压缩空气储罐设计.doc

目 录绪论3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11第四章 开孔补强设计144.1补强设计方法判别144.2有效补强范围144.3有效补强面积144.4补强面积15第五章 强度计算165.1水压试验应力校核165.2圆筒轴向弯矩计算175.3圆筒轴向应力计算及校核185.4切向剪应力的计算及校核195.5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24第六章 设计汇总25 参考文献27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。在整个教学计划中，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，即自己确定方案，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： 1. 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； 2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又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题的能力； 3. 迅速准确的进行工程计算的能力； 4. 用简洁的文字，清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标准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，这样让设计有章可循，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English name： compressed air主要成分： 氮气、氧气等。外观与性状：无色无味沸点()：192（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：高压常温储存，高温剧烈震动易爆。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，又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：3.33、工作温度：1504、工作介质：压缩空气5、全容积：36、设计压力： 3.757、设计温度：1508、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为1200mm。9、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/T47312,鞍座选用材料为Q235-B，其许用应力;地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q235，Q235的许用应力11、容器类别：第二类第三章 容器的结构设计3.1圆筒厚度的设计由于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%探伤，所以取焊缝系数为。假设圆筒的厚度在616mm范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：疲劳极限强度，屈服极限强度，下的许用应力为，利用中径公式 （3-1）查标准HG20580-19983表7-1知，钢板厚度负偏差为0.8mm，故取。设计任务说明书给定腐蚀裕量。则筒体的名义厚度圆整后取为3.2封头厚度的计算查标准JB/T4746-20024中表1，得公称直径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） (3-2)同上，取，则封头的名义厚度为圆整后取为3.3筒体和封头的结构设计由封头长短轴之比为2，即，得查标准4中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表3-1和图3-1。取装料系数为0.9，则即算得圆整后取为表3-1 封头尺寸表公称直径DN mm总深度H mm内表面积A 容积质量Kg12003251.65520.2545234.7图3-1 椭圆形封头3.4人孔的选择根据HG/T 21518-95，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密封面型式凸面D77556公称压力PN MPa4.067060螺柱数量20公称直径DN500290A430螺母数量40140B225螺柱尺寸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：图3-2 各管口方位查HG/T 20592-20096中表8.2 3-1 PN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/T 20606-1997，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：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3，最高工作温度200。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200。3：垫片厚度均为1.5mm。9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螺栓孔直径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/T 20613-20098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 螺栓及垫片名称紧固件用平垫圈 mm公称直径螺纹螺柱长H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-B。估算鞍座的负荷：罐总质量 （3-3）筒体质量：单个封头的质量，充液质量：，水压试验充满水，故取介质密度为， 则附件质量：人孔质量为，其他接管总和为672kg，即综上所述则每个鞍座承受的质量为，即为。查JB4712.1-20079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6垫板320允许载荷QkN145筋板2006鞍座高度h200140e55底板880200螺栓间距7201706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小于等于，当无法满足A小于等于时，A值不宜大于。为圆筒的平均内径。即取鞍座的安装位置如图3-3所示：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 且 故可采用等面积法进行补强计算接管材料选用16MnR，其许用应力根据GB150-1998中式8-1： （4-1）式中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以4.2有效补强范围4.2.1有效宽度B按1中式8-7，得： （4-2）4.2.2外侧有效高度根据1中式8-8，得：4.2.3内侧有效高度根据1中式8-9，得：4.3有效补强面积根据1中式8-10 至式8-13，分别计算如下： （4-3）筒体多余面积接管多余面积焊缝金属截面积，焊脚去8mm，则4.4补强面积因为，所以开孔需另行补强另行补强面积为 第五章 强度计算5.1水压试验应力校核试验压力圆筒的薄膜应力为即，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鞍座反力为5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩根据2中式7-2，得：5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩根据2中式7-3，得：图5-1（a）筒体受剪力图图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： （5-1）最低点处： （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（即）时，轴向应力位于横截面最高点处.取鞍座包角，查表7-1（JB/T4731-2005）得，.则b).在横截面最低点处的轴向应力：5.3.3圆筒轴向应力校核 （5-3）查图4-810得，,则满足条件5.4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： （5-4）5.4.2圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力根据2中式7-10，计算得： （5-5）5.4.3切向剪应力的校核圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的0.8倍，即。封头的切向剪应力，应满足而故圆筒满足强度要求。根据2中式7-12 （5-6） （5-7）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：即，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718 其中（容器焊在支座上） （5-8）查2中表7-3知， 则5.5.2在鞍座边角处由于 根据2中式720:由于 查2中表7-3知，则 （5-9）5.5.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力由于，根据2中式7225.5.4周向应力校核根据2中式7.3.4.3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77鞍座包角，查2中表75得：。则垫板起加强作用，则：其中，则则查2中表51，得：，则由于，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76，取则 ，钢底板对水泥基础的则 所以压应力应按2中式729计算： （5-9）其中 ，筋板面积 腹板面积：形心：腹板与筋板组合截面断面系数：代入公式得取 则根据2中式732进行校核即满足强度要求。5.7地震引起的地脚螺栓应力5.7.1倾覆力矩计算5.7.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力根据2中式7-34计算 （5-10）其中n为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，；为筒体轴线两侧的螺栓间距；为每个地脚螺栓的横截面面积，；则取载荷系数，则由于，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 （5-11）其中为承受剪应力的地脚螺栓个数，；则 由于 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150最高工作压力3.3MPa工作温度150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3.0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a50PN4.0 DN150 HG20592-97RF进料口b50PN4.0 DN150 HG20592-97RF出料口c50PN4.0 DN150 HG20592-97RF排污口d500PN4.0 DN150 HG20592-97RF人孔e20PN4.0 DN150 HG20592-97RF温度计孔g20PN4.0 DN150 HG20592-97RF压力表口h25PN4.0 DN150 HG20592-97RF安全阀口i25PN4.0 DN150 HG20592-97RF排空口参考文献1 GB150-1998,钢制压力容器2 JB/T 4731-2005,钢制卧式压力容器3 HG205