塔设备机械设计.doc

华北科技学院环境工程学院华北科技学院环境工程学院 化工设备机械基础 课程设计报告课程设计报告 设计题目设计题目 塔设备机械设计 学生姓名学生姓名 张 森 学学 号号 201101034210 指导老师指导老师 任学军 专业班级专业班级 化工 B112 班 教师评语教师评语 设计起止日期 设计起止日期 2014 年 6 月 16 日 至 2014 年 6 月 29 日 成成 绩绩 塔设备设计任务书 一 设计内容 1 根据操作条件选择塔体 裙座材料 2 法兰选型 3 塔设备机械设计 4 塔设备结构设计 5 编写设计计算说明书 主要内容 目录 设计任务书 题目 设计方案的确定 包括材料选择 塔设备结构设计等 塔设备机械设计过程 标准零部件的选择 如法兰等 设计小结 参考资料 附图 总装图 法兰结构图 塔盘板结构示意图 塔板连结结构示意图 塔盘支撑结构示意图 裙座与塔体焊缝结构图 塔体内径 mm 2000 塔高 mm 28000 计算压力 MPa 1 2 设计温度 200 设置地区银川地震设防烈度 度 8 场地土类 类设计地震分组第二组 设计基本地震加速度 0 2g 地面粗糙度B 类 塔盘数 46 塔盘存留介质层高度 mm 100 塔盘间距 mm 450 塔釜存留介质高度 mm 2000 介质密度 kg m3 825 人孔间距 m 5 半圆形平台数 5 平台宽度 800 平台高度 1000 保温层材料密度 kg m3 350 保温层厚度 mm 120 再沸器操作质量 kg 4200 目录目录 一 塔体的设计条件 3 二 按计算压力计算塔体和封头厚度 4 三 塔设备质量载荷计算 6 四 风载荷与风弯矩计算 10 五 地震载荷计算 13 六 偏心弯矩计算 15 七 各种载荷引起的轴向应力 15 八 筒体和裙座危险截面的强度性校核 17 九 塔体水压试验和吊装时的应力校核 20 十 基础环设计 21 十一 地脚螺栓计算 23 十二 筒体与封头联接法兰的选取 26 参考文献 29 再沸器偏心距 mm 2200 介质腐蚀性无明显腐蚀 一 塔体的设计条件一 塔体的设计条件 1 塔体的内径 塔高近似取2000 i Dmm H 28000mm 2 计算压力 设计温度 200 1 2 c pMpa 3 设置地区 基本风压值 地震设防烈度 2 0 500 qN m 8 度 场地土类 类 设计地震分组 第二组 设计 基本地震加速度 0 2g 4 塔内装有 46 层浮阀塔盘 每块塔盘上存有介质高度 为 介质密度为 100 w hmm 3 825 kg m 5 沿塔高每 5m 左右开设一个人孔 人孔数为 5 个 相应 在人孔处安装的半圆形平台为 5 个 平台宽度 B 800mm 高度为 1000mm 6 塔外保温层厚度 保温材料密度 120 s mm 为 3 2 350 kg m 7 塔体与裙座间悬挂一再沸器 其操作质量为4200 e mkg 偏心距 e 2200mm 8 塔体在 200 的条件下工作 介质无明显腐蚀 筒体与封 头材料选 16MnR 裙座材料选用 Q235 B 材料的有关性 能参数如下 16MnR s 183a 189MPa 345 t MPMPa 5 1 91 10EMPa Q235 B MPaMPaMPa s t 235 113 113 9 塔体与裙座对接焊接 焊接接头系数 0 85 10 塔体与封头厚度附加量 C 2mm 裙座厚度附加量 C 2mm 二 按计算压力计算塔体和封头厚度二 按计算压力计算塔体和封头厚度 1 塔体厚度计算 mm74 7 2 1 85 0 1832 20002 1 p 2 p c t ic D 考虑厚度附加量 C 2mm 经圆整后取 12 n mm 2 封头厚度计算 mm P DP c t ic 73 7 2 15 085 0 1832 20002 1 5 0 2 考虑厚度附加量 C 2mm 经圆整后取 12 n mm 三 塔设备质量载荷计算三 塔设备质量载荷计算 1 筒体圆筒 封头 裙座质量 01 m 圆筒质量 kg1442921 24596m1 封头质量 2 438 2876mkg 裙座质量 kg182406 3 596m3 kg17129182487614429mmmm 32101 说明 1 塔体总高度 m21 2404 0206 3 65 0 0 HH 2 查的 DN2000mm 厚度 12mm 的圆筒质量为 596kg m 3 查的 DN2000mm 厚度 12mm 的椭圆形封头质量为 438kg 个 封头曲面深度 500mm 直边高度 40mm 4 裙座高度 3060mm 厚度按 12mm 计 2 塔内构件质量 02 m 2 02 75 460 785 4 75 4610833 4 i mDkg 浮阀塔盘质量 75 2 kg m 3 保温层质量 03 m kg74335886845 35023 1 07 2 2 35021 24012 0 2212 0 2012 0 22785 0 2222 4 m 22 0320 2 n 2 03 mHDD isni 其中 为封头保温层的质量 03 m 其保温层外容积为 22 0 0 22 4 z Sins VDhr dz 椭圆封头的曲面方程为 222 22 1 xyz ab 2 2222 2 1 z rxya b 所以 2 2 617 0 0 2 2 0 2 0 2 07 2 12 0012 0 1 12 0 012 0 5 0 1 04 0 12 02012 0 22 785 0 22 4 m dz z dzrhDV z sniS 其壳体外容积为 22 0 0 2 0 512 22 2 0 2 2 4 0 785 22 0 012 0 04 1 1 0 012 0 5 0 012 1 23 z Sin VDhr dz z dz m 4 平台 扶梯质量 04 m 22 04 1 222 22 42 insinsPFF mDBDnqq H kg396610802886 27401505 2 1 12 0 2012 0 2 2 8 0212 0 2012 022 785 0 2 2 说明 由表 8 1 查得平台单位面积质量 2 150 P qkg m 笼式扶梯单位长度质量 笼式扶梯总高40 F qkg m 平台数量为 5 27 F Hm 5 操作时物料质量 05 m kg VhDNhDm fiwi 17553 82518 1 8258 14785 0825461 04785 0 44 110 2 1 2 05 说明 物料密度 封头内容积 塔 3 825 kg m 3 1 18 f Vm 釜圆筒部分深度 塔板数 N 46 0 20 50 041 46hm 塔板上液层高度 0 1 w hm 6 附件质量 a m 按经验取附件质量为 kgmma42821712925 0 25 0 01 7 充水质量为 kgVHDm wfwiw 78379100018 1 2100021 242785 0 2 4 2 0 2 其中 3 1000 w kg m 8 各种质量载荷汇总 将全塔分为 6 段 计算各质量载荷 计算中略有近似 塔段 0 1 1 22 33 44 55 顶合计 塔段长度 mm 100 0 2000700070007000400028000 人孔与平台数 0021115 塔板数 00101515746 m01 kg5961630417241724172246917129 注 2m 裙座 下封头质量 2 596 438 1630 其余为 596 各塔段长度 m02 kg 211935323768141310833 注 塔盘质量 0 785 4 75 各段塔盘数 塔盘单位面积质量为 75kg m2 m03 kg 16915471547154726587433 注 保温材料 下封头质量 169 47 其余为单位长度保温层质量 各塔段长度 m04 kg408014238518517193966 注 平台扶梯质量 每个平台质量为 571 6kg 每米扶梯为 40kg 平台质量算 法同前 m05 kg 973611338853885181316553 注 封头内的物料质量 825 1 18 973 5 其余各段为各段塔板总的存留介质 质量 2 3 段为塔釜直筒段存留介质质量 9 块塔板上存留的介质质量 ma kg14940710431043104316604282 注 附件质量 0 25 m1 mw kg 11802198021980219801169278379 充水质量 塔容积 水密度 1 2 段为封头充水质量 1 18 1000 1180 me kg 15002700 4200 m0 kg78547601911915032152681443365396 各塔段最小质 量 78537861130983208368779039177 全塔操作质量 m01 m02 m03 m04 m05 ma me 65396kg 全塔操作质量 kg mmmmmmmm ea 65396 4200428217553396674331083317129 05040302010 全塔最小质量 kg mmmmmmm ea 39177 4200428239667433108332 017129 2 0 040302min01 水压试验时最大质量 kg mmmmmmmm ewa 126222 4200783794282396674331083317129 04030201max 四 风载荷与风弯矩计算四 风载荷与风弯矩计算 1 风载荷计算示例 以 2 3 段为例计算风载荷 3 P 6 312303 33 10 e PK K q f l DN 式中 全塔最小质量 m01 0 2m02 m03 m04 ma me 39177kg 水压试验时最大质量 m01 m02 m03 m04 mw ma me 126222kg 体形系数 对圆筒形容器 1 K 1 0 7K 10m 高处基本风压值 0 q 2 0 500 qN m 风压高度变化系数 查表 8 5 得 3 f 3 1 00f 计算段长度 3 l 3 7000lmm 脉动影响系数 由表 8 7 得 3 v 3 0 72v 塔的基本自振周期 对等直径 等厚 1 T 度得圆截面塔 3 3 0 1 1033 90 ieD ES Hm HT 876 0 10 2000101091 1 2800065396 2800033 90 3 35 s 脉动增大系数 根据自振周期 1 T 由表 8 6 查的 2 224 振型系数 由表 8 8 得 3z 0 191 风振系数 3z 23 K 306 1 00 1 191 0 72 0 224 2 11 3 33 23 f v K z 塔的有效直径 设笼式扶梯与塔顶管线成 90 取下 3e D a b 中较大者 30334 2 eis a DDKK p1 p2 p3 p4 p5 30340 22 eisps b DDKd 3 400Kmm 0 400dmm 3 120 sps mm 4 3 2 2 2 800 1000 457 2 7000 A Kmm l 3 20242 120400457 23121 2 e a Dmm 3 20242 120457 24002 1203361 2 e b Dmm 取mmDe3361 3 10755 10336170000 1500306 1 7 010 66 33302313 N DlfqKKP e 2 各段塔风载荷计算结果 塔段号 123456 mmli 100020007000700070004000 2 0 mNq 500 1 K 0 7 类B i 0 720 720 720 7690 8060 822 zi 0 020 020 1910 4600 8301 000 2 224 i K2 1 0321 0321 3061 6642 1292 275 3 风弯矩计算 0 0 截面 2 22 6 543216 2 12 1 1 00 l lllllP l lP l PMw 20001000 10755100010001896500 8 947 100021539350070002000100015123 3500 20007000320001000 15090 3500700022000 mmN 9 10112 1 1 1 截面 222 6 54326 3 23 2 2 11 l llllP l lP l PMw 35007000200015123 35002000 1075510001896 0200700032000 15090 350070002200021539 mmN 9 10047 1 2 2 截面 mhit 1310172428 类Bfi 1 001 001 001 1841 3181 434 平台数 002111 mm 4 K 00457 2228 6228 6400 mm ei D 262426243361313331333304 NPi 947 8189610755151232153915090 222 6 5436 4 34 3 3 22 l lllP l lP l PMw 350070002 21539 35007000 15123350010755 200070003 15090 mmN 9 10920 0 五 地震载荷计算五 地震载荷计算 取第一振型阻尼比为 1 0 02 则衰减指数 0 050 02 0 90 95 0 55 0 02 0 8772s 1 T 塔的总高度 H 28000mm 全塔操作质量 65396kg 重力加速度 0 m 2 9 81 gm s 地震影响系数 1211max 0 2 5 g TT 由表 8 2 查的 设防烈度 8 级 16 0 max 由表 8 3 查的 g 0 30T 11 0 02 0 05 80 02 0 050 02 80 024 1 2 1 0 050 050 02 111 319 0 06 1 70 06 1 7 0 02 s043 0 16 0 30 0 5 876 0 024 0 2 0319 1 95 0 1 计算截面距地面高度 h 0 0 截面 h 0 1 1 截面 h 1000mm 2 2 截面 h 3000mm 等直径 等厚度的塔 按 28000 20001415 i HD 下列方法计算地震弯矩 0 0 截面 0 0 0 0 10 16 35 EE MMm gH 2800081 9 65396043 0 35 16 mmN 8 10531 3 1 1 截面 1 1 1 13 52 53 5 10 2 5 8 10144 175 EE m g MMHHhh H 100028000142800010 28000175 81 965396043 08 5 25 3 5 2 10004 5 3 mmN 8 10354 3 2 2 截面 2 2 2 23 52 53 5 10 2 5 8 10144 175 EE m g MMHHhh H 300028000142800010 28000175 81 965396043 08 5 25 3 5 2 30004 5 3 mmN 8 10002 3 六 偏心弯矩计算六 偏心弯矩计算 7 e 10064 9 220081 9 4200 gemM e 七 各种载荷引起的轴向应力七 各种载荷引起的轴向应力 1 计算压力引起的轴向压应力 1 MPa DP S ic 60 104 2 12000 4 1 其中12210 sn Cmm 2 操作质量引起的轴向压应力 2 0 0 截面 MPa D gm A gm esissb 21 10 10200014 3 81 9 65296 00 0 00 0 00 2 裙座的有效厚度12210 esn Cmm 1 1 截面 MPa A gm sm 81 10 58630 81 9 64611 11 0 11 2 其中 为人孔截面的截kgm6461178565396 11 0 sm A 面积 查相关标准得 2 58630 sm Amm 2 2 截面 MPa D gm ei 38 9 10200014 3 81 9 60050 11 0 22 2 其中 kgm6005047 456078565396 22 0 3 最大弯矩引起的轴向应力 3 0 0 截面 MPa SD M Z M esis sb 31 38 102000785 0 1003 12 4 2 8 2 00 max 00 max 00 3 其中 最大弯矩取下式计算值中较大者 ii M max mmN MMMM mmNMMM ewE ew 88 000000 max 880000 max 10037 7 10 9064 0 12 1125 0 531 3 25 0 1003 1210 9064 012 11 1 1 截面 MPa Z M sm 12 41 27677000 1038 11 811 max 11 3 式中 裙座人孔截面的抗弯截面系数 查相关标准得 sm Z 27677000 sm Z 3 mm 其中 最大弯矩取下式计算值中较大者 ii M max mmN MMMM mmNMMM ewE ew 8 8111111 max 881111 max 10880 6 10 9064 047 1025 0 354 3 25 0 1038 1110 9064 0 47 10 2 2 截面 MPa D M Z M ei 20 32 102000785 0 1011 10 4 2 8 2 22 max 22 max 22 3 其中 最大弯矩取下式计算值中较大者 ii M max mmN MMMM mmNMMM ewE ew 8 8222222 max 882222 max 10208 6 10 9064 0 200 925 0002 3 25 0 1011 1010 9064 0200 9 八 筒体和裙座危险截面的强度性校核八 筒体和裙座危险截面的强度性校核 1 筒体的强度与稳定性校核 2 2 截面 筒体危险截面 2 2 处的最大组合轴向拉力 2 2 max MPa82 8220 3238 9 60 22 3 22 21 22 max 组拉 MpaKMpa 7 18682 82 t 22 max 组拉 因为 故满足强度条件 2 2 max t K 其中 轴向许用应力 t 1 2 183 0 85186 7KMPa 2 塔体与裙座的稳定性校核 2 2 截面 筒体危险截面 2 2 处的最大组合轴向压力 2 2 max MPa58 4120 3238 9 22 3 22 2 22 max 组压 许用轴向压应力 取其中较小值 t Cr K KB 按 GB 150 钢制压力容器中的规定 由 i 0 0940 094 A0 00094 R 1000 10 e 查相应的材料图 16MnR 得 B 115Mpa 183 t Mpa 则 取 1 2 115138 1 2 183219 6 t KBMPa KMPa 2 1 138 KMPa Cr 因为 满足稳定性条件 MpaMpa cr 13858 41 22 max 组压 1 1 截面 塔体 1 1 处的最大组合轴向压应力 MPa93 5112 4181 10 11 3 11 2 11 max 组压 由 0 00094 es R 0 094 A is 查相应的材料图 Q235 B 得 MPaB 5 107 Mpa t 113 则 取 MPaK MPaKB t cr 6 135 129 MPa cr 129 因为 满足稳定性条 MpaMpa cr 12993 51 11 max 组压 件 0 0 截面 塔体 0 0 处的最大组合轴向压应力 MPa52 4831 3821 10 00 3 00 2 00 max 组压 因为 故满足稳定性条 MpaMpa cr 12952 48 00 max 组压 件 各危险截面强度与稳定校核汇总 计算危险截面 项目 0 01 12 2 塔体与裙座有效厚 mm 101010 截面以上操作质量 kg 0 i i m 653966461160050 计算截面面积 2 i i Amm 62800 sb A 62800A 截面的抗弯截面系数 3 i i Zmm 5 314 10 sb Z 5 314 10Z 最大弯矩 max i i MN mm 8 1003 12 8 1038 11 8 1011 10 最大允许轴向拉应力 t KMpa 173 4 KB 129129138 最大允许压应 力 t K 135 6135 6219 6 计算压力引起的向拉应 力 1 Mpa 0060 操作质量引起的向压应 力 2 i i Mpa 10 2110 819 38 最大弯矩引起的轴向应 力 3 i i Mpa 38 3141 1232 20 58630 sm A 5 sm 1077 276 Z 最大组合轴向拉应力 max i i Mpa 82 82 最大组合轴向压应力 max i i Mpa 48 5251 9341 58 强度 满足强度 条件 强度与稳定校 核 稳定性满足稳定性条件 九 塔体水压试验和吊装时的应力校核九 塔体水压试验和吊装时的应力校核 1 筒体水压试验时各种载荷引起的应力 1 由试验压力和液柱静压力引起的环向应力 1 550 282000 10 22 10 tiei ei PD 液柱静压力 183 92MPa 189 1 251 25 1 21 55 183 Tt pPMPa 2 由试验压力引起的轴向拉应力 1 1 1 55 2000 77 5 44 10 Ti ei P D MPa 3 最大质量引起的轴向压应力 2 MPa D gm ei 72 19 10200014 3 81 9 126222 22 max 22 2 4 由弯矩引起的轴向应力 3 MPa SD MM eii eW 68 11 102000785 0 109064 0 10200 93 0 4 3 0 2 88 2 22 22 3 2 水压试验应力校核 1 筒体环向应力校核 MPa s 9 26385 0 3459 09 0 因为 故满足要求 183 920 9263 9 Ts MpaMpa 2 最大组合轴向拉应力校核 MPa46 6968 1172 19 5 77 22 3 22 21 22 max 组拉 许用应力 MPa S 9 26385 0 3459 09 0 因为 故满足要求 MpaMpa 9 2630 946 69 s 22 max 组拉 3 最大组合轴向压应力校核 MPa40 3168 1172 19 22 3 2 2 2 22 max 组压 轴向许用压应力 取其中较小值 KB s cr 9 0 取 0 90 9 345310 55 1 2 115138 s MPa KBMPa MPa cr 138 MpaMpa cr 13840 31 2 2 max 组压 因为 故满足要求 十 基础环设计十 基础环设计 1 基础环尺寸 取 mmDD isob 23003002000300 mmDD isib 17003002000300 Dob 2300 DIS 2000 Dib 1700 b 140 l 160 2 基础环的应力校核 取其中较大值 bb ew bb b A gm Z MM A gm Z M max 00 0 00 max max 3 0 38 4444 103756 8 230032 1700230014 3 32 mm D DD Z ob ibob b 22222 188400017002300785 0 4 mmDDA ibobb 1 Mpa A gm Z M b o b b 777 1 1884000 81 965396 103756 8 1003 12 8 800 max max 2 8 88 max 00 max 103756 8 109064 01012 113 03 0 bb eW b A gm Z MM Mpa164 1 1884000 81 9 126222 取MPa b 777 1 max 选用 75 号混凝土 其许用应力 故满足要求 a5 3 MPRa 3 基础环厚度 按有筋板时 计算基础环的厚度 b S mmDDb esisob 1402020002300 2 1 2 2 1 设地脚螺栓直径为 M42 由表 8 11 查得 l 160mm 则 b l 140 160 0 88 由表 8 10 查得 mmNbM bx 7 5161140777 1 1482 0 1482 0 22 max mmNlM by 7 3857160777 1 0848 0 0848 0 22 max 取 基础环材料 20R 的许用应力mmNMM xs 7 5161 C 3mm 基础环厚度 MPa b 133 取 mmC M b s b 26 153 133 7 516166 mm b 20 十一 地脚螺栓计算十一 地脚螺栓计算 1 地脚螺栓承受的最大拉应力 取其中较大值 bb ewE bb ew B A gm Z MMM A gm Z MM 0 0000 min 00 25 0 其中 kgm39177 min mmNME 800 10531 3 mmNMw 800 1012 11 kgm65396 0 83 8 3756 10 b Zmm 2 1884000 b Amm 1 bb eW B A gm Z MM min 00 Mpa23 1 1884000 81 9 39177 103756 8 109064 0 1012 11 8 88 2 bb eWE B A gm Z MMM 0 0000 25 0 888 8 3 90 100 25 11 8 100 9064 1064656 18 9 81 8 3756 101884000 1884000 81 965396 103756 8 109064 0 1012 1125 0 10531 3 8 888 MPa52 0 取其中较大值 Mpa B 23 1 2 地脚螺栓的螺纹小径 因为 故此塔设备必须安装地脚螺栓 选取螺栓材料0 B 16MnR 螺栓个数为 n 20 C 3mm Mpa bt 163 mmC n A d bt bB 10 303 2016314 3 188400023 1 44 1 取地脚螺栓为 M42 由表 8 12 查得 M42 的螺纹小径 d 37 219mm 故选用 20 个 M42 的地脚螺栓 满足要求 十二 筒体与封头联接法兰的选取十二 筒体与封头联接法兰的选取 1 根据筒体内径 计算压力 温度2000 i Dmm 1 2 c PMpa 200 查表 6 2 确定法兰结构为长颈对焊法兰 查附录 12 选取材料 16Mn 公称压力 PN 1 6Mpa 2 查相关手册得法兰基本数据 D 2215mm D1 2155mm D2 2110mm D3 2090mm D4 2087mm 螺纹孔直径 d 33mm 法兰厚度 b 102mm 高颈尺寸 H 190mm h 56mm 螺栓 012 20 22 36mmmmmm 为 30 64M 3 根据公称直径 DN