锅炉与压力容器,课程设计封面及正文讲解

1、夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计1 设计说明压力容器：一般泛指在工业生产中用于完成反应、传质、传热、分离和储存等生 产工艺过程，并能承受压力载荷 (内力、外力)的密闭容器。早期主要用于化学工业， 压力多在 10 兆帕以下。合成氨和高压聚乙烯等高压生产工艺出现后，要求压力容器 的压力达 100 兆帕以上 。随着化工和石油化工等工业的发展，压力容器的工作温度 范围越来越宽，容量不断增大，有些还要求耐介质腐蚀。 20 世纪 60年代开始，核电 站的发展对反应堆压力容器提出了更高的安全和技术要求， 从而促进了压力容器的进 一步发展，广泛应用于各工业部门。压力容器主要为圆柱形， 也有球形或其他形状。

2、 根据结构形式， 可分为多层式压 力容器，绕板式压力容器、型槽绕带式压力容器、热套式压力容器、锻焊式压力容器 和厚板卷焊式压力容器等。按安装方式分类： 固定式压力容器： 有固定安装和使用地点， 工艺条件和操作人 员也较固定的压力容器。 移动式压力容器： 使用时不仅承受内压或外压载荷， 搬运过 程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力， 以及运输过程带来的外部撞击和振动 载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。压力容器的分类方法很多，从使用、制造和监检的角度分类，有以下几种。(1) 按承受压力的等级分为：低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器。(2) 按盛装介质分为：非易燃、无毒；易

3、燃或有毒；剧毒。(3) 按工艺过程中的作用不同分为： 反应容器：用于完成介质的物理、化学反应的容器。 换热容器：用于完成介质的热量交换的容器。 分离容器：用于完成介质的质量交换、气体净化、固、液、气分离的容器。 贮运容器： 用于盛装液体或气体物料、 贮运介质或对压力起缓冲作用的容器。(4) 为了更有效地实施科学管理和安全监检，我国压力容器安全监察规程中 根据工作压力、 介质危害性及其在生产中的作用将压力容器分为三类。 并对每个类别 的压力容器在设计、制造过程，以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。其主要工艺参数如表 1.1 所示。表 1.1 主要工艺参数主要工艺参数罐内夹套内介质酒精水溶液

4、水蒸汽操作压力 (MPa)1.11.2操作温度 ()100饱和蒸汽温度公称直径( mm)12001300容积 (m3 )3.283.05传热面积 (m2 )9.52使用年限15第1页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计2 设计参数的选取2.1 设计压力由于在本次设计的容器上装有安全阀， 通常设计压力为操作压力的 1.05-1.10 倍， 在本次设计中采用 1.10 倍的操作压力，即罐内的设计压力为 1.21 Mpa，夹套内的设 计压力为 1.32Mpa。2.2 设计温度设计温度是指容器在正常工作中， 在相应设计压力下， 金属可能达到的最高或最 低温度。根据设计要求，在 1.2Mpa 条件下，饱

5、和水蒸气的温度为 188，因此，设 计温度为 200。2.3 材料的选择及许用应力确定容器的材料选用 16MnR，其在 200，厚度 16-36mm 的条件下，许用应力为 159MPa，弹性模量为 186*103Mpa。在常温状态下，其许用应力为 163MPa。屈服点 s=235Mpa。2.4 焊缝系数根据工艺要求，容器采用双面焊或相当于双面焊的全熔透对接焊，并采用大于20%的局部无损探伤，所以，焊缝系数为 0.85。2.5 附加厚度厚度附加量，主要包括两部分 C1 的选择主要与材料的厚度有关， 计中选用值为 1.5mm。1.C1钢板负偏差（如表 1.1 所示）；C2腐蚀裕度。C2 要求厚度大

6、于 1mm。所以厚度附加量在本次设表 2.1 钢板厚度负偏差选择表钢板厚度 / mm3.2-3.53.8-44.5-5.56-78-25负偏差 C1/ mm0.250.30.50.60.8第2页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计3 容器的几何参数的确定3.1 描述设备的总体结构压力容器工作原理： 罐体盛装酒精溶液， 罐体上部安装有搅拌装置， 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

7、出口流出。设备开口情况：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。3.2 确定各封头参数罐体封头为标准椭球形封头，其曲面高度h1 为内直径的四分之h1 Di/ 4 1200/ 4 3m0m0,直边高度h2为50mm。3.3 筒体高度罐体高度包括高度和封头高度，圆柱体高度一般为内直径的 2 倍，即：H1 2 Di(3.1)式中 H1 为圆柱体高度， mm；Di 为罐体直径， mm。 罐体的总高度为H

8、 H1 2 h1 2 h2(3.2)式中 h1 为椭球封头曲面高度；h2为直边高度；H1 为圆柱体高度， mm；根据公式 3.1和 3.2得罐体高度为 3.1m 查相应手册得出圆柱体部分一米高的体积为 1.131 m3,封头的体积为 0.283m3。 罐体总体积 3。第3页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计3.4 夹套高度一般来讲，夹套的焊缝高度比液面高度低 10mm 左右，酒精的填充系数为 0.8， 可求得酒精的最大体积为 2.62m3，则酒精的在圆柱体内的液面高度为 2.07 m，所以， 夹套的圆柱部分高度为 2.06m。夹套总高度为圆柱部分高度与封头部分高度之和为 2.76m。传热面积

9、是指夹套内的罐体表面积， 可知，一米高直径为 1200mm 的圆柱体表面 积为 3.77m2，封头的表面积为 1.75m2。传热面积为 2。3.5 搅拌口法兰尺寸的确定搅拌器为直叶开启涡轮式，其桨叶直径一般为罐体直径的 0.2-0.5 倍，在本次设 计中，选择直叶直径为 0.25 倍的罐体直径，根据标准选取直径为 280mm，内径为 298mm。因此选取公称压力为 1.6MPa 下的 16MnR 甲型平焊法兰，其具体尺寸为公 称直径 DN=300mm，法兰内径 328mm，法兰厚度 32mm，法兰质量 18.9kg。管子的 长度为 100mm，壁厚为 8mm，质量为 0.366kg。3.6 窥

10、镜规格的确定窥视口 处无 接管 及法 兰。窥视口的外径 100mm 。视 镜的 型号为视镜 HGJ501-86-18，视镜的外径 D=100mm，D=200,螺柱数量 8，M=16 质量为 12.5kg。3.7 其他法兰接口尺寸的确定( 1)温度计口法兰：板式平焊法兰( HG2059397)，公称直径 DN=80mm，质量为 4.57kg。管子的长度为 100mm，壁厚为 8mm，接管外径为 89mm，质量为 0.366kg。( 2)压力表口法兰：板式平焊法兰( HG2059397)，公称直径 DN=80mm，质量为 4.57kg。管子的长度为 100mm，壁厚为 8mm，接管外径为 89mm

11、，质量为 0.366kg。 (3)进料口法兰： 板式平焊法兰( HG2059397)，公称直径 DN=80mm，质量为 4.57 kg。管子的长度为 100 mm，壁厚为 8mm，接管外径为 89mm，质量为 0.366kg。 (4)出料口法兰： 板式平焊法兰( HG2059397)，公称直径 DN=80mm，质量为 4.57 kg。管子的长度为 100mm，壁厚为 8mm，接管外径为 89mm，质量为 0.366kg。( 5)蒸汽入口法兰：板式平焊法兰( HG2059397)，公称直径 DN=80mm，质量为 4.57 kg。管子的长度为 100mm，壁厚为 8mm，接管外径为 89mm，质

12、量为 0.366kg。 (6)冷凝水出口法兰：板式平焊法兰( HG20593 97)，公称直径 DN=80mm，质量 为 4.57 kg。管子的长度为 100mm，壁厚为 8mm ，接管外径为 89mm ，质量为 0.366kg。 (7)安全阀口法兰：安全阀 (safety valve)：安全阀类的作用是防止管路或装置中的介质压力超过规定 数值，从而达到安全保护的目的。安全阀是一种安全保护用阀， 它的启闭件受外力作用下处于常闭状态， 当设备或 管道内的介质压力升高， 超过规定值时自动开启， 通过向系统外排放介质来防止管道第4页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计或设备内介质压力超过规定数值。

13、安全阀属于自动阀类， 主要用于锅炉、 压力容器和 管道上，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用。本次设计的为蒸汽压力容，可以选用全启式安全阀。由于设备最高压力为 1.32 所以确定安全阀的公称压力为 1.6Mpa。压力容器安全泄放量的计算 ,本次设计的介质为水蒸汽容器，所以按以下公式计3.3)2.55 105 FAr0.82Wsrq式中 Ws 压力容器的安全泄放量， /h；q 在泄放压力下气化潜热， KJ /kg ；F 系数， F=1；Ar0.82 受热面积。由式 3.1 计算得2.55 105 1 9.520.8227900.579t/h3.4)安全阀排量计算公式：G 0

14、.235A(10.2p 1)K式中 A 为安全阀的流通面积， mm2；G 为安全阀排量， kg/h ；p 为安全阀入口蒸汽压力， MPa；K 为安全阀入口处蒸汽比容系数，查表的 K=1 ；出于安全考虑，安全阀的排量必须大于等于压力容器的安全泄放量，及GWsA 0.25 d 2其中 d 为安全阀的流道直径由上可得 d=46.58 mm查表可知，应选用 A48Y-16C 型安全阀，公称压力 1.6Mpa，公称直径 Di=80mm， 流道直径 50mm，适用温度 350。安全阀口法兰及接管采用法兰公称通径 Di=80， 公称压力 1.6Mpa，法兰内径 91 mm，外径 111mm，法兰厚度 20

15、mm，质量 3.59kg。 管子长度 100 mm，接管壁厚 4mm，接管外径为 89mm，质量 0.356kg。第5页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计4 罐体强度设计4.1 罐体筒体内压强度设计罐体筒体部分内压计算的公式为= Pc Di2 t Pc式中 为计算壁厚， mm； Pc为计算压力， MPa；Di 为容器内径， mm； t 为设计温度下材料的许用应力， MPa； 为焊缝系数；4.2)4.3)4.4)PcDi1.21 1200= c i = =5.42 tPc 2 159 0.85 1.21n= d+ C1e= nC式中d 为设计壁厚， mm； n为名义壁厚， mm； e为有效壁厚

16、 ，mm；C 为壁厚附加量， mm；C=C2+C1；C1 为钢板负偏差， mm； C2 为腐蚀裕量， mm；由公式 4.1 得罐体筒体的计算壁厚为 5.4mm。由公式 4.2，4.3，4.4 得，名义壁厚为 7mm4.2 罐体封头内压强度设计罐体椭球封头部分内压计算的公式为KPcDi= t c i( 4.52 t 0.5Pc式中 为计算壁厚， mm； Pc为计算压力， MPa；Di 为容器内径， mm； t为设计温度下材料的许用应力， MPa；为焊缝系数； K=1 ；1 1.21 1200KPc Di1 1.21 1200=5.4由公式 2.7 得2 t 0.5Pc 2 159 0.85 0.

17、5 1.21罐体椭球封头的计算壁厚为 5.4mm。由公式 4.2，4.3，4.4 得，名义壁厚为 7mm4.3 罐体筒体外压稳定性设计4.6)罐体筒体部分外压计算的过程为D0 Di 2第6页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计L=H 1+2/3h1p= D0Be式中 D0 为容器外径， mm；Di 为容器内径， mm； L 为计算长度， mm；n 为容器名义壁厚， mm；h1 为封头曲面高度， mm； H1为筒体高度，4.7)4.8)mm；B 为系数， MPa。由公式假设筒体名义厚度为 n=7mm。查的 C1=0.5，由公式 4.6 得 D0=1214mm， 4.4得， e =5.5mm。由公

18、式 4.7 得L= H 1+2/3h1 =2400+2/3×300=2600mm。求得 L/D 0=2.14。 D0/ e =220.73，查得 A=0.00092，B=116。由公式 4.8 得p= B =116/220.73=0.526MPa。D00e同理，筒体名义厚度为 n=16mm。求得 p=1.365MPa。 筒体名义厚度为 n=15mm。求得 p=1.273MPa。由以上可知，当筒体名义厚度为 n=7mm 或 15mm 时，其许用外压力小于设计 压力 1.32MPa，不符合要求。而筒体名义厚度为 n=16mm 时，其许用外压力大于设 计压力 1.32MPa，符合要求。故筒

19、体名义厚度为 n=16mm。罐体封头部分外压计算的过程为R0=k1×D0(4.9)(4.10)4.4 罐体封头外压稳定性设计0.125R0ep=BR0e(4.11)式中 D0为容器外径， mm；B为系数， MPa。假设封头名义厚度为 n=7mm。查的 C1=0.5，由公式 4.4 得， e=5.5mm 。由公式 4.9 得 R0=607mm。求得 R0/ e=110.36，由公式 4.10 得 A=0.0011，查得 B=132。由公式 4.11 得p=B =132/110.36=1.196MPa。R0 e同理，求得封头名义厚度为 n=8mm 时， p=1.411MPa。 从结果上分

20、析，当名义厚度为 8mm 时较为合适，但是筒体厚度为 16mm，考虑 加工时的问题，封头厚度为 16mm。第7页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计5 夹套强度设计5.1 夹套筒体内压强度设计夹套部分只承受内压， 其内部压力为 1.32MPa。夹套壁厚可以由罐体内压计算过 程同理求得。由公式 4.1 得PcDi2 tPc=6.4= 1.32 1300 =2 159 0.85 1.32夹套筒体部分的计算壁厚为 6.4 mm。由公式 4.2，4.3，4.4得，夹套筒体部分的 名义厚度为 8mm。5.2 夹套封头内压强度设计由公式 4.5 得KPc Di1 1.32 1300= t = =6.42

21、t 0.5Pc 2 159 0.85 0.5 1.32夹套封头部分的计算壁厚为 6.4 mm。由公式 4.2，4.3，4.4得，夹套封头的名义 厚度为 8mm。第8页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计6 罐体与夹套连接处剪切强度设计6.1 罐体质量计算罐体质量由筒体和封头质量构成。查得筒体质量为 480kg，封头质量为 238kg；夹套 筒体质量为 531.5 kg，夹套封头质量为 131.7 kg。罐体质量 M1= 2.4×662+2×315+2.06×531.5+131.7=3444.6kg6.2 罐体内介质质量计算介质质量以与罐体体积相同的水的质量来计算，

22、结果为 M2=3280kg。6.3 罐体上法兰及其他附属件质量计算其他附件及法兰质量见 3.5，3.6，3.7 节。整个质量之和为 M3=63.04kg。6.4 总负荷计算G=(M1+ M2+ M3) ×9.8=66518.9N6.5 焊缝连接处环形面积计算2FD03.14 (1200 16) 16 0.85 51928.06mm26.6 焊缝连接处剪切应力校核G66518.99.8 9.8 12.55 Mpa F51928.060.8 0.8 159 127.2MPa所以焊接处应力校核满足要求。第9页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计7 开孔补强计算7.1)7.2)不需开孔补强计

23、算的最大直径的计算公式为d 8.13 Di e(1 K)pDi(2 p) e式中 d 为不需开孔补强计算的最大直径， mm； Di 为容器内径， mm ； 为壳体计算厚度， mm； K 为筒体壁厚富裕程度系数。 根据公式 4.1,4.2 得pDi(2 p) e1.21 1200=0.849(2 159 1.21) 5.4d 8.13 Di e(1 K) 8.131200 5.4(1 0.849) 80.41在罐体上，需要进行开口补强的最小开孔直径为 80.41mm。根据第 3 节可得，罐体上只有搅拌口需要进行开孔补强计算， 开孔补强计算采用 的是等面积补强法。A d 2 （ nt C）（1 f

24、r ）（7.3）式中 A 为因开孔而削弱的金属面积， mm2；d 为开孔内直径， mm ； 为壳体计算厚度， mm； nt 为接管计算厚度， mm； fr 为强度削弱系数， fr=1。 计算 A=298×5.4=1609.2mm2接管计算厚度计算得 nt=4.56mmnt =KPcDi2 t0.5Pc（7.4）h1d nt（7.5）式中 h1 为接管有效高度，mm；nt为接管计算厚度，mm。计算 h1=59.80mmB=max2d,d+2 n+2nt（7.6）第 10 页夹套管设计 沈阳航空工业学院 课程设计 式中 n 为壳体名义厚度， mm；nt 为接管计算厚度， mm； d 为开

25、孔内直径， mm 。A1 (B d)( n C) 式中 A1 为壳体上超过计算厚度的多余金属面积， mm2； n 为壳体名义厚度， mm； d 为开孔内直径， mm 。2A 1=2622.4 mm2A2 2h1( nt C) t fr式中 A2 为接管上超过计算厚度的多余金属面积， mm2； nt 为接管计算厚度， mm； fr 为强度削弱系数， fr=1； h1 为接管有效高度， mm。2A 2=437.90 mm22 A3=0.5×16×16×2=256mm2 壳体上超过计算厚度的多余金属面积为 2622.4 mm2。根据公式 计算厚度的多余金属面积为 437

26、.90mm2。开孔补强的条件为：A>A 1+A2+A3式中 A3 为补强区内焊缝金属的截面积， mm2；7.7)7.8)7.8 得接管上超过(7.9)A1 为壳体上超过计算厚度的多余金属面积， mm2； A2 为接管上超过计算厚度的多余金属面积， mm2； A 为因开孔而削弱的金属面积， mm2。 由公式 7.9 可知搅拌器口不需要开孔补强。第 11 页夹套管设计沈阳航空工业学院 课程设计8 水压实验压力确定8.1 罐体水压实验校核8.1.1 罐体筒体封头内压水压实验压力确定水压试验的压力公式为PTp t8.1)式中 PT 为水压试验的压力， MPa； 为试验压力系数， =1.2；5 为

27、试验温度下的材料许用应力， MPa 由公式 5.1 得PTp t 1.25 1.21 163 1.551 MPaT t159水压试验应力校核公式为8.2)PT (Pie)2e式中 Se 为计算壁厚， mm；Pc为计算压力， MPa；Di 为容器内径， mm； 为焊缝系数； K=1；PT 为水压试验的压力， MPa； 罐体的水压试验压力为 1.551MPa。由公式 5.2，5.3 得PT (Pie)2e1.551 (1200 14.5)2 14.5 0.8576.42 MPaPT (KDi 0.5 e)2e1.551 (1200 0.5 14.5)2 14.5 0.8575.96 MPa水压试验下罐体筒体和封头的许用应力分别为于材料的许用应力，所以其设计符合要求。76.42MPa 和 75.96MPa。其值均小罐体筒体封头在水压实验压力下的稳定性校核外压水压实验公式为PT 1. 2P5 1 .25 1 . 21 M1Pa第 12 页夹套管设计沈