四效蒸发器.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书60kt/a氯碱厂四效蒸发器设计 目 录引言 1第一章 加热室设计计算 3符号说明 31.1 设计条件 91.2 结构尺寸及参数 91.3 材料选择 91.4 壳体圆筒计算 101.5 管箱圆筒计算 101.6 开孔补强 111.6.1 开孔所需补强面积 111.6.2 有效补强范围 111.6.2.1 有效宽度 111.6.2.2 有效高度 111.6.3 有效补强面积 121.6.3.1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 121.6.3.2 接管多余金属面积 121.6.3.3 接管区焊缝面积 121.6.3.4 有效补强面积 121.7 水压试验 121.7.1 壳程 121.7.2 管程 121.8 管板计算 131.8.1 换热管稳定许用压力 131.8.2 管板应力校核 161.8.2.1 只有壳程设计压力，不计入膨胀变形差 161.8.2.2 只有壳程设计压力，计入膨胀变形差 181.8.2.3 只有管程设计压力，不计入膨胀变形差 201.8.2.4 只有管程设计压力，计入膨胀变形差 221.9 膨胀节校核 241.9.1 膨胀节参数 241.9.2 膨胀节轴向刚度 251.9.3 校核计算 261.10 其他辅助设备 271.10.1 折流板 271.10.2 支座 271.10.3 电机 27第二章 蒸发室设计计算 29符号说明 292.1 设计条件 322.2 材料选择 322.3 筒体壁厚计算 322.4 上锥壳壁厚计算 322.5 设置加强圈 332.6 加强圈的设计计算 332.7 循环管壁厚计算 352.8 封头厚度计算 352.9 开孔补强 362.9.1 开孔所需面积 362.9.2 有效补强范围 362.9.2.1 有效宽度 362.9.2.2 有效高度 362.9.3 有效补强面积 372.9.3.1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 372.9.3.2 接管多余金属面积 372.9.3.3 接管区焊缝面积 372.9.3.4 有效补强面积 372.10 水压试验 37第三章 塔体设计计算 39符号说明 393.1 设计条件 403.2 设备质量载荷计算 403.3 风载荷与风弯矩计算 413.3.1 风载荷 413.3.2 自振周期 433.3.3 风弯矩计算 433.4 地震弯矩计算 433.5 各种载荷引起的轴向应力 443.6 塔体和裙座危险截面的强度与稳定性校核 453.6.1 塔体的最大组合轴向拉应力校核 453.6.2 塔体与裙座的稳定性校核 453.7 塔体水压试验和吊装时的应力校核 463.7.1 水压试验时各种载荷引起的应力 463.7.2 水压试验时应力校核 463.7.3 吊装时应力校核 473.8 基础环设计 473.8.1 基础环的尺寸 473.8.2 基础环的应力校核 473.8.3 基础环的厚度 473.9 地脚螺栓计算 483.9.1 地脚螺栓的最大拉应力 483.9.2 地脚螺栓螺纹根径 48结论 49参考文献 50谢辞 51第一章 加热室设计计算符号说明 A ：开孔削弱所需要的补强截面积, （开孔补强） B ：补强有效宽度，mm d ：开孔直径，mm ：强度削弱系数 ：接管外侧有效补强高度，mm ：接管内侧有效补强高度，mm ：壳体开孔处的计算厚度，mm ：壳体开孔处的有效厚度，mm ：接管有效厚度，mm ：壳体开孔处的名义厚度，mm ：接管名义厚度，mm ： 接管计算厚度，mm ：试验压力，MPa （水压试验） ：设计压力，MPa ：容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa ：容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa ：试验压力下圆筒的应力，MPa ：圆筒内直径，mm ：筒体的有效厚度，mm ：圆筒材料试验温度下的屈服点，MPa ：圆筒的焊接接头系数 ：壳程圆筒内直径横截面积， （管板计算） ：隔板槽面积， ：管板开孔后面积， ：圆筒壳壁金属横截面积， ：管板布管区面积， a：换热管管壁金属的横截面积， ：系数 ：系数 ：管板布管区的当量直径，mm ：换热管外径，mm ：壳体法兰材料的弹性模量，MPa ：管板材料弹性模量，MPa ：壳程圆筒材料的弹性模量，MPa ：换热管材料的弹性模量，MPa ：系数 ：系数 ：系数 ：系数 ：系数 ：换热管加强系数 ：壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数 ：管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数 ：旋转刚度参数 ：管板周边布管区无量宽度 ：换热管有效长度，mm ：换热管与管板胀接长度或焊脚高度，mm ：管板总弯矩系数 ：管板第一弯矩系数 ：管板第二弯矩系数 ：换热管根数 ：有效压力组合，MPa ：边界效应压力组合，MPa ：当量压力组合，MPa ：壳程设计压力，MPa ：管程设计压力，MPa ：壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比 ：换热管与管板连接的拉脱力，MPa ：许用拉脱力，MPa ：换热管中心距，mm ：制造环境温度， ：沿长度平均的壳程圆筒金属温度， ：沿长度平均的换热管金属温度， ：管板边缘剪切系数 ：壳程圆筒材料线膨胀系数 ：换热管材料线膨胀系数 ：系数 ：换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差 ：管板计算厚度，mm ：壳程圆筒厚度，mm ：换热管壁厚，mm ：管板刚度削弱系数 ：系数 ：管板强度削弱系数 ：壳程圆筒轴向应力，MPa ：管板径向应力，MPa ：管板布管区周边处的径向应力，MPa ：管板径向应力系数 ：管板布管区周边处径向应力系数 ：换热管轴向应力，MPa ：在设计温度时，壳程圆筒材料的许用应力，MPa ：换热管稳定许用应力，MPa ：在设计温度时，管板材料的许用应力，MPa ：在设计温度时，换热管材料的许用应力，MPa ：边界效应压力组合系数 ：管板边缘力矩系数 ：系数 ：管板布管区周边剪切应力系数 ：管板布管区周边剪切应力系数 ：系数 ：系数 ：腐蚀裕量 （膨胀节校核） ：系数 ：系数 ：系数 ：波纹管平均直径，mm ：波纹管直边段平均直径，mm ：波纹管直边段与波纹内径，mm ：直边段加强圈平均直径，mm ：容器圆筒外直径，mm ：室温下波纹管材料的弹性模量，MPa ：设计温度下波纹管材料的弹性模量，MPa ：设计温度下加强圈材料的弹性模量，MPa ：容器壳体材料在设计温度下的弹性模量，MPa ：一个波的轴向位移，mm ：波纹管波高，mm ：系数 ：波纹管直边段长度，mm ：波纹管波的长度，mm ：直边段加强圈长度，mm ：波纹管长度，mm ：波纹管的层数 ：波纹管的波数 ：设计压力，MPa ：试验压力，MPa ：许用外力，MPa ：波纹管一层材料的名义厚度，mm ：波纹管第一层材料的有效厚度，mm ：直边段加强圈的有效厚度，mm ：考虑成形过程中厚度减薄时，波纹管一层材料的有效厚度mm ：容器圆筒名义厚度，mm ：容器圆筒有效厚度，mm ：内衬套名义厚度，mm ：内压引起直边段加强圈周向薄膜应力，MPa ：内压引起波纹管直边段周向薄膜应力，MPa ：内压引起波纹管周向薄膜应力，MPa ：内压引起波纹管径向薄膜应力，MPa ：内压引起波纹管径向弯曲应力，MPa ：轴向位移引起波纹管径向薄膜应力，MPa ：轴向位移引起波纹管径向弯曲应力，MPa ：设计温度下波纹管材料的许用应力值，MPa ：设计温度下波纹管材料的屈服点，MPa1.1 设计条件设计条件管程壳程设计压力，MPa0.10.08操作压力，MPa-0.030.07设计温度，100135操作温度，80105壳程圆筒金属温度，160换热管金属温度，140介质碱液 水蒸汽腐蚀余量C2，mm22程数11焊接接头系数0.850.851.2 结构尺寸及参数换热器公称直径DN2000，即 换热管规格 换热管排管根数 换热管为正三角形排列，管心距 换热管与管板的连接形式：强度焊加贴胀1.3 材料选择 以下数据查自GB150-1998壳体圆筒材料：16MnR查表4-1，170设计温度下许用应力 查表F5，160金属温度下弹性模量 查表F6，151金属温度下平均线膨胀系数 管箱圆筒材料：16MnR查表4-1，150设计温度下许用应力 查表F5,135金属温度下弹性模量 换热管材料：20查表4-3，160设计温度下许用应力 查表F1,160设计温度下屈服应力 查表F5，140设计温度下弹性模量 查表F6，140金属温度下平均线膨胀系数 管板材料：16MnR查表4-1，常温下许用应力 查表F1，160设计温度下许用应力 查表F5，160金属温度下弹性模量 膨胀节材料：0Cr18Ni9查表4-1, 170设计温度下许用应力 查表F1, 170设计温度下屈服应力 查表F5，170设计温度下弹性模量 查表F6, 常温下弹性模量 1.4 壳体圆筒计算圆筒计算厚度 : 壳程设计压力，Mpa名义厚度 考虑开孔补强及结构设计要求，取 1.5 管箱圆筒计算圆筒计算厚度 ：管程设计压力，MPa名义厚度：考虑大开孔采用整体加厚补强，取 1.6 开孔补强计算最大开孔是否需要补强1.6.1 开孔所需补强面积 先计算强度削弱系数, 接管有效厚度 开孔直径 开孔所需补强面积为： 1.6.2 有效补强范围 1.6.2.1 有效宽度 取二者中的大值，所以 1.6.2.2 有效高度 外侧有效高度 （实际外伸高度） 取小值，故 内侧有效高度 （实际内伸高度） 取小值： 1.6.3 有效补强面积 1.6.3.1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 1.6.3.2 接管多余金属面积 1.6.3.3 接管区焊缝面积（焊脚取10.0mm） 1.6.3.4 有效补强面积 故无需补强1.7 水压试验1.7.1 壳程 试验压力 水压试验校核 合适1.7.2 管程 试验压力 水压试验校核 合适1.8 管板计算1.8.1 换热管稳定许用应力 查GB151-1999附录J表，得换热管的回转半径 换热管受压失稳当量长度 系数 查GB151-1999，当 时 合格 壳程圆筒内直径横截面积 在布管区范围内设隔板和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积： 管板开孔后的面积： 系数 圆筒壳壁金属横截面积： 管板布管区面积： 一根换热管管壁金属的截面积，查GB151-1999附录J得 换热管管壁金属的总横截面积： 系数 布管区的当量直径 管板布管区的当量直径与壳程圆筒内直径之比： 系数，按 和 查GB151-1999 图25和图26 ，无法兰，故 按 ， 查得 ， 管箱圆筒与法兰的旋转刚度参数： 按 ， 查GB151-1999 图25得 壳体法兰与圆筒的旋转刚度参数： 壳体带波形膨胀节时，换热管与壳程圆筒的热膨胀变形差： 设定换热器制造环境温度 波形膨胀节刚度 壳体不带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比： 假定管板厚度 壳程腐蚀裕量 2 mm 管板有效厚度 换热管有效长度 壳体带波形膨胀节时，换热管束与圆筒刚度比： 系数 根据GB151-1999 表27因设置膨胀节，故： 系数 管板强度削弱系数 管板刚度削弱系数 换热管加强系数 管板周边不分布管区无量纲宽度： ，符合GB151-1999中5.7.3的规定 旋转刚度参数： 管束模数： 旋转刚度无量纲参数： 管板第一弯矩系数：按 和 查GB151-1999图27得 管板第二弯矩系数：按 和 查GB151-1999图28（a）得 系数：按 和 查GB151-1999图29得 系数：按 和 查GB151-1999图30得 =0.00135 系数 1.8.2 管板应力校核 1.8.2.1 只有壳程设计压力，而管程设计压力 ，不计入膨胀变形差 ， 壳程设计压力 当量压力组合 有效压力组合 边界效应压力组合 边界效应压力组合系数： 管板边缘力矩系数： 管板边缘剪切系数： 管板总弯矩系数： 系数 系数，当 时，按K和m，查GB151-1999图31（a）实线， 知 ，故系数 管板布管区周边剪切应力系数： 管板径向应力系数： 管板布管区周边处径向应力系数： 管板径向应力： 合格 管板布管区周边处的径向应力： 合格 管板布管区周边处剪切应力： 合格 换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力） 合格 1.8.2.2 只有壳程设计压力，而管程设计压力，计入膨胀变形差。 壳程设计压力 当量压力组合 有效压力组合 边界效应压力组合 边界效应压力组合系数 管板边缘力矩系数 管板边缘剪切系数 管板总弯矩系数 系数 系数 ，当 时，按 和 查GB151-1999图31(a)得 知 ，故系数 管板布管区周边剪应力系数： 管板径向应力系数： 管板布管区周边处径向应力系数： 管板径向应力： 合格 管板布管区周边处的径向应力： 合格 管板布管区周边处剪切应力： 合格 壳程圆筒轴向应力： 换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力） 合格 换热管与管板的焊脚高度按GB151-1999中5.8.3.2的规定，L=5mm 换热管与管板的拉脱力： 合格 1.8.2.3 只有管程设计压力 ，而壳程设计压力 ，不计入膨胀变形差 ， 管程设计压力 当量压力组合 有效压力组合 边界效应压力组合： 边界效应压力组合系数： 管板边缘力矩系数： 管板边缘剪切系数： 管板总弯矩系数： 系数: 系数 ，当 时，按 和 查GB151-1999图31（a）实线得： 知 ，故系数 管板布管区周边剪切应力系数： 管板径向应力系数： 管板布管区周边处径向应力系数： 管板径向应力： 合格 管板布管区周边处的径向应力： 合格 管板布管区周边处剪切应力： 合格 壳程圆筒轴向应力： 换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力） 合格 换热管与管板的焊脚高度按GB151-1999中5.8.3.2的规定， 换热管与管板连接的拉脱力： 合格 1.8.2.4 只有管程设计压力，而壳程设计压力，计入膨胀变形差 管程设计压力 当量压力组合 有效压力组合 边界效应压力组合： 边界效应压力组合系数： 管板边缘力矩系数： 管板边缘剪切系数： 管板总弯矩系数： 系数 系数，当 时，按 和 ，查GB151-1999图31（a）得 知 ，故系数 管板布管区周边剪切应力系数： 管板径向应力系数: 管板布管区周边处径向应力系数： 管板径向应力： 合格 管板布管区周边处的径向应力： 合格 管板布管区周边处剪切应力： 合格 壳程圆筒轴向应力： 换热管轴向应力（位于管束周边处换热管轴向应力） 合格 换热管与管板的焊脚高度按GB151-1999中5.8.3.2的规定， 换热管与管板连接的拉脱力： 合格1.9 膨胀节校核1.9.1 膨胀节参数 膨胀节型号：膨胀节HFWC（A）2000-1.0101 GB16749-1997 ， 1.9.2 膨胀节轴向刚度 按 , 查GB16749图6-2得： 按 , 查GB16749图6-3得： 按 , 查GB16749图6-4得： 一个波的轴向刚度： 1.9.3 校核计算 计算校核许用值组合工况下的参数计算值设计压力p,MPa0.080.0800应力校核圆筒轴向应力 ，MPa0.15-0.67-8.37-0.79轴向位移 ，mm10.50.12-0.530.24-0.62直边段周向薄膜应力MPa3.163.1600波纹管周向薄膜应力MPa24.8824.8800波纹管径向薄膜应力MPa3.193.1900波纹管径向弯曲应力1.851.8500位移应力轴向伸缩变形引起的波纹管径向薄膜应力0.23-1.000.45-1.17轴向伸缩变形引起的波纹管径向弯曲应力9.79-43.2519.59-50.60组合应力 ，MPa5.045.0400 ，MPa10.2-44.2520.04-51.77 ,MPa13.5-40.7220.04-51.771.10 其他辅助设备1.10.1 折流板 选弓形折流板，且缺口朝上，在最低处开通气口。 折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm,则：最小间距为400mm。1.10.2 支座 加热室支座可按JB/T4712选用鞍式支座。 1.10.3 电机 选用Y355M1-6/160型轴流泵，其主要参数为： 介质允许固体颗粒：大小0.2mm；含量18% 介质允许温度：150 叶片数：4只 叶轮直径：450mm 泵进口压力：2.4kgf/ 外形尺寸：26008801050第二章 蒸发室设计计算符号说明 ：厚度附加量mm ：圆筒或球壳的内直径mm ：圆筒或球壳的外直径mm ：压力MPa ：圆筒或球壳的计算厚度mm ：圆筒或球壳的名义厚度mm ：圆筒或球壳的有效厚度mm ：设计温度下圆筒或球壳的计算应力MPa ：设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力MPa ：焊接接头系数 A：系数 （加强圈的设计） ：加强圈的横截面积， B：系数 C：厚度附加量，mm ：圆筒内直径，mm ：圆筒外直径，mm E：设计温度下材料的弹性模量，MPa I：加强圈与壳体组合段所需惯性矩， ：加强圈与壳体起加强作用的有效段的组合截面对通过与壳体轴线平行的该截面形心轴的惯性矩， L：圆筒计算长度，mm ：从加强圈中心线到相邻两侧加强圈中心线距离之和的一半，若与凸形封头相邻，在长度中还应计入封头曲面深度的1/3，mm ：计算外压力，MPa ：圆筒的名义厚度，mm ：圆筒的有效厚度，mm ：设计温度下圆筒或管子材料的许用应力，MPa ：设计温度下圆筒或管子材料的屈服点，MPa ：设计温度下圆筒或管子材料的0.2%屈服强度，MPa A ：开孔削弱所需要的补强截面积, （开孔补强） B ：补强有效宽度，mm d ：开孔直径，mm ：强度削弱系数 ：接管外侧有效补强高度，mm ：接管内侧有效补强高度，mm ：壳体开孔处的计算厚度，mm ：壳体开孔处的有效厚度，mm ：接管有效厚度，mm ：壳体开孔处的名义厚度，mm ：接管名义厚度，mm ： 接管计算厚度，mm ：试验压力，MPa （水压试验） P：设计压力，MPa ：容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPa ：容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa ：试验压力下圆筒的应力,MPa ：筒体的有效厚度，mm ：圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa2.1 设计条件 设计压力：0.1MPa （受外压且无安全控制装置，取设计压力0.1MPa） 设计温度：100 物料名称：碱液、水蒸汽 腐蚀裕量：2mm 焊接接头系数：0.85 保温材料：岩棉保温毡（厚度：100mm）2.2 材料选择 筒体材料：选用0Cr18Ni9,设计温度下的许用应力查1表4-1得： （616mm） 循环管材料：选用Q235-B，取加热室管程设计温度下的许用应力查1表4-1得： （4.516mm）2.3 筒体壁厚计算 假设名义厚度 ，则 筒体计算壁厚： 计算 ， 查图4-6得系数 A=0.000071, A落在设计温度下材料线的左方，则用式(4-27)计算许用压力P 显然 ，故需设置加强圈。2.4 上锥壳壁厚计算材料选用 16MnR设计温度 100设计压力 （内插法）钢号GB6654厚度mm常温强度指标10016MnR616假设锥壳名义厚度 ， ， 计算 ，查图4-6得系数A=0.0001，A落在设计温度下材料线的左方，则用式（4-27）计算许用外压力P 显然 ，故需设置加强圈。2.5 设置加强圈 将无加强圈时的计算长度上均布5个加强圈，故此时计算长度L=2700mm，则 ， 由GB150-1998表插值得 A=0.00035 再查GB150-1998表得 B=44MPa P大于且接近于，故合适2.6 加强圈的设计计算 选择加强圈为9020mm的扁钢，加强圈两侧的表面腐蚀裕量均为1mm，加强圈的计算尺寸为9018mm 。 计算加强圈横截面积及组合惯性矩： 加强圈两侧筒体起加强作用的宽度 加强圈的横截面积 加强圈的惯性矩 筒体起加强作用的截面积 筒体起加强作用部分的惯性矩 形心离X-X轴的距离a（见下图） 计算加强圈与壳体组合段的惯性矩 计算B值： 查GB150-1998图6-5得A=0.00027 计算所需惯性矩 比较 ，故满足要求。2.7 循环管壁厚计算（Di=1200mm） 材料选用16MnR， 设计温度100， 设计压力 考虑低合金钢制容器最小厚6mm，且加上腐蚀裕度，大开孔的补强，取 2.8 封头厚度计算下锥壳厚度计算（受内压无折边锥壳）按过程设备设计图4-19锥壳需要加强，按式 计算，其中 值查图4-20得 ，计算得 椭圆封头厚度取16mm即可。2.9 开孔补强计算最大开孔是否需要补强2.9.1 开孔所需面积 先计算强度削弱系数， ，取 接管有效厚度为 开孔直径 开孔所需补强面积 （受外压）2.9.2 有效补强范围2.9.2.1 有效宽度B 取二者中的大值，所以B=2408mm2.9.2.2 有效高度 外侧有效高度 (实际外伸高度) 取小值 内侧有效高度 （实际内伸高度） 取小值 2.9.3 有效补强面积 2.9.3.1 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积 2.9.3.2 接管多余金属面积 接管计算厚度 接管多余金属面积 2.9.3.3 接管区焊缝面积（焊脚高度6mm） 2.9.3.4 有效补强面积 因为 ，故开孔无需另行补强。2.10 水压试验 （外压容器） 水压试验校核 （） 合适第三章 塔体设计计算符号说明：基础环的面积，mm2 （基础环设计）：基础环截面系数，mm2 ：混凝土基础上的最大压应力，MPa ：基础环厚度，mm ：基础环材料的许用应力，MPa ：计算力矩， ：塔器的最小质量，kg ：塔器底部0-0截面的地震弯矩， ：地脚螺栓承受的最大拉应力，MPa ：地脚螺栓材料的许用应力，MPa ：地脚螺栓螺纹根径，mm ：地脚螺栓个数 ：地脚螺栓腐蚀余量，mm3.1 设计条件塔体内直径 塔高近似取 设置地区基本风压 N/m2 ；地震设防烈度为8度；近震；类场地土；地面粗糙度为A类；介质密度1200Kg/m3塔外保温层厚度为100mm；保温材料的密度为110kg/m3筒体，封头材料选用0Cr18Ni9,16MnR裙座材料选用Q235-B，塔体与封头C=2mm；裙座C=2mm3.2 设备质量载荷计算塔体与裙座质量 kg内件质量 kg保温层质量 kg物料质量 kg附属件质量 kg充水质量 kg偏水质量 kg容器的操作质量 kg塔段0-11-22-33-44-顶塔段长度/mm1160393550005000700026009000114001140016000_1001350_300382382536_340081178103663806702240285028503990327045548324425137021876各塔段最小质量/kg327011540146321473221876全塔操作质量/kg全塔最小质量/kg3.3 风载荷与风弯矩计算3.3.1 风载荷塔段号12345，mm116039355000500070002.0242.0242.0642.0862.1140.780.780.780.8050.8340.020.0780.02950.57611.171.171.381.521.631.0271.1051.4061.8272.507,500500500500500645264526852680041480.70.70.70.70.7283210339209392974237700 各计算段的水平风力根据JB/T4710-2005钢制塔式容器式8-17计算： 式中：水平风力，N ：基本风压值 查GB50009得呼市地区基本风压值 ：塔体体形系数 取 ：计算各段风振系数 ：脉动增大系数，由 查简明手册表16-4内插法求得 ：体形系数 可由简明手册表 16-6内插法求得 ：脉动影响系数 可由简