1、- PAGE 16 - PAGE 16 -低變爐設計 學生：張建雄 江漢大學化學與環境工程學院09過控 指導老師：張建琪 江漢大學化學與環境工程學院化工系摘 要本說明書為低變爐設計說明書。扼要介紹了立式低變爐的特點及在工業中的廣泛應用，詳細的闡述了立式低變爐的結構及強度設計計算及制造、檢修和維護。本文采用分析設計方法，綜合考慮環境條件、物料性質等因素并參考相關標準，按工藝設計、設備結構設計、設備強度計算的設計順序，分別對儲罐的筒體、封頭、鞍座、接管進行設計，然后采用1SW6-1998對其進行強度校核，最后形成合理的設計方案。 設計結果滿足用戶要求，安全性與經濟性及環保要求均合格。 關鍵詞：壓力

2、容器、立式低變爐、結構設計、強度校核、開孔補強。ABSTRACT The specification for the design specification of shifting furnace. Briefly introduces the characteristics of shifting furnace and in the vertical .Widely used in industry, describes in detail the structure and strength design and manufacturing, maintenance and maint

3、enance of vertical low furnace . This paper uses the method of analysis and design, comprehensive consideration of environmental conditions, material properties and other factors and reference standard .Design prospective, according to the order of process design, structure design, equipment strengt

4、h calculation of tank, cylinder, head, saddle, took over the design, and then use 1SW6-1998 to make strength check, finally forms the reasonable design scheme. The design results meet user requirements, safety and economic and environmental requirements are qualified. Keywords: pressure vessel, vert

5、ical low furnace, structure design, strength check, opening reinforcement. 目 錄 TOC o 1-3 f h z u HYPERLINK l _Toc267049876 第一章 緒論3 HYPERLINK l _Toc267049877 第二章 設計參數的選擇4 HYPERLINK l _Toc267049878 第三章 容器的結構設計5 HYPERLINK l _Toc267049879 3.1圓筒厚度的設計5 HYPERLINK l _Toc267049880 3.2封頭厚度的計算5 HYPERLINK l _To

6、c267049881 3.3筒體和封頭的結構設計6 HYPERLINK l _Toc267049882 3.4人孔的選擇7 HYPERLINK l _Toc267049883 3.5接管，法蘭，墊片和螺栓（柱）7 HYPERLINK l _Toc267049884 3.5.1接管和法蘭7 HYPERLINK l _Toc267049885 3.5.2墊片8 HYPERLINK l _Toc267049886 3.5.3螺栓（螺柱）的選擇9 HYPERLINK l _Toc267049887 3.6鞍座選型和結構設計9 HYPERLINK l _Toc267049888 3.6.1鞍座選型10

7、HYPERLINK l _Toc267049890 第四章 開孔補強設計11 HYPERLINK l _Toc267049891 4.1補強設計方法判別11 HYPERLINK l _Toc267049892 4.2有效補強范圍11 HYPERLINK l _Toc267049893 4.2.1有效寬度B11 HYPERLINK l _Toc267049894 4.2.2外側有效高度12 HYPERLINK l _Toc267049895 4.2.3內側有效高度12 HYPERLINK l _Toc267049896 4.3有效補強面積12 HYPERLINK l _Toc267049897

8、4.4補強面積13 HYPERLINK l _Toc267049898 第五章 強度計算13 HYPERLINK l _Toc267049899 5.1水壓試驗應力校核13 HYPERLINK l _Toc267049900 5.2圓筒軸向彎矩計算13 HYPERLINK l _Toc267049901 5.2.1圓筒中間截面上的軸向彎矩13 HYPERLINK l _Toc267049902 5.2.2鞍座平面上的軸向彎矩14 HYPERLINK l _Toc267049903 5.3圓筒軸向應力計算及校核14 HYPERLINK l _Toc267049904 5.3.1圓筒中間截面上由壓

9、力及軸向彎矩引起的軸向應力14 HYPERLINK l _Toc267049905 5.3.2由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力計算及校核14 HYPERLINK l _Toc267049906 5.3.3圓筒軸向應力校核15 HYPERLINK l _Toc267049907 5.4切向剪應力的計算及校核15 HYPERLINK l _Toc267049908 5.4.1圓筒切向剪應力的計算15 HYPERLINK l _Toc267049909 5.4.2圓筒被封頭加強（）時，其最大剪應力16 HYPERLINK l _Toc267049910 5.4.3切向剪應力的校核16 HYPERLIN

10、K l _Toc267049911 5.5圓筒周向應力的計算和校核16 HYPERLINK l _Toc267049912 5.5.1在橫截面的最低點處：18 HYPERLINK l _Toc267049913 5.5.2在鞍座邊角處 PAGEREF _Toc267049913 h 17 HYPERLINK l _Toc267049914 5.5.3鞍座墊板邊緣處圓筒中的周向應力17 HYPERLINK l _Toc267049915 5.5.4周向應力校核17 HYPERLINK l _Toc267049916 5.6鞍座應力計算及校核18 HYPERLINK l _Toc267049917

11、 5.6.1腹板水平分力及強度校核18 HYPERLINK l _Toc267049918 5.6.2鞍座壓縮應力及強度校核18 HYPERLINK l _Toc267049919 5.7地震引起的地腳螺栓應力20 HYPERLINK l _Toc267049920 5.7.1傾覆力矩計算20 HYPERLINK l _Toc267049921 5.7.2由傾覆力矩引起的地腳螺栓拉應力21 HYPERLINK l _Toc267049922 5.7.3由地震引起的地腳螺栓剪應力21 第六章 焊接工藝 .22 第七章 設計結束語及致謝 .22 HYPERLINK l _Toc267049923

12、參考文獻24第一章 緒論低變爐的用途十分廣泛。它是在合成氨工業中起著重要作用的設備。低變爐一般由筒體、封頭、法蘭、密封元件、開孔和接管、支座等六大部分構成容器本體。此外，還配有安全裝置、表計及完成不同生產工藝作用的內件。低變爐由于密封、承壓及介質等原因，容易發生 HYPERLINK /view/63146.htm t _blank 爆炸、燃燒起火而危及人員、設備和財產的安全及污染環境的事故。目前，世界各國均將其列為重要的監檢產品，由 HYPERLINK /view/8426.htm t _blank 國家指定的專門機構，按照國家規定的法規和標準實施監督檢查和技術檢驗。低變爐按其形狀可分為球形容

13、器、圓筒形容器（立式、臥式）。按其承壓性質可分為內壓和外壓，內壓容器又可分為低壓、中壓、高壓、超高壓4個壓力等級。按其工作的溫度環境可分為低溫、常溫、中溫、高溫容器。按制造器的材料可分為金屬制和非金屬制兩類。按其應用情況可分為反應壓力容器（R）、換熱壓力容器（E）、分離壓力容器（S）、儲存壓力容器（C）等。目前我國普遍采用常溫壓力低變爐，常溫低變爐一般有兩種形式：球形低變爐和圓筒形低變爐。球形低變爐和圓筒形低變爐相比：前者具有投資少，金屬耗量少，占地面積少等優點，但加工制造及安裝復雜，焊接工作量大，故安裝費用較高。一般儲存總量大于或單罐容積大于時選用球形低變爐比較經濟，而圓筒形低變爐具有加工制

14、造安裝簡單，安裝費用少等優點, 但金屬耗量大占地面積大, 所以在總儲量小于或單罐容積小于時選用圓筒形低變爐比較經濟。圓筒形低變爐按安裝方式可分為臥式和立式兩種。在一般中、小型液化石油氣站內大多選用臥式圓筒形低變爐， 只有某些特殊情況下（站內地方受限制等) 才選用立式。但本說明書主要討論立式形低變爐的設計。1.1 設計任務：針對化工廠中常見的低壓低變爐，完成主體設備的工藝設計和附屬設備的選型設計及安全檢測，繪制總裝配圖，并便攜設計說明書。1.2設計思想：綜合運用所學的機械基礎課程知識，本著認真負責的態度，對低變爐進行設計。在設計過程中綜合考慮了經濟性，實用性，安全可靠性。各項設計參數都正確參考了

15、行業使用標準或國家標準，這樣設計有章可循，并考慮到結構方面的要求，綜合的進行設計。1.3 設計特點： 容器的設計一般由筒體,封頭，法蘭，支座，接管等組成。常，低壓化工設備通用零部件大都有標準，設計師可直接選用。本設計書主要介紹了液罐的筒體，封頭的設計計算，低壓通用零部件的選用。 各項設計參數都正確參考了行業使用標準或國家使用標準，這樣讓設計有章可循，并考慮到結構方面的要求，合理的進行設計。 設計參數的選擇設計題目：立式低變爐2、操作壓力：3.13、操作溫度：2604、物料名稱：5、全容積：676、設計壓力：3.47、設計溫度：2808、公稱直徑：根據筒體全容積，粗定筒體公稱直徑為3800mm。

16、9、主要元件材料的選擇：根據GB150-19981表4-1，選用筒體材料為16MnR（鋼材標準為GB6654）。根據JB/T47312,鞍座選用材料為Q235-B，其許用應力 QUOTE 。地腳螺栓選用符合GB/T 700規定的Q235，Q235的許用應力 QUOTE 第三章 容器的結構設計3.1圓筒厚度的設計 由于該容器儲存介質有毒且工作壓力大，所以該容器的焊縫都要采用全焊透結構，需要對該儲罐進行100%探傷，所以取焊縫系數為 QUOTE 。假設圓筒的厚度在5060mm范圍內，查GB150-1998中表4-1，可得：疲勞極限強度 QUOTE ，屈服極限強度， QUOTE 下的許用應力為 QU

17、OTE ，利用中徑公式查標準HG20580-19983表7-1知，鋼板厚度負偏差為0.25mm，而由1中知，當鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，負偏差可以忽略不計，故取 QUOTE 。查3中表7-5知，對于有輕微腐蝕的介質，腐蝕裕量 QUOTE 。則筒體的名義厚度 QUOTE 圓整后取為 QUOTE 3.2封頭厚度的計算查標準JB/T4746-20024中表1，得公稱直徑選用標準橢圓形封頭，長短軸比值為2，根據1中橢圓形封頭計算中式（7-1） (3-2)同上，取 QUOTE ， QUOTE 則封頭的名義厚度為 QUOTE 圓整后取為。3.3筒體和封頭的結構設計由封頭

18、長短軸之比為2，即 QUOTE ，得 QUOTE 查標準4中表B.1 EHA和B.2 EHA表橢圓形封頭內表面積、容積，質量，見表3-1和圖3-1。取裝料系數為0.98，則即 QUOTE 算得圓整后取為m 表3-1 封頭尺寸表公稱直徑DN mm總深度H mm內表面積A 容積 質量 Kg3800120018.267.6556988.5 圖3-1 橢圓形封頭 3.4人孔的選擇根據HG/T 21517-20055，查表3-3，選用凹凸面的法蘭，其明細尺寸見表3-2 表3-2 人孔尺寸表 單位：mm密封面型式凹凸面MFMD6702324公稱壓力PN MPa1.062028螺柱數量20公稱直徑DN500

19、250A365螺母數量40103B175螺柱尺寸d496b28L250總質量kg1533.5接管、法蘭、墊片和螺栓（柱）3.5.1接管和法蘭 查HG/T 20592-20096中表8.2 3-1 PN帶頸對焊鋼制管法蘭，選取各管口公稱直徑，查得各法蘭的尺寸。查6中附錄D中表D-3,得各法蘭的質量。查6中表3.2.2，法蘭的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。將查得的各參數整理如表3-3 表3-3 各管口法蘭尺寸表名稱公稱直徑DN鋼管外徑法蘭焊端外徑法蘭外徑D螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數量n個螺栓Th法蘭厚度C法蘭頸法蘭高度法蘭質量NR進料口450459B600160188M162010

20、53.2106504.0出料口450459B600160188M16201053.2106504.0排污口500509B700160188M16201053.2106504.0人孔500509B700100184M1618562.666422.0溫度計口2530B10575144M1218402.364401.03.5.2墊片查HG/T 20609-20097，得各管口的墊片尺寸如表3-4: 表3-4 墊片尺寸表管口名稱公稱直徑內徑D1外徑D2進料口450495.5520出料口450495.5520排污口500540.5602人孔500540.5602溫度計口2545.561注：1：包覆金屬材

21、料為純鋁板，標準為GB/T 3880，代號為L3。2：填充材料為有機非石棉纖維橡膠板。3：墊片厚度均為3mm。3.5.3螺栓（螺柱）的選擇查HG/T 20613-20098中表5.0.7-11和附錄中表A.0.1,得螺柱的長度和平墊圈尺寸如表3-5：表3-5 螺栓及墊片名稱緊固件用平墊圈 mm公稱直徑螺紋螺柱長H進料口450M169217303出料口450M169217303排污口500M169217303人孔500溫度計口25M127513242.53.6鞍座選型和結構設計3.6.1鞍座選型該立式容器采用雙鞍式支座，初步選用輕型鞍座，材料選用Q235-B。估算鞍座的負荷：儲罐總質量 ： （3

22、-3） 筒體質量：單個封頭的質量，充氣體質量：，水壓試驗充滿水，故取介質密度為， 則附件質量：人孔質量為，其他接管總和為200kg，惰性氧化鋁球=19600即 綜上所述： 則每個鞍座承受的質量為，即為。 查JB4712.1-20079表1，優先選擇重型支座。表3-6 鞍座尺寸表公稱直徑DN 3800腹板20墊板1300允許載荷QkN 130000筋板190020鞍座高度h 1500820e70底板 4100900螺栓間距1200 76020鞍座質量Kg 5101 30墊板弧長7350增加100mm增加的高度Kg120第四章 開孔補強設計根據1中式8.3，知該儲罐中只有人孔需要補強。4.1補強設

23、計方法判別人孔開孔直徑為 故可采用等面積法進行補強計算接管材料選用16MnR，其許用應力根據GB150-1998中式8-1： （4-1）式中：殼體開孔處的計算厚度接管的有效厚度強度削弱系數所以4.2有效補強范圍4.2.1有效寬度B按1中式8-7，得： （4-2）4.2.2外側有效高度根據1中式8-8，得：4.2.3內側有效高度根據1中式8-9，得：4.3有效補強面積根據1中式8-10 至式8-13，分別計算如下： （4-3）筒體多余面積接管多余面積焊縫金屬截面積，焊腳去6mm，則4.4補強面積因為，所以開孔需另行補強另行補強面積為 第五章 強度計算5.1水壓試驗應力校核試驗壓力圓筒的薄膜應力為

24、即，所以水壓試驗合格5.2圓筒軸向彎矩計算圓筒的平均半徑為鞍座反力為5.2.1圓筒中間截面上的軸向彎矩根據2中式7-2，得：5.2.2鞍座平面上的軸向彎矩根據2中式7-3，得：5.3圓筒軸向應力計算及校核5.3.1圓筒中間截面上由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力根據2中式7-4至式7-7計算最高點處： （5-1）最低點處： （5-2）5.3.2由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力計算及校核鞍座平面上，由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力，按下式計算：a).當圓筒在鞍座平面上或靠近鞍座處有加強圈或被封頭加強（即）時，軸向應力位于橫截面最高點處.取鞍座包角，查表7-1（JB/T4731-2005）得，.則b).在

25、橫截面最低點處的軸向應力：5.3.3圓筒軸向應力校核 （5-3）查圖4-810得，,則滿足條件5.4切向剪應力的計算及校核5.4.1圓筒切向剪應力的計算根據2中式7-9計算，查2中表7-2，得： （5-4）5.4.2圓筒被封頭加強（）時，其最大剪應力根據2中式7-10，計算得： （5-5）5.4.3切向剪應力的校核圓筒的切向剪應力不應超過設計溫度下材料許用應力的0.8倍，即。封頭的切向剪應力，應滿足而故圓筒滿足強度要求。根據2中式7-12 （5-6） （5-7）故封頭滿足強度要求5.5圓筒周向應力的計算和校核根據鞍座尺寸表知：即，所以此鞍座墊片作為加強用的鞍座。 5.5.1在橫截面的最低點處：

26、根據2中式718 其中（容器焊在支座上） （5-8）查2中表7-3知， 則5.5.2在鞍座邊角處由于 根據2中式720:由于 查2中表7-3知，則 （5-9）5.5.3鞍座墊板邊緣處圓筒中的周向應力由于，根據2中式7225.5.4周向應力校核根據2中式故圓筒周向應力強度滿足要求。5.6鞍座應力計算及校核5.6.1腹板水平分力及強度校核根據2中表77鞍座包角，查2中表75得：。則墊板起加強作用，則：其中，則則查2中表51，得：，則由于，所以其強度滿足要求。5.6.2鞍座壓縮應力及強度校核根據2中表76，取則 ，鋼底板對水泥基礎的則 所以壓應力應按2中式729計算： （5-9）其中 ，筋板面積 腹

27、板面積：形心：腹板與筋板組合截面斷面系數：代入公式得取 則根據2中式732進行校核即滿足強度要求。5.7地震引起的地腳螺栓應力5.7.1傾覆力矩計算5.7.2由傾覆力矩引起的地腳螺栓拉應力根據2中式7-34計算 （5-10）其中n為承受傾覆力矩的地腳螺栓個數，；為筒體軸線兩側的螺栓間距；為每個地腳螺栓的橫截面面積，；則取載荷系數，則由于，所以強度符合要求。5.7.3由地震引起的地腳螺栓剪應力根據2中式7-35計算 （5-11）其中為承受剪應力的地腳螺栓個數，；則 由于 故符合強度要求。 六 焊接工藝筒體的焊接和封頭與筒體的焊接采用X型坡口，因為同厚度下減少焊接量約1/2,焊接變形及產生內應力也

28、小。焊條型號為J507。筒體與鋼管的連接為角接接頭。焊條型號為A302。筒體與封頭處的A、B類焊接接頭應用射線進行100%檢測，合格級別為，C、D類焊接接頭應用磁粉進行100%著色檢測，合格級別為。 七 設計感想時光荏苒，轉眼間畢業設計三個月時間已經完了，期間特別感謝張老師對我的指導與關心，在這之間我也學到了很多東西。雖然每學期都安排了課程設計或者實習，但是沒有一次像這樣的課程設計能與此次相比，設計限定了時間長，而且是一人一個課題要求更為嚴格，任務更加繁多、細致、要求更加嚴格、設計要求的獨立性更加高。要我們充分利用在校期間所學的課程的專業知識理解、掌握和實際運用的靈活度。在對設計的態度上的態度

29、上是認真的積極的。 通過近一學期畢業設計的學習，給我最深的感受就是我的設計思維得到了很大的鍛煉與提高。作為一名設計人員要設計出有創意而功能齊全的產品，就必須做一個生活的有心人。多留心觀察思考我們身邊的每一個機械產品，不僅是過程裝備。只有這樣感性認識豐富了，才能使我們的設計思路具有創造性。為什么這樣說呢？就拿我設計的低變爐來說吧，在拿出具體的方案之前，老師讓我了解一些關于國內外低變爐的現狀和存在的問題，并要求讓低變爐結構簡單，并且造價低，穩定性好。這是對我的四年知識能力考查，也是對我應用這些知識能力的考查，我盡力使自己的設計減少錯誤，但我知道由于許多知識和能力的欠缺，肯定有一定的錯誤。通過本次設計我學到的不僅僅是對低變爐這單一方面的了解，讓我熟悉了設計過程機械的各個方面的流程，學會了把自己大學四年所學的知識運用到實際工作中的方法。從以前感覺學的許多科目沒有實際意義，到現在覺得以前的專業知識不夠扎實，給自己的設計過程帶來了很大的麻煩。低變爐是在化工也運用最廣泛的過程機械，涉及到了很多項目。不僅有良好的針對性，并且有很大的現實意義。培養了自己的綜合能力、自學能力，從而適應未來社會的需要與科學技術的發展需要。培養了自己綜合的、靈活的運用的發揮所學的知識。我覺