卧式容器的设计合理性分析
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目录第一章绪论 (2)1.1设计任务 (2)1.2设计思想 (2)1.3设计特点 (2)第二章储罐简介 (3)2.1储罐的用途 (3)2.2储罐的分类 (3)第三章材料及结构的选择与论证 (4)3.1材料选择 (4)3.2结构选择与论证 (4)3.2.1.封头的选择 (4)3.2.2.法兰的选择 (4)3.3.液面计的选择 (5)3.4.鞍座的选择 (5)第四章结构设计 (6)4.1壁厚的确定 (6)4.2 封头厚度设计 (7)4.2.1 计算封头厚度 (7)4.3储罐零部件的选取 (8)4.3.1储罐支座 (8)4.3.2人孔的选择 (10)4.3.3接管和法兰的选择 (13)第五章强度校核 (14)5.1筒体强度校核 (14)5.2封头强度校核 (14)5.3鞍座受载分析和强度校核 (15)5.3.1双鞍座的筒体的轴向应力 (15)5.3.2筒体的轴向弯矩的计算 (16)5.3.3圆筒轴向应力计算及校核 (17)5.3.3切向剪应力的计算及校核 (18)5.3.4圆筒周向应力的计算和校核 (19)5.3.5 鞍座腹板应力校核 (20)5.4容器开孔补强 (20)5.4.1补强设计方法判别 (21)5.4.2有效补强范围 (21)5.4.3有效补强面积 (22)5.4.4补强面积 (22)参考文献 (23)第一章绪论1.1设计任务针对化工厂中的储罐,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,并编写设计说明书。
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,这样让设计有章可循,并考虑到结构方面的要求,合理地进行设计。
1.3设计特点容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管等组成。
常、低压化工设备通用零部件大都有标准,设计时可直接选用。
本设计书主要介绍了液罐的的筒体、封头的设计计算,低压通用零部件的选用。
1.设备工艺设计1.1盛装液化石油气体的压力容器设计存储量存储量:t V Wρφ=式中:W ——储存量,t ;φ——装载系数;V ——压力容器容积;t ρ——设计温度下的饱和溶液的密度,3m t;根据设计条件t V W ρφ==0.9Χ32Χ1.30245=37.51056t1.2设备的初步选型及轮廓尺寸1.2.1设备的初步选型(1)封头选型:目前我国普遍采用常温压力储罐一般有两种形式,球形贮罐和圆筒形贮罐。
从受力与制造方面分析来看,球形封头是最理想的结构形式。
但缺点是深度大,冲压较为困难;椭圆封头浓度比半球形封头小得多,易于冲压成型,是目前中低压容器中应用较多的封头之一。
平板封头因直径各厚度都较大,加工与焊接方面都要遇到不少困难。
从钢材耗用量来年:球形封头用材最少,比椭圆开封头节约,平板封头用材最多。
因此,从强度、结构和制造方面综合考虑,采用椭圆形封头最为合理。
(2)筒体选择:因为圆筒形贮罐加工制造安装简单,安装费用少,但金属耗量大占地面积大,所以在总贮量小于5003m ,单罐容积小于1003m 时选用卧式贮槽比较经济。
1.2.2设备的轮廓尺寸确定粗略计算内径: 32324πm L D i =一般63—=D L ,取4=DL得m D i 167704281.2=,圆整得:mm 21001.2==m D i选用EHA 椭圆封头,查《EHA 椭圆形封头内表面积及容积表》可得: 深度mm H525=,内表面积20443.5m A =,容积33508.1m V =封根据3封2封筒32242m V L D V V V i g =+=+=πmm D V V L i g 8458422封=-=π,圆整得:mm L 8500=32封2封筒计142.323508.125.81.24242m V L D V V V i =⨯+⨯⨯=+=+=ππ误差%443.03232-142.32%100计==⨯-g g V V V 3计工m 9278.28142.329.0=⨯==V V φL/D=8500/2100=4.0476,在范围内所以,筒体的公称直径mm D i 2100=,长度mm L8500=2设备的机械设计2.1 设计条件的确定2.1.1设计温度的确定根据《固定式压力容器安全技术检测规程》液氯储罐的工作温度-20℃—45℃,设计温度要大于最高工作温度,故选取设计温度t=50℃, 2.1.2设计压力的确定根据《固定式压力容器安全技术检测规程》 (1) 由上得液氯储罐的设计温度t=50℃,由本次的《化工设备机械基础》课程设计指导书查得,该温度下液氯的绝对饱和蒸汽压为1.303MPa 。
1.1材料选择纯液氨腐蚀性小,贮罐可选用一般钢材,但由于压力较大,可以考虑20R、16MnR.这两种钢种。
如果纯粹从技术角度看,建议选用20R类的低碳钢板, 16MnR 钢板的价格虽比20R贵,但在制造费用方面,同等重量设备的计价,16MnR钢板为比较经济。
所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。
1.2结构选择与论证1.2.1 封头的选择从受力与制造方面分析来看,球形封头是最理想的结构形式。
但缺点是深度大,冲压较为困难;椭圆封头浓度比半球形封头小得多,易于冲压成型,是目前中低压容器中应用较多的封头之一。
平板封头因直径各厚度都较大,加工与焊接方面都要遇到不少困难。
从钢材耗用量来年:球形封头用材最少,比椭圆开封头节约,平板封头用材最多。
因此,从强度、结构和制造方面综合考虑,采用椭圆形封头最为合理。
1.2.2容器支座的选择容器支座有鞍座,圈座和支腿三种,用来支撑容器的重量。
鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。
从应力分析看,承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越,因为多支承在粱内产生的应力较小。
所以,从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。
但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座,这是因为当支点多于两个时,各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等,均会影响支座反力的分市。
因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加,给容器的运行安全带来不利的影响。
所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个。
圈座一般对于大直径薄壁容器和真空操作的容器。
腿式支座简称支腿,因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力,故只适合用于小型设备(DN≤1600,L≤≤5m)。
综上考虑在此选择双个鞍式支座作为储罐的支座。
1.3法兰型式法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。
目录第一章绪论 (2)1.1设计任务 (2)1.2设计思想 (2)1.3设计特点 (2)第二章储罐简介 (3)2.1储罐的用途 (3)2.2储罐的分类 (3)第三章材料及结构的选择与论证 (4)3.1材料选择 (4)3.2结构选择与论证 (4)3.2.1.封头的选择 (4)3.2.2.法兰的选择 (4)3.3.液面计的选择 (5)3.4.鞍座的选择 (5)第四章结构设计 (6)4.1壁厚的确定 (6)4.2 封头厚度设计 (7)4.2.1 计算封头厚度 (7)4.3储罐零部件的选取 (8)4.3.1储罐支座 (8)4.3.2人孔的选择 (10)4.3.3接管和法兰的选择 (13)第五章强度校核 (14)5.1筒体强度校核 (14)5.2封头强度校核 (14)5.3鞍座受载分析和强度校核 (15)5.3.1双鞍座的筒体的轴向应力 (15)5.3.2筒体的轴向弯矩的计算 (16)5.3.3圆筒轴向应力计算及校核 (17)5.3.3切向剪应力的计算及校核 (18)5.3.4圆筒周向应力的计算和校核 (19)5.3.5 鞍座腹板应力校核 (20)5.4容器开孔补强 (20)5.4.1补强设计方法判别 (21)5.4.2有效补强范围 (21)5.4.3有效补强面积 (22)5.4.4补强面积 (22)参考文献 (23)第一章绪论1.1设计任务针对化工厂中的储罐,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,并编写设计说明书。
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,这样让设计有章可循,并考虑到结构方面的要求,合理地进行设计。
1.3设计特点容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管等组成。
常、低压化工设备通用零部件大都有标准,设计时可直接选用。
本设计书主要介绍了液罐的的筒体、封头的设计计算,低压通用零部件的选用。
卧式压力容器优化设计方法【摘要】本文就卧式压力容器优化设计方法进行了探讨,结合了具体的实例,系统分析了卧式压力容器的优化设计方法,并对比了优化方案,以期能获得理想的结构设计方案。
【关键词】卧式压力容器;壳体厚度;优化设计0 引言压力容器是专用的轻化工设备,其设计除了具有一般通用机械设计的共性之外,更要考虑生产和使用过程的安全性(如易燃、易爆、腐蚀等),使得优化设计参数增加及难度增大。
对于卧式压力容器来说,壳体的厚度并不是决定于内压强度的。
本文就卧式压力容器优化设计方法进行了探讨,旨在为优化卧式压力容器而提供参考借鉴。
1 容器概述介质为油气、污油、H2S,最高工作压力为0.2MPa,最高工作温度为200℃。
该容器的设计标准和现场自然条件见表1,容器主要受压元件标准椭圆形左、右封头,以及圆筒设计压力均为0.38MPa,设计温度为220℃,材料为Q245R(GB 712—2008),腐蚀裕量为3mm,焊接接头参数为1。
2 问题的提出查看容器的计算书可以发现,壳体的内压计算厚度仅为5.8mm,而原设计方案壳体的有效厚度为10.7mm,故壳体的最大允许工作压力(0.70MPa)远远高于设计压力(0.38MPa),壳体总体应力水平很低。
很明显,原设计方案中,壳体的厚度不是由内压,而是由容器某些位置(如支座截面处或最大弯矩截面处)的局部应力(表2中符号说明见JB/T4731—2005《钢制卧式容器》)决定的。
问题由此产生,能否通过优化结构设计,达到减薄壳体厚度的目的呢?当壳体的轴向应力、周向应力或剪应力不满足许用值时,通常采用增加壳体厚度;改变鞍座型式;设置加强圈三种方法来解决:原设计方案采用的是通过增加壳体厚度,降低壳体总的应力水平达到解决问题的目的,这也是目前大多数设计人员普遍采用的方法。
采用这种方法虽然简单易行,但得到的壳体厚度往往较大,材料的性能得不到有效的发挥和利用,不是优化的设计方案。
2.1 结构设计优化1)改变鞍座的型式鞍座的型式通常选用行业标准JB/T4712.1—2007《容器支座第1部分:鞍式支座》,其中有轻型和重型两大类,轻型(A型)为焊制,120°包角,有垫板;重型(B型)按型式(焊制或弯制)、包角(120°或150°)及有无垫板分为BⅠ、BⅡ、BⅢ、BⅣ、BⅤ等五种。
卧式容器第一节 概述卧式容器的设计,除按常规计算圆筒、封头外,还应验算支座处的局部应力。
此局部应力的计算取决于支座的结构型式。
卧室容器的支座型式有鞍式支座、圈座和支腿式支座。
一般对于大直径的薄壁容器和真空操作的卧式容器或支承点多于两个时可采用圈座。
支腿式支座结构虽简单,但由于支承反力集中于局部壳体上,故只适用于较轻的小型卧式容器。
对于较重的大设备,通常采用鞍式支座。
目前应用的鞍式支座,大多是双鞍座式。
从受力情况来分析,支座越多其容器内产生的应力越小,但由于地基不均匀的沉陷、基础水平度的误差或筒体不直、不圆等因素造成支座反力分布不均,反而使局部应力增大,因此一般都采用双支座。
对于此类卧式容器,其受力分析和强度设计都以齐克(L.P.Zick )提出的理论为基础,即将卧式容器当作受均布载荷的双支点的外伸简支梁来分析的,但这种近似分析所求得的各项应力与通过实验测定的各应力值并不完全相同,所以在应力计算式中进行了修正,并按应力的性质对各应力值进行了控制。
我国及其他不少国家都以此理论为依据制订卧式容器的设计规范。
第二节 卧式容器计算一、设计规范1、GB150《钢制压力容器》——国家标准适用范围:(1)鞍式支座(或圈座)支承的薄壁容器;(2)几何形状对称、载荷均布的容器;(3)承受非交变性载荷作用的容器;(4)两支座,且鞍座形心到封头切线之间的距离A ≤0.2L ;(5)鞍座包角θ在120°≤θ≤150°范围内。
2、HGJ16《钢制化工容器强度计算规定》——化工部标准适用范围:三鞍座卧式容器的设计和计算。
二、受力分析1、受力分析图、弯矩图和剪力图(见图1)2、外载荷(1) 设计压力p (内压或外压)(2)(2)均布载荷q容器的质量作用于假想的简支梁(即卧式容器)上,容器质量包括容器自身质量、充满水或所容介质的质量、所有附件及保温层等质量。
简支梁的长度为筒体L 加上两个封头的折算长度,封头折算长度2/3h i ;得单位长度载荷q 。
钢制卧式容器课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握钢制卧式容器的结构、性能、设计原理和应用范围。
通过本课程的学习,学生应能:1.描述钢制卧式容器的基本结构,包括壳体、封头、支撑结构等。
2.解释钢制卧式容器的工作原理,包括压力、温度、介质等对其性能的影响。
3.应用相关设计规范和计算方法,进行钢制卧式容器的基本设计。
4.分析钢制卧式容器在实际应用中可能遇到的问题,并提出解决方案。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分:1.钢制卧式容器的基本结构:介绍壳体、封头、支撑结构等的主要作用和设计要求。
2.钢制卧式容器的工作原理:讲解压力、温度、介质等对容器性能的影响,以及相关的安全规范。
3.钢制卧式容器的设计方法:介绍设计流程、计算方法、设计规范等。
4.钢制卧式容器的应用案例:分析实际应用中遇到的问题,探讨解决方案。
三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性,本课程将采用多种教学方法:1.讲授法:讲解基本概念、设计原理和规范。
2.讨论法:学生针对实际案例进行讨论,培养分析问题和解决问题的能力。
3.案例分析法:分析典型应用案例,加深学生对理论知识的理解。
4.实验法:安排实验室实践,让学生亲手操作,提高实际操作能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施,我们将准备以下教学资源:1.教材:选用权威、实用的教材,作为学生学习的主要参考。
2.参考书:提供相关领域的经典著作和最新研究成果,丰富学生的知识体系。
3.多媒体资料:制作课件、视频等,生动形象地展示容器的设计和应用。
4.实验设备:准备相关的实验设备,让学生能够在实践中学习和验证理论知识。
五、教学评估为了全面、客观地评估学生的学习成果,我们将采用以下评估方式:1.平时表现:评估学生在课堂上的参与度、提问和回答问题的表现等。
2.作业:布置适量作业,评估学生的理论知识掌握和应用能力。
3.考试:定期进行理论考试,评估学生对知识的全面理解和运用能力。
JB/T4731-2005 <<钢制卧式容器>>1.适用范围JB/T 4731适用于设计压力不大于35MPa,在均布载荷作用下,由两个对称的鞍式支座支承的常压及受压卧式容器,它不适用于:——直接火焰加热及受核辐射作用的卧式容器;——经常搬运的卧式容器;——带夹套的卧式容器;一一作疲劳分析的卧式容器:卧式容器设计是先根据操作压力(内压、外压)确定壁厚,再依据自重、风、地震及其他附加载荷来校核轴向、剪切、周向应力及稳定性,卧式容器设计还包括支座位置的确定及支座本身的设计。
13设计的一般规定3.5设计载荷(a).长期载荷设计压力——内压、外压;液体静压力;容器质量载荷——自身质量,容器所容纳的物料质量,保温层、梯子平台、接管等附件质量载荷。
(b).短期载荷风载、地震载荷(一般取地震载荷),水压试验充水重。
关于风载荷的考虑:卧式容器高度较低,风载荷与地震载荷相比较小。
另外,卧式容器支座在轴线方向的承载能力远小于垂直轴线方向的承载能力,故仅校核鞍座轴线方向的外载荷。
而卧式容器在筒体轴线方向的风载荷一般小于垂直轴线方向的风载2荷,故本标准对风载荷予以忽略。
但对于平坦,开阔且风载荷较大的地方,对垂直卧式容器筒体方向的风载荷引起的的地脚螺栓载荷应考虑予以校核。
(c).附加载荷在JB/T 4731的附录A中增加有卧式容器上的附加载荷。
这是考虑卧式容器上设有立式设备,如换热器、精馏柱、除氧头、液下泵、搅抖器等附属设备(高度均小于10m)时,它对卧式容器圆筒体产生附加弯矩及支座反力。
实质上,附加载荷也是一种长期载荷。
3.6 厚度附加量CC=C1+C2C1----钢材厚度负偏差,mm;C2----腐蚀裕量,mm.钢板或钢管的厚度负偏差按相应钢材标准的规定。
当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的0.6%时,在计算中负偏差可忽略不计。
33.6.1 腐蚀裕量C2为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄,应考虑腐蚀裕量.具体规定如下:a)对有腐蚀或磨损的元件,应根据预期的设计寿命和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量;b)卧式容器各元件受到的腐蚀程度不同时,可采用不同的腐蚀裕量;c)碳素钢或低合金钢卧式容器,腐蚀裕量不小于1mm。
卧式容器设计张哲峰蒋润华(中国石油工程建设公司新疆设计分公司、第一建设分公司)摘要:本文通过一个具体事例,对卧式容器中内压圆筒容器的受力、计算、分析,及其双鞍式支座的受力、计算、分析,描述了内压圆筒容器的整个设计计算过程,计算过程描述比较详细,可为以后的相关设计人员提供参考。
关键词:卧式容器内压圆筒容器设计计算分析1 主要设计参数设计压力p= 1.298Mpa 设计温度t= 190 ℃壳体内径Di =3600mm 筒体长度L0 =6320mm焊缝系数φ=0.85 腐蚀裕量C2 =2mm物料密度ρ=908.8KG/m3 设备充装系数ψ0 = 0.9鞍座JB/T 4712-2007 BⅠ3600-S δ4 =22 Q345R/Q345R2 计算圆筒、封头材质及厚度2.1 材质判断根据常规容器的常规经验,一般情况下,容器内部H2S含量偏高的话可选用Q245R 钢板,H2S含量不高或没有的话可选用Q345R钢板,同时通过厚度计算,判断选用比较经济的钢材。
2.2 厚度计算(1)采用Q345R板材时由GB150补充文件“关于《固定式压力容器安全技术监察规程》的实施意见”中钢板的许用应力表,利用插值法求得Q345R钢材厚度在16-36温度在190℃时的许用应力为[σ[t=172.6 Mpa。
0.4[σ]t φ = 0.4×172.6×0.85 = 58.684 MpaP c = 1.298 Mpa< 0.4[σ]t ψ = 58.684Mpa,按照GB150-1998中式(5-1)计算圆筒厚度:计算厚度1.2983600162[]2172.60.85 1.298c i t c P D mm P δσφ⋅⨯===-⨯⨯-最小厚度σmin = 2D i /1000 = 7.2 mm由于最小厚度小于计算厚度,故设计厚度为σd =σ+C 2 =16+2 = 18 mm由《石油化工设备设计便查手册》中查得厚度为8-25的钢板的厚度负偏差为C 1 = 0.8,故名义厚度为:σn =σd +C 1 = 18+0.8 = 18.8 mm ,圆整至20 mm(2)采用Q245R 板材时由GB150补充文件“关于《固定式压力容器安全技术监察规程》的实施意见”中钢板的许用应力表,利用插值法求得Q245R 钢材厚度在16-36温度在190℃时的许用应力为[σ]t =125.8 Mpa 。