空氣儲罐的機械設計

1、設計要求1、 設計題目：空氣儲罐的機械設計2、最高工作壓力：0.83、工作溫度：常溫4、工作介質(zhì)：空氣5、全容積：16設計參數(shù)的選擇：設計壓力 ：取1.1倍的最高壓力，0.88mp1.6屬于低壓容器。筒體幾何尺寸確定：按長徑比為3.6，確定長l=640000mm,d=1800mm設計溫度取50因空氣屬于無毒無害氣體，材料取q345為低合金鋼，合金元素含量較少，其強度，韌性耐腐蝕性，低溫和高溫性能均優(yōu)于同含量的碳素鋼，是壓力容器專用鋼板，主要用于制造低壓容器和多層高壓容器！封頭設計：橢圓形封頭是由半個橢圓球面和短圓筒組成，球面與筒體間有直邊段。直邊段可以避免封頭和和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率突

2、變，以改善曲率變化平滑連續(xù)，故應力分布比較均勻；且橢圓形封頭深度較半球形封頭小得多，易沖壓成型，在實際生產(chǎn)中多有模具，是目前中低壓容器應用較多的封頭。因此選用以內(nèi)徑為基準的 標準 型橢圓形 封頭 為了防止熱應力和邊緣應力的疊加，減少應力集中，在封頭和筒體連接處必須有一段過渡的直邊段，直邊段的高度依據(jù)標準選擇。 封頭材料與筒體相同，選用頭和筒體連接處必須有一段過渡的直邊段，直邊段的高度依據(jù)標準選擇。 選材和筒體一致q345r接管設計3.4 接管設計 優(yōu)質(zhì)低碳鋼的強度較低，塑性好，焊接性能好，因此在化工設備制造中常用作熱交換器列管、設備接管、法蘭的墊片包皮。 優(yōu)質(zhì)中碳鋼的強度較高，韌性較好，但焊接

3、性能較差，不宜用作接管用鋼。由于接管要求焊接性能好且塑性好。故選擇 20 號優(yōu)質(zhì)低碳鋼的普通無縫鋼管制作各型號接管3.5 法蘭設計 法蘭連接的強度和緊密性比較好，裝拆也比較方便，因而在大多數(shù)場合比螺紋連接、承插式連接、鉚焊連接等型式的可拆連接顯得優(yōu)越，從而獲得廣泛應用。 平焊法蘭連接剛性較差，只能在低壓，直徑不太大，溫度不高的情況下使用。由于q345r 為碳素鋼，設計溫度 50 300 ，且介質(zhì)無毒無害，可以選用帶頸平焊法蘭，即 so 型法蘭。 儲罐的設計壓力較小要保證法蘭連接面的緊密性，必須合適地選擇壓緊面的形狀。對于壓力不高的場合，常用突臺形壓緊面 。突面結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，裝卸容易，且便

4、于進行防腐襯里。儲罐由于設計壓力為 0.88mpa，空氣無毒無害，可選擇突面（rf）壓緊面。 由于法蘭鋼件的質(zhì)量較大，需要承受大的沖擊力作用，塑性、韌性和其他方面的力學性能也較高，所以不用鑄鋼件，可以采用鍛鋼件。接管材料為 20 號鋼，法蘭材料選用 20鍛鋼。3.6接管與法蘭分配3.6.6 n1、n2空氣進、出口 公稱尺寸 dn250，接管尺寸j 273 x6 。接管采用無縫鋼管，材料為 20 號鋼。伸出長度為 150mm 。 選取 0.88mpa 等級的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20，法蘭標記為：so300-2.5 rf3.6.2 n3排污口； 公稱尺寸 dn40，接管采用 45 x3.5

5、 無縫鋼管，材料為 20 號鋼，外伸長度為 150mm。選取 0.88mpa 等級的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20，法蘭標記為：so40-1.6 rf3.6.3 n4安全閥口 公稱尺寸 dn80，接管采用 j89 x4 無縫鋼管，材料為 20 號鋼，外伸長度為 150mm。根據(jù) gb12459-99，選用 90彎頭；彎頭上方仍有一定外伸量。選取 0.88mpa 等級的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20，法蘭標記為：so80-1.6rf3.6.4 n5壓力表口 公稱尺寸 dn25，接管采用j 32 x3.5 無縫鋼管，材料為 20 號鋼，外伸長度為 150mm。 根據(jù) gb12459-99，選用

6、 90彎頭；彎頭上方仍有一定外伸量。選取 0.88mpa 等級的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20，法蘭標記為：so25-1.6 rf3.6.5 n6（備用口）公稱尺寸 dn80，接管采用j 89 x4 無縫鋼管，材料為 20 號鋼，外伸長度為 150mm。需進行補強計算。選取 0.88mpa 等級的帶頸平焊突面法蘭，材料選用 20，法蘭標記為：so80-1.6 rf3.7彎頭設計 n4 為安全閥口，安全閥在容器中起安全保護作用。當容器壓力超過規(guī)定值時，安全閥打開，將系統(tǒng)中的一部分氣體/流體排入大氣/管道外，使系統(tǒng)壓力不超過允許值，從而保證系統(tǒng)不因壓力過高而發(fā)生事故。由于沖出壓力較大，閥口不可直

7、接對人，因此需 90安裝，用彎頭過渡。標記為：彎頭 dn80 90 n5 為壓力表口。為方便讀數(shù)，壓力表需豎直安裝于管口，因此接管要通過 90彎頭過渡至豎直面，再安裝壓力表。標記為：彎頭 dn25 90 3.8 人孔設計 在化工設備中，開設人孔是為了便于內(nèi)部附件的安裝，修理和襯里，防腐以及對設備內(nèi)部進行檢查、清洗。對于壓力容器，為了便于移動沉重的人孔蓋，蓋子通常做成回轉(zhuǎn)形式。本儲罐由于尺寸較大，人孔直徑也較大，可使用回轉(zhuǎn)蓋人孔。3.8.1 人孔接管及法蘭設計 公稱尺寸為 500mm。接管采用 530 10 無縫鋼管，材料為 20 號鋼，外伸長度為150mm。選用回轉(zhuǎn)蓋帶頸平焊法蘭人孔。法蘭采用

8、帶頸平焊突面法蘭，材料為 20鍛鋼，法蘭標記為 500-1.6 rf。 法蘭蓋設計 法蘭蓋根據(jù)配套選擇，采用 a 型蓋軸耳，材料與接管同， 鋼20 標記為：bl500-1.6rf。緊固件選用 與法蘭蓋之間必須加墊片密封。在采用標準法蘭的情況下，選擇恰當?shù)膲|片可以提高密封效果。根據(jù)儲罐的設計溫度和設計壓力，可選用石棉橡膠板（xb350）作為墊片材料。該材料應用廣泛，使用溫度可達 450，壓力小于 6mpa 的場合。墊片型號標記為：rf 500-1.6 法蘭蓋與法蘭連接的螺柱可選用 m24 的螺桿。3.9 支座選擇 化工容器設備大都通過支座加以固定。支承式支座結(jié)構(gòu)簡單輕便，不需要專門的框架、鋼梁來

9、支承設備，可直接把設備載荷傳到較低的基礎上。此外，它能比其他型式的支座提供較大的操作、安裝和維修空間。由于支承式支座對所在設備封頭產(chǎn)生的局部應力相對較大，故在采用這種支座時，需增設墊板。根據(jù)公稱直徑，本儲罐選用 b 型第 4組支承性支座。支座標記為：支座 4b 圖 3-4 支承型支座 3.10 吊耳選擇 由于本儲罐高度較高，為方便起吊、移動設備，在筒體頂部加設吊耳。 圖 3-5 吊耳3.11 焊接型式及結(jié)構(gòu)3.11.1 筒體焊接接頭系數(shù)選取 根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)，取焊縫形式為相當于雙面焊的全焊透對接接頭，無損探傷要求為局部。 焊接系數(shù) 0.853.假設圓筒的厚度在616mm范圍內(nèi)設計溫度為 50，查

10、查gb150-1998中表4-1得該溫度下 q345r 許用應力 t= 170mpa,=170mp.筒體厚度計算：取鋼板負偏差 c1 =0.3mm 鋼板腐蝕裕量 c2=1mm向上圓整取為10mm封頭厚度設計：封頭個參數(shù)和筒體相同，只有焊接系數(shù)因為鋼板整體沖壓而成所以取1.0，故封頭計算厚度：向上圓整取10mm，也滿足焊接方面。實驗壓力確定采用液壓實驗，試驗壓力所以液壓試驗應力合格.3.3筒體和封頭的結(jié)構(gòu)設計由封頭長短軸之比為2，即，得查標準4中表b.1 eha和b.2 eha表橢圓形封頭內(nèi)表面積、容積，質(zhì)量，見表3-1和圖3-1。取裝料系數(shù)為0.9，則即算得 圓整后取為3.6鞍座選型和結(jié)構(gòu)設計

11、3.6.1鞍座選型該臥式容器采用雙鞍式支座，初步選用輕型鞍座，材料選用q345r。估算鞍座的負荷：罐總質(zhì)量 （3-3）筒體質(zhì)量：單個封頭的質(zhì)量，查標準封頭質(zhì)量表m2=294.3kg充液質(zhì)量：，水壓試驗充滿水，故取介質(zhì)密度為， 則附件質(zhì)量：人孔質(zhì)量為，其他接管總和為200kg，即綜上所述m0=m/4=5589.34kg則每個鞍座承受的質(zhì)量為5589.34kg，即為55.90kn350kn ,滿足要求。鞍座的安裝位置如圖3-3所示：第四章 開孔補強設計4.1補強設計方法判別 根據(jù) gb150 規(guī)定，接管必要時必須進行補強設計。對管 n1、n2、n6、n7 進行補強，采用等面積補強法法進行接管補強。

12、據(jù)前筒體與封頭計算，其計算壁厚 名義厚度為10mmn1n2空氣進、出口管：公稱尺寸 dn250接管尺寸 273 x6mm 且 故可采用等面積法進行補強計算以 20 號鋼為管材，查 gb150 得設計溫度下 20 鋼許用應力 t 130mpa焊接接頭系數(shù)j=1接管計算厚度： 鋼板負偏差：c1=0.1x0.93=0.093mmc2=1mmc=c1+c2=1.1mm名義厚度為6mm強度削弱系數(shù)開孔直徑d=di+2c=261+2.2=263.2mm 開孔切削截面積： （4-1）=263.2x4.66+2x4.66x(6-1.1)(1-0.765)=1237.4mm24.2有效補強范圍4.2.1有效寬度

13、bb1=2d=2x263.2=526.4mm （4-2）4.2.2外側(cè)有效高度根據(jù)1中式8-8，得：4.2.3內(nèi)側(cè)有效高度根據(jù)1中式8-9，得：4.3有效補強面積根據(jù)1中式8-10 至式8-13，分別計算如下： （4-3）筒體多余面積接管多余面積焊縫金屬截面積，焊腳去7mm，則4.4補強面積同樣對n4安全閥口 公稱尺寸 dn80，接管采用 j89 x4 無縫鋼管，材料為 20 號鋼，外伸長度為 150mm 且 故可采用等面積法進行補強計算以 20 號鋼為管材，查 gb150 得設計溫度下 20 鋼許用應力 t 130mpa焊接接頭系數(shù)j=1接管計算厚度： 鋼板負偏差：c1=0.1x0.30=0

14、.03mmc2=1mmc=c1+c2=1.03mm名義厚度為4mm強度削弱系數(shù)開孔直徑d=di+2c=89+2.1=91.2mm 開孔切削截面積： （4-1）=91.2.2x5.5+2x5.5x(4-1.1)(1-0.765)=487.8mm24.2有效補強范圍4.2.1有效寬度bb1=2d=2x91.2.2=182.4mm （4-2）4.2.2外側(cè)有效高度根據(jù)1中式8-8，得：4.2.3內(nèi)側(cè)有效高度根據(jù)1中式8-9，得：4.3有效補強面積根據(jù)1中式8-10 至式8-13，分別計算如下： （4-3）筒體多余面積接管多余面積焊縫金屬截面積，焊腳去6mm，則4.4補強面積因為，所以開孔需另行補強4

15、87.8-387.5=100.3mm同樣對n公稱尺寸為 500mm。接管采用j 530x 10 無縫鋼管，材料為 20 號鋼，外伸長度為150mm。 且 故可采用等面積法進行補強計算以 20 號鋼為管材，查 gb150 得設計溫度下 20 鋼許用應力 t 130mpa焊接接頭系數(shù)j=1內(nèi)徑d=530-10x2=510mm接管計算厚度： 鋼板負偏差：c1=0.1x1.730=0.173mmc2=1mmc=c1+c2=1.173mm名義厚度為10mm強度削弱系數(shù)開孔直徑d=di+2c=510+1.8x2=513.6mm 開孔切削截面積： （4-1）=513.6x5.5+2x5.5x(10-1.7)

16、(1-0.765)=2846.7mm24.2有效補強范圍4.2.1有效寬度bb1=2d=2x513.6=1027.2mm （4-2）4.2.2外側(cè)有效高度根據(jù)1中式8-8，得：4.2.3內(nèi)側(cè)有效高度根據(jù)1中式8-9，得：4.3有效補強面積根據(jù)1中式8-10 至式8-13，分別計算如下： （4-3）筒體多余面積接管多余面積焊縫金屬截面積，焊腳去6mm，則4.4補強面積因為，所以開孔需另行補強2846.7-2500.36=346.34mm25.2圓筒軸向彎矩計算圓筒的平均半徑為鞍座反力為5.2.1圓筒中間截面上的軸向彎矩根據(jù)2中式7-2，得：5.2.2鞍座平面上的軸向彎矩根據(jù)2中式7-3，得：圖5

17、-1（a）筒體受剪力圖圖5-1（b）筒體受彎矩圖5.3圓筒軸向應力計算及校核5.3.1圓筒中間截面上由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力根據(jù)2中式7-4至式7-7計算最高點處： （5-1）最低點處： （5-2）5.3.2由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力計算及校核鞍座平面上，由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力，按下式計算：a).當圓筒在鞍座平面上或靠近鞍座處有加強圈或被封頭加強（即）時，軸向應力位于橫截面最高點處.取鞍座包角，查表7-1（jb/t4731-2005）得，.則b).在橫截面最低點處的軸向應力：5.3.3圓筒軸向應力校核 （5-3）查圖4-810得，,則滿足條件5.4切向剪應力的計算及校核5.4

18、.1圓筒切向剪應力的計算根據(jù)2中式7-9計算，查2中表7-2，得： （5-4）5.4.2圓筒被封頭加強（）時，其最大剪應力根據(jù)2中式7-10，計算得： （5-5）5.4.3切向剪應力的校核圓筒的切向剪應力不應超過設計溫度下材料許用應力的0.8倍，即。封頭的切向剪應力，應滿足而故圓筒滿足強度要求。根據(jù)2中式7-12 （5-6） （5-7）故封頭滿足強度要求5.5圓筒周向應力的計算和校核根據(jù)鞍座尺寸表知：即，所以此鞍座墊片作為加強用的鞍座。5.5.1在橫截面的最低點處：根據(jù)2中式718 其中（容器焊在支座上） （5-8）查2中表7-3知， 則5.5.2在鞍座邊角處由于 根據(jù)2中式720:由于 查2

19、中表7-3知，則 （5-9）5.5.3鞍座墊板邊緣處圓筒中的周向應力由于，根據(jù)2中式7225.5.4周向應力校核根據(jù)2中式7.3.4.3故圓筒周向應力強度滿足要求。5.6鞍座應力計算及校核5.6.1腹板水平分力及強度校核根據(jù)2中表77鞍座包角，查2中表75得：。則墊板起加強作用，則：其中，則則查2中表51，得：，則由于，所以其強度滿足要求。5.6.2鞍座壓縮應力及強度校核根據(jù)2中表76，取則 ，鋼底板對水泥基礎的則 所以壓應力應按2中式729計算： （5-9）其中 ，筋板面積 腹板面積：形心：腹板與筋板組合截面斷面系數(shù)：代入公式得取 則根據(jù)2中式732進行校核即滿足強度要求。4.1.1 筒體的

20、總體尺寸已知參數(shù):筒體公稱直徑 dn di 2000mm，l4500mm4.1.2 筒體壁厚設計設計溫度為 85，查 gb150 得該溫度下 q345r 許用應力 t 170mpa取鋼板負偏差 c1 0.3mm ，鋼板腐蝕裕量 c 2 1mm pc di 1.2 2000計算壁厚 t 8.34mm 41 2 pc 2 170 0.85 1.2 t設計壁厚 t d t c 2 8.34 1 9.34mm 4-2t c1 c2 8.34 0.3 1 9.64mm 4-3取圓整后名義厚度為 t n 10mm有效厚度 t e t n c1 c 2 10 0.3 1 8.7mm 4-4進行液壓試驗，試驗液體溫度一般不低于 5。試驗溫度下材料許用應力 170mpa，設計壓力1.2mpa， 170試驗壓力 pt 1.25p1.25 1.2 1.5mpa 4-5 t 170 pt di t e 1.5 2000 8.7校核圓筒應力 t 203.72mpa 4-6 2t e 2 8.7 0.85屈服強度 s 345mpa ，