锅炉压力容器安全

1、 锅炉压力容器安全 课程设计班 级 专 业 安 全 工 程 课程名称 压力容器与管道安全 指导教师 学 号 姓 名 二一三年十二月目 录一、 设计时间及地点.1二、目的与任务.1三、 设计题目.11.主要结构的选择.2 1.1主要结构设计.2 1.1.1 筒体长度的确定.2 1.1.2 封头.21.1.3接管 . 2 1.1.4 鞍座及其位置.3 1.1.5 焊接头系数.32. 工艺计算.3 2.1筒体壁厚的计算.3 2.2封头厚度的计算.4 2.3鞍座反力的计算.4 2.3.1 罐体质量M1.5 2.3.2 封头质量M2.5 2.3.3 液氨的质量M3.5 2.3.4 附件质量M4.52.4

2、筒体轴向应力校核.5 2.4.1筒体轴向弯矩计算.5 2.4.2 由弯矩引起的轴向应力 .7 2.4.3由设计压力引起的轴向应力.7 2.4.4轴向应力组合与校核.72.5 筒体和封头切向应力校核.8 2.5.1筒体切向应力计算.8 2.5.2封头切向应力计算.82.6筒体环向应力校核.8 2.6.1环向应力计算. 82.7 鞍座有效断面平均应力校核.92.8开孔补强的计算.10 2.8.1人孔参数的确定.10 2.8.2开孔补强的计算.103. 设备结构总图.134.课程设计总结.13参考文献.14锅炉压力容器安全课程设计一、 设计时间及地点 1.时间：第15周 2.地点：2号实验楼A504

3、二、目的与任务本课程设计是在学完锅炉压力容器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

4、打下一定的基础。三、 设计题目 某厂需添置一台液氨贮罐，已知：设计压力p=1.2MPa，设计温度T=36，容器内径D=1160mm，容积V=2.4立方米，设备充装系数0.9，采用鞍式支座。试设计该设备。1.主要结构的选择 1.1主要结构设计 1.1.1 筒体长度的确定由公称直径DN=1160mm，罐体的容积V=2.4m3，设罐身的长度为L，则 V2-标准椭圆封头的容积h0=25mm（封头直边高度） 代入上式，即 则 L0=1.89m 1.1.2 封头此容器为液氨储存性容器，从受力方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头浓度比半球形封头小得多，易于冲压成型

5、，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来说：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。所以此容器选用罐身为圆筒形，两端均用标准椭圆形封头的卧式容器。 1.1.3接管由操作条件可知，该容器属于中压、常温范畴。考虑到机械性能、强度条件、腐蚀情况等要求，筒体和封头的材料选用可以考虑 20R、16MnR 这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用 20R 类的低碳钢板,16MnR 钢板的价格比 20R 贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR

6、钢板为比较经济。所以在此选择 16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。钢号为 16MnR 的钢板（适用温度范围-40-475，使用状态为热轧或正火，钢板标 。准 为 GB6654 1996 ） 接 管 材 料 选 用 钢 号 为 16MnR 的 接 管 （ 许 用 应 力 ： t =170MPa）。法兰材料为16MnR，鞍座材料选用 16MnR。 1.1.4 鞍座及其位置根据JB/T 4712.1-2007 容器支座查得由于筒体的公称直径DN=1160mm，所以可以选轻型（A型）120o包角带垫板鞍座，鞍座高度h=200mm，底板长度l1=880mm，螺栓连接尺寸l2=720mm，鞍座宽度b=

7、200mm，底板厚度1=10mm，腹板厚2=6mm，筋板厚度3=6mm，筋板长度l3=200mm，垫板宽b4=320mm，垫板厚4=6mm。鞍座位置A=0.5R=0.5(1160/2)=290mm 1.1.5 焊接头系数 本次课程设计是液氨储罐的机械设计。氨属于中度毒性物质， 查 表可知该设备为中压储存容器，即为第三类化工设备机械基础压力容器。由于焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方，要保证设备密封性能良好，故筒体焊接结构采用双面焊的全焊透的对接接头，且全部无损探伤的，故取焊接头系数1.0。2. 工艺计算 2.1筒体壁厚的计算筒体的理论计算壁厚公式为2： 式中 筒体的理论计算壁厚，mm； pc筒体

8、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。取计算压力pc=p=1.2MPa，筒体内径Di=DN=1160mm，查表知16MnR在设计温度为36时的许用应力为t=170MPa，将这些数值代入上式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=0.6mm，故名义壁厚为： 圆整后取n=7mm。 故本圆筒体的名义厚度为n=7mm。 名义厚度在假定范围67mm内，计算合理。 有效厚度 e=n-C1-C2=4.4mm 2.2封头厚度的计算 采用的是标准椭圆形封头，故K=

9、1，,其厚度计算式为： 设计厚度 因设计厚度d=6.10mm，所以壳体的名义厚度一定在67mm范围内，查表可知厚度在67mm内的钢板，负偏差为C1=0.6mm。 名义厚度 圆整后取n=7mm。 有效厚度 e =n-（C1+C2）=7-(2.0+0.6)=4.4mm e0.15%Di=1.74mm，故封头厚度合理。名义厚度在假定范围内，设计正确。 2.3鞍座反力的计算首先粗略计算鞍座负荷。储罐总质量M= M1+ M2+ M3+M4式中M1罐体质量，kgM2封头质量，kgM3液氨质量，kgM4附件质量，kg 2.3.1 罐体质量M1由公称直径DN=1160 mm，壁厚=7 mm条件下，查表得筒节钢

10、板的质量q=370kg/m，故M1=qL0=3701.84=680.8kg 2.3.2 封头质量M2由封头公称直径DN=1160mm，壁厚=7 mm，h0=25mm条件下，查JB/T4734-95得封头的质量为G=89.28kg则封头质量M2=2G=289.28=178.56kg 2.3.3 液氨的质量M3 V-主管的容积，m3-液氨的密度，kg/m3由于在题目中的情况下，液氨的密度小于水的密度，此处液氨按水考虑，即=1000kg/m3,则 M3=V=2.41000=2400kg 2.3.4 附件质量M4 人孔质量约为85 kg,其他接管质量和按200 kg计。 则 M4=85+200=285

11、kg于是，设备总质量为M= M1+ M2+ M3+M4 =680.8+178.56+2400+285=3544.36kg由以上计算内容的鞍座反力G=Mg/2=3544.369.8/2=17367.365N2.4筒体轴向应力校核 2.4.1筒体轴向弯矩计算筒体中间处截面的弯矩为 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 于是 筒体轴向应力计算 由查表K1=K2=1.0.因为,且ARm/2=293.5mm,故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。 2.4.2 由弯矩引起

12、的轴向应力圆筒中间截面上最高点处： 于是最低点处：鞍座截面处最高点处：最低点处： 2.4.3由设计压力引起的轴向应力 于是 2.4.4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=170MPa，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。2.5 筒体和封头切向应力校核 因筒体被封头加强，筒体和封头中的切向剪应力分别按以下方法计算。 2.5.1筒体切向应力计算 (5.7)由化

13、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 2.5.2封头切向应力计算 (5.8)于是合格.2.6筒体环向应力校核 2.6.1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）P11-101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。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。12.7 鞍座有效断面平均应力校核支座承受的水平分力 (5.12)由化工机械工程

14、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=200mm）和中的最小值，即Hs=195.67mm。腹板厚度于是应力校核：合格。式中，鞍座材料16MnR的许用应力。2.8开孔补强的计算 2.8.1人孔参数的确定人孔的形状有圆形和椭圆两种，当设备内经DI1000mm时,压力容器上的开孔最好是圆形的。椭圆形人孔的短轴与受压容器的轴线平行。圆形人孔的直径一般为450mm，受压容器的压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。圆形人孔的直径有DN400,DN450,DN500和DN6

15、00共4种。本设计根据储罐在常温工作压力为1.2MPa的条件下工作，人孔标准应按工程压力为1.2MPa的等级选取。受压设备的人孔盖较重，一般均选用盖式人孔或回转盖式人孔。人孔直径选择DN450。压力容器开孔补强形式选用补强圈补强。计算方法采用等面积补强法。即当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。 2.8.2开孔补强的计算 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。本设计所选用的人孔筒节内径di450mm，壁厚m10mm。据表JB/T 4736-2002查得补强圈尺寸为：外径D2=760mm，内径D1=450+210+14=484m

16、m。开孔补强的有关计算参数如下3： 2.8.2.1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 2.8.2.2有效宽度B二者中取较大值B=910.4mm。 2.8.2.3 有效高度h(1) 外侧高度h1二者中取较小值h1=67.49mm(2) 内侧高度

17、h2二者中取较小值h2=0mm。2.8.2.4 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)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2.8.2.5 补强圈厚度圆整后取，补强材料与壳体材料相同为16MnR。3. 设备结构总图4.课程设计总结通过本次液氨储罐的机械设计，使我了解了很多关于化工容器的知识，如容器材料的选择、附件型号的选择、焊接方式、参数校核等。浏览了很多与此相关的书籍，感觉受益匪浅。此次课程设计过程中，感觉对相应的标准和规定不太清楚。不过通过这次课程设计，使我对制图中的零件绘制、尺寸标准、比例、字体等各方面有了更深刻的掌握更加熟练。由于所学知识有限，时间有限，在本次课程设计中可能还有很多方面不够完善，部分设计可能不太合理或有更优的选择，但这次