鍋爐與壓力容器,課程設(shè)計封面及正文講解

1、夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計1 設(shè)計說明壓力容器：一般泛指在工業(yè)生產(chǎn)中用于完成反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、分離和儲存等生 產(chǎn)工藝過程，并能承受壓力載荷 (內(nèi)力、外力)的密閉容器。早期主要用于化學(xué)工業(yè)， 壓力多在 10 兆帕以下。合成氨和高壓聚乙烯等高壓生產(chǎn)工藝出現(xiàn)后，要求壓力容器 的壓力達(dá) 100 兆帕以上 。隨著化工和石油化工等工業(yè)的發(fā)展，壓力容器的工作溫度 范圍越來越寬，容量不斷增大，有些還要求耐介質(zhì)腐蝕。 20 世紀(jì) 60年代開始，核電 站的發(fā)展對反應(yīng)堆壓力容器提出了更高的安全和技術(shù)要求， 從而促進(jìn)了壓力容器的進(jìn) 一步發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)部門。壓力容器主要為圓柱形， 也有球形或其他形狀。

2、 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式， 可分為多層式壓 力容器，繞板式壓力容器、型槽繞帶式壓力容器、熱套式壓力容器、鍛焊式壓力容器 和厚板卷焊式壓力容器等。按安裝方式分類： 固定式壓力容器： 有固定安裝和使用地點， 工藝條件和操作人 員也較固定的壓力容器。 移動式壓力容器： 使用時不僅承受內(nèi)壓或外壓載荷， 搬運過 程中還會受到由于內(nèi)部介質(zhì)晃動引起的沖擊力， 以及運輸過程帶來的外部撞擊和振動 載荷，因而在結(jié)構(gòu)、使用和安全方面均有其特殊的要求。壓力容器的分類方法很多，從使用、制造和監(jiān)檢的角度分類，有以下幾種。(1) 按承受壓力的等級分為：低壓容器、中壓容器、高壓容器和超高壓容器。(2) 按盛裝介質(zhì)分為：非易燃、無毒；易

3、燃或有毒；劇毒。(3) 按工藝過程中的作用不同分為： 反應(yīng)容器：用于完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)的容器。 換熱容器：用于完成介質(zhì)的熱量交換的容器。 分離容器：用于完成介質(zhì)的質(zhì)量交換、氣體凈化、固、液、氣分離的容器。 貯運容器： 用于盛裝液體或氣體物料、 貯運介質(zhì)或?qū)毫ζ鹁彌_作用的容器。(4) 為了更有效地實施科學(xué)管理和安全監(jiān)檢，我國壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程中 根據(jù)工作壓力、 介質(zhì)危害性及其在生產(chǎn)中的作用將壓力容器分為三類。 并對每個類別 的壓力容器在設(shè)計、制造過程，以及檢驗項目、內(nèi)容和方式做出了不同的規(guī)定。其主要工藝參數(shù)如表 1.1 所示。表 1.1 主要工藝參數(shù)主要工藝參數(shù)罐內(nèi)夾套內(nèi)介質(zhì)酒精水溶液

4、水蒸汽操作壓力 (MPa)1.11.2操作溫度 ()100飽和蒸汽溫度公稱直徑( mm)12001300容積 (m3 )3.283.05傳熱面積 (m2 )9.52使用年限15第1頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計2 設(shè)計參數(shù)的選取2.1 設(shè)計壓力由于在本次設(shè)計的容器上裝有安全閥， 通常設(shè)計壓力為操作壓力的 1.05-1.10 倍， 在本次設(shè)計中采用 1.10 倍的操作壓力，即罐內(nèi)的設(shè)計壓力為 1.21 Mpa，夾套內(nèi)的設(shè) 計壓力為 1.32Mpa。2.2 設(shè)計溫度設(shè)計溫度是指容器在正常工作中， 在相應(yīng)設(shè)計壓力下， 金屬可能達(dá)到的最高或最 低溫度。根據(jù)設(shè)計要求，在 1.2Mpa 條件下，飽

5、和水蒸氣的溫度為 188，因此，設(shè) 計溫度為 200。2.3 材料的選擇及許用應(yīng)力確定容器的材料選用 16MnR，其在 200，厚度 16-36mm 的條件下，許用應(yīng)力為 159MPa，彈性模量為 186*103Mpa。在常溫狀態(tài)下，其許用應(yīng)力為 163MPa。屈服點 s=235Mpa。2.4 焊縫系數(shù)根據(jù)工藝要求，容器采用雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接焊，并采用大于20%的局部無損探傷，所以，焊縫系數(shù)為 0.85。1.C1鋼板負(fù)偏差（如表 1.1 所示）；C2腐蝕裕度。C2 要求厚度大于 1mm。所以厚度附加量在本次設(shè)2.5 附加厚度厚度附加量，主要包括兩部分 C1 的選擇主要與材料的厚度

6、有關(guān)， 計中選用值為 1.5mm。表 2.1 鋼板厚度負(fù)偏差選擇表鋼板厚度 / mm3.2-3.53.8-44.5-5.56-78-25負(fù)偏差 C1/ mm0.250.30.50.60.8第2頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計3 容器的幾何參數(shù)的確定3.1 描述設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)壓力容器工作原理： 罐體盛裝酒精溶液， 罐體上部安裝有攪拌裝置， 使酒精溶液 在加熱過程中得到均勻攪拌。在內(nèi)置容器上設(shè)置有進(jìn)料口、出料口、攪拌器口、壓力 表口、安全閥口、觀察口等工藝接口。在夾套上設(shè)置兩個蒸汽入口，夾套的下部設(shè)有 一個冷凝水出口。 蒸汽進(jìn)入夾套后， 對罐體內(nèi)的酒精溶液進(jìn)行加熱， 蒸汽冷凝成氺后 從冷凝水

7、出口流出。設(shè)備開口情況：壓力容器設(shè)備上共開有 11 個孔，連接有不同的接管。 a 孔位于 內(nèi)置容器上封頭的中心，用于連接攪拌器； b、e 孔為安全閥孔，同樣位于內(nèi)置容器 上封頭上； c、d 同樣位于內(nèi)置容器上封頭上， c 孔用于設(shè)置溫度表， d 孔用于設(shè)置壓 力表。3.2 確定各封頭參數(shù)罐體封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢球形封頭，其曲面高度 h1 為內(nèi)直徑的四分之 h1 Di / 4 1200 / 4 3m0m0,直邊高度 h2為50mm。3.3 筒體高度罐體高度包括高度和封頭高度，圓柱體高度一般為內(nèi)直徑的 2 倍，即：H1 2 Di(3.1)式中 H1 為圓柱體高度， mm；Di 為罐體直徑， mm。 罐體的

8、總高度為H H1 2 h1 2 h2(3.2)式中 h1 為橢球封頭曲面高度；h2為直邊高度；H1 為圓柱體高度， mm；根據(jù)公式 3.1和 3.2得罐體高度為 3.1m 查相應(yīng)手冊得出圓柱體部分一米高的體積為 1.131 m3,封頭的體積為 0.283m3。 罐體總體積 =2.4*1.131+0.283*2=3.28m3。第3頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計3.4 夾套高度一般來講，夾套的焊縫高度比液面高度低 10mm 左右，酒精的填充系數(shù)為 0.8， 可求得酒精的最大體積為 2.62m3，則酒精的在圓柱體內(nèi)的液面高度為 2.07 m，所以， 夾套的圓柱部分高度為 2.06m。夾套總高

9、度為圓柱部分高度與封頭部分高度之和為 2.76m。傳熱面積是指夾套內(nèi)的罐體表面積， 可知，一米高直徑為 1200mm 的圓柱體表面 積為 3.77m2，封頭的表面積為 1.75m2。傳熱面積為 =2.06*3.77+1.75=9.52m2。3.5 攪拌口法蘭尺寸的確定攪拌器為直葉開啟渦輪式，其槳葉直徑一般為罐體直徑的 0.2-0.5 倍，在本次設(shè) 計中，選擇直葉直徑為 0.25 倍的罐體直徑，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選取直徑為 280mm，內(nèi)徑為 298mm。因此選取公稱壓力為 1.6MPa 下的 16MnR 甲型平焊法蘭，其具體尺寸為公 稱直徑 DN=300mm，法蘭內(nèi)徑 328mm，法蘭厚度 32mm，法

10、蘭質(zhì)量 18.9kg。管子的 長度為 100mm，壁厚為 8mm，質(zhì)量為 0.366kg。3.6 窺鏡規(guī)格的確定窺視口 處無 接管 及法 蘭。窺視口的外徑 100mm 。視 鏡的 型號為視鏡 HGJ501-86-18，視鏡的外徑 D=100mm，D=200,螺柱數(shù)量 8，M=16 質(zhì)量為 12.5kg。3.7 其他法蘭接口尺寸的確定( 1)溫度計口法蘭：板式平焊法蘭( HG2059397)，公稱直徑 DN=80mm，質(zhì)量為 4.57kg。管子的長度為 100mm，壁厚為 8mm，接管外徑為 89mm，質(zhì)量為 0.366kg。( 2)壓力表口法蘭：板式平焊法蘭( HG2059397)，公稱直徑

11、DN=80mm，質(zhì)量為 4.57kg。管子的長度為 100mm，壁厚為 8mm，接管外徑為 89mm，質(zhì)量為 0.366kg。 (3)進(jìn)料口法蘭： 板式平焊法蘭( HG2059397)，公稱直徑 DN=80mm，質(zhì)量為 4.57 kg。管子的長度為 100 mm，壁厚為 8mm，接管外徑為 89mm，質(zhì)量為 0.366kg。 (4)出料口法蘭： 板式平焊法蘭( HG2059397)，公稱直徑 DN=80mm，質(zhì)量為 4.57 kg。管子的長度為 100mm，壁厚為 8mm，接管外徑為 89mm，質(zhì)量為 0.366kg。( 5)蒸汽入口法蘭：板式平焊法蘭( HG2059397)，公稱直徑 DN=

12、80mm，質(zhì)量為 4.57 kg。管子的長度為 100mm，壁厚為 8mm，接管外徑為 89mm，質(zhì)量為 0.366kg。 (6)冷凝水出口法蘭：板式平焊法蘭( HG20593 97)，公稱直徑 DN=80mm，質(zhì)量 為 4.57 kg。管子的長度為 100mm，壁厚為 8mm ，接管外徑為 89mm ，質(zhì)量為 0.366kg。 (7)安全閥口法蘭：安全閥 (safety valve)：安全閥類的作用是防止管路或裝置中的介質(zhì)壓力超過規(guī)定 數(shù)值，從而達(dá)到安全保護(hù)的目的。安全閥是一種安全保護(hù)用閥， 它的啟閉件受外力作用下處于常閉狀態(tài)， 當(dāng)設(shè)備或 管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高， 超過規(guī)定值時自動開啟， 通過

13、向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來防止管道第4頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計或設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值。 安全閥屬于自動閥類， 主要用于鍋爐、 壓力容器和 管道上，控制壓力不超過規(guī)定值，對人身安全和設(shè)備運行起重要保護(hù)作用。本次設(shè)計的為蒸汽壓力容，可以選用全啟式安全閥。由于設(shè)備最高壓力為 1.32 所以確定安全閥的公稱壓力為 1.6Mpa。壓力容器安全泄放量的計算 ,本次設(shè)計的介質(zhì)為水蒸汽容器，所以按以下公式計2.55 105 FAr0.823.3)Wsrq式中 Ws 壓力容器的安全泄放量， /h；q 在泄放壓力下氣化潛熱， KJ /kg ；F 系數(shù)， F=1；Ar0.82 受熱面積。由式 3.1 計

14、算得2.55 105 1 9.520.8227900.579t/h3.4)安全閥排量計算公式：G 0.235A(10.2p 1)K式中 A 為安全閥的流通面積， mm2；G 為安全閥排量， kg/h ；p 為安全閥入口蒸汽壓力， MPa；K 為安全閥入口處蒸汽比容系數(shù)，查表的 K=1 ；出于安全考慮，安全閥的排量必須大于等于壓力容器的安全泄放量，及GWsA 0.25 d 2其中 d 為安全閥的流道直徑由上可得 d=46.58 mm查表可知，應(yīng)選用 A48Y-16C 型安全閥，公稱壓力 1.6Mpa，公稱直徑 Di=80mm， 流道直徑 50mm，適用溫度 350。安全閥口法蘭及接管采用法蘭公稱

15、通徑 Di=80， 公稱壓力 1.6Mpa，法蘭內(nèi)徑 91 mm，外徑 111mm，法蘭厚度 20 mm，質(zhì)量 3.59kg。 管子長度 100 mm，接管壁厚 4mm，接管外徑為 89mm，質(zhì)量 0.356kg。第5頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計4 罐體強度設(shè)計4.1 罐體筒體內(nèi)壓強度設(shè)計罐體筒體部分內(nèi)壓計算的公式為= Pc Di2 t Pc式中 為計算壁厚， mm； Pc為計算壓力， MPa；Di 為容器內(nèi)徑， mm； t 為設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力， MPa； 為焊縫系數(shù)；4.2)4.3)4.4)PcDi1.21 1200= c i = =5.42 tPc 2 159 0.85

16、1.21n= d+ C1e= nC式中d 為設(shè)計壁厚， mm； n為名義壁厚， mm； e為有效壁厚 ，mm；C 為壁厚附加量， mm；C=C2+C1；C1 為鋼板負(fù)偏差， mm； C2 為腐蝕裕量， mm；由公式 4.1 得罐體筒體的計算壁厚為 5.4mm。由公式 4.2，4.3，4.4 得，名義壁厚為 7mm4.2 罐體封頭內(nèi)壓強度設(shè)計罐體橢球封頭部分內(nèi)壓計算的公式為KPcDi= t c i( 4.52 t 0.5Pc式中 為計算壁厚， mm； Pc為計算壓力， MPa；Di 為容器內(nèi)徑， mm； t為設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力， MPa；為焊縫系數(shù)； K=1 ；1 1.21 1200KPc

17、 Di1 1.21 1200=5.4由公式 2.7 得2 t 0.5Pc 2 159 0.85 0.5 1.21罐體橢球封頭的計算壁厚為 5.4mm。由公式 4.2，4.3，4.4 得，名義壁厚為 7mm4.3 罐體筒體外壓穩(wěn)定性設(shè)計4.6)罐體筒體部分外壓計算的過程為D0 Di 2第6頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計L=H 1+2/3h1p= D0Be式中 D0 為容器外徑， mm；Di 為容器內(nèi)徑， mm； L 為計算長度， mm；n 為容器名義壁厚， mm；h1 為封頭曲面高度， mm； H1為筒體高度，4.7)4.8)mm；B 為系數(shù)， MPa。由公式假設(shè)筒體名義厚度為 n=7m

18、m。查的 C1=0.5，由公式 4.6 得 D0=1214mm， 4.4得， e =5.5mm。由公式 4.7 得L= H 1+2/3h1 =2400+2/3300=2600mm。求得 L/D 0=2.14。 D0/ e =220.73，查得 A=0.00092，B=116。由公式 4.8 得p= B =116/220.73=0.526MPa。D00e同理，筒體名義厚度為 n=16mm。求得 p=1.365MPa。 筒體名義厚度為 n=15mm。求得 p=1.273MPa。由以上可知，當(dāng)筒體名義厚度為 n=7mm 或 15mm 時，其許用外壓力小于設(shè)計 壓力 1.32MPa，不符合要求。而筒體

19、名義厚度為 n=16mm 時，其許用外壓力大于設(shè) 計壓力 1.32MPa，符合要求。故筒體名義厚度為 n=16mm。罐體封頭部分外壓計算的過程為R0=k1D0(4.9)(4.10)4.4 罐體封頭外壓穩(wěn)定性設(shè)計0.125R0ep=BR0e(4.11)式中 D0為容器外徑， mm；B為系數(shù)， MPa。假設(shè)封頭名義厚度為 n=7mm。查的 C1=0.5，由公式 4.4 得， e=5.5mm 。由公式 4.9 得 R0=607mm。求得 R0/ e=110.36，由公式 4.10 得 A=0.0011，查得 B=132。由公式 4.11 得p=B =132/110.36=1.196MPa。R0 e同

20、理，求得封頭名義厚度為 n=8mm 時， p=1.411MPa。 從結(jié)果上分析，當(dāng)名義厚度為 8mm 時較為合適，但是筒體厚度為 16mm，考慮 加工時的問題，封頭厚度為 16mm。第7頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計5 夾套強度設(shè)計5.1 夾套筒體內(nèi)壓強度設(shè)計夾套部分只承受內(nèi)壓， 其內(nèi)部壓力為 1.32MPa。夾套壁厚可以由罐體內(nèi)壓計算過 程同理求得。由公式 4.1 得PcDi2 tPc=6.4= 1.32 1300 =2 159 0.85 1.32夾套筒體部分的計算壁厚為 6.4 mm。由公式 4.2，4.3，4.4得，夾套筒體部分的 名義厚度為 8mm。5.2 夾套封頭內(nèi)壓強度設(shè)計

21、由公式 4.5 得KPc Di1 1.32 1300= t = =6.42 t 0.5Pc 2 159 0.85 0.5 1.32夾套封頭部分的計算壁厚為 6.4 mm。由公式 4.2，4.3，4.4得，夾套封頭的名義 厚度為 8mm。第8頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計6 罐體與夾套連接處剪切強度設(shè)計6.1 罐體質(zhì)量計算罐體質(zhì)量由筒體和封頭質(zhì)量構(gòu)成。查得筒體質(zhì)量為 480kg，封頭質(zhì)量為 238kg；夾套 筒體質(zhì)量為 531.5 kg，夾套封頭質(zhì)量為 131.7 kg。罐體質(zhì)量 M1= 2.4662+2315+2.06531.5+131.7=3444.6kg6.2 罐體內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量計算介

22、質(zhì)質(zhì)量以與罐體體積相同的水的質(zhì)量來計算，結(jié)果為 M2=3280kg。6.3 罐體上法蘭及其他附屬件質(zhì)量計算其他附件及法蘭質(zhì)量見 3.5，3.6，3.7 節(jié)。整個質(zhì)量之和為 M3=63.04kg。6.4 總負(fù)荷計算G=(M1+ M2+ M3) 9.8=66518.9N6.5 焊縫連接處環(huán)形面積計算2FD03.14 (1200 16) 16 0.85 51928.06mm26.6 焊縫連接處剪切應(yīng)力校核G66518.99.8 9.8 12.55 Mpa F51928.060.8 0.8 159 127.2MPa所以焊接處應(yīng)力校核滿足要求。第9頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計7 開孔補強計算不

23、需開孔補強計算的最大直徑的計算公式為7.1)7.2)d 8.13 Di e(1 K)pDi(2 p) e式中 d 為不需開孔補強計算的最大直徑， mm； Di 為容器內(nèi)徑， mm ； 為殼體計算厚度， mm； K 為筒體壁厚富裕程度系數(shù)。 根據(jù)公式 4.1,4.2 得pDi(2 p) e1.21 1200=0.849(2 159 1.21) 5.4d 8.13 Di e(1 K) 8.131200 5.4(1 0.849) 80.41在罐體上，需要進(jìn)行開口補強的最小開孔直徑為 80.41mm。根據(jù)第 3 節(jié)可得，罐體上只有攪拌口需要進(jìn)行開孔補強計算， 開孔補強計算采用 的是等面積補強法。A d

24、 2 （ nt C）（1 fr ）（7.3）式中 A 為因開孔而削弱的金屬面積， mm2；d 為開孔內(nèi)直徑， mm ； 為殼體計算厚度， mm； nt 為接管計算厚度， mm； fr 為強度削弱系數(shù)， fr=1。 計算 A=2985.4=1609.2mm2接管計算厚度計算得 nt=4.56mmnt =KPcDi2 t0.5Pc（7.4）h1d nt（7.5）式中 h1 為接管有效高度，mm；nt為接管計算厚度，mm。計算 h1=59.80mmB=max2d,d+2 n+2nt（7.6）第 10 頁夾套管設(shè)計 沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計 式中 n 為殼體名義厚度， mm；nt 為接管計算厚度，

25、mm； d 為開孔內(nèi)直徑， mm 。A1 (B d)( n C) 式中 A1 為殼體上超過計算厚度的多余金屬面積， mm2； n 為殼體名義厚度， mm； d 為開孔內(nèi)直徑， mm 。2A 1=2622.4 mm2A2 2h1( nt C) t fr式中 A2 為接管上超過計算厚度的多余金屬面積， mm2； nt 為接管計算厚度， mm； fr 為強度削弱系數(shù)， fr=1； h1 為接管有效高度， mm。2A 2=437.90 mm22 A3=0.516162=256mm2 殼體上超過計算厚度的多余金屬面積為 2622.4 mm2。根據(jù)公式 計算厚度的多余金屬面積為 437.90mm2。開孔補

26、強的條件為：AA 1+A2+A3式中 A3 為補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積， mm2；7.7)7.8)7.8 得接管上超過(7.9)A1 為殼體上超過計算厚度的多余金屬面積， mm2； A2 為接管上超過計算厚度的多余金屬面積， mm2； A 為因開孔而削弱的金屬面積， mm2。 由公式 7.9 可知攪拌器口不需要開孔補強。第 11 頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計8 水壓實驗壓力確定8.1 罐體水壓實驗校核8.1.1 罐體筒體封頭內(nèi)壓水壓實驗壓力確定水壓試驗的壓力公式為PTp t8.1)式中 PT 為水壓試驗的壓力， MPa； 為試驗壓力系數(shù)， =1.2；5 為試驗溫度下的材料許用應(yīng)力，

27、MPa 由公式 5.1 得PTp t 1.25 1.21 163 1.551 MPaT t159水壓試驗應(yīng)力校核公式為8.2)PT (Pie)2e式中 Se 為計算壁厚， mm；Pc為計算壓力， MPa；Di 為容器內(nèi)徑， mm； 為焊縫系數(shù)； K=1；PT 為水壓試驗的壓力， MPa； 罐體的水壓試驗壓力為 1.551MPa。由公式 5.2，5.3 得PT (Pie)2e1.551 (1200 14.5)2 14.5 0.8576.42 MPaPT (KDi 0.5 e)2e1.551 (1200 0.5 14.5)2 14.5 0.8575.96 MPa水壓試驗下罐體筒體和封頭的許用應(yīng)力分別為于材料的許用應(yīng)力，所以其設(shè)計符合要求。76.42MPa 和 75.96MPa。其值均小8.1.2 罐體筒體封頭在水壓實驗壓力下的穩(wěn)定性校核外壓水壓實驗公式為PT 1. 2P5 1 .25 1 . 21 M1Pa第 12 頁夾套管設(shè)計沈陽航空工業(yè)學(xué)院 課程設(shè)計