《鍋爐壓力容器安全》課程設計

1、<p>　　《鍋爐壓力容器安全》</p><p><b>　　課程設計</b></p><p>　　班 級 </p><p>　　專 業(yè) 安 全 工 程 </p><p>　　課程名稱 壓力容器與管道安全 </p>

2、<p>　　指導教師 </p><p>　　學 號 </p><p>　　姓 名 </p><p><b>　　二○一三年十二月</b></p><p><b>　　目 錄<

3、;/b></p><p>　　1、課程設計概述3</p><p>　　1.1設計目的與任務3</p><p>　　1.2課程設計內容概要3</p><p><b>　　1.3設計題目4</b></p><p>　　2、筒體和附件材料的選擇4</p><p>

4、　　2.1封頭的選擇4</p><p>　　2.2支座的選取5</p><p>　　3、筒體和封頭的厚度計算5</p><p>　　3.1筒體壁厚的計算5</p><p>　　3.2封頭壁厚的計算5</p><p><b>　　4、鞍座的計算6</b></p><p

5、>　　4.1 罐體質量6</p><p>　　4.2其它附件質量6</p><p>　　5、筒體軸向應力校核6</p><p>　　6、筒體軸向應力計算7</p><p>　　6.1由彎矩引起的軸向應力7</p><p>　　6.2由設計壓力引起的軸向應力7</p><p>　

6、　6.3軸向應力組合與校核7</p><p>　　7、筒體和封頭切向應力校核8</p><p>　　7.1筒體切向應力計算8</p><p>　　7.2封頭切向應力計算8</p><p>　　8、筒體環(huán)向應力校核8</p><p>　　9、鞍座有效斷面平均壓力9</p><p>　　

7、9.1支座承受的水平分力9</p><p>　　9.2鞍座有效斷面平均應力9</p><p>　　10、開孔補強的計算9</p><p>　　10.1 開孔所需補強面積9</p><p>　　10.2有效寬度計算10</p><p>　　10.3 有效高度計算10</p><p>　

8、　10.4 補強面積計算10</p><p>　　10.5 補強圈厚度計算11</p><p><b>　　參考文獻12</b></p><p>　　附圖：設備結構樣圖13</p><p><b>　　1、課程設計概述</b></p><p>　　1.1設計目的與任務

9、</p><p>　　本課程設計是在學完《鍋爐壓力容器安全》之后綜合利用所學知識完成一個壓力容器設計。該課程設計的主要任務如下：</p><p>　　1.是通過解決一、兩個實際問題，鞏固和加深對壓力容器的結構、原理、特性的認識和基本知識的理解，提高綜合運用課程所學知識的能力。</p><p>　　2.培養(yǎng)根據(jù)課題需要選學參考書籍，查閱手冊、圖表和文獻資料的自學能力。

10、通過獨立思考，深入鉆研有關問題，學會自己分析解決問題的方法。</p><p>　　3.通過實際設計方案的分析比較，設計計算，元件選擇等環(huán)節(jié)，初步掌握工程中壓力容器設計方法。</p><p>　　4.培養(yǎng)嚴肅認真的工作作風和科學態(tài)度。通過課程設計實踐，逐步建立正確的生產觀點、經濟觀點和全局觀點，獲得初步的應用經驗，為以后從事生產和科研工作打下一定的基礎。</p><p&g

11、t;　　1.2課程設計內容概要</p><p>　　重點主要包括：容器殼體開孔及補強設計、結構設計及局部應力計算、臥式容器設計三部分。學習難點主要集中在容器殼體開孔及應力集中、局部應力計算和臥式容器筒體應力分析。在學習這一部分內容的時候，不但要深刻理解開孔周邊受力分析、圓柱筒體和球殼局部的受力分析及臥式容器殼體各部分的受力分析，掌握相關公式推導方法，關鍵要學習準確選擇研究對象如何進行應力限制和結構設計。在課堂教學

12、時為了較好地解決這些問題，讓學生理解并掌握這些重點，我們主要采用：</p><p>　　a.課堂教學與實驗教學相結合，利用實驗結果闡述殼體開孔周邊應力、殼體基本應力和臥式容器各部分應力的分布情況；</p><p>　　b.制作大量的圖片和flash動畫，采用多媒體技術，講解壓力容器結構設計；</p><p>　　c.歸納規(guī)律，增加例題講解，讓學生能夠全面理解掌握容器

13、殼體開孔補強設計方法和臥式容器設計方法。</p><p>　　本課程的主要內容是按照課程實踐和實驗指導書的要求完成課內各項實驗任務及理論設計，進行壓力容器設計，并完成綜合實踐報告。</p><p><b>　　1.3設計題目</b></p><p>　　某廠需添置一臺液氨貯罐，已知：設計壓力p=1.6MPa，設計溫度T=40℃，容器內徑D=12

14、00mm，容積V=2.8立方米，設備充裝系數(shù)0.9，采用鞍式支座。試設計該設備。</p><p>　　根據(jù)已知的條件，按照以下順序進行設計：</p><p>　　1.主要結構設計—筒體、封頭、接管、法蘭密封、鞍座及其位置。</p><p>　　2.主要材料—焊縫和探傷3.筒體和封頭的厚度計算4.計算鞍座反力</p><p>　　5.筒體軸向應

15、力校核6.筒體和封頭切向剪應力校核7.筒體環(huán)向應力校核</p><p>　　8.鞍座有效斷面的平均應力校核9.開孔補強計算10.設備結構總圖</p><p>　　說明：全班分為6組，第一組為原題，以后第二組設計壓力加0.2MPa，溫度加2度，內徑加20mm，容積加0.2立方米；</p><p>　　第三組設計壓力加0.3 MPa，溫度加3度，內徑加30mm，容積加0

16、.3立方米；</p><p>　　第四組設計壓力加0.4 MPa，溫度加4度，內徑加40mm，容積加0.4立方米；</p><p>　　第五組設計壓力加0.5MPa，溫度加5度，內徑加50mm，容積加0.5立方米；</p><p>　　第六組設計壓力減0.1 MPa，溫度減1度，內徑減10mm，容積減0.1立方米；</p><p>　　【通過

17、班級分組，我組采用第六組數(shù)據(jù)進行相關計算】</p><p>　　2、筒體和附件材料的選擇</p><p>　　純液氨腐蝕性小，貯罐可選用一般碳素鋼，壓力容器專用鋼板為20R，另外還有一些合金鋼，如16MnR、15MnVR等也適合做為壓力容器的鋼板。</p><p><b>　　2.1封頭的選擇</b></p><p>　

18、　幾何方面，就單位容積的表面積來說，以半球形封頭為最小。橢圓形和蝶形封頭的容積和表面積基本相同，可以近似認為相等。力學方面，在直徑、厚度和計算壓力相同的條件下，半球形封頭的應力最小，二向薄膜應力相等，而沿經線的分布式均勻的。</p><p>　　如果與壁厚相同的圓筒體連接，邊緣附近的最大應力與薄膜應力并無明顯不同。橢圓形封頭的應力情況就不如半球形封頭均勻。由應力分析可知，橢圓形封頭沿經線各點的應力是變化的，頂點處

19、應力最大，在赤道上可能出現(xiàn)環(huán)向內壓應力，對于標準橢圓形封頭與壁厚相等的圓筒體相連接時，其可以達到與筒體等強度[2]。</p><p><b>　　2.2支座的選取</b></p><p><b>　　本題目為鞍式支座。</b></p><p>　　3、筒體和封頭的厚度計算</p><p>　　3.1

20、筒體壁厚的計算</p><p>　　筒體的理論計算壁厚公式為[2]：</p><p>　　式中 δ——筒體的理論計算壁厚，mm；</p><p>　　pc——筒體計算壓力，MPa；</p><p>　　Di——筒體內徑，mm；</p><p>　　[σ]t——鋼板在設計溫度下的許用應力，MPa;</p>

21、<p>　　——焊接接頭系數(shù)，其值為1。</p><p>　　取計算壓力pc=p=1.5MPa，筒體內徑Di=DN=1190mm，查表2.1知16MnR在設計溫度為39℃時的許用應力為[σ]t=163MPa，將這些數(shù)值代入公式(3.1)計算出筒體的計算厚度為：</p><p>　　由于液氨對金屬有一定的腐蝕，取腐蝕裕量C2=2mm，故筒體的設計厚度為：</p>&

22、lt;p>　　由鋼板厚度負偏差表查得C1=0.8mm，故名義壁厚為：</p><p>　　圓整后取δn=8mm。</p><p>　　3.2封頭壁厚的計算</p><p>　　采用的是標準橢圓形封頭，各參數(shù)與筒體相同，其厚度計算式為</p><p><b>　　設計厚度為：</b></p><p

23、><b>　　名義厚度為：</b></p><p>　　取δn=8mm，查得標準橢圓形封頭的直邊高度(JB/T4737-95)為h0=25mm。</p><p><b>　　4、鞍座的計算</b></p><p>　　首先粗略計算鞍座負荷。貯罐總質量為：</p><p>　　儲罐總質量M= M

24、1+ M2+ M3 式中M1—罐體質量，kg ； M2—封頭質量，kg；M3—液氨質量，kg。</p><p><b>　　4.1 罐體質量</b></p><p>　　DN=1190 mm，=8 mm的筒節(jié)，查得每米質量為370kg/m,由查得筒體每米長的容積=1.12/m，查得封頭每米長的容積=0.33/.然后由V=2V封+V筒=2V2+V1L=2×

25、0.33+1.12L=2.8；</p><p>　　解得L=1.9m，取公稱直徑DN=1190mm，壁厚δ=8mm的筒體，查表得每米質量是q1=190kg/m，所以M4=2×190+1.9×370=1083 kg；</p><p>　　由于整個罐的容積為2.8,故其水壓試驗時罐內的水重為M2=2.8×1000=2800㎏。</p><p&g

26、t;<b>　　4.2其它附件質量</b></p><p>　　人孔質量約為85 kg,其他接管質量和按200 kg計，于是，設備總質量為M= M1+ M2+ M3 =2800+1083+（85+200）=4168 kg；</p><p>　　由以上計算內容的鞍座反力G=Mg=41680N。</p><p>　　5、筒體軸向應力校核</p

27、><p>　　筒體中間處截面的彎矩為</p><p>　　式中F——鞍座反力(N)；</p><p>　　Rm——橢圓封頭長半軸外半徑(mm)；</p><p>　　L——兩封頭切線之間的距離(mm)；</p><p>　　A——鞍座的位置(mm)；</p><p>　　hi——筒體內半徑(mm)；

28、</p><p><b>　　所以可得：</b></p><p>　　6、筒體軸向應力計算</p><p>　　6.1由彎矩引起的軸向應力</p><p>　　圓筒中間截面上最高點處：</p><p><b>　　最低點處：</b></p><p>&

29、lt;b>　　鞍座截面處：</b></p><p><b>　　最高點處：</b></p><p>　　6.2由設計壓力引起的軸向應力</p><p>　　6.3軸向應力組合與校核</p><p>　　最大軸向拉應力出現(xiàn)在筒體中間截面最低點處, 于是</p><p>　　許用軸向

30、拉壓應力[σ]t=163MPa，合格。</p><p>　　最大軸向壓應力出現(xiàn)在充滿水時，在筒體中間截面的最高點處</p><p><b>　　軸向許用應力:</b></p><p>　　根據(jù)A值查外壓容器設計的材料溫度線圖查得B=130MPa，取許用壓縮應力，合格。</p><p>　　7、筒體和封頭切向應力校核<

31、;/p><p>　　7.1筒體切向應力計算</p><p>　　查表得K3=0.880，K4=0.401。于是</p><p>　　7.2封頭切向應力計算</p><p>　　所以可以得出合格。 </p><p>　　8、筒體環(huán)向應力校核</p>&l

32、t;p>　?。?）在鞍座處橫截面最低點處 </p><p>　　式中b2——筒體有效寬度。</p><p>　　查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1考慮容器焊在鞍座上</p><p>　　式中b——支座軸向寬度。</p><p><b>　　于是&l

33、t;/b></p><p><b>　　故</b></p><p>　　（2）鞍座邊角處軸向應力</p><p><b>　　因為，所以</b></p><p><b>　?。?）環(huán)向應力校核</b></p><p><b>　　合格；&

34、lt;/b></p><p><b>　　合格。</b></p><p>　　9、鞍座有效斷面平均壓力</p><p>　　9.1支座承受的水平分力</p><p>　　查得K9=0.204。</p><p>　　9.2鞍座有效斷面平均應力</p><p>　　式中H

35、s——鞍座計算高度；b0——鞍座腹板厚度。</p><p>　　其中Hs取鞍座實際高度（Hs=250mm）中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度</p><p><b>　　于是可得：</b></p><p><b>　　應力校核：</b></p><p>　　式中，鞍座材料16MnR的許用應力。

36、</p><p>　　10、開孔補強的計算</p><p>　　由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補強圈標準。由表知本設計所選用的人孔筒節(jié)內徑di＝450mm，壁厚δnt＝10mm。據(jù)此差得補強圈尺寸(JB/T 4736-2002)為：外徑D2=760mm，內徑D1=450+2×10+14=484mm。</p><p>　　開孔補強的有關計算參

37、數(shù)如下: </p><p>　　10.1 開孔所需補強面積</p><p>　　內壓容器的圓筒開孔后所需的補強面積為:</p><p>　　式中 d——開孔直徑，圓形孔取接管內直徑加兩倍壁厚附加量，mm；</p><p>　　δ——殼體開孔處的計算厚度，mm；</p><p>　　δet——接管有效厚度，mm；<

38、/p><p>　　fr——強度削弱系數(shù)，等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比值。</p><p>　　對于圓筒，殼體開口出的計算厚度為：</p><p><b>　　開孔直徑</b></p><p>　　由于接管材料與殼體材料都為16MnR，故fr=1，將這些數(shù)據(jù)代入式(3.4)得：</p><p

39、><b>　　開孔所需補強面積</b></p><p>　　10.2有效寬度計算</p><p>　　二者中取較大值B=911.2mm。</p><p>　　10.3 有效高度計算</p><p>　　(1) 外側高度h1</p><p>　　二者中取較小值h1=73.94mm；</p

40、><p>　　(2) 內側高度h2</p><p>　　二者中取較小值h2=0mm。</p><p>　　10.4 補強面積計算</p><p>　　在有效補強范圍內，可作為補強的截面積按下式計算</p><p>　　A1——殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積,</p><p>　　A2——接管

41、有效厚度減去計算厚度之外的多余面積,</p><p>　　A3——焊縫金屬截面積,</p><p><b>　　計算如下：</b></p><p>　　其中接管有效厚度為，故</p><p>　　其中接管計算厚度為，故</p><p>　　焊縫金屬截面積，故補強面積Ae為</p>&

42、lt;p>　　由于，故開孔需另加補強，其另加補強面積為</p><p>　　10.5 補強圈厚度計算</p><p>　　圓整后取，補強材料與殼體材料相同為16MnR。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]《化工設備機械基礎》第五版  刁與瑋，王立業(yè) 

43、; 2003.3 </p><p>　　[2]《管道及儲罐強度設計》帥鍵 2006.06 </p><p>　　[3]《化工機械基礎課程設計》韓葉象 北京化工學院出版社 </p><p>　　[4]《壓力過程設備設計》李福寶，李勤 化學工業(yè)出版社2010</p><p>　

44、　[5].王洪海等.內壓式儲罐最佳長徑比研究.河北工業(yè)大學學報.2002.2 </p><p>　　[6].蔡紀寧，張秋翔編.化工設備機械基礎課程設計指導書.北京：化學工業(yè)出版社,2000.6 </p><p>　　[7].刁玉瑋，王立業(yè)編.化工設備機械基礎（第五版）.大連理工大學出版社.2006.12 </p><p><b&g