压缩空气储罐.doc

下载文档收藏压缩空气储罐设计 过程设备设计课程设计 过程设备设计课程设计隐藏 窗体顶端窗体底端目 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 . 6 3.1 圆筒厚度的设计 . 6 3.2 封头厚度的计算 . 6 3.3 筒体和封头的结构设计 . 6 3.4 人孔的选择 . 7 3.5 接管，法兰，垫片和螺栓（柱） . 9 3.6 鞍座选型和结构设计 .11 第四章 开孔补强设计 . 14 4.1 补强设计方法判别 . 13 4.2 有效补强范围 . 13 4.3 有效补强面积 . 14 4.4 补强面积 . 14 第五章 强度计算 . 16 5.1 水压试验应力校核 . 15 5.2 圆筒轴向弯矩计算 . 15 5.3 圆筒轴向应力计算及校核 . 16 5.4 切向剪应力的计算及校核 . 17 5.5 圆筒周向应力的计算和校核 . 20 5.6 鞍座应力计算及校核 . 22 5.7 地震引起的地脚螺栓应力 . 24 第六章 设计汇总 . 25 参考文献 . 错误！未定义书签。 错误！未定义书签。 1 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。 2 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。 3 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：3.3 MPa 3、工作温度： 压缩空气 ， 水 压 试 验 充 满 水 ， 故 取 介 质 密 度 为 水 =1000 kg / m 3 ， m3 = 水V V =V筒 + 2V封 = 2 Di L0 + 2V封 = 1 .2 2 2.5 + 2 0 .2545 = 3.24 m 3 4 4 则 m3 = 水V =1000 3.24 kg = 3240 kg m 4 附件质量： 人孔质量为 418kg ， 其他接管总和为 672kg， m4 =1090 kg 即综上所述 m = m1 + 2 m 2 + m 3 + m 4 =1331 + 2 234.7 + 3240 +1090 = 6130.4 kg 则每个鞍座承受的质量为 3065.2 kg ，即为 30.65kN 。 查 JB4712.1-2007 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 DN 1200 腹板 9 2 6 b4 320 允许载荷 Q kN h 145 l3 200 垫板 4 e 6 鞍座高度 200 筋板 b2 140 55 l1 底板 b1 880 170 10 垫板 b3 200 6 1410 螺栓间距 鞍座质量 增 l2 Kg 720 56 7 3 弧长 1 加 Kg 100mm 增 加的高度 3.6.2 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 0.5 Ra ，当无法满足 A 小于等于 0.5 Ra 时，A 值不宜大于 0.2L 。 R a 为圆筒的平均 内径。 Ra = Di n 1200 20 + = + = 610 mm 2 2 2 2 hi ) = 2500 + 2 (325 300 ) = 2550 mm L = L0 + 2 h = L0 + 2 ( H 即 A 0 .5 Ra = 0.5 610 = 305 mm 取 A = 0 . 3m 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 d = d i + 2 C 2 = 500 + 2 1 .5 = 503 mm d Di 1200 = = 600 mm 且 d 520 mm 2 2 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 t =170 MPa 根据 GB150-1998 中式 8-1： A = d + 2 et (1 fr ) （4-1） 式中： 壳体开孔处的计算厚度 =14 .92 mm 接管的有效厚度 et = nt C =14 1 .5 =12 .5 mm 强度削弱系数 f r = 1 所以 A = d + 2 et (1 4.2 有效补强范围 4.2.1 有效宽度 B 按1中式 8-7，得： f r ) = 503 14 .92 = 7504 .76 mm 2 B1 = 2 d = 2 503 =1006 mm B 2 = d + 2 n + 2 nt = 503 + 2 20 + 2 14 = 567 mm B = max( B1 , B2 ) =1006 mm （4-2） 4.2.2 4.2.2 外侧有效高度 根据1中式 8-8，得： h1 = d nt = 503 14 = 83 .9 mm h1 =接管实际外伸高度 = H 1 = 290 mm h1 = min( h1 , h1 ) = 83 .9 mm 4.2.3 内侧有效高度 根据1中式 8-9，得： h2 = d nt = 503 14 = 83 .9 mm h2 = 接管实际内伸高度 = 0 h2 = min( h2 , h2 ) = 0 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： Ae = A1 + A2 + A3 （4-3） A1 筒体多余面积 A1 = ( B d )( e ) 2 et ( e )(1 f r ) = (1006 503 ) (16 .5 14 .92 ) = 794 .74 mm 2 A2 接管多余面积 A2 = 2 h1 ( et t ) f r + 2 h2 ( et C 2 ) f r = 2 83 .9 (12 .5 12 .5 ) 1 + 0 = 0 A3 焊缝金属截面积，焊脚去 8mm，则 1 A3 = 8 2 2 = 64 mm 2 2 4.4 补强面积 Ae = A1 + A2 + A3 = 794 . 74 + 0 + 64 = 858 . 74 mm 2 因为 Ae T ，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 = Di n 1200 20 + = + = 610 mm 2 2 2 2 鞍座反力为 F = mg 6130 .4 9.8 = = 30039 .0 N 2 2 5.2.1 圆筒中间截面上的轴向弯矩 根据2中式 7-2，得： 2 ? 2 ( R a hi ) 1+ FL ? L2 ? M1 = 4 hi 4 ? 1+ ? 3 L ? = 8 .47 10 6 N ? mm ? ? 2 ( 610 2 300 2 ) 1+ 4 A ? 30039 2550 ? 2150 2 ?= ? 4 300 L ? 4 ? 1+ ? ? 3 2550 ? ? ? 4 300 ? ? 2550 ? ? ? 5.2.2 鞍座平面上的轴向弯矩 根据2中式 7-3，得： 2 2 ? hi A Ra + ? 1 2 AL L M 2 = FA ?1 4 hi ? 1+ ? 3L ? = 4 .86 10 6 N ? mm ? ? ? ? 1 ? = 30039 300 ?1 ? ? ? ? ? ? 300 610 2 300 2 + 2550 2 300 2550 4 300 1+ 3 2550 ? ? ? ? ? ? 图 5-1（a）筒体受剪力图 图 5-1（b）筒体受弯矩图 圆筒轴向应力计算及校核 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： 1 = p c Ra 2 e M1 3 .75 10 6 610 = 2 2 16 .5 Ra e 8 .47 10 6 = 69 .03 MPa 3 .142 0 .610 2 16 .5 （5-1） 最低点处： 2 = pc Ra M1 3 .75 10 6 610 8 .47 10 6 + = + = 69 .59 MPa 2 e Ra 2 e 2 16 .5 3 .142 0 .610 2 16 .5 （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 A 时，轴向应力 3 位于横截面最高点处. 取鞍座包角 = 120o ，查表 7-1（JB/T4731-2005）得， K 1 = 1.0, K 2 = 1.0 . 则 3 = p c Ra 2 e M2 3 .75 10 6 610 = 2 2 16 .5 K 1 Ra e 4 .86 10 6 = 69 .57 MPa 3 .142 1 0 .610 2 16 .5 Ra 2 ） b).在横截面最低点处的轴向应力 4 ： 4 = pc Ra M2 3 .75 10 6 610 4 .86 10 6 + = + = 69 .07 MPa 2 e K 2 Ra 2 e 2 16 .5 3 .142 1 0 .610 2 16 .5 5.3.3 圆筒轴向应力校核 0 .094 0 .094 = = 0 .002543 Ri e 610 / 16 .5 A= （5-3） 查图 4-810得， E =1.86 10 5 ,则 2 2 B = EA = 1.86 10 5 0.002543 = 315 .3MPa 3 3 = max 1 , 2 , 3 , 4 max = 69 .59 MPa = B = 315 .3MPa 满足条件 ac ac max 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： K 3 = 0.880 K 4 = 0.401 = （5-4） K3F 0.88 30039 = = 2.63 MPa Ra e 0.610 0.0165 圆筒被封头加强（ 5.4.2 圆筒被封头加强（ A Ra 2 ）时，其最大剪应力 h 根据2中式 7-10，计算得： h = （5-5） K 4 F 0.401 30039 = =1.20 MPa Ra he 0.610 0.0165 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 0.8 。封头的切向剪应力，应满足 h 1.25 t ? h t 而 = 2.63MPa 0.8 = 0.8 170 =136 MPa 故圆筒满足强度要求。 根据2中式 7-12 Di 1 K = 2+ 6 2 hi 2 t = 1 1200 2+ 6 2 300 2 =1 （5-6） h = （5-7） Kp c Di 1 3.75 1200 = =136 .36 MPa 2 he 2 16.5 h =1 .20 MPa b +1 .56 Ra n ，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。 在横截面的最低点处： 5.5.1 在横截面的最低点处： 根据2中式 718 5 = ( kK 5 F e + re b2 ) 其中 k = 0.1 （容器焊在支座上） （5-8） 查2中表 7-3 知， K 5 = 0.76 则 5 = 0.1 0.76 30039 = 0.63MPa 20 +6 140 ( ) 5.5.2 在鞍座边角处 由于 L Ra = 2550 = 4.18 8 610 根据2中式 720: 6 = F 4 e + re b2 ( ) 12 K 6 FR a 2 2 L e + re ( ) 查 2 中 表 7-3 知 ， K 6 = 0.013 则 由 于 A Ra = 0 .3 = 0.49 0.5 0.610 6 = 30039 12 0.013 30039 610 = 5.63MPa 4 20 +6 140 2550 20 +6 2 ( ) ( ) （5-9） 5.5.3 鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力 由于 L Ra 8 ，根据2中式 722 6 = F 4 eb2 12 K 6 FRa 30039 = 2 4 20 140 L e 12 0.013 30039 610 = 5.48 MPa 2550 20 2 5.5.4 周向应力校核 根据2中式 7.3.4.3 5 = 0 .65 MPa =170 MPa 6 6 = 5 .63 MPa 1 .25 =1 .25 170 = 212 .5 MPa = 5 . 48 MPa 1 . 25 =1 .25 170 = 212 . 5 MPa t t t 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 = 120o ， 查 2 中 表 7 5 得 ： K 9 = 0.204 。 则 Fs = K 9 F = 0 .204 30039 = 6128 N 垫板起加强作用，则： 9 = Fs H s b0 + br re 其中 re = 6 mm , br = b2 =140 mm ， Ra 610 = = 203mm ，H = 203 6 =197 mm 3 3 则 H s = min H , Ra =197 mm 3 则 9 = 6128 = 3.03 MPa 0.197 0.006 +0.14 0.006 查2中表 51，得： sa = 147MPa ，则 2 3 =98MPa sa 由于 9 FEv 所以压应力应按2中式 729 计算： sa = （5-9） 其中 F Asa FEv H 2Z r FEv H v Asa L 2 A ( ) H v = R +H = 1200 +197 = 697 mm ， 2 筋板面积 腹板面积： A2 = (l1 A1 = b2 3 =140 6 = 840 mm 2 50 ) 2 = 880 ( 50 6 = 4980 mm 2 ) Asa = 6 A1 + A2 = 6 840 + 4980 = 10020mm 2 x= 880 l1 10 15 3 l3 = 10 15 6 200 = 209mm 2 2 3 6 = 209 + = 212 mm 2 2 Z1 = x + Z 2 = Z 1 + l 3 = 212 + 200 = 412 mm 形心： yc = 6 A1 b2 + 2 2 6 840 140 +6 2 = = 36 .7 mm Asa 10020 ( ) ( ) yc = b2 + 2 2 2 yc = 140 +6 2 36 .7 = 36 .3mm b l 20 2 2 I y = 2 3 2 3 + A1 Z 1 + Z 2 + 2 1 12 12 ( ) ( ) 3 140 6 2 6 880 20 =2 3 +840 212 2 + 412 2 + 12 12 = 498367180 mm 4 b l 20 I z = 6 2 3 + A1 xy c + 2 1 + A2 y c 12 12 =6 3 3 ( ) ( ) 3 ( ) 140 3 6 6 3 880 20 +840 209 36 .3 + + 4980 36 .7 12 12 ( ) = 46667214 mm 4 腹板与筋板组合截面断面系数： max = Z max 170 b1 10 = 10 = 75 mm 2 2 l 880 = 1 10 = 10 = 430 mm 2 2 Z ry = Z rz = Iy Z max = 498367180 =1158993 .4 mm 3 430 Iz 46667214 = =108528 .4 mm 3 Z max 430 Z r = min Z ry , Z rz =108528 .4 mm 3 代入公式 sa = ? F H FEv H v F ? Ev ? 得 Asa 2Z r Asa (L ? 2 A) FEv H 2Z r FEv H v 30039 = Asa L 2 A 10020 sa = F Asa ( ) 4806.2 197 2 108528.4 4806.2 697 10020 2550 2 300 ( ) = 7.531MPa sa = t F Asa FfH 30039 = Zr 10020 30039 0.4 197 = 24 .807 MPa 108528 .4 取 K 0 = 1 .2 则 K 0 sa = 1.2 147 = 176.4 MPa 根据2中式 732 进行校核 sa = 7 .531 MPa K 0 sa t =176 .4 MPa = 24 .807 MPa =147 MPa sa sa 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 0 M Ev 0 = FEv H V = 4806 .2 697 = 3349921 N ? mm 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 bt = 0? M Ev 0 nlAbt （5-10） 其中 n 为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，n = 2 ；l 为筒体轴线两侧的螺栓间 距 l = l 2 = 720mm ； Abt 为 每 个 地 脚 螺 栓 的 横 截 面 面 积 ， Abt = 4 d2 = 4 20 2 = 314mm 2 ；则 0 M Ev 0 3349921 bt = = = 7 .41 MPa nlA bt 2 720 314 取载荷系数 K 0 = 1.2 ， bt =147 MPa ，则 K 0 bt =1 .2 147 =176 .4 MPa 由于 bt K 0 bt ，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 bt = （5-11） FEv n Abt 其 中 n 为 承 受 剪 应 力 的 地 脚 螺 栓 个 数 ， n = 4 ； Ab