锅炉与压力容器,课程设计正文教材

1、夹套罐设计目录1设计说明 12设计参数选择 22.1设计压力 22.2设计温度 22.3材料的选择及许用应力确定 22.4焊缝系数 32.5附加厚度 33几何参数的确定 43.1罐体封头各参数 43.2罐体的高度及体积 43.3夹套的高度计算 43.4传热面积计算 53.5 搅拌口法兰尺寸确定 53.6视孔尺寸确定 63.7其他法兰、接管尺寸确定 64罐体强度设计 104.1罐体封头壁厚设计 104.1.1按内压罐体封头壁厚设计 104.1.2 按外压罐体封头壁厚设计 114.2罐体筒体壁厚设计 114.2.1 按内压罐体筒体壁厚设计 114.2.2按外压罐体筒体壁厚设计 125夹套强度设计

2、135.1夹套封头壁厚设计 135.2夹套筒体壁厚设计 146罐体与夹套连接处的剪切应力校核 156.1 罐体质量计算 156.2罐体内介质质量计算 156.3罐体上法兰及其它附属件质量计算 156.4总负荷计算 166.5焊缝连接处环形面积计算 166.6焊缝连接处剪切应力强度校核 167开孔补强设计 177.1搅拌器连接口补强计算 177.2蒸汽入口补强计算 187.3其他接口补强计算 188水压试验压力确定 198.1罐体水压试验压力计算 198.2罐体筒体在水压试验压力下强度校核 198.3罐体封头在水压试验压力下强度校核 198.4夹套水压试验压力计算 208.5夹套筒体在水压试验压

3、力下强度校核 208.6夹套封头在水压试验压力下强度校核 208.7罐体筒体在水压试验外压力下稳定性校核 208.8罐体封头在水压试验外压力下稳定性校核 209 支座的选取 2110参考文献 22II夹套罐设计1设计说明压力容器泛指承受介质压力的密闭容器。本次课程设计中的压力容器 是高效酒精回收装置中的夹套罐。夹套罐由内外两个容器套在一起构成， 内置容器是由竖直圆筒和上下两个椭球封头组成的罐体；在罐体的外面有 一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度 采用圆弧过渡结构与罐体连接。在罐体和夹套之间形成一个50mm左右的 间隔。工作原理：罐体盛装酒精溶液，罐体上部安装有搅拌

4、装置，使酒精溶 液在加热过程中得到均匀搅拌。在内置容器上设置有进料口、出料口、搅 拌器口、压力表口、安全阀口、观察口等工艺接口。在夹套上设置两个蒸汽入口，夹套的下部设有一个冷凝水出口。蒸汽 进入夹套后，对罐体内的酒精溶液进行加热，蒸汽冷凝成氺后从冷凝水出 口流出。设备的开孔情况：压力容器设备上共开有11个孔，连接有不同的接 管。a孔位于内置容器上封头的中心，用于连接搅拌器；b、e孔为安全阀 孔，同样位于内置容器上封头上；c、d同样位于内置容器上封头上，c 孔用于设置温度表，d孔用于设置压力表；f孔和g孔位于夹套筒体上， 是水蒸气的入口。h孔位于罐体上，用于设置视镜。i孔位于罐体筒体上， 是进料

5、口。J孔位于夹套封头上，为冷凝水出口。K孔位于罐体的下封头 上，作为出料口。82设计参数选择2.1设计压力P = K Pw( 2.1 )P-设计压力;K -系数；Pw-工作压力。当中低压容器上装有安全阀时，设计压力取等于开启压力Po，而Po取工作压力Pw的(1.05-1.1)倍，求得容器和夹套的设计压力分别为：罐体设计压力：P =K Pw -1.1 0.2 =0.22MPa夹套设计压力：P = K Pw =1.1 0.3 =0.33MPa2.2设计温度设计条件规定：罐内的操作温度为100 C,夹套内水蒸气的温度等于P 10 1 =0.33 10 1 =4.3kgf2，查表得 Td =151.1

6、 T。圆整后得 T 200 C。/ cm2.3材料的选择及许用应力确定选择Q 235A号钢，该号钢材厚度为3 4mm钢材标准为GB912,6 =375MPa,J =235MPa此号 钢板在 100 C时 的许用 应力二113MPa，在200 C时许用应力为:； -105MPa。2.4焊缝系数焊缝均采用.20%局部无损探伤=0.85 ;夹套与其封闭件采用单垫片，焊道系数=0.82.5附加厚度黃P Di二t2匚:-P钢板厚度；P-设计压力；门七-许用应力临界值；-焊缝系数。(2.2)C Ci C2C-厚度附加量；G-负偏差；(2.3)C2 -腐蚀裕度罐体圆筒壳：P Di2汀- P0.22 1000

7、2 105 0.85 -0.22=1.23mm查表得负偏差G = 0.2mm夹套圆筒壳:P Dj2汀-P0.33 11002 105 0.85-0.33=2.04mm查 表得：G 二 0.25mm， C2 二 1mm。罐体厚度附加量C罐=C1 C 0.21.2mm ；夹套附加量C夹=1.25mm。3几何参数的确定罐体封头选用标准椭球封头，底部采用支承式支座。3.1罐体圭寸头各参数罐体内径Di = 1000mm,查表得：封头曲面高度g = 250mm，直边高度h? = 25mm , 内表面积 F1 =1.16m2，容积 V1 = 0.151m3。3.2罐体的高度及体积筒体高度h=2Dj =200

8、0mm ；筒体体积 V2 =二 r2h = 3.14 0.52 2 = 1.57m3；罐总体积 V1 二V2 2V； =1.57 2 0.151 = 1.872m3。3.3夹套的高度计算罐体酒精填充系数为0.8。罐内酒精体积为：Vjj =V1 0.8-V； =1.872 0.8-0.151 = 1.35m3罐内酒精高度：Vi, 1 35hjj2 = 1.72m二 r二 0.5夹套筒体及封头高度：h=山 g h2 -15 =1720250 25 - 15 二 1980m间隙为50mm可得夹套整体高度为1980 + 50 = 2030mm。3.4传热面积计算传热面积：Sh 2二rh(3.1)Sh

9、-传热面积；F i -圭寸头内表面积；r -内半径；h-夹套筒体高度。2传热面积=1.162 二 0.5 1.980 = 7.38m。3.5搅拌口法兰尺寸确定Dj =(0.25 0.75)Dn =0.5 1000 = 500mmD = (0.1 0.25)Dj =0.2 500 = 100mmhj = (0.2 1) Dj =0.6 500 = 300mmZ = 2P=0.22MPa ,为保证安全，选取 PN=1.0MPa , D80mm。则根据法兰标准JB / T81-1994 ,搅拌口法兰尺寸确定为：表3-1 法 兰标准JB/T81-1994公称通径DN管子外径A连接尺寸密封面尺寸法兰厚度

10、C法兰内径B法兰理论重量(kg )法兰外径D螺栓 孑L中 心圆 直径K螺栓孔直径L螺栓、螺柱df数量n螺纹Th8089200160184M16135320913.59夹套罐设计3.6视孔尺寸确定选取公称直径Dn =125mm ,公称压力Pn =10MPa的视镜表 3-2 标准 HGJ502 86螺栓质量(kg)标准号dD1b1b2数量直径碳素钢I不锈钢U22519028281438M1613.6HGJ502 86 -9HGJ50286 193.7 其他法兰、接管尺寸确定压力容器上的所有安全阀的总排量，必须大于或等于压力容器的安全泄放量查得锅炉的安全泄放量为2600kg/h排放量：G =0.23

11、5A10.2P 1 K =0.235 d42600 0.235 二 10.2 1.3 11 110.2P 1 KpKg(3.2)4设有两个安全阀，总排放量必须不小于安全泄放量，才符合要求兀 22G =2 0.235A10.2P 1 K =2 0.235 d210.2P 1 KpKg _2600438=23.05mm47600- 2 0.235 二 10.2P 1 KpKg选A42-16C弹簧封闭全启式安全阀，法兰连接，密封面材料硬质合金, 公称压力1.6MPa，阀体材料碳钢。则根据法兰标准 JB / T81-1994，安全阀口 b、e型号：Dn = 32mm, pN =1.0MPa。法兰外径D

12、螺 栓 孔 中 心 圆 直 径K螺栓孔直径L螺栓、螺柱df法兰理论重量（kg）数量n纹Th3238140100184M1678218391.86表3-3安全阀口法兰参数温度表口 c, Dn 10mm, pN =1.0MPa。表3-4温度表口 c法兰参数公称通径DN管子外径A连接尺寸密封面尺寸法兰厚度C法兰内径B法兰理论重量（kg）法兰外径D系列1/系列2螺 栓 孔 中 心 圆 直 径K螺栓孔直径L螺栓、螺柱df数量n螺纹Th10149060144M1240214150.61压力表不需要法兰，压力表口 d的无缝钢管的外径取25mm.进料口和出料口的法兰公称通径为罐体内径的十分之一左右，根据法兰标

13、准JB / T81-1994 ,进料口 i ,出料口 k的法兰尺寸确定为：型号：Dn = 100mm,Pn =1.0MPa。表3-5进、出料口法兰参数公称通径DN管子外径A连接尺寸密封面尺寸法兰厚度C法兰内径B法兰理论重量(kg )法兰外径D螺 栓 孔 中 心 圆 直 径K螺栓孔直径L螺栓、螺柱df数量n螺纹Th100108220180188M16155320913.59查得蒸汽入口 f、g的法兰通径为150 mm，则根据法兰标准JB / T81-1994 ,法 兰尺寸确定为 型号：DN =150mm,PN =1.0MPa表3-6蒸汽入口法兰参数公称通 径DN管子外径A连接尺寸密封面尺寸法兰厚

14、度C法兰内径B法兰理论重量(kg )法、八外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓、螺柱df数量n螺纹Th150159285240228M202103241617.61查得冷凝水出口的公称通径为75mm,则根据法兰标准JB / T81-1994,冷凝水出口 j 的法兰尺寸确定为型号：Dn =80mm, & =1.0MPa。表3-7冷凝水出口法兰参数公称通径DN管子外径A连接尺寸密封面尺寸法兰厚度C法兰内径B法兰理论重量（kg）法兰外径D螺 栓 孔 中 心 圆 直 径K螺栓孔直径L螺栓、螺柱df数量n螺纹Th8089200160188M16135320913.594罐体强度设计4.1罐体圭寸头壁

15、厚设计4.1.1按内压罐体封头壁厚设计KP Di2汀、-0.5PP（De）2飞(4.1)(4.2)、：计算壁厚（mm ；K系数；p 罐体设计压力（MPa；D i 封头内径（mm ；&t 设计温度下材料的许用应力（MPa；焊缝系数；封头壁厚：KP Di2刁-0.5P1 x 0.22 汇 10002 105 0.85 -0.5 0.22=1.23mm设计壁厚：、d =、 C2 =1.23 1 = 2.23mm查表得负偏差C1 = 0.2mm名义壁厚：、n 二、d G = 2.23 0.2 二 2.43mm圆整后，名义壁厚为=5mm有效壁厚、：e =5 -1.2 =3.8mmP(D e)2e0.22

16、 (10003.8)2 3.8 0.85= 34.19MPa 汀故Sn二5mm合适。4.1.2按外压罐体封头壁厚设计假设 Sn =5mm,则、飞=5-1.2 =3.8mmD0 =1000 5 2 = 1010mm10102 (2505)查得：K=0.9R0 = KD 0 =0.9 1010 = 909mm9093.8= 239.210.1375A0.000575239.21内插法查得：B =72.00二 0.30MPa丛B二空R。/239.21/SePl P = 0.22MPa故罐体圭寸头壁厚为5mm合适。4.2罐体筒体壁厚设计4.2.1按内压罐体筒体壁厚设计筒体壁厚：, P Di0.22汉1

17、000t -1.23mm2刁-P 2 105 0.85 -0.22设计壁厚：、d 二、C2 =1.23 1 = 2.23mm查表得负偏差G =0.2mm名义壁厚：n = d G =2.23 0.2 = 2.43mm圆整后，名义壁厚为=5mm有效壁厚、：e =5 1.2 =3.8mmP(Dj，e)2-e；：0.22 (1000 3.8)2 3.8 0.85= 34.19MPa汀故Sn =5mm合适4.2.2按外压罐体筒体壁厚设计2L =h(h1 h2)(4.3 )322筒体计算长度：L = h -(h1 h2 2000-(250 25) = 2183.33mm33D0 =10005 2 =101

18、0mmLD0 二2.2.1610101010查表143.8-1得:= 265.79A =0.000385查表14-3得:B 二 45.10Pl.R0265.79245 100.41MPa PSe符合要求，故筒体壁厚 取Sn =5mm。5夹套强度设计5.1夹套封头壁厚设计夹套的设计压力为0.33MPa，内径为1100mm,许用应力为105MPa，焊 缝系数为0.85，形状系数Di:. 2,查表得：K=1.0/2hi 2250夹套封头壁厚为：, KP Di仆 0.33 汇 1100t -2.04mm2二-0.5P2 105 0.85 -0.5 0.33设计壁厚：、d 二、 C2 =2.04 1 =

19、 3.04mm查表得负偏差C0.25mm（C1 =0.25时，计算名义厚度时可忽略，在此将其计算在内）名义壁厚：n = d C1 = 3.04 0.25 = 3.29mm圆整后，名义壁厚为、：n =5mm有效壁厚、e =5 -1.2 3.75mm(5.1)P(KDj 0.5、e)r7P(KDj 0.5、e)0.33 (1 11000.5 3.75)23.75 汇 0.85= 57.04MPa t所以，该标准椭圆形封头的名义壁厚 Sn =5mm合适5.2夹套筒体壁厚设计夹套的设计压力为0.33MPa，内径为1100mm,许用应力为105MPa，焊 缝系数为0.8筒体壁厚：, P Di0.33x1

20、100t2.16mm2；-P 2 105 0.8 -0.33设计壁厚：、d =C2 = 2.16 1 = 3.16mm查表得 负偏差C1 = 0.25mm（G=0.25时，计算名义厚度时可忽略，在此将其计算在内）名义壁厚：、n = d G = 3.16 0.25 = 3.41mm圆整后，名义壁厚为:.n二5mm有效壁厚飞=5 -1.25 =3.75mmP(Di 壮)2、J0.33 (1100 375)2 3.75 0.8= 60.71MPa 汀所以，夹套筒体壁厚、：n =5mm合适6罐体与夹套连接处的剪切应力校核6.1罐体质量计算3Mr =M 筒 2M 封=7.85 102二rhs 2 46=

21、 7.85 1032 3.14 0.5 2 0.005 2 46=338.49kg6.2罐体内介质质量计算由于考虑到水压实验，所以介质密度采用水的密度M2 =水V水 -1.0 103 0.151 =151kg6.3罐体上法兰及其它附属件质量计算其余各附属件质量主要是指接管的质量。表6-1各法兰及接管参数名称接管外径/mm壁厚/mm接管质量（kg /m）法兰质量/kg搅拌器连接口8944.203.59安全阀383.52.591.86安全阀383.52.591.86温度表1430.4070.61压力表2530.815-蒸汽入口1594. 58.587.61蒸汽入口1594. 58.587.61窥镜

22、口-13.6进料口10845.123.59岀料口10845.123.59冷凝水岀口8944.203.59法兰 总质量 M 法=3.59 1.86 . 359 = 47.51kg接管的长度均取500mm=接管 总质量 M 接=4.20 2.59 . 4.20 = 42.202kgM3 =48.61 42.202 =89.712kg6.4总负荷计算G=(M, M2 M3) 9.8=(338.49 151 89.712) 9.8 = 5676.18N6.5焊缝连接处环形面积计算F Q0、，3.14 (1000 10) 5 0.85 = 13478.45mm26.6焊缝连接处剪切应力强度校核=G 9.

23、85676.189.8 =4.13MpaF13478.45：0.8 J 严0 =0.8 105=84Mpa焊接处的应力校核满足要求。7开孔补强设计按设计要求开11个孔，分别为搅拌器连接口，安全阀口，温度表口， 压力表口，安全阀口，蒸汽入口，蒸汽出口，窥镜口，进料口，冷凝水出 口，出料口。7.1搅拌器连接口补强计算因开孔而削弱的金属面积的计算：=1.23mm, KP Di仆 0.22 如 000= t2二0.5P2 105 0.85 -0.5 0.22接管直径：d 二 di 2C2 = 89 2 仁 91mm削弱的金属面积A：强度削弱系数匚=1Ad 2、(、nt -C)(1 - fr) =1.2

24、3 9 111.93mm2接管设计壁厚：Prd0.22 910.11mm2貯 _p 2X105X0.85 0.22外侧有效 高度：dh、；91 5= 21.33mmB 二 max2d, d 2、n 2 nt (7.1)A1 =(B -d)5 C -(7.2)筒体多 余面积 A =(182 _91)(5_1.2) -1.23 = 233.87mm2接管多余截面积：A2 =2g nt -C - t!fr =2 21.33 5-1.2 -0.11丨 1 = 17.83mm21 2焊缝金属截面积：A36 6 2 = 36mm2A1 A 2 A3 =233.87 17.83 36 = 287.7mm2

25、A=111.93mm2可以看出，该孔不用补强。7.2蒸汽入口补强计算因开孔而削弱的金属截面积：P Di2匚SUP二 2.04mm0.33 11002 105 0.85 -0.33接管直径：d=dj 2C2 =150 2 1 = 152mm削弱的金属面积A：强度削弱系数匚=1Ad 2、(、nt -C)(1 - fr) =2.04 15 310.08mm2接管计算壁厚：P d0.3361 -tt0.30 m m2二tP2 105 0.85 0.33外侧有效高度： m = d、：nt=-15227.57mm筒体多余截面积：A =(B-d)、n -C -、丄(304-152)5-1.25 -2.04丨

26、-259.92mm2接管多余截面积：A2 =2h丄 nt -C -、t .fr =2 27.57 5-1.25 -0.30 1 = 190.233mm2 焊缝金属截面积：1 2A36 6 2 = 36mm22显然，A1 A2 A3 A.该孔不用补强。7.3其他接口补强计算圆筒体上为加强单孔的最大允许直径d可按下面的经验公式计算：23 =111.15mm3.8I 7=8.13,1000 汉 3.8 汉 1d =8.1心6(1 -K ) = 8.1306 1 -T8水压试验压力确定(8.1)8.1罐体水压试验压力计算pT .25F113PT = 1.25P t 1.25 0.220.30Mpab

27、I1058.2罐体筒体在水压试验压力下强度校核PT(Di、e)-t2J_PT(Di、e)12-e -301000 38 =46.62Mpa2 3.8 0.85(8.2);t1.罐体筒体强度符合要求8.3罐体封头在水压试验压力下强度校核Pr(kDi 05e)(8.3)PT(kD0.5e)2、：e0.30 (1 1000 0.5 3.8)2 汶 3.80.85=46.53Mpa；t 1罐体封头强度符合要求8.4夹套水压试验压力计算.113Pt =1.25P t 1.25 0.330.44Mpak J1058.5夹套筒体在水压试验压力下强度校核彎九愛7f94Mpa2 3.75 0.8因为二，所以夹套筒体强度符合要求。8.6夹套封头在水压试验压力下强度校核PT（kDi 5e）=.44 1 1100 .5 3.75 =80.80Mpa2-e -2 3.75 0.8因为二：匕1，所以夹套封头强度符合要求。8.7罐体筒体在水压试验外压力下稳定性校核PT -1.251.25 0.22 =0.275MpaPlBe=0.41Mpa在做筒体外压水压实验时，筒内存在不小于円-斤= 0.135MPa 的压力。8.8罐体封头在水压试验外压力下稳定性校核Pt -1.25P =1.25 0.22