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补强面积19第五章强度计算185.1水压试验应力校核 205.

2、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

3、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16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

4、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。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C） : - 192C（ 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：咼压常温储存，咼温剧烈震动易爆。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

5、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。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：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1200mm9、焊接接头系

6、数：1.010、主要元件材料的选择：根据GB150-199創表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的许用应力饶147MPa11、容器类别：第二类第三章容器的结构设计3.1圆筒厚度的设计由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 0假设圆筒的厚度在616mn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 3

7、45MPa，150 C下的许用应力为c113MPa，利用中径公式©pDi11200tmm 5.3mm(3-1 )2© c p 2 1 113 1查标准HG20580-199F表7-1知，钢板厚度负偏差为 G 0mm, 腐蚀裕量为C2 1mm贝U筒体的名义厚度§n05.3mm 0mm 1mm 6.3mm圆整后取为© 7mm3.2封头厚度的计算查标准JB/T4746-2002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 ).PcDi1 1200厂 *sc、© 15.28mm

8、(3-2)2 c © 0.5 pc 2 113 1 0.5 1同上，取 G 0mm， C2 1mm 贝哇寸头的名义厚度为 ©05.28mm 0mm 1mm 6.28mm圆整后取为® 7 mm3.3筒体和封头的结构设计由封头长短轴之比为2,即-DL=2，得h=D- =1200 mm=300mm2 hi44查标准4中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见 表3-1和图3-1 onV = DiLo +2V 封4取装料系数为0.9，则V n -DiL0 2V 封0.94即 30 =丄 x1.22 XL0 +2 X0.25450.94算得 L0

9、 =2.498 m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A2 m容积3 m质量Kg12003251.65520.254576.4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 人孔尺寸表单位：mm密封面型式凹凸面D670b123do24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）3.5.1接管和法兰

10、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 20592-2009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，查得各法兰的尺寸。查中附录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500温度计口

11、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，代号NAS最高工作温度200 C。3:垫片厚度均为1.5mm。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卜）NRSH1进料口14450165125184M16207562.98出料口14450165125184M16207562.98排污口14450165125184M16207

12、562.98人孔418500温度计口602010575144M1216404562压力表口602010575144M1216404562安全阀口602511585144M1216504652排空口602511585144M121650465217齐齐哈尔大学33.5.3螺栓（螺柱）的选择查HG/T 20613-2009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

13、.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）m 筒体质量：3m1tDL。3p 3.14 1.2 2.5 0.007 7.85 10517.63kgm2 单个圭寸头的质量，m2 76.4kgm3 充液质 量：p水 P压缩空气, 水压试验充满水，故取介质密度为p水 =1000kg /m ,叫=p水Vn 2n 23V =V筒+2V封 = Dj L0 +2V封= X1.22X2.5+2&g

14、t;0.2545 =3.24m344则 叫=p水V =1000 X3.24kg =3240kgm4 附件质量：人孔质量为153kg ,其他接管总和为200kg,即m°353 kg综上所述m2m2 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JB4712.1-20079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1320046鞍座高度h200b2140e55底板I1880b3200螺栓间距l

15、2720b117036鞍座质量Kg56110垫板弧长1410增加100mm 增加的高度Kg73.6.2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0.5Ra，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。20齐齐哈尔大学3712007603.5 mm222Di2L Lo 2h Lo 2(Hhj 25002 (325300)2550 mm即 A00.5Ra 0.5 603.5301.75 mm 取 A = 0.3m鞍座的安装位置如图3-3所示: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

16、判别人孔开孔直径为d di 2C25002 1502 mmD；1200d <D二=600mm 且d <520mm故可采用等面积法进行补强计算2 2接管材料选用Q235B其许用应力加113MPa根据 GB150-1998中式 8-1 :A d 3 2 S et(1 fr)(4-1 )式中：壳体开孔处的计算厚度3 5.3mm接管的有效厚度3et 3nt C 8 1 7mm强度削弱系数fr 1所以 A d 3 2 3 3(1 fr)5025.32660.6 mm24.2有效补强范围4.2.1有效宽度B按1中式8-7，得：B1 2d 2 5021004 mmB2d 2 3n 2 3nt 5

17、02 2 7 2 8 532 mmB max( B1, B2)1004 mm(4-2)4.2.2外侧有效高度根据1中式8-8，得：h/d&t. 502 8 63.4mmh； 接管实际外伸高度比 250 mmIHh|min( h|, h| ) 63.4mm4.2.3内侧有效高度根据1中式8-9，得：h2'、d t 502 863.4 mmh2”接管实际内伸高度 0Inh2 min(h2,h2 )04.3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2A1 (B d)( &- 3) 23et(&- 3)(

18、1 fr) (1004 502) (6 5.3) 351.4 mmA2 接管多余面积A2 2h( 3et3)fr 2h2( 3t C2) fr2 63.4 (7 7) 1 0 0A3 焊缝金属截面积，焊脚去7mm则1 2 2A372 49mm3 24.4补强面积2Ae AlA2 A 351.40 49400.4 mm因为Ae A，所以开孔需另行补强另行补强面积为 A4 a A 2660.6400.42260.2 mm2第五章强度计算5.1水压试验应力校核试验压力 PT 1.25P1.25 11.25MPa125.625 MPa圆筒的薄膜应力为T 尺1.25（12°° 6）2

19、 Q2 60.9 M 0.9 1 345310.5MPa即0.9 （s > or，所以水压试验合格5.2圆筒轴向弯矩计算Di412007603.5mm2222圆筒的平均半径为Ra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 1d1/L24A41 403 LLM12(Ra h；)24876.32255012 (603.5 2 3002)255024 3004彳 43001 -3 2550255067.4 10 N ?mm5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩根据2中式7-3，得:FA 1A Ra2 h；L 2AL24876

20、.323003L,300603.52 30022550 2 300 2550,4 3003 25500.63 106N ?mm專力图图5-1（ a）筒体受剪力图5.3圆筒轴向应力计算及校核531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：PcRa2 aeM12nRa a1 106 603.52 67.4 1063.142 0.60352 649.2MPa(5-1 )最低点处:PcRa2 aM1nV a1 106 603.52 67.4 1063.142 0.60352 651.38MPa(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

21、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 Ra2 )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，K,1.0,K21.0.°3PcRa2Sem22n<lRa &1 106 603.52 60.63 1063.142 1 0.60352 650.38MPab).在横截面最低点处的轴向应力°4PcRaM21 1062T nK2Ra2 无60352 64.86 1063.142 1 0.603526 5°2MPa5.3.3圆筒轴向应力校

22、核A °.0940.094R 心 603.5 /60.000934(5-3)查图4-8何得,2.0105,则B iEA2.01050.000934124.53MPa° max124.53MPa满足条件bac > maxmax51.38 MPa5.4切向剪应力的计算及校核541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:K30.880K40.401K3F0.88 24876.32T6.05MPaRa b0.6035 0.006(5-4)5.4.2圆筒被封头加强(A Ra2 )时根据2中式7-10，计算得：K4FT 4 - Ra be(5-5)5.4.3

23、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°.4。1 24876.322.76MPa0.6035 0.006其最大剪应力 h用应力的 0.8倍，即0.8 t。封头的切向剪应力，应满足h 1.25而 t 6.05MPa0.8 加0.8 11390.4MPa故圆筒满足强度要求。根据2中式7-122=121200 + 2 X3001c Di=2 + L6 2hi(5-6)KpcDi2诲1200100MPa(5-7)t2.76MPa 1.25 /才 1.25 113 10041.25MPa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

24、1.56 jRa 时 200 1.56 , 603.5 7301.4mm即b4 >b+1.56 Ra 5.，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= gF丙=(5 +沁其中k 0.1（容器焊在支座上）(5-8 )查2中表 7-3 知，K50.76则050.9MPa0.1 0.76 24876.327 81405.5.2在鞍座边角处由于 Ma603.5型 4.238根据2中式720:643;Sreb212KeFRa23reL 32由于AR盎0.4980.5查2中表7-3 知，K60.013 则24876.32120.01324876.32 603.5C

25、S47 814025507 8215.69MPa(5-9)5.5.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力由于L Ra8，根据2中式7 22°6F12K6FRa24込 L 3空醛12 0.013甸号2遊 25.1MPa4 7 1402550 75.5.4周向应力校核根据2中式7.3.4.3°50.9MPatO 113MPa0615.69MPat1.25 o 1.25113141.25MPa125.1MPat1.25 o 1.25113141.25 MPa故圆筒周向应力强度满足要求。齐齐哈尔大学5.6鞍座应力计算及校核561腹板水平分力及强度校核根据2中表7 7鞍座包角120 ,查2

26、中表得：K90.204。则FsK9F 0.204 24876.325074.8 N垫板起加强作用，则:HsboFsbrrebe 8 mm, brb2140 mmJRa3整 201.2 mm ,H 201.2 8193.2mm3339193.2 mm齐齐哈尔大学则092.2MPa5074.80.1932 0.006 0.14 0.008查2中表 5 1,得： sa 147MPa，则卜玄=98MPa3由于09< lsa，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7 6,取!0.08贝UFEvamg 0.08 5076.8 9.8 3980.2 N ,钢底板对水泥基础的f

27、 0.4贝 Umgf 5076.8 9.8 0.4 19901.1 N FEv所以压应力应按2中式729计算：FFevHFevHv扇AST 乞 A.a L 2A(5-9)其中Hv R H 1200193.2793.2mm ,2筋板面积 A1 =b2 S3 = 140 X6 = 840mm2腹板面积：A (h 50) S2880 50 6 4980mm2Asa 6A1 A 6 840498010020mm2l1880x - 10 15 这 l310 15 6 200209mm2 2垃6Z1 = x += 209 += 212mm22Z2 = Z1 +l 3 = 212 + 200 =412 mm

28、形心:yc=6A1（b2 + §）2 =6 疋40 M40+6）2 =36.7mmycb2yc心 36.736.3mmIyb2 §12乙23§ l1 2012128402122412236 880 20124983671804 mmIz 612Axych1220A?yc曲兰84012209 36.3匕如竺4980 36.712100204546667214 mm4腹板与筋板组合截面断面系数:maxZ maxb2丄217010 =10 =75mm288010 =10 =430mm2Z ryIyZ max498367180 =n58993.4mm3430ZrzIzZm

29、ax46667+8528.4mm3430Zr = minin Zry, Zrz=108528 .4mm3代入公式sa FEVHFEVHV 得Asa2ZrAsa L 2 AF FevHFevHv24876.323980.2 193.24806.2793.2兀aAsa2Zr忑 L 2A3.74MPa100202 108528.41002025502 300tFFfH24876.3224876.320.4 193.2©sa20.2MPaAsa乙10020108528.4取 K01.2则Kosa1.2147176.4MPa根据2中式7 32进行校核(Tsa3.74 MPaKo © sa 176.4 MPaIsaTsat20.2MPa t sa 147 MPaoc,sa即满足强度要求