化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)塔體內(nèi)徑/mm2000塔高/mm40000計(jì)算壓力/MPa0.9設(shè)計(jì)溫度/℃150基本風(fēng)壓值/N/㎡300地震設(shè)防烈度/度8場地土類Ⅰ類設(shè)計(jì)地震分組第二組設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g地面粗糙度B類塔盤數(shù)70塔盤存留介質(zhì)層高度/mm90塔盤間距/mm450介質(zhì)密度/kg/m3800保溫層厚度/mm100保溫層材料密度/kg/m3300平臺(tái)寬度1000人孔間距10層塔板半圓形平臺(tái)數(shù)7單位質(zhì)量/㎏/㎡150包角180°再沸器操作質(zhì)量/kg3800再沸器偏心距/mm2000塔體與封頭材料Q345R裙座材料Q235-B塔體與封頭厚度附加量/㎜3裙座附加量/㎜3塔體焊接接頭系數(shù)Φ0.851/24目錄34 4610111113161719202224272/24一、塔體的設(shè)計(jì)條件1、塔體的內(nèi)徑Di 2000m，塔高近似取H 40000mm；2.計(jì)算壓力Pc 0.9Mpa，設(shè)計(jì)溫度150℃；3、設(shè)置地區(qū)：基本風(fēng)壓值q0=300N/m2，地震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，地震分組為第二組；場地土類：I類，地面粗糙度類。4、塔內(nèi)裝有 N=70層浮閥塔盤，塔盤間距450mm，每層塔板上每塊塔盤上存有介質(zhì)高度為hw 90mm，塔板上介質(zhì)密度為800kg/m3；5、塔殼外表面層 100mm，保溫層材料的密度300kg/m3。6、沿塔高每 10層塔盤開設(shè)一個(gè)人孔，人孔數(shù)為7個(gè)，相應(yīng)在人孔處安裝平臺(tái)為，平臺(tái)寬1.0m，單位質(zhì)量150kg/㎡，包角180°。7、塔體與裙座間懸掛一臺(tái)再沸器， 其操作質(zhì)量為me3800kg，偏心距e=2000mm；8、塔體與封頭材料選用 Q345R,其中[ ]t 170MPa,[] 170MPa, s 345Mpa,E 1.9105Mpa，裙座材料選用 Q235-B。9、塔體與裙座厚度附加量 C=3mm，裙座厚度附加量3mm。塔體與裙座對(duì)接焊縫，塔體焊接接頭系數(shù) 0.85。對(duì)該塔進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算。3/24二、按計(jì)算壓力計(jì)算塔體、封頭和裙座厚度1、塔體厚度計(jì)算pcDi0.920002[]tpc21706.25mm0.850.9考慮厚度附加量 C=3mm，經(jīng)圓整后取 n 12mm。2、封頭厚度計(jì)算pcDi0.920002[]t0.5pc6.24mm21700.850.50.9考慮厚度附加量C=3mm，經(jīng)圓整后取n12mm。3、裙座厚度也取 12mm。三、塔設(shè)備質(zhì)量載荷計(jì)算1、筒體圓筒、封頭、裙座質(zhì)量 m01m01Do2Di2H442.024222407.8510323817kg2、附屬間質(zhì)量mama 0.25m01 5954kg3、塔內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量m02m02Di270754707516493kg44（浮閥塔盤質(zhì)量 75kg/m2）4、保溫層質(zhì)量m03m03[(2.02422(403.6)3000.2)2.024]47287kg4/245、平臺(tái)、扶梯質(zhì)量 m04m[(2.0242)22.0242]15071404004426588kg說明：單位面積質(zhì)量150kg/m2，籠式扶梯單位長度質(zhì)量40kg/m；籠式扶梯總高40m，平臺(tái)數(shù)量為 7。6、操作時(shí)物料質(zhì)量 m05m054Di2hwN4220.0970800=15834kg說明：物料密度800kg/m3，塔板數(shù)N=70，塔板上液層高度hw0.09m。7、充水質(zhì)量為mw 22（40-3.6）1000=114354kg 其中 w 1000kg/m348、各種質(zhì)量載荷匯總將全塔分為9段，計(jì)算各質(zhì)量載荷（計(jì)算中略有近似）段號(hào)123456789塔段長度180018006750475047504750475047505900m01ma1339.71339.75023.93535.33535.33535.33535.33535.34391.2m020052356.12356.12356.12356.12356.12356.12356.1m03001351.3950.9950.9950.9950.9950.91181.1m047272982.5902.5902.5902.5902.5902.5948.5m05002262226222622262226222622262mw0021205.814922.614922.614922.614922.614922.618535.4me0190019000000005/24m01411.73311.713875.810006.810006.810006.810006.810006.811138.9mmax1411.73311.732819.622667.422667.422667.422667.422667.427412.3mmin1411.73311.79728.95859.95859.95859.95859.95859.96992全塔操作質(zhì)量m0 m01m02m03m04m05mame2381716493728749881600158345954380079773kg全塔最小質(zhì)量mmin m01 0.2m02 m03 m04 ma me238170.2164937287498816005954380050745kg水壓試驗(yàn)時(shí)最大質(zhì)量mmax m01m02m03m04mamwme23817 16493 7287 4988 114354 5954 1600 3800178293kg四、風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩計(jì)算1、風(fēng)載荷計(jì)算示例以2~3段為例計(jì)算風(fēng)載荷 P3PK1K23q0fl3De3106(N)33式中：K1——體形系數(shù)，對(duì)圓筒形容器， K1 0.7q0——10m高處基本風(fēng)壓值，q0300N/m2f3——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查表8-5得：f31.00986/24l3——計(jì)算段長度， l3 6750mmKv3——脈動(dòng)影響系數(shù)，由表得： v3 0.72T1——塔的基本自振周期，對(duì)等直徑、等厚度得圓截面塔：T1 90.33H m0H 103ESeDi390.334000068902.299400001031.75s1.910520003——脈動(dòng)增大系數(shù)，根據(jù)自振周期 T1，由表查的： 2.50z3——振型系數(shù)，由表得： z3 0.108K23——風(fēng)振系數(shù)K23v3z312.500.720.10811.00981.193f3De3——塔的有效直徑。設(shè)籠式扶梯與塔頂管線成90°，取下a、b中較大者。a.De3D0i2s3K3K4b.De3D0i2s3K4d02psK3 400mm，d0 450mm， s3 ps 100mm2A10001000K42l3296.3mm6750ab，取De33170.mm37/24PKKqflD1063123033e30.71.1933001.0098675003170.31065413.76()N2、各段塔風(fēng)載荷計(jì)算結(jié)果塔段1 2 3 4 5 6 7 8 9號(hào)li/mm180018006750475047504750475047505900q0/(N/m2)300K10.7iB類0.720.720.720.760.790.810.830.840.85zi0.020.020.1080.2120.340.480.650.8251.002.50K2i1.0361.0361.1931.3531.5391.7321.9572.1732.362hit/m0.0450.090.260.380.500.6150.730.851.00fiB類1.001.001.0091.1421.2461.3281.4091.4771.56827204平臺(tái)001111111數(shù)K4/mm00296.3421.1421.1421.1421.1421.1421.1Di/mm267426743170.3295.3295.3295.3295.3295.3213.0311111Pi/N1047.11047.165413.5079.6306.7561.9063.1055214668.67651412424.11538/243、風(fēng)彎矩計(jì)算0-0截面：00l1P2l1l2P8l1l2l3l4l5l8MwP12221047.169001047.1618009005413.76(1800180033755079.51(1800180067502375)9063.24(36006750475032375)14668.53(3600675047505900)521.507109Nmm1-1截面：Mw11P2l2P3l2l3P8l2l3l4l5l82221047.169005413.76(18003375)5079.51(180067502375)6306.41(1800675047502375)7561.24(18006750475022375)9063.24(18006750475032375)10552.11(18006750475042375)14668.53(18006750475055900)109N21.365mm2-2截面：Mw22P3l3P4l3l4P6l3l4l5l62225413.7633755079.51(67502375)6306.41(675047502375)7561.24(6750475022375)9063.24(6750475032375)10552.11(6750475042375)14668.53(6750475052950)91.29210Nmm9/24五、地震載荷計(jì)算取第一振型阻尼比為 1 0.02則衰減指數(shù)0.90.050.020.950.550.02T11.75s塔的總高度H=40000mm全塔操作質(zhì)量m079773kg重力加速度g9.81m/s2地震影響系數(shù)1[20.21(T15Tg)]max由表查的max0.16（設(shè)防烈度8級(jí)）由表查的Tg0.31(0.051)0.020.0237580.05110.050.02211.70.061.71.3190.0610.021[20.21(T15Tg)]max[1.3190.20.950.2375(1.751.5)]0.160.0448計(jì)算截面距地面高度 h：0-0截面：h=01-1截面：h=1800mm2-2截面：h=3600mm等直徑、等厚度的塔， H/Di 40000/2000 20 15，按下列方法計(jì)算地震彎矩。0-0截面：10/24ME'00161m0gH350.0448797739.8140000356.41108NmmME00 1.25ME'00 8.01 108N mm1-1截面：'1181m0g(10H3.514H2.5h4h3.5)ME175H2.580.0448797739.813.52.518002.5(10400001440000175400003.58418006.010Nmm11'118ME1.25ME7.510Nmm2-2截面：M'2281m0g(10H3.514H2.5h4h3.5)E175H2.580.0448797739.81(10400003.514400002.53600175400002.536003.54)5.6108Nmm22'228ME1.25ME7.010Nmm六、偏心彎矩計(jì)算Me mege 3800 9.81 2000 0.7456 108Nmm七、各種載荷引起的軸向應(yīng)力1、計(jì)算壓力引起的軸向壓應(yīng)力 11PcDi20000.950MPa4S49其中snC1239mm11/242、操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力 20-0截面：00m000gm000g797739.8113.84MPa2AsbDis200010es裙座的有效厚度esnC1239mm1-1截面：11m011g78361.39.8114.57MPa2Asm52767其中，m011797731411.778361.3kg，Asm為人孔截面的截面積，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得：Asm52767mm22-2截面：22m022g75049.69.8113.02MPa2Die20009其中，m022797731411.73311.775049.6kg3、最大彎矩引起的軸向應(yīng)力30-0截面000015.8210800MmaxMmax55.95MPa3Zsb0.785200022Ses9Dis4其中，最大彎矩 Mmaxii取下式計(jì)算值中較大者：Mmax00Mw00Me(15.070.7456)10815.82108NmmMmax00ME000.25Mw00Me(8.010.2515.070.7456)10812.52108Nmm1-1截面：11Mmax1114.73310855.96MPa3Zsm2.63310712/24式中Zsm——裙座人孔截面的抗彎截面系數(shù)。查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得：Zsm=2.633 107mm3其中，最大彎矩 Mmaxii取下式計(jì)算值中較大者：Mmax11Mw11Me(13.990.7456)10814.733108NmmMmax11ME110.25Mw11Me(7.50.2513.90.7456)10811.72108Nmm2-2截面：22Mmax22Mmax2213.6510848.28MPa3Z0.7852000229Die4其中，最大彎矩 Mmaxii取下式計(jì)算值中較大者：Mmax22Mw22Me(12.90.7456)10813.65108NmmMmax22ME220.25Mw22Me(70.2512.90.7456)10810.97108Nmm八、筒體和裙座危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度性校核1、筒體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核2-2截面：筒體危險(xiǎn)截面2-2處的最大組合軸向拉力22max組拉：2222225013.0248.2885.26MPamax組拉1232285.26MpaKt173.4Mpamax組拉因?yàn)?2t，故滿足強(qiáng)度條件。max組拉K其中，軸向許用應(yīng)力：Kt1.21700.85173.4MPa2、塔體與裙座的穩(wěn)定性校核2-2截面：13/24筒體危險(xiǎn)截面2-2處的最大組合軸向壓力22max組壓：22222213.0248.2861.3MPamax組壓23許用軸向壓應(yīng)力：KB取其中較小值。CrtK按GB-150鋼制壓力容器中的規(guī)定，由A0.0940.0940.00084Rm/e1006/9查相應(yīng)的材料圖(16MnR)得B=106Mpa,t170MpaKB1.2106127.2MPa則t，取Cr127.2MPa,K1.2。K1.2170204MPa因?yàn)?261.3Mpacr138Mpa，故滿足穩(wěn)定性條件。max組壓1-1截面：塔體1-1處的最大組合軸向壓應(yīng)力11111114.5755.9670.53MPamax組壓23由0.0940.00084A/esRis查相應(yīng)的材料圖（Q235-B）得B107.5MPa,t170Mpa則cr

KB129MPa，取cr129MPa。Kt204MPa因?yàn)椋?170.53Mpacr129Mpa，故滿足穩(wěn)定性條件。max組壓0-0截面塔體0-0處的最大組合軸向壓應(yīng)力00000013.8455.9569.79MPamax組壓23因?yàn)椋?00組壓 69.79Mpamax

cr 129Mpa,故滿足穩(wěn)定性條件。14/24各危險(xiǎn)截面強(qiáng)度與穩(wěn)定校核匯總計(jì)算危險(xiǎn)截面項(xiàng)目0-0 1-1 2-2塔體與裙座有效厚mm999截面以上操作質(zhì)量79773.9 78361.3 75049.6m0ii/kg計(jì)算截面面積A56548.67Asm52767A56548.67sbAii/mm2截面的抗彎截面系數(shù)977Zsb2.810Zsm2.6310Z2.8210Zii/mm3最大彎矩Mmaxii/Nmm1.5071091.391091.29109最大允許軸向拉應(yīng)力173.4tK /Mpa最大允許壓應(yīng) KBt力 K

--138135.6135.6204計(jì)算壓力引起的向拉應(yīng)0 0 50力1/Mpa操作質(zhì)量引起的向壓應(yīng)13.84 14.57 13.02力 2ii/Mpa15/24最大彎矩引起的軸向應(yīng)55.95 55.96 48.28力3ii/Mpa最大組合軸向拉應(yīng)力- - 85.26i imax/Mpa最大組合軸向壓應(yīng)力69.79 70.53 61.3i imax/Mpa強(qiáng)度 — — 滿足強(qiáng)度條件強(qiáng)度與穩(wěn)定校核穩(wěn)定性 滿足穩(wěn)定性條件九、塔體水壓試驗(yàn)和吊裝時(shí)的應(yīng)力校核1、筒體水壓試驗(yàn)時(shí)各種載荷引起的應(yīng)力(1)由試驗(yàn)壓力和液柱靜壓力引起的環(huán)向應(yīng)力P液柱靜壓力）(Diei)1.1250.3920009(t2ei29169.09MPapT1.25Pt1.250.91701.125MPa170(2)由試驗(yàn)壓力引起的軸向拉應(yīng)力 11PTDi1.125200062.5MPa4ei49(3)最大質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力 222m22g173569.69.812max30.13MPaDie3.142000916/24(4)由彎矩引起的軸向應(yīng)力3220.3MW22Me0.31.291090.74561083Di2Sei2000216.32MPa4492、水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核(1)筒體環(huán)向應(yīng)力校核0.9s0.93450.85263.9MPa因?yàn)門181.9Mpa0.9s169.09Mpa，故滿足要求。(2)最大組合軸向拉應(yīng)力校核22222262.530.1316.3259.39MPamax組拉123許用應(yīng)力：0.9S0.93450.85263.9MPa因?yàn)?259.39Mpa0.9263.9Mpa，故滿足要求。max組拉s(3)最大組合軸向壓應(yīng)力校核222-22230.1316.3246.45MPamax組壓23軸向許用壓應(yīng)力cr0.9s取其中較小值。KB0.9s0.9345310.5MPa,取cr127.2MPa。KB1.2106127.2MPa因?yàn)?2-2組壓 35.57Mpamax

cr 127.2Mpa，故滿足要求。十、基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計(jì)1、基礎(chǔ)環(huán)尺寸取DobDis30020003002300mmDibDis30020003001700mm17/24b=140DIS=2000 l=160Dob=2300 Dib=17002、基礎(chǔ)環(huán)的應(yīng)力校核00m0gMmax取其中較大值，ZbAbbmaxMemmaxg0.3Mw00ZbAbZbDob4Dib43.1423004170049332Dob3223008.375610mmAbDob2Dib20.78523002170021884000mm24(1)Mmax00mog1.582109797739.812.304MpabmaxZbAb8.37561081884000(2)0.3MW00Memmaxg0.315.071080.7456108bmaxZbAb8.37561091782939.8118840000.99Mpa取bmax2.304MPa選用75號(hào)混凝土，其許用應(yīng)力Ra3.5MPa，故滿足要求。3、基礎(chǔ)環(huán)厚度按有筋板時(shí)，計(jì)算基礎(chǔ)環(huán)的厚度 Sb。b1DobDis2es12300200018141mm22設(shè)地腳螺栓直徑為 M42，由表查得l=160mm，則b/l=140/160=0.88 ，由表查得18/24Mx0.1482bmaxb20.14822.30414126788.4NmmMy0.0848bmaxl20.08482.30416025001.7Nmm。取MsMx6788.4Nmm，基礎(chǔ)環(huán)材料（20R）的許用應(yīng)力133MPa，C=3mm,基礎(chǔ)環(huán)厚度b6MsC66788.4320.50mm，取b22mm。133b十一、地腳螺栓計(jì)算1、地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力Mw00Memming取其中較大值，ZbAbB0.25Mw00ME00Mem0gZbAb其中，mmin50745kgME008.01108NmmMw0015.07108Nmmm079773kgZb8.3756108mm3Ab1884000mm2(1)MW00MemmingBZbAb15.071080.7456108507459.818.37561081.62Mpa1884000(2)ME000.25MW00Mem0gBZbAb19/248.011080.2515.071080.7456108797739.818.375610818840001.08MPa取其中較大值， B 1.62Mpa2、地腳螺栓的螺紋小徑因?yàn)?B 0，故此塔設(shè)備必須安裝地腳螺栓。選取螺栓材料16MnR，螺栓個(gè)數(shù)為n=20， bt 163Mpa，C=3mm。4BAbC41.621884000d13.14337.53mmnbt16320取地腳螺栓為M42。由表8-12查得M42的螺紋小徑d=37.219mm，故選用20個(gè)M42的地腳螺栓，滿足要求。十二、筒體與封頭聯(lián)接法蘭的選取1、根據(jù)筒體內(nèi)徑Di 2000mm，計(jì)算壓力Pc 0.9Mpa，溫度150℃，查表6-2，確定法蘭結(jié)構(gòu)為長頸對(duì)焊法蘭，查附錄12選取材料16Mn，公稱壓力PN=1.6Mpa。2、查相關(guān)手冊(cè)得法蘭基本數(shù)據(jù)：D=2215mm，D1=2155mm，D2=2110mm，D3=2090mm，D4=2087mm螺紋孔直徑 d=33mm，法蘭厚度 b=102mm，高頸尺寸 H=190mm，h=56mm，0 20mm, 1 22mm, 2 36mm，螺栓為M30 64。3、根據(jù)公稱直徑 DN=2000mm，查附錄13-3，得螺柱材料為40MnVB，查表6-6得，螺母材料為 40Mn。4、壓緊密封面選取平面密封面，選用纏繞型墊片， D=2089mm，20/24d=2039mm，墊片種類為石棉式石墨填充帶。法蘭圖見附圖塔的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果筒體n12mm，封頭h12mm，裙座塔的名義壁厚es12mmm068902.29k