰外径D 螺栓孔中心直径K 螺栓孔径L 螺栓 法兰厚度C 法兰内经B 法兰理论重量kg数量n螺纹Th液体进口5060.31401101441661.51.51液体出口8088.91901501841890.52.95气体进出口350355.6490445221220359.514.32.1.10压力容器法兰选择根据中华人民共和国国家标准压力容器法兰分类与技术条件即（JB/T 4700-2000）；根据已知的设计参数，故选用甲型平焊法兰；根据JB/T 4701-2000中数据确定其结构尺寸如下：表2.4容器法兰DNDD1D2D3D4d螺栓柱规格螺栓柱数量1200131512761256125310456627M2436图2.10容器法兰结构3. 塔的设计及强度校核3.1塔体和封头的厚度计算3.1.1材料的选择 最高的工作压力P=0.1Mpa 设计压力P=0.11Mpa,属低压吸收设备，是一类容器；由于介质腐蚀性未提特殊的要求，故选用Q345R作为塔体的材料。3.1.2筒体厚度的确定 先按照内压容器设计的厚度，然后考虑自重、液重等因素引起的正应力以及风载荷而引起的弯曲应力再进行强度和稳定性的验算。根据设计压力与液柱静压力来计算压力； 塔内液柱的高度仅考虑塔1液面的高度故h=1m，则液柱的静压力为：=9929.81=0.0090.05P 故忽略不计则计算压力：=+P=0.11MPa 筒体厚度的计算： （1） 按强度条件来设计筒体厚度 +C2 +C2 =0.47+4 =4.47 式中 Q345R在40条件下许用应力，查标准手册为170MPa ; 塔体焊缝采取双面对接焊，运用局部无损检测时0.85 ； C2 腐蚀裕量，根据工艺设计条件，C24 ；（2）按刚度要求设计，筒体所需的最小厚度 =2.4 ； 由于按照规定，低合金钢容器不包括腐蚀裕量的最小厚度3 ， 按刚度条件，筒体的厚度仅需取3 ； 综上所述并且考虑到吸收塔较高，风载荷过大，而塔内径不大，故需要适当增加塔体厚度，现在假设塔体的厚度10，则塔体的有效厚度为： C1C210-0-46 ；式中： C1 钢板的厚度负偏差，由GB713-2008压力容器用钢板和GB3531-2008低温压力容器用低合金钢板规定，当钢板的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6时，可取C1=0；3.1.3封头壁厚计算选用标准椭圆封头，则： +4 4.46 ； 为方便焊接，取封头和筒体等厚，故取=10 ；其尺寸及相关参数如表下：表3.1封头尺寸公称直径DN1200总深度H325 内表面积A/1.6652容积V/m30.2545名义厚度/mm10EHA椭圆封头质量66.5kg3.2塔体载荷分析3.2.1质量载荷塔设备操作质量：；塔设备最大质量：；塔设备最小质量：；筒休质量：由查表可得：1米高（壁厚10）的筒节的钢板质量298； 1米高筒节容积为1.131m3 ； 故筒体的质量 m1=14.425298=4298 ；封头质量：由查表可得：EHA椭圆封头的容积为0.15055m3 ； 故其质量（壁厚10）m2=128.3 ；裙座质量：单位裙座的质量为305kg ，裙座的高度为3m，则=915kg； 故塔体的质量m1+m2+m3=4298+128.32+915=5469.6 ；塔内件质量：填料质量体积堆积密度 （1.2）293954018 ；其他内件的质量约为50； 故4018+504068；保温层的质量为,0 故质量0 ；操作平台与斜梯的质量为：由于操作平台共五层，每层重500；斜梯高度为15m，每5m重125； 故质量4500+31252375 ；在操作塔条件下内物料质量为： 故质量2%容积0.02（141.13+20.2545）1000 326 ；人孔、接管法兰等附件的质量为：按照经验公式附件质量：=0.255469.6=1367.4偏心质量为：=0 ； 综上 操作质量 =5469.6+4018+0+2375+1367.4+0=13230；塔设备的最小质量 =5469+0.24018+0+2375+1367+0=10015；由于最大质量操作质量 故 =5469+4018+0+2375+16956+1367+0=29385；充水的质量：1.2215103169563.2.2自振周期的计算 在分析塔设备的振动情况时，一般的情况下都不考虑平台、外部接管限制作用及地形变化的影响，进而将塔设备简化成顶部自由，底部刚性固定且质量沿高度连续分布的悬臂梁，悬臂梁基本震型的自振周期可以按照过程设备设计第二版 （7-5）式的第一振型计算式计算：式中其中是塔单位高度上质量即，故：=允许振动周期 式中Q表示总剪力： Q350181.27560 N；故实际的振动周期没有超过最大允许的振动周期，设计合理。3.2.3塔体的风载荷及风力矩风载荷公式： ；式中Dei 塔设备的第i计算段水平风力，N； fi 风压高度的变化系数 ； q0 各地基本风压 ，N/ ； li 塔设备的各计算段高度，m ； K1 体型系数 ； K2i 塔设备的第i计算段风振系数；K10.7； 塔高为18m ，Di为1.2m时取K21.75 , 由查表得 q0=3510-5 Mpa, fi值如下： 对于3m10m段 l1=10-3=7m, 查表得 f1=1.0 ； 10m18m段 l2=18-10=8m, 查表得f2=1.0 ； 塔体的有效直径为：=+2+ , 式中 塔体的外径， ； 塔体的各段保温层厚度， ； 笼式扶梯的挡风当量宽度， ； L1 计算塔段（同一直径）高度； 对于斜梯而言取K3200；K42/li ，其中的最大值为一计算塔段8m中就有两层平台，而每层平台的迎风面积为0.5，则： 250 ； 为简化计算考虑偏安全计算，各段采用均取 故Dei=1220+20+200+250=1670 ； 塔体各段的风力： 310m段 ： =106 =0.71.750.00351.070001670 =5011N 1018m段 ：106 0.71.750.000351.080001670 5728N 塔底的部分（11）截面处弯矩： +（+） 式中 塔体11截面到标高10m处距离； 对应于段的风力； 故10-37m； 将上述数据代入得： 5011+5728（7000+） 18.95106+66.19106 8.5107 Nm 裙座底部（00）截面处的弯矩： +（+） 式中 裙座底部到标高10m处的距离 ； 对应于 段的风力； 故10m ； 0.71.750.000351.0100001670 3252N ；将数据代入的：3252+5728（10000+） 9.87107N 偏心弯矩：该吸收塔塔体上由于没有悬挂附属设备及其他附件，故偏心弯矩最大弯矩： 最大的弯矩在和中取其较大值；最大弯矩计算数据如下表：表3.2弯矩计算内容计算公式及数据00截面11截面22截面187148.79.8107 8.4107 最大弯矩187108141082.13.2.4地震载荷与地震弯矩的计算地震发生时，由于塔设备简化为悬臂梁，其在地震载荷的作用下将产生弯曲变形。塔设备若安装在地震烈度为七及其以上地区的时候，就需要考虑它的抗震能力，进而计算出地震载荷。首先，选取塔设备的计算截面，该设计中将塔分为3段。计算截面分别标记为0-0、1-1、2-2；塔体的分段图如下所示，基本参数：表3.3塔体分段数据图3.1塔体分段A=对0-0段： =246620001.5=2.2108对1-1段： =325065001.5=1.7109对2-2段： =3714120001.5=4.9109A=+=6.8109B=对0-0截面： =246620003=1.9103=21013对1-1截面： =325065003=91014对2-2截面： =3714120003=6.41015B=+=6.411016A/B=1.0610-7基本振型系数为 对0-0截面： =1.0610720001.5=9.510-3对1-1截面： 对2-2截面： 选取综合影响系数为地震影响系数的最大值为 查化工设备机械基础课程设计指导书附表5-5： 取各类场地土的特征周期 查化工设备机械基础课程设计指导书附表5-6： 取地震影响系数为： =水平地震力计算公式：=对0-0截面： =对1-1截面： =对2-2截面： =垂直地震影响系数：；操作质量；当量质量=；底截面处垂直地震力= =24662000+32506500+371412000 =7.0107 代入数据得对0-0截面： =0.0003624662000=1775N对1-1截面： =0.0003632506500=7605N对2-2截面： =0.00036371412000=16044N底截面处的弯矩：底截面处的地震弯矩代入数据处理得到：截面1-1处的地震弯矩 =1.2截面2-2处的地震弯矩 =3.3塔体的强度及稳定性校核3.3.1 塔体的轴向应力塔的0-0，1-1， 2-2截面段以上操作质量分别是13230，11025 ，5880kg分析可得危险截面为（1-1）处，其各类轴向应力如下： 5.5Mpa ； 4.7Mpa ； 20.6Mpa ；3.3.2 轴向应力校核 塔底1-1截面抗压强度及轴向稳定性验算： + 式中 筒体的轴向压缩稳定许用应力 ； K 载荷组合系数，K1.2； 设计混充下材料的弹性模量；计算公式 B0.06 Mpa ，200Gpa=2.0105Mpa； 故=0.06=0.062.01056/600=104Mpa ； 由于5.5+4.710.2Mpa因此1-1截面强度满足抗压强度及其轴向稳定条件； 塔底1-1截面抗拉强度校核： + 由于 1.21700.85173.4Mpa ； =5.5-4.7+20.6=21.4M 在裙座失稳前，材料已达弹性极限，故强度为主要制约因素；由+ 3.44+16.519.9 ；因而满足强度及稳定性技术要求。3.4.2焊缝强度的校核该吸收塔裙座与塔体均采用对接焊，焊缝承受组合拉应力： 8.86，故取=2415；当有筋板时，基础环的厚度；因为一般情况下14；故取=143.6地脚螺栓计算地脚螺栓的强度设计 计算最大拉应力： = 由于0 ；结论：塔设备必设置地脚螺栓；假设地脚螺栓的个数 n=16 ，地脚螺栓腐蚀裕量为 则地脚螺栓的螺纹小径：所以取16个型号为M24的地脚螺栓满足设计要求；3.7水压试验时塔的强度和稳定性验算水压试验条件下塔体11截面的强度条件为： 0.90.92350.85179.78 式中 P 液柱静压力，P0.15（塔体高约15m）计算出35.11 因为： 12.5 故强度与轴向稳定稳定符合要设计求。4. 开孔和开孔补强设计4.1开孔及补强说明由于化工行业的迅速发展，对化工设备的要求越来越严格与繁多，综合考虑到压力容器的工艺与结构要求，压力容器上都需要进行开孔接管操作，但是开孔以后会明显的削弱开孔周围区域强度，并会在开孔边缘产生很较高局部应力，影响容器的安全操作系数，故在设计的过程中必须考虑开孔的补强操作。 4.1.1 补强结构 在化工设备的实际生产中，采用的补强结构有局部补强与整体补强两类，综合各类实际因素，压力容器的补强结构通常采取局部补强的措施。 1）局部补强结构：补强圈补强，厚壁接管补强与整锻件补强； 补强圈补强 补强圈是贴焊在接管与壳体的连接处，具有结构简单、制造方便、使用经验丰富的优点，但是由于补强圈与壳体焊接在一起不能够完全贴合，导致其传热效果较差，并且因补强圈与壳体不是一个统一整体，造成其抗疲劳性能较差。补强圈补强的结构多使用于静载、常温、中低压等压力容器。 厚壁接管补强 厚壁接管补强的结构是将一段厚壁接管焊接在开孔处，具有结构简单、焊缝少与易于检验焊接质量等优点因此补强效果较好，接管补强并且能够有效地降低应力集中系数，多用于高强度低合金钢压力容器的开孔设计。 整体锻件补强 整锻件补强的结构是将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，具有抗疲劳性能好与有效地降低应力集中系数等优点，但由于整锻件的制造成本较高，故其使用范围不广泛，只用于重要的压力容器开孔。 2）整体补强：整体补强是把开孔处的元件全部整体加厚，不做另外的补强元件，由于其补强效率不高，制造浪费原材料等缺点，故仅用在局部补强不便的情况下，这里不多介绍。 4.1.2开孔补强设计准则开孔补强的定义：采取适当增加壳体或者接管厚度的方法来把应力集中系数减小到某一允许值，现代化工工业中使用的开孔补强准则有等面积补强（弹性失效准则）、压力面积补强与极限载荷补强（塑形失效准则）。由于目前较为通用的是等面积补强，故在此着重介绍一下等面积补强。等面积补强 定义：壳体由于开孔而被削弱的承载面积，必须有其他的补强材料在离孔边一定距离的范围内做等面积补偿；原理：仅在考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力的情况下，并且以补强壳体的一次应力强度来作为等面积补强的设计准则，故等面积补强对小直径开孔的安全系数要高于其他补强准则；优点：长期实践，简单易行（当开孔直径较大时，只用对容器的开孔尺寸和形状等予以一定的限制，也适用该准则）；缺陷：等面积补强由于没有考虑应力集中与容器直径变化等影响因素，在补强后会产生不同的安全裕量，影响设备的精确。 4.1.3允许不另行补强的最大开孔直径根据GB150规定，当容器的设计压力2.5，并且相邻两开孔的中心间距大于两开孔直径之和的两倍，并且所用接管的公称外径89时，在接管的最小厚度满足GB150（如下表）要求，即允许不另行补强设计，数据如表：表4.1允许不另行补强厚度 接管公称外径253238454857657689最小厚度3.54.05.06.04.1.4等面积补强计算 允许开孔的范围 等面积补强的理论依据是根据无限大平板上开小圆孔的孔边应力来进行分析，但是在实际的生产操作过程中开孔接管不是平板上而是位于壳体上，壳体都有一定的曲率，因此GB150对开孔的最大直径作出了一定的限制，用来减少实际生产中应力集中系数与理论分析的应力集中系数间的差异。 I.圆筒上开孔的限制：如下表所示，表4.2筒体开孔圆筒内径开孔最大直径且且 II.凸形封头或球壳上开孔的限制：开孔的最大直径； III.锥形封头上开孔的限制：开孔的最大直径，其中为锥壳内径； IV.在椭圆或碟形封头的过渡部分上开孔的限制：所开孔的中心线要与封头表面垂直。 所需最小的补强面积A：对受内压的圆筒或球壳，计算公式如下 Ad+ 式中 A 开孔削弱后需要的补强面积， ； d 开孔直径，圆形孔的开孔直径等于其接管内直径加2倍的厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸，； 壳体开孔处计算厚度，； 接管的有效厚度，； 强度削弱系数，当时取1.0 。 有效补强范围：在离开孔边一定的补强范围内，加上一定的补强材料，可以有效的降低应力水平。 有效宽度B： ，取其中最大值； 式中 B 补强的有效宽度，； 壳体开孔处的名义厚度，； 接管的名义厚度，； 内外侧的有效高度按下式计算： 外侧高度 （取较小值）； 内侧高度 （取较小值）；有效补强范围内的补强金属面积：在有效补强范围内，有效补强的金属面积包括以下方面：I. 壳体的有效厚度减去计算厚度之外的多余金属面积： ； II. 接管的有效厚度减去计算厚度之外的多余金属面积: ； III. 有效补强范围内的焊缝金属截面积：；IV. 有效补强范围内另加的补强元件截面积： ； 式中 壳体开孔处的有效厚度，； 接管的计算厚度，； 容器开孔过后不用另行补强条件：=+ +； 容器开孔过后需要另外补强条件：=+ +，且另加的补强元件截面积要求：-；补强元件的材料一般选取壳体相同的材料，如若