过程设备设计课程设计说明书
二氧化碳立式储罐设计
学 生 姓 名
专 业 学 号 指 导 教 师 学 院 xx xxx xxx xxxx xxxxx
二〇一四年六月
过程设备课程设计任务书
一、设计题目：二氧化碳立式储罐
二、 技术特性指标
设计压力：1.71MPa 最高工作压力：1.5MPa 设计温度：162℃ 工作温度：≤120℃ 受压元件材料：16MnR 介质：二氧化碳气体 腐蚀裕量：1.0mm 焊缝系数：0.85 全容积：8m 3 装料系数：0.9
三、设计内容
1、储罐的强度计算及校核
2、选择合适的零部件材料
3、焊接结构选择及设计
4、安全阀和主要零部件的选型
5、绘制装配图和主要零部件图
四、设计说明书要求
1、字数不少于5000字。
2、内容包括：设计参数的确定、结构分析、材料选择、强度计算及校核、焊接结构设计、标准零部件的选型、制造工艺及制造过程中的检验、设计体会、参考书目等。
3、设计说明书封面自行设计（计算机打印），要求有设计题目、班级、学生姓名、指导教师姓名、设计时间。（全班统一）
4、设计说明书用A4纸横订成册，封面和任务书在前。
目 录
第一章 绪论 . .............................................................1
1.1 储罐的分类 ......................................................1
1.2 立式二氧化碳储罐设计的特点.......................................2
1.3 设计内容及设计思路 ..............................................2
第二章 零部件的设计和选型 ...........................................4
2.1 材料用钢的选取 ..................................................4
2.1.1 容器用钢 ...................................................... 4
2.1.2 附件用钢 ...................................................... 4
2.2 封头的设计 ......................................................5
2.2.1 封头的选择 .................................................... 5
2.2.2 封头的设计计算................................................. 5
2.3 筒体的设计 ......................................................6 2.4 人孔的设计 .......................................................6
2.4.1 人孔的选择 .................................................... 6
2.4.2 人孔的选取 .................................................... 7
2.5 容器支座的设计 ..................................................9
2.5.1 支座选取 ...................................................... 9
2.5.2 支座的设计 .................................................... 9
2.5.3 支座的安装位置................................................ 10
2.6 接管、法兰、垫片和螺栓的选取 . .................................. 122
2.6.1 接管的选取 .................................................. 122
2.6.2 法兰的选取 .................................................. 122
2.6.3 垫片的选取 .................................................. 144
2.6.4 螺栓的选取 .................................................. 144
第三章 强度设计与校核 ............................................ 166
3.1 圆筒强度设计 .................................................. 166
3.2 封头强度设计 .................................................. 166
3.3 人孔补强设计 .................................................. 177
第四章 试验校核 ................................................... 200
4.1 水压试验 ...................................................... 200
4.1.1 试验目的 .................................................... 200
4.1.2 试验强度校核................................................. 200
4.2 气密性试验 .................................................... 211 设计总结 . .......................................................... 222
参考文献 . ........................................................... 23
第一章 绪论
1.1 储罐的分类
压力储罐的组成部分根据文献[1]一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构。
按照国家规定的文献[2]法规和标准实施监督检查和技术检验。储罐按其制造材质可分为金属罐和非金属罐。在化工、石油化工和石油等工业中储存液化气以外的原料油主要采用金属储罐，即金属油罐。油罐分类金属油罐可根据油罐所处位置、几何形状和不同结构形式等几方面来划分。
1、按油罐所处位置划分 分为地上油罐、半地下油罐和地下油罐三种。
（1）地上油罐。指油罐的罐底位于设计标高±0.00及其以上；罐底在设计标高±0.00以下但不超过油罐高度的1/2，也称为地上油罐。
（2）半地下油罐。半地下油罐是指油罐埋入地下深于其高度的1/2，而且油罐的液位的最大高度不超过设计标高±0.00以上0.2m 。
（3）地下油罐。地下油罐指罐内液位处于设计标高±0.00以下0.2m 的油罐。
2、按油罐的几何形状划分 按油罐的几何形状可划分为：
（1）立式圆柱形罐；
（2）卧式圆柱形罐；
（3）球形罐；球形储罐和圆筒形储罐相比：前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般储存总量大于500m 3或单罐容积大于200m 3时选用球形储罐比较经济，而圆筒形储罐具有加工制造安装简单，安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总储量小于500m 或单罐容积小于100m 时选用圆筒形储罐比较经济。圆筒形储罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形储罐， 只有某些特殊情况下（站内地方受限制等) 才选用立式。但本说明书主要讨论立式圆筒形二氧化碳储罐的设计。 33
1.2 立式二氧化碳储罐设计的特点
立式储罐，危险性大，容易发生火灾和爆炸事故，必须按照有关文献[3]，建立防火、防爆制度，经常进行防火巡查，严格进行消防安全管理，确保消防安全。国家劳动部门把这类设备作为受安全监察的一种特殊设备，并在技术上进行了严格、系统和强制性的管理，制定了一系列地强制性或推荐性地规范标准和技术法规，对压力容器的设计、材料、制造、安装、检验、使用和维修提出了相应的要求，同时为确保其安全可靠，实施了持证设计、制造和检验制度。储罐区防火防爆应按文献[4]规定。此类容器接受劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程》(简称容规) 的监督，因此设计必须严格按照标准进行。
二氧化碳, 化学式为CO 2，碳氧化物之一，是一种无机物，常温下是一种无色
无味气体，密度比空气略大，微溶于水，并生成碳酸。（碳酸饮料基本原理）可以使澄清的石灰水变浑浊，做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以用到。
二氧化碳不参与燃烧，密度比空气略大，所以也被用作灭火剂。
二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，温室中常用二氧化碳作肥料。
立式二氧化碳储罐，此次设计针对的是第一类压力容器的设计。储罐主要由筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有进料管、出料管、排污管以及安全阀、压力表等。
1.3 设计内容及设计思路
设计内容：
1、储罐的强度计算及校核
2、选择合适的零部件材料
3、焊接结构选择及设计
4、安全阀和主要零部件的选型
5、绘制装配图和主要零部件图
表1-1 技术特性指标
设计思路： 我的设计题目是二氧化碳气体储罐设计，设计压力为1.71MPa ，设计温度为162 0C 。
首先我根据设计压力、设计温度、介质特性在结合经济性选择了筒体和封头的材料16MnR 以及各附件的材料；
然后进行筒体和封头的设计计算，进行筒体和封头的强度设计与校核； 然后根据文献[5]选择支座以及支座的安装位置，根据文献[6]如选择人孔的型式及尺寸；
最后根据文献[7]选择各个接管法兰及其附件。根据自己所设计的参数进行二维装配图、零件图等的绘制、说明书的编写和排版。
第二章 零部件的设计和选型
2.1 材料用钢的选取
2.1.1 容器用钢
压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。
一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa-345Mpa 级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa 级或以上；如果容器的操作温度超过400C ，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。
16MnR 钢是屈服强度340Mpa 级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507），15MnVR 钢和18MnMoNbR 钢是屈服强度分别为400、500Mpa 级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn 钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR 钢昂贵。
因此选用16MnR 钢作为筒体与封头的材料，既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 。
2.1.2 附件用钢
优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。
优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。 由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。
由于法兰与支座必须具有足够大的强度和刚度，以满足连接的条件，使之能够密封良好，故选用Q235-A 的普通碳素钢。 0
2.2 封头的设计
2.2.1 封头的选择
从受力与制造方面分析来看，半球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，冲压较为困难。椭圆形封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。根据文献[8]从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。
2.2.2 封头的设计计算 由D i 2h i =2，得h i =D i 4=4=400mm
封头的其他参数：查标准文献[6]中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见封头尺寸表2-1。
图2-1 封头
表2-1 封头尺寸
2.3 筒体的设计
2.3.1 筒体的设计计算
设计体积V =8m 3，根据文献[7]选得容器公称直径Di =1600mm ，
采用标准椭圆形封头：取直边高度h =40mm 。
单个封头容积： V h 1=0. 5864m 3，封头总容积： V h =2V h 1=1. 1728m 3， 单个封头内表面积S 0=2. 9007m 2， 封头总内表面积：S =2S 0=5. 8014m 2 故筒体容积： V 筒=V -V h =6. 8272m 3。
则筒体长度： L o =4V 筒
2=3395m m πDi
取整后筒体长度取L =3400mm 。
则实际体积： V =πL Di 2
4+V h =8. 0089m 3
筒体内表面积： S 筒=πDiL =17. 082m 2
则总内表面积： S 总=S 筒+S =22. 883m 2
长径比： L /D i =3. 4/1. 6=2. 125 介于2与3之间，符合条件。
2.4 人孔的设计
2.4.1 人孔的选择
压力容器设置人孔是作为工作人员进出设备以进行检验和维修之用，而且能避免因意外原因造成罐内急剧超压或真空时，损坏储罐而发生事故，还能起到安全阻火作用，是保护储罐的安全装置。因此，人孔的位置应适当，人孔直径必须保证工作人员能携带工具进出设备方便。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径（人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其筒节的公称直径）、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性。通常可以根据文献[9]需要选择，在这选用回转盖带颈对焊法兰人孔。
2.4.2 人孔的选取
由于贮罐是在120℃及最高压力为1.5MPa 下工作，人孔标准按公称压力2.5MPa 的压力等级根据文献[10]标准适用于公称压力PN 2.5-6.3MPa 。又因人孔盖直径较大且质量较重，故选用回转盖带颈对焊法兰人孔(A型) 。
人孔的型式和基本参数见下图2-2A 和图2-2B 。
图2-2A RF型人孔主视图
图2-2B RF型人孔俯视图
人孔各部件的材料的选取：（见表2-2）
表2-2 人孔各部件的材料
2.35CrMoA螺柱使用于工作温度小于或等于-20℃时，应进行工作温度下的低温冲击试验，其相应的材料标记代号为35CML 。工作温度大于-20℃时，其标记代号为35CM 。
人孔尺寸的选取：（见尺寸表2.3）
表2-3 人孔尺寸
1允许改变，但需注明改变后的H 1尺寸，并修正人孔总质量。
则该人孔标记为： 人孔RF Ⅲ（A.G ）450-2.5 HG/T21518-2005
2.5 容器支座的设计
2.5.1 支座选取
支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。立式圆筒形容器的支座分为支承式支座、群座、腿式支座三类。由于立式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故根据文献[11]设计中选用支承式支座。
由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，由于是立式容器，故采用三个A 型4号支承式支座。
2.5.2 支座的设计
首先估算计算支座的负荷。 贮罐总质量：
m =m 1+m 2+m 3+m 4
（2-1）
式中：m 1为筒体质量（kg ），m 2为封头质量（kg ），m 3为二氧化碳质量（kg ），m 4 为附件质量（kg ）。 筒体质量m 1：
DN =1600mm ，δn =16mm 的筒节，每米质量为q 1=507.3kg，
故 ： m1= q1L=507.3³3.4=1725kg 封头质量m 2:
DN =1600mm ，δn =16mm 直边高度h=40mm的标准椭圆形封头，其质量为q 2=361.1kg。
故： m2=2q2=722.2kg 二氧化碳质量m 3:
充气质量：ρ
，水压试验充满水，故取介质密度为ρ水>ρco 2水
π
4
⨯1. 62⨯3.4+2⨯0. 5864=8. 00891m 3
3
=1000kg m ，
V =V 筒体+2V 封头=
充液质量为： m 3=αρ水V =0. 9⨯1000⨯8. 00891=7208. 0kg 附件质量：
人孔约重245kg ，其它接口管法兰重约12kg ， 故 m 4=257kg 。
据式（2-1）设备总质量：
m =m 1+m 2+m 3+m 4=1725+722. 2+7208.0+257=9912. 2kg Q =
mg 9912.2⨯9. 8
==32379. 9N ≈32. 380k N 33
由于每个支座承受约32.380kN 负荷，根据文献[6] 表2 A型4号支座允许载荷[Q]=100kN。
Q =32. 380kN
表2-4 支承式支座座尺寸
2.5.3 支座的安装位置
支座的安装位置图下图2-3A 和图2-3B ：
图2-3A 支座安装位置主视图
图2-3B 支座安装位置左视图
根据文献附录C 规定，知A 支座安装高度460mm （即封头与筒体连接处到地面的距离）。
则该支座标记为： JB/T 4712.4-2007，支座A4
[5]
2.6 接管、法兰、垫片和螺栓的选取
2.6.1 接管的选取 二氧化碳进气管：
进料管伸进设备内部并将管的一端切成450，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。
采用无缝钢管YB231-φ65³4mm ,管的一端伸入罐切成45°, 管长305 mm。配用凸面式板式平焊管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 65-2.5 RF Q235A
二氧化碳出气管：
在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。
采用可拆的压出管φ65³4mm, 配用凸面式板式平焊管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 65-2.5 RF Q235A
排污管：
在清洗贮罐式，为了能够将废液完全排除贮罐外，CO 2介质会微量腐蚀罐壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。
在罐的最底部设个排污管，规格是φ25³4mm ，管端焊有与截止阀相配的管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 25-2.5 RF Q235A
压力表接管：
压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此选用采用φ15³3.5mm 无缝钢管, 管法兰采用 HG/T 20592 法兰 PL 15-2.5 RF Q235A
安全阀接口管：
安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。
本贮罐选用φ57³4mm 的无缝钢管, 管法兰HG/T 20592 法兰 PL 57-2.5 RF Q235A
接口管中，其选择的条件均在不需要补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。
2.6.2 法兰的选取
如图2-4：板式平焊钢制管法兰：
图2-4 板式平焊钢制管法兰
查文献[12]中表8.2.2-1至8.2.1-5 PN2.5板式平焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。
查文献[13]中附录D 中表D-5, 得各法兰的质量。
查文献[14]中表3.2.2，法兰的密封面均采用RF （突面密封）。 得求得接管法兰尺寸见下表：
表2-5 接管法兰尺寸表
2.6.3 垫片的选取
查文献[15]，垫片尺寸见表2-6：
表2-6 垫片尺寸（mm ）
2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。
3：垫片厚度除人孔垫片厚度为4外，其他均为3。
2.6.4 螺栓的选取
地脚螺栓(g)选用Q235-A （钢材标准GB 700），选得材料的许用应力
σs =345MP a ，屈服极限σs
=235MPa
查文献[16]中表5.0.7-2和附录中表A.0.1 ，得螺柱的长度见下表2-7：
表2-7 六角头螺栓螺柱及垫片(未注明单位：mm)
注：1. 紧固件质量为每1000件的近似质量 表2-8 附件质量
第三章 强度设计与校核
3.1 圆筒强度设计
其焊接系数已知为φ=0. 85。材料的许用应力[σ]=170MPa ，屈服极限
t
σs =345MPa 。根据GB/T 9019-2001选得容器公称直径为DN =D i =1600mm 。
设计压力p c =1. 71MPa ，利用中径公式（3-1）计算筒体壁厚： δ=
p c D i 1. 71⨯1600
==9. 5mm （3-1）t
2σφ-p c 2⨯170⨯0. 85-1. 71
查标准文献[5]表7-2知，钢板厚度负偏差为C 1=0. 8mm 。并已知腐蚀裕量
C 2=1mm 。
筒体设计厚度：δd =δ+C 2=9. 5+1=10. 5mm （3-2） 筒体名义厚度：δn ≥δ+C 1+C 2=9. 5+0. 8+1=11. 3mm （3-3） 由于钢板厚度范围为6~16mm ，圆整后保守取δn =12mm 。
筒体的有效厚度δe =δn -C 1-C 2=12-0. 8-1=10. 2mm （3-4）
3.2 封头强度设计
查标准文献[7]中表1，选取公称直径DN =D i =1600mm ，选用标准椭圆形封头，型号代号为EHA ，取D i /2h i =400 ，则h i =400mm 查标准文献[6]中表2，取直边长h=40mm。该容器取其焊接系数为φ=0. 85。材料的许用应力[σ]t =170MPa ，屈服极限σs =345MPa 。根据椭圆形封头计算式（3-1）计算：
δ=
p c D i 1. 71⨯1600
==9. 5mm t
2⨯170⨯0. 85-0. 5⨯1. 712σφ-0. 5p c
查标准文献[18]表7-1知，钢板厚度负偏差为C 1=0. 8mm 。并已知腐蚀裕量
C 2=1mm 。
据式(3-2)计算封头厚度：
δd =δ+C 2=9. 5+1=10. 5mm 据式（3-3）计算封头名义厚度：
δn ≥δ+C 1+C 2=9. 5+0. 8+1=11. 3mm
由于钢板厚度范围为6~16mm ，圆整后取与筒体相同的名义厚度
δn =12mm 。
据式（3-4）计算筒体的有效厚度：
δe =δn -C 1-C 2=12-0. 8-1=10. 2mm
则封头标记为：EHA 2100⨯16-16MnR JB /T 4746 。
3.3 人孔补强设计
为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱，而出现应力集中现象。为保证容器安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强，以降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。另外, 还要考虑人孔补强, 确定补强圈尺寸, 由于人孔的筒节不是采用无缝钢管, 故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径为d i =450mm , 壁厚
δm =12mm
查表得人孔的筒体尺寸为Φ480³12，由标准[7] A型查得补强圈尺寸为： 内径D i =484mm，外径D o =760mm。 开孔补强的有关计算参数如下： 据式（3-1）计算筒体的壁厚：
δ=
p c D i 1. 71⨯1600
==9. 5mm t
2⨯170⨯0. 85-1. 712σφ-p c
计算开孔所需补强的面积A ：
开孔直径： d =d i +2C =450+2⨯(0. 8+1) =453. 6mm
. 2mm 2 （3-5） 补强面积： A =d ⋅δ=453. 6⨯9. 5=4309
有效宽度：
B =2⋅d =2⨯453. 6=907. 2mm
B =d +2⋅δn +2⋅δm =453. 6+2⨯12+2⨯12=501. 6mm 取最大值 B=907.2mm 有效高度：
外侧高度： h 1=d ⋅m =453. 6⨯12=73. 78mm
或 h 1=接管实际外伸高度=250mm 两者取较小值h 1=73. 78mm
内侧高度h 2=d ⋅δm =453. 6⨯12=73. 78mm
或h 2=接管实际内伸高度=0mm 两者取较小值0mm
筒体多余面积A 1：
据式（3-3）计算筒体有效厚度： δe =δn -C =12-1. 8=10. 2mm
选择与筒体相同的材料（16MnR ）进行补偿，故f r =1，所以
A 1=(B -d )(δe -δ) -2δm (δe -δ)(1-f γ)
=(907. 2-453. 6)(10. 2-9. 5) -0=317. 5mm
2
接管多余金属的截面积A 2： 接管计算厚度：δt =
p c D i 1. 71⨯1600
==2. 04mm t
2⨯170⨯0. 85-1. 712σφ-p c
A 2=2⋅h 1(δet -δt ) f γ+2⋅h 2(δet -C 2) f γ =2⋅h 1(δm -C -δt ) f γ+0
=2⨯73. 78⨯(12-1. 8-2. 04) =1204. 09mm
2
补强区内焊缝截面积A 3：
1
A 3=2⨯⨯12⨯12=144mm 2
2
据式（3-5）计算有效补强面积A ε：
A e =A 1+A 2+A 3=317. 5+1204. 09+144=1665. 6mm 2 因为A e
A 4=A -A e =4309. 2-1665. 6=2643. 6mm 2
补强圈厚度δ' ：（补强圈内径D i =484，外径D o =760）
δ' ≥
A 42643. 6
==9. 6mm
D o -D i 760-484
考虑钢板负偏差并圆整，实取补强厚度10mm ，补强材料与壳体材料相同。
不需补强的最大开孔直径：
由于钢板具有一定的规格，壳体的壁厚往往超过实际强度的需要，厚度增加，使最大应力降低，相当于容器已被整体加强，并且容器的开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。同时由于容器材料具有一定的塑性储备，允许承受不大的局部应力。故当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。 不需要补强的条件:
设计压力小于或等于 2.5MPa；
两相邻开孔中心的间距应不小于两孔径之和的两倍；
接管公称外径小于或等于89mm ； 接管最小壁厚满足下表3.1的要求：
表3-1 接管最小壁厚
透的结构形式。
2.接管的腐蚀裕量为1mm
b
第四章 试验校核
4.1 水压试验
4.1.1 试验目的
除材料本身的缺陷外，容器在制造（特别是焊接过程）和使用中会产生各种缺陷。为考核缺陷对压力容器安全性的影响，压力容器制成后或定期检验（必要时）中，需要进行水压试验。
对于内压容器，水压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封性结构的密封性能。对于外压容器，在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。
4.1.2 试验强度校核
为保证水压试验时容器材料处于弹性状态，在水压试验前必须按压力容器水压校核公式（4-1）进行计算：
σ
t
=
P T (Di +δe )
e
≤0. 9
σ
s
（4-1）
则式中：
P T =1. 25P C =1. 25⨯1. 71=2. 1375MPa δe =δn -C =12-1. 8=10. 2mm
σs =345MP a
2. 1375⨯(1600+10. 2)
2⨯10. 2⨯0. 85
则=198. 49MP a ≤0. 9⨯345， =310. 5MP a
σT =
故符合工艺条件的要求。
4.2 气密性试验
气密性试验的目的是：考核容器的密封性能，检查的重点是可拆的密封装置和焊接接头等部位。气密性试验应在水压试验合格后进行。它并不是每台压力容器制造过程中必做的试验项目，这是因为多数容器没有严格的致密性要求，且耐压试验也同时具备一定的检漏功能。
当介质毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏（如真空度要求较高时）的压力容器，必须进行气密性试验。
由于设计内容是二氧化碳立式储罐，二氧化碳气体不属于毒性程度为极度、高度危害的气体，而且设计上没有真空度的要求，因此不需要进行气密性试验校核。
设计总结
压力介质的封闭的容器称压力容器，它的设计要求有安全可靠、满足过程要求、易于操作、维护和控制、综合经济好等。基于前部分的设计与校核的计算，得出如下的设计结果：
设计结果一览表
参考文献
[1]John F.Harvey,P.E Theory and Design of Pressure Vessels. Second Edition. Van Nostrand Reinhold Company,1991
[2]ASME HPS-2003 High Pressure System,2003
[3]Henry H.Bednar,P.E.Pressure Vessel Design Handbook.Krieger Publishing Company,1991
[4]GB150-1998《钢制压力容器》[S]. 北京：中国标准出版社， 1998 [5]JB4712-1998《支承式支座》[S]. 北京：中国标准出版社， 1998 [6]HG/T21514～21535-2005《钢制人孔和手孔》[S]. 北京：中国标准出版社， 2005
[7]HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片和紧固件》[S]. 北京：中国标准出版社， 2009
[8]JB/T4736-2002《补强圈》[S]. 北京:中国标准出版社， 2002 [9]JB/T4731-2005《钢制立式容器》[S]. 北京:中国标准出版社， 2005 [10]刁与玮，王立业. 《化工设备机械基础》第五版[M]. 北京：化学工业出版社， 2003.3.
[11]匡国柱，史启才. 《化工设备设计手册》[M]. 北京：中国石化出版社， 2005.
[12]郑津洋，董其武，桑芝富 .《过程设备设计》第三版[M]. 北京：化学工业出版社， 2003.
[13]国家质量技术监督局. 《压力容器安全技术监察规程》[M]. 北京： 1999. [14]李多民，俞惠敏. 《化工过程设备机械基础》[M]. 北京： 中国石化出版社， 2007.
[15]张剑锋. 《金属化工设备零部件》[M]. 北京：化学工业出版社， 1999. [16]郑津洋. 《材料与零部件》[M]. 北京：北京化工学院出版社， 2002. [17]韩叶象. 《化工机械基础课程设计》[M].北京： 北京化工学院出版社， 2005.
过程设备设计课程设计说明书
二氧化碳立式储罐设计
学 生 姓 名
专 业 学 号 指 导 教 师 学 院 xx xxx xxx xxxx xxxxx
二〇一四年六月
过程设备课程设计任务书
一、设计题目：二氧化碳立式储罐
二、 技术特性指标
设计压力：1.71MPa 最高工作压力：1.5MPa 设计温度：162℃ 工作温度：≤120℃ 受压元件材料：16MnR 介质：二氧化碳气体 腐蚀裕量：1.0mm 焊缝系数：0.85 全容积：8m 3 装料系数：0.9
三、设计内容
1、储罐的强度计算及校核
2、选择合适的零部件材料
3、焊接结构选择及设计
4、安全阀和主要零部件的选型
5、绘制装配图和主要零部件图
四、设计说明书要求
1、字数不少于5000字。
2、内容包括：设计参数的确定、结构分析、材料选择、强度计算及校核、焊接结构设计、标准零部件的选型、制造工艺及制造过程中的检验、设计体会、参考书目等。
3、设计说明书封面自行设计（计算机打印），要求有设计题目、班级、学生姓名、指导教师姓名、设计时间。（全班统一）
4、设计说明书用A4纸横订成册，封面和任务书在前。
目 录
第一章 绪论 . .............................................................1
1.1 储罐的分类 ......................................................1
1.2 立式二氧化碳储罐设计的特点.......................................2
1.3 设计内容及设计思路 ..............................................2
第二章 零部件的设计和选型 ...........................................4
2.1 材料用钢的选取 ..................................................4
2.1.1 容器用钢 ...................................................... 4
2.1.2 附件用钢 ...................................................... 4
2.2 封头的设计 ......................................................5
2.2.1 封头的选择 .................................................... 5
2.2.2 封头的设计计算................................................. 5
2.3 筒体的设计 ......................................................6 2.4 人孔的设计 .......................................................6
2.4.1 人孔的选择 .................................................... 6
2.4.2 人孔的选取 .................................................... 7
2.5 容器支座的设计 ..................................................9
2.5.1 支座选取 ...................................................... 9
2.5.2 支座的设计 .................................................... 9
2.5.3 支座的安装位置................................................ 10
2.6 接管、法兰、垫片和螺栓的选取 . .................................. 122
2.6.1 接管的选取 .................................................. 122
2.6.2 法兰的选取 .................................................. 122
2.6.3 垫片的选取 .................................................. 144
2.6.4 螺栓的选取 .................................................. 144
第三章 强度设计与校核 ............................................ 166
3.1 圆筒强度设计 .................................................. 166
3.2 封头强度设计 .................................................. 166
3.3 人孔补强设计 .................................................. 177
第四章 试验校核 ................................................... 200
4.1 水压试验 ...................................................... 200
4.1.1 试验目的 .................................................... 200
4.1.2 试验强度校核................................................. 200
4.2 气密性试验 .................................................... 211 设计总结 . .......................................................... 222
参考文献 . ........................................................... 23
第一章 绪论
1.1 储罐的分类
压力储罐的组成部分根据文献[1]一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构。
按照国家规定的文献[2]法规和标准实施监督检查和技术检验。储罐按其制造材质可分为金属罐和非金属罐。在化工、石油化工和石油等工业中储存液化气以外的原料油主要采用金属储罐，即金属油罐。油罐分类金属油罐可根据油罐所处位置、几何形状和不同结构形式等几方面来划分。
1、按油罐所处位置划分 分为地上油罐、半地下油罐和地下油罐三种。
（1）地上油罐。指油罐的罐底位于设计标高±0.00及其以上；罐底在设计标高±0.00以下但不超过油罐高度的1/2，也称为地上油罐。
（2）半地下油罐。半地下油罐是指油罐埋入地下深于其高度的1/2，而且油罐的液位的最大高度不超过设计标高±0.00以上0.2m 。
（3）地下油罐。地下油罐指罐内液位处于设计标高±0.00以下0.2m 的油罐。
2、按油罐的几何形状划分 按油罐的几何形状可划分为：
（1）立式圆柱形罐；
（2）卧式圆柱形罐；
（3）球形罐；球形储罐和圆筒形储罐相比：前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般储存总量大于500m 3或单罐容积大于200m 3时选用球形储罐比较经济，而圆筒形储罐具有加工制造安装简单，安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总储量小于500m 或单罐容积小于100m 时选用圆筒形储罐比较经济。圆筒形储罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形储罐， 只有某些特殊情况下（站内地方受限制等) 才选用立式。但本说明书主要讨论立式圆筒形二氧化碳储罐的设计。 33
1.2 立式二氧化碳储罐设计的特点
立式储罐，危险性大，容易发生火灾和爆炸事故，必须按照有关文献[3]，建立防火、防爆制度，经常进行防火巡查，严格进行消防安全管理，确保消防安全。国家劳动部门把这类设备作为受安全监察的一种特殊设备，并在技术上进行了严格、系统和强制性的管理，制定了一系列地强制性或推荐性地规范标准和技术法规，对压力容器的设计、材料、制造、安装、检验、使用和维修提出了相应的要求，同时为确保其安全可靠，实施了持证设计、制造和检验制度。储罐区防火防爆应按文献[4]规定。此类容器接受劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程》(简称容规) 的监督，因此设计必须严格按照标准进行。
二氧化碳, 化学式为CO 2，碳氧化物之一，是一种无机物，常温下是一种无色
无味气体，密度比空气略大，微溶于水，并生成碳酸。（碳酸饮料基本原理）可以使澄清的石灰水变浑浊，做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以用到。
二氧化碳不参与燃烧，密度比空气略大，所以也被用作灭火剂。
二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，温室中常用二氧化碳作肥料。
立式二氧化碳储罐，此次设计针对的是第一类压力容器的设计。储罐主要由筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有进料管、出料管、排污管以及安全阀、压力表等。
1.3 设计内容及设计思路
设计内容：
1、储罐的强度计算及校核
2、选择合适的零部件材料
3、焊接结构选择及设计
4、安全阀和主要零部件的选型
5、绘制装配图和主要零部件图
表1-1 技术特性指标
设计思路： 我的设计题目是二氧化碳气体储罐设计，设计压力为1.71MPa ，设计温度为162 0C 。
首先我根据设计压力、设计温度、介质特性在结合经济性选择了筒体和封头的材料16MnR 以及各附件的材料；
然后进行筒体和封头的设计计算，进行筒体和封头的强度设计与校核； 然后根据文献[5]选择支座以及支座的安装位置，根据文献[6]如选择人孔的型式及尺寸；
最后根据文献[7]选择各个接管法兰及其附件。根据自己所设计的参数进行二维装配图、零件图等的绘制、说明书的编写和排版。
第二章 零部件的设计和选型
2.1 材料用钢的选取
2.1.1 容器用钢
压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。
一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa-345Mpa 级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa 级或以上；如果容器的操作温度超过400C ，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。
16MnR 钢是屈服强度340Mpa 级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。在焊接压力容器时采用碱性焊条（J507），15MnVR 钢和18MnMoNbR 钢是屈服强度分别为400、500Mpa 级普通低合金高强度钢，虽然有较高的强度，但韧性、塑性都较C-Mn 钢低，且有较高的缺口敏感性和时效敏感性。并且这两类钢均较16MnR 钢昂贵。
因此选用16MnR 钢作为筒体与封头的材料，既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 。
2.1.2 附件用钢
优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。
优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。 由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择10号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管。
由于法兰与支座必须具有足够大的强度和刚度，以满足连接的条件，使之能够密封良好，故选用Q235-A 的普通碳素钢。 0
2.2 封头的设计
2.2.1 封头的选择
从受力与制造方面分析来看，半球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，冲压较为困难。椭圆形封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。根据文献[8]从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。
2.2.2 封头的设计计算 由D i 2h i =2，得h i =D i 4=4=400mm
封头的其他参数：查标准文献[6]中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见封头尺寸表2-1。
图2-1 封头
表2-1 封头尺寸
2.3 筒体的设计
2.3.1 筒体的设计计算
设计体积V =8m 3，根据文献[7]选得容器公称直径Di =1600mm ，
采用标准椭圆形封头：取直边高度h =40mm 。
单个封头容积： V h 1=0. 5864m 3，封头总容积： V h =2V h 1=1. 1728m 3， 单个封头内表面积S 0=2. 9007m 2， 封头总内表面积：S =2S 0=5. 8014m 2 故筒体容积： V 筒=V -V h =6. 8272m 3。
则筒体长度： L o =4V 筒
2=3395m m πDi
取整后筒体长度取L =3400mm 。
则实际体积： V =πL Di 2
4+V h =8. 0089m 3
筒体内表面积： S 筒=πDiL =17. 082m 2
则总内表面积： S 总=S 筒+S =22. 883m 2
长径比： L /D i =3. 4/1. 6=2. 125 介于2与3之间，符合条件。
2.4 人孔的设计
2.4.1 人孔的选择
压力容器设置人孔是作为工作人员进出设备以进行检验和维修之用，而且能避免因意外原因造成罐内急剧超压或真空时，损坏储罐而发生事故，还能起到安全阻火作用，是保护储罐的安全装置。因此，人孔的位置应适当，人孔直径必须保证工作人员能携带工具进出设备方便。人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。一般人孔有两个手柄。选用时应综合考虑公称压力、公称直径（人、手孔的公称压力与法兰的公称压力概念类似。公称直径则指其筒节的公称直径）、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。人孔的类型很多，选择使用上有较大的灵活性。通常可以根据文献[9]需要选择，在这选用回转盖带颈对焊法兰人孔。
2.4.2 人孔的选取
由于贮罐是在120℃及最高压力为1.5MPa 下工作，人孔标准按公称压力2.5MPa 的压力等级根据文献[10]标准适用于公称压力PN 2.5-6.3MPa 。又因人孔盖直径较大且质量较重，故选用回转盖带颈对焊法兰人孔(A型) 。
人孔的型式和基本参数见下图2-2A 和图2-2B 。
图2-2A RF型人孔主视图
图2-2B RF型人孔俯视图
人孔各部件的材料的选取：（见表2-2）
表2-2 人孔各部件的材料
2.35CrMoA螺柱使用于工作温度小于或等于-20℃时，应进行工作温度下的低温冲击试验，其相应的材料标记代号为35CML 。工作温度大于-20℃时，其标记代号为35CM 。
人孔尺寸的选取：（见尺寸表2.3）
表2-3 人孔尺寸
1允许改变，但需注明改变后的H 1尺寸，并修正人孔总质量。
则该人孔标记为： 人孔RF Ⅲ（A.G ）450-2.5 HG/T21518-2005
2.5 容器支座的设计
2.5.1 支座选取
支座用来支撑容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。立式圆筒形容器的支座分为支承式支座、群座、腿式支座三类。由于立式支座承压能力较好且对筒体产生的局部应力较小，故根据文献[11]设计中选用支承式支座。
由于在此设计中，贮罐体积较小且长径比较小，由于是立式容器，故采用三个A 型4号支承式支座。
2.5.2 支座的设计
首先估算计算支座的负荷。 贮罐总质量：
m =m 1+m 2+m 3+m 4
（2-1）
式中：m 1为筒体质量（kg ），m 2为封头质量（kg ），m 3为二氧化碳质量（kg ），m 4 为附件质量（kg ）。 筒体质量m 1：
DN =1600mm ，δn =16mm 的筒节，每米质量为q 1=507.3kg，
故 ： m1= q1L=507.3³3.4=1725kg 封头质量m 2:
DN =1600mm ，δn =16mm 直边高度h=40mm的标准椭圆形封头，其质量为q 2=361.1kg。
故： m2=2q2=722.2kg 二氧化碳质量m 3:
充气质量：ρ
，水压试验充满水，故取介质密度为ρ水>ρco 2水
π
4
⨯1. 62⨯3.4+2⨯0. 5864=8. 00891m 3
3
=1000kg m ，
V =V 筒体+2V 封头=
充液质量为： m 3=αρ水V =0. 9⨯1000⨯8. 00891=7208. 0kg 附件质量：
人孔约重245kg ，其它接口管法兰重约12kg ， 故 m 4=257kg 。
据式（2-1）设备总质量：
m =m 1+m 2+m 3+m 4=1725+722. 2+7208.0+257=9912. 2kg Q =
mg 9912.2⨯9. 8
==32379. 9N ≈32. 380k N 33
由于每个支座承受约32.380kN 负荷，根据文献[6] 表2 A型4号支座允许载荷[Q]=100kN。
Q =32. 380kN
表2-4 支承式支座座尺寸
2.5.3 支座的安装位置
支座的安装位置图下图2-3A 和图2-3B ：
图2-3A 支座安装位置主视图
图2-3B 支座安装位置左视图
根据文献附录C 规定，知A 支座安装高度460mm （即封头与筒体连接处到地面的距离）。
则该支座标记为： JB/T 4712.4-2007，支座A4
[5]
2.6 接管、法兰、垫片和螺栓的选取
2.6.1 接管的选取 二氧化碳进气管：
进料管伸进设备内部并将管的一端切成450，为的是避免物料沿设备内壁流动以减少磨蚀和腐蚀。为了在短时间内将物料注满容器。
采用无缝钢管YB231-φ65³4mm ,管的一端伸入罐切成45°, 管长305 mm。配用凸面式板式平焊管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 65-2.5 RF Q235A
二氧化碳出气管：
在化工生产中，需要将液体介质运送到与容器平行的或较高的设备中去，并且获得纯净无杂质的物料。
采用可拆的压出管φ65³4mm, 配用凸面式板式平焊管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 65-2.5 RF Q235A
排污管：
在清洗贮罐式，为了能够将废液完全排除贮罐外，CO 2介质会微量腐蚀罐壁而出现沉淀，故需在筒体底部安设排污管一个。
在罐的最底部设个排污管，规格是φ25³4mm ，管端焊有与截止阀相配的管法兰 HG/T 20592 法兰 PL 25-2.5 RF Q235A
压力表接管：
压力表接口管由最大工作压力决定, ,因此选用采用φ15³3.5mm 无缝钢管, 管法兰采用 HG/T 20592 法兰 PL 15-2.5 RF Q235A
安全阀接口管：
安全阀是通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力。为了操作的安全，因此安设一安全阀。安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。
本贮罐选用φ57³4mm 的无缝钢管, 管法兰HG/T 20592 法兰 PL 57-2.5 RF Q235A
接口管中，其选择的条件均在不需要补强的条件之内，因此，以上接口管在筒体上的开孔不需要补强。
2.6.2 法兰的选取
如图2-4：板式平焊钢制管法兰：
图2-4 板式平焊钢制管法兰
查文献[12]中表8.2.2-1至8.2.1-5 PN2.5板式平焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。
查文献[13]中附录D 中表D-5, 得各法兰的质量。
查文献[14]中表3.2.2，法兰的密封面均采用RF （突面密封）。 得求得接管法兰尺寸见下表：
表2-5 接管法兰尺寸表
2.6.3 垫片的选取
查文献[15]，垫片尺寸见表2-6：
表2-6 垫片尺寸（mm ）
2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。
3：垫片厚度除人孔垫片厚度为4外，其他均为3。
2.6.4 螺栓的选取
地脚螺栓(g)选用Q235-A （钢材标准GB 700），选得材料的许用应力
σs =345MP a ，屈服极限σs
=235MPa
查文献[16]中表5.0.7-2和附录中表A.0.1 ，得螺柱的长度见下表2-7：
表2-7 六角头螺栓螺柱及垫片(未注明单位：mm)
注：1. 紧固件质量为每1000件的近似质量 表2-8 附件质量
第三章 强度设计与校核
3.1 圆筒强度设计
其焊接系数已知为φ=0. 85。材料的许用应力[σ]=170MPa ，屈服极限
t
σs =345MPa 。根据GB/T 9019-2001选得容器公称直径为DN =D i =1600mm 。
设计压力p c =1. 71MPa ，利用中径公式（3-1）计算筒体壁厚： δ=
p c D i 1. 71⨯1600
==9. 5mm （3-1）t
2σφ-p c 2⨯170⨯0. 85-1. 71
查标准文献[5]表7-2知，钢板厚度负偏差为C 1=0. 8mm 。并已知腐蚀裕量
C 2=1mm 。
筒体设计厚度：δd =δ+C 2=9. 5+1=10. 5mm （3-2） 筒体名义厚度：δn ≥δ+C 1+C 2=9. 5+0. 8+1=11. 3mm （3-3） 由于钢板厚度范围为6~16mm ，圆整后保守取δn =12mm 。
筒体的有效厚度δe =δn -C 1-C 2=12-0. 8-1=10. 2mm （3-4）
3.2 封头强度设计
查标准文献[7]中表1，选取公称直径DN =D i =1600mm ，选用标准椭圆形封头，型号代号为EHA ，取D i /2h i =400 ，则h i =400mm 查标准文献[6]中表2，取直边长h=40mm。该容器取其焊接系数为φ=0. 85。材料的许用应力[σ]t =170MPa ，屈服极限σs =345MPa 。根据椭圆形封头计算式（3-1）计算：
δ=
p c D i 1. 71⨯1600
==9. 5mm t
2⨯170⨯0. 85-0. 5⨯1. 712σφ-0. 5p c
查标准文献[18]表7-1知，钢板厚度负偏差为C 1=0. 8mm 。并已知腐蚀裕量
C 2=1mm 。
据式(3-2)计算封头厚度：
δd =δ+C 2=9. 5+1=10. 5mm 据式（3-3）计算封头名义厚度：
δn ≥δ+C 1+C 2=9. 5+0. 8+1=11. 3mm
由于钢板厚度范围为6~16mm ，圆整后取与筒体相同的名义厚度
δn =12mm 。
据式（3-4）计算筒体的有效厚度：
δe =δn -C 1-C 2=12-0. 8-1=10. 2mm
则封头标记为：EHA 2100⨯16-16MnR JB /T 4746 。
3.3 人孔补强设计
为了满足各种工艺和结构上的要求，不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并安装接管。开孔后，壳壁因除去了一部分承载的金属材料而被削弱，而出现应力集中现象。为保证容器安全运行，对开孔必须采取适当的措施加以补强，以降低峰值应力。这里采用补强圈补强，因其结构简单、制造方便、使用经验丰富。另外, 还要考虑人孔补强, 确定补强圈尺寸, 由于人孔的筒节不是采用无缝钢管, 故不能直接选用补强圈标准。本设计所选用的人孔筒节内径为d i =450mm , 壁厚
δm =12mm
查表得人孔的筒体尺寸为Φ480³12，由标准[7] A型查得补强圈尺寸为： 内径D i =484mm，外径D o =760mm。 开孔补强的有关计算参数如下： 据式（3-1）计算筒体的壁厚：
δ=
p c D i 1. 71⨯1600
==9. 5mm t
2⨯170⨯0. 85-1. 712σφ-p c
计算开孔所需补强的面积A ：
开孔直径： d =d i +2C =450+2⨯(0. 8+1) =453. 6mm
. 2mm 2 （3-5） 补强面积： A =d ⋅δ=453. 6⨯9. 5=4309
有效宽度：
B =2⋅d =2⨯453. 6=907. 2mm
B =d +2⋅δn +2⋅δm =453. 6+2⨯12+2⨯12=501. 6mm 取最大值 B=907.2mm 有效高度：
外侧高度： h 1=d ⋅m =453. 6⨯12=73. 78mm
或 h 1=接管实际外伸高度=250mm 两者取较小值h 1=73. 78mm
内侧高度h 2=d ⋅δm =453. 6⨯12=73. 78mm
或h 2=接管实际内伸高度=0mm 两者取较小值0mm
筒体多余面积A 1：
据式（3-3）计算筒体有效厚度： δe =δn -C =12-1. 8=10. 2mm
选择与筒体相同的材料（16MnR ）进行补偿，故f r =1，所以
A 1=(B -d )(δe -δ) -2δm (δe -δ)(1-f γ)
=(907. 2-453. 6)(10. 2-9. 5) -0=317. 5mm
2
接管多余金属的截面积A 2： 接管计算厚度：δt =
p c D i 1. 71⨯1600
==2. 04mm t
2⨯170⨯0. 85-1. 712σφ-p c
A 2=2⋅h 1(δet -δt ) f γ+2⋅h 2(δet -C 2) f γ =2⋅h 1(δm -C -δt ) f γ+0
=2⨯73. 78⨯(12-1. 8-2. 04) =1204. 09mm
2
补强区内焊缝截面积A 3：
1
A 3=2⨯⨯12⨯12=144mm 2
2
据式（3-5）计算有效补强面积A ε：
A e =A 1+A 2+A 3=317. 5+1204. 09+144=1665. 6mm 2 因为A e
A 4=A -A e =4309. 2-1665. 6=2643. 6mm 2
补强圈厚度δ' ：（补强圈内径D i =484，外径D o =760）
δ' ≥
A 42643. 6
==9. 6mm
D o -D i 760-484
考虑钢板负偏差并圆整，实取补强厚度10mm ，补强材料与壳体材料相同。
不需补强的最大开孔直径：
由于钢板具有一定的规格，壳体的壁厚往往超过实际强度的需要，厚度增加，使最大应力降低，相当于容器已被整体加强，并且容器的开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也起补强作用。同时由于容器材料具有一定的塑性储备，允许承受不大的局部应力。故当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。 不需要补强的条件:
设计压力小于或等于 2.5MPa；
两相邻开孔中心的间距应不小于两孔径之和的两倍；
接管公称外径小于或等于89mm ； 接管最小壁厚满足下表3.1的要求：
表3-1 接管最小壁厚
透的结构形式。
2.接管的腐蚀裕量为1mm
b
第四章 试验校核
4.1 水压试验
4.1.1 试验目的
除材料本身的缺陷外，容器在制造（特别是焊接过程）和使用中会产生各种缺陷。为考核缺陷对压力容器安全性的影响，压力容器制成后或定期检验（必要时）中，需要进行水压试验。
对于内压容器，水压试验的目的是：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成泄漏，检验密封性结构的密封性能。对于外压容器，在外压作用下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性，而以内压试验进行“试漏”，检查是否存在穿透性缺陷。
4.1.2 试验强度校核
为保证水压试验时容器材料处于弹性状态，在水压试验前必须按压力容器水压校核公式（4-1）进行计算：
σ
t
=
P T (Di +δe )
e
≤0. 9
σ
s
（4-1）
则式中：
P T =1. 25P C =1. 25⨯1. 71=2. 1375MPa δe =δn -C =12-1. 8=10. 2mm
σs =345MP a
2. 1375⨯(1600+10. 2)
2⨯10. 2⨯0. 85
则=198. 49MP a ≤0. 9⨯345， =310. 5MP a
σT =
故符合工艺条件的要求。
4.2 气密性试验
气密性试验的目的是：考核容器的密封性能，检查的重点是可拆的密封装置和焊接接头等部位。气密性试验应在水压试验合格后进行。它并不是每台压力容器制造过程中必做的试验项目，这是因为多数容器没有严格的致密性要求，且耐压试验也同时具备一定的检漏功能。
当介质毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏（如真空度要求较高时）的压力容器，必须进行气密性试验。
由于设计内容是二氧化碳立式储罐，二氧化碳气体不属于毒性程度为极度、高度危害的气体，而且设计上没有真空度的要求，因此不需要进行气密性试验校核。
设计总结
压力介质的封闭的容器称压力容器，它的设计要求有安全可靠、满足过程要求、易于操作、维护和控制、综合经济好等。基于前部分的设计与校核的计算，得出如下的设计结果：
设计结果一览表
参考文献
[1]John F.Harvey,P.E Theory and Design of Pressure Vessels. Second Edition. Van Nostrand Reinhold Company,1991
[2]ASME HPS-2003 High Pressure System,2003
[3]Henry H.Bednar,P.E.Pressure Vessel Design Handbook.Krieger Publishing Company,1991
[4]GB150-1998《钢制压力容器》[S]. 北京：中国标准出版社， 1998 [5]JB4712-1998《支承式支座》[S]. 北京：中国标准出版社， 1998 [6]HG/T21514～21535-2005《钢制人孔和手孔》[S]. 北京：中国标准出版社， 2005
[7]HG/T20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片和紧固件》[S]. 北京：中国标准出版社， 2009
[8]JB/T4736-2002《补强圈》[S]. 北京:中国标准出版社， 2002 [9]JB/T4731-2005《钢制立式容器》[S]. 北京:中国标准出版社， 2005 [10]刁与玮，王立业. 《化工设备机械基础》第五版[M]. 北京：化学工业出版社， 2003.3.
[11]匡国柱，史启才. 《化工设备设计手册》[M]. 北京：中国石化出版社， 2005.
[12]郑津洋，董其武，桑芝富 .《过程设备设计》第三版[M]. 北京：化学工业出版社， 2003.
[13]国家质量技术监督局. 《压力容器安全技术监察规程》[M]. 北京： 1999. [14]李多民，俞惠敏. 《化工过程设备机械基础》[M]. 北京： 中国石化出版社， 2007.
[15]张剑锋. 《金属化工设备零部件》[M]. 北京：化学工业出版社， 1999. [16]郑津洋. 《材料与零部件》[M]. 北京：北京化工学院出版社， 2002. [17]韩叶象. 《化工机械基础课程设计》[M].北京： 北京化工学院出版社， 2005.