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化机基础课程设计要求及例题
沈阳工业大学
化工设备机械基础课程设计
指导书
工程学院机械系
二〇〇七年九月十日
一、设计步骤
1.筒体厚计算(取国标厚度系列,见教科书p99)
2.封头厚度计算(考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量,圆整后一般取δn与筒体等厚的钢板制作封头。
)
3.容器支座选型
1)根据容器公称直径预选鞍座(或耳式支座)型号(见教科书p174和p354附录16)
2)鞍座强度校核
计算设备总重:
筒体+封头+介质(水)+附件(人孔+300)kg
校核:
支座重量/个<标准允许的重量/个
4.人孔及补强
1)人孔的确定
根据贮罐的工艺条件,按公称压力等级选取。
2)补强及其结构的确定
补强判断、补强结构。
4.接口管及法兰选型
1)进、出物料接管及法兰。
2)检查、测试接管及法兰。
3)排气、污液接管及法兰。
5.压力试验核(见教科书p99~101)
1)实验方法的确定。
2)试验压力校核。
6.参考书
二、应用举例
试设计一液氨贮罐。
贮罐内径Di=2600mm,贮罐(不包括封头)长度L=4800mm。
使用地点:
辽阳。
1、罐体壁厚设计
本储罐选用16MnR制作筒体与封头。
罐体计算厚度根据参考书[1](4-4)式:
式中δ—圆筒计算厚度,mm;
pc—计算压力,MPa;
Di—圆筒内直径,mm;
[σ]t—圆筒材料设计温度下的许用应力,MPa;
φ—圆筒的焊接接头系数。
由于本储罐在夏季最高温度可达42℃这时氨的饱和蒸气压为1.56MPa(绝对压力)故取pc=1.6MPa;
[σ]t=163MPa(参考书[1]表4-3钢板许用应力)
φ=0.85(双面焊对接接头,局部探伤,参考书[1]表4-4焊接接头系数)
C2=1mm(按参考书[1]表4-6腐蚀裕量)
C1=0.8mm(按参考书[1]表4-5钢板的厚度负偏差)
于是
设计壁厚δd根据参考书[2](8-2)式
名义厚度δn根据参考书[2](8-3)式
即选用18mm钢板制作罐体。
2、封头壁厚设计
采用标准椭圆形封头,理论分析证明,此时椭圆形封头的应力分布较好,且封头的壁厚与相连接的筒体壁厚大致相等,便于焊接,经济合理。
封头计算厚度根据参考书[1](4-12)式:
式中 φ=0.85(钢板最大宽度为3m,该贮罐直径为2.6m,故封头需将钢板并焊后冲压);其它符号如前。
于是
设计壁厚δd根据参考书[2](8-2)式
名义厚度δn根据参考书[2](8-3)式
考虑钢板厚度负偏差及冲压减薄量,取δn=18mm厚的16MnR钢板制作封头。
其标记为:
椭圆封头DN2600×18JB/T4737-95
按[2]表8-12取该封头的直边高度为h=40mm;
由[3]附录2得曲面高度为h1=650mm。
根据GB150—1998国标规定:
标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内经的0.15%,则计算封头的有效厚度
显然
,满足要求。
3、支座选型
(1)确定支座形式
根据容器公称直径DN=2600mm按参考书[2]表13-1鞍座的形式,选用标准鞍式支座两个,即:
JB/T4712-92,鞍座A2600-F
JB/T4712-92,鞍座A2600-S。
查表13-4得每个支座的允许载荷Q为442KN。
(2)校核支座强度
设每个支座的实际最大载荷为
,储罐总质量为m。
计算储罐总的质量m=m1+m2+m3+m4Kg
式中:
m1-罐体质量
m2-封头质量
m3-罐内充满水的质量(因液氨密度小于水的密度)
m4-附件质量
①计算罐体质量m1由参考书[3]附录1查得DN=2600mm,δn=18的筒节,每米质量是1160Kg/m,所以m1=1160×4.8=5568Kg
②计算封头质量m2由参考书[2]附录2查得DN=2600mm,δn=18,直边高度为40mm标准椭圆形封头,每米质量是1100Kg/m,所以m2=2×1100=2200Kg
③计算罐内充满水的质量m3
m3=Vρ=(V封+V筒)ρ=(2×2.51+4.8×5.309)1000=30500Kg
④计算附件质量m4由参考书[2]附录5查得PN=1.6Mpa,DN=450mm的水平吊盖人孔,其质量为181Kg。
其它质量总和取300Kg。
则m4=181+300=481Kg。
设备总质量为m=5568+2200+30500+481≈39000Kg
则每个支座的实际最大载荷
=mg/2=39000×9.8/2=191.3KN
即;
=191<Q
故所选鞍座合适。
鞍座A2600-F(S)的结构及尺寸见附图2所示。
4、人孔选用及补强措施
(1)人孔选用
根据储罐的设计压力及操作温度,人孔标准应按公称压力为1.6MPa的等级选用。
从参考书[3]人孔类型系列标准选得,人孔形式为水平吊盖式人孔,工程直径选为450mm,密封压紧面采用凸凹面。
人孔标记为:
人孔MFMⅧ(A•••G)450-1.6HG21524-95
由人孔标准查得的水平吊盖人孔的结构及尺寸见附图3。
(2)补强措施
①补强及其结构的确定
a.补强判断
根据GB150-1998《钢制压力容器》的规定,壳体开孔满足下述全部要求时,可不另行补强:
设计压力小于或等于2.5MPa;
两相邻开孔中心距应不小于两孔直径之和的两倍;
接管公称外径小于或等于89mm;
接管最小壁厚满足下表要求。
接管公
称外径
25
32
38
45
48
57
65
76
89
最小壁厚
3.5
4.0
5.0
6.0
由于人孔的直径超出了国标规定的不另行补强的最大开孔直径89mm,所以应采取补强措施。
b.补强结构
补强圈(JB/T4736—2002)贴焊在壳体与接管连接处,结构简单、制造方便,使用经验丰富,一般用在静载、中温、中低压等场合。
根据GB150-1998《钢制压力容器》的规定,采用补强圈结构时,应满足下列条件:
Ⅰ.钢材的标准抗拉强度下限值σb≤540MPa;
Ⅱ.补强圈厚度小于或等于1.5δn;
Ⅲ.壳体名义厚度δn≤38mm。
该开孔满足补强圈的使用要求,因此选用补强圈补强结构。
②补强形式及补强面积的计算
a.选用外加强平齐接管形式,如下图。
b.补强计算
Ⅰ.确定设计参数
由前面设计可知:
壳体:
Pc=2.5MPa;Di=2600mm;φ=0.85;C=1+0.8=1.8mm;[σ]t=163MPa;δ=15.1mm,δn=18mm,δe=18-2.3=15.7mm.
人孔接管(筒节):
dw×δ=480×10,H1=300mm,H2=0(内平齐接管),di=460mm,δn=10mm,δe=10-1.8=8.2mm,材料与壳体相同。
开孔直径d=di+2C=460+2×1.8=463.6mm
Ⅱ.开孔所需补强面积:
Ⅲ.有效补强范围
取B=2d=2×463.6=927.2mm
有效高度:
取
取h2=0
Ⅳ.有效补强面积
壳体多余面积A1
接管多余面积A2
补强区焊缝面积(焊脚取10mm)A3
有效补强面积:
e.需另加补强面积A4为
③补强圈设计
补强外径D2应不大于有效宽度B=927.2mm,参考补强圈(JB/T4736—2002)取D2=760mm,内径取D1=484mm,补强圈厚度δb为:
为便于备材,选用与封头厚度相同的材料制作补强圈,即:
满足补强要求。
该补强圈的标记为:
JB/T4736—2002补强圈φ840/φ484δ=18
5.接口管及其法兰的确定
本储罐设有一下接管:
(1)液氨进料管采用φ57×3.5的无缝钢管。
进料管法兰采用具有平面密封的带颈平焊钢制管法兰。
标记为:
HG20592—97法兰SO50—1.6RF16Mn
(2)液氨出料管采用可拆的压出管φ25×3,将它用法兰固定在接口管法兰(HG20592—97法兰RF20—1.616Mn)上。
压出管伸入储罐2.5m。
压出管外伸的端部法兰(与液氨输送管相连)采用:
HG20592—97法兰RF20—1.616Mn
(3)排污管储罐右端最底部设一个排污管,规格为φ57×3.5。
管端焊有与截止阀JIW—1.6相配的管法兰。
标记为:
HG20592—97法兰SO50—1.6RF16Mn
(4)液面计接管本储罐采用玻璃液面计AIWPN1.6,L=1000,HG5—226—65—10两支。
其他接管尺寸见附图表4所示。
6、压力试验校核
(1)压力试验方法的确定
验证容器在超工作压力的条件下,器壁焊缝的强度、焊缝的致密性和容器密封结构的可靠性,及时发现钢材、制造或检验过程中的缺陷。
容器经过压力试验合格后才能投入生产运行。
压力试验的种类一般有液压和气压试验两种。
一般是在全部焊接工作完成并经热处理之后进行。
由于水压试验操作方便,因此一般的压力试验均采用液压试验。
液压试验的方法是首先液压试验时,设备充满液体(水),水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5℃,其它低合金钢不低于15℃),外壳应保持干燥。
其次待壁温大致相等时,缓慢升压到规定试验压力,稳压30min,然后将压力降低到设计压力,保持足够时间以检查有无损坏、宏观变形、泄漏及微量渗透等。
水压试验后及时排水,并用压缩空气等将容器内表面吹干。
(2)校核罐体水压试验强度根据参考书[1]式(4-9):
由于容器承受的压力pT高于设计压力p,为了安全需进行强度效核,应力校核的要求是:
容器壁产生的最大应力不超过所用材料在试验温度时屈服极限的90%(液压试验)或80%(气压试验),即:
式中:
σs=345MPa查[1]表4-3钢板屈服应力。
于是:
即
水压试验满足强度要求。
7、参考书
(1)刁玉伟主编.化工设备机械基础.大连:
大连理工大学出版社.2002
(2)董大勤编.化工设备机械基础.北京:
化学工业出版社.2003
(3)魏崇光等编.化工工程制图(化工制图).北京:
化学工业出版社.2000
(4)
2
附图1封头结构尺寸。
其标记为:
椭圆封头DN2600×18JB/T4737-95
封头的直边高度为h=40mm;曲面高度为h1=650mm。
附图2鞍座A2600-F(S)的结构及尺寸:
b4
附图3由人孔标准查得的水平吊盖人孔的结构及尺寸:
公称压力为1.6MPa,公称直径为450mm,如下图所示。
Dw×S=480×10,D=640mm,D1=585MM,A=365mm,H1=300mm,H2=201mm,b=38mm,b1=31mm,b2=36mm,d0=36mm,等,总质量:
181kg。
水平吊盖人孔零件的明细如表:
件号
标准号
名称
数量
材料
1
筒节
1
16MnR
2
HGJ75-91
螺栓M27
20
35
3
HGJ76-91
螺母M27
40
25
4
HGJ52-91
法兰
1
16Mn锻件
5
HGJ69-91
垫片
1
石棉橡胶板
6
HGJ63-91
法兰盖
1
16MnR
7
把手
1
Q235-A·F
8
轴销
1
Q235-A·F
9
GB91-86
销
2
低碳钢
10
GB95-85
垫圈20
2
100HV
11
盖轴耳
(1)A
1
Q235-A·F
12
法兰轴耳
(1)
1
Q235-A·F
13
法兰轴耳
(2)
1
Q235-A·F
14
盖轴耳
(2)
1
Q235-A·F
附图表4接口管尺寸。
主要接管及其法兰的部分尺寸如下表:
DN
管子dw×δ
D
K
C
L
50
57×3.5
165
125
18
400
25
32×3.5
115
85
16
210
32
38×3
140
100
16
200
15
18×3
95
65
14
210
三、计算机绘图要求
化工设备机械基础课程设计图纸中应遵守以下标准:
1、文字书写
标题栏中文字除图名和设计单位用7号或10号字体外其余都用5号字体,字体应选用仿宋体或宋体。
图纸中尺寸字体一律用5号或3.5号。
图纸中文字叙述部分,如技术要求、技术特性、附注等内容一律应写成5号仿宋体或宋体,该部分标题如:
技术要求、技术特性等字要写成7号仿宋体或宋体。
装配图中的零件序号要排列整齐,字体比尺寸字体大一或两号。
按顺时针或逆时针排序。
文字样式要建立至少两个,名称应该使用中文容易识别的名称,推荐为:
尺寸、文本等。
2、线型绘制
机械图纸中线形按宽度分为粗、细两种,粗线形如粗实线等选择0.5mm。
细线形选择该图纸中粗线形宽度的0.25mm。
化工类图纸,如工艺流程图等,有三种宽度,推荐粗线形采用0.50mm,中粗线采用0.25mm,细线采用0.20mm。
3、图纸输出
图纸一般推荐用绘图机按图纸大小输出,打印完的图纸中的字体和线形应符合上述要求。
一般应尽量用黑白输出,不要彩色打印,以免因颜色影响图纸质量。
4、比例
图纸所采用比例应尽可能符合国家标准,特殊时也可以使用自定义标准(即国家标准中没有的比例)但必须标识清楚。
5、图层
图层推荐按国家CAD制图标准执行(CAD工程制图规则RuleofCADengineeringdrawingGB/T18229一2000)。
各个图层线形宽度按上述要求,各个图层颜色按国家CAD标准。
表1
图层名称
颜色
描述
粗实线
白色
可见轮廓线等
细实线
绿色
波浪线、细折线等
细点画线
红色
中心线等
细虚线
黄色
不可见的轮廓线等
尺寸
(青色)
尺寸线、尺寸数字等
文本
(白色)
技术要求等
细双点画线
粉红色
假想结构等
剖面线
(橙色)
粗点画线
棕色
注:
带()符号的,不是国家标准定义的,是推荐使用的。
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