油罐与管道强度设计课程设计.doc

I 油油罐罐与与管管道道强强度度设设计计 课课程程设设计计 题 目 所在院 系 专业班级 学号 学生姓名 指导教师 完成时间 II 目 录 1 设计总说明 1 1 1 1 1 2 2 计算说明书 2 2 1 设计原始数据 2 2 2 油罐尺寸确定 2 2 3 油罐罐壁的设计计算 4 2 3 1 油罐罐壁钢板的尺寸和排板确定 4 2 3 2 罐壁各层钢板厚度的计算 5 2 4 油罐罐底的设计计算 6 2 5 罐顶的设计计算 6 2 5 1 计算载荷 设计压力 的确定 9 2 5 2 油罐罐顶的校核 参考文献 37 附录 38 3 1 设计说明书设计说明书 2 设计计算书设计计算书 2 1 设计的基本参数设计的基本参数 设计压力 P 0 1MPa 设计温度 T 200C 介 质 汽油 焊缝系数 1 腐蚀裕量 C2 2mm 筒体内径 Di1 2600mm 筒体长度 L 8400mm 封头内径 Di2 2600mm 主体材料 16MnR 其设计温度下许用应力 MPa t 170 水压试验压力 PT 0 125MPa 钢板厚度负偏差 C1 0 25mm 2 2 壳体壁厚计算壳体壁厚计算 2 2 1 筒体壁厚计算筒体壁厚计算 由设计书中的公式 2 1 计算筒体壁厚 mm P PD t i 764 0 1 011702 26001 0 2 1 壁厚附加量 C C1 C2 2 0 25 2 25mm 由于最小壁厚规定并且mm3 min mm Di 2 5 1000 2 1 min 所以 C 5 2 2 25 7 45mm min 圆整后 实选壁厚mm7 5 n 4 2 2 2 封头壁厚计算封头壁厚计算 由设计书中的公式 2 2 计算封头壁厚 mm P PD t i 765 0 1 05 011702 26001 0 5 02 2 由于最小壁厚规定并且mm3 min mm Di 2 5 1000 2 1 min 壁厚附加量 C C1 C2 C3 0 25 2 2 4 25mm C 5 2 4 25 9 45mm min 圆整后实选壁厚 10mm n 2 2 3 许用外压力许用外压力 P 许用外压力 P 是根据油罐内压强度得到有效壁厚 再据 GB150 1998 钢 制压力容器 按外压圆筒和外压椭圆形封头进行确定 2 2 3 1 设计外压 Py 地下油罐的设计外压 Py 由覆土外压 P1 决定 土是由土粒 水和气所组成的非连续介质 若把土体简化为连续体 而应 用连续体力学来研究土中应力的分布时 应注意到 土中任意截面上都包括有 骨架和孔隙的面积在内 所以在计算土中自重应力时只考虑土中某单位面积上 的平均应力 在计算土中自重应力时 假设天然地面是一个无限大的水平面 因此在任意竖直面和水平面上均无剪应力存在 设地下罐筒体内半径为 R 则 在天然地面下任意深度 H 处 如图 1 作用于筒体外表面上竖向混土自重应力 为 CH 式中一混土的浮容重 KN m3 17000KN m3 1 1 5 图图 3 1 任意深度任意深度 H 处 圆筒上任一点处 圆筒上任一点 M 的静压力分析图的静压力分析图 竖直面上还作用有水平向的侧向自重应力 由于沿任意水平面均 CX CH 匀地分布 所以混土在自重下只能产生竖向变形 而不能有侧向变形和剪切变 形 从这一条件出发 在天然地面下任意深度 H 处除有作用于水平面上的竖向 混土自重应力外 在根据弹性力学理论 作用在圆筒外表面的侧向混土自 CH 重应力应与成正比 而剪应力均为零 即 CX CH 式中 K0 土的侧压力系数 其中碎石土 K0 0 18 0 25 砂石土 K 0 25 0 33 粘土 K 0 33 取 K0 0 25 则在任意深度 H 处 圆筒上任一点 M 的静 压力 P1为 圆筒最大静压力在 X X 剖面上 但此点与圆筒外表面相切 不存在混 CH 土对圆筒产生静压力 而只有侧向静压力 因此根据华南理工大学等合编的 地基及基础 中计算挡土墙的土压力的方法 圆筒最大静压力的作用点假设 在距离圆心 1 3R 处 即 MPa kHRP 036193 0 25 0 12 13 1 3 2 17000 1 3 2 2 2 0011 则 MPa136193 0 036193 0 1 0 1 PPPY 式中 Ho 地面距罐体顶部表面的距离 m H0 1 2m 2 4 0 1362MPa 外压校核外压校核 2 4 1 筒体筒体 0 1362MPa 外压校核外压校核 已知 mmmm n 5 7 25 5 25 2 5 7 C ne 6 筒体计算长度 mm8913650 3 1 24028400 L 圆筒外径 D0 2600 15 2615mm 所以 095 498 25 5 2615 0 e D 41 3 2615 8913 0 D L 查 GB150 98 中图 4 2 内差法求得 A 0 0000345 用 A 值查 GB150 98 中图 4 5 知 A 落在设计温度下材料线的左方 所以许 用外压力用 GB150 98 中 4 2 式计算 e D AE P 0 3 2 式中 E 材料弹性模量 由 GB150 98 中表 I5 内差法得 E 2 049 106MPa 则MPa 0931 0 25 5 2620 3 10049 2 0000345 0 2 3 2 6 0 e D AE P 因为 PY 0 136193MPa MPaP0931 0 所以圆筒选 10mm 的壁厚不满足要求 2 4 2 封头封头 0 136193MPa 外压校核外压校核 已知 10mm mm n 75 5 25 4 10 C ne 其当量半径 Ri 0 9Di 0 9mm23402600 则 96 406 75 5 2340 e i R 由 GB150 98 中 4 6 式得 000307 0 96 406 125 0 125 0 e i R A 查 GB150 98 中图 4 5 内差法求得 B 565 由 GB150 98 中 4 7 式计算许用外压力MPa 1559 0 1081 9 4 0 i R B P 因为 PY 0 136193MPa MPaP1559 0 所以封头壁厚选 10mm 的钢板满足条件 2 7 筒体加强圈的设计计算筒体加强圈的设计计算 假设筒体壁厚取mm 圆筒计算壁厚mm10 n 7 75e 7 圆筒计算长度 L 8913mm 2 7 1 加强圈数的确定计算加强圈数的确定计算 设 3 个加强圈后 计算长度 Ls mm 8913 2971 33 L 则 134 1 2620 2971 0 D Ls 065 338 75 7 2620 0 e D 查 GB150 98 中图 4 2 内差法求得 A 0 00035 用 A 值查 GB150 98 中图 4 5 知 A 落在设计温度下材料线的右方 则有 内差法求得 B 475 按下式计算许用外压力 MPa 44 0 475 9 81 109 81 100 13784 338 065 e B P D 因为 MPaPMPaP Y 136193 013784 0 所以该筒体采用 10mm 厚的 16MnR 钢板制造 设置 3 个加强圈 其结果 满足外压强度要求 2 7 2 加强圈尺寸的设计加强圈尺寸的设计 2 7 2 1 加强圈的选择 选择加强圈的尺寸规格为 100 20mm 的扁钢 加强圈两侧的腐蚀裕量为 2mm 加强圈的计算尺寸为 100 16mm 2 7 2 2 计算加强全横截面积 As 即组合截面的惯性矩 加强圈的和截面积 As 100 16 1600mm2 加强圈的惯性矩 m4 3 1 16 100 2064516 129 7 75 I 加强圈两侧起加强作用的宽度 mm 0 0 550 55 2600 7 7578 1 e bD 筒体起加强作用部分的截面积 mm2 2 22 7 75 88 11365 55 e Ab 筒体起加强作用部分的惯性矩 mm4 3 2 2 78 1 7 75 9381 76 7 75 I 形心离筒壁厚中心线的距离 a 8 mm 2 7 757 75 50160050 22 29 1 1600 1365 55 As a AsA 计算加强圈与壳体组合段的惯性矩 Is 44 2 2 2 22 2 1 10212 4 1 2955 136576 9381 1 29 2 75 7 501600129 2064516 2 75 7 45 mm aAIaAII SS 2 7 2 3 由下式计算参数 B 97 403 5 1485 1600 75 7 2620361 1 0 SSe Y LA DP B 式中 PY 设计外压 PY 0 1361MPa 1 361kgf cm2 根据 B 值查 GB150 98 图 4 4 得系数 A 0 00028 计算加强圈与壳体组合截面所需的惯性矩 I 46 2 2 0 1052 2 00028 0 9 10 5 1485 1600 75 7 5 14852620 9 10 mm A L A LD I S S eS 因为 IS 4 212mm4 646 1052 2 10 Imm 所以满足要求 最后确定加强圈采用 10020mm 的 A3 扁钢 2 8 鞍座的选择计算鞍座的选择计算 储罐的总重 Q Q1 Q2 Q3 Q4 式中 Q1 罐体重 Q2 封头重 Q3 汽油重 Q4 附件重 2 8 1 罐体重罐体重 Q1 Dg 2600mm 的筒节 每米设备重量 q1 1050kg mmm10 所以 Q1 Kg88204 81050 1 Lq 9 2 8 2 封头重封头重 Q2 Dg 2600mm 直边高度 h 40mm 的标准椭圆形封头 其重量mm10 q2 850kg 所以 Q1 2q2 1700kg 2 8 3 汽油重汽油重 Q3 Q3 V 其中 充料系数 取 0 8 V 储罐体积 V V封 V筒 47 85 5 03 52 88m3 汽油在 200C 时的比重为 840Kg m3 于是Kg36 3553584088 528 0 3 VQ 2 8 4 附件重附件重 Q4 两个人孔约重 150kg 其接管重总和按 300kg 计 于是 Q4 450kg 所以设 备总重 Q Q1 Q2 Q3 Q4 8820 1700 35535 36 450 45 66 吨 每个支座需承受约 22 83 吨重 负荷相当大 所以选公称直径为 2600mm 的重型鞍座 2 9 鞍座作用下筒体应力计算鞍座作用下筒体应力计算 2 9 1 筒体轴向弯矩计算筒体轴向弯矩计算 双支座支撑的的卧式容器壳视为双支点的外伸梁 在容器轴向存在两个最 大弯矩 一个在鞍座处 一个在容器两支座间跨距中点处 跨距中点处的弯矩按下式计算 M1 F C1L A 支座处的弯矩按下式计算 23 2 2 1C A R C L A C FA M i 式中 Ri 筒体内半径 m A 支座中心线至封头切线的距离 m 选取 A 1 8m C2 系数 10 1 84003 6504 1 3 4 1 2 L H C C3 系数 058 0 130084002 6501300 2 222 2 3 i i LR HR C 10 C1 系数 296 0 10 1 1300058 0 25 0 25 0 2 3 1 C RC C i 所以 M1 F C1L A 223 734 Nm 3 1039 27426 1 4 8296 0 Nm C A R C L A C FA M i 3 3 23 2 2 10744 48 10 1 26 1 3 1 058 0 4 8 26 1 1 10 1 26 1 10734 223 1 2 9 2 筒体轴向应力计算筒体轴向应力计算 在跨距中点处横截面上 由压力及弯矩所引起的轴向应力之和见下图 图图 3 2 筒体轴向应力分析图筒体轴向应力分析图 2 9 2 1 在横截面的最高点处 MPa 1 1 22 0 1 1300274 39 1 715 22 7 753 14 1 37 75 i eie PRM R 2 9 2 2 在横截面的最低点处 MPa 1 1 22 0 1 1300274 39 15 059 22 7 753 14 1 37 75 i eie PRM R 以上两式中 P 设计压力 MPa 容器壁厚 mm 不计附加壁厚 e 2 9 2 3 在支座处的轴向应力 此应力取决于支承面上筒体的局部刚性 当在载荷作用下筒体不能保持圆形 时 其横截面上部的一部分对承受轴向弯矩不起作用 当筒体有加强圈时 在筒体最高点处的轴向应力用下式计算 11 MPa 2 3 22 1 0 1 130048 744 19 465 22 7 750 107 3 14 1 37 75 i eie PRM KR 在筒体横截面的最低点处的轴向应力用下式计算 MPa 2 3 22 2 0 1 130048 744 2 214 22 7 750 192 3 14 1 37 75 i eie PRM KR K1 K2为参数 查 化工设备机械基础 表 7 6 得 K1 0 107 K2 0 192 2 9 5 筒体周向应力计算筒体周向应力计算 2 9 5 1 周向弯矩计算 因鞍座截面处无加强圈 且 A 0 5Rn 所以按 化工容器 中公式 5 55 M K6FRn计算 式中 K6 系数 由 化工容器 中图 5 55 查得 K6 0 055 其它参数同上 则 M K6FRn mN 1012 16131010734 223055 0 33 2 9 5 2 周向压缩应力计算 因鞍座截面处无加强圈 且 A 0 5Rn 所以按 化工容器 中公式 5 57 Tmax K5F 计算 式中 K5 系数 由 化工容器 中查得 鞍座包角 时120 K5 0 760 则 Tmax K5FN 33 1004 17010734 223760 0 而在鞍座轴边角处的周向压缩应力 T 值为 T F 4 223 734 4 55 93 3 10 N 3 10 2 9 5 3 周向总应力的计算和校核 该设计圆筒的鞍座界面上无加强圈 但在鞍座两侧的圆筒上有加强圈 而 且鞍座上不设置衬垫板 则圆筒横截面最低处周向压缩应力按下式计算 e b FkK 2 5 5 其中 k 计及圆筒和鞍座是否相焊的系数 本设计中不相焊 k 1 0 K5 系数 K5 0 760 b 圆筒的有效长度 mm 2 1 56300 1 56 1310 7 75457 7 ne bbR 所以MPa 3 5 5 2 1 0 0 76 223 734 10 48 0 457 1 7 75 e kK F b 鞍座边角处的周向总应力 12 因为647 6 1310 8480 n R L 则 MPa 33 6 6 22 2 3223 734 103 0 0109 223 734 10 45 11 424 457 1 7 752 7 75 ee