空气储罐设计.doc

设计规定
1、 设计题目：空气储罐的机械设计
2、最高工作压力：0.8
3、工作温度：常温
4、工作介质：空气
5、全容积：16
设计参数的选择：
设计压力 ：取1.1倍的最高压力，0.88MP<1.6属于低压容器。
筒体几何尺寸拟定：按长径比为3.6，拟定长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，重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，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沿应力的叠加，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。 封头材料与筒体相同，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3.4
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互换器列管、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。
由于接管规定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
3.5 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℃ <300℃ ，且介质无毒无害，可以选用带颈平焊法兰，即 SO 型法兰。
储罐的设计压力较小要保证法兰连接面的紧密性，必须合适地选择压紧面的形状。
对于压力不高的场合，常用突台形压紧面 。突面结构简朴，加工方便，装卸容易，且便于进行防腐衬里。储罐由于设计压力为 0.88MPa，空气无毒无害，可选择突面（RF）压紧面。
由于法兰钢件的质量较大，需要承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面的力学性能也较高，所以不用铸钢件，可以采用锻钢件。接管材料为 20 号钢，法兰材料选用 20Ⅱ锻钢。
3.6接管与法兰分派
3.6.6 N1、N2空气进、出口 公称尺寸 DN250，接管尺寸j 273 x6 。接管采用无缝钢管，材料为 20 号钢。伸出长度为 150mm 。
选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20Ⅱ，法兰标记为：SO300-2.5 RF3.6.2 N3排污口；
公称尺寸 DN40，接管采用 45 x3.5 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm。选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20Ⅱ，法兰标记为：SO40-1.6 RF
3.6.3 N4安全阀口 公称尺寸 DN80，接管采用 j89 x4 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm。根据 GB12459-99，选用 90°弯头；弯头上方仍有一定外伸量。
选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20Ⅱ，法兰标记为：SO80-1.6RF
3.6.4 N5压力表口 公称尺寸 DN25，接管采用j 32 x3.5 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm。 根据 GB12459-99，选用 90°弯头；弯头上方仍有一定外伸量。选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20Ⅱ，法兰标记为：SO25-1.6 RF
3.6.5 N6（备用口）公称尺寸 DN80，接管采用j 89 x4 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm。需进行补强计算。选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20Ⅱ，法兰标记为：SO80-1.6 RF
3.7弯头设计

N4 为安全阀口，安全阀在容器中起安全保护作用。当容器压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体/流体排入大气/管道外，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。由于冲出压力较大，阀口不可直接对人，因此需 90°安装，用弯头过渡。标记为：弯头 DN80 90°
N5 为压力表口。为方便读数，压力表需竖直安装于管口，因此接管要通过 90°弯头过渡至竖直面，再安装压力表。标记为：弯头 DN25 90°
3.8 人孔设计 在化工设备中，开设人孔是为了便于内部附件的安装，修理和衬里，防腐以及对设备内部进行检查、清洗。对于压力容器，为了便于移动沉重的人孔盖，盖子通常做成回转形式。本储罐由于尺寸较大，人孔直径也较大，可使用回转盖人孔。
3.8.1 人孔接管及法兰设计 公称尺寸为 500mm。接管采用 530 10 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为150mm。选用回转盖带颈平焊法兰人孔。法兰采用带颈平焊突面法兰，材料为 20Ⅱ锻钢，法兰标记为 500-1.6 RF。
法兰盖设计
法兰盖根据配套选择，采用 A 型盖轴耳，材料与接管同， 钢20 标记为：BL500-1.6RF。

紧固件选用

与法兰盖之间必须加垫片密封。在采用标准法兰的情况下，选择恰当的垫片可以提高密封效果。根据储罐的设计温度和设计压力，可选用石棉橡胶板（XB350）作为垫片材料。该材料应用广泛，使用温度可达 450℃，压力小于 6MPa 的场合。垫片型号标记为：RF 500-1.6
法兰盖与法兰连接的螺柱可选用 M24 的螺杆。
3.9 支座选择
化工容器设备大都通过支座加以固定。支承式支座结构简朴轻便，不需要专门的框架、钢梁来支承设备，可直接把设备载荷传到较低的基础上。此外，它能比其他型式的支座提供较大的操作、安装和维修空间。由于支承式支座对所在设备封头产生的局部应力相对较大，故在采用这种支座时，需增设垫板。根据公称直径，本储罐选用 B 型第 4组支承性支座。支座标记为：支座 4B 图 3-4 支承型支座
3.10 吊耳选择

由于本储罐高度较高，为方便起吊、移动设备，在筒体顶部加设吊耳。 图 3-5 吊耳3.11 焊接型式及结构

3.11.1 筒体焊接接头系数选取 根据介质性质，取焊缝形式为相称于双面焊的全焊透对接接头，无损探伤规定为局部。
焊接系数 0.853.

假设圆筒的厚度在6~16mm范围内
设计温度为 50℃，查 查GB150-1998中表4-1得该温度下 Q345R 许用应力 [σ]t= 170MPa,[σ]=170MP.
筒体厚度计算：
取钢板负偏差 C1 =0.3mm
钢板腐蚀裕量 C2=1mm

向上圆整取为10mm

封头厚度设计：封头个参数和筒体相同，只有焊接系数由于钢板整体冲压而成所以取1.0，故封头计算厚度：

向上圆整取10mm，也满足焊接方面。
实验压力拟定
采用液压实验，实验压力

\
所以液压实验应力合格.

3.3筒体和封头的结构设计
由封头长短轴之比为2，即，得
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。

取装料系数为0.9，则

即
算得
圆整后取为

3.6鞍座选型和结构设计
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Q345R。
估算鞍座的负荷：
罐总质量 （3-3）
—筒体质量：
—单个封头的质量，查标准封头质量表m2=294.3kg
—充液质量：，水压实验充满水，故取介质密度为，

则
—附件质量：人孔质量为，其他接管总和为200kg，即
综上所述m0=m/4=5589.34kg

则每个鞍座承受的质量为5589.34kg，即为55.90KN<350KN ,满足规定。

鞍座的安装位置如图3-3所示：

第四章 开孔补强设计
4.1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10mmN1N2空气进、出口管：公称尺寸 DN250接管尺寸 273 x6mm
且 故可采用等面积法进行补强计算
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j=1
接管计算厚度：

钢板负偏差：C1=0.1x0.93=0.093mm
C2=1mm
C=C1+C2=1.1mm
名义厚度为6mm
强度削弱系数
开孔直径d=di+2C=261+2.2=263.2mm

开孔切削截面积： （4-1）
=263.2x4.66+2x4.66x(6-1.1)(1-0.765)=1237.4mm2

4.2有效补强范围
4.2.1有效宽度B

B1=2d=2x263.2=526.4mm

（4-2）
4.2.2外侧有效高度
根据[1]中式8-8，得：

4.2.3内侧有效高度
根据[1]中式8-9，得：

4.3有效补强面积
根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：
（4-3）
—筒体多余面积

—接管多余面积

—焊缝金属截面积，焊脚去7mm，则

4.4补强面积

同样对
N4安全阀口 公称尺寸 DN80，接管采用 j89 x4 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm 且 故可采用等面积法进行补强计算
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j=1
接管计算厚度：

钢板负偏差：C1=0.1x0.30=0.03mm
C2=1mm
C=C1+C2=1.03mm
名义厚度为4mm
强度削弱系数
开孔直径d=di+2C=89+2.1=91.2mm

开孔切削截面积： （4-1）
=91.2.2x5.5+2x5.5x(4-1.1)(1-0.765)=487.8mm2

4.2有效补强范围
4.2.1有效宽度B

B1=2d=2x91.2.2=182.4mm

（4-2）
4.2.2外侧有效高度
根据[1]中式8-8，得：

4.2.3内侧有效高度
根据[1]中式8-9，得：

4.3有效补强面积
根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：
（4-3）
—筒体多余面积

—接管多余面积

—焊缝金属截面积，焊脚去6mm，则

4.4补强面积

由于，所以开孔需另行补强487.8-387.5=100.3mm

同样对
N公称尺寸为 500mm。接管采用j 530x 10 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为150mm。 且 故可采用等面积法进行补强计算
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j=1
内径d=530-10x2=510mm

接管计算厚度：

钢板负偏差：C1=0.1x1.730=0.173mm
C2=1mm
C=C1+C2=1.173mm
名义厚度为10mm
强度削弱系数
开孔直径d=di+2C=510+1.8x2=513.6mm

开孔切削截面积： （4-1）
=513.6x5.5+2x5.5x(10-1.7)(1-0.765)=2846.7mm2

4.2有效补强范围
4.2.1有效宽度B

B1=2d=2x513.6=1027.2mm

（4-2）
4.2.2外侧有效高度
根据[1]中式8-8，得：

4.2.3内侧有效高度
根据[1]中式8-9，得：

4.3有效补强面积
根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：
（4-3）
—筒体多余面积

—接管多余面积

—焊缝金属截面积，焊脚去6mm，则

4.4补强面积

由于，所以开孔需另行补强2846.7-2500.36=346.34mm2
5.2圆筒轴向弯矩计算
圆筒的平均半径为
鞍座反力为
5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩
根据[2]中式7-2，得：

5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩
根据[2]中式7-3，得：

图5-1（a）筒体受剪力图
图5-1（b）筒体受弯矩图

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：
（5-1）

最低点处：
（5-2）
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（即）时，轴向应力位于横截面最高点处.
取鞍座包角，查表7-1（JB/T4731-2023）得，.则

b).在横截面最低点处的轴向应力：

5.3.3圆筒轴向应力校核
（5-3）
查图4-8[10]得，,则

满足条件
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
根据[2]中式7-9计算，查[2]中表7-2，得：

（5-4）
5.4.2圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力
根据[2]中式7-10，计算得：
（5-5）
5.4.3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0.8倍，即。封头的切向剪应力，应满足
而
故圆筒满足强度规定。
根据[2]中式7-12
（5-6）
（5-7）

故封头满足强度规定
5.5圆筒周向应力的计算和校核
根据鞍座尺寸表知：

即，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
其中（容器焊在支座上） （5-8）
查[2]中表7-3知，
则
5.5.2在鞍座边角处
由于 根据[2]中式7—20:

由于 查[2]中表7-3知，则 （5-9）
5.5.3鞍座垫板边沿处圆筒中的周向应力
由于，根据[2]中式7—22

5.5.4周向应力校核
根据[2]中式7.3.4.3

故圆筒周向应力强度满足规定。
5.6鞍座应力计算及校核
5.6.1腹板水平分力及强度校核
根据[2]中表7—7
鞍座包角，查[2]中表7—5得：。则
垫板起加强作用，则：

其中，，
则
则
查[2]中表5—1，得：，则
由于，所以其强度满足规定。
5.6.2鞍座压缩应力及强度校核
根据[2]中表7—6，取
则 ，钢底板对水泥基础的
则
所以压应力应按[2]中式7—29计算：
（5-9）
其中 ，
筋板面积
腹板面积：

形心：

腹板与筋板组合截面断面系数：

代入公式得

取 则

根据[2]中式7—32进行校核

即满足强度规定。

4.1.1 筒体的总体尺寸已知参数:筒体公称直径 DN Di 2023mm，L4500mm4.1.2 筒体壁厚设计设计温度为 85℃，查 GB150 得该温度下 Q345R 许用应力 t 170MPa取钢板负偏差 C1 0.3mm ，钢板腐蚀裕量 C 2 1mm pc Di 1.2 2023计算壁厚 t 8.34mm 4-1 2 pc 2 170 0.85 1.2 t设计壁厚 t d t C 2 8.34 1 9.34mm 4-2t C1 C2 8.34 0.3 1 9.64mm 4-3取圆整后名义厚度为 t n 10mm有效厚度 t e t n C1 C 2 10 0.3 1 8.7mm 4-4进行液压实验，实验液体温度一般不低于 5℃。实验温度下材料许用应力 170MPa，设计压力1.2MPa， 170实验压力 pT 1.25 p 1.25 1.2 1.5MPa 4-5 t 170 pT Di t e 1.5 2023 8.7校核圆筒应力 T 203.72MPa 4-6 2t e 2 8.7 0.85屈服强度 s 345MPa ， 90 s 0.9 345 310.5MPa T 0.9 s ，筒体实验合格4.2 封头尺寸4.2.1 封头的总体尺寸封头采用的标准椭圆封头k1，DN2023mm。封头高度 h1 Di 4 2023 / 4 500mm 4-716m 3 空气储罐设计 114.2.2 封头的厚度设计封头材料参数与筒体相同 Kpc Di 11.2 2023计算壁厚 t 8.32mm 4-8 2 0.5 pc 2 170 0.85 0.5 1.2 t设计壁厚 t d t C 2 8.32 1 9.32mmt C1 C2 8.32 0.3 1 9.62mm取圆整后名义厚度为 t n 10mm有效厚度 t e t n C1 C 2 10 0.3 1 8.7mm封头的最小厚度校核： 0.15 Di 0.0015 2023 3mm t n 10mm ，满足规定。4.2.3 封头的直边段高度椭圆封头的直边段高度以内径为准。当 Di 2023mm 时，直边段高度 h25mm 图 4-1 封头极其直边段4.3 补强计算及补强圈选用 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 T 8.34mm ，名义厚度为 Tn 10mm4.3.1N1N2空气进、出口管：公称尺寸 DN250接管尺寸 273 616m 3 空气储罐设计 12内径 d i 273 2 6 261mm 4-9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 .