河南城建学院锅炉设计

1、 河南城建学院课程设计河南城建学院压力容器与管道安全课程设计 班 级 0234101 专 业 安全工程 姓 名 学 号 指导教师 孙兰会 田好敏 王现丽 市政与环境工程学院2013年12月 目录一、目的与任务.2二、设计题目.2 2.1筒体和附件材料的选择.2 2.2封头的选择.2 2.3支座的选取.2 2.4人孔设计.3三、工艺计算.33.1筒体壁厚的计算.33.2封头壁厚的计算.43.3鞍座的计算.43.4筒体轴向应力校核.53.5筒体轴向应力计算.63.6筒体和封头切向应力校核.73.6.1筒体切向应力计算.73.6.2封头切向应力计算.73.7筒体环向应力校核.83.7.1环向应力计算

2、.83.8鞍座有效断面平均压力.83.9开孔补强的计算.10四、设备结构图.11四、参考文献.12一、目的与任务本课程设计是在学完压力容器与管道安全之后综合利用所学知识完成一个压力容器设计。该课程设计的主要任务1.是通过解决一、两个实际问题，巩固和加深对压力容器的结构、原理、特性的认识和基本知识的理解，提高综合运用课程所学知识的能力。2.培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。3.通过实际设计方案的分析比较，设计计算，元件选择等环节，初步掌握工程中压力容器设计方法。4.培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过课

3、程设计实践，逐步建立正确的生产观点、经济观点和全局观点，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。二、设计题目 某厂需添置一台液氨贮罐，已知：设计压力p=1.5MPa，设计温度T=39，容器内径D=1190mm，容积V=2.7立方米，设备充装系数0.9，采用鞍式支座。试设计该设备。2.1. 筒体和附件材料的选择纯液氨腐蚀性小，贮罐可选用一般碳素钢，压力容器专用钢板为20R，另外还有一些合金钢，如16MnR、15MnVR等也适合做为压力容器的钢板。2.2封头的选择几何方面，就单位容积的表面积来说，以半球形封头为最小。椭圆形和蝶形封头的容积和表面积基本相同，可以近似认为相等。力学

4、方面，在直径、厚度和计算压力相同的条件下，半球形封头的应力最小，二向薄膜应力相等，而沿经线的分布是均匀的。如果与壁厚相同的圆筒体连接，边缘附近的最大应力与薄膜应力并无明显不同。椭圆形封头的应力情况就不如半球形封头均匀。由应力分析可知，椭圆形封头沿经线各点的应力是变化的，顶点处应力最大，在赤道上可能出现环向内压应力，对于标准椭圆形封头与壁厚相等的圆筒体相连接时，其可以达到与筒体等强度2。 2.3支座的选取卧式容器的支座有鞍座、圈座和支腿三种形式。而常用的储罐、储槽、换热器等卧式容器设备常选用鞍式支座予以支承，所以此设备也选用鞍座。鞍式支座普遍选用双鞍座支承，这是因为若采用多鞍座支承，难于保证各鞍

5、座均匀受力。虽然多支座罐的弯曲应力比较小，但是各支座严格的保持在同一水平面上，特别是对于大型卧式储罐很难达到，同时，由于地基的不均匀下沉，多支座 的罐体在支座处的支反力不能均匀分配，故选用双鞍式支座支承。 2.4人孔设计因为筒体长度L=2080mm6000mm时，可以很好的采光、气体置换，检验人员进行内外部检验和出入方便，所以只需要设置一个人孔即可。由于储罐的公称直径900mmDN2600 mm，而且设计了人孔和适当的备用管口（见下文），就不必要设计手孔和检查孔。人孔不应该布置在鞍座处的截面和跨中间截面上，也不适宜在封头上设置人孔。考虑到筒体和鞍座的结构尺寸，将人孔设置在筒体的顶部，选取开孔中

6、心距离筒体的边缘620mm。由于没有设计手孔和检查孔，需要经常打开人孔盖进行检查，为了方便打开人孔盖，选用快开式，并根据储罐的公称直径和公称压力，查手册，选择回转盖平焊法兰人孔，标准号为JB580-79，C型密封面，类材料。人孔标记：人孔 C Pg16 Dg450 JB580-79人孔材料：筒节、法兰、盖子材料用Q235-B螺栓、螺母材料用Q235-A，法兰材料选用16Mn(锻)。三、工艺计算3.1筒体壁厚的计算筒体的理论计算壁厚公式为2： (3.1)式中 筒体的理论计算壁厚，mm； pc筒体计算压力，MPa； Di筒体内径，mm； t钢板在设计温度下的许用应力，MPa;焊接接头系数，其值为1

7、。取计算压力pc=p=2.0MPa，筒体内径Di=DN=1240mm，查表2.1知16MnR在设计温度为44时的许用应力为t=170MPa，将这些数值代入公式(3.1)计算出筒体的计算厚度为：由于液氨对金属有一定的腐蚀，取腐蚀裕量C2=2mm，故筒体的设计厚度为：由钢板厚度负偏差表查得C1=0.8mm，故名义壁厚为：圆整后取n=10mm。3.2封头壁厚的计算1.2.1采用的是标准椭圆形封头，各参数与筒体相同，其厚度计算式为2：设计厚度为：名义厚度为：圆整后取n=10mm。有效厚度故封头厚度合理。名义厚度在假定范围内，设计正确。3.3鞍座的计算首先粗略计算鞍座负荷。贮罐总质量为储罐总质量M= M

8、1+ M2+ M3 + M式中M1罐体质量，kgM2封头质量，kgM3液氨质量，kgM附件质量，kg,标准椭圆封头的容积，查表得，代入数据得，。DN=1240 mm，=11 mm的筒节，查得每米质量为370kg/m,所以829kg。查表得=132.79kg。 由于整个罐的容积为3.2,故其水压试验时罐内的水重为 M=V3.2×1000=3200其它附件质量M人孔质量约为100 kg,其他接管质量和按200 kg计。则，M=100+200=300kg于是，设备总质量为M= M1+ M2+ M3 +M=829+132.79+3200+（100+200）= 4462kg由以上计算内容的鞍座

9、反力F=G/2=Mg/2=22310N3.4筒体轴向应力校核3.4.1筒体轴向弯矩计算 筒体中间处截面的弯矩为 (5.1)式中F鞍座反力(N)；Rm椭圆封头长半轴外半径(mm)；L两封头切线之间的距离(mm)；A鞍座的位置(mm)；hi筒体内半径(mm)；其中所以 支座处截面上的弯矩为 (5.2)于是3.5筒体轴向应力计算3.5.1由弯矩引起的轴向应力圆筒中间截面上最高点处： (5.3)于是最低点处：鞍座截面处最高点处：最低点处：=.3.5.2由设计压力引起的轴向应力 (5.4)于是3.5.3轴向应力组合与校核最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低点处, 于是 (5.5)许用轴向拉压应力t=16

10、3MPa，合格。最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面的最高点处轴向许用应力 (5.6)根据A值查外压容器设计的材料温度线图6（化工设备机械基础,赵军编，P152）图11-9，查得B=130MPa，取许用压缩应力，合格。3.6筒体和封头切向应力校核3.6.1筒体切向应力计算 (5.7)由化工机械工程手册（上卷）P11-100表11.4-12查得K3=0.880，K4=0.401。于是3.6.2封头切向应力计算 (5.8)于是合格.3.7筒体环向应力校核3.7.1环向应力计算设垫片不起作用。（1）在鞍座处横截面最低点处 (5.9)式中b2筒体有效宽度。由化工机械基础手册（上卷）P11-10

11、1表11.4-13查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1考虑容器焊在鞍座上 (5.10)式中b支座轴向宽度。查表得b=200，于是故（2）鞍座边角处轴向应力因为，所以 (5.11)（3）环向应力校核合格。合格。3.8鞍座有效断面平均压力支座承受的水平分力 (5.12)由化工机械工程手册（上卷）P11-103表11.4-15查得K9=0.204。于是鞍座有效断面平均应力 (5.13)式中Hs鞍座计算高度；b0鞍座腹板厚度。其中Hs取鞍座实际高度（Hs=250mm）和中的最小值，即Hs=210mm。腹板厚度于是应力校核：合格。式中，鞍座材料16MnR的许用应力。3.9开孔补强的

12、计算由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准。由表3.1知本设计所选用的人孔筒节内径di450mm，壁厚nt10mm。据此,查得补强圈尺寸(JB/T 4736-2002)为：外径D2=760mm，内径D1=450+2×10+14=484mm。开孔补强的有关计算参数如下3： 3.9.1 开孔所需补强面积A内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为 mm2 (3.4)式中 d开孔直径，圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量，mm；壳体开孔处的计算厚度，mm；et接管有效厚度，mm；fr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。对于圆筒，壳体开口出的计算厚度为：开

13、孔直径由于接管材料与壳体材料都为16MnR，故fr=1，将这些数据代入式(3.4)得：开孔所需补强面积3.9.2有效宽度B二者中取较大值B=911.2mm。3.9.3 有效高度(1) 外侧高度h1二者中取较小值h1=67.5mm(2) 内侧高度h2二者中取较小值h2=0mm。3.9.4 补强面积Ae在有效补强范围内，可作为补强的截面积按下式计算 (3.5)式中 Ae补强面积，mm2；A1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积按式(3.6)，mm2;A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积按式(3.7)，mm2；A3焊缝金属截面积，mm2。计算如下： (3.6)其中接管有效厚度为，故 (3.7

14、)其中接管计算厚度为，故焊缝金属截面积，故补强面积Ae为 由于，故开孔需另加补强，其另加补强面积为3.9.5 补强圈厚度圆整后取，补强材料与壳体材料相同为16MnR。四、 设备结构总图五、参考文献1 吕宜涛. 压力容器制造质量控制的研究，天津大学学位论文，1997年9月2 马自勤、孙丽、王秀伦等. 产品结构树在CAPP信息管理中的应用，大连铁道学院学报，2001年9月，第22卷，第3期3 杨海涛、压力容器的安全与强度计算 M.天津:天津科学技术出版社,1985.4 高清、马云辉，马玉林. 先进制造系统中的质量保证，高技术通讯，1995年5月5 陈祝年、焊接工程师手册。北京：机械工业出版社，20

15、026 李俊斌、李彬喜 在役液氨储罐应力场有限元分析与安全评定 Technology & Products技术产品版 2006.57 张康达、洪起超主编. 压力容器手册. 劳动人事出版社，1987.8 卓震主编. 化工容器及设备.中国石化出版社， 1998.9 贺匡国主编. 化工容器及设备简明设计手册.化学工业出版社 1989.10 刘湘秋主编. 常用压力容器手册.机械工业出版社，2004.11 马秉骞主编. 常用压力容器知识. 中国石化出版社，2006.12压力容器实用技术丛书册编写委员会主编.压力容器检验及无损检测.化学工业出版社，2006.13 英·RW·尼柯尔斯主编. 缺陷分析. 机械工业出版社，1991.14 魏新利、吴金星主编. 压力容器现代设计与安全. 西北工业