空气储罐的机械设计

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：0.83、工作温度：常温4、工作介质：空气5、全容积：16设计参数的选择：设计压力 ：取1.1倍的最高压力，0.88MP<1.6属于低压容器。筒体几何尺寸确定：按长径比为3.6，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3.4 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3.5 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、铆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 <300 ，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状。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 0.88MPa，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锻钢。3.6接管与法兰分配3.6.6 N1、N2空气进、出口 公称尺寸 DN250，接管尺寸j 273 x6 。接管采用无缝钢管，材料为 20 号钢。伸出长度为 150mm 。 选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20，法兰标记为：SO300-2.5 RF3.6.2 N3排污口； 公称尺寸 DN40，接管采用 45 x3.5 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm。选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20，法兰标记为：SO40-1.6 RF3.6.3 N4安全阀口 公称尺寸 DN80，接管采用 j89 x4 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm。根据 GB12459-99，选用 90°弯头；弯头上方仍有一定外伸量。选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20，法兰标记为：SO80-1.6RF3.6.4 N5压力表口 公称尺寸 DN25，接管采用j 32 x3.5 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm。 根据 GB12459-99，选用 90°弯头；弯头上方仍有一定外伸量。选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20，法兰标记为：SO25-1.6 RF3.6.5 N6（备用口）公称尺寸 DN80，接管采用j 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 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20，法兰标记为：SO80-1.6 RF3.7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°安装，用弯头过渡。标记为：弯头 DN80 90° N5 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°弯头过渡至竖直面，再安装压力表。标记为：弯头 DN25 90° 3.8 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。3.8.1 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锻钢，法兰标记为 500-1.6 RF。 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：BL500-1.6RF。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，压力小于 6MPa 的场合。垫片型号标记为：RF 500-1.6 法兰盖与法兰连接的螺柱可选用 M24 的螺杆。3.9 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。此外，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 3.10 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3.11 焊接型式及结构3.11.1 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对接接头，无损探伤要求为局部。 焊接系数 0.853.假设圆筒的厚度在616mm范围内设计温度为 50，查 查GB150-1998中表4-1得该温度下 Q345R 许用应力 t= 170MPa,=170MP.筒体厚度计算：取钢板负偏差 C1 =0.3mm 钢板腐蚀裕量 C2=1mm向上圆整取为10mm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1.0，故封头计算厚度：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，试验压力所以液压试验应力合格.3.3筒体和封头的结构设计由封头长短轴之比为2，即，得查标准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0.9，则即算得 圆整后取为3.6鞍座选型和结构设计3.6.1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 （3-3）筒体质量：单个封头的质量，查标准封头质量表m2=294.3kg充液质量：，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，即综上所述m0=m/4=5589.34kg则每个鞍座承受的质量为5589.34kg，即为55.90KN<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4.1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、N6、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10mmN1N2空气进、出口管：公称尺寸 DN250接管尺寸 273 x6mm 且 故可采用等面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j=1接管计算厚度： 钢板负偏差：C1=0.1x0.93=0.093mmC2=1mmC=C1+C2=1.1mm名义厚度为6mm强度削弱系数开孔直径d=di+2C=261+2.2=263.2mm 开孔切削截面积： （4-1）=263.2x4.66+2x4.66x(6-1.1)(1-0.765)=1237.4mm24.2有效补强范围4.2.1有效宽度BB1=2d=2x263.2=526.4mm （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7mm，则4.4补强面积同样对N4安全阀口 公称尺寸 DN80，接管采用 j89 x4 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm 且 故可采用等面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j=1接管计算厚度： 钢板负偏差：C1=0.1x0.30=0.03mmC2=1mmC=C1+C2=1.03mm名义厚度为4mm强度削弱系数开孔直径d=di+2C=89+2.1=91.2mm 开孔切削截面积： （4-1）=91.2.2x5.5+2x5.5x(4-1.1)(1-0.765)=487.8mm24.2有效补强范围4.2.1有效宽度BB1=2d=2x91.2.2=182.4mm （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487.8-387.5=100.3mm同样对N公称尺寸为 500mm。接管采用j 530x 10 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为150mm。 且 故可采用等面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j=1内径d=530-10x2=510mm接管计算厚度： 钢板负偏差：C1=0.1x1.730=0.173mmC2=1mmC=C1+C2=1.173mm名义厚度为10mm强度削弱系数开孔直径d=di+2C=510+1.8x2=513.6mm 开孔切削截面积： （4-1）=513.6x5.5+2x5.5x(10-1.7)(1-0.765)=2846.7mm24.2有效补强范围4.2.1有效宽度BB1=2d=2x513.6=1027.2mm （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2846.7-2500.36=346.34mm25.2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：图5-1（a）筒体受剪力图图5-1（b）筒体受弯矩图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：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7.3.4.3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。4.1.1 筒体的总体尺寸已知参数:筒体公称直径 DN Di 2000mm，L4500mm4.1.2 筒体壁厚设计设计温度为 85，查 GB150 得该温度下 Q345R 许用应力 t 170MPa取钢板负偏差 C1 0.3mm ，钢板腐蚀裕量 C 2 1mm pc Di 1.2 2000计算壁厚 t 8.34mm 4-1 2 pc 2 170 0.85 1.2 t设计壁厚 t d t C 2 8.34 1 9.34mm 4-2t C1 C2 8.34 0.3 1 9.64mm 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 0.3 1 8.7mm 4-4进行液压试验，试验液体温度一般不低于 5。试验温度下材料许用应力 170MPa，设计压力1.2MPa， 170试验压力 pT 1.25 p 1.25 1.2 1.5MPa 4-5 t 170 pT Di t e 1.5 2000 8.7校核圆筒应力 T 203.72MPa 4-6 2t e 2 8.7 0.85屈服强度 s 345MPa ， 90 s 0.9 345 310.5MPa T 0.9 s ，筒体试验合格4.2 封头尺寸4.2.1 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 500mm 4-716m 3 空气储罐设计 114.2.2 封头的厚度设计封头材料参数与筒体相同 Kpc Di 11.2 2000计算壁厚 t 8.32mm 4-8 2 0.5 pc 2 170 0.85 0.5 1.2 t设计壁厚 t d t C 2 8.32 1 9.32mmt C1 C2 8.32 0.3 1 9.62mm取圆整后名义厚度为 t n 10mm有效厚度 t e t n C1 C 2 10 0.3 1 8.7mm封头的最小厚度校核： 0.15 Di 0.0015 2000 3mm t n 10mm ，满足要求。4.2.3 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4.3 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、N6、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 8.34mm ，名义厚度为 Tn 10mm4.3.1N1N2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 .