低变炉毕业设计说明书

1、- PAGE 16 - PAGE 16 -低变炉设计 学生：张建雄 江汉大学化学与环境工程学院09过控 指导老师：张建琪 江汉大学化学与环境工程学院化工系摘 要本说明书为低变炉设计说明书。扼要介绍了立式低变炉的特点及在工业中的广泛应用，详细的阐述了立式低变炉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、物料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，最后形成合理的设计方案。 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

2、容器、立式低变炉、结构设计、强度校核、开孔补强。ABSTRACT The specification for the design specification of shifting furnace. Briefly introduces the characteristics of shifting furnace and in the vertical .Widely used in industry, describes in detail the structure and strength design and manufacturing, maintenance and maint

3、enance of vertical low furnace . This paper uses the method of analysis and design, comprehensive consideration of environmental conditions, material properties and other factors and reference standard .Design prospective, according to the order of process design, structure design, equipment strengt

4、h calculation of tank, cylinder, head, saddle, took over the design, and then use 1SW6-1998 to make strength check, finally forms the reasonable design scheme. The design results meet user requirements, safety and economic and environmental requirements are qualified. Keywords: pressure vessel, vert

5、ical low furnace, structure design, strength check, opening reinforcement. 目 录 TOC o 1-3 f h z u HYPERLINK l _Toc267049876 第一章 绪论3 HYPERLINK l _Toc267049877 第二章 设计参数的选择4 HYPERLINK l _Toc267049878 第三章 容器的结构设计5 HYPERLINK l _Toc267049879 3.1圆筒厚度的设计5 HYPERLINK l _Toc267049880 3.2封头厚度的计算5 HYPERLINK l _To

6、c267049881 3.3筒体和封头的结构设计6 HYPERLINK l _Toc267049882 3.4人孔的选择7 HYPERLINK l _Toc267049883 3.5接管，法兰，垫片和螺栓（柱）7 HYPERLINK l _Toc267049884 3.5.1接管和法兰7 HYPERLINK l _Toc267049885 3.5.2垫片8 HYPERLINK l _Toc267049886 3.5.3螺栓（螺柱）的选择9 HYPERLINK l _Toc267049887 3.6鞍座选型和结构设计9 HYPERLINK l _Toc267049888 3.6.1鞍座选型10

7、HYPERLINK l _Toc267049890 第四章 开孔补强设计11 HYPERLINK l _Toc267049891 4.1补强设计方法判别11 HYPERLINK l _Toc267049892 4.2有效补强范围11 HYPERLINK l _Toc267049893 4.2.1有效宽度B11 HYPERLINK l _Toc267049894 4.2.2外侧有效高度12 HYPERLINK l _Toc267049895 4.2.3内侧有效高度12 HYPERLINK l _Toc267049896 4.3有效补强面积12 HYPERLINK l _Toc267049897

8、4.4补强面积13 HYPERLINK l _Toc267049898 第五章 强度计算13 HYPERLINK l _Toc267049899 5.1水压试验应力校核13 HYPERLINK l _Toc267049900 5.2圆筒轴向弯矩计算13 HYPERLINK l _Toc267049901 5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩13 HYPERLINK l _Toc267049902 5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩14 HYPERLINK l _Toc267049903 5.3圆筒轴向应力计算及校核14 HYPERLINK l _Toc267049904 5.3.1圆筒中间截面上由压

9、力及轴向弯矩引起的轴向应力14 HYPERLINK l _Toc267049905 5.3.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核14 HYPERLINK l _Toc267049906 5.3.3圆筒轴向应力校核15 HYPERLINK l _Toc267049907 5.4切向剪应力的计算及校核15 HYPERLINK l _Toc267049908 5.4.1圆筒切向剪应力的计算15 HYPERLINK l _Toc267049909 5.4.2圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力16 HYPERLINK l _Toc267049910 5.4.3切向剪应力的校核16 HYPERLIN

10、K l _Toc267049911 5.5圆筒周向应力的计算和校核16 HYPERLINK l _Toc267049912 5.5.1在横截面的最低点处：18 HYPERLINK l _Toc267049913 5.5.2在鞍座边角处 PAGEREF _Toc267049913 h 17 HYPERLINK l _Toc267049914 5.5.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力17 HYPERLINK l _Toc267049915 5.5.4周向应力校核17 HYPERLINK l _Toc267049916 5.6鞍座应力计算及校核18 HYPERLINK l _Toc267049917

11、 5.6.1腹板水平分力及强度校核18 HYPERLINK l _Toc267049918 5.6.2鞍座压缩应力及强度校核18 HYPERLINK l _Toc267049919 5.7地震引起的地脚螺栓应力20 HYPERLINK l _Toc267049920 5.7.1倾覆力矩计算20 HYPERLINK l _Toc267049921 5.7.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力21 HYPERLINK l _Toc267049922 5.7.3由地震引起的地脚螺栓剪应力21 第六章 焊接工艺 .22 第七章 设计结束语及致谢 .22 HYPERLINK l _Toc267049923

12、参考文献24第一章 绪论低变炉的用途十分广泛。它是在合成氨工业中起着重要作用的设备。低变炉一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。低变炉由于密封、承压及介质等原因，容易发生 HYPERLINK /view/63146.htm t _blank 爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由 HYPERLINK /view/8426.htm t _blank 国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。低变炉按其形状可分为球形容

13、器、圆筒形容器（立式、卧式）。按其承压性质可分为内压和外压，内压容器又可分为低压、中压、高压、超高压4个压力等级。按其工作的温度环境可分为低温、常温、中温、高温容器。按制造器的材料可分为金属制和非金属制两类。按其应用情况可分为反应压力容器（R）、换热压力容器（E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。目前我国普遍采用常温压力低变炉，常温低变炉一般有两种形式：球形低变炉和圆筒形低变炉。球形低变炉和圆筒形低变炉相比：前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般储存总量大于或单罐容积大于时选用球形低变炉比较经济，而圆筒形低变炉具有加工制

14、造安装简单，安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总储量小于或单罐容积小于时选用圆筒形低变炉比较经济。圆筒形低变炉按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形低变炉， 只有某些特殊情况下（站内地方受限制等) 才选用立式。但本说明书主要讨论立式形低变炉的设计。1.1 设计任务：针对化工厂中常见的低压低变炉，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计及安全检测，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，对低变炉进行设计。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

15、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。 设计参数的选择设计题目：立式低变炉2、操作压力：3.13、操作温度：2604、物料名称：5、全容积：676、设计压力：3.47、设计温度：2808、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为3800mm。

16、9、主要元件材料的选择：根据GB150-19981表4-1，选用筒体材料为16MnR（钢材标准为GB6654）。根据JB/T47312,鞍座选用材料为Q235-B，其许用应力 QUOTE 。地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q235，Q235的许用应力 QUOTE 第三章 容器的结构设计3.1圆筒厚度的设计 由于该容器储存介质有毒且工作压力大，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 QUOTE 。假设圆筒的厚度在5060mm范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：疲劳极限强度 QUOTE ，屈服极限强度， QUOTE 下的许用应力为 QU

17、OTE ，利用中径公式查标准HG20580-19983表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而由1中知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取 QUOTE 。查3中表7-5知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量 QUOTE 。则筒体的名义厚度 QUOTE 圆整后取为 QUOTE 3.2封头厚度的计算查标准JB/T4746-20024中表1，得公称直径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） (3-2)同上，取 QUOTE ， QUOTE 则封头的名义厚度为 QUOTE 圆整后取为。3.3筒体和封头的结构设计由封头

18、长短轴之比为2，即 QUOTE ，得 QUOTE 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。取装料系数为0.98，则即 QUOTE 算得圆整后取为m 表3-1 封头尺寸表公称直径DN mm总深度H mm内表面积A 容积 质量 Kg3800120018.267.6556988.5 图3-1 椭圆形封头 3.4人孔的选择根据HG/T 21517-20055，查表3-3，选用凹凸面的法兰，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MFMD6702324公称压力PN MPa1.062028螺柱数量20公称直径DN500

19、250A365螺母数量40103B175螺柱尺寸d496b28L250总质量kg1533.5接管、法兰、垫片和螺栓（柱）3.5.1接管和法兰 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MFM（凹凸面密封）。将查得的各参数整理如表3-3 表3-3 各管口法兰尺寸表名称公称直径DN钢管外径法兰焊端外径法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n个螺栓Th法兰厚度C法兰颈法兰高度法兰质量NR进料口450459B600160188M162010

20、53.2106504.0出料口450459B600160188M16201053.2106504.0排污口500509B700160188M16201053.2106504.0人孔500509B700100184M1618562.666422.0温度计口2530B10575144M1218402.364401.03.5.2垫片查HG/T 20609-20097，得各管口的垫片尺寸如表3-4: 表3-4 垫片尺寸表管口名称公称直径内径D1外径D2进料口450495.5520出料口450495.5520排污口500540.5602人孔500540.5602温度计口2545.561注：1：包覆金属材

21、料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3。2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。3：垫片厚度均为3mm。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 螺栓及垫片名称紧固件用平垫圈 mm公称直径螺纹螺柱长H进料口450M169217303出料口450M169217303排污口500M169217303人孔500温度计口25M127513242.53.6鞍座选型和结构设计3.6.1鞍座选型该立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：储罐总质量 ： （3

22、-3） 筒体质量：单个封头的质量，充气体质量：，水压试验充满水，故取介质密度为， 则附件质量：人孔质量为，其他接管总和为200kg，惰性氧化铝球=19600即 综上所述： 则每个鞍座承受的质量为，即为。 查JB4712.1-20079表1，优先选择重型支座。表3-6 鞍座尺寸表公称直径DN 3800腹板20垫板1300允许载荷QkN 130000筋板190020鞍座高度h 1500820e70底板 4100900螺栓间距1200 76020鞍座质量Kg 5101 30垫板弧长7350增加100mm增加的高度Kg120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

23、计方法判别人孔开孔直径为 故可采用等面积法进行补强计算接管材料选用16MnR，其许用应力根据GB150-1998中式8-1： （4-1）式中：壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以4.2有效补强范围4.2.1有效宽度B按1中式8-7，得： （4-2）4.2.2外侧有效高度根据1中式8-8，得：4.2.3内侧有效高度根据1中式8-9，得：4.3有效补强面积根据1中式8-10 至式8-13，分别计算如下： （4-3）筒体多余面积接管多余面积焊缝金属截面积，焊脚去6mm，则4.4补强面积因为，所以开孔需另行补强另行补强面积为 第五章 强度计算5.1水压试验应力校核试验压力圆筒的薄膜应力为

24、即，所以水压试验合格5.2圆筒轴向弯矩计算圆筒的平均半径为鞍座反力为5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩根据2中式7-2，得：5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩根据2中式7-3，得：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： （5-1）最低点处： （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）时，轴向应力位于横截面最高点处.取鞍座包角，查表7-1（JB/T4731-2005）得，.则b).在

25、横截面最低点处的轴向应力：5.3.3圆筒轴向应力校核 （5-3）查图4-810得，,则满足条件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： （5-4）5.4.2圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力根据2中式7-10，计算得： （5-5）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用应力的0.8倍，即。封头的切向剪应力，应满足而故圆筒满足强度要求。根据2中式7-12 （5-6） （5-7）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：即，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：

26、根据2中式718 其中（容器焊在支座上） （5-8）查2中表7-3知， 则5.5.2在鞍座边角处由于 根据2中式720:由于 查2中表7-3知，则 （5-9）5.5.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力由于，根据2中式7225.5.4周向应力校核根据2中式故圆筒周向应力强度满足要求。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，查2中表75得：。则垫板起加强作用，则：其中，则则查2中表51，得：，则由于，所以其强度满足要求。5.6.2鞍座压缩应力及强度校核根据2中表76，取则 ，钢底板对水泥基础的则 所以压应力应按2中式729计算： （5-9）其中 ，筋板面积 腹

27、板面积：形心：腹板与筋板组合截面断面系数：代入公式得取 则根据2中式732进行校核即满足强度要求。5.7地震引起的地脚螺栓应力5.7.1倾覆力矩计算5.7.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力根据2中式7-34计算 （5-10）其中n为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，；为筒体轴线两侧的螺栓间距；为每个地脚螺栓的横截面面积，；则取载荷系数，则由于，所以强度符合要求。5.7.3由地震引起的地脚螺栓剪应力根据2中式7-35计算 （5-11）其中为承受剪应力的地脚螺栓个数，；则 由于 故符合强度要求。 六 焊接工艺筒体的焊接和封头与筒体的焊接采用X型坡口，因为同厚度下减少焊接量约1/2,焊接变形及产生内应力也

28、小。焊条型号为J507。筒体与钢管的连接为角接接头。焊条型号为A302。筒体与封头处的A、B类焊接接头应用射线进行100%检测，合格级别为，C、D类焊接接头应用磁粉进行100%着色检测，合格级别为。 七 设计感想时光荏苒，转眼间毕业设计三个月时间已经完了，期间特别感谢张老师对我的指导与关心，在这之间我也学到了很多东西。虽然每学期都安排了课程设计或者实习，但是没有一次像这样的课程设计能与此次相比，设计限定了时间长，而且是一人一个课题要求更为严格，任务更加繁多、细致、要求更加严格、设计要求的独立性更加高。要我们充分利用在校期间所学的课程的专业知识理解、掌握和实际运用的灵活度。在对设计的态度上的态度

29、上是认真的积极的。 通过近一学期毕业设计的学习，给我最深的感受就是我的设计思维得到了很大的锻炼与提高。作为一名设计人员要设计出有创意而功能齐全的产品，就必须做一个生活的有心人。多留心观察思考我们身边的每一个机械产品，不仅是过程装备。只有这样感性认识丰富了，才能使我们的设计思路具有创造性。为什么这样说呢？就拿我设计的低变炉来说吧，在拿出具体的方案之前，老师让我了解一些关于国内外低变炉的现状和存在的问题，并要求让低变炉结构简单，并且造价低，稳定性好。这是对我的四年知识能力考查，也是对我应用这些知识能力的考查，我尽力使自己的设计减少错误，但我知道由于许多知识和能力的欠缺，肯定有一定的错误。通过本次设计我学到的不仅仅是对低变炉这单一方面的了解，让我熟悉了设计过程机械的各个方面的流程，学会了把自己大学四年所学的知识运用到实际工作中的方法。从以前感觉学的许多科目没有实际意义，到现在觉得以前的专业知识不够扎实，给自己的设计过程带来了很大的麻烦。低变炉是在化工也运用最广泛的过程机械，涉及到了很多项目。不仅有良好的针对性，并且有很大的现实意义。培养了自己的综合能力、自学能力，从而适应未来社会的需要与科学技术的发展需要。培养了自己综合的、灵活的运用的发挥所学的知识。我觉