空气储罐设备设计课程设计.docx

齐齐哈尔大学设备设计课程设计

题目名称： 空气储罐设计

学院： 机电工程学院
专业班级： 过控102　　　　
学生姓名： 王国涛　　
指导教师： 　 刘岩 　 　
完成日期： 2013-12-20

目 录

摘要 3
绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第一章 压缩空气的特性 5
第二章 设计参数的选择 6
第三章 容器的结构设计 7
3.1圆筒厚度的设计 7
3.2封头厚度的计算 7
3.3筒体和封头的结构设计 8
3.4人孔的选择 9
3.5接管，法兰，垫片和螺栓（柱） 9
3.6鞍座选型和结构设计 12
第四章 开孔补强设计 15
4.1补强设计方法判别 15
4.2有效补强范围 15
4.3有效补强面积 16
4.4补强面积 17
第五章 强度计算 18
5.1水压试验应力校核 18
5.2圆筒轴向弯矩计算 18
5.3圆筒轴向应力计算及校核 20
5.4切向剪应力的计算及校核 22
5.5圆筒周向应力的计算和校核 23
5.6鞍座应力计算及校核 25
第六章 总结 28
参考文献 29

摘要

本说明书为《3.0m3空气储罐设计说明书》。扼要介绍了卧式储罐的特点及在工业中的广泛应用，详细的阐述了卧式储罐的结构及强度设计计算及制造、检修和维护。
本文采用分析设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关标准，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、接管进行设计，然后采用1SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。
设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。
关键词：压力容器、卧式储罐、结构设计、强度校核、开孔补强

绪论

1.1 设计任务：
针对化工厂中常见的液氨储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设
计，绘制总装配图，并便携设计说明书。
1.2设计思想：
综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。
在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。各项设计参数都正确参
考了行业使用标准或国家标准，这样设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，
综合的进行设计。

1.3 设计特点：
容器的设计一般由筒体,封头，法兰，支座，接管等组成。常，低压化工设备
通用零部件大都有标准，设计师可直接选用。本设计书主要介绍了液罐的筒体，
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使用标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理的进行设计。

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(℃)：－192℃（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：高压常温储存，高温剧烈震动易爆。
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，又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。

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：0.253
3、工作温度：0-100
4、工作介质：压缩空气
5、全容积：3.0
6、设计压力： 0.25
7、设计温度：100
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：1.0
10、主要元件材料的选择：
根据GB150-1998[1]表4-1，选用筒体材料为Q235-B（钢材标准为GB6654）;
根据JB/T4731[2],鞍座选用材料为Q235-B，其许用应力;
地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q235，Q235的许用应力
11、容器类别：第二类
,

第三章 容器的结构设计
3.1圆筒厚度的设计
由于该容器储存压缩空气，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%探伤，所以取焊缝系数为。
假设圆筒的厚度在6~16mm范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：
疲劳极限强度，屈服极限强度，下的许用应力为，利用中径公式
（3-1）
查标准HG20580-1998[3]表7-1知，钢板厚度负偏差为,
腐蚀裕量为
则筒体的名义厚度
圆整后取为
3.2封头厚度的计算
查标准JB/T4746-2002[4]中表1，得公称直径
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（7-1）
(3-2)
同上，取，
则封头的名义厚度为
圆整后取为

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
表3-1 封头尺寸表
公称直径DN mm
总深度H mm
内表面积A
容积

质量
Kg
1200
325
1.6552
0.2545
76.4

图3-1 椭圆形封头

3.4人孔的选择
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
表3-2 人孔尺寸表 单位：mm
密封面型式
凹凸面
D
670

23
d。
24
公称压力PN MPa
1.0

620

28
螺柱数量
20
公称直径DN
500

250
A
365
螺母数量
40

530x8

103
B
175
螺柱尺寸
M24x120
d

b
28
L
250
总质量kg
153
3.5接管、法兰、垫片和螺栓（柱）

3.5.1接管和法兰
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：

图3-2 各管口方位

查HG/T 20592-2009[6]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
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：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3，最高工作温度200。
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。
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
螺栓孔直径L
螺栓孔数量n（个）
螺栓规格
法兰厚度C
法兰颈

N
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
65
2

3.5.3螺栓（螺柱）的选择
查HG/T 20613-2009[8]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

紧固件用平垫圈 mm
公称直径
螺纹
螺柱长

H
进气口
50
M16
90
17
30
3
出气口
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

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Q235-B。
估算鞍座的负荷：
罐总质量 （3-3）
—筒体质量：
—单个封头的质量，
—充液质量：，水压试验充满水，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

则每个鞍座承受的质量为，即为。
查JB4712.1-2007[9]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

6

垫板

320
允许载荷
Q
kN
145

筋板

200

6
鞍座高度
h
200

140
e
55

底板

880

200
螺栓间距

720

170

6
鞍座质量
Kg
56

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小于等于，当无法满足A小于等于时，A值不宜大于。为圆筒的平均内径。

即
取
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补强设计方法判别
人孔开孔直径为
且 故可采用等面积法进行补强计算
接管材料选用Q235B，其许用应力
根据GB150-1998中式8-1：
（4-1）
式中：
壳体开孔处的计算厚度
接管的有效厚度
强度削弱系数
所以
4.2有效补强范围
4.2.1有效宽度B
按[1]中式8-7，得：

（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

因为，所以开孔需另行补强
另行补强面积为

第五章 强度计算
5.1水压试验应力校核
试验压力
圆筒的薄膜应力为

即，所以水压试验合格
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：
（51）
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/T4731-2005）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
故圆筒满足强度要求。
根据[2]中式7-12
（5-6）
（5-7）

故封头满足强度要求
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鞍座垫板边缘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要求。

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，所以其强度满足要求。
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

即满足强度要求。

第六章
总结
本次化工设备课程设计历时两周，是学习化工以来第三次独立的工业设计。化工设备课程设计时培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设备机械设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质查找方法和技巧；掌握设计结果的校核，能画出容器装配图。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产商的安全性金额经济和理性。
我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查找的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对事物的了解还仅限于书本上，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面上考虑的还很不够。
在一些应用问题上，我直接套用了书本上的公式或过程，并没有彻底了解各个公式的出处及用途，对于一些工业数据的选取，也只是根据范围自己选择的，并不一定符合现实应用。因此，一些计算数据有事并不是十分准确的，只是拥有一个正确的范围及趋势，而并没有更细的追究下去，因而可能存在一定的误差，并影响后面具体设备的选型。
通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这多我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。
我还要感谢我的指导老师薛风老师对我们的教导与帮助。

参考文献
[1] GB150-1998,《钢制压力容器》
[2] JB/T 4731-2005,《钢制卧式压力容器》
[3] HG20580-1998,《钢制化工容器设计基础规定》
[4] JB/T4746-2002,《钢制压力容器用封头》
[5] HG/T 21517-2005,《回转盖带颈平焊法兰人孔》
[6] HG/T 20592-2009,《钢制管法兰》
[7] HG/T 20609-2009,《钢制管法兰用金属包覆垫片》
[8] HG/T 20613-2009,《钢制管法兰用紧固件》
[9] JB4712.1-2007,《鞍式支座》
[10]《过程设备设计》 郑津洋等 化学工业出版社
[12] 《压力容器设计手册》 董大勤 袁凤隐
[13] 《化工机械基础课程设计》 潘永亮 刘玉良 科学出版社
[14] 《化工设备设计全书》 王 非 林 英
[15] 《化工设备机械基础课程设计指导书》 詹长福 机械工业出版社