机电工程学院空气储罐设计

齐齐哈尔大学设备设计课程设计题目名称：空气储罐设计学院：机电工程学院专业班级：过控102学生姓名：王国涛指导教师：刘岩完成日期： 2013-12-20目录摘要3绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4第一章压缩空气的特性5第二章设计参数的选择6第三章容器的结构设计73.1圆筒厚度的设计73.2封头厚度的计算73.3筒体和封头的结构设计83.4人孔的选择93.5接管，法兰，垫片和螺栓（柱）93.6鞍座选型和结构设计12第四章开孔补强设计154.1补强设计方法判别154.2有效补强范围154.3有效补强面积164.4补强面积17第五章强度计算185.1水压实验应力校核185.2圆筒轴向弯矩计算185.3圆筒轴向应力计算及校核205.4切向剪应力的计算及校核225.5圆筒周向应力的计算和校核235.6鞍座应力计算及校核25第六章归纳总结28参考文献29摘要本说明书为《3.0m3空气储罐设计说明书》。

扼要介绍了卧式储罐的特点及在工业中的广泛应用，详细的阐述了卧式储罐的结构及强度设计计算及制造、检修和维护。

本文采用分析设计方法，综合考虑环境条件、液体性质等因素并参考相关规范，按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、鞍座、接管进行设计，然后采用1SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计技术方案。

设计结果满足用户要求，安全性与经济性及环保要求均合格。

关键词：压力容器、卧式储罐、结构设计、强度校核、开孔补强绪论1.1 设计任务：针对化工厂中常见的液氨储罐，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，并便携设计说明书。

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规范或国家规范，这样设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，综合的进行设计。

1.3 设计特点：容器的设计一般由筒体,封头，法兰，支座，接管等组成。

常，低压化工设备通用零部件大都有规范，设计师可直接选用。

本设计书主要介绍了液罐的筒体，封头的设计计算，低压通用零部件的选用。

各项设计参数都正确参考了行业使用规范或国家使用规范，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理的进行设计。

第一章压缩空气的特性中文名称：压缩空气English name： compressed air主要成分：氮气、氧气等。

外观与性状：无色无味沸点(℃)：－192℃（101.3千帕）相对密度(水=1)： 0.9健康危害：无环境危害：无燃烧危险：无危险特性：高压常温储存，高温剧烈震动易爆。

特性总述：压缩空气，即被外力压缩的空气。

它具有下列明显的特点：清晰透明，输送方便，没有特殊的有害性能，没有起火危险，不怕超负荷，能在许多不利环境下工作，空气在地面上到处都有，取之不尽。

来源：大气中的空气常压为0.1Mpa，经过空气压缩机加压后达到理想的压力。

作用或用途：压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。

第二章 设计参数的选择1、设计题目：压缩空气储罐设计2、最高工作压力：0.253a MP3、工作温度：0-100C ︒4、工作介质：压缩空气5、全容积：3.03m6、设计压力：0.25a MP7、设计温度：100C ︒8、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为1200mm 。

9、焊接接头系数：1.0 10、主要元件材料的选择：根据GB150-1998[1]表4-1，选用筒体材料为Q235-B （钢材规范为GB6654）。

根据JB/T4731[2],鞍座选用材料为Q235-B ，其许用应力[]MPa sa 147=σ。

地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q235，Q235的许用应力[]MPa bt 147=σ 11、容器类别：第二类 ,第三章 容器的结构设计3.1圆筒厚度的设计由于该容器储存压缩空气，所以该容器的焊缝都要采用全焊透结构，需要对该储罐进行100%探伤，所以取焊缝系数为0.1=φ。

假设圆筒的厚度在6~16mm 范围内，查GB150-1998中表4-1，可得：疲劳极限强度MPa b 510=σ，屈服极限强度MPa s 345=σ，C °150下的许用应力为[]σ113tMPa =，利用中径公式[]11200δ 5.32111312φσi tpD mm mm p⨯===⨯⨯- （3-1）查规范HG20580-1998[3]表7-1知，钢板厚度负偏差为10C mm =, 腐蚀裕量为21C mm =则筒体的名义厚度δ 5.301 6.3n mm mm mm mm ++= 圆整后取为δ7n mm =3.2封头厚度的计算查规范JB/T4746-2002[4]中表1，得公称直径mm D DN i 1200==选用规范椭圆形封头，长短轴比值为2，根据[1]中椭圆形封头计算中式（7-1）[]11200δ 5.28211310.512σφ0.5c i tc p D mm p ⨯===⨯⨯-⨯- (3-2) 同上，取10C mm =，21C mm =则封头的名义厚度为δ 5.2801 6.28n mm mm mm mm ++=圆整后取为δ7n mm =3.3筒体和封头的结构设计由封头长短轴之比为2，即22=iih D ，得mm mm D h i i 300412004=== 查规范[4]中表B.1 EHA 和B.2 EHA 表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表3-1和图3-1。

封V L D V i 24π0+=取装料系数为0.9，则 封V L D V i 24π9.00+= 即2545.022.14π9.00.302×+××=L 算得m L 498.20=圆整后取为m L 5.20=表3-1封头尺寸表公称直径DN mm 总深度H mm内表面积 A 2m容积3m质量Kg12003251.65520.254576.4图3-1 椭圆形封头3.4人孔的选择根据HG/T 21518-95，查表3-3，选用凸面的法兰，其明细尺寸见表3-2表3-2 人孔尺寸表单位：mm密封面型式凹凸面D670 1b 23 d 。

24公称压力PN MPa 1.0 1D620 2b 28 螺柱数量 20 公称直径DN5001H250A 365 螺母数量 40 w d s530x82H 103 B 175 螺柱尺寸 M24x120 db28L250总质量kg 1533.5接管、法兰、垫片和螺栓（柱）3.5.1接管和法兰该压缩空气储罐应设置物料入口、物料出口、温度计口、压力表口、安全阀口、液面计口、排污口和人孔。

初步确定各口方位如图3-2：图3-2 各管口方位查HG/T 20592-2009[6]中表8.2 3-1 PN 带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。

查[6]中附录D中表D-3,得各法兰的质量。

查[6]中表3.2.2，法兰的密封面均采用RF（凸面密封）。

将查得的各参数整理如表3-43.5.2垫片查HG/T 20606-1997，得各管口的垫片尺寸如表3-3：表3-3垫片尺寸表注：1：包覆金属材料为纯铝板，规范为GB/T 3880，代号为L3，最高工作温度200C。

2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板有机材料，代号NAS，最高工作温度200C︒。

3：垫片厚度均为1.5mm。

表3-4 各管口法兰尺寸表3.5.3螺栓（螺柱）的选择查HG/T 20613-2009[8]中表5.0.7-11和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸如表3-5：表3-5 螺栓及垫片3.6鞍座选型和结构设计3.6.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q235-B 。

估算鞍座的负荷：罐总质量43212m m m m m +++=（3-3）1m —筒体质量：310πδρ 3.14 1.2 2.50.0077.8510517.63m DL kg ==⨯⨯⨯⨯⨯=2m —单个封头的质量，276.4m kg =3m —充液质量：压缩空气水ρρ>，水压实验充满水，故取介质密度为3/1000ρm kg =水，V m 水ρ3=3202 3.242545.022.52.14π24π2m V L D V V V i =×+××=+=+=封封筒则kg kg V m 32403.241000ρ3=×==水4m —附件质量：人孔质量为153kg ，其他接管总和为200kg ，即4353m kg =综上所述123421331276.432403535076.8m m m m m kg =+++=+⨯++=则每个鞍座承受的质量为2538.4 kg ，即为25.39kN 。

查JB4712.1-2007[9]表1，优先选择轻型支座。

查[9]中表2，得出鞍座尺寸如表3-6：表3-6 鞍座尺寸表3.6.2鞍座的安装位置根据[2]中 6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离A 小于等于0.5a R ，当无法满足A 小于等于0.5a R 时，A 值不宜大于L 2.0。

a R 为圆筒的平均内径。

δ12007603.52222i n a D R mm =+=+=0022()25002(325300)2550i L L h L H h mm =+=+-=+⨯-=即0.50.5603.5301.75a A R mm =⨯= 取m A 3.0=鞍座的安装位置如图3-3所示：图3-3 鞍座安装位置第四章 开孔补强设计根据[1]中式8.3，知该储罐中只有人孔需要补强。

4.1补强设计方法判别人孔开孔直径为2250021502i d d C mm =+=+⨯=mm D d i 600212002==<且mm d 520< 故可采用等面积法进行补强计算 接管材料选用Q235B ，其许用应力[]σ113tMPa = 根据GB150-1998中式8-1：δ2δδ(1)et r A d f =+-（4-1）式中：壳体开孔处的计算厚度δ 5.3mm =接管的有效厚度δδ817et nt C mm =-=-=强度削弱系数1=r f所以2δ2δδ(1)502 5.32660.6et r A d f mm =+-=⨯=4.2有效补强范围4.2.1有效宽度B按[1]中式8-7，得：1225021004B d mm ==⨯=22δ2δ5022728532n nt B d mm =++=+⨯+⨯=12max(,)1004B B B mm ==（4-2）4.2.2外侧有效高度根据[1]中式8-8，得：'163.4h mm ==="11250h H mm ===接管实际外伸高度 '"111min(,)63.4h h h mm ==4.2.3内侧有效高度根据[1]中式8-9，得：'263.4h mm ===0"2==接管实际内伸高度h0),min("2'22==h h h4.3有效补强面积根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：321A A A A e ++=（4-3）1A —筒体多余面积21()(δ-δ)2δ(δ-δ)(1)(1004502)(6 5.3)351.4e et e r A B d f mm =---=-⨯-=2A —接管多余面积21222(δδ)2(δ)263.4(77)100et t r et r A h f h C f =-+-=⨯⨯-⨯+=3A —焊缝金属截面积，焊脚去7mm ，则 223172492A mm =⨯⨯= 4.4补强面积2123351.4049400.4e A A A A mm =++=++=因为A A e <，所以开孔需另行补强另行补强面积为242660.6400.42260.2e A A A mm =-=-=第五章 强度计算5.1水压实验应力校核实验压力 1.25 1.251 1.25T P P MPa ==⨯= 圆筒的薄膜应力为(δ) 1.25(12006)σ125.6252δ26T i e T e P D MPa +⨯+===⨯0.9φσ0.91345310.5s MPa =⨯⨯=即T s σφσ9.0>，所以水压实验合格5.2圆筒轴向弯矩计算圆筒的平均半径为δ12007603.52222i n a D R mm =+=+= 鞍座反力为5076.89.824876.3222mg F N ⨯===5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩根据[2]中式7-2，得：22222162(603.5300)2()11424876.3225504300255043004442550113255037.410a iiR hFL ALMh LLN mm⎡⎤⎡⎤⨯--++⎢⎥⎢⎥⨯⨯=-=⨯-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⨯+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦=⨯•5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩根据[2]中式7-3，得：222226300603.5300112550230025502124876.32300144300113255030.6310a iiR hAL ALM FAhLN mm⎡⎤⎡⎤---+-+⎢⎥⎢⎥⨯⨯=--=-⨯⨯-⎢⎥⎢⎥⨯⎢⎥⎢⎥++⎢⎥⎢⎥⨯⎣⎦⎣⎦=-⨯•图5-1（a）筒体受剪力图图5-1（b）筒体受弯矩图5.3圆筒轴向应力计算及校核5.3.1圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力根据[2]中式7-4至式7-7计算 最高点处：661122110603.57.410σ49.22δπδ26 3.1420.60356c a e a e p R M MPa R ⨯⨯⨯=-=-=⨯⨯⨯（5-1）最低点处：661222110603.57.410σ51.382δπδ26 3.1420.60356c a e a e p R M MPa R ⨯⨯⨯=+=+=⨯⨯⨯（5-2）5.3.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算： a).当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强（即2aR A ≤）时，轴向应力3σ位于横截面最高点处.取鞍座包角 120=θ，查表7-1（JB/T4731-2005）得，0.1,0.121==K K .则6623221110603.50.6310σ50.382δπδ26 3.14210.60356c a e a e p R M MPa K R ⨯⨯-⨯=-=-=⨯⨯⨯⨯b).在横截面最低点处的轴向应力4σ：66242221106035 4.8610σ50.22δπδ26 3.14210.60356c a e a e p R M MPa K R ⨯⨯⨯=+=+=⨯⨯⨯⨯ 5.3.3圆筒轴向应力校核0.0940.0940.000934δ603.5/6i e A R ===（5-3） 查图4-8[10]得，52.010E =⨯,则5222.0100.000934124.5333B EA MPa ==⨯⨯⨯= []1234max max σσ,σ,σ,σ51.38MPa =⎡⎤=⎣⎦[]σ124.53ac B MPa ==满足条件[][]maxσσ>ac5.4切向剪应力的计算及校核5.4.1圆筒切向剪应力的计算根据[2]中式7-9计算，查[2]中表7-2，得：880.03=K 401.04=K30.8824876.32τ 6.05δ0.60350.006a e K F MPa R ⨯===⨯ （5-4）5.4.2圆筒被封头加强（2a R A ≤）时，其最大剪应力h τ根据[2]中式7-10，计算得：40.40124876.32τ 2.76δ0.60350.006h a he K F MPa R ⨯===⨯（5-5） 5.4.3切向剪应力的校核圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的0.8倍，即[]0.8tτσ≤。