压缩空气储罐设计

1、1 绪论 第一章压缩空气的特性 . 4 第二章设计参数的选择 . 5 第三章容器的结构设计 . 6 3.1圆筒厚度的设计 . 6 3.2封头厚度的计算 . 6 3.3筒体和封头的结构设计 . 6 3.4人孔的选择 . 7 3.5接管，法兰，垫片和螺栓（柱） 9 3.6鞍座选型和结构设计 . 1.1 第四章 开孔补强设计 . 14 4.1补强设计方法判别 . 13 4.2有效补强范围 . 13 4.3有效补强面积 . 14 4.4补强面积 . 14 第五章 强度计算 . 16 5.1水压试验应力校核 . 15 5.2圆筒轴向弯矩计算 . 15 5.3圆筒轴向应力计算及校核 . 16 5.4切向剪

2、应力的计算及校核 . 17 5.5圆筒周向应力的计算和校核 . 20 5.6鞍座应力计算及校核 . 22 5.7地震引起的地脚螺栓应力 . 24 第六章设计汇总 . 25 参考文献 . 错误！未定义书签2 绪 论 课程设计是一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课 程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养 学生独立工作能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方 案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核 算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程

3、设计 是培养学生独立工作能力的有益实践。 通过课程设计，学生应该注重以下几个能力的训练和培养： 1. 查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜 集）的能力; 2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性， 乂考虑经济上的合理性，并注意到操 作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解 决实际问题的能力； 3. 迅速准确的进行工程计算的能力； 4. 用简洁的文字，活晰的图表来表达自己设计思想的能力 本次设计为压缩空气储罐，在三周时间内内，通过相关数据及对国家标准的查找 计算出合适的尺寸，设计出主体设备及相关配件，画出装备图零件图以及课程设计 说明书

4、。 压缩空气储罐的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。 常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书主要介绍 了液罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。各项设计参数都正确 参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有意可循，并考虑到结构方面的要求， 合理地进行设计。3 第一章压缩空气的特性 中文名称：压缩空气 English name : compressed air 主要成分： 氮气、氧气等。 外观与性状：无色无味 沸点（C） : 192C （101.3 千帕） 相对密度（水=1）: 0.9 健康危害：无 环境危害：无 燃烧危险：无 危险特性：

5、局压常温储存，周温剧烈震动易爆。 特性总述： 压缩空气，即被外力压缩的空气。它具有下列明显的特点：清晰透明，输送方便，没有特殊的 有害性能，没有起火危险，不怕超负荷，能在许多不利环境下工作，空气在地面上到处都有， 取之不尽。 来源： 大气中的空气常压为0.1Mpa,经过空气压缩机加压后达到理想的压力。 作用或用途： 压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，乂是具有多种用途的工艺气源，其 应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食 品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。4 第二章设计参数的选择 1、 设计题目：压缩空气储罐设计 2、 最高工作压力：3.3 MPa 3

6、、 工作温度：150 C 4、 工作介质：压缩空气 5、 全容积：3m3 6、 设计压力：3.75 MPa 7、 设计温度：150 C 8、 公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为 1200mm 9、 焊接接头系数：0.85 10、 主要元件材料的选择： 根据GB150-19981表4-1,选用筒体材料为16MnR（钢材标准为GB6654 ； 根据JB/T47312,鞍座选用材料为Q235-B,其许用应力错误！未找到引用源。； 地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q23 Q235的许用应力错误！未找到引用源 11、 容器类别：第二类5 第三章容器的结构设计 3.1圆筒厚度的设计 由丁该

7、容器储存压缩空气，所以该容器的焊缝都要采用全焊透结构，需要对该 储罐进行100嘛伤，所以取焊缝系数为 错误！未找到引用源。 假设圆筒的厚度在616mnffi围内，查GB150-1998中表4-1,可得： 疲劳极限强度 错误！未找到引用源。，屈服极限强度 错误！未找到引用源。， 150 C错误！未找到引用源。下的许用应力为错误！未找到引用源。，利用中径公 则筒体的名义厚度错误！未找到引用源。 圆整后取为错误！未找到引用源。 3.2封头厚度的计算 查标准JB/T4746-20024中表1,得公称直径DN = Di =1200 mm 选用标准椭圆形封头，长短轴比值为 2,根据1中椭圆形封头计算中式(

8、7-1) PcDi 3.75 X200 a = t - = - =16.33mm 24 0.5pc 2 X63 X0.85 0.5 彳.75 (3-2) 同上，取错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。 则封头的名义厚度为 错误！未找到引用源。 圆整后取为错误！未找到引用源。 3.3筒体和封头的结构设计 . 一 D 由封头长短轴Z比为2 ,即=2错误！未找到引用源。，得 2hi h =DL = 1200 mm = 300mmlt!未找到引用源。 4 4 pDi F p 2 X0.85 X63 3.75 1200 a= | 2寸 (3-1 ) 查标准HG20580-199皆表7-1 到引用源。

9、 设计任务说明书给定腐蚀裕量 mm =16.46mm 3.75 知，钢板厚度负偏差为0.8mm故取错误！未找 错误！未找到引用源。 6 查标准4中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见 表3-1和图3-1 Tt _ 一 V = - DiLo+2V封 4 取装料系数为0.9,则 V Tt =DL +2V 封 0.9 4 即31 = 21.22 XLo+2 X0.2545错误！未找到引用源 0.9 4 算得错误！未找到引用源。 圆整后取为错误！未找到引用源。 表3-1 封头尺寸表 公称直径 DN mm 总深度 H mm 内表面积A 2 m 容积 3 m 质量 Kg 1

10、200 325 1.6552 0.2545 234.7 图3-1椭圆形封头 3.4人孔的选择 7 根据HG/T 21518-95，查表3-3，选用凸面的法兰，其明细尺寸见表 3-2:8 表3-2 人孔尺寸表 单位：mm 密封向型式 凸面 D 775 b1 56 公称压力PN MPa 4.0 DI 670 b2 60 螺柱数量 20 公称直径DN 500 HI 290 A 430 螺母数量 40 dw心 53C X 14 H2 140 B 225 螺柱尺寸 M39X 3X22& d 495 b 62 L 300 总质量kg 418 3.5接管、法兰、垫片和螺栓（柱） 3.5.1接管和法兰

11、 该压缩空气储罐应设置物料入口、 物料出口、温度计口、压力表口、安全阀口、 液面计口、排污口和人孔。初步确定各口方位如图 3-2 : 遂料口 计口盅力表口 人孔 妾企冏口常空口 图3-2各管口方位 查HG/T 20592-20096中表8.2 3-1 PN带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称 直径，查得各法兰的尺寸。 查6中附录D中表D-3,得各法兰的质量。查6中表3.2.2 ,法兰的密封面均9 采用RF （凸面密封）。 将查得的各参数整理如表3-4 3.5.2垫片 查HG/T 20606-1997，得各管口的垫片尺寸如表 3-3 : 表3-3 垫片尺寸表 管口名称 公称直径 内径D1 外径D2

12、 进料口 50 61 107 出料口 50 61 107 排污口 50 61 107 人孔 500 温度计口 20 27 61 压力表口 20 27 61 安全阀口 25 34 71 排空口 25 34 71 注：1:包覆金届材料为纯铝板，标准为GB/T 3880,代号为L3,最高工作温度200七 2:填充材料为有机非石棉纤维橡胶板有机材料,代号 NAS最高工作温度 200 C。 3:垫片厚度均为1.5mm 表3-4 各管口法兰尺寸表 名称 法兰 质量 Kg 公称 直径 DN 法兰外 径D 螺栓孔 中心圆 直径K 螺栓 孑L直 径L 螺栓 孔数 量 n （个） 螺栓规格 法兰厚度C 法兰颈 N

13、 R S H1 进料口 144 50 165 125 18 4 M16 20 75 6 2.9 8 出料口 144 50 165 125 18 4 M16 20 75 6 2.9 8 排污口 144 50 165 125 18 4 M16 20 75 6 2.9 8 人孔 418 500 温度计口 60 20 105 75 14 4 M12 16 40 4 56 2 压力表口 60 20 105 75 14 4 M12 16 40 4 56 2 安全阀口 60 25 115 85 14 4 M12 16 50 4 65 2 排空口 60 25 115 85 14 4 M12 16 50 4 6

14、5 2 3.5.3螺栓(螺柱)的选择 查HG/T 20613-20098中表5.0.7-11 和附录中表 A.0.1,得螺柱的长度和平 垫圈尺寸如表3-5 : 表3-5 螺栓及垫片 名称 公称直径 螺纹 螺柱长 紧固件用平垫圈 mm d d2 H 进料口 50 M16 90 17 30 3 出料口 50 M16 90 17 30 3 排污口 50 M16 90 17 30 3 人孔 500 温度计口 20 M12 75 13 24 2.5 压力表口 20 M12 75 13 24 2.5 安全阀口 25 M12 75 17 30 2.5 排空口 25 M12 75 17 30 2.5 3.6鞍

15、座选型和结构设计 3.6.1鞍座选型 该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用 Q235-R 估算鞍座的负荷： 罐 总 质 量 m = m1 +2m2 + m3 + m4 (3-3) 3 一 一 m1筒体质量： m= %DL0 S 户3.14 刈.2 X2.5 X0.018 X7.85 刈0 =1331 kg m2 单个封头的质量，m2 =234.7kg m3 充液质量：p/K p压缩空气，水压试验充满水，故取介质密度为 3 豚=1000kg/m , m3 =豚V 则 m3 = p水V =1000 3.24kg =3240kg m4 附件质量：人孔质量为418kg，其他接管总和为6

16、72kg,即m4 =1090kg 综上所述 m = m1 +2m2 +m3 +m4 =1331 +2 X234.7 +3240 +1090 =6130.4 kg 则每个鞍座承受的质量为3065.2kg，即为30.65kN。 查JB4712.1-20079表1,优先选择轻型支座。查9中表2,得出鞍座尺寸 如表3-6 : 表3-6 鞍座尺寸表 公称直径 DN 1200 腹板 们 6 垫板 b4 320 允许载荷 Q kN 145 筋板 I3 200 d 6 鞍座局度 h 200 b2 140 e 55 底板 1I 880 b3 200 螺栓问距 I2 720 b1 170 6 鞍座质量 Kg 56

17、 10 垫板 弧长 1410 增 加 100mm 增 加的高度 Kg 7 3.6.2鞍座的安装位置 根据2中6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离 A小丁等丁 0.5Ra，当无法满足A小丁等丁 0.5Ra时，A值不宜大丁 0.2L。R,为圆筒的平均 内径。 =D 2 L = L0 +2h = L0 +2(H hi) =2500 +2 X(325 300) = 2550 mm 即 A 0.5Ra =0.5 X610 =305mm1200 取 A = 0.3m 鞍座的安装位置如图3-3所示: 图3-3鞍座安装位置 第四章开孔补强设计 根据1中式8.3,知该储罐中只有人孔需要补强。 4.1

18、补强设计方法判别 人孔开孔直径为 d =1 +2C2 = 500 +2 Xl.5 = 503mm D 1200 d 一 = - = 600mm 且d 14 = 567 mm B =max( B1,B2) =1006mm (4-2) 4.2.2外侧有效高度 根据1中式8-8,得: hi =(无 f 503 X4 =83.9mm ，、.、一 、 hi =接官头际外伸局度 =Hi =290 mm hi = min( hi, hi ) = 83.9mm 4.2.3内侧有效高度 根据i中式8-9,得： h2 fdn f503 X4 = 83.9mm . . .、 - h2 =接管实际内伸局度 =0 ,

19、h2 二 min(h2 ,h2 ) 二 0 4.3有效补强面积 根据i中式8-i0至式8-i3,分别计算如下： Ae = Ai A2 A3 (4-3) A一筒体多余面积 Ai =(B d)( 8) 2 &(ae a)(i fr)=(i006 503) X(i6.5 i4.92) = 794.74mm2 A2 接管多余面积 A2 =2hi( aet 8t)fr+2h2( aet C2) fr =2 X83 .9 X(i2.5 i2.5)冲+0=0 A3 焊缝金届截面积，焊脚去8mm则 - i 2 2 A3 = X8 X2 = 64mm 2 4.4补强面积 2 Ae = Ai + A2 +

20、 A3 = 794 .74 +0 + 64 =858 .74 mm2 因为Ae A Ae =7504.76 858.74 = 6646 .02mm 第五章强度计算 5.1水压试验应力校核 试验压力 PT =1.25P=1.25 X3.75 = 4.69MPa 圆筒的薄膜应力为LPT(E)=冬*携=172.89MPa 0.9 巾 s = 0.9 X0.85 45 = 263.9MPa 即0.9巾(J CT ,所以水压试验合格 5.2圆筒轴向弯矩计算 鞍座反力为号=30039.0N 5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩 MI -FL L+2（Ra h） 1 L2 14A - 30039 x 2550

21、 一 2”6102 3002） 1 2 21502 1 4乂300 4 1+组 3 L L 一4 一 4 300 1 + f - 3 2550 2550 根据2中式7-2,得: = 8.47 106 N *mm 5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩 根据2 中式7-3,得: M2 FA A . Ra2 L 2AL 1也 3L hi2! 30039 300 3002 4.86 106 N mm 2 300 610 2550 2 300 2550 16.5 圆筒的平均半径为Ra=B+ A =埋 2 2 2 20 +竺=610mm 2 5.3圆筒轴向应力计算及校核 5.3.1圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩

22、引起的轴向应力 根据2中式7-4至式7-7计算 最高点处： (5-2)弯矩图 图5-1 (b)筒体受弯矩图 _ pcRa M1 _ 3.75 刈06 X610 伊= - - 2= - 2 TtRa ae 2 刈6.5 (5-1) 最低点处： _ pcRa M1 _ 3.75 X106 X610 叼= - + - 2= - 2 Se %Ra2Se 2 刈6.5 8.47 刈06 2 1 3.142 X0.610 X16.5 8.47 刈06 2 3.142 X0.6102 刈6.5 = 69.03MPa = 69.59 MPa 5.3.2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

23、力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算: 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，轴向应力位丁横截面最高点处. b).在横截面最低点处的轴向应力。4 ： 3.75 刈06 X610 4.86 X106 - - + ,八 c2 “ 2 刈6.5 3.142 刈 X0.610 刈6.5 5.3.3圆筒轴向应力校核 A = 0.094 = 0.094 =0.002543 Ri/ae 610 /16.5 (5-3) 查图 4-810得,E =1.86 X05，则 2 2 5 B = EA = 1.86 105 X0.002543 = 315.3MPa 3 3 max = CT 1

24、 , b2 , (T3 oac=B =315.3MPa 满足条件Mcmax 5.4切向剪应力的计算及校核 5.4.1圆筒切向剪应力的计算 取鞍座包角 6=120,查表 7-1 (JB/T4731-2005)得，K1 = 1.0,K2 = 1.0 2 Se M2 _3.75 刈06 X610 2 = - 2 16.5 TKiRa Be 4.86 刈06 ， 一 _ . _ 2 = 69.57MPa 3.142 X1 X0.610X16.5 (即 A Ra2 PcRa M2 _ + 2 2 Se 水 2Ra ae = 69.07 MPa 根据2中式7-9计算，查2中表7-2 ,得: K3 =0.8

25、80 K4 =0.401 宜=0.88 况039 =2.63MPa Ra& 0.610 X0.0165 (5-4) 5.4.2圆筒被封头加强（ARa/2 ）时，其最大剪应力 外 根据2中式7-10,计算得: /冬如401 *0039 =1.20MPa Ra 8he 0.610 X0.0165 (5-5) 5.4.3切向剪应力的校核 E壬0.8卜f。封头的切向剪应力，应满足 环苴1.25原1 -Qh 而 r=2.63MPa 170 =136MPa 故圆筒满足强度要求。 根据2中式7-12 2 K = 1 2 + -D = X 2 6 2hi 6 (5-6) KpcDi 1 X3.75 X

26、200 % = J = - =136.36MPa 2 She 2 X6.5 (5-7) Th =1.20 MPa 6 =294.4mm 圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的 0.8倍，即 2 1200 . + - = 1 2 X300 即b4 b+1.56jRa希,所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座 5.5.1在横截面的最低点处: 根据2中式7-18 5.5.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力 由丁 L/Ra 8，根据2中式7-22 查2 kK5F （禄+谎* 其中k = 0.1 （容器焊在支座上） (5-8) 中表7-3知，K5=0.76 则05 0.1 X0.76 *0039 八 7

27、 - r - - 0.63MPa (20+6)X40 5.5.2在鞍座边角处 工十 2550 由于 L Ra - -4.18 8 610 根据2 中式720: , 0 3 由丁 A/尺-0.490.013 彳0039 X610 2550 X0+62) 5.63MPa (5-9) ， F 12K&FRa _ 30039 % 一 : 2 一 7 TTr 4&b L R 4 X20 140 L&2 12 冲.。俗痂039 00 5.48MPa 2550 X202 5.5.4周向应力校核 根据2中式7.3.4.3 -5.63MPa 1.25-1.25 X70 - 212.5MP

28、a -5.48MPa 1.25-1.25 XI70 -212.5MPa5 -0.65MPa 0.006+0.14 X0.006 2 n 查2中表 5 1,得:&】sa=147MPa，则 2sa =98MPa 由丁 b90.8 = 4806.2N ,钢底板对水泥基础的 f =0.4 鞍座包角B =120,查2 中表 7 5 得：K9 =0.2 0 4。则 -9 Hsb br、re 其中 are =6mm,br =b2 =140 mm Ra - 610 = 203mm , H =203 6=197mm = 3.03MPa 则 mgf =6130.4 X9.8 0.4=24031 .1 N

29、FEv 所以压应力应按2中式7-29计算: =上 FEVH FEVHV 知 _ Aa 云T Aa(L 2A) (5-9) _ 1200 其中 Hv = R + H = - +197 =697mm , 2 筋板面积 A1 =b2 & =140 X6 =840mm2 腹板面积： A2=(1I 50) 2 = (880 50)x6 =4980mm2 2 Asa =6A1 A2 =6 840 4980 = 10020mm II 880 x=- 10 15 & l3=10 15 6 200= 209mm 2 2 3 6 ZI =x+=209+=212mm 2 2 Z2 =Z1 +l3 =

30、 212 +200 =412mm 形心： 6A1(b2 + &)/2 6 X840 X(140+6)2 1 2_ = = 36.7mm Asa 10020 b2 + & 140 +6 yc = yc = 36.7 =36.3mm 2 2 b2&2 22 a2(l1 20)3 I y =23 x+AI (ZI +Z2 )+ - L y 12 12 140 X62 / 2 2 6 x(880 20 )3 =2 X3 X - +840 X(2122 +4122 )+k - L 12 12 = 498367180 mm4 ,3 b2 & I z =6 - +Axyc 1

31、2 ，3(II 20)人 + - + A2yc 八 1403 X6 c” =6 X - +840 12 63(880 20) X209 X36.3 + - +4980 X36.7 12 = 46667214 mm4 腹板与筋板组合截面断面系数: 取 KO =1.2 K0 卜 L =1.2 147 =176.4MPa 根据2中式7-32进行校核 bsa =7.531MPa Kosa =176.4MPa (rsat =24.807 MPa 314 取载荷系数 K=1.2 , obt = 147MPa，则 心筋=1.2 X147 =176.4MPa 由丁 阳 心%,所以强度符合要求。 5.7.3由地震引