空气储罐设备设计课程设计

1、空气储罐设备设计课程设计齐齐哈尔大学齐齐哈尔大学设备设计课程设计题目名称： 空气储罐设计学院：机电工程学院专业班级：过控 102学生姓名：王国涛指导教师：刘岩完成日期： 2013-12-20齐齐哈尔大学目录摘要 3绪论 4第一章 压缩空气的特性 5第二章 设计参数的选择 6第三章 容器的结构设计 73.1 圆筒厚度的设计 73.2 封头厚度的计算 73.3 筒体和封头的结构设计 83.4 人孔的选择 93.5 接管，法兰，垫片和螺栓（柱） 93.6 鞍座选型和结构设计 12第四章 开孔补强设计 154.1 补强设计方法判别 174.2 有效补强范围 154.3 有效补强面积 184.4 补强面

2、积 19第五章 强度计算 185.1 水压试验应力校核 205.2 圆筒轴向弯矩计算 205.3 圆筒轴向应力计算及校核 205.4 切向剪应力的计算及校核 225.5 圆筒周向应力的计算和校核 23255.6 鞍座应力计算及校核齐齐哈尔大学第六章 总结28参考文献29摘要本说明书为 3.0m3 空气储罐设计说明书 。扼要介绍了卧式储罐的特点及在 工业中的广泛应用， 详细的阐述了卧式储罐的结构及强度设计计算及制造、检修和 维护。本文采用分析设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准， 按工艺设计、设备结构设计、 设备强度计算的设计顺序， 分别对储罐的筒体、 封头、 鞍座、接管进行

3、设计，然后采用 1SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。 关键词：压力容器、卧式储罐、结构设计、强度校核、开孔补强齐齐哈尔大学绪论1.1 设计任务：针对化工厂中常见的液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图，并便携设计说明书。1.2 设计思想：综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。 在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。各项设计参数都正确参 考了行业使用标准或国家标准，这样设计有章可循，并考虑到结构方面的要求， 综合的进行设计。1.3 设计特点：容器的设计一般由

4、筒体 ,封头，法兰，支座，接管等组成。常，低压化工设备 通用零部件大都有标准，设计师可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的筒体， 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 准或国家使用标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理的进行 设计。齐齐哈尔大学第一章 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

5、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。齐齐哈尔大学第二章 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： 0.253 MPa3、工作温度：

6、 0-100 C4、工作介质：压缩空气5、全容积： 3.0 m36、设计压力： 0.25 MPa7、设计温度： 100 C8、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： 1.010、主要元件材料的选择：根据 GB150-19981 表 4-1 ，选用筒体材料为 Q235-B（钢材标准为 GB6654）; 根据 JB/T47312 , 鞍座选用材料为 Q235-B，其许用应力sa 147MPa;地脚螺栓选用符合 GB/T 700规定的 Q235，Q235的许用应力 bt 147MPa11、容器类别：第二类齐齐哈尔大学第三章 容器的结构设计3.1 圆筒厚度的设计由

7、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1.0 。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 b 510MPa ，屈服极限强度 s 345MPa ， 150C 下的许用应力为 113MPa ，利用中径公式pDi1 1200itmm 5.3mm（3-1 ）2 t p 2 1 113 1查标准 HG20580-19983表 7-1 知，钢板厚度负偏差为 C1 0mm, 腐蚀裕量为 C2 1mm则筒体的名义厚度 n 5.3mm 0mm 1mm 6.3mm圆整后取为 n 7mm3.

8、2 封头厚度的计算查标准 JB/T4746-2002 4中表 1，得公称直径 DN =Di =1200 mm 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 ) pc Di1 1200 t 5.28mm (3-2)2 t 0.5pc 2 113 1 0.5 1同上，取 C1 0mm ， C2 1mm则封头的名义厚度为 n 5.28 mm 0mm 1mm 6.28 mm齐齐哈尔大学圆整后取为 n 7mm3.3 筒体和封头的结构设计由封头长短轴之比为 2，即 Di =2，得hi =Di =1200 mm =300mm2hi4 4查标准4 中表 B.1 EHA和 B.

9、2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见 表 3-1 和图 3-1 。V = DiL0 +2V封4 i 0 封 取装料系数为 0.9 ，则V Di L0 2V封0.9 4 i 0即3.0=1.22L0 +20.25450.9 4 0 算得 L0 =2.498m 圆整后取为 L0 =2.5m表 3-1 封头尺寸表公称直径 mmDN总 深 度 mmH内 表面积 A2m容积3 m质量 Kg12003251.65520.254576.4齐齐哈尔大学图 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

10、表单位： mm密封面型式凹凸面D670b123d。24公称压 力 PNMPa1.0D1620b228螺柱数量20公称直径 DN500H1250A365螺母数量40dw s530x8H2103B175螺柱尺寸M24x120db28L250总质量 kg1533.5 接管、法兰、垫片和螺栓（柱）10齐齐哈尔大学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

11、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50011齐齐哈尔大学温度计口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 C2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板有机材料，

12、代号NAS，最高工作温度200 C 。3：垫片厚度均为 1.5mm。12齐齐哈尔大学表 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 孔数螺栓规格法兰厚度 C法兰颈量 （个n )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602511585144M1216

13、504652排空口602511585144M121650465213齐齐哈尔大学3.5.3 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 螺栓及垫片名称公称直径螺纹螺柱长紧固件用平垫圈 mmd1d2H进气口50M169017303出气口50M169017303排污口50M169017303人孔500温度计口20M127513242.5压力表口20M127513242.5安全阀口25M127517302.53.6 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

14、用轻型鞍座，材料选用Q235-B。估算鞍座的负荷：罐总质量 m =m1 +2m2 +m3 +m4（3-3 ）m1 筒体质量：3m1 DL 0 3.14 1.2 2.5 0.007 7.85 103 517.63 kgm2 单个封头的质量， m2 76.4kgm3 充 液质 量 ： 水 压缩空气 ， 水压试验充满水，故取介质密度为14齐齐哈尔大学3水 =1000kg /m ， m3 =水V 2 2 3V =V筒 +2V封 = Di2L0+2V封 = 1.222.5+20.2545 =3.24m3 44则m3 =水V =1000 3.24kg =3240kgm4 附件质量：人孔质量为 153kg，

15、其他接管总和为 200kg，即m4 353kg综上所述m m1 2m2 m3 m4 1331 2 76.4 3240 353 5076.8 kg 则每个鞍座承受的质量为 2538.4 kg，即为 25.39kN 。查 JB4712.1-2007 9 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26垫板b4320允许载荷Q kN145筋板l320046鞍座高度h200b2140e55底板l1880b3200螺栓间距l2720b117036鞍座质量Kg56110垫板弧长1410增加100mm 增 加的高度Kg73.6.2

16、 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0.5Ra ，当无法满足 A小于等于 0.5Ra时， A值不宜大于 0.2L 。 Ra 为圆筒的平均 内径。15齐齐哈尔大学n12007603.5 mm222Di2L L0 2h L0 2(Hhi) 2500 2 (325 300) 2550 mm即 A 0.5Ra 0.5 603.5 301.75 mm取 A=0.3m 鞍座的安装位置如图 3-3 所示：16齐齐哈尔大学第四章 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 di 2C2 5

17、00 2 1 502mmD 1200d Di =1200 = 600mm 且d T ，所以水压试验合格5.2 圆筒轴向弯矩计算Din12007in603.5 mm2222圆筒的平均半径为 Ra20齐齐哈尔大学鞍座反力为 Fmg25076.8 9.8224876.32 N5.2.1 圆筒中间截面上的轴向弯矩根据 2 中式 7-2，得：FL 1L24A41 4 hi3LLM122(Ra hi2 )24876.32 2550221 2 (603.5 2 300 2)2255024 30044 30013 2550255067.4 106 N ?mm5.2.2 鞍座平面上的轴向弯矩根据 2 中式 7-

18、3，得：FA 1A Ra2 hi2L 2AL1 4hi24876.32 3003L300 603.5 2 300212550 2 300 25504 30013 25500.63 106N ?mm图 5-1 （a）筒体受剪力图21齐齐哈尔大学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：pcRa2eM12Ra e1 106 603.5267.4 10623.142 0.60352 649.2MPa5-1)最低点处：pcRa2eM1Ra2e1 106 603.5267.4 1063.142 0.6035

19、 2 651.38MPa5-2)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22齐齐哈尔大学A Ra 2 )时，轴向应力3 位于横截面最高点处 .取鞍座包角120查表 7-1 ( JB/T4731-2005 )得， K11.0,K 2 1.0.pcRa2eM22K1Ra e1 106 603.5260.63 10623.142 1 0.60352 650.38MPab). 在横截面最低点处的轴向应力pcRaM 2 1 1062eK 2Ra2e6035264

20、.86 1063.142 1 0.6035 26 50.2MPa5.3.3 圆筒轴向应力校核A 0.0940.094Ri e603.5 /60.0009345-3)查图 4-8 10 得，2.0105,则B 23 EA2.01050.000934 124.53MPamax1 , 2 , 3 , 4max51.38 MPaac124.53MPa满足条件 ac max23齐齐哈尔大学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：K30.880K 4 0.401K3F0.88 24876.3236.05MPaRa e0.6035

21、0.0065-4)5.4.2 圆筒被封头加强（ A Ra 2 ）时 根据 2 中式 7-10，计算得：K4Fh 4Rahe5-5）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0.401 24876.32 2.76MPa0.6035 0.00624其最大剪应力 h用应力的 0.8 倍，即齐齐哈尔大学0.8 t 。封头的切向剪应力，应满足h 1.25而 6.05 MPa 0.8 0.8 11390.4MPa故圆筒满足强度要求。根据 2 中式 7-122=11200+2 30021 D i= 2 + i6 2hi5-6)KpcDi2he11120026100MPa5-7)t2

22、.76MPa 1.25 h 1.25 113 10041.25 MPa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： b4 = 320mmb 1.56 Ra n 200 1.56 603.5 7 301.4mm即 b4 b+1.56 Ran ，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 =kK 5F5 = (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50.1 0.76 24876.327 8 1400.9MPa25齐齐哈尔大学5.5.2 在鞍座边角处由于 L Ra603

23、.52550 4.23 8根据 2 中式 720:4 e re b2L e212K 6 FRa由于 A Ra 0.600.3350.4980.5查 2 中表7-3 知， K6 0.013 则24876.32120.01324876.32 603.566 4 7 8 1402550 7 8215.69MPa5-9)5.5.3 鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力F12K6FRa24eb2L e2由于 L Ra 8，根据 2 中式 72224876.32 12 0.013 24876.232 603.5 25.1MPa4 7 140 2550 7 re5.5.4 周向应力校核根据 2 中式 7.3.4.

24、350.9MPatt 113MPa615.69MPat1.25 1.25113141.25MPa625.1MPat1.25 1.25113141.25 MPa故圆筒周向应力强度满足要求。26齐齐哈尔大学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120 ，查 2 中 表75得 ： K9 0.204 。 则FsK 9F 0.204 24876.325074.8 N垫板起加强作用，则：Hsb0Fsbr re其中re 8mm,brb2 140mmRa3603.5 201.2mm ，3H 201.2 8193.2mm193.2 mmR则H s min H,

25、a327齐齐哈尔大学则 92.2MPa5074.80.1932 0.006 0.14 0.008查2 中表 51，得： sa 147MPa ，则2 sa =98MPa3由于 9 2 sa ，所以其强度满足要求。35.6.2 鞍座压缩应力及强度校核根据 2 中表 76，取 1 0.08则 FEv 1mg 0.08 5076.8 9.8 3980.2 N ， 钢 底 板 对 水 泥 基 础 的 f 0.4则 mgf 5076.8 9.8 0.4 19901.1 N FEv所以压应力应按 2 中式 729 计算： F FEv HFEvHvsaAsa 2Zr Asa L 2A5-9)其中 Hv R H

26、 1200 193.2 793.2mm ， v2筋板面积A1 =b23 =140 6 = 840 mm 2腹板面积：2A2 (l1 50) 2 880 50 6 4980mm22Asa 6A1 A2 6 840 4980 10020mm2l1880x 1 10 15 3 l310 15 6 200 209mm2236Z1 =x+ 3 =209 + = 212 mm1 2 2Z2 =Z1+l3=212+200 = 412 mm28齐齐哈尔大学形心：yc= 6A1 (b2 +2) 2 =6840(140+6) 2 = 36.7mm10020ycb2yc140 6 36.736.3 mmIyb231

27、2A1 Z12Z2232 l1 20 3123 140 62122840 21222412236 880 20124983671804mmb2 312A1xyc23 l11220A2yc1403 6 84012209 36.363 880 20 4980 36.71246667214 mm4腹板与筋板组合截面断面系数：maxZmaxb12l1217010 = 10 =75mm288010= 10 = 430mm2ZryIyZmax498367180 =1158993.4mm3430ZrzIzZmax46667214 =108528.4mm3430Zr =minin Zry ,Zrz =1085

28、28 .4mm3FFEvHFEvH v24876.323980.2 193.24806.2 793.2sasaAsa2ZrAsa L 2A3.74MPa100202 108528.410020 2550 2 300代入公式 sa F FEvHFEvH v得Asa2ZrAsa L 2A29齐齐哈尔大学tFFfH24876.3224876.32 0.4 193.2sa20.2 MPaAsaZr10020108528.4取 K 0 1.2则K 0 sa 1.2147176.4MPa根据2 中式 732 进行校核sa 3.74 MPa K0 sa 176.4 MPa sasat 20.2 MPa sa 147 MPa sa即满足强度要求。第六章总结本次化工设备课程设计历时两周，是学习化工以来第三次独立的工业设计。化工设备课程设计时培养学生化工设计能力的重要教学环节，