压力容器课程设计

39-/NUMPAGES46夹套罐设计讲明书学院：山西大同大学工学院专业：材料成型及操纵工程（焊接）班级：10材料一班姓名：王垠雨指导教师：魏雷

目录1设计讲明 -1-1.1设备用途 -1-1.2工作原理 -1-1.3要紧管口用途 -1-2设计参数的选取 -2-2.1设计压力 -2-2.2设计温度 -2-2.3材料的选择及许用应力确定 -2-2.4焊缝系数 -3-2.5附加厚度 -3-3几何参数的确定 -3-3.1描述设备的总体结构 -3-3.2确定各封头参数 -4-3.3罐体高度及设备容积 -4-3.4夹套高度及传热面积的计算 -5-3.5搅拌口法兰尺寸的确定 -6-3.6窥镜规格的确定 -6-3.7其他法兰接口尺寸的确定 -7-3.7.1蒸汽入口和疏水出口尺寸的确定 -7-3.7.2进料口、出料口尺寸确定 -8-3.7.3温度表、压力表尺寸确定 -8-3.7.4安全阀尺寸确定 -9-4罐体强度设计 -10-4.1罐体筒体内压强度设计 -10-4.2罐体封头内压强度设计 -11-4.3罐体筒体外压稳定性设计 -12-4.4罐体封头外压稳定性设计 -12-5夹套强度设计 -13-5.1夹套筒体内压强度设计 -13-5.2夹套封头内压强度设计 -14-6罐体与夹套连接处的剪切强度设计 -14-6.1罐体质量计算 -14-6.2罐体内介质质量计算 -14-6.3罐体上法兰及其他附属件质量计算 -15-6.4总负荷计算 -15-6.5焊缝连接处环形面积计算 -15-6.6焊缝连接处剪切应力强度校核 -15-6.7纵焊缝校核 -16-6.8环焊缝校核 -16-7开孔补强计算 -16-7.1搅拌器连接口补强面积计算 -16-7.2蒸汽入口补强计算 -17-8水压实验压力确定 -17-8.1罐体水压实验校核 -17-8.1.1罐体筒体水压实验压力确定 -17-8.1.2罐体封头在水压实验压力下的强度校核 -18-8.1.3罐体筒体在水压实验压力下的稳定性校核 -18-8.1.4罐体封头在水压实验压力下的稳定性校核 -19-8.2夹套水压实验校核 -19-8.2.1夹套水压实验压力确定 -19-8.2.2夹套封头在水压实验压力下的强度校核 -20-9支座的选取 -20-9.1容器总质量的计算 -20-9.2支座选取 -21-总结 -22-焊接工艺卡1 -23-焊接工艺卡2 -24-参考文献 -25-

1设计讲明1.1设备用途压力容器泛指承受介质压力的密闭容器。本次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。在罐体的不处有一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采纳圆弧过渡结构与罐体连接。在罐体和夹套之间形成一个约50mm左右的间隔。1.2工作原理罐体盛装酒精溶液，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、观看口等工艺接口。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，蒸汽冷凝成水后从冷凝水出口流出。1.3要紧管口用途压力容器设备上共开有11个孔，连接有不同的接管。各管口的名称如表1.1所示：表1.1设备管口表符号公称尺寸用途aDN搅拌器连接口bDN安全阀口cDN温度表口dDN压力表口eDN安全阀口fDN蒸汽入口gDN蒸气入口hDN窥镜口iDN进料口jDN冷凝水出口kDN出料口2设计参数的选取2.1设计压力设计压力(P)：设定的容器顶部同意达到的最高表压力，它与相应的设计温度一起作为容器的设计载荷条件，其值不得低于工作压力(P≥Pw)。设计压力P的选取：当容器上装有安全阀时，P≧，即取等于或略高于安全阀的开启压力。而取≧(1.05~1.10Pw)亦成立。设计压力P=那个地点K取1.10，罐内工作压力0.8MPa，夹套工作压力1.0MPa罐内设计压力P=1.10×0.8=0.88MPa夹套的设计压力P=1.10×1.0=1.10MPa2.2设计温度设计温度：容器在正常工作中，在相应设计压力下，壳壁或元件金属可能达到的最高或最低温度(指温度≦0℃)。罐内的工作温度为100℃，夹套内的操作温度为饱和蒸汽温度。查饱和水蒸气表可知：，则。夹套的设计压力P=1.1×10.19716=11.21688查表得约为183.2℃。圆整后得=200℃。罐内的设计温度取100℃，夹套内的设计温度取200℃。2.3材料的选择及许用应力确定此夹套罐的材料选择0Cr18Ni9，选取该号钢材的厚度在4.5～16mm之间。依据钢板标准GB4238，得，，此号钢板在100℃时，，在200℃时许用应力为。2.4焊缝系数焊缝系数表示由于焊接或焊缝中可能存在的缺陷对结构原有强度的削弱的程度。在本次设计中压力容器为钢制容器，且所有的焊缝均采纳双面焊或相当于双面焊全熔透的对接焊缝，和100%全部无损检测，由《化工容器及设备简明设计手册》，查表可得焊缝系数=1.0。2.5附加厚度附加厚度C=钢板负偏差C1+腐蚀余度C2，罐内公称直径500mm，夹套公称直径为600mm。罐体的圆筒壳1.95mm，查表得负偏差为0.18mm夹套圆筒壳3.15mm，查表得负偏差为0.25mm,腐蚀裕度取。因此此次设计中的罐体和夹套的厚度附加量均采纳0.25+1=1.25mm3几何参数的确定3.1描述设备的总体结构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；在罐体的不处有一个比罐体稍大的夹套容器，夹套下部是一个椭球封头，上部在适当高度采纳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。如图3.1所示：图3.1设备结构简图3.2确定各封头参数罐体封头和夹套封头均采纳标准椭圆形封头。罐体的公称直径为500mm，夹套的公称直径600mm。依据标准封头的标准JB/T4737-95和《化工容器及设备简明设计手册》，可选取封头各参数，如表3.1所示：表3.1罐体封头参数公称直径mm曲面高度mm直边高度mm内表面积容积罐体封头500125400.3330.0242夹套封头600150400.4640.03963.3罐体高度及设备容积罐体总高度包括筒体高度和封头高度，圆筒体高度按罐体直径的2~3倍确定。那个地点取罐体直径的2倍。圆筒体的高度式中--圆筒体高度；Di--罐体直径罐体的总高度H=式中--椭球封头曲面高度--椭球封头的直边高度因此圆筒体高度=2×500=1000mm罐体总高度H=1000+2×（125+40）=1330mm筒体的容积==3.14××1=0.1963筒体封头的体积=0.0242。罐的总体积V==0.1963+2×0.0242=0.2447每部分高度如图3.2所示：h1h1h2H图3.2罐高示意图3.4夹套高度及传热面积的计算依照酒精溶液的高度来确定夹套的高度，罐体酒精填充系数按0.8计算。实际夹套的焊缝高度比酒精液面高度低10~20mm，那个地点取10mm。罐体内酒精溶液的高度==873.74mm，由于在罐体和夹套之间形成一个50mm左右的间隔。因此计算夹套的高度是要加上那个间隔的宽度。夹套高度=酒精溶液高度-10+间隔的宽度=873-10+50=913mm传热面积按罐体内表面积计算=式中:--筒体表面积--封头表面积==3.14×0.5×1=1.571，=0.333S=1.571+2×0.333=2.2373.5搅拌口法兰尺寸的确定依据《化工容器及设备简明设计手册》对搅拌器进行选型。DJ=0.25DN=0.25×500=125mm，由此可选桨式直叶型搅拌器，搅拌器的直径为125mm，b=（0.1～0.25）DJ，h=（0.2～1）DJ，z=2，其中b为搅拌器的宽度，h为搅拌器离底的高度，z为桨叶数。那个地点取b=0.1DJ=0.1×500=50mmh=0.2DJ=0.2×500=100mm依据HG20593-1997，容器的设计压力为0.88MPa，选PN=1.0MPa，公称直径为125mm，因此法兰可选全平面型板式平焊钢管法兰。查表的PN=1.0MPa，Dn=125mm，法兰的数据如表3.2所示，具体标注如图3.3所示：表3.2PN=1.0MPa板式平焊钢管法兰尺寸公称通径DNmm管子外径Amm连接尺寸法兰厚度Cmm法兰内径Bmm法兰理论重量（kg）法兰外径Dmm螺栓孔中圆直径K螺栓孔直径Lmm螺旋孔数量n螺纹Th125133250210188M16221355.65图3.3板式平焊钢制管法兰由于接管外径等于133mm，壁厚为4mm，假设接管长度为100mm，因此接管质量为1.272Kg。3.6窥镜规格的确定依据HGJ502—86的标准，公称直径为125mm公称压力为1.0MPa，且介质浓度小于200℃时可采纳一般压力容器视镜，视镜的规格如表3.3所示，各参数的示意图如图3.4所示：表3.3视孔尺寸公称直径mm公称压力MPaDmmmmmmmm≈Hmm螺栓质量(kg)标准号数量直径碳素钢Ⅰ1251.022519040281058M1614.7HGJ502—86—9图3.4一般压力容器视镜3.7其他法兰接口尺寸的确定3.7.1蒸汽入口和疏水出口尺寸的确定由于蒸汽入口的DN=40mm，疏水出口的DN=65mm，依据《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》可得蒸汽入口与疏水出口的尺寸如表3.4所示，由表可知蒸汽入口的外径为48.3mm，壁厚为3mm，假设接管长100mm，则其质量为0.355Kg，疏水口的外径为76.1mm，壁厚为3.5mm,假设接管长100mm，则其质量为0.626Kg。表3.3蒸汽入口、输水出口尺寸参数名称公称通径DNmm管子外径Amm连接尺寸法兰厚度C法兰内径B法兰外径Dmm螺栓孔中心圆直径Kmm螺栓孔直径Lmm螺旋孔数量n螺纹Th法兰理论重量（kg）蒸汽入口4048.3150110184M161849.52.12疏水出口6576.1185145184M162077.53.313.7.2进料口、出料口尺寸确定罐体的公称直径为500mm，因此选定进料口公称直径为80mm，出料口公称直径为80mm，公称压力为1.0MPa，依据《化工容器及设备简明设计手册》，确定进料口、出料口接管外径为89mm，壁厚为4mm，假设接管管长为100mm，则接管质量为0.838kg，再依据《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》，可得进料口出料口其他尺寸如表3.4所示：表3.4进料口出料口尺寸参数名称公称通径DN管子外径Amm连接尺寸法兰厚度C法兰内径B法兰外径Dmm螺栓孔中心圆直径Kmm螺栓孔直径Lmm螺旋孔数量n螺纹Th法兰理论重量（kg）进料口8089190150184M1618912.94出料口8089190150184M1618912.943.7.3温度表、压力表尺寸确定依据《化工容器及设备简明设计手册》和《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》，取温度表的公称直径32mm，公称压力为1.0MPa，具体参数见表3.5所示，由于压力表采纳M20X1.5外螺纹。压力表的具体参数如表3.6所示，由于温度表的外径为38mm，壁厚为3，假设接管长100mm，质量为0.25表3.5温度表参数公称通径DN管子外径A连接尺寸法兰厚度C法兰内径B法兰理论重量（kg）法兰外径D螺栓孔中圆直径K螺栓孔直径L螺旋孔数量n螺纹Th323812090144M1216391.19表3.6压力表参数型号DBd接头螺纹）LHY-100B90M20x1.52044183.7.4安全阀尺寸确定选择安全阀时考虑当罐体失效时夹套罐中的饱和蒸汽泄漏到罐体中这种情况，并由此来计算安全阀的排放量G(Kg/h)。其中G=2L×式中L--罐蒸汽入口流量（）--饱和蒸汽密度（）查表的=7.864据，其中K=1。2132.78，=52mm依照以上数据选择A27H-16为微启式安全阀，数据见表3.7:表3.7安全阀参数公称通径尺寸d(mm)重量（Kg）806523.5依据《HG20593-1997板式平焊钢制管法兰》，取法兰公称通径DN=80mm，公称压力=1.0MPa，法兰参数见表3.8所示：表3.8安全阀法兰尺寸公称通径DN管子外径A连接尺寸法兰厚度C法兰内径B法兰理论重量（kg）法兰外径D螺栓孔中圆直径K螺栓孔直径L螺旋孔数量n螺纹Th8089200160188M1820913.94罐体强度设计不同性质的壳体连接将产生不同的边缘应力，但它们都有明显的衰减特征，即距离壳体连接处远时，边缘应力已衰减到能够忽略不计的程度，边缘应力具有局部性特征边缘效应是圆筒体与其相连元件在承载后变形不一致，互相制约而产生附加内力和应。罐体是由圆筒体和端部封头连接而成。在内压作用下，假如筒体与封头能够自由变形，因为它们应力状态不同，因此它们的变形量也是不同的。然而，由于筒体和封头是连接在一起的，它们的变形受到相互约束，最终变形达到某种协调的结果。壳体边缘效应的变形协调问题要紧是由边缘区域内的弯矩和剪力引起的。由内压在筒体上产生的载荷是轴对称的且沿筒体轴线是均匀分布的，边缘应力对应的载荷由于壳体的轴对称性，载荷仍然是轴对称的，但沿筒体轴线不再是均布的了。筒体在轴对称载荷作用下，筒体变形后的形状也是轴对称的，筒体变形后的母线发生挠曲变形。圆筒形的承压部件从内表面到外表面的温度分布是不均匀的，各层材料由于热膨胀不均匀相互牵制而产生热应力。4.1罐体筒体内压强度设计罐体筒体设计壁厚如下：计算壁厚式中—计算壁厚（mm）；—罐体设计压力（MPa）；—筒体内径（mm）；—设计温度下材料的许用应力（MPa）；—焊缝系数；已知设计压力Pc=0.88Mpa，筒体公称直径Di=500mm，焊缝系数=1.0，腐蚀余量=1.0mm，设计温度t=100℃，许用应力=113MPa。=1.95mm设计壁厚=+C2=1.95+1=2.95mm；名义壁厚=++圆整值=2.95+0.25=4mm；有效厚度=4-0.25-1=2.75mm应力校核80.44MPa<113MPa因此=4mm符合要求。4.2罐体封头内压强度设计罐体封头壁厚计算如下：计算壁厚：1.95设计壁厚=+=1.95+1=2.95mm；名义壁厚=++圆整值=2.95+0.25=4mm；有效厚度=4-0.25-1=2.75mm应力校核80.22MPa<113MPa因此=4mm符合要求。4.3罐体筒体外压稳定性设计假设筒体的名义厚度=4mm，钢板的负偏差=0.25mm，腐蚀裕度为1mm，筒体的有效厚度=2.75mm。筒体的外径Do=Di+2=500+2×4=508mmDo/=508/2.75=184>20L=+21110mmL/Do=1110÷508=2.18mm查表后得A为0.00012，由于A点落在设计温度下材料线的右方，因此选择公式来计算。查表得B为30。因此0.163MPa<0.88MPa重复以上步骤，重新假设。假设=10mm，Do=520mm，=8.75mm，Do/=59.23mm>20,L/Do=2.13查的A为0.011，A点落在设计温度下材料线的又方，因此选择公式：来计算。查表得B为120MPa。2.0。重复上述步骤。当=7mm时，且最接近，因此取=7mm，1.12MPa。4.4罐体封头外压稳定性设计假设名义厚度=7mm则=5.75mm,Do=514mm，=125+7=132mm，1.95，查表得系数=0.9，462.6mm，80.4,A=0.125/80.4=0.00155,查表的B为160MPa。>0.88MPa因此=7mm适合。5夹套强度设计5.1夹套筒体内压强度设计夹套筒体壁厚计算如下：计算厚度：式中--计算壁厚（mm）；P--罐体设计压力（MPa）；--筒体内径（mm）--设计温度下材料的许用应力（MPa）；--焊缝系数；已知设计压力P=1.10MPa，夹套直径Di=600mm，焊缝系数=1.0，腐蚀余量=1.0mm，设计温度t=200℃，许用应力=105MPa。==3.16mm，设计壁厚=+C2=3.16+1=4.16mm名义壁厚=++圆整值=4.16+0.25=5mm有效厚度=5-0.25-1=3．75mm应力校核88.55MPa<105MPa因此=5mm符合要求。5.2夹套封头内压强度设计夹套封头壁厚计算如下：计算壁厚：3.15mm设计壁厚=+=3.15+1=3.15mm；名义壁厚=++圆整值=3.15+0.25=4mm；有效厚度=4-0.25-1=2.75mm应力校核80.22MPa<113MPa因此=4mm符合要求。6罐体与夹套连接处的剪切强度设计6.1罐体质量计算罐体质量包括筒体和上下封头的质量。依据《化工容器及设备简明设计手册》，厚度为7mm的钢板，每平方米的理论质量为54.95Kg，因此圆筒体的质量为M=DH×54.95==86.31Kg，罐体封头的质量查表可得20.1KgM=+=86.31+20.1=106.31Kg6.2罐体内介质质量计算罐体内介质的质量按0.8充满来计算。前面差不多算过，筒体的体积为0.1963，酒精在20℃是纯度为99%的密度为794.25因此介质质量=794.25×0.8×0.1963=124.73Kg。6.3罐体上法兰及其他附属件质量计算罐体上的附属件及各附件的质量如表6.1所示：表6.1罐体上的附属件及各附件的质量法兰质量/kg接管质量/kg搅拌器连接口5.651.272温度表口1.190.259安全阀3.90.838进料口2.940.838出料口2.940.838窥镜14.7蒸汽口2.120.355冷凝口3.310.626总质量=41.776Kg6.4总负荷计算总体负荷即：G=(M+M+M)×9.8=2673.60N6.5焊缝连接处环形面积计算焊缝高度取夹套壁厚的两倍为8mm环形面积=罐体外表面周长×（夹套壁厚＋焊角高度）=3.14×（500+14）×（4+8）=0.019376.6焊缝连接处剪切应力强度校核焊缝连接处剪切应力：式中--实际剪切应力（MPa）；G--总体负荷（Kg）；S--接触面积（mm）；--设计温度下材料的许用应力（MPa）已知许用应力t=105Mpa，G=2673.60N，S=0.01937，能够计算出实际剪切应力=0.14MPa<0.8×105=84MPa，校核满足。6.7纵焊缝校核因为因此轴向应力MPa因此

安全。6.8环焊缝校核因为,因此环向应力0.8850/（20.4）=55113MPa因此

安全7开孔补强计算7.1搅拌器连接口补强面积计算筒体名义厚度=7mm，0Cr18Ni9钢板在100℃是许用应力=113MPa，筒体计算壁厚=1.95mm。因开孔而削弱的金属面积（A）接管直径d：=125+2×1=127mm（7.2）式中--搅拌器直径（125mm），罐体内经Di=500mm，设计压力为0.88MPa，工作温度为100℃，因壳体与接管采纳相同的材料故=1，其中接管壁厚=7mm。需要补强面积：补强面积：筒体的富裕金属截面积=254=127×[(7-1.25)-1.95]=482.6mm>247,65mm能够看出该孔不需要不强。7.2蒸汽入口补强计算因开孔而削弱的金属截面积计算过程如下：筒体计算壁厚=1.95mm，强度削弱系数，接管的计算壁厚设计为7mm。接管直径：式中--蒸汽入口直径，mm；削弱的金属面积A：。（2）筒体多余截面积A1：其中B同上节的取值方式一样，最终确定B值为2d=84mm。则A1=(84-42)×[(7-1.25)-1.95]=159.6mm>81.9mm故不需要补强。8水压实验压力确定8.1罐体水压实验校核8.1.1罐体筒体水压实验压力确定罐体筒体水压实验压力计算依照公式：式中--罐体水压实验压力（MPa）；--实验压力系数，查表得1.25；P--容器的操作压力（0.88MPa）--实验温度下材料的许用应力（MPa）室温下为113MPa；--设计温度下材料的许用应力（MPa）100℃时113MPa；故。8.1.2罐体封头在水压实验压力下的强度校核椭球封头在水压实验压力下强度校核如下：式中--设计温度下的计算应力（MPa）；--罐体水压实验压力（1.1MPa）--罐体公称直径（500mm）；--有效厚度（5.75mm）；--焊缝系数,本文中为1.0;--设计温度下材料的许用应力（113MPa);K=1因此强度校核满足。8.1.3罐体筒体在水压实验压力下的稳定性校核在4.3节已算筒体在外压作用下许用外压，筒体的水压试验压力，由此能够看出，因此罐体筒体在水压试验压力下通过校核。8.1.4罐体封头在水压实验压力下的稳定性校核在4.4节已算罐体封头在外压作用下许用外压，罐体封头的水压试验压力，由此能够看出，因此罐体封头在水压试验压力下通过校核。8.2夹套水压实验校核8.2.1夹套水压实验压力确定夹套水压实验压力计算依照公式：式中--罐体水压实验压力（MPa）；--实验压力系数，查表得1.25；P--容器的操作压力（1.1MPa）；—实验温度下材料的许用应力（MPa）室温下为113MPa；—设计温度下材料的许用应力（MPa）200℃时105MPa；故。8.2.2夹套筒体夹套筒体在水压实验压力下强度校核公式如下：Pt=1.48MPa，=600mm，=3.75mm，=1.0，设计温度t=200℃，查表得=105MPa因此夹套筒体在水压试验压力下强度不符合要求，现重新设定夹套筒体的名义厚度以达到强度要求。假设夹套筒体的名义厚度为6mm，则因此夹套筒体的名义厚度为6mm时，强度满足校核。8.2.2夹套封头在水压实验压力下的强度校核夹套封头在水压实验压力下的强度校核公式如下：式中--设计温度下的计算应力（MPa）；--罐体水压实验压力（MPa）；--罐体公称直径（mm）；--有效厚度（mm）；--焊缝系数；--设计温度下材料的许用应力（MPa）；--系数，1；Pt=1.48MPa，=600mm，=4.75mm，=1.0，设计温度t=200℃，查表得=105mpa。因此强度校核满足。9支座的选取9.1容器总质量的计算容器的总质量=罐体总质量+介质质量+夹套总质量=（106.31+41.776）+{124.73+1000×[（0.873-0.150-00.040）×50+0.0396]}+{+28+[（2.12+0.335）×2+2.94+0.838+2.94+0.838+3.31+0.626]}=759.78Kg9.2支座选取选用三脚支承式支座，则每脚受力为选用标准为JB/T4724-92A型支座。公称直径为800mm，支座本体载荷20kN的支座。表9-1选用支座具体参数支座本体同意载荷[Q]/KN适用容器公称直径DN高度h底板筋板垫板地脚螺栓支座质量kged规格2080035012090845150110819084024M202808.2

总结课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必许多的过程。”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天认确实进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，确实是为改日能稳健地在社会大潮中奔驰打下坚实的基础。同时感谢魏老师对我的精心指导及同学们的热心关心，让我顺利完成课程设计。

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