1、Hefei University化工機械與設備過程考核之三典型化工設備零件機械設計題 目：4MPa反應釜開孔補強零件設計系 別：化學材料與工程系班 級：09化工（4）姓 名：梅源學 號：0903024043隊 別：Team 36教 師：胡 科 研日 期：2011-12-11目錄1前言及概念31.1開孔補強的適應范圍和方法31.2滿足開孔條件時，可采用的三種補強方法31.3開孔補強的目的41.4補強結構(補強元件類型)4加強管補強4整體鍛件補強4加強圈的補強41.5殼體開孔的有關規定5允許不補強時開的最大孔直徑5殼體上允許開的最大孔直徑dmax51.6等面積補強計算方法6各國壓力容器規范主要采用

2、的準則(補強準則的種類)6等面積補強的原則6等面積補強計算方法62工藝設計82.1設計要求82.2連續釜式反應器工藝設計8單段連續釜式反應器8反應器直徑和高度的計算93 機械設計93.1手孔的開孔補強計算9計算是否需要補強10計算開孔失去的面積A.10計算有效補強面積A0113.2進料口的開孔補強計算11計算是否需要補強114補強結構圖125總結136參考文獻131前言及概念在日常的壓力容器設計工作中，經常會遇到壓力容器開孔補強問題。壓力容器開孔以后，不僅整體強度受到削弱，而且還因開孔引起的應力集中造成開孔邊緣局部的高應力，加上接管上有時還有其他的外載荷所產生的應力及熱應力，而容器材料、以及開

3、孔結構在制造和焊接過程中又不可避免地會形成缺陷和殘余應力，開孔和接管附近就成為壓力容器的薄弱部位，于是開孔附近就往往成為壓力容器的破壞源一一主要是疲勞破壞和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998鋼制壓力容器的規定，在壓力容器設計過程中必須充分考慮開孔的補強問題。1.1開孔補強的適應范圍和方法(1)當其內徑Di1500mm時，開孔最大直徑d12Di，且d520mm；當其內徑D1500mm時，開孔最大直徑dl3Di，且d1000mm；(2)凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d12Di；(3)錐殼(或錐形封頭)的開孔最大直徑d13Di，Di為開孔中心處的錐殼內直徑；(4)在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時

4、，其孔的中心線宜垂直于封頭表面。1.2滿足開孔條件時，可采用的三種補強方法(1)補強圈補強補強圈補強結構簡單，制造方便，有一定的補強效果。但和其它補強結構相比，補強區較為分散，補強效果不佳，補強后的應力集中系數比較大。由于補強圈并未和殼體、接管形成整體，所以其抗疲勞性很差，一般常用于靜壓、常溫下的中低壓容器。對于缺口敏感性較高的低合金高強度鋼制容器，采用此種補強結構時尤需慎重，高溫、高壓或承受變載荷的容器，則不宜采用此種補強形式。鑒于補強圈搭接結構會引起較大的局部應力，且高強度鋼的淬硬性強，易產生焊接裂紋，故在超出GBl501998對其適用條件范圍時，宜采用整鍛件補強或整體加厚殼體補強。(2)

5、整鍛件補強(包括用全焊透焊縫連接的厚壁管補強)采用整鍛件補強，所有補強區域集中在應力集中區，能有效地降低應力集中系數，故補強效果好。由于補強件和殼體、接管之間的焊接采用對接焊縫，焊接質量可保證，并使焊縫及熱影響區離開最大應力點的位置，故抗疲勞性能好。常用于o S500MPa的容器開孔及在低溫、高溫或受交變載荷的大直徑容器開孔。缺點是鍛件供應困難，制造繁瑣，成本較高，只在重要的設備中使用。采用厚壁管補強，接管的加厚部分處于最大的應為區域內，比補強圈更能有效地降低應力集中系數。這種形式結構簡單，制造與檢驗都很方便，但必須保證全焊透焊接。對于低合金高強度鋼，由于它比一般低碳鋼有較高的缺口敏感性，所以

6、一般都采用厚壁管補強型式。(3)整體加厚殼體補強整體加厚殼體補強結構是以增加整個簡體或封頭的壁厚來降低開孔附近的應力，其開孔補強計算可按等面積補強法進行計算。根據理論和實驗分析，開孔后的應力集中現象有明顯的局部性。當簡體上開設排孔或封頭上開孔較多時，一般采用整體加厚殼體補強。1.3開孔補強的目的降低開孔接管處的應力峰值 因為容器的強度條件,所以應力峰值降低,設計時降低,降低. 1.4補強結構(補強元件類型) 1.4.1加強管補強 (1)結構：如下圖1 即在開孔處焊接一段加厚的接管 (2)特點:環焊縫少.易探傷,結構簡單 (3)適用范圍:低合金鋼,高壓設備 1.4.2整體鍛件補強(1)結構:如下

7、圖2 (2)特點: 優點: 對焊,易探傷 抗疲勞性能好 缺點: 成本高,加工難 (3)適用范圍:高壓 重要設備1.4.3加強圈的補強結構: 如下圖3 特點: 優點:簡單,易加工,使用經驗豐富 缺點:抗疲勞性能差,熱應力大,K大. 適用范圍: 1.5殼體開孔的有關規定1.5.1允許不補強時開的最大孔直徑 Pc2.5MPa開孔中心距A>=兩孔直徑和的2倍. 接管外徑d089mm接管最小壁厚滿足表內要求.1.5.2殼體上允許開的最大孔直徑dmax(1) 圓筒(2) 凸形封頭與球殼的(3) 錐殼或錐形封頭的(Di為開孔中心處的錐殼內徑)注:橢圓,碟形過度段部分開孔時,孔中心線垂直于封頭表面.1.

8、6等面積補強計算方法各國壓力容器規范主要采用的準則(補強準則的種類) 因為補強的目的是降低開孔接管處的應力值,對這個應力值限制在什么范圍內,就出現了各種補強準則.(1) 等面積補強準則(2) 極限分析法(3) 安定性理論(4) 其它方法: 實驗屈服法、實驗應力法等等面積補強的原則在補強區(在鄰近開孔處附近處)所加補強材料的截面積A0應與開孔而失去的截面積A相等.即A0=A其含義:在于補強殼壁的平均強度,用開孔等面積的外加金屬來補強被削弱的殼壁強度.等面積補強計算方法 (1)判斷是否要補強計算滿足不另行補強的最大開孔直徑的條件者,不補強(2)計算開孔失去的面積A.（3）確定補強區的有效范圍有效寬

9、度B取大值 有效高度h取小值 ，. （4）計算有效補強面積殼體承受內壓或外壓所需設計厚度之外的的多余金屬面積接管承受內壓或外壓所需的設計厚度之外的多余金屬面積其中 計算設計厚度 厚度附加量 強度削弱系數補強區焊縫面積 補強區內另加的補強面積（加強圈面積）（5）判斷當時， 不用補強。當時，需補強。（6）補強圈面積的計算 Ì 當， Í 當， Î 當 ， （7）補強圈的設計 Ì 補強圈的外徑 如 則可知: 補強圈 Í 厚度 若 ， 采用補強圈不合適，該用其他方法補強。2工藝設計2.1設計要求設計壓力體內：4MP夾套：2.5MP設計溫度體內：<2

10、00 C夾套：250 C介質體內：聚乙烯夾套內：蒸汽攪拌形式槳式操作容器3.0 m3采用材料16MnR2.2連續釜式反應器工藝設計單段連續釜式反應器 （1）其中 FA,0每秒鐘所處理的物料摩爾數，kmol/s。對于一級反應：（-A）=kCA=kCA,O（1）則有效反應體積：其中 V0每秒所處理的物料體積，m3/s對于二級反應：（-A）=，代入式（1）中則有效反應體積為：VR=其中 轉化率，其它符號同前。反應器直徑和高度的計算在已知攪拌器的操作容積后，首先要選擇罐體適宜的長徑比(H/Di)，以確定罐體直徑和高度。選擇罐體長徑比主要考慮以下兩方面因素：1、長徑比對攪拌功率的影響：在轉速不變的情況下

11、，PµD5（其中D攪拌器直徑，P攪拌功率），P隨釜體直徑的增大，而增加很多，減小長徑比只能無謂地損耗一些攪拌功率。因此一般情況下，長經比應選擇大一些。2、長徑比對傳熱的影響：當容積一定時，H/Di越高，越有利于傳熱。長徑比的確定通常采用經驗值.即表2-1表2-1 罐體長徑比經驗表種類罐體物料類型H/Di一般攪拌罐液固或液液相物料11.3氣液相物料12發酵罐類1.72.5在確定了長徑比和裝料系數之后，先忽略罐底容積，此時 （2）將上式計算結果圓整成標準直徑，代入下式得出罐體高度 （3）其中 v封頭容積3 機械設計3.1手孔的開孔補強計算該反應釜公稱直徑Di=1400mm，由概述內容可得

12、：圓筒允許不補強時開的最大孔直徑 Pc2.5MPa開孔中心距A>=兩孔直徑和的2倍. 接管外徑d089mm接管最小壁厚滿足表內要求.計算是否需要補強已知Pc=P=4Mpa>2.5Mp，Di=1400mm，查GBl50表4一l得=133MPa，按開孔可能通過焊接接頭考慮取=O85，把數據代人上式得：=Pc*Di(2-Pc)=4×1400(2×133 * 085-4)=25.3mm取C=Cl+C2=0+1=10,式中C為厚度附加量，mmCl為鋼板或鋼管的厚度負偏差，mmC2為腐蝕裕度，mm按照GBl5l一1999反應釜中規定的筒體的最小厚度確定該筒體壁厚為：=min

13、+C1=6+0=6.0mm考慮腐蝕裕度圓整為=7mm其中，為殼體開孔處的名義厚度，mm。因為C=71.0=6.0mm2=2×25.3=50.6mm所以-C<2，必須進行開孔補強計算開孔失去的面積A.由=25.3mm，得：A=×=640.09mm2所以開手孔失去的面積為640.09mm2計算有效補強面積A0A0=A1+A2+A3 B=2d代人數據的：A0=A=640.09mm23.2進料口的開孔補強計算計算是否需要補強因為本反應釜設計中取進料口開孔中心距A>=兩孔直徑和的2倍. 由手孔開孔補強計算步驟得:已知Pc=P=4Mpa>2.5Mp，d=300mm，查

14、GBl50表4一l得=264MPa，按開孔可能通過焊接接頭考慮取=125，把數據代人上式得：=Pc*Di(2-Pc)=4×300(2×264 * 125-4)=1.83mm取C=Cl+C2=0+1=10,式中C為厚度附加量，mmCl為鋼板或鋼管的厚度負偏差，mmC2為腐蝕裕度，mm按照GBl5l一1999反應釜中規定的筒體的最小厚度確定該筒體壁厚為：=min+C1=6+0=6.0mm考慮腐蝕裕度圓整為=7mm其中，為殼體開孔處的名義厚度，mm。因為C=71.0=6.0mm2=2×1.83=3.66mm所以-C >2，不需要進行開孔補強4補強結構圖 圖1 加強管補強 圖2 整體鍛件補強 圖3 補強圈補強5總結 為滿足各種工藝和結構上的要求，在高壓容器上一般都需要開孔和安裝接管。所以針對不同的設備就需要不同的開孔補強設計方法，主要有等面積補強法、彈性應力分析法、極限分析法、PVRC法、實驗屈服法和壓力面積法。但無論使用哪種設計方法，都要遵循以上開孔補強的設計準則。當開孔率超出GB150的規定范圍時，應采用應力分析方法或有成功使用經驗的對比試驗設計。 開孔補強設計是為降低應力集中系數,而作的計算與結構設計，所以在做開孔補強的機械設計時，首先要根據容器開孔位置開孔最大直徑確定是否需要開