化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)

1、化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)題目：液氨儲(chǔ)罐的機(jī)械設(shè)計(jì)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：熊領(lǐng)領(lǐng)指導(dǎo)老師：崔岳峰沈陽(yáng)理工環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院2010月11月設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)課題： 液氨儲(chǔ)罐的機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容:根據(jù)給定的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)液氨儲(chǔ)罐已知工藝參數(shù)：1 最高使用溫度：T=502 公稱直徑: DN=2600mm3 筒體長(zhǎng)度（不含封頭）：L0=3900mm具體內(nèi)容包括： 1：筒體材料的選擇2：罐的結(jié)構(gòu)及尺寸3 罐的制造施工4 零部件型號(hào)及位置、接口5 相關(guān)校核及計(jì)算設(shè) 計(jì) 人： 熊 領(lǐng) 領(lǐng)學(xué) 號(hào)： 下達(dá)時(shí)間： 2010年11月19號(hào)完成時(shí)間: 2010年12月20號(hào)目錄1設(shè)計(jì)方案11.1設(shè)計(jì)依據(jù)11.2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定11.

2、3設(shè)計(jì)結(jié)果的確定22工藝計(jì)算32.1壁厚的設(shè)計(jì)32.1.1筒體壁厚設(shè)計(jì)32.1.2封頭壁厚的設(shè)計(jì)32.1.3筒體與封頭水壓強(qiáng)度的校核42.2人孔的設(shè)計(jì)及補(bǔ)強(qiáng)的確定52.2.1人孔的選擇52.2.2補(bǔ)強(qiáng)的確定52.3接口管的設(shè)計(jì)62.3.1液氨進(jìn)料管的設(shè)計(jì)62.3.2液氨出料管的設(shè)計(jì)62.3.3放空管接管口的設(shè)計(jì)62.3.4液面計(jì)接口管的設(shè)計(jì)62.3.5排污管的設(shè)計(jì)62.3.6安全閥接口管的設(shè)計(jì)72.4鞍座的設(shè)計(jì)72.4.1罐體的質(zhì)量72.4.2封頭的質(zhì)量72.4.3液氨的質(zhì)量72.4.4附件的質(zhì)量83參數(shù)的校核93.1筒體軸向應(yīng)力的校核93.1.1筒體軸向彎矩計(jì)算93.1.2筒體軸向應(yīng)力計(jì)算1

3、03.2筒體和封頭切向應(yīng)力的校核113.2.1筒體切向應(yīng)力113.2.2 封頭切向應(yīng)力校核113.3筒體環(huán)向應(yīng)力的校核123.3.1軸向應(yīng)力計(jì)算123.3.2軸向應(yīng)力校核123.4鞍座有效斷面平均壓力124液氨貯罐設(shè)備圖145設(shè)計(jì)匯總156總結(jié)16參考文獻(xiàn)171設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)依據(jù)本液氨貯罐屬于中壓容器，設(shè)計(jì)以“鋼制壓力容器”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，嚴(yán)格按照政府部門(mén)對(duì)壓力安全監(jiān)督的法規(guī)“壓力容器安全技術(shù)監(jiān)督教程”的規(guī)定進(jìn)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。以安全為前提，綜合考慮質(zhì)量保證的各個(gè)環(huán)節(jié)，盡可能做到經(jīng)濟(jì)合理，可靠的密封性，足夠的安全壽命。設(shè)計(jì)的主要步驟如下：1）對(duì)設(shè)計(jì)中要用的各種設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和選取，以及根據(jù)制造

4、容器的特殊要求選擇材料。2）利用計(jì)算公式對(duì)容器筒體和封頭壁厚的設(shè)計(jì)，以及封頭類型的選擇。3）根據(jù)鞍座承受的載荷而選用對(duì)稱布置的雙鞍座，再對(duì)容器進(jìn)行各種應(yīng)力分析和校核。4）從連接的密閉性、強(qiáng)度等出發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)選用各種法蘭。5）根據(jù)以上的容器設(shè)計(jì)計(jì)算，畫(huà)出總的設(shè)備圖。1.2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定1）設(shè)計(jì)溫度:T=502)設(shè)計(jì)壓力：查化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)(趙軍，張有忱，段成紅編，p132)本貯罐在最高使用溫度下，氨的飽和蒸汽壓為2.033Mpa(絕對(duì)壓強(qiáng))，故取設(shè)計(jì)壓力為p=1.10（2.0330.10133）=2.12Mpa（表壓），原因是因?yàn)槿萜魃涎b有安全閥時(shí)，可取1.05到1.11倍的最高工作壓力作為設(shè)計(jì)壓力

5、，這里取最高設(shè)計(jì)壓力為1.10倍。液柱靜壓力為Pi=DNg=2.6562.909.8110-6=0.0144Mpa5p=0.106Mpa，所以靜壓力可忽略不計(jì)，可取計(jì)算壓力pc=p=2.12Mpa3)材料選擇：由操作條件分析，該容器屬于中壓、常溫范疇。在常溫下材料的組織和力學(xué)性能沒(méi)有明顯變化。根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)(趙軍，張有忱，段成紅編，p125)表93鋼板選用表，筒體和封頭的材料選擇鋼號(hào)為16MnR的鋼板，使用狀態(tài)為熱軋或正火(設(shè)計(jì)溫度-40475 ，鋼板標(biāo)準(zhǔn)GB6654-1996),接管材料選用10號(hào)鋼管（許用應(yīng)力：=t=112Mpa）,法蘭材料選擇16Mn(鍛)，鞍座底板材料選用16Mn

6、R，鞍座其余材料選用Q235-AF。4)鋼板厚度負(fù)偏差：由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（趙軍，張有忱，段成紅編，p128）表910知鋼板厚度在8.025mm時(shí)鋼板負(fù)偏差C1=0.8mm。5)腐蝕裕量：根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（趙軍，張有忱，段成紅編，p128） 知腐蝕余量有介質(zhì)對(duì)材料的均勻腐蝕速率與容器的設(shè)計(jì)壽命決定。腐蝕裕量C2=n ，其中為腐蝕速率；n為容器的設(shè)計(jì)壽命。根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè) （左景伊，左禹編著P216）鋼鐵對(duì)于氨氣和液氨有優(yōu)良的腐蝕性，腐蝕率在0.1mm/a以下。且設(shè)計(jì)貯罐為單面腐蝕，故取C2=2.0mm。6)焊接頭系數(shù)：本次設(shè)計(jì)是液氨貯罐的機(jī)械設(shè)計(jì)。氨屬于中度毒性物質(zhì)，又由于PV=2.

7、122.62/4=47.2510Mpa.m3 ,由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（趙軍，張有忱，段成紅編，p99，p127表96）可知，該設(shè)備為中壓儲(chǔ)存容器，即為第三類壓力容器。要保證設(shè)備密封性能良好，故筒體焊接結(jié)構(gòu)采用雙面焊或相當(dāng)于雙面的全焊透的對(duì)接接頭，且全部無(wú)損探傷的，故取焊接頭系數(shù)=1.0。7）許用應(yīng)力：對(duì)于本設(shè)計(jì)是用鋼板卷焊的筒體以內(nèi)徑作為公稱直徑DN=D1=2600mm。假設(shè)16MnR鋼的厚度在1636mm之間，根據(jù)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（趙軍，張有忱，段成紅編，p125）表94，設(shè)計(jì)溫度下鋼板的許用應(yīng)力t =163Mpa。常溫強(qiáng)度指標(biāo)b=490Mpa、s=325Mpa。1.3設(shè)計(jì)結(jié)果的確定罐體：采用

8、16MnR鋼板，DN=2600mm,L0=3900mm,dn=20mm封頭：采用DN26002016MnR JB/T4737鞍座：采用JB/T471292 鞍座A2600FJB/T471292 鞍座A2600S人孔：采用HG215231995人孔R(shí)F（AG）4502.5液氨進(jìn)料管:采用57mm3.5mm無(wú)縫鋼管液氨出料管：采用可拆的壓出管25mm3mm，將它與法蘭套在接口管38mm3.5mm內(nèi)排污管：采用57mm3.5mm的管子液面計(jì)：采用HG522780AG2.5-I-1200P，L=1200mm兩支放空管接管：采用32mm3.5mm無(wú)縫鋼管，法蘭HG20592，法蘭SO251.6RF 16

9、MnR安全閥接管：采用32mm2.5mm無(wú)縫鋼管，法蘭HG20592，法蘭SO251.6RF 16MnR2工藝計(jì)算2.1壁厚的設(shè)計(jì)2.1.1筒體壁厚設(shè)計(jì)在GB-150-1998鋼制壓力容器中規(guī)定，將計(jì)算厚度與腐蝕余量作為設(shè)厚度，即： (2-1)式中d設(shè)計(jì)厚度（mm）；C2腐蝕裕量（mm）；Pc圓筒的設(shè)計(jì)壓力（Mpa）；DN圓筒的公稱直徑（mm）；焊接接頭系數(shù)；t鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（Mpa）。于是 =2.122600（21631.02.12）2.0=19.02mm將設(shè)計(jì)厚度加上鋼板負(fù)偏差后向上圓整到鋼板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即圓筒的名義厚度： n=dC1 （2-2）即n=dC1=19.020

10、.8=20mm。圓整后取n=20mm厚的16MnR鋼板制作筒體。有效厚度 e=nC1C2 （2-3）所以e=nC1C2=200.82.0=17.2mm2.1.2封頭壁厚的設(shè)計(jì)由于橢圓封頭厚度的筒體厚度的計(jì)算公式幾乎一樣，說(shuō)明圓筒體采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，其封頭厚度近似等于筒體厚度，這樣筒體和封頭可采用同樣厚度的鋼板來(lái)制造。故采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭。由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（趙軍，張有忱，段成紅編，P134）表102知，當(dāng)DN2hi=2時(shí)，橢圓封頭的形狀系數(shù)K=1.00。封頭的設(shè)計(jì)厚度為： （2-4）即 =2.122600（21631.00.52.12）2.0=18.96mm考慮鋼板厚度負(fù)偏差及沖壓減薄量，需圓

11、整，封頭的名義厚度仍利用公式（2.2）于是n=dC1=18.960.8=20mm。圓整后取n=20mm厚的16MnR鋼板制作封頭。橢圓封頭標(biāo)記為：橢圓封頭DN26002016MnR JBT4737封頭的有效厚度由公式（2.3）計(jì)算，于是e=nC1C2=200.81.0=17.2mm由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（趙軍，張有忱，段成紅編，P134）表102查得標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的直邊高度h0=50mm。故兩封頭切線之間的距離為L(zhǎng)=L02h0=3900250=4000mm2.1.3筒體與封頭水壓強(qiáng)度的校核根據(jù)化工機(jī)械基礎(chǔ)（陳國(guó)恒 主編P162）公式 (2-5)式中 pt試驗(yàn)壓力（Mpa）；e有效厚度（mm）；s強(qiáng)度

12、指標(biāo)（Mpa）。其中pt=1.25p=1.252.12=2.65Mpa e=17.2mm s=325Mpa于是=201.6MPa0.9s=0.93251.0 =292.5 MPa水壓試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求。2.2人孔的設(shè)計(jì)及補(bǔ)強(qiáng)的確定2.2.1人孔的選擇壓力容器人孔是為了檢查設(shè)備的內(nèi)部空間以及安裝和拆卸設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)件。人孔主要由筒節(jié)、法蘭、蓋板和手柄組成。一般人孔有兩個(gè)手柄。根據(jù)貯罐是在常溫及最高工作壓力為2.12MPa的條件下，人孔標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按公稱壓力為2.5MPa的等級(jí)選取。由化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)（賀匡國(guó)P675）表23-1-33查得受壓設(shè)備的人孔蓋較重，一般選取吊蓋式人孔或回轉(zhuǎn)蓋式人孔，吊蓋

13、式人孔使用方便墊片壓緊較好，回轉(zhuǎn)蓋式人孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所占空間平面較小，如布置水平位置時(shí)，開(kāi)啟時(shí)較為費(fèi)力。故選水平吊蓋人孔。該人孔標(biāo)記為：HG215231995人孔R(shí)F（AG）4502.5其中RF突面封閉，接管于法蘭的材料為20R，AG用普通石棉橡膠板墊片，4502.5公稱直徑為450mm、公稱壓力為2.5MPa2.2.2補(bǔ)強(qiáng)的確定由于人孔的筒節(jié)不是采用無(wú)縫鋼管，故不能直接選用補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)由化工容器（丁伯民，黃正林等編）P192表6-1查表得人孔的尺寸為48010，標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸為內(nèi)徑Di=484mm，外徑D0=760mm。本設(shè)計(jì)選用C型20（C=10）。因此內(nèi)徑為Di=di+2C+(1216

14、) (2-6)于是內(nèi)徑為Di=di2C（1216）=45021016=486mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度按下式估算 (2-7) 故取補(bǔ)強(qiáng)圈厚為36mm2.3接口管的設(shè)計(jì)2.3.1液氨進(jìn)料管的設(shè)計(jì)采用57mm3.5mm無(wú)縫鋼管。管的一端切成45，伸入貯罐內(nèi)少許。根據(jù)化工機(jī)械基礎(chǔ)（陳國(guó)桓）P192表11-2查得配用具有突面密封的平焊管法蘭，法蘭標(biāo)記：HG20592法蘭SO502.5 RF 16MnR。因?yàn)闅んw名義壁厚d=20mm12mm，接管公稱直徑小于80mm，故不用補(bǔ)強(qiáng)。2.3.2液氨出料管的設(shè)計(jì)采用可拆的壓出管25mm3mm，將它用法蘭套在接口管38mm3.5mm內(nèi)，罐體的接口管法蘭采用法蘭HG 2059

15、2 法蘭SO322.5 RF 16MnR。與該法蘭相配并焊接在壓出管的法蘭上，其連接尺寸和厚度與HG 20592法蘭SO322.5 RF 16MnR相同，但其內(nèi)徑為25mm。液氨壓出管的端部法蘭HG 20592法蘭SO322.5 RF 16MnR。這些小管都不補(bǔ)強(qiáng)。壓出管伸入貯罐2.5m。2.3.3放空管接管口的設(shè)計(jì)采用32mm3.5mm無(wú)縫鋼管，法蘭為HG 20592 法蘭SO252.5 RF 16MnR。2.3.4液面計(jì)接口管的設(shè)計(jì)由化工容器（丁伯民，黃正林等編）P289表10-4可知本貯罐采用厚壁玻璃管液面計(jì)，記作AG2.5-I-1200P，L=1200mm兩支。與液面計(jì)相配的接口管尺寸

16、為18mm3mm,管法蘭為HG 20592-97 法蘭SO152.5 RF 16MnR。2.3.5排污管的設(shè)計(jì)貯罐右端最底部安設(shè)排污管一個(gè)，管子規(guī)格為57mm3.5mm，管端焊有一與截止閥J41W16相配的管法蘭HG 25092 法蘭SO502.5 RF 16MnR。排污管一罐體連接處焊有一厚度為10mm的補(bǔ)強(qiáng)圈。2.3.6安全閥接口管的設(shè)計(jì)采用32mm2.5mm無(wú)縫鋼管，法蘭為HG 20592 法蘭SO252.5 RF 16MnR（尺寸由安全閥泄露放量決定）2.4鞍座的設(shè)計(jì)首先粗算鞍座的負(fù)荷貯罐的總量：其中W罐體質(zhì)量W1罐體的質(zhì)量，KgW2水壓試驗(yàn)時(shí)水的質(zhì)量，KgW3附件的質(zhì)量，Kg2.4.

17、1罐體的質(zhì)量根據(jù)化工機(jī)械基礎(chǔ)（陳國(guó)恒 主編P312）續(xù)表查得，DN=2600mm，壁厚n=20mm條件下筒節(jié)鋼板質(zhì)量q1=1290kgm，故W1=q1L0 (2-8)于是W1=q1L0=12903.9=5031kg2.4.2封頭的質(zhì)量根據(jù)化工機(jī)械基礎(chǔ)（陳國(guó)恒 主編P312）續(xù)表查得，DN=2600mm，壁厚n=20mm，h0=50mm條件下橢圓型封頭質(zhì)量q2=1230kgm，故W2=2q2 (2-9)于是W2=2q2=21230=2460kg2.4.3液氨的質(zhì)量W3=V (2-10)式中 V主管容積（m3）；水的密度（kgm3）。其中根據(jù)化工機(jī)械基礎(chǔ)（陳國(guó)恒 主編P312，P315）續(xù)表查得，

18、DN=2600mm，壁厚n=20mm，h0=50mm條件下1m高筒體的體積V1=5.309m3，橢圓型封頭的容積V2=2.56m3，故V=V封V筒 (2-11)于是V=V封V筒=2V2L0V1=22.563.95.309=27.217m3液氨在0時(shí)的密度為64kgm3，小于水的密度，故充液氨質(zhì)量按水考慮。即=1000kgm3。所以W3= V=25.217100=25217kg2.4.4附件的質(zhì)量人孔約重200kg，其他管的總和安300kg計(jì)算，故W4=200+300=500kg設(shè)備總質(zhì)量為W= W1+W2+W3+W4=5031+2460+25217+500=33208kg各鞍座的反力為F=mg

19、/2=33.29.81/2=162.85KN,由化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（刁玉瑋，王立業(yè)編著P352）表40查得，所以選用輕型(A型)120包角帶墊板鞍座，鞍座厚度為b=260mm,腹部厚10mm,墊板寬500mm，墊板厚8mm。鞍座標(biāo)記為：JB/T47121992 鞍座 A2600FJB/T47121992 鞍座 A2600S因?yàn)?.2L0.5R取鞍座位置A=0.5R=0.51300=650mm3參數(shù)的校核3.1筒體軸向應(yīng)力的校核3.1.1筒體軸向彎矩計(jì)算筒體中間處界截面的彎矩 (3-1)式中 F鞍座反力（N）；Rm橢圓封頭外半徑（mm）；L兩封頭切線之間的距離（mm）；A鞍座位置（mm）；Hi筒體

20、內(nèi)半徑（mm）；其中所以 13.9107=Nmm支座處截面上的彎矩 于是 M2=-=- （3-2） Nmm3.1.2筒體軸向應(yīng)力計(jì)算由化工機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上卷）P11-99表11.4-11 查得K1=K2=1.0.因?yàn)?，且ARm/2=705.5mm，故最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應(yīng)力。（1）由彎矩引起的軸向應(yīng)力圓筒中間截面上最高點(diǎn)處： (3-3)于是 Mpa鞍座截面處最高點(diǎn)處：3= -最低點(diǎn)處: 4 = -（2）由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力 (3-4) MPa（3）軸向應(yīng)力組合與校核最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在筒體中間截面最低點(diǎn)處 于是2=P+21=80.73+0.7=81.43MPa (3-5)許

21、用軸向拉壓應(yīng)力MPa，合格。最大軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在充滿水時(shí)，在筒體中間截面最高點(diǎn)處1=11=0.7 MPa軸向許用應(yīng)力 (3-6)根據(jù)A值查外壓容器設(shè)計(jì)的材料溫度線圖（教材P152圖119），得B=130MPa，取許用壓縮應(yīng)力ac=130 MPa，合格。3.2筒體和封頭切向應(yīng)力的校核 因筒體被封頭加強(qiáng)，筒體和封頭中的剪切應(yīng)力分別按下列計(jì)算。 3.2.1筒體切向應(yīng)力 (3-7)由化工機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上卷）P11100表11.412查得K3=0.880,K4=0.401。 MPa3.2.2 封頭切向應(yīng)力校核 (3-8) 所以 MPa 合格3.3筒體環(huán)向應(yīng)力的校核 3.3.1軸向應(yīng)力計(jì)算 設(shè)墊片不起作用

22、(1)鞍座處橫截面最低點(diǎn)處 (3-9)其中b2筒體的有效寬度。由化工機(jī)械工程手冊(cè)（上卷）P11101表11.413查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1考慮容器焊在鞍座上 (3-10)式中b支座軸向?qū)挾?。于?640.405mm故=-1.52MPa（2）鞍座邊角處軸向應(yīng)力因L/Rm=5000/1524=3.288,故= =-16.98MPa (3-11)3.3.2軸向應(yīng)力校核 MPa MPa3.4鞍座有效斷面平均壓力支座承受的水平分力由化工機(jī)械工程手冊(cè)(上卷)P11103表11.415查得K9=0.204。于是N鞍座有效斷面平均應(yīng)力 （3-12）式中Hs 鞍座計(jì)算高度；B0鞍座腹板厚度。其中Hs取鞍座實(shí)際高度（H=250mm）和Rm/3=436.67mm中的最小值，即取Hs=250mm。腹板厚度b0=2-C1=10-0.8=9.2mm于是 MPa應(yīng)力校核MPa式中=140MPa，鞍座材料Q235AF 的許用應(yīng)力。4液氨貯罐設(shè)備圖貯罐的總裝備圖示于附圖，各零件部位的名稱、規(guī)格、尺寸、材料等見(jiàn)明細(xì)表。本貯罐技術(shù)要求如下:1)本設(shè)備按GB1501998鋼制壓力容器進(jìn)行制造、試驗(yàn)和驗(yàn)收。2）焊接材料，對(duì)接焊接接頭形式及尺寸可按GB98580中規(guī)定（設(shè)計(jì)焊接接頭系數(shù)=1.0）。3）焊接采用電弧焊，焊條型號(hào)為E4303。4）殼體焊縫應(yīng)進(jìn)行無(wú)損失探傷檢查，探傷長(zhǎng)度