液氨贮罐的机械设计(装备用12年修改).doc
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液氨贮罐的机械设计
YEAN CHUGUANDEJIXIE SHEJI
──《典型过程设备》课程设计指导
淮海工学院
机械工程学院
2012.6
§1目的和要求
一、课程设计的目的
典型过程设备课程设计是培养学生设计能力的重要教学环节。
在老师指导下,通过课程设计,培养学生综合运用所学知识分析、解决实际问题的能力。
因此,完成本课程设计应达到以下目的:
1.通过课程设计,把过程设备设计和有关先修课所学知识,在设计中综合地加以运用,从而得到巩固、深化和提高。
2.培养学生对工程设计的独立工作能力,树立正确的设计思想,掌握化工设备设计的基本方法和步骤,为今后从事工程设计打下良好的基础。
3.使学生能够熟悉和运用设计资料,如有关设计标准、规范、手册、图集等工具书,进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力,以完成作为工程技术人员在机械设计方面所必备的基本训练。
二、典型过程设备课程设计的要求
1.树立正确的设计思想
结合生产实际综合地考虑经济、实用、可靠、安全和先进等方面的要求,严肃认真地进行设计。
2.要有积极主动的学习态度
在课程设计中遇到的问题,要随时复习有关教科书,可查阅资料,通过积极思考,提出个人的见解主动解决,不要简单地向指导老师索取答案。
3.正确处理好几个关系
(1)继承和发展的关系
强调独立思考,并不等于设计者凭空设想,不依靠设计资料和继承前人经验。
学会收集、理解、熟悉和使用各种资料,正是培养设计能力的重要方面。
(2)正确使用标准规范
化工设备的设计非常强调标准规范,但标准规范的使用并不排斥创新的发展,因此在遇到与设计要求矛盾时,通过严密的论证可以放弃标准而服从设计要求。
(3)统筹兼顾,抓主要矛盾
①计算结果要服从结构设计的要求
当理论计算的结果在结构上无法实现时,应对计算结果进行修正。
因为计算结果对零件尺寸的确定只能提供某一方面的依据。
②正确处理计算与画图的关系
设计中要求算、画、选、改同时进行,但零件的尺寸应以最后图样确定的为准。
对尺寸作出修改后,有时并不一定要求再对零件的强度或刚度进行计算,可以依据修改幅度、原强度(或刚度)裕度及计算准确程度等来判断是否要再行计算。
§2课程设计的内容和一般步骤
一、课程设计的内容
根据教学大纲的要求,学生应在规定的时间内,完成一种典型设备的机械设计,工作量应包括:
设备总装图一张,设计计算书一份。
二、课程设计的一般步骤
1、准备阶段
(1)设计前应预先准备好设计资料、手册、图册、计算绘图用具、图纸、方格纸和报告纸等;
(2)认真研究设计任务书,分析原始数据和工作条件,明确设计要求和设计内容;
(3)设计前应认真复习有关教科书、熟悉有关资料和设计步骤;
(4)有条件的应结合现场参观,熟悉典型设备的结构,比较其优缺点,以便选择合适的结构,没有现场条件的,也要先读懂几张典型设备图。
2、机械设计阶段
设备的机械设计是在设备的工艺设计后进行的,其内容和任务是根据设备的工艺条件(包括工作压力、温度、介质腐蚀性、结构形式和尺寸、接管方位标高等),围绕着设备内、外附件的选型进行机械结构设计;围绕确定壁厚这一尺寸进行强度、刚度和稳定性设计或校核计算。
这一步往往“边算、边选、边改”的作法来进行。
以下几点可供参考:
(1)选择材料
材料的选择要综合考虑压力大小、温度高低和介质腐蚀情况等因素。
一般先按压力因素来选择。
当温度高于200℃或低于-40℃时,温度则成为选择的决定因素。
在腐蚀强烈或产品纯度有较高要求时,腐蚀又成了确定材料的依据。
(2)选用零部件
设备内部附件的结构,一般常由工艺设计确定,而外部附件的结构型式则在满足工艺要求的条件下,由受力条件、制造安装等因素决定。
(3)外载荷计算
包括内压、外压、设备自重、零部件的偏载、风载、地震载荷等等,常用分项统计、列表的方法来进行。
(4)强度、刚度、稳定性设计或校核计算
根据设备的结构型式,受力条件和材料的力学性能等进行强度、刚度和稳定性计算,最后确定出合理的结构尺寸。
因大多数情况下强度是主要矛盾,所以常不作后两项计算。
(5)传动设备的选型、计算
对常有机械传动、液压传动的设备,这部分零部件也大都已标准化,可参考有关机械设计手册进行选型、计算。
(6)绘制设备总装图
对初学者,可先用方格纸绘出草图,按“边算、边选、边改”的方法,获得一较为合理的结构后,再搬上正式图纸。
当然一开始就铺白图也是一种锻炼。
可由学生根据自己情况确定。
(7)绘制零部件图
根据总装图绘制零部件图常称为拆图。
对于标准零部件,由于有专门厂家生产,可以不必拆图。
拆图的目的是为了便于加工制造。
(8)提出技术要求
对设备制造、装配、检验和试车等等工序提出合理的村注,以文字形式注写在总装图上。
3、整理及编写设计计算说明书
4、课程设计答辩
课程设计的图样及说明书全部完成后,给指导老师审阅,得到认可后,方能参加答辩。
课程设计的成绩要根据图样、说明书和答辩所反映出的设计质量和能力,以及设计过程中的学习态度综合评定。
设计题目及进程
一、设计题目(液氨贮罐)
见设计任务书和设计参数表。
二、设计参考进程
1、准备2天
2、机械设计5天
3、编写设计说明书2天
4、绘图5天
5、答辩1天
三、设计要求
1、罐体、封头、壁厚的确定;
2、选择支座;
3、选择标准人孔、液面计和各类接管及法兰;
4、开孔补强设计(人孔和进料孔);
5、绘制总装配图;
6、编写设计计算说明书;
§4设计示例
题目:
设计一液氨贮罐,贮罐内径,罐体(不包括封头)长度。
使用地点:
连云港。
一、罐体壁厚设计
1、壁厚计算
本贮罐选用16MnR制造罐体和封头。
计算壁厚根据下式计算:
——计算压力。
+液柱静压力,当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时,可忽略不计。
——设计压力。
本贮罐夏季最高温度可达40℃,这时氨的饱和蒸气压为1.555(绝对压力),故取最大操作压力为1.4.3,取当地大气压为0.1。
考虑到液氨贮罐安装了安全阀,故本设计中设计压力为:
本设计中,最大液柱高度为2600mm,其产生的液柱静压力为,设计压力的5%为,所以计算压力为:
又;
——设计温度下材料的许用应力,MPa。
(假设=16~36mm)
(焊缝采用双面对接焊,局部探伤)
于是:
取,可以查得
则
取,即确定选用18mm的16MnR钢板制作罐体。
在16~36mm之间,所以取合适。
2、液压试验校核
容器在制成以后或检修后投入生产之前,要进行压力试验,其目的在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象,以确保设备的安全与正常运行。
(1)试验压力的确定
通常情况下,容器进行液压试验,其试验压力为:
式中:
——试验压力,MPa,立式容器卧置做液压试验时,试验压力应为立置时的试验压力加液体静压力;
——试验温度下材料的许用应力。
本设计中
(2)压力试验前的应力校核
在压力试验前,应对试验压力下产生的圆筒应力进行校核,及容器壁内所产生的最大应力不超过所用材料在试验温度上屈服极限的90%。
水压试验时,容器壁内所产生的最大应力为:
——容器的有效壁厚。
而16MnR钢板的,则常温下水压试验时的许可应力为
所以水压试验时强度足够
二、封头壁厚设计
本设计中,采用标准椭圆形封头
其壁厚按下式计算
式中(钢板最大宽度为3m,该贮罐直径为2.6m,故封头需将钢板拼焊后冲压);
(假设=16~36mm),其它符号同前。
于是:
同前,,所以:
考虑到封头加工制造时的减薄量,最后确定使用的16MnR钢板制作封头。
三、鞍座
首先粗略计算鞍座负荷
设备总重量
式中:
——罐体重;
——封头重;
——水重(因液氨比重小于水,故取液压时的水重);
——附件重。
1、罐体重
对于,的罐体,每米长度罐体的质量为
(附录1),所以
2、封头重
,,直边高度h=50mm的标准椭圆封头,其质量为:
所以:
3、水重
贮罐容积:
——封头的体积
查附表2,可知公称直径为2600mm,直边高度为50mm的椭圆封头,其体积为
——筒体的体积
查附表1可知,1米长的筒体,其体积为5.309
水的重度:
于是:
。
4、附件重
人孔重量的确定
按照GH21518-2005选用带颈对焊法兰人孔,选用人孔公称直径为DN450,公称压力为PN2.5,密封面形式为凹凸面,查附表6可知,该人孔重量为245Kg,约为2.4KN,其它接管总重按3KN计,则附件总重为
所以,设备总重为:
设备上一共有两个鞍座,每个鞍座承受的设备重量为:
每个鞍座只承受186.7KN的重负荷是很小的,所以选用轻型鞍座,标记为:
JB/T4712-1992鞍座A2600-F
JB/T4712-1992鞍座A2600-S
鞍座的结构形式和尺寸参见相关标准。
四、鞍座应力校核
1、支座反力计算
式中:
——按折算长度计算的单位长度载荷,
——圆筒体部分长度,即两封头切线之间的距离。
此处为4800mm。
——封头内表面的深度。
对于标准椭圆封头,
2、圆筒轴向弯矩计算
(1)圆筒中间处截面上的弯矩
式中:
——圆筒的平均半径。
——圆筒的名义厚度,此处
(2)支座处截面上的弯矩
3、圆筒的剪力计算
圆筒在中间截面处的剪力为零。
在支座处靠近封头侧的剪力为
在支座处靠内侧的剪力为
则
4、圆筒中间处截面上的轴向应力
(1)介质压力引起的轴向应力
介质压力在圆筒中间处截面上引起的轴向应力为
——设计压力。
此处为1.65。
——圆筒的有效厚度。
(2)弯矩引起的轴向应力
弯矩在圆筒中间处截面上引起的弯曲应力为
(3)总的轴向应力
在圆筒中间处截面的最高点,总的轴向应力
在最低点,总的轴向应力为
5、支座处截面上的轴向应力
因为圆筒在支座处未被加强,最大弯曲拉应力出现在靠近水平中心的A点出及最大弯曲压应力出现在横截面的最低点B处。
A点处的轴向应力为
B点处的轴向应力为
、为系数,见下表
系数、
条件
鞍座包角θ
被封头加强的圆筒,即A≤Rm/2;或在
鞍座平面上有加强圈的圆筒
1200
1350
1500
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
未被封头加强的圆筒,即A>Rm/2,且在
鞍座平面上无加强圈的圆筒
1200
1350
1500
0.107
0.132
0.161
0.193
0.234
0.279
由表可知,取,
6、圆筒轴向应力的校核
对拉应力,必须满足
对压应力,必须满足
式中——圆筒材料在设计温度下的许用应力,,此处=163
——圆筒材料的轴向许用压缩应力,,此处==163
均<
所以轴向应力满足强度要求。
7、圆筒切向剪应力校核
(1)切向剪应力的计算
∵
∴圆筒未被封头加强。
则:
——系数,见下表
系数
条件
鞍座包角θ
圆筒在鞍座平面上有加强圈
1200
1350
1500
0.319
0.319
0.319
圆筒在鞍座平面上无加强圈,且A>Rm/2,或
靠近鞍座处有加强圈。
1200
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- 液氨贮罐 机械设计 装备 12 修改