《鍋爐壓力容器安全》課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《鍋爐壓力容器安全》</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　專 業(yè) 安 全 工 程 </p><p>　　課程名稱 壓力容器與管道安全 </p>

2、<p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　姓 名 </p><p><b>　　二○一三年十二月</b></p><p><b>　　目 錄<

3、;/b></p><p>　　1、課程設(shè)計(jì)概述3</p><p>　　1.1設(shè)計(jì)目的與任務(wù)3</p><p>　　1.2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容概要3</p><p><b>　　1.3設(shè)計(jì)題目4</b></p><p>　　2、筒體和附件材料的選擇4</p><p>

4、　　2.1封頭的選擇4</p><p>　　2.2支座的選取5</p><p>　　3、筒體和封頭的厚度計(jì)算5</p><p>　　3.1筒體壁厚的計(jì)算5</p><p>　　3.2封頭壁厚的計(jì)算5</p><p><b>　　4、鞍座的計(jì)算6</b></p><p

5、>　　4.1 罐體質(zhì)量6</p><p>　　4.2其它附件質(zhì)量6</p><p>　　5、筒體軸向應(yīng)力校核6</p><p>　　6、筒體軸向應(yīng)力計(jì)算7</p><p>　　6.1由彎矩引起的軸向應(yīng)力7</p><p>　　6.2由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力7</p><p>　

6、　6.3軸向應(yīng)力組合與校核7</p><p>　　7、筒體和封頭切向應(yīng)力校核8</p><p>　　7.1筒體切向應(yīng)力計(jì)算8</p><p>　　7.2封頭切向應(yīng)力計(jì)算8</p><p>　　8、筒體環(huán)向應(yīng)力校核8</p><p>　　9、鞍座有效斷面平均壓力9</p><p>　　

7、9.1支座承受的水平分力9</p><p>　　9.2鞍座有效斷面平均應(yīng)力9</p><p>　　10、開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算9</p><p>　　10.1 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積9</p><p>　　10.2有效寬度計(jì)算10</p><p>　　10.3 有效高度計(jì)算10</p><p>　

8、　10.4 補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算10</p><p>　　10.5 補(bǔ)強(qiáng)圈厚度計(jì)算11</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)12</b></p><p>　　附圖：設(shè)備結(jié)構(gòu)樣圖13</p><p><b>　　1、課程設(shè)計(jì)概述</b></p><p>　　1.1設(shè)計(jì)目的與任務(wù)

9、</p><p>　　本課程設(shè)計(jì)是在學(xué)完《鍋爐壓力容器安全》之后綜合利用所學(xué)知識(shí)完成一個(gè)壓力容器設(shè)計(jì)。該課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)如下：</p><p>　　1.是通過解決一、兩個(gè)實(shí)際問題，鞏固和加深對(duì)壓力容器的結(jié)構(gòu)、原理、特性的認(rèn)識(shí)和基本知識(shí)的理解，提高綜合運(yùn)用課程所學(xué)知識(shí)的能力。</p><p>　　2.培養(yǎng)根據(jù)課題需要選學(xué)參考書籍，查閱手冊、圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力。

10、通過獨(dú)立思考，深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會(huì)自己分析解決問題的方法。</p><p>　　3.通過實(shí)際設(shè)計(jì)方案的分析比較，設(shè)計(jì)計(jì)算，元件選擇等環(huán)節(jié)，初步掌握工程中壓力容器設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　4.培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度。通過課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，逐步建立正確的生產(chǎn)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和全局觀點(diǎn)，獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。</p><p&g

11、t;　　1.2課程設(shè)計(jì)內(nèi)容概要</p><p>　　重點(diǎn)主要包括：容器殼體開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及局部應(yīng)力計(jì)算、臥式容器設(shè)計(jì)三部分。學(xué)習(xí)難點(diǎn)主要集中在容器殼體開孔及應(yīng)力集中、局部應(yīng)力計(jì)算和臥式容器筒體應(yīng)力分析。在學(xué)習(xí)這一部分內(nèi)容的時(shí)候，不但要深刻理解開孔周邊受力分析、圓柱筒體和球殼局部的受力分析及臥式容器殼體各部分的受力分析，掌握相關(guān)公式推導(dǎo)方法，關(guān)鍵要學(xué)習(xí)準(zhǔn)確選擇研究對(duì)象如何進(jìn)行應(yīng)力限制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在課堂教學(xué)

12、時(shí)為了較好地解決這些問題，讓學(xué)生理解并掌握這些重點(diǎn)，我們主要采用：</p><p>　　a.課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡述殼體開孔周邊應(yīng)力、殼體基本應(yīng)力和臥式容器各部分應(yīng)力的分布情況；</p><p>　　b.制作大量的圖片和flash動(dòng)畫，采用多媒體技術(shù)，講解壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；</p><p>　　c.歸納規(guī)律，增加例題講解，讓學(xué)生能夠全面理解掌握容器

13、殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法和臥式容器設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　本課程的主要內(nèi)容是按照課程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求完成課內(nèi)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)及理論設(shè)計(jì)，進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)，并完成綜合實(shí)踐報(bào)告。</p><p><b>　　1.3設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　某廠需添置一臺(tái)液氨貯罐，已知：設(shè)計(jì)壓力p=1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度T=40℃，容器內(nèi)徑D=12

14、00mm，容積V=2.8立方米，設(shè)備充裝系數(shù)0.9，采用鞍式支座。試設(shè)計(jì)該設(shè)備。</p><p>　　根據(jù)已知的條件，按照以下順序進(jìn)行設(shè)計(jì)：</p><p>　　1.主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—筒體、封頭、接管、法蘭密封、鞍座及其位置。</p><p>　　2.主要材料—焊縫和探傷3.筒體和封頭的厚度計(jì)算4.計(jì)算鞍座反力</p><p>　　5.筒體軸向應(yīng)

15、力校核6.筒體和封頭切向剪應(yīng)力校核7.筒體環(huán)向應(yīng)力校核</p><p>　　8.鞍座有效斷面的平均應(yīng)力校核9.開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算10.設(shè)備結(jié)構(gòu)總圖</p><p>　　說明：全班分為6組，第一組為原題，以后第二組設(shè)計(jì)壓力加0.2MPa，溫度加2度，內(nèi)徑加20mm，容積加0.2立方米；</p><p>　　第三組設(shè)計(jì)壓力加0.3 MPa，溫度加3度，內(nèi)徑加30mm，容積加0

16、.3立方米；</p><p>　　第四組設(shè)計(jì)壓力加0.4 MPa，溫度加4度，內(nèi)徑加40mm，容積加0.4立方米；</p><p>　　第五組設(shè)計(jì)壓力加0.5MPa，溫度加5度，內(nèi)徑加50mm，容積加0.5立方米；</p><p>　　第六組設(shè)計(jì)壓力減0.1 MPa，溫度減1度，內(nèi)徑減10mm，容積減0.1立方米；</p><p>　　【通過

17、班級(jí)分組，我組采用第六組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算】</p><p>　　2、筒體和附件材料的選擇</p><p>　　純液氨腐蝕性小，貯罐可選用一般碳素鋼，壓力容器專用鋼板為20R，另外還有一些合金鋼，如16MnR、15MnVR等也適合做為壓力容器的鋼板。</p><p><b>　　2.1封頭的選擇</b></p><p>　

18、　幾何方面，就單位容積的表面積來說，以半球形封頭為最小。橢圓形和蝶形封頭的容積和表面積基本相同，可以近似認(rèn)為相等。力學(xué)方面，在直徑、厚度和計(jì)算壓力相同的條件下，半球形封頭的應(yīng)力最小，二向薄膜應(yīng)力相等，而沿經(jīng)線的分布式均勻的。</p><p>　　如果與壁厚相同的圓筒體連接，邊緣附近的最大應(yīng)力與薄膜應(yīng)力并無明顯不同。橢圓形封頭的應(yīng)力情況就不如半球形封頭均勻。由應(yīng)力分析可知，橢圓形封頭沿經(jīng)線各點(diǎn)的應(yīng)力是變化的，頂點(diǎn)處

19、應(yīng)力最大，在赤道上可能出現(xiàn)環(huán)向內(nèi)壓應(yīng)力，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭與壁厚相等的圓筒體相連接時(shí)，其可以達(dá)到與筒體等強(qiáng)度[2]。</p><p><b>　　2.2支座的選取</b></p><p><b>　　本題目為鞍式支座。</b></p><p>　　3、筒體和封頭的厚度計(jì)算</p><p>　　3.1

20、筒體壁厚的計(jì)算</p><p>　　筒體的理論計(jì)算壁厚公式為[2]：</p><p>　　式中 δ——筒體的理論計(jì)算壁厚，mm；</p><p>　　pc——筒體計(jì)算壓力，MPa；</p><p>　　Di——筒體內(nèi)徑，mm；</p><p>　　[σ]t——鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa;</p>

21、<p>　　——焊接接頭系數(shù)，其值為1。</p><p>　　取計(jì)算壓力pc=p=1.5MPa，筒體內(nèi)徑Di=DN=1190mm，查表2.1知16MnR在設(shè)計(jì)溫度為39℃時(shí)的許用應(yīng)力為[σ]t=163MPa，將這些數(shù)值代入公式(3.1)計(jì)算出筒體的計(jì)算厚度為：</p><p>　　由于液氨對(duì)金屬有一定的腐蝕，取腐蝕裕量C2=2mm，故筒體的設(shè)計(jì)厚度為：</p>&

22、lt;p>　　由鋼板厚度負(fù)偏差表查得C1=0.8mm，故名義壁厚為：</p><p>　　圓整后取δn=8mm。</p><p>　　3.2封頭壁厚的計(jì)算</p><p>　　采用的是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，各參數(shù)與筒體相同，其厚度計(jì)算式為</p><p><b>　　設(shè)計(jì)厚度為：</b></p><p

23、><b>　　名義厚度為：</b></p><p>　　取δn=8mm，查得標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度(JB/T4737-95)為h0=25mm。</p><p><b>　　4、鞍座的計(jì)算</b></p><p>　　首先粗略計(jì)算鞍座負(fù)荷。貯罐總質(zhì)量為：</p><p>　　儲(chǔ)罐總質(zhì)量M= M

24、1+ M2+ M3 式中M1—罐體質(zhì)量，kg ； M2—封頭質(zhì)量，kg；M3—液氨質(zhì)量，kg。</p><p><b>　　4.1 罐體質(zhì)量</b></p><p>　　DN=1190 mm，=8 mm的筒節(jié)，查得每米質(zhì)量為370kg/m,由查得筒體每米長的容積=1.12/m，查得封頭每米長的容積=0.33/.然后由V=2V封+V筒=2V2+V1L=2×

25、0.33+1.12L=2.8；</p><p>　　解得L=1.9m，取公稱直徑DN=1190mm，壁厚δ=8mm的筒體，查表得每米質(zhì)量是q1=190kg/m，所以M4=2×190+1.9×370=1083 kg；</p><p>　　由于整個(gè)罐的容積為2.8,故其水壓試驗(yàn)時(shí)罐內(nèi)的水重為M2=2.8×1000=2800㎏。</p><p&g

26、t;<b>　　4.2其它附件質(zhì)量</b></p><p>　　人孔質(zhì)量約為85 kg,其他接管質(zhì)量和按200 kg計(jì)，于是，設(shè)備總質(zhì)量為M= M1+ M2+ M3 =2800+1083+（85+200）=4168 kg；</p><p>　　由以上計(jì)算內(nèi)容的鞍座反力G=Mg=41680N。</p><p>　　5、筒體軸向應(yīng)力校核</p

27、><p>　　筒體中間處截面的彎矩為</p><p>　　式中F——鞍座反力(N)；</p><p>　　Rm——橢圓封頭長半軸外半徑(mm)；</p><p>　　L——兩封頭切線之間的距離(mm)；</p><p>　　A——鞍座的位置(mm)；</p><p>　　hi——筒體內(nèi)半徑(mm)；

28、</p><p><b>　　所以可得：</b></p><p>　　6、筒體軸向應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　6.1由彎矩引起的軸向應(yīng)力</p><p>　　圓筒中間截面上最高點(diǎn)處：</p><p><b>　　最低點(diǎn)處：</b></p><p>&

29、lt;b>　　鞍座截面處：</b></p><p><b>　　最高點(diǎn)處：</b></p><p>　　6.2由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力</p><p>　　6.3軸向應(yīng)力組合與校核</p><p>　　最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在筒體中間截面最低點(diǎn)處, 于是</p><p>　　許用軸向

30、拉壓應(yīng)力[σ]t=163MPa，合格。</p><p>　　最大軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在充滿水時(shí)，在筒體中間截面的最高點(diǎn)處</p><p><b>　　軸向許用應(yīng)力:</b></p><p>　　根據(jù)A值查外壓容器設(shè)計(jì)的材料溫度線圖查得B=130MPa，取許用壓縮應(yīng)力，合格。</p><p>　　7、筒體和封頭切向應(yīng)力校核<

31、;/p><p>　　7.1筒體切向應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　查表得K3=0.880，K4=0.401。于是</p><p>　　7.2封頭切向應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　所以可以得出合格。 </p><p>　　8、筒體環(huán)向應(yīng)力校核</p>&l

32、t;p>　?。?）在鞍座處橫截面最低點(diǎn)處 </p><p>　　式中b2——筒體有效寬度。</p><p>　　查得K5=0.7603，K6=0.0132。式中k=0.1考慮容器焊在鞍座上</p><p>　　式中b——支座軸向?qū)挾取?lt;/p><p><b>　　于是&l

33、t;/b></p><p><b>　　故</b></p><p>　?。?）鞍座邊角處軸向應(yīng)力</p><p><b>　　因?yàn)?，所?lt;/b></p><p><b>　　（3）環(huán)向應(yīng)力校核</b></p><p><b>　　合格；&

34、lt;/b></p><p><b>　　合格。</b></p><p>　　9、鞍座有效斷面平均壓力</p><p>　　9.1支座承受的水平分力</p><p>　　查得K9=0.204。</p><p>　　9.2鞍座有效斷面平均應(yīng)力</p><p>　　式中H

35、s——鞍座計(jì)算高度；b0——鞍座腹板厚度。</p><p>　　其中Hs取鞍座實(shí)際高度（Hs=250mm）中的最小值，即Hs=250mm。腹板厚度</p><p><b>　　于是可得：</b></p><p><b>　　應(yīng)力校核：</b></p><p>　　式中，鞍座材料16MnR的許用應(yīng)力。

36、</p><p>　　10、開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算</p><p>　　由于人孔的筒節(jié)不是采用無縫鋼管，故不能直接選用補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)。由表知本設(shè)計(jì)所選用的人孔筒節(jié)內(nèi)徑di＝450mm，壁厚δnt＝10mm。據(jù)此差得補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸(JB/T 4736-2002)為：外徑D2=760mm，內(nèi)徑D1=450+2×10+14=484mm。</p><p>　　開孔補(bǔ)強(qiáng)的有關(guān)計(jì)算參

37、數(shù)如下: </p><p>　　10.1 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積</p><p>　　內(nèi)壓容器的圓筒開孔后所需的補(bǔ)強(qiáng)面積為:</p><p>　　式中 d——開孔直徑，圓形孔取接管內(nèi)直徑加兩倍壁厚附加量，mm；</p><p>　　δ——?dú)んw開孔處的計(jì)算厚度，mm；</p><p>　　δet——接管有效厚度，mm；<

38、/p><p>　　fr——強(qiáng)度削弱系數(shù)，等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值。</p><p>　　對(duì)于圓筒，殼體開口出的計(jì)算厚度為：</p><p><b>　　開孔直徑</b></p><p>　　由于接管材料與殼體材料都為16MnR，故fr=1，將這些數(shù)據(jù)代入式(3.4)得：</p><p

39、><b>　　開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積</b></p><p>　　10.2有效寬度計(jì)算</p><p>　　二者中取較大值B=911.2mm。</p><p>　　10.3 有效高度計(jì)算</p><p>　　(1) 外側(cè)高度h1</p><p>　　二者中取較小值h1=73.94mm；</p

40、><p>　　(2) 內(nèi)側(cè)高度h2</p><p>　　二者中取較小值h2=0mm。</p><p>　　10.4 補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算</p><p>　　在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積按下式計(jì)算</p><p>　　A1——?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,</p><p>　　A2——接管

41、有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,</p><p>　　A3——焊縫金屬截面積,</p><p><b>　　計(jì)算如下：</b></p><p>　　其中接管有效厚度為，故</p><p>　　其中接管計(jì)算厚度為，故</p><p>　　焊縫金屬截面積，故補(bǔ)強(qiáng)面積Ae為</p>&

42、lt;p>　　由于，故開孔需另加補(bǔ)強(qiáng)，其另加補(bǔ)強(qiáng)面積為</p><p>　　10.5 補(bǔ)強(qiáng)圈厚度計(jì)算</p><p>　　圓整后取，補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料相同為16MnR。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》第五版  刁與瑋，王立業(yè) 

43、; 2003.3 </p><p>　　[2]《管道及儲(chǔ)罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)》帥鍵 2006.06 </p><p>　　[3]《化工機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)》韓葉象 北京化工學(xué)院出版社 </p><p>　　[4]《壓力過程設(shè)備設(shè)計(jì)》李福寶，李勤 化學(xué)工業(yè)出版社2010</p><p>　

44、　[5].王洪海等.內(nèi)壓式儲(chǔ)罐最佳長徑比研究.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2002.2 </p><p>　　[6].蔡紀(jì)寧，張秋翔編.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000.6 </p><p>　　[7].刁玉瑋，王立業(yè)編.化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（第五版）.大連理工大學(xué)出版社.2006.12 </p><p><b&g