空气储罐设计

1、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：MPa3、工作温度：常温4、工作介质：空气5、全容积：16m3设计参数的选择：设计压力：取倍的最高压力， 属于低压容器。筒体几何尺寸确定：按长径比为，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

2、，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。圭寸头材料与筒体相同，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

3、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 C p压缩空气,水压试验充满水，故取介质密度为3p水 = 1000 kg / m ，叫=p7xVV V筒 2V封 nDi2L。 2V封- 1.82 7 2 0.2545 18.31m344则 m3p水V 1000 18.31kg 18310 kgm4 附件质量：

4、人孔质量为153kg，其他接管总和为200kg，即m 353kg则每个鞍座承受的质量为，即为V350KN ,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10mmN1N空气进、出口管：公称尺寸 DN250接管尺寸273 x6mmD，1800d - 900mm且d 520mm故可采用等面积法进行补强计算2 2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接管计算厚

5、度：pcdi0.88 273t0.93 mm2 tpc 2 130 1-0.88钢板负偏差：C1=g义厚度为6mmt 130强度削弱系数fr 0.765t 170开孔直径 d=di+2C=261+=开孔切削截面积：(4-1 )A dS 2 S et(1 fr)=有效补强范围有效宽度BB1=2d=B2d 2 Sn 2 Snt 263.22 10 2 6 294.6 mmB max( B1, B2)526.4 mm外侧有效高度根据1中式8-8，得：hi、d 九 、263.2 6 39.74 mmIIhi比 150mminh1min( h1, hi ) 39.74 mm内侧有效高度根据1中式8-9，

6、得:hi、d 、263.2 6 39.74mmhz接管实际内伸高度 0inh2 min(h2 , h2 )0有效补强面积根据1中式8-10至式8-13，分别计算如下：Ae A1 A2 A3(4-3)A筒体多余面积A1 (B d)( - 3) 2 认 - )(1 fr)(10.765)(526.4263.2)(10 4.661.1)26 1.10(10 4.661.1)21106 mmA2 接管多余面积A2 2 叽 et )fr 2h2( C? )2 39.74 (6 1.1 1.21) 0.76 0221.6mmA3 焊缝金属截面积，焊脚去7mm则A. 1 62 2 36mm22补强面积Ae

7、A1 A2 A31106221.6361363.6 mm2同样对N4安全阀口公称尺寸DN80,接管采用89 x4无缝钢管，材料为20号D1800钢，外伸长度为150mmd i900mm且d 520mm故可采用等面2 2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 =1接管计算厚度：丄pcdi0.88 89小“t0.30mm2 tpc 2 130 1-0.88钢板负偏差：C1=S义厚度为4mmt 130强度削弱系数fr 0.765t 170(4-1 )开孔直径d=di+2C=89+=开孔切削截面积:A d S 2 S et(1 fr)=有

8、效补强范围有效宽度BB1=2d=B2d 2 Sn2 Snt91.22 1024208.4 mm(4-2)B max( B-i, B2)526.4 mm外侧有效高度根据1中式8-8，得：hi, d 8nt91.2 4 19.10mmhi H1150mmh1 min( h1, h| ) 19.10 mm内侧有效高度根据1中式8-9，得：hl. d 8nt91.2 4 19.10mmh?接管实际内伸高度 0Inh2 min(h2 , h2 )0有效补强面积根据1中式8-10至式8-13，分别计算如下：Ae A1 A2 A3(4-3)A1 筒体多余面积A1 (B d)(&-3) 2 认心-)(1 fr

9、)(192.491.2)(105.5 1.1)26 1.10(10 5.51.1) (10.765)2302.08 mmA2 接管多余面积A2 2叽 et)fr 2h2( C?)2 19.10 (4 1.1 1.21) 0.76049.35mmA3 焊缝金属截面积，焊脚去6mm则1 2 2A3 6236 mm2补强面积2Ae A1A2 A3 886221.6 361143.6 mm因为Ae. .A，所以开孔需另行补强 同样对N公称尺寸为500mm接管采用530x 10无缝钢管，材料为20号钢,外伸长度为150mm dDi 1800900mm 且d 520mm故可采用等面积2 2法进行补强计算以

10、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内径 d=530-10x2=510mm接管计算厚度:pcdi2 tpc0.88 5102 130 1-0.881.73mm钢板负偏差：C1=g义厚度为10mmt 130强度削弱系数仝00.765t 170(4-1 )开孔直径 d=di+2C=510+=开孔切削截面积:A d S 2 S et(1 fr)=有效补强范围有效宽度BB1=2d=B2d 2 Sn 2 Snt513.6 2 10 2 10 553.6 mmB max( B1, B2)1027.2 mm(4-2)外侧有效高度根据1中式8-8，得：打,

11、 dST513.6一10 71.67 mmIIhiH1 150mminh1min( h1, h1 ) 71.67 mm内侧有效高度根据1中式8-9，得：hi, d 8nt.513.6 10 71.67mmh2”接管实际内伸高度 0Inh2 min(h2 , h2 ) 0有效补强面积根据1中式8-10至式8-13，分别计算如下：Ae A1 A2 A3(4-3)A筒体多余面积A1 (B d)(&- 3) 2 认心-3)(1fr)513.6(10 5.51.1)2101.70(10 5.5 1.7)(10.765)1745.36 mm2A2 接管多余面积A 2叽 3t3)fr 2h2( 3t C2)

12、fr2 71.67 (10 1.7 1.7) 0.760719.0mmA3 焊缝金属截面积，焊脚去6mm则1 2 2A3 62 2 36mm23 2补强面积2Ae A1 A2 A31745.36719362500.36 mm因为Ae. .A，所以开孔需另行补强 圆筒轴向弯矩计算圆筒的平均半径为Ra DL豆1200-603.5 mm22 22鞍座反力为F 55893.4 N圆筒中间截面上的轴向弯矩根据2中式7-2，得:M1 FL12(Ra hi2)154AL24 hi3 L55893.4790012 (90524502)790021 434 550450790079007.73 107 N ?m

13、m鞍座平面上的轴向弯矩根据2中式7-3，得:Ra2M 2 FA2AL辿3L55893.45501,5501 -7900905245022 550 79004 4503 79002.13 107N?mm图5-1( a)筒体受剪力图图5-1 (b)筒体受弯矩图圆筒轴向应力计算及校核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：PcRaMi6 22 還nRa 8e0.88 1069057.73 1072 103.142 0.9052 10(5-1 )36.78 MPa最低点处：PcRaM i6222 &nRa e0.881069057.73 10722 103.

14、1420.90510(5-2)70.17 MPa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:(即 A Ra2 )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 时，轴向应力3位于横截面最高点处.1.0, K21.0.取鞍座包角 120，查表 7-1 ( JB/T4731-2005)得，K则PcRaM 26 22 & 水限玄ee40.66 MPab).在横截面最低点处的轴向应力 4 :PcRa2Sem22nmax切向剪应力的计算及校核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：Ka 0.880K40.40188 沁3

15、26.05MPa0.6035 0.006K3F TRa 4(5-4)圆筒被封头加强(ARa.2 )时，其最大剪应力根据2中式7-10，计算得:K4FRa渝0.401 5583.40.905 0.012.47MPa(5-5)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倍，即t0.8而 t 6.05MPa0.8 c0.8 11390.4MPa故圆筒满足强度要求。根据2中式7-12 12cDi1c21800K2-2162 hi62450封头的切向剪应力，应满足h 1.25 t h(5-6)KpcDi 111200hi 100MPa2渝 2 6tT 2.47 MPa 1.25 (T

16、(rh1.25 170158.454.1 MPa故封头满足强度要求圆筒周向应力的计算和校核根据鞍座尺寸表知：b4 350 mmb 1.56220 1.56、905 10346.4mm即b4 b+1.56, Ra心，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座(5-7)在横截面的最低点处:根据2中式718gF(迅 + be )t2其中k 0.1 (容器焊在支座上)(5-8)则050.1 0.76 24876.321400.9MPa在鞍座边角处由于L Ra70009057.738根据2中式720:F12FRa2 24 垃 are b2 l ae味6由于A Ra0.30.60350.4980.5查2中表7-3知，

17、K60.013则55894.347 840512 0.013 55894.3 905279007 8(5-9)2.13MPa鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力由于L Ra 8，根据2中式722F12K6FRa0 24近 l a55894.312 0.013 55894.3 90524 7 4057900 714.91MPa周向应力校核根据00.9MPatO 113MPa15.69MPat1.25 o1.25113125.1 MPat1.25 o1.25113求。2中式141.25MPa141.25 MPa故圆筒周向应力强度满足要鞍座应力计算及校核腹板水平分力及强度校核根据2中表7 7鞍座包角120

18、 ,查2中表得：K9 0.204FsK9F 0.204 24876.325074.8 N垫板起加强作用，则:9 Hsb。Fsbr rebe 8 mm, brb2140 mmRa進 201.2 mm3H 201.2193.2mm193.2 mm则095074.80.1932 0.006 0.14 0.0082.2MPa查2中表5 1,得:sa147MPa，则 0sa= 98MPa由于O92 sa，所以其强度满足要求3鞍座压缩应力及强度校核根据2中表76,取10.08贝UFev amg 0.08 5076.8 9.8 3980.2 N ,钢底板对水泥基础的f 0.4mgf 5076.8 9.8 0

19、.4 19901.1 NFEv所以压应力应按2中式729计算:saFFevHAsa 2ZrFevHvAsa L 2A(5-9)1200其中Hv R H193.2793.2mm ,筋板面积Ai =b2 S3 = 140 X6 = 840 mm腹板面积：A (li 50) S2880 50 6 4980mm2Asa 6A1 A 6 840498010020mm2l1880x 丄 10 15 垃 I10 15 6 200209mm2 2Z1 =x+ 卫=209+=212mm2 2Z2 = Z1 +l3 = 212 +200 = 412 mm形心:yc严釘 6)2 =6 疋40 M40+6) 2=36

20、.7mm10020ycb2yc心 36.736.3mmIyb2 63122 2A Z1 Z2362 l1 2012128402122412236 880 20124983671804 mmb23 S3Iz 6 12Axycl120A?yc6 凹二 840209 36.34980 36.746667214 mm4腹板与筋板组合截面断面系数:maxZ maxb2l1217010 =10 =75mm288010 =10 =430mm2Z ryIyZ max498367180 =n58993.4mm3430ZrzIzZmax46667214 =108528.4mm3430Zr = minin Zry,

21、 Zrz=108528 .4mm3代入公式FFevHsaAsa2Z rAsa LF Ev H v得2AFevHFevHv24876.323980.2 193.24806.2793.22ZrAsa L 2A100202 108528.41002025502 3003.74MPatfTaAsaFfH24876.3224876.320.4 193.220.2MPaZr10020108528.4取 Ko 1.2则K。sa1.2147176.4MPa根据2中式732进行校核(Tsa3.74 MPa K sa 176.4 MPa(rsat20.2 MPa t sa 147 MPaoc,sa即满足强度要求。筒体的总体尺寸已知参数：筒体公称直径DN Di 2000mm筒体壁厚设计设计温 度为85 C,查GB150得该温度下 Q345R许用应力t 170MPa取钢板负偏差 C1 ，钢板腐蚀裕量 C 2 1mm pc Di 2000计算壁厚t 41 2 pc 2 170