锅炉与压力容器课程设计Word文件下载.docx
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8.2.2夹套筒体与封头在水压实验压力下的强度校核21
9支座的选取22
9.1容器总质量的计算22
9.2支座选取22
10参考文献23
1设计说明
本次课程设计中高效酒精回收装置中的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100mm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。
压力容器设备上共开有11个孔,连接有不同的接管。
a孔位于内置容器上封头的中心,用于连接搅拌器;
b、e孔为安全阀孔,同样位于内置容器上封头上;
c、d同样位于内置容器上封头上,c孔用于设置温度表,d孔用于设置压力表;
f孔和g孔位于夹套筒体上,是水蒸气的入口。
h孔位于罐体上,用于设置视镜。
i孔位于罐体筒体上,是进料口;
j孔位于夹套封头上,为冷凝水出口;
k孔位于罐体的下封头上,作为出料口(见图1.1)。
图1.1高效酒精回收装置简图
此夹套罐的具体参数见表1.1。
表1.1夹套罐的已知参数
位置
项目参数
罐内
夹套内
介质
酒精水溶液
蒸汽
操作压力(MPa)
0.3
0.4
操作温度(℃)
100
饱和水蒸汽温度
公称直径(mm)
1000
1100
使用年限
15年
2设计参数的选取
2.1设计压力
在明确设计压力的概念之前,首先要明确工作压力,工作压力(pw)是指容器顶部在正常工作(开车、操作或停车)过程中可能达到的最高表压力。
设计压力(p)是指设定的容器顶部容许达到的最高表压力,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。
由于本设备装有安全阀,故设计压力的习惯取法是取为工作压力的1.05~1.10倍,所以设计压力取为1.07倍的工作压力,罐体工作压力为0.3MPa,故罐体的设计压力为0.32MPa;
夹套的工作压力为0.4MPa,故夹套的设计压力约为0.43MPa。
2.2设计温度
设计温度是容器在正常工作过程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(指≤0℃者)温度,若各部位不同,可分段计。
当金属温度在0℃以下,设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。
此次设计的罐体内的温度已经给定,为100℃。
夹套为用蒸汽加热的压力容器,其设计温度应取蒸汽温度,水蒸气在0.32MPa时,其饱和水蒸气温度约为132.9℃,所以,设计温度为132.9℃。
2.3容器材料及其相关参数的确定
2.3.1材料的选择及许用应力确定
罐体和夹套选用钢材为编号为Q235-B的碳素钢钢板,其在设计温度即
132.9℃时的许用应力为113MPa,钢板标准参见GB6654。
法兰选用钢号为16MnR低合金钢钢板,其在工作温度下的许用压力为170MPa,其他管道选用20R碳素钢钢板,其在工作压力下的许用压力为170MPa,钢板标准参见GB6554。
2.3.2焊缝系数
在选定焊缝系数时,根据《手册》11-8中的要求,根据实际状况,此压力容器才有双面焊有一定的困难,尤其夹套与罐体相连接处内侧焊接较难实现,故采用有金属垫板的单面焊对接焊缝,其100%全部无损检测时的要求的焊缝系数为0.9,故焊缝系数选0.9。
2.3.3附加厚度
选择厚度附加量的时候首先考虑钢板的负偏差(C1),由于选用钢板的厚度为8~25mm,根据《手册》11-4的规定,确定钢板的负偏差为0.8mm。
其次选择腐蚀裕度(C2)。
由于酒精溶液和水溶液近似,腐蚀性都不强,而钢材料选用的是低合金钢,故腐蚀裕度选为1.5mm。
最后选择制造减薄量(C3)。
对以此容器为标准的椭球封头,故制造减薄量小于厚度的0.1倍,故选择制造减薄量为0.5mm。
3几何参数的确定
3.1确定各封头参数
封头相关参数的选择实际是选择封头的形状以及该形状下对应的封头的曲面高度、内表面积和容积,根据《手册》中13-2中的相关规定,本罐体的封头为标准椭球封头,其公称直径给定为1000mm,其它相关参数如表(3.1)。
表3.1封头相关参数
公称直径Dn(mm)
曲面高度hi(mm)
直边高度h直(mm)
内表面积m2
容积V头(m3)
250
50
1.24
0.170
3.3筒体高度
筒体高度为2~2.5倍公称直径,故取筒体高度为2000mm。
筒体的体积为两个标准椭球封头的体积与圆柱罐体的体积之和,即
(公式3.1)
V头—直边高度取50mm时筒体封头体积(m3),筒体封头的体积从《手册》中查得为0.17m3。
;
V柱—筒体体积(m3);
V总—罐体的总体积
(公式3.2)
h’—去掉两侧封头直边高度的圆柱筒体的高度,即1900mm;
Di—筒体内径,即取公称直径1000mm。
计算得V柱为1.4915m3,将两部分体积带入公式3.1得V总为2.2m3,故罐体的总体积为2.2m3。
3.4夹套高度及传热面积的计算
3.4.1夹套高度
因为罐体酒精填充系数是0.8,所以夹套在圆柱筒体处的高度h1如下
(公式3.3)
计算得夹套在圆柱筒体处的高度为1674mm。
夹套的总高度h套等于夹套在圆柱筒体部分高度h1与直边高度和标准椭球封头高度hi之和,即
(公式3.4)
计算得夹套的高度为1924mm。
根据夹套高度和夹套的公称直径算的夹套的体积为
(公式3.5)
其中D夹—夹套的公称直径,1000mm;
D罐—罐体的公称直径1100mm;
h’’—去掉封头高度和封头直边高度的夹套高度,为485mm;
V封夹—夹套带直边高度的封头的体积,为0.222mm3;
V封罐—罐体带直边高度的封头的体积,为0.17mm3。
计算得夹套的体积为0.204mm3。
3.4.2传热面积的计算
传热面积即罐体与夹套相互接触的面积,罐体与夹套接触面积可以分两部分,一部分为圆柱筒体部分面积,另一部分为标准椭球封头部分面积,此面积按封头的内表面积近似计算,即
(公式3.6)
其中S传热—为夹套总的传热面积;
S头—直边高度为的标准椭球封头的封头面积。
计算得夹套总的传热面积约为4.88m2。
3.5搅拌口法兰尺寸的确定
在罐体上部开有一个搅拌器口,考虑到搅拌器的安装,此搅拌口的宽度搅拌器直径相等。
由于搅拌器直径为0.2~0.75倍的公称直径,所以选搅拌器的直径为300mm,即搅拌口直径为300mm,设计压力为0.32MPa,根据HG5010-58设计搅拌口法兰型号为Pg6Dg300HG5010-65
尺寸如下表3.2,其符号对应字母含义见图3.1。
表3.2搅拌口法兰尺寸
Pg=6公斤/厘米2
Dg
mm
管子mm
法兰mm
螺栓
焊缝
dH
S
D
D1
D2
f
b
d
重量
(公斤)
数量
直径
K
H
300
325
8
435
395
365
4
24
23
10.3
12
M20
9
10
图3.1法兰示意图
3.6窥镜规格的确定
窥镜采用一般压力容器视镜,公称直径为100mm,公称压力为1.0MPa,其相关参数如表3-4,窥视镜为公称压力1.0,公称直径100,材料为不锈钢的视镜,其标记为:
视镜ⅡPN1.0DN100HGJ501-86-17,具体规格见表3.3,表中数据含义见图3.2。
表3.3窥视镜规格
公称直径DN
公称压力PN
b1
b2
≈H
螺柱
质量/kg
标准图图号
碳素钢
不锈钢
Ⅰ
Ⅱ
1.0
200
165
40
26
M16
12.0
HGJ501-86-7
HGJ
501-86-17
图3.2窥视镜示意图
3.7其他法兰接口尺寸的确定(确定法兰标准及型号)
其他法兰接口尺寸根据该容器及法兰的尺寸设计如表3.4,根据HG501-65取得法兰的具体数据见表3.5。
表3.4其他法兰接口尺寸及法兰型号
接口编号
接口名称
公称直径mm
法兰型号
安全阀口
Pg6Dg100HG5010-65
c
温度表口
压力表口
e
i
进料口
g
蒸汽入口
350
Pg6Dg350HG5010-65
j
冷凝水出口
150
Pg6Dg150HG5010-65
k
出料口
表3.5法兰的相关数据
108
205
170
148
3
18
2.89
5
6
159
4.5
260
225
202
20
4.47
377
485
445
415
12.59
11
4罐体强度设计
罐体的载荷特点是即承受罐内的内压,同时承受夹套的外压,而且承受压力的部分既包括筒体也包括封头,所以在设计的时候要同时考虑,即考虑罐体封头内外压强度设计和筒体内外压强度设计。
4.1罐体封头厚度设计
4.1.1罐体封头内压强度设计
根据《手册》13-2确定封头各个参数。
已知,计算压力pc取设计压力p,所以pc为0.32MPa;
由于采用标准椭球封头,故封头的形状系数K为1;
在设计温度下材料的许用应力[
]t为170MPa,封头的内径Di为1000mm相应字母表示含义如下:
pc—计算压力,在这里取为设计压力,单位MPa;
Di—封头内径,mm;
[σ]t—设计温度下材料的许用应力,MPa;
φ—焊缝系数;
S—封头计算壁厚,mm;
Sd—封头设计壁厚,mm;
Sn—封头名义壁厚,mm;
Se—封头有效壁厚,mm;
C—壁厚附加量,2.3mm,C=C1+C2;
C1—钢板厚度负偏差,为0.8mm;
C2—腐蚀裕量,1.5mm;
hi—封头内曲面高度,mm;
[pw]—最大允许工作压力,MPa;
σt—设计温度下的计算工作压力,MPa;
K—椭圆形封头形状系数。
封头壁厚的计算
(公式4.1)
计算得封头壁厚S约等于1.57mm
(公式4.2)
计算得封头设计壁厚为3.07mm。
(公式4.3)
计算得封头名义壁厚为4mm。
(公式4.4)
计算得封头有效厚度为1.7mm。
又有效厚度Se≤0.15%Di=1.5mm,Se为1.7mm,符合要求,故有效厚度为1.7mm。
4.1.2罐体封头外压强度设计
由于罐体封头受到的外压来自于夹套,所以罐体封头外压强度设计计算压力pc为夹套的设计压力0.43MPa。
假设名义壁厚为5mm。
(公式4.5)
由于采用的是标准椭球封头,故K1取0.9,故R0为900mm。
(1)计算有效壁厚
(公式4.6)
所以有效壁厚为2.7mm。
(2)计算系数A
(公式4.7)
计算得计算系数为0.000375。
(3)计算许用外压力
根据手册中的图14-4,查得B为48MPa,故许用外压
(公式4.8)
计算得许用外压为0.144MPa,由于罐体受到的外压为0.43MPa,故不满足要求,重新选名义壁厚为10mm,计算得有效壁厚为7.7mm,计算系数为0.00106,查得B为140MPa,计算的许用外压为1.19MPa,符合设计要求。
4.2罐体筒体厚度设计
4.2.1罐体筒体内压稳定性设计
已知,计算压力pc取设计压力p,所以pc为0.32MPa;
Di—封头内径,即公称直径,mm;
φ—焊接接头系数;
S—筒体计算壁厚,mm;
Sd—筒体设计壁厚,mm;
Sn—筒体名义壁厚,mm;
Se—筒体有效壁厚,mm;
C1—钢板厚度负偏差,0.8mm;
(公式4.9)
计算得筒体壁厚S约等于1.57mm
(公式4.10)
计算得筒体设计壁厚为3.07m。
(公式4.11)
计算得筒体名义壁厚为4mm。
(公式4.12)
计算得筒体有效厚度为1.7mm。
4.2.2筒体外压壁厚的计算
由于罐体封头受到的外压来自于夹套,所以罐体封头外压强度设计计算压力pc为夹套的设计压力0.43MPa。
假设名义壁厚为10mm,故外径D0为1020mm,筒体长度L为2267mm。
(1)计算有效厚度
(公式4.13)
计算得有效厚度为7.7mm,故L/D0值为2.22,D0/Se值为132.5。
(2)计算系数
根据手册上图14-2可查的系数A约为0.00052,根据A查的系数B值为70MPa。
(3)计算许用压力[p]
(公式4.14)
计算的筒体的许用压力为0.48MPa,筒体所承受的外压为0.43MPa,故符合要求,所以外压条件设计的壁厚为10mm。
综上所述,设计筒体的壁厚为10mm。
5夹套强度设计
夹套的载荷特点与罐体不同,夹套只有内压作用没有外压作用,故夹套的强度设计只需考虑导内压强度设计。
5.1夹套筒体内压强度设计
已知,计算压力pc取设计压力p,所以pc为0.43MPa;
]t为170MPa,封头的内径Di为1100mm相应字母表示含义如下:
Di—夹套内径,即公称直径,mm;
S—夹套计算壁厚,mm;
Sd—夹套设计壁厚,mm;
Sn—夹套名义壁厚,mm;
Se—夹套有效壁厚,mm;
C1—钢板厚度负偏差,1.5mm;
C2—腐蚀裕量,0.5mm;
夹套壁厚的计算
(公式5.1)
计算得罐体壁厚S约等于1.57mm
(公式5.2)
计算得罐体设计壁厚为3.07mm。
(公式5.3)
计算得罐体名义壁厚为4mm。
(公式5.4)
计算得罐体有效厚度为1.7mm。
5.2夹套封头设计
已知,计算压力pc取设计压力p,所以pc为0.43MPa;
]t为170MPa,夹套封头的内径Di为1100mm相应字母表示含义如下:
Di—夹套封头内径,mm;
S—夹套封头计算壁厚,mm;
Sd—夹套封头设计壁厚,mm;
Sn—夹套封头名义壁厚,mm;
Se—夹套封头有效壁厚,mm;
C—壁厚附加量,mm,C=C1+C2;
C1—钢板厚度负偏差,mm;
C2—腐蚀裕量,mm;
[pw]—夹套最大允许工作压力,MPa;
夹套封头壁厚的计算
(公式5.5)
计算得夹套封头壁厚S约等于1.57mm
(公式5.6)
计算得夹套封头设计壁厚为3.07mm。
(公式5.7)
计算得夹套封头名义壁厚为4mm。
(公式5.8)
计算得夹套封头有效厚度为1.7mm。
又有效厚度Se≧0.15%Di=1.5mm,Se为1.7mm,符合要求,故有夹套效厚度为1.7mm。
综上所述设计夹套的厚度为10mm。
6罐体与夹套连接处的剪切强度设计
6.1罐体质量计算
罐体质量按罐体的表面积与钢板每平方米理论质量计算,即
(公式6.1)
其中S总—为罐体的总面积,包括两个封头的面积与筒体的面积,计算得为8.76m2;
m’—为钢板的每平方米理论质量,由于钢板的厚度选取10mm,故此值为78.5kg/m2。
计算得罐体的质量为687.66kg。
6.2罐体内介质质量计算
罐内介质质量为酒精占罐体总体积的0.8倍体积的质量,罐体的总体积在3.3中算得为0.713m3,,酒精的密度ρ为800kg/m3,故罐内介质的质量为570.4kg。
6.3罐体上法兰及其他附属件质量计算
罐体上法兰的编号、名称公称直径及质量如表6.1,计算的法兰的总质量为61.76kg。
表6.1各法兰的相关参数
质量kg
a
搅拌器口
h
窥镜口
总计:
61.76
其他附属件质量如表6.2
表6.2其他附属件质量
名称
安全阀
窥镜
质量
91kg
12kg
6.4总负荷计算
总负荷为罐体质量、罐内介质质量和罐体法兰及其他附属设施质量之和。
根据6.1,6.2,6.3中的计算可知,总负荷为1412.02kg。
6.5焊缝连接处环形面积计算
由于筒体的焊接系数φ已知,故按下式计算焊缝连接处的环形面积:
(公式6.2)
计算的焊缝连接处的面积S焊为22608mm2。
6.6焊缝连接处剪切应力校核
焊缝连接处剪切应力校核按照公式:
(公式6.3)
式中
—实际剪切应力(MPa);
M—总体负荷(Kg);
S—接触面积(mm
);
—设计温度下材料的许用应力(MPa)
其中
=113MPa,M=1412.02Kg,S=22608mm
,可以计算出实际剪切应力
为0.63MPa,而0.8倍的许用应力为90.4MPa,其远小于许用应力的0.8倍,故满足要求。
7开孔补强计算注
开孔补强计算的已知,筒体的内径取公称直径1000mm。
罐体壁厚按8mm计算。
采用等截面积补强法计算开孔补强的补强面积,由于搅拌器连接口和进气口是公称直径较大的开口,故对其开孔补强计算符合要求后,其余小孔均能符合强度要求。
7.1搅拌器连接口补强面积计算
引用表3-3如下:
(1)计算因开孔而削弱的金属面积,由于开孔处承受内压,根据
(公式7.1)
其中A—因开孔儿削弱的金属截面积,mm2;
δ—壳体的计算壁厚,8mm;
d—考虑腐蚀裕度后的开孔内直径,d=di+2Ct,为313.6mm;
C—厚度附加量,2.3mm;
δnt—接管的计算壁厚,8mm;
δp—平盖的计算厚度,8mm;
fr—强度削弱系数,是接管与壳体材料许用应力之比,由于接管选用的是20R号钢,壳体选用的是Q235-B号钢,故此值为0.85。
计算得因开孔而削弱的金属面积为2503.44mm2。
(2)计算壳体的计算壁厚
由于壳体属于标准椭圆封头,故
(公式7.2)
其中p—设计压力,0.32MPa;
Di—壳体的内直径,1000mm;
[σ]t—材料在设计温度下的许用应力,113MPa;
φ—焊缝系数,0.9;
k1—系数,标准椭球封头取1;
计算得壳体的计算壁厚为1.57mm。
(3)计算超出计算厚度的金属截面
(公式7-3)
(公式7-4)
其中A1—壳体(
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