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1、设计要求1、设计题目：空气储罐的机械设计2、最高工作压力：MPa3、工作温度：常温4、工作介质：空气5、全容积：16m3设计参数的选择：设计压力：取倍的最高压力，属于低压容器。筒体几何尺寸确定：按长径比为，确定长 L=640000mm,D=1800mm设计温度取50因空气属于无毒无害气体，材料取Q345为低合金钢，合金元素含量较少，其强度，韧性耐腐蚀性，低温和高温性能均优于同含量的碳素钢，是压力容器专用钢板， 主要用于制造低压容器和多层高压容器！封头设计：椭圆形封头是由半个椭圆球面和短圆筒组成，球面与筒体间有直边段。直边段可以避免封头和和筒体的连接焊缝处出现经向曲率突变， 以改善曲率变化 平滑
2、连续，故应力分布比较均匀；且椭圆形封头深度较半球形封头小得多， 易冲 压成型，在实际生产中多有模具，是目前中低压容器应用较多的封头。因此选用以内径为基准的 标准 型椭圆形 封头 为了防止热应力和边缘应力的 叠加，减少应力集中，在封头和筒体连接处必须有一段过渡的直边段，直边段的高度依据标准选择。封头材料与筒体相同，选用头和筒体连接处必须有一段过渡的直边段，直边段的高度依据标准选择。选材和筒体一致Q345R接管设计接管设计 优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造 中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。 优质中碳钢的强度较高， 韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用
3、钢。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择20号优质低碳钢的普通无缝钢管制 作各型号接管法兰设计 法兰连接的强度和紧密性比较好，装拆也比较方便，因而在大多数场 合比螺纹连接、承插式连接、怫焊连接等型式的可拆连接显得优越，从而获得广 泛应用。平焊法兰连接刚性较差，只能在低压，直径不太大，温度不高的情况下使用。由于Q345R为碳素钢，设计温度50 c 300 C ,且介质无毒无害，可以选用带 颈平焊法兰，即SO型法兰。储罐的设计压力较小要保证法兰连接面的紧密性，必须合适地选择压紧面的形对于压力不高的场合，常用突台形压紧面 。突面结构简单，加工方便，装卸容 易，且便于进行防腐衬里。储罐由于设计压力为
4、 ，空气无毒无害，可选择突面(RF)压紧面。由于法兰钢件的质量较大，需要承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面 的力学性能也较高，所以不用铸钢件，可以采用锻钢件。接管材料为20号钢，法兰材料选用20 R锻钢。接管与法兰分配N1、N2空气进、出口 公称尺寸DN250,接管尺寸 273 x6 。接管采用无缝 钢管，材料为20号钢。伸出长度为150mm。选取 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20 H ,法兰标记为：N3排污口； 公称尺寸DN40,接管采用45 无缝钢管，材料为20号钢，外伸长度为150mmi 选取 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20 H,法兰标记为：RFN4安全阀口公称尺寸D
5、N80,接管采用 89 x4无缝钢管，材料为20号钢, 外伸长度为150mmi根据GB12459-99,选用90 弯头；弯头上方仍有一定外伸 量。选取 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20 n ,法兰标记为：N5压力表口公称尺寸DN25,接管采用32 无缝钢管，材料为20号钢，外伸长度为150mmi根据GB12459-99,选用90 弯头；弯头上方仍有一定外 伸量。选取 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20 H ,法兰标记为：RF N6 (备用口)公称尺寸DN80,接管采用89 x4无缝钢管，材料为20号钢,外伸长度为150mm需进行补强计算。选取 等级的带颈平焊突面法兰，材料选 用20
6、H,法兰标记为：RF 弯头设计N4为安全阀口，安全阀在容器中起安全保护作用。当容器压力超过规定值时， 安全阀打开，将系统中的一部分气体/流体排入大气/管道外，使系统压力不超过 允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。由于冲出压力较大，阀口不可 直接对人，因此需90 0安装，用弯头过渡。标记为：弯头 DN80 900N5为压力表口。为方便读数，压力表需竖直安装于管口，因此接管要通过90 0弯头过渡至竖直面，再安装压力表。标记为：弯头 DN25 900人孔设计 在化工设备中，开设人孔是为了便于内部附件的安装，修理和衬里， 防腐以及对设备内部进行检查、清洗。对于压力容器，为了便于移动沉重的人孔
7、盖，盖子通常做成回转形式。本储罐由于尺寸较大，人孔直径也较大，可使用回 转盖人孔。人孔接管及法兰设计 公称尺寸为500mm接管采用530 10无缝钢管，材料为 20号钢，外伸长度为150mm选用回转盖带颈平焊法兰人孔。法兰采用带颈平 焊突面法兰，材料为20 R锻钢，法兰标记为 RFo法兰盖设计法兰盖根据配套选择，采用 A型盖轴耳，材料与接管同，钢20标记为：。紧固件选用与法兰盖之间必须加垫片密封。在采用标准法兰的情况下，选择恰当的垫片可以提高密封效果。根据储罐的设计温度和设计压力，可选用石棉橡胶板(XB350 作为垫片材料。该材料应用广泛，使用温度可达450 C ,压力小于6MPa的场合。 垫
8、片型号标记为：RF法兰盖与法兰连接的螺柱可选用 M24的螺杆。支座选择化工容器设备大都通过支座加以固定。 支承式支座结构简单轻便，不需要专门的 框架、钢梁来支承设备，可直接把设备载荷传到较低的基础上。止匕外，它能比其 他型式的支座提供较大的操作、安装和维修空间。由于支承式支座对所在设备封 头产生的局部应力相对较大，故在采用这种支座时，需增设垫板。根据公称直径， 本储罐选用B型第4组支承性支座。支座标记为：支座 4B图3-4支承型支 座吊耳选择由于本储罐高度较高，为方便起吊、移动设备，在筒体顶部加设吊耳。图3-5吊耳焊接型式及结构筒体焊接接头系数选取根据介质性质，取焊缝形式为相当于双面焊的全焊透
9、对 接接头，无损探伤要求为局部。焊接系数.假设圆筒白厚度在616mme围内设计温度为50 C,查 查GB150-1998中表4-1得该温度下Q345R许用应力 (rt= 170MPa, (t=170MP.筒体厚度计算:pcDt2 pc0.88 18002 170 0.85-0.885.50mm取钢板负偏差C1 =钢板腐蚀裕量C2=1mm 设计厚度 d c2 5.50 1 6.50mm 名义厚度n d cl 6.8mm向上圆整取为 10mm故封封头厚度设计：封头个参数和筒体相同， 只有焊接系数因为钢板整体冲压而成所以取,头计算厚度:KpcD2 t1 0.88 1800Pc2 170 1-0.5
10、0.884.66mm设计厚度dc2 4.66 1 5.66mm3-1名义厚度 n d c1 5.96mm向上圆整取10mm也满足焊接方面。实验压力确定采用液压实验，试验压力pT 1.25PT 1.25 0.88 1.1MPPt(De)2 e试验应力校核63.77MP1.1 (1800 10 1 0.3)2(10-1-0.3)0.9 ReL 0.9 0.85 345263.93MP所以液压试验应力合格筒体和封头的结构设计由封头长短轴之比为2,即2=2,得h 2 竺00 mm 450mm 2hi44查标准4中表EHA和EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表 和图3-1。IT _V = DiL
11、0 +2V 封4取装料系数为，则V 兀二-DiLo+2V封0.9 4即 16 1.82 L02 0.25450.94算得 L06.590 m圆整后取为L07.0m鞍座选型和结构设计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Q345R估算鞍座的负荷：罐总质量m = m1 +2m2 +m3 +m41 234(3-3)mi一筒体质量：ml DL0 3.14 1.8 7 0.01 7850 3105.77kgm2一单个封头的质量，查标准封头质量表m2=m3充液质量：P水压缩空气，水压试验充满水，故取介质密度为如=1000kg/m3, m3 =水丫V V筒 2V封 -Di2L0 2V封
12、 -1.82 7 2 0.2545 18.31m3 44贝(Jm3p水 V 1000 18.31kg 18310 kgm4一附件质量：人孔质量为153kg ,其他接管总和为200kg,即m4353kg综上所述m0=m/4=则每个鞍座承受的质量为，即为350KN ,满足要求鞍座的安装位置如图3-3所示:第四章 开孔补强设计补强设计方法判别根据GB150规定，接管必要时必须进行补强设计。对管N1、N2、N& N7进 行补强，采用等面积补强法法进行接管补强。 据前筒体与封头计算，其计算壁厚 名义厚度为10mmN1N空气进、出口管：公称尺寸 DN250接管尺寸273 x6mmD；1800d ,要0 9
13、00mm且d520mm故可采用等面积法进行补强计算22以20号钢为管材，查GB150得设计温度下20钢许用应力t 130MPa焊接接头系数 =10.88 273 0.93 mm 2 130 1-0.886mm0.765接管计算厚度：tPcdi2 tpc钢板负偏差：C1寻义厚度为强度削弱系数fr t 170开孔直径 d=di+2c=261+=(4-1)开孔切削截面积：A dS 2 s氯1 f.)_有效补强范围有效宽度BB1=2d=B2 d 2 Sn 2% 263.22 10 2 6 294.6 mmB max(B1,B2) 526.4 mm(4-2)外侧有效高度根据1中式8-8,得：h1、西、2
14、63.2 6 39.74 mmhiHi 150mm.hi min( hi ,hi ) 39.74 mm内侧有效高度根据1中式8-9,得：%、标 263.2 6 39.74 mm 一-一、 一h2接管实际内伸身度0 一h2min(h2 h ) 0有效补强面积根据1中式8-10至式8-13,分别计算如下：Ae A1A2 A3(4-3)A一筒体多余面积A1(B d)(a-S) 2%(1-认1 fr)0.765)(526.4 263.2) (10 4.66 1.1) 26 1.10(10 4.66 1.1) (121106 mmA2 一接管多余面积A2 2n (阳St)fr 2hz(阳 C2)fr2
15、39.74 (6 1.1 1.21) 0.76 0 221.6mmA3焊缝金属截面积，焊脚去7mm则A31 62 2 36mm22补强面积Ae A1 A2 A31106221.6361363.6 mm2同样对N4安全阀口公称尺寸DN80,接管采用 89 x4无缝钢管，材料为20号D；1800一钢，外伸长度为150mmd - 900mm 且d520mm 故可米用等面22积法进行补强计算以20号钢为管材，查GB150得设计温度下20钢许用应力t 130MPa焊接接头系数 =1接管计算厚度：tPcdi2 t pc钢板负偏差：C1寻义厚度为0.88 892 130 1-0.880.30mm4mm、，一
16、一t 130强度削弱系数fr t 170开孔直径d=di+2c=89+=0.765开孔切削截面积:(4-1)A dS 2(1f.)_有效补强范围有效宽度BB1=2d=B2d 2Sn2。91.2 2 10 2 4 208.4 mmB max( B1, B2) 526.4 mm(4-2)外侧有效高度根据1中式8-8,得：% 季 91.2 4 19.10mmh1Hi 150mmh1 min( h1, % ) 19.10 mm内侧有效高度根据1中式8-9,得：h1. d 8nt91.2 4 19.10mm 一-一、 一h2 接管实际内伸身度 0 一h2 minQ h ) 0有效补强面积根据1中式8-1
17、0至式8-13,分别计算如下：Ae A A2 A3(4-3)A1 一筒体多余面积A1 (B d)(Se-S) 2%(1-认1 fr)(192.4 91.2) (10 5.5 1.1) 26 1.10(10 5.5 1.1) (1 0.765)2302.08 mmA一接管多余面积A2 2gt 8t)fr 2h20 C2)%2 19.10 (4 1.1 1.21) 0.76 0 49.35mmA3焊缝金属截面积，焊脚去6mm则1 22A3- 62 36 mm2补强面积 _2Ae A1 A2 A3886221.6361143.6 mm因为Ae. .A,所以开孔需另行补强 同样对N公称尺寸为500mm
18、i接管采用 530x 10无缝钢管，材料为20号钢,外伸长度为150mm dDi 1800厂900mm 且d max切向剪应力的计算及校核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：0.88 24876.326.05MPa0.6035 0.006K3 0.880K40.401K3F 3 T Rai(5-4)圆筒被封头加强(A Ra/2)时，其最大剪应力根据2中式7-10,计算得:K4F防Ra Ie(5-5)0.401 5583.40.905 0.012.47MPa切向剪应力的校核t0.8圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的倍，即 封头的切向剪应力，应满足 h 1
19、.25而 r 6.05MPa 0.8(/0.8 113 90.4MPa故圆筒满足强度要求。根据2中式7-1221 c 1800 2624502K 1 2262 hi(5-6)(5-7)翳 IF 100MPat02.47MPa1.25 g %1.25 170 158.4 54.1MPa故封头满足强度要求圆筒周向应力的计算和校核根据鞍座尺寸表知：b4 350 mmb 1.56 % Ra 7220 1.56905 10 346.4mm即b4 b+1.56%；Ra ,所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座在横截面的最低点处:根据2中式718kKsFEJ2其中k 0.1(容器焊在支座上)(5-8)查2中表7-3
20、知，K50.76则050.1 0.76 24876.32781400.9MPa在鞍座边角处06由于L Ra06由于A Ra7000905&e b20.30.603555894.34 7 8 4057.73 812K6FRal a20.49812 0.0130.5根据2中式720:查2中表55894.3 90527900 7 87-3 知，K6 0.013 则(5-9)2.13MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力由于L/Ra8 ,根据2中式7-22F12K6FRa鱼,.24 ab2l55894.312 0.013 55894.3 905Z 24 7 4057900 714.91MPa周向应力校核
21、2求。0.9MPa15.69MPa25.1MPat(T113MPat1.25 o 1.25113t1.25 g 1.25 113141.25MPa141.25 MPa故圆筒周向应力强度满足要鞍座应力计算及校核腹板水平分力及强度校核根据2中表77鞍座包角120 ,查2中表7 5得K90.204 0 贝UFsK9F 0.204 24876.325074.8 N垫板起加强作用，则:9 Hsb0Fsbr re其 中Sre 8mm, br b2 140 mmRa3603.53201.2 mmH 201.2 8 193.2mm193.2 mm则095074.80.1932 0.0060.14 0.0082
22、.2MPa2 ri查2中表 51,得： sa 147MPa,贝Usa =98MPa3由于西2sa,所以其强度满足要求3鞍座压缩应力及强度校核根据2中表76,取1 0.08则Fev01mg 0.08 5076.8 9.8 3980.2 N ,钢底板对水泥基础的f 0.4则mgf5076.8 9.8 0.4 19901.1 N FEv所以压应力应按2中式729计算：sa2ZrAa L 2AF FevHFevHv(5-9)其中1200Hv R H 193.2 793.2 mm,筋板面积Ai =b2 S3 =140 X6 =840 mm2腹板面积：2A (li 50) 62880 50 6 4980m
23、m22Asa 6A1 A26 840 4980 10020mm2li880x - 10 15 4 I3 10 15 6 200 209mm22Z1 = x + =209 + = 212 mm22Z2 =Z1 +l3 = 212 +200 =412mm形心:Vc_6A (b2 + 今)2 _6 X840 X(140+6)2=36.7mm10020Vcb2今 140 62- Vc 36.736.3mm22IV 23 誓 A Z12Z22382 I1201236880 2012140 6222238402122 412212498367180 mm4Iz 6 上 Axy；12法3 I1 2012A2
24、 Vc1403 612840 209 36.363 880 20124980 36.746667214 mm4腹板与筋板组合截面断面系数:maxZ maxb 2L2s 17010 = 2 c 88010 = 210 =75mm10 =430mmZryI yZ max4983671803=1158993.4mm430ZrzIz 466672143=108528.4mmZmax 430Zr=mininZry,Zrz= 108528 .4mm3代入公式FFevHsaAsa2ZrAsa LFEvHv 砥得2AFevHFevHv24876.323980.2 193.24806.2 793.22ZrAsa
25、 L 2A100202 108528.4100202550 2 3003.74MPaFfH24876.32AsaZr1002024876.32 0.4 193.220.2MPa108528.4取 K01.2Ko sa1.2147176.4MPa根据2中式732进行校核sat sa20.2MPa八 147 MPa sa3.74 MPaKo (T sa 176.4 MPasa即满足强度要求。筒体的总体尺寸已知参数：筒体公称直径DN Di 2000mm筒体壁厚设计设计温 度为85 C,查GB150得该温度下 Q345R许用应力t 170MPa取钢板负偏差 C1 ,钢板腐蚀裕量 C 2 1mm pc
26、Di 2000 计算壁厚t 41 2 pc 2 170 t 设计壁厚t d t C 2 1 4-2t C1 C2 1 4-3取圆整后名义厚度为t n 10mm有效厚度t e t n C1 C 2 10 1 414进行液压试验，试验液体温度一般不低于5C。试验温度下材料许用应力170MPa设计压力，170试验压力 pT P 4 15 t 170 pT Di t e 2000校核圆筒应力 T 4 -6 2t e 2 屈服强度s 345MPa ,90 s 345 T s ,筒体试验合格 封头尺寸封头的总体尺 寸封头采用的标准椭圆封头 k1 , DN2000mm封头高度h1 Di 4 2000 / 4
27、 500mm4-716m 3空气储罐设计封头的厚度设计封头材料参数与筒体相同Kpc Di2000计算壁厚t 4 -8 2 pc 2 170 t 设计壁厚t d t C 2 1 C1 C2 1 取 圆整后名义厚度为t n 10mm有效厚度t e t n C1 C 2 10 1封头的最小厚度校核：Di 2000 3mm t n 10mm，满足要求。封头的直边段高度椭圆封头的直边段高度以内径为准。当 Di 2000mm时，直边段高度h25mm图4-1封头极 其直边段 补强计算及补强圈选用 根据GB150规定，接管必要时必须进行补强 设计。对管N1、N2、N& N7进行补强，采用等面积补强法法进行接管补强。据 前筒体与封头计算，其计算壁厚 T ,名义厚度为Tn空气进、出口管：公称尺 寸DN250接管尺寸273 616m 3空气储罐设计12内径d i 273 2 6 261mm 4 -9 以20号钢为管材，查GB150得设计温度下20钢许用应力t 130MPa焊接接 头系数1.