压缩空气储罐设计

目录绪论 (3)第一章压缩空气的特性 (4)第二章设计参数的选择 (5)第三章容器的结构设计 (6)3.1圆筒厚度的设计 (6)3.2封头厚度的计算 (6)3.3筒体和封头的结构设计 (6)3.4人孔的选择 (7)3.5接管，法兰，垫片和螺栓（柱） (9)3.6鞍座选型和结构设计 (11)第四章开孔补强设计 (14)4.1补强设计方法判别 (13)4.2有效补强范围 (13)4.3有效补强面积 (14)4.4补强面积 (14)第五章强度计算 (16)5.1水压试验应力校核 (15)5.2圆筒轴向弯矩计算 (15)5.3圆筒轴向应力计算及校核 (16)5.4切向剪应力的计算及校核 (17)5.5圆筒周向应力的计算和校核 (20)5.6鞍座应力计算及校核 (22)5.7地震引起的地脚螺栓应力 (24)第六章设计汇总 (25)参考文献.............................................................. 错误!未定义书签。

绪论课程设计是一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。

在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。

课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。

所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。

通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；3. 迅速准确的进行工程计算的能力；4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力本次设计为压缩空气储罐，在三周时间内内，通过相关数据及对国家标准的查找计算出合适的尺寸，设计出主体设备及相关配件，画出装备图零件图以及课程设计说明书。

压缩空气储罐的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。

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。

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。

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：3.3a MP3、工作温度：<150C ︒4、工作介质：压缩空气5、全容积：33m6、设计压力： 3.75a MP7、设计温度：150C ︒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：0.85 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16MnR （钢材标准为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85.0=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[]MPa t 163σ=，利用中径公式[]mm mm p pD ti 46.1675.316385.02120075.3σφ2δ=×××==（3-1）查标准HG20580-1998[3]表7-1知，钢板厚度负偏差为0.8mm ，故取。

设计任务说明书给定腐蚀裕量mm C 5.12=。

则筒体的名义厚度mm mm mm mm n 76.185.18.078.15≥δ=++ 圆整后取为mm n 20δ= 3.2封头厚度的计算查标准JB/T4746-2002[4]中表1，得公称直径mm D DN i 1200==选用标准椭圆形封头，长短轴比值为2，根据[1]中椭圆形封头计算中式（7-1）[]mm p D p c ti c 33.1675.35.085.01632120075.35.0φσ2δ=××××== (3-2)同上，取mm C 8.01=，mm C 5.12=则封头的名义厚度为mm mm mm mm n 63.185.18.033.16≥δ=++ 圆整后取为mm n 20δ= 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=== 查标准[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Kg12003251.65520.2545234.7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密封面型式凸面D775 1b 56公称压力PN MPa 4.0 1D670 2b 60 螺柱数量 20 公称直径DN500 1H290A 430 螺母数量 40 w d s2H 140B 225 螺柱尺寸d495b62L300总质量kg 4183.5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C 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：kg DL m 13311085.7018.05.22.114.3δρπ301=×××××== 2m —单个封头的质量，kg m 7.2342=3m —充液质量：压缩空气水ρρ>，水压试验充满水，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kg 418，其他接管总和为672kg ，即kg m 10904= 综上所述kg m m m m m 6130.410903240234.72133124321=++×+=+++=则每个鞍座承受的质量为kg 3065.2，即为kN 30.65。

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。

mm D R n i a 610220212002δ2=+=+=mm h HL h L L i 2550)300325(22500)(2200=×+=+=+=即mm R A a 3056105.05.0≤=×=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mm C d d i 5035.1250022=×+=+= 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16MnR ，其许用应力[]MPa t 170σ= 根据GB150-1998中式8-1：)1(δδ2δr et f d A +=（4-1）式中：壳体开孔处的计算厚度mm 92.14δ=接管的有效厚度mm C ntet 5.125.114δδ===强度削弱系数1 r f 所以276.750492.14503)1(δδ2δmm f d A r et =×=+=4.2有效补强范围 4.2.1有效宽度B 按[1]中式8-7，得：mm d B 1006503221=×==mm d B nt n 567142202503δ2δ22=×+×+=++=mm B B B 1006),m ax (21==（4-2）4.2.2外侧有效高度 根据[1]中式8-8，得：mm d h nt 9.8314503δ'1=×==mm H h 2901"1===接管实际外伸高度 mm h h h 9.83),m in("1'11==4.2.3内侧有效高度 根据[1]中式8-9，得：mm d h nt 9.8314503δ'2=×==0"2==接管实际内伸高度h0),min("2'22==h h h 4.3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 2174.794)92.145.16()5031006()1)(δδ(δ2)δδ)((mm f d BA r eet e=×==2A —接管多余面积001)5.125.12(9.832)δ(2)δδ(22212=+×××=+=r etr t etf C h f h A3A —焊缝金属截面积，焊脚去8mm ，则 223642821mm A =××=4.4补强面积232174.85864074.794mm A A A A e =++=++=因为A A e <，所以开孔需另行补强 另行补强面积为2402.664674.85876.7504≥mm A AA e ==第五章 强度计算5.1水压试验应力校核试验压力MPa P P T 69.475.325.125.1=×== 圆筒的薄膜应力为MPa D P e e i T T 89.1725.162)5.161200(69.4δ2)δ(σ=×+×=+=MPa s 9.26334585.09.0φσ9.0=××=即T s σφσ9.0>，所以水压试验合格 5.2圆筒轴向弯矩计算圆筒的平均半径为mm D R n i a 610220212002δ2=+=+=鞍座反力为N mg F 0.3003928.94.61302=×==5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩 根据[2]中式7-2，得：mmN L A L h L h R FL M i i a •⨯=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⨯⨯+⨯+⨯⨯=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++=62222211047.82550300425503003412150)300610(2142550300394341)(2145.2.2鞍座平面上的轴向弯矩根据[2]中式7-3，得：mmN L h AL h R L A FA M ii a•⨯=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++=6222221086.425503300412550300230061025503001130030039341211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：MPaR M R p ea eac 03.695.16610.0142.31047.85.1626101075.3δπδ2σ266211=××××××==（5-1）最低点处：MPaR M R p e a e a c 59.695.16610.0142.31047.85.1626101075.3δπδ2σ266212=×××+×××=+=（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ο120=θ，查表7-1（JB/T4731-2005）得，0.1,0.121==K K .则MPa R K M R p ea eac 57.695.16610.01142.31086.45.1626101075.3δπδ2σ2662123=×××××××==b).在横截面最低点处的轴向应力4σ：MPa R K M R p e a e a c 07.695.16610.01142.31086.45.1626101075.3δπδ2σ2662224=××××+×××=+=5.3.3圆筒轴向应力校核002543.05.16/610094.0δ094.0===e i R A（5-3）查图4-8[10]得，51086.1×=E ,则 MPa EA B 3.315002543..01086.132325=×××==[][]MPa 59.69σ,σ,σ,σσmax4321max==[]MPa B ac3.315σ==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=KMPa R F K e a 63.20165.0610.03003988.0δτ3=××==（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：MPa R F K he a h 20.10165.0610.030039401.0δτ4=××==（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≤。