锅炉及压力容器,课程设计正文

1、夹套罐设计沈阳航空工业学院 课程设计用纸锅炉压力容器安全课程设计5405102冯阳目 录1 绪论22夹套容器设计参数选择32.1设计概述32.2设计压力32.3设计温度32.4焊缝系数42.5材料的选用及许用应力42.6厚度附加量43容器的几何参数确定53.1封头参数53.2罐体高度及体积53.3夹套高度53.4传热面积64法兰、接管的选取74.1搅拌器口法兰及接管74.2安全阀口法兰及接管74.3温度计口法兰及接管84.4压力表口的接管84.5水蒸气的入口法兰及接管84.6冷凝水出口法兰及接管84.7出料口及进料口法兰及接管84.8窥视口尺寸95罐体及夹套强度设计105.1罐体受内外压强度设

2、计105.2夹套受内压强度设计116罐体与夹套连接处的剪切应力校核136.1罐体质量计算136.2罐体内介质质量计算136.3罐体上法兰及其它附属件质量计算136.4总负荷计算136.5焊缝连接处环形面积计算136.6焊缝连接处剪切应力强度校核137开孔补强设计147.1开孔补强计算147.2补强面积计算148水压试验压力确定188.1罐体水压试验压力计算188.2罐体筒体水压试验压力下强度校核188.3罐体封头水压试验压力下强度校核188.4夹套水压试验压力计算198.5夹套筒体水压试验压力下强度校核198.6夹套封头水压试验压力下强度校核198.7罐体在水压试验外压力下稳定性校核199支座

3、的选取20参考文献21第III页摘 要本次课程设计主要是依据化工容器及设备简明设计手册规范对压力容器夹套罐完成材料选择并进行设计。首先，了解了夹套罐的结构和使用条件，确定了其设计压力及温度；其次，根据以上条件对夹套及罐体的壁厚进行了计算，选取了视镜，安全阀，搅拌口法兰以及其他附件和法兰；第三，对罐体与夹套连接处的剪切应力进行了校核；第四，对容器的水压试验以及开孔补强情况进行了校核；最后，绘制了总装配图和法兰图。 关键词：夹套罐；安全阀；法兰；水压试验；开孔补强1 绪论压力容器作为一种特殊设备，要由国家设置专门机构进行安全监督，最主要的原因还是他的事故率要比一般机械设备高，而且事故的危害又特别严

4、重。为了避免锅炉压力容器事故发生，我们应做到用法规指导锅炉压力容器的设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造等环节；实行官方或第三方监督，并进一步推进和完善我国锅炉压力容器的检验工作。目前夹套容器可以分为以下几类：圆筒夹套，半管夹套，型钢夹套，圆管夹套。夹套容器按夹套包容容器的程度也可以分为:全夹套容器即容器筒体和上下封头全部带有夹套;局部夹套容器即容器筒体上下封头局部带有夹套。随着现代工业的发展，夹套容器越来越多的应用于轻工、化工及食品加工行业。夹套容器是将作为一个完整压力室的夹套连接在容器筒体、封头外部形成的多腔压力容器。使用夹套容器的目的是加热或冷却容器及其内部介质，也可以作为容器的密封

5、绝热室。夹套的作用是与筒体的外壁构成一个密封的空间，供通入载热体，是筒壁起传热的作用。它在石油、天然气等方面也得到了广泛的应用，如天然气净化硫磺回收中的液流罐、冷凝冷却，造纸厂的液氯气化器等都是带有各种夹套型式的夹套容器。这次课程设计的夹套容器为圆筒局部夹套。整个容器由罐体和夹套两部分构成，罐体上装有搅拌口法兰、压力表口、温度计口、窥视口、进料口及出料口。夹套上装有水蒸气入口和冷凝水出口。2夹套容器设计参数选择2.1设计概述压力容器泛指承受介质压力的密闭容器。本次课程设计中的压力容器是高效酒精回收装置中的夹套罐。夹套罐由内外两个容器套在一起构成，内置容器是由竖直圆筒和上下两个椭球封头组成的罐体

6、；在罐体的外面有一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采用圆弧过渡结构与罐体连接。在罐体和夹套之间形成一个50mm左右的间隔。罐体盛装酒精溶液，罐体上部安装有搅拌装置，使酒精溶液在加热过程中得到均匀搅拌。在内置容器上设置有进料口、出料口、搅拌器口、压力表口、安全阀口、观察口等工艺接口。在夹套上设置两个蒸汽入口，夹套的下部设有一个冷凝水出口。蒸汽进入夹套后，对罐体内的酒精溶液进行加热，蒸汽冷凝成氺后从冷凝水出口流出。设计参数主要包括设计压力，设计温度，焊缝系数，材料的选用及许用压力，同时还包括厚度附加量的确定。其主要工艺参数如表1所示。表1.1 主要工艺参数位置项目参数

7、罐 内夹 套 内介质酒精水溶液水蒸汽操作压力(Mpa)1.01.1操作温度()100饱和蒸汽温度公称直径（mm）12001300容 积(m3 )3.260.47传热面积(m2 )9.47使用年限152.2设计压力由于在本次设计的容器上装有安全阀，通常设计压力为操作压力的1.051.10倍，在本次设计中采用1.10倍的操作压力，即罐内的设计压力为1.1 Mpa，夹套内的设计压力为1.21 Mpa。2.3设计温度设计温度是指容器在正常工作中，在相应设计压力下，金属可能达到的最高或最低温度。根据设计要求，在压力为1.2Mpa条件下，饱和水蒸气的温度为187.1 在化工容器及设备简明设计手册中第53页

8、，饱和水蒸气表（续表）中查得。，将其圆整到温度标准系列中，因此，设计温度为200。2.4焊缝系数根据工艺要求，容器采用双面焊或相当于双面焊的全熔透对接焊，并采用100%全部无损检测，钢材料，所以，焊缝系数为1.0 在化工容器及设备简明设计手册中第261页,11-8 焊缝接头系数中查得。2.5材料的选用及许用应力容器的材料选用碳素钢Q235-B，其在200，厚度3-16mm的条件下，许用应力为105MPa 在化工容器及设备简明设计手册中第252页，常用钢板许用应力中查得。弹性模量为186*103Mpa。在常温状态下，其许用应力为113MPa。屈服点s=235Mpa。2.6厚度附加量厚度附加量，主

9、要包括两部分：C1钢板负偏差；C2腐蚀裕度，C1的选择主要与材料的厚度有关。C2要求厚度大于等于1mm，在本次设计中选用值为1mm。表1.2 厚度负偏差钢板厚度/2.02.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5负偏差/0.180.190.20.220.250.30.5钢板厚度/6782526303234364042505260负 偏差/0.60.80.91.01.11.21.33容器的几何参数确定夹套容器的几何参数的确定主要包括罐体封头各参数，罐体高度及体积，夹套高度以及传热面积的计算。3.1封头参数罐体封头为标准椭球形封头，其曲面高度h1为内直径的四分之一。h1=Di/4=

10、1200/4=300mm,直边高度h2为40mm。表1.3 罐体封头参数公称直径/ mm曲面高度/ mm直边高度/ mm内表面积/ m2容积/ m3罐体封头1200300401.710.272夹套封头1300325401.990.3413.2罐体高度及体积罐体高度包括圆筒体高度和封头高度，由经验可知圆筒体高度一般为内直径的2倍，即：H1=2*Di (3.1)式中 H1-圆筒体高度，mm；Di-罐体直径，mm。罐体的总高度为H=H1+2*h1 (3.2)式中 h1-椭球封头曲面高度。根据公式（3.1）得，H1=2*Di=2*1200=2400 mm=2.4 m。所以由公式（3.2）得，罐体高度H

11、= H1+2*h1=2.4+2*0.3=3m查相应手册得出圆筒体部分一米高的体积为1.131 m3 在化工容器及设备简明设计手册中第312页，圆筒体的容积、面积及质量表中查得。,封头的体积为0. 272m3 在化工容器及设备简明设计手册中第315页，椭圆形封头标准表中查得。罐体总体积等于两个封头的体积于圆筒体的体积之和，即为3.26m3。3.3夹套高度通常，夹套的焊缝高度比液面高度低10mm左右，酒精的填充系数为0.8，可求得酒精的最大体积为2.61m3，则酒精的在圆柱体内的液面高度为2.07m，所以，夹套的圆柱部分高度为2.06m。查相关手册可得夹套封头一米高质量为159kg，夹套通体一米高

12、质量为323 kg。3.4传热面积传热面积是指夹套内的罐体表面积，可知，一米高直径为1200mm的圆柱体表面积为7.77m2 在化工容器及设备简明设计手册中第312页，圆筒体的容积、面积及质量表中查得。，封头的表面积为1.71m2，罐体的传热面积为封头的传热面积与筒体的传热面积之和。即：S=S封头+S圆筒=1.71+2.06*1.2=9.472089.47m2。4法兰、接管的选取法兰是在罐体上起密封作用的，是罐体的的重要而必不可少的附件，因此，在对罐体进行设计时必须对法兰以及接管进行选择。罐体上需要确定法兰及接管的设备主要有搅拌器口，压力表口，温度计口，出料口，进料口，水蒸气的入口及冷凝水出口

13、。4.1搅拌器口法兰及接管搅拌器为直叶桨式，其桨叶直径一般为罐体直径的0.250.7倍 在化工容器及设备简明设计手册中第1006页，搅拌器形式、系列及主要参数表中查得。2 在JB/T811994凸面板式平焊钢制管法兰中PN1.0Mpa凸面板式平焊钢制管法兰尺寸表中查得。，本次设计选择桨叶直径为0.25倍的罐体直径，根据标准选取搅拌器直径DJ系列为320mm。因此，根据JB/T811994，选取公称压力为1.6MPa下的法兰3 在化工容器及设备简明设计手册中第125页，无缝钢管理论质量表中查得。，其具体尺寸为公称通径DN=350 mm，管子外径A=377mm，法兰外径D=520 mm，法兰内径B

14、=381mm，法兰理论重量为24.7kg，管子的长度为100mm，壁厚为9mm，质量为8.17kg4 从书锅炉压力容器安全第161页查得。 。4.2安全阀口法兰及接管安全阀是用在受压设备、容器或管路上，作为超压保护的装置。安全阀按照驱动模式分为弹簧直接作用式安全阀和先导式安全阀，按照开启高度可分为全启示和微启式安全阀。查相关参考书可知该容器的蒸汽排量为4.18t/h。A=G/0.235*（10.2*p+1）K （4.1）式中 A-安全阀的流通面积，A=,mm2；G-安全阀排量，kg/h；p-安全阀入口蒸汽压力，MPa；K-安全阀入口处蒸汽比容系数，查表的K=1；根据公式（4.1）可求得安全阀的

15、流通面积为：A =G/0.235*（10.2*p+1）K=4.18*103/0.235*（10.2*1.0+1）=1588mm2可知安全阀的流通直径d=47.97mm。因此，安全阀法兰的尺寸为公称通径DN=50，公称压力1.6MPa。安全阀口法兰及接管采用法兰公称通径DN=50，公称压力1.6MPa,接管外径为57mm，接管长度100mm, 接管壁厚3.5mm，质量0.462kg,法兰外径165mm，质量2.77kg。安全阀采用A42Y-16C型安全阀 参考安全阀选型手册上海标柏阀门有限公司。,质量为20kg。4.3温度计口法兰及接管在罐体上应设有温度计以便观察罐体内液体的温度，又因为温度计较

16、小，故选用法兰系列中的最小值。即：温度计口选用的法兰及接管为：法兰2 在JB/T811994凸面板式平焊钢制管法兰中PN1.6Mpa凸面板式平焊钢制管法兰尺寸表中查得。公称通径DN=10mm，管子外径A=14mm，法兰内径B=15mm，法兰理论重量为0.61kg，管子的长度为100mm，壁厚为3mm，质量为0.082kg。4.4压力表口的接管压力表是保证锅炉安全运行的重要仪表之一，它必须正确可靠地反映所测部位压力的大小，工业锅炉上一般多采用弹簧管式压力表。压力表口焊有一带螺纹的接管。螺纹为M20*1.5。管子外径A=25mm，管子的长度为100mm，壁厚为3mm，质量为0.163kg。4.5水

17、蒸气的入口法兰及接管根据相关标准，水蒸气的入口法兰及接管为：法兰 在JB/T811994凸面板式平焊钢制管法兰中PN1.6Mpa凸面板式平焊钢制管法兰尺寸表中查得。4 在化工容器及设备简明设计手册中第125页，无缝钢管理论质量表中查得。公称通径DN=200mm，法兰内径B=222mm，法兰理论重量为9.69kg。管子外径A=219mm，管子的长度为100mm，壁厚为6mm，质量为3.15.kg。4.6冷凝水出口法兰及接管根据相关标准，冷凝水出口法兰及接管为：法兰公称通径DN=125mm，法兰内径B=135mm，法兰理论重量为5.65kg，管子外径A=133mm，管子的长度为100mm，壁厚为4

18、mm，质量为1.27kg。4.7出料口及进料口法兰及接管出料口及进料口选用的法兰及接管为：法兰公称通径DN=125mm，法兰内径B=135mm，法兰理论重量为5.4kg，管子外径A=133mm，管子的长度为100mm，壁厚为4.5mm，管子质量为1.462kg。4.8窥视口尺寸窥视口处无接管及法兰。窥视口的外径为225mm。视镜的型号为视镜PN1.0DN125HGJ501-86-1，视镜的外径D=225mm，质量为14.7kg。 各法兰、接管尺寸及质量汇总见表4.1。表1.4 各法兰、接管尺寸及质量汇总表符号法兰公称直径mm 用途管子外径mm管子壁厚mm管子长度mm管子总质量kg法兰内径mm法

19、兰理论重量kga Dn350搅拌器连接口37791008.1738124.7b Dn50安全阀口573.51000.462592.77c Dn10温度表口140.51000.082150.61d M20*1.5 螺纹压力表口253.51000.163260.94e Dn50安全阀口573.51000.462592.77f Dn200蒸汽入口21961003.15 2229.69g Dn200蒸汽入口21961003.15222 9.69h Dn125窥镜口 i Dn125进料口13341001.271355.65j Dn125冷凝水出口13341001.271355.65k Dn125出料口1

20、3341001.271355.655罐体及夹套强度设计罐体及夹套强度设计主要是在罐体受内外压、夹套受内压的情况下对罐体的壁厚进行设计。5.1罐体受内外压强度设计5.1.1罐体受内压（1）罐体筒体部分受内压罐体筒体部分内压计算的公式为S= （5.1）式中 S-计算壁厚，mm；Pc-计算压力，MPa；Di-容器内径，mm；t-设计温度下材料的许用应力，MPa；-焊缝系数； Sd=S+C2 （5.2）Sn=Sd+ C1 （5.3） Se=SnC （5.4）式中 Sd-设计壁厚，mm； Sn-名义壁厚，mm； Se-有效壁厚，mm；C-壁厚附加量，mm；C=C2+C1； C1-钢板负偏差，mm； C2

21、-腐蚀裕量，mm；由公式（5.1）得，筒体部分受内压时的计算壁厚为： S=6.32mm由公式（5.2），（5.3），（5.4）得，罐体筒体的名义壁厚为8mm。（2）罐体封头部分受内压罐体椭球封头部分内压计算的公式为S= （5.5）式中 S-计算壁厚，mm；Pc-计算压力，MPa；Di-容器内径，mm；t-设计温度下材料的许用应力，MPa；-焊缝系数；K=1；由公式（5.5）得，封头部分受内压时的计算壁厚为：S=6.30mm又由公式（5.2），（5.3），（5.4）得，罐体椭球封头的名义壁厚为8mm。5.1.2罐体受外压（1）罐体筒体部分受外压罐体筒体部分受外压时的计算公式为 p= （5.6）

22、D0=Di+2*Sn （5.7） L=H1+2/3h1 （5.8）式中 D0-容器外径，mm； Di-容器内径，mm； L-计算长度，mm；假设筒体名义厚度为Sn=14mm。查得 在化工容器及设备简明设计手册中第250页，壁厚附加量表中查得。C1=0.8，由公式（5.7）得D0=1200+2*14=1228mm，由公式（5.4）得，Se=12.2mm。由公式（5.8）得L=2*1200+2/3*300=2600mm。求得L/D0=2.11，D0/Se=104.06，查得 在化工容器及设备简明设计手册中第353页，外压圆筒设计用算图与表中查得。A=0.00063，B=81。由公式（5.6）得p=

23、0.81MPa，其许用外压力小于设计压力0.99MPa，故不符合要求需重新进行计算。同理，筒体名义厚度为Sn=16mm。求得p=1.03MPa，其许用外压力大于设计压力0.99MPa，故符合要求。所以，罐体筒体部分受外压时的名义厚度为Sn=16mm。（2）罐体封头部分受外压罐体封头部分外压计算的过程为 p= (5.9) R0=k1* D0 (5.10) (5.11)假设封头名义厚度为Sn=13mm。查得C1=0.8。由公式（5.4）得，Se=11.2mm。由公式(5.10)得R0=k1*D0=1228*0.9=1103.6mm。求得R0/Se=1103.6/11.2=95.52。由公式(5.1

24、1)得 在化工容器及设备简明设计手册中第353页，外压圆筒设计用算图与表中查得。A=0.0013，查得B=101。由公式(5.9)得p=1.03MPa。其许用外压力大于设计压力0.99MPa，故符合要求。所以，封头名义厚度为Sn=13mm。从以上各计算结果可知，当封头名义厚度为13mm时较为合适，但是由于筒体厚度为16mm，考虑到实际加工时的问题，与通体厚度保持一致，而且由于在内压作用下所设计的筒体及封头的厚度小于受外压时的厚度，为了同体能够有较好的强度，保证安全、可靠运行，故选封头、筒体厚度均为16mm。5.2夹套受内压强度设计由于夹套只承受内压，所以只需对夹套受内压时进行强度设计既可。5.

25、2.1夹套筒体受内压由公式（5.1）得，夹套筒体部分受内压时的计算壁厚为： S=7.5mm由公式（5.2），（5.3），（5.4）得，罐体筒体的名义壁厚为10mm。5.2.2夹套封头部分受内压由公式（5.5）得，封头部分受内压时的计算壁厚为：S=7.4mm又由公式（5.2），（5.3），（5.4）得，罐体椭球封头的名义壁厚为10mm。综上，夹套的筒体和封头名义厚度均选为10 mm。6罐体与夹套连接处的剪切应力校核6.1罐体质量计算质量包括罐体质量，罐体内介质质量以及附件和法兰质量。罐体质量由筒体和封头质量构成。查得 在化工容器及设备简明设计手册中第313页，圆筒体的容积、面积及质量表中查得。筒

26、体一米高筒节钢板质量为479kg，所以，筒体质量M=479*2.4=1149.6kg,封头 在化工容器及设备简明设计手册中第317页，以内径为公称直径的碳素钢、普通低合金钢、复合钢板制椭圆形封头的质量表中查得。质量为222 kg。6.2罐体内介质质量计算介质质量以与罐体体积相同的水的质量来计算，结果为M=V总*水=3.2584*1.0*103=3258.4kg。6.3罐体上法兰及其它附属件质量计算其他附件及法兰质量见第四章各节。6.4总负荷计算整个质量之和M总=4852kg。总负荷为G总=M总*g=4852*9.8=47549.6N。6.5焊缝连接处环形面积计算由相关标准知，焊缝的高度等于1.

27、5倍的名义厚度，即：焊缝的高度为15mm。焊缝连接处环形面积S环=*D*15=3.14*1200*15=56520mm2。6.6焊缝连接处剪切应力强度校核焊缝连接处剪切应力=0.84MPa。因为，=0.8*=0.8*105=84MPa，。所以，焊缝连接处剪切应力强度符合要求。7开孔补强设计7.1开孔补强计算7.1.1筒体不需开孔补强计算的最大直径的计算公式 从书锅炉压力容器安全第161页查得为 （7.1） （7.2）式中 d-不需开孔补强计算的最大直径，mm；K-筒体壁厚富裕程度系数；由公式（7.2）得：=0.41由公式（7.1）得：=174.5mm。所以，不需开孔补强计算的最大直径为174.

28、5mm。7.1.2夹套根据公式（7.2）得，夹套上的筒体壁厚富裕程度系数为：=0.83根据公式（7.1）得，夹套上不需开孔补强计算的最大直径d为：=98.96mm。7.2补强面积计算开孔补强计算采用的是等面积补强法。 （7.3）式中 A-因开孔而削弱的金属面积，mm2； d接管直径，mm； -壳体计算厚度，mm；t-接管计算厚度，mm；fr-强度削弱系数，fr=1。t = （7.4） （7.5）式中 h1-接管有效高度，mm；-接管实际壁厚B=max2d,d+2n+2nt （7.6）式中 n-壳体名义厚度，mm； （7.7）式中 A1-壳体上超过计算厚度的多余金属面积，mm2。 （7.8）式中

29、 A2-接管上超过计算厚度的多余金属面积，mm2。7.2.1搅拌口补强计算根据公式（5.5）壳体计算厚度为：=S=6.30mm接管直径d=d+2C2 其中： d- 开孔内直径，即为法兰内径；C2=1；根据表4.1得，d=381mm。所以：d=381+2*1=383mm。 根据公式（7.3）得：因开孔而削弱的金属面积为：=383*6.3=2413.75mm。根据公式（7.4）得：t =2.02mm。 根据公式（7.6）得：B=max2d,d+2n+2nt =766mm。根据公式（7.7）得壳体上超过计算厚度的多余金属面积为：= =3025.7mm。 开孔补强的条件为： A>A1+A2+A3

30、 （7.9）式中 A3-补强区内焊缝金属的截面积，mm2；根据公式（7.8）可得接管上超过计算厚度的多余金属面积，但由于已经远大于A，不做计算。由公式3.8可知搅拌器口不需要开孔补强。7.2.2窥视镜补强计算根据公式（5.1）壳体计算厚度为：=S=6.32mm其中： d- 开孔内直径，即为法兰内径；C2=1；接管直径d=d+2C2 。根据4.8得，d=225mm。所以：d=225+2*1=227mm。 根据公式（7.3）得：因开孔而削弱的金属面积为：=227*6.32=1434.64mm。因窥镜口无接管，所以不存在A2。根据公式（7.6）得：B=max2d,d+2n+2nt =454mm。根据

31、公式（7.7）得壳体上超过计算厚度的多余金属面积为：= =2035.05mm。 开孔补强的条件为： A>A1+A2+A3 （7.9）式中 A3-补强区内焊缝金属的截面积，mm2；根据公式（7.8）可得接管上超过计算厚度的多余金属面积，但由于已经远大于A，不做计算。由公式3.8可知窥视镜口不需要开孔补强。7.2.3蒸汽入口补强计算计算过程如上，壳体计算厚度为：=S=7.53mm根据表4.1得，d=222mm。所以：d=222+2*1=224mm。因开孔而削弱的金属面积=224*7.53=1687.51mm。根据公式（7.7）得壳体上超过计算厚度的多余金属面积为：= =194.88mm2。根

32、据公式（7.4）得：t =1.29mm。根据公式（7.5）及表4.1知=6mm得，接管有效高度为：=36.67mm。根据公式（7.8）得：=228.09mm2。补强区内焊缝金属的截面积A3=100mm2。由公式（7.9）得，蒸汽入口需要进行开口补强。补强金属面积为A4=A-A1-A2-A3=1687.51-194.88-228.09-100=1164.5mm2。在需补强处安装补强圈加以补强，补强圈的外径为： （7.10）式中 D-补强圈的外径,mm；Di-开孔直径，mm；A4-补强金属面积2mm2；S-补强圈厚度，mm。一般与壳体壁厚一致；Di-开孔直径，mm； nt-接管壁厚，mm。根据公式（7.10）得：=350.458水压试验压力确定水压试验是在给水或排水工程完工前必不可少的一道程序，它是指给管道中用加压泵施加以设计压力的水压，再检查有无泄漏等，以确保施工质量。8.1罐体水压试验压力计算罐体水压试验的压力计算公式为 （8.1）式中 PT-水压试验的压力，MPa；-试验压力系数，=1.25； -试验温度下的材料许用应力，MPa。由公式（7.11）得水压试验的压力为：MPa8.2罐体筒体水压试验压力下强度校核罐体筒体水压试验应力校核公式为 （8.2） 式中 S-计算壁厚，mm；Pc-计算压力，MPa；-焊缝系数；K=1；t-设计