锅炉压力容器安全
《锅炉压力容器安全》
课程设计
班 级 专 业 安 全 工 程 课程名称 压力容器与管道安全 指导教师 学 号 姓 名
二○一三年十二月
目 录
一、 设计时间及地点.................................................1 二、目的与任务......................................................1 三、 设计题目.......................................................1 1.主要结构的选择...................................................2
1.1主要结构设计............................................................2
1.1.1 筒体长度的确定............................................2 1.1.2 封头......................................................2
1.1.3接管 ..................................................... 2 1.1.4 鞍座及其位置..............................................3 1.1.5 焊接头系数................................................3 2. 工艺计算........................................................3
2.1筒体壁厚的计算.........................................................3 2.2封头厚度的计算.........................................................4 2.3鞍座反力的计算.........................................................4
2.3.1 罐体质量M1...............................................5 2.3.2 封头质量M2...............................................5 2.3.3 液氨的质量M3.............................................5 2.3.4 附件质量M4...............................................5
2.4筒体轴向应力校核.........................................................5
2.4.1筒体轴向弯矩计算..........................................5 2.4.2 由弯矩引起的轴向应力 .....................................7 2.4.3由设计压力引起的轴向应力..................................7 2.4.4轴向应力组合与校核........................................7
2.5 筒体和封头切向应力校核...................................................8
2.5.1筒体切向应力计算..........................................8 2.5.2封头切向应力计算..........................................8
2.6筒体环向应力校核.........................................................8
2.6.1环向应力计算............................................. 8
2.7 鞍座有效断面平均应力校核........................................9
2.8开孔补强的计算..........................................................10
2.8.1人孔参数的确定.............................................10 2.8.2开孔补强的计算.............................................10 3. 设备结构总图...................................................13 4.课程设计总结....................................................13
参考文献..........................................................14
《锅炉压力容器安全》课程设计
一、 设计时间及地点
1.时间:第15周 2.地点:2号实验楼A504
二、目的与任务
本课程设计是在学完《锅炉压力容器安全》之后综合利用所学知识完成一个压力容器设计。该课程设计的主要任务
1.是通过解决一、两个实际问题,巩固和加深对压力容器的结构、原理、特性的认识和基本知识的理解,提高综合运用课程所学知识的能力。
2.培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考,深入钻研有关问题,学会自己分析解决问题的方法。
3.通过实际设计方案的分析比较,设计计算,元件选择等环节,初步掌握工程中压力容器设计方法。
4.培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践,逐步建立正确的生产观点、经济观点和全局观点,获得初步的应用经验,为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
三、 设计题目
某厂需添置一台液氨贮罐,已知:设计压力p=1.2MPa,设计温度T=36℃,容器内径D=1160mm,容积V=2.4立方米,设备充装系数0.9,采用鞍式支座。试设计该设备。
1.主要结构的选择
1.1主要结构设计 1.1.1 筒体长度的确定
由公称直径DN=1160mm,罐体的容积V=2.4m3,设罐身的长度为L,则 L0π(Di/2)2+V2⨯2≥2.4 V2---标准椭圆封头的容积 h0=25mm(封头直边高度)
⨯Di2+π⨯Di2⨯h0 =3.14÷24⨯1.162+3.14÷4⨯1.162⨯0.025
=0.20V2=π
代入上式,即
⎛1.16⎫
L0⨯3.14⨯ ⎪+0.20⨯2≥2.4
2⎝⎭
2
则 L0=1.89m 1.1.2 封头
此容器为液氨储存性容器,从受力方面分析来看,球形封头是最理想的结构形式。但缺点是深度大,冲压较为困难;椭圆封头浓度比半球形封头小得多,易于冲压成型,是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大,加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来说:球形封头用材最少,比椭圆开封头节约,平板封头用材最多。因此,从强度、结构和制造方面综合考虑,采用椭圆形封头最为合理。所以此容器选用罐身为圆筒形,两端均用标准椭圆形封头的卧式容器。 1.1.3接管
由操作条件可知,该容器属于中压、常温范畴。考虑到机械性能、强度条件、腐蚀情况等要求,筒体和封头的材料选用可以考虑 20R、16MnR 这两种钢种。如果纯粹从技术角度看,建议选用 20R 类的低碳钢板,16MnR 钢板的价格比 20R 贵,但在制造费用方面,同等重量设备的计价,16MnR 钢板为比较经济。所以在
此选择 16MnR 钢板作为制造筒体和封头材料。钢号为 16MnR 的钢板(适用温度范围-40-475℃,使用状态为热轧或正火,钢板标 。准 为 GB6654 — 1996 ) 接 管 材 料 选 用 钢 号 为 16MnR 的 接 管 ( 许 用 应 力 : [σ]t =170MPa)。法兰材料为16MnR,鞍座材料选用 16MnR。 1.1.4 鞍座及其位置
根据JB/T 4712.1-2007 容器支座查得由于筒体的公称直径DN=1160mm,所以可以选轻型(A型)120o包角带垫板鞍座,鞍座高度h=200mm,底板长度l1=880mm,螺栓连接尺寸l2=720mm,鞍座宽度b=200mm,底板厚度δ1=10mm,腹板厚δ2=6mm,筋板厚度δ3=6mm,筋板长度l3=200mm,垫板宽b4=320mm,垫板厚δ4=6mm。
鞍座位置A=0.5R=0.5×(1160/2)=290mm
1.1.5 焊接头系数
本次课程设计是液氨储罐的机械设计。氨属于中度毒性物质, 查 表可知该设备为中压储存容器,即为第三类《化工设备机械基础》压力容器。由于焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方,要保证设备密封性能良好,故筒体焊接结构采用双面焊的全焊透的对接接头,且全部无损探伤的,故取焊接头系数φ1.0。
2. 工艺计算
2.1筒体壁厚的计算
筒体的理论计算壁厚公式为[2]:
δ=
pcDi
t
2σϕ-pc
式中 δ——筒体的理论计算壁厚,mm; pc——筒体计算压力,MPa; Di——筒体内径,mm;
[σ]t——钢板在设计温度下的许用应力,MPa;
ϕ——焊接接头系数,其值为1。
取计算压力pc=p=1.2MPa,筒体内径Di=DN=1160mm,查表知16MnR在设计温度为36℃时的许用应力为[σ]t=170MPa,将这些数值代入上式计算出筒体的计算厚度为:
δ=
pcDi1.2⨯1160
==4.1mm t
2σϕ-pc2⨯170⨯1-1.2
由于液氨对金属有一定的腐蚀,取腐蚀裕量C2=2mm,故筒体的设计厚度为:
δd=δ+C2=4.1+2=6.1mm
由钢板厚度负偏差表查得C1=0.6mm,故名义壁厚为:
δn=δd+C1=6.1+0.6=6.7mm
圆整后取δn=7mm。
故本圆筒体的名义厚度为δn=7mm。 名义厚度在假定范围6~7mm内,计算合理。 有效厚度
δe=δn-C1-C2=4.4mm
2.2封头厚度的计算
采用的是标准椭圆形封头,故K=1,,其厚度计算式为:
δ=
KpcDi1⨯1.2⨯1160
==4.10mm t
2σϕ-0.5pc2⨯170⨯1-0.5⨯1.2
设计厚度
δd=δ+C2=4.10+2=6.10mm
因设计厚度δd=6.10mm,所以壳体的名义厚度一定在6~7mm范围内,查表可知厚度在6~7mm内的钢板,负偏差为C1=0.6mm。 名义厚度
δn=δd+C1=6.10+0.6+=6.70mm
圆整后取δn=7mm。 有效厚度
δe =δn-(C1+C2)=7-(2.0+0.6)=4.4mm
δe>0.15%Di=1.74mm,故封头厚度合理。 名义厚度在假定范围内,设计正确。 2.3鞍座反力的计算
首先粗略计算鞍座负荷。
储罐总质量M= M1+ M2+ M3+M4 式中M1—罐体质量,kg M2—封头质量,kg M3—液氨质量,kg M4—附件质量,kg 2.3.1 罐体质量M1
由公称直径DN=1160 mm,壁厚δN=7 mm条件下,查表得筒节钢板的质量q=370kg/m,故
M1=qL0=370×1.84=680.8kg
2.3.2 封头质量M2
由封头公称直径DN=1160mm,壁厚δN=7 mm,h0=25mm条件下,查JB/T4734-95得封头的质量为G=89.28kg
则封头质量M2=2G=2×89.28=178.56kg 2.3.3 液氨的质量M3
M3=Vρ
V--主管的容积,m3
ρ--液氨的密度,kg/m3
由于在题目中的情况下,液氨的密度小于水的密度,此处液氨按水考虑,即
ρ=1000kg/m3,则
M3=Vρ=2.4×1000=2400kg 2.3.4 附件质量M4
人孔质量约为85 kg,其他接管质量和按200 kg计。
则 M4=85+200=285kg
于是,设备总质量为
M= M1+ M2+ M3+M4 =680.8+178.56+2400+285=3544.36kg
由以上计算内容的鞍座反力G=Mg/2=3544.36×9.8/2=17367.365N 2.4筒体轴向应力校核
2.4.1筒体轴向弯矩计算
筒体中间处截面的弯矩为
2
⎡2Rm⎤-hi21+2F⋅L⎢4A⎥M1=-⎢⎥
4h4⎢L⎥1+i
⎢⎥3L⎣⎦
()
式中F——鞍座反力(N);
Rm——椭圆封头长半轴外半径(mm); L——两封头切线之间的距离(mm); A——鞍座的位置(mm); hi——筒体内半径(mm); 其中Rm=
DN+2δn1160+7⨯2
==587mm22
DN1160==29044
hi=A=
2⎡2Rm⎤-hi21+2F⋅L⎢4A⎥-所以M1=⎢⎥
4h4⎢L⎥1+i
⎢⎥3L⎣⎦
()
⎡⎤2(5872-2902)
1+217367.365⨯1940⎢4⨯290⎥=⨯⎢-⎥
4⨯29041940 ⎢⎥ 1+
⎢⎥3⨯1940⎣⎦
=2956533N·mm支座处截面上的弯矩为
2
⎡-hi2ARm⎢1-+
M2=-FA⎢1-
4h⎢1+i
⎢3L⎣
2
⎡-hi2ARm⎢1-+
于是M2=-FA⎢1-
4h⎢1+i
⎢3L⎣
⎤
⎥
⎥ ⎥⎥⎦
⎤
⎥⎥ ⎥⎥⎦
⎡2905872-2902⎤⎢1-+⎥
=-17367.365⨯290⨯⎢1-⎥
4⨯290⎢⎥ 1+
⎢⎥3⨯1940⎣⎦
=-493580N·mm
筒体轴向应力计算
由查表K1=K2=1.0.因为M1>>M2,且A≤Rm/2=293.5mm,故最大轴向应力出现在跨中面,校核跨中面应力。 2.4.2 由弯矩引起的轴向应力
圆筒中间截面上 最高点处:
σ1=
-M1
2
3.14Rmδe
'=-于是σ1
M12956533
=-=-0.62MPa 22
3.14Rmδe3.14⨯587⨯4.4
'=-σ1'=0.62MPa 最低点处:σ2
鞍座截面处 最高点处:σ3=-
M2-493580
=-=0.104MPa 22
3.14K1Rmδe3.14⨯1.0⨯587⨯4.4
最低点处:σ4=-σ3=-0.104MPa 2.4.3由设计压力引起的轴向应力
σp=
于是σp=
PRm
2δe
PRm1.2⨯587
==80.05MPa 2δe2⨯4.4
2.4.4轴向应力组合与校核
最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低点处, 于是
'=80.05+0.62=80.67MPa (5.5) σ2=σP+σ2
许用轴向拉压应力[σ]t=170MPa,σ2
t
最大轴向压应力出现在充满水时,在筒体中间截面的最高点处
'=80.05-0.62=79.43MPa σ1=σp+σ1
轴向许用应力
A=
0.094δe0.094⨯6.8
==0.001089MPa (5.6) Rm587
根据A值查外压容器设计的材料温度线图[6](化工设备机械基础,赵军编,P152)图11-9,查得B=130MPa,取许用压缩应力[σ]ac=130MPa,σ1
因筒体被封头加强,筒体和封头中的切向剪应力分别按以下方法计算。
2.5.1筒体切向应力计算
τ=
K3⋅F
(5.7) Rm⋅δe
由《化工机械工程手册》(上卷)P11-100表11.4-12查得K3=0.880,K4=0.401。于是
τ=
K3⋅F0.880⨯17367.365
==5.917MPa
Rm⋅δe587⨯4.4
2.5.2封头切向应力计算
τh=
于是τh=
t
K4⋅F
(5.8) Rm⋅δe
K4⋅F0.401⨯17367.365
==2.696MPa
Rm⋅δe587⨯4.4
t
1.25[σ]-σh=1.25⨯[σ]-
KPDN1.0⨯1.5⨯1160
=1.25⨯170-=14.77MPa
2⨯δe2⨯4.4
τh
2.6筒体环向应力校核
2.6.1环向应力计算
设垫片不起作用。 (1)在鞍座处横截面最低点处
σ5=
式中b2——筒体有效宽度。
-kK5F
(5.9) δeb2
由《化工机械基础手册》(上卷)P11-101表11.4-13查得K5=0.7603,K6=0.0132。式中k=0.1考虑容器焊在鞍座上
b2=b+1.56Rmδe (5.10)
式中b——支座轴向宽度。
于是b2=b+1.56Rme=300+1.56⨯4.4=379.28mm
故σ5=
-kK5F-0.1⨯0.7603⨯17367.365
==-0.79MPa
δeb24.4⨯379.28
(2)鞍座边角处轴向应力 因为==2.891
σ6=-
3K6FF17367.3653⨯0.0132⨯17367.365-=--=-20.36MPa22
4b2δe2δe4⨯379.28⨯4.42⨯4.4
(5.11)
(3)环向应力校核
σ5
σ6
支座承受的水平分力
Fs=K9⋅F (5.12)
由《化工机械工程手册》(上卷)P11-103表11.4-15查得K9=0.204。 于是Fs=K9⋅F=0.204⨯17367.365=3542.9N
鞍座有效断面平均应力
σ9=
式中Hs——鞍座计算高度;
b0——鞍座腹板厚度。
Fs
(5.13) Hsb0
其中Hs取鞍座实际高度(Hs=200mm)和Rm=5873=195.67mm中的最小值,即Hs=195.67mm。腹板厚度b0=δ2-C1=6-0.6=5.4mm 于是σ9=
Fs17367.365
==16.08MPa Hsb0200⨯5.4
应力校核:
σ9
2
[σ]sa=2⨯140=93.3MPa合格。 33
式中[σ]sa=140MPa,鞍座材料16MnR的许用应力。 2.8开孔补强的计算 2.8.1人孔参数的确定
人孔的形状有圆形和椭圆两种,当设备内经DI>1000mm时,压力容器上的开孔最好是圆形的。椭圆形人孔的短轴与受压容器的轴线平行。圆形人孔的直径一般为450mm,受压容器的压力不高或有特殊需要时,直径可以大一些。圆形人孔的直径有DN400,DN450,DN500和DN600共4种。本设计根据储罐在常温工作压力为1.2MPa的条件下工作,人孔标准应按工程压力为1.2MPa的等级选取。受压设备的人孔盖较重,一般均选用盖式人孔或回转盖式人孔。人孔直径选择DN450。
压力容器开孔补强形式选用补强圈补强。计算方法采用等面积补强法。即当补强材料与被削弱壳体的材料相同时,则补强面积等于削弱的面积。补强材料采用16MnR。
2.8.2开孔补强的计算
由于人孔的筒节不是采用无缝钢管,故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径di=450mm,壁厚δm=10mm。据表JB/T 4736-2002查得补强圈尺寸为:外径D2=760mm,内径D1=450+2×10+14=484mm。
开孔补强的有关计算参数如下[3]:
2.8.2.1开孔所需补强面积A
内压容器的圆筒开孔后所需的补强面积为
A=dδ+2δδet(1-fr) mm (3.4)
2
式中 d——开孔直径,圆形孔取接管内直径加两倍壁厚附加量,mm;
δ——壳体开孔处的计算厚度,mm; δet——接管有效厚度,mm;
fr——强度削弱系数,等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值。
对于圆筒,壳体开口出的计算厚度为:
δ=
2σϕ-p
t
pDi
=
1.5⨯1190
=5.501mm
2⨯163⨯1-1.5
开孔直径d=di+2C=450+2⨯(0.6+2)=455.2mm
由于接管材料与壳体材料都为16MnR,故fr=1,将这些数据代入式(3.4)得: 开孔所需补强面积A=455.2⨯4.1=1866.32mm2 2.8.2.2有效宽度B
B=2d=2⨯455.2=910.4mm
B=d+2δn+2δm=455.2+2⨯7+2⨯10=489.2mm
二者中取较大值B=910.4mm。 2.8.2.3 有效高度h
(1) 外侧高度h1
h1=
dδm=
455.2⨯10=67.49mm
h1=接管实际外伸高度=274mm 二者中取较小值h1=67.49mm
(2) 内侧高度h2
h2=
dm=
455.2⨯10=67.49mm
h2=接管实际外内伸高度=0mm 二者中取较小值h2=0mm。
2.8.2.4 补强面积Ae
在有效补强范围内,可作为补强的截面积按下式计算
Ae=A1+A2+A3 (3.5)
式中 Ae——补强面积,mm2;
A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积[按式(3.6)],mm2; A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积[按式(3.7)],mm2; A3——焊缝金属截面积,mm2。 计算如下:
A1=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr) (3.6)
其中接管有效厚度为δet=δm-C1-C2=10-0.6-2=7.4mm,故
A1=(910.4-455.2)(4.4-4.1)-0=136.56mm2
A2=2h1(δet-δt)+2h2(δet-C2)fr (3.7)
其中接管计算厚度为δt=
2σϕ-p
t
pcd
=
1.2⨯455.2
=1.61mm,故
2⨯170⨯1-1.2
A2=2⨯67.49⨯(7.4-1.61)⨯1+0=781.53mm2 焊缝金属截面积A3=2⨯
1
⨯10⨯10=100mm2,故补强面积Ae为 2
Ae=A1+A2+A3=136.56+781.53+100=1018.09mm2
由于Ae
A4=A-Ae=1866.32-1018.09=848.23mm2≈848mm2
'δ2.8.2.5 补强圈厚度
δ'≥
A4848==3.1176mm
D2-D1760-488
圆整后取δ'=4mm,补强材料与壳体材料相同为16MnR。
3. 设备结构总图
4.课程设计总结
通过本次液氨储罐的机械设计,使我了解了很多关于化工容器的知识,如容器材料的选择、附件型号的选择、焊接方式、参数校核等。浏览了很多与此相关的书籍,感觉受益匪浅。
此次课程设计过程中,感觉对相应的标准和规定不太清楚。不过通过这次课程设计,使我对制图中的零件绘制、尺寸标准、比例、字体等各方面有了更深刻的掌握更加熟练。
由于所学知识有限,时间有限,在本次课程设计中可能还有很多方面不够完善,部分设计可能不太合理或有更优的选择,但这次设计让我对储罐的整体设计有了很好的理解,对自己所学的知识也更一步的完善与理解。
参考文献
[1].董大勤.《化工设备机械基础》.北京化工工业出版社.2009
[2].喻建良,王立业,刁玉伟.《化工设备机械基础》.大连理工大学出版社.2009 [3].余国棕.《化工机械工程手册》.化学工业出版社,2003
[4]丁伯民.《钢制压力容器》上海:华东化工学院出版社,1992
[5]董大勤,袁凤隐.《压力容器设计手册》.北京:化学工业出版社,2006
[6]《化工设备设计手册》编写组.《化工设备设计手册材料与零部件》上海:上海人民出版社,1973
[7]刘善淑.《AutoCAD机械设备图绘制技巧》北京:化学工业出版社,2005