西南石油大学
课程设计
题目： 10m^3卧式圆筒储罐设计 院系： 机电工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级： 2009级2班 姓名： 何勇 张谦益 指导教师： 杨启明
完成日期：2012年11月14日
目录
设计任务书
1 前言 . ..................................................................................................................................... 5 2 设计选材及结构 . ................................................................................................................. 6
2.1 工艺参数的设定 . ...................................................................................................... 6
2.1.1 设计压力 ....................................................................................................... 6 2.1.2 筒体、的选材 ............................................................................................... 6
3 设计计算 . ............................................................................................................................. 7
3.1 筒体壁厚计算 . .......................................................................................................... 7 3.2 封头壁厚计算 ......................................................................................................... 8 3．3筒体和封头的结构设计-----------------------------------------------------------------------------8 3.4 压力试验 ................................................................................................................... 9 4 附件的选择 . ....................................................................................................................... 10
4.1 人孔的选择 . ............................................................................................................ 10 4.2
人孔补强的计算 . .................................................................................................... 11 4.3 进出料接管的选择 . ................................................................................................ 13 4.4 液面计的设计 . ........................................................................................................ 14 4.5 安全阀的选择 ......................................................................................................... 14 4.6 排污管的选择 . ........................................................................................................ 15 4.7 鞍座的选择 . ............................................................................................................ 15
4.7.1 鞍座结构和材料的选取 ............................................................................. 15 4.7.2 容器载荷计算 ............................................................................................. 16 4.7.3 鞍座选取标准 ............................................................................................. 16 4.7.4 鞍座强度校核 ............................................................................................. 17
5 容器焊缝标准 . ................................................................................................................... 21
5.1 压力容器焊接结构设计要求 . ................................................................................ 21 5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头 . ................................................................................ 21 5.3 管法兰与接管的焊接接头 . .................................................................................... 21 5.4 接管与壳体的焊接接头 . ........................................................................................ 21 6 筒体和封头的校核计算 . ................................................................................................... 22
6.1 筒体轴向应力校核 . ................................................................................................ 22
6.1.1 由弯矩引起的轴向应力 ............................................................................. 22 6.1.2 由设计压力引起的轴向应力 . ..................................................................... 25 6.1.3 轴向应力组合与校核 . ................................................................................. 25 6.2 筒体和封头切向应力校核 . .................................................................................... 25 7 总结 . ................................................................................................................................... 27 参考文献 . ................................................................................................................................. 28
设计任务书
设计题目： 汽油储罐设计
设计任务： 试设计一汽油储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计。 包括筒体、封头、零部件的材料的选择及结构的设计；罐的制造施工及焊接形式等； 设计计算及相关校核；各设计的参考标准； 已知工艺参数如下：
1、最高使用温度：T= 50℃； 2、工作温度：-10～50℃； 3、要求钢板的腐蚀裕量：1 mm； 4、钢板规定的公差为：± 0.8 mm； 5、全容积：10 m
6、设计压力：汽油介质储罐一般处于常压下，所以取其工作压力为0.4Mpa
即设计压力为P=0.4³1.1=4.4Mpa； 7、设计温度：设计温度取为50℃
8、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为1600mm 。 其他参数由设计计算确定。 任务下达时间：2012年11月2日 完成截止时间：2010年11月17日
3
1 前言
本设计是针对《炼油设备技术》这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程 的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。
本设计的液料为汽油，谈黄色易挥发液体，组成C5～C12。具有易燃，易爆，硫 含量少，腐蚀性小，抗氧化安定性和抗爆性能好，易启动。其生产方法为，有直馏汽 油与二次加工汽油按一定的比例调合而成，并加入适量的抗爆剂和抗氧防胶剂。其质 量指标为，无铅汽油质量执行SH0041—93石化行业标准，按研究辛烷值分90号、93 号和95号等3个牌号。油品在储存及使用过程中与空气中的氧接触，特别是在温度较 高且有金属催化作用时，容易氧化。
设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工 艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序， 分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接 形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合 设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。
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。
圆整后取为δn =6mm 封头δn =6mm
3.3 筒体和封头的结构设计
由封头长短轴之比为2，即
D i 2h =2，得h =D i 1600i 4=4
mm =400mm i 查标准[4]中椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表2和图1。
V =
π
4
D i L 0+2V 封
取装料系数为0.9，则
V 0. 9=π
4D i L 0+2V 封 即100. 9=π4
⨯1. 62⨯L 0+2⨯0. 5864 算得L 0=4. 945m 圆整后取为L 0=4. 95m
表2 封头尺寸表
图1 椭圆形封头
h i =400mm
L 0=4. 95m
3.4 压力试验
水压试验，液体的温度不得低于5℃；
试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排 尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达 到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min 。然后将压力降至规定试 验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行 检查。如有渗漏，修补后重新试验。
水压试验时的压力
p T =1. 25p
[σ]σt
=1. 25⨯0. 44=0. 55Mpa
水压试验的应力校核： 水压试验时的应力
σp T (D i +δe )0. 55⨯[1600+(6-0. 8-1)]T =2δ=⨯6-1-0. 8=105. 04Mpa
e 2查GB150-1998
16MnR 疲劳极限强度σb =510MPa ，屈服极限强度σs =345MPa 水压试验时的许用应力为
0. 9φσs =0. 9⨯1. 00⨯345=310. 5Mpa
σT ＜0.9φσS 故筒体满足水压试验时的强度要求。
p T =0. 55Mpa
σT =105. 04Mpa
4 附件选择
4.1 人孔选择
人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐 蚀等缺陷。
人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等 受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。
人孔标准HG21524-95规定PN ≥1.0Mpa 时只能用带颈平焊法兰人孔或带 颈对焊法兰人孔。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔 最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为φ400㎜。
综合考虑后选取回转盖带劲平焊法兰人孔，材料采用16MnR 。
根据HG/T 21517-2005[5]，查表3-3； 选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见表3
表3 人孔尺寸表
4.2 人孔补强的计算
开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、 厚壁管补强、整体锻件补强三种。
补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方 便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条 件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。
压力 开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补 强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面 积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削 弱的面积。补强材料采用16MnR 。
4.2.1 补强设计方法判别
人孔开孔直径为d =d i +2(C 1+C 2) =500+2⨯1. 8=503. 6mm d
D i 3=1600
3
=533. 3mm 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[σ]t
=170MPa 根据GB150-1998中式8-1：
A =d δ+2δδet (1-f r ) 式中：
壳体开孔处的计算厚度δ=2. 07mm
接管的有效厚度δet =δnt -C =6-1. 8=4. 2mm
强度削弱系数f r =1, f r 查《化工容器设计》P109 所以A =d δ+2δδet (1-f r ) =503. 6⨯2. 07=1042. 452mm 2 4.2.2 有效补强范围
4.2.2.1 有效宽度B
按[1]中式8-7，得：
11
d=503.6 mm
f r =1 A=1042.452mm
B 1=2d =2⨯503. 6=1007. 2mm
B 2=d +2δn +2δnt =503. 6+2⨯2+2⨯6=519. 6mm
B =max (B 1, B 2) =1007. 2mm B=1007.2mm
4.2.2.2外侧有效高度
根据[1]中式8-8，得：
h '
1=d δnt =503. 6⨯6=54. 97mm h "
1=接管实际外伸高度=H 1=250mm
h '
"
1=min(h 1, h 1) =54. 97mm
4.2.2.3 内侧有效高度
根据[1]中式8-9，得：
h '
2=d δnt =503. 6⨯6=54. 97mm h "
2=接管实际内伸高度=0
h 2=min(h '
"
2, h 2) =0 4.2.3有效补强面积
根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：
A e =A 1+A 2+A 3
A 1—筒体多余面积
A 1=(B -d )(δe -δ) -2δet (δe -δ)(1-f r ) =(1007. 2-503. 6) ⨯(5-2. 07) =1475. 548mm
2
A 2—接管多余面积 A 2=2h 1(δet -δt ) f r +2h 2(δet -C 2) f r =2⨯54. 97⨯(6-1. 8-2. 07) ⨯1+0=234. 17mm
A 3—焊缝金属截面积，焊脚去6mm ，则 A 1
23=
2
⨯62⨯2=36mm 12
h 1=54.97mm
h 2=0
A 1=1475.55 mm
A2=234.17 mm
A3=36mm 2
4.2.4补强面积
A e =A 1+A 2+A 3=1475. 55+234. 17+36=1745. 72mm 2 A e =1745.72 mm
因为A e >A ，所以开孔不需另行补强
4.3 进出料接管的选择
材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选
择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR 。 结构：接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减
少物料对壁的磨损与腐蚀。
接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方
法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因 素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁 厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管 或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。
不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时， 可不另行补强：
① 设计压力小于或等于2.5Mpa 。
② 两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。 ③ 接管公称外径小于或等于89㎜。 ④ 接管最小壁厚满足以下要求。
表4 接管最小壁厚要求
接管公称直径
76
/mm 89 最小壁厚/mm
6.0
因此热轧无缝钢管的尺寸为φ80³12㎜。 钢管理论重量为22.79㎏/m。取接管伸出长度为150㎜。
13
接管大小：
φ80³12㎜ m 接管=22.79㎏/m
管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN
择突面板式平焊管法兰，标记为：HG20592-2009 法兰RF (A)80-2.5,其中D=190,管法兰
材料钢号（标准号）:20（GB711）。根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、
垫片、紧固件选配表（HG20614-2009）
选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片(尚无标准号) ，密封面型式为突面，密封
面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。 安装：在离筒体底以上250㎜处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容
器底，这种方式用于卧式容器。出料口的基本尺寸以及法兰与进料口 相同。
进出料接管满足不另行补强的要求所以不再另行补强[5]。
4.4 液面计的设计
玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视 镜式玻璃板液面计。根据选用表选用：选用反射式玻璃板液面计，标准号
HG21590-95，法兰形式及其代号C 型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）液面计型号R 型公称压力PN4.0, 使用温度0～250℃，液面计的主题材料代号锻钢（16Mn ），结构形式及其代号:普通型（无代号），公称长度为1450mm ， 排污口结构:V（排污口配螺塞）。
液面计标记为：液面计CR4.0-Ⅰ根据筒体公称直径3000㎜选择两个同样的液面计，单个质量为90㎏左 右。两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。
液面计接管：无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ25³12㎜[4]。
4.5 安全阀的选择
由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范
围，所以由本设计的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号公称通径DN 取20㎜，质量约为80㎏。与安全阀和接管连接的法兰选择突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，与壳体连接的接管为无缝钢14
Ⅰ-1450V
φ25³6㎜
㎏
管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ80³12㎜。φ80³12㎜
4.6 排污管的选择
选择无缝钢管GB8163-87热轧钢为材料的排污管焊接在容器底部，尺寸为φ80³12㎜。φ80³12㎜ 管端法兰：突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，法兰一端连接排污阀（截止阀），型号J41H-40，取公称通径为80㎜，对应质量为44.4㎏。
4.7 鞍座的选择
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-A 。 4.7.1容器载荷计算
筒体的质量m 1：查得圆筒体理论质量为236.1㎏/m,筒体长度加上封头的 直边长度为5m, 则W1=236.1³5=1180.5㎏。
封头的质量m 2:根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为 133.4㎏。
水压试验时水的质量m 3：由常用压力容器手册查得公称直径1600mm 厚 6mm 的标准椭圆封头的容积为1.1728m 3, 则容器容积为：
V =V π
封头+V 筒体=1. 1728+⨯1. 62⨯4.95=11. 12032m 34
水重 m 3=11. 12032³1000=11120.32㎏。
附件的质量m 4：人孔重256kg, 人孔补强重42.3kg, 进出料管约100kg, 两个液面计共180kg, 安全阀80kg, 排污阀44.4kg, 再加上与阀门相接的接管重 量，附件总质量约为750kg.
所以设备总质量为13172.095kg. 即
4.7.2鞍座选型
查得公称直径为1600mm 的容器选择轻型(A),120°包角、焊制、六筋、带垫板。左鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A3000-F.右鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S.
15
㎏
表5 鞍座尺寸表
4.7.3鞍座的安装位置
应尽量使支座中心到封头切线的距离A 小于等于0.5R a ，当无法满足A 小于等于
0.5R a 时，A 值不宜大于0. 2L 。R a 为圆筒的平均内径。
R i a =
D 2+δn 2=16002+62
=803mm L =L 0+2h =L 0+2(H -h i ) =4950+2⨯(425-400) =5000mm 即A ≤0. 5R a =0. 5⨯803=401. 5mm
取A =0. 4m 鞍座的安装位置如图2所示：
图2 鞍座安装位置
16
R a =803mm L=5000m
A =0. 4m
4.7.4 鞍座强度校核 鞍座腹板的水平分力：
F S =K 9F
查得鞍座包角120°对应系数 K 9=0. 204 支座反力：
F =
mg
=13. 435542kN F=13.435542KN 2
鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：
σ9=
F S
H b
S 0+b r δre
H R S -计算高度，取鞍座实际高度和m
两者中的较小值，mm
b 0-鞍座腹板厚度，mm
b r -鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度b 4与圆筒体的有效宽度
b 2=b +1. 56R m δe 两者中的较小值， mm
δre -鞍座垫板有效厚度，8mm
则 σ9=
F s H b =0. 204⨯13435. 542
=0. 573Mpa S 0+b r δre 250⨯8+348. 3⨯8
应力校核：鞍座材料Q235-A ²F 的许用应力[σ]sa =125Mpa ，
则
2
3[σ]sa =83. 333M pa σ9≤23
[σ]sa 故强度适合。
4.7.5 地震引起的地脚螺栓应力
4.7.5.1 倾覆力矩计算
查 JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》，因地震发生几率小，取a1=0.08
则 Fv = 0.08³13172.095³钢底板对水泥基础 f =0.4因为 Fv
所以压力按下式计算：
17
σ9=0.573Mpa
σsa =-
F Ev H v F F Ev H
--A sa 2Z r A sa L -2A
其中 A1= b 2δ3=170³8=1360 mm 2 A1=1360mm 2
0-00-0
= M Ev =F Ev H V =10337. 5⨯1050=10854375N ∙mm M Ev
4.7.5.2 由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力
根据JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》中式7-34计算 0-0
σbt
=M Ev nlA bt
其中：n 为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，n =2； l 为筒体轴线两侧的螺栓间距，l =l 2=960mm ； A bt 为每个地脚螺栓的横截面面积，A 2bt =
π
4
d =
π
4
⨯202=314mm 2；则 σ=M 0-0Ev nlA =10854375bt
=18. 0MPa bt 2⨯960⨯314
取载荷系数K 0=1. 2，[σbt ]=147MPa ，则K 0[σbt ]=1. 2⨯147=176. 4MPa 由于σbt
4.7.5.3 由地震引起的地脚螺栓剪应力
根据JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》中式7-35计算
τF Ev
bt =
n '
A bt
其中:n ' 为承受剪应力的地脚螺栓个数，n ' =4； A π
2π
bt =
4
d =
4
⨯202=314mm 2 则 τF Ev bt =
n '
A =10337. 5
=8. 23M P a bt
4⨯31418
10854375N ∙mm n=2
l=960mm
A bt =314mm 2
σbt =18. 0MPa n=4
τbt = 8. 23MPa
0. 8[τbt ]=0. 8⨯147=117. 6MPa
由于 τbt
4.8垫片
表6 垫片尺寸表
注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3。
2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3：垫片厚度均为3mm 。
19
表7 各管口法兰尺寸表
20
5 容器焊缝标准
5.1 压力容器焊接结构设计要求
焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。
5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头
压力容器受压部分的焊接接头分为A 、B 、C 、D 四类，查得封头与圆筒连接的 环向接头采用A 类焊缝。
焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化采用手工电弧焊的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I 型坡口。型坡口
根据16MnR 的抗拉强度σb =490Mpa和屈服点σs =325Mpa选择E50系列系列 （强度要求：σb ≥490Mpa ；σs ≥400Mpa ）的焊条，型号为E5014. 该型号的焊条是 铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较
5.3 管法兰与接管的焊接接头
管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97, 根据公称通经
DN 80选择坡口宽度坡口宽度b=6mm
5.4 接管与壳体的焊接接头
所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊
接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T 形或角接接头。选择接头 HG20583-1998标准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为β=50︒±5︒；b =2+0. 5；β=50︒±5︒
1
p =1±0. 5；k =δt ，且k ≥6，它适用于δs =4～25，δt ≥δs ，因为所选接管b =2+0. 5
2
的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为6mm ，所以符合要求。选择全焊透工 p =1±0. 5 艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。
6 筒体和封头的校核计算
6.1.1 由弯矩引起的轴向应力
筒体中间处截面的弯矩：
⎡2(R 2m -h 2i )
M FL ⎢1+⎤21=4⎢4A ⎥⎢4h -
⎥ ⎢⎣1+i
L ⎥3L ⎥⎦
式中 F—鞍座反力，N ；
R m —椭圆封头长轴外半径，mm ； L—两封头切线之间的距离，mm ； A—鞍座与筒体一端的距离，mm ； hi—封头短轴内半径，mm 。
R DN +2δn 1600+m =
2=6⨯2
2
=806mm k =δt R m =806mm
⎡2⨯8062-4002⎤1+265. 8605⨯5000⎢4⨯500⎥M 1=⨯⎢-⎥=0.4437⨯105N ⋅mm M 1=
4⨯40045000⎥⎢1+
⎢⎥3⨯5000⎣⎦
0.4437⨯105N ⋅mm
()
图3筒体受剪力图
支座处截面上的弯矩：
⎡A R 22
m -h i ⎤
M ⎢1-⎥2=-FA ⎢⎢1-
+
⎥⎢⎥ ⎣
1+4h i
3L ⎥⎦
所以
⎡5008062-4002⎤
M -65. 8605⨯500⨯⎢1-2=⎢⎢1-+⎥4⨯400⎥=-0. 32⨯104N ⋅mm ⎢⎣1+
⎥3⨯5000⎥⎦
图4筒体受弯矩图
M 2=
-0. 32⨯104N ⋅mm
由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K1=K2=1.0。因为︱M1︱＞＞︱M2 且A ＜Rm/2=400mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。
筒体中间截面上最高点处
σ1' =-
M 12
3. 14R m δe
δe =δn -C 1-C 2=6-0. 8-1=4.2 所以
σ' =-0. 4437⨯1053. 14⨯8062
⨯4.2
=-5.1⨯10-3
1MPa 最低点处：σ2' =-σ1' =0. 0051MPa 鞍座截面处最高点处： σM 2
-0. 32⨯104-5
3=-3. 14K 2=-=0. 374⨯10MPa 1R m δe
3. 14⨯1. 0⨯8062
⨯4. 2 最低点处：
6.1.2 由设计压力引起的轴向应力
由 σpR m
p =
2δ e
所以 σ0. 44⨯806
p =
2⨯4. 2
=42. 22MPa
6.1.3 轴向应力组合与校核
最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处
所以
e =4.2mm
σ1' = -5.1⨯10-3MPa
σ2' =
0. 0051M P a
σ3= 0. 374⨯10-5M P a
σp =42. 22MPa
σ2=σp +σ2' =42. 22+0. 0051=42. 2251MPa σ2=42. 2251MPa
许用轴向拉压应力[σ]t=170MPa，而σ2＜[σ]t合格。
最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处 σ1=-σ1' =0. 0051MPa 轴向许用应力：
A =
0. 094δe R =0. 094⨯4.2
=0. 00049MPa i 800
根据A 值查《化工容器设计》P161 外压容器设计的材料温度线图得B=68MPa，取许用压缩应力[σ]ac=170MPa，︱σ1︱＜＜[σ]ac，合格。
6.2 筒体和封头切向应力校核
筒体切向应力计算：
由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以
τ=
K 3⋅F R δ=0. 880⨯65. 8605
.2
=0.017MPa m ⋅e 806⨯4封头切向应力计算：
τF h =
K 4⋅R δ=0. 401⨯65. 8605
=0.0078MPa m ⋅e 806⨯4.2
1. 25[σ]t
-σ. 25⨯[σ]t
h =1-
K ⋅P ⋅DN 1⨯0. 44⨯2δ=1. 25⨯170-1600
4.2
=128. 69MPa
e 2⨯因 τh
σ]t -σh 所以合格。 6.3 圆筒周向应力的计算和校核
根据鞍座尺寸表知：b 4=390mm
b +1. 56R a δn =240+1. 56⨯⨯6=348. 3mm
即b 4>b +1. 56R a δn ，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。
A =
0. 0004M 9P a K3=0.880 K4=0.401
τ=0.017MPa
τh =0.0078MPa
6.3.1在横截面的最低点处：
根据JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》中式7—18
σ5=-
kK 5F
其中k =0. 1（容器焊在支座上）
δe +δre b 2
k =0. 1
K 5=0. 76
查表7-3知，K 5=0. 76 则σ5=-
0. 1⨯0. 76⨯65860. 5
=-2. 10Mpa σ5=-2.10Mpa
6+8⨯170
6.3.2在鞍座边角处
由于L R a =
5000
803
=6. 23
σF
6=-
4δ-12K 6FR a 2+δ2
e +δre b 2L δe re 由于R 0. 4
a =
0. 803
=0. 498
65860. 4⨯6+8⨯170-12⨯0. 013⨯65860. 5⨯803
5000⨯62+82
=-23. 41MPa
6.3.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力
由于L R a
σ' 6=-
F 4δ-12K 6FR a 2=-65860. 5-12⨯0. 013⨯65860. 5⨯8032
=-61. 98MPa e b 2L δe
4⨯6⨯1705000⨯66.3.4周向应力校核
根据JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》中式7.3.4.3
5=2. 01MPa
K 6=0. 013
6=-23. 41MPa σ'
6= -61. 98MPa [σ]t =170MPa
. 25[σ]t =212. 5MPa
7 总结
通过这次课程设计，让我对化工设备机械基础这门课有了进一步的认识。这次课设 是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。
设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择 合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、 封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。校核合格之后才能确定所选设备型符合 要求。
通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了 关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准 可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计的最后附有CAD 设备图，在 绘图的整个过程中，我对制图软件的操作更加熟悉。
这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格 式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了基础。
因为的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最 后感谢老师对这次课设的评阅。
参考文献
1、 GB150-1998, 《钢制压力容器》 2、 JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》 3、 JB/T4746-2002, 《钢制压力容器用封头》 4、 HG/T 21517-2005, 《回转盖带颈平焊法兰人孔》 5、 HG/T 20592-2009, 《钢制管法兰》
6、HG/T 20609-2009, 《钢制管法兰用金属包覆垫片》 7、 HG/T 20613-2009, 《钢制管法兰用紧固件》 8、 JB4712.1-2007, 《鞍式支座》
9、C005-GB6654-1996，《压力容器器用钢板》 10、HG20605-97，《钢制管法兰焊接接头和坡口尺寸》 11、HG_T20592-2009，《法兰标准》
12、王志文 蔡仁良； 化学工业出版社，《化工容器设计》第三版
13、贺匡国，化学工业出版社，《化工容器及设备简明设计手册》 14、董大勤 袁风隐，化学工业出版社，《压力容器与化工设备实用手册》 15、张康达 洪起超，劳动人事出版社，《压力容器手册》（上） 16、刘湘秋，机械工业出版社，《常用压力容器手册》
17、徐英 杨一凡 朱萍，化学工业出版社，《球罐和大型储罐》 18、杨启明 马欣 ，中国石化出版社，《炼油设备》
西南石油大学
课程设计
题目： 10m^3卧式圆筒储罐设计 院系： 机电工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级： 2009级2班 姓名： 何勇 张谦益 指导教师： 杨启明
完成日期：2012年11月14日
目录
设计任务书
1 前言 . ..................................................................................................................................... 5 2 设计选材及结构 . ................................................................................................................. 6
2.1 工艺参数的设定 . ...................................................................................................... 6
2.1.1 设计压力 ....................................................................................................... 6 2.1.2 筒体、的选材 ............................................................................................... 6
3 设计计算 . ............................................................................................................................. 7
3.1 筒体壁厚计算 . .......................................................................................................... 7 3.2 封头壁厚计算 ......................................................................................................... 8 3．3筒体和封头的结构设计-----------------------------------------------------------------------------8 3.4 压力试验 ................................................................................................................... 9 4 附件的选择 . ....................................................................................................................... 10
4.1 人孔的选择 . ............................................................................................................ 10 4.2
人孔补强的计算 . .................................................................................................... 11 4.3 进出料接管的选择 . ................................................................................................ 13 4.4 液面计的设计 . ........................................................................................................ 14 4.5 安全阀的选择 ......................................................................................................... 14 4.6 排污管的选择 . ........................................................................................................ 15 4.7 鞍座的选择 . ............................................................................................................ 15
4.7.1 鞍座结构和材料的选取 ............................................................................. 15 4.7.2 容器载荷计算 ............................................................................................. 16 4.7.3 鞍座选取标准 ............................................................................................. 16 4.7.4 鞍座强度校核 ............................................................................................. 17
5 容器焊缝标准 . ................................................................................................................... 21
5.1 压力容器焊接结构设计要求 . ................................................................................ 21 5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头 . ................................................................................ 21 5.3 管法兰与接管的焊接接头 . .................................................................................... 21 5.4 接管与壳体的焊接接头 . ........................................................................................ 21 6 筒体和封头的校核计算 . ................................................................................................... 22
6.1 筒体轴向应力校核 . ................................................................................................ 22
6.1.1 由弯矩引起的轴向应力 ............................................................................. 22 6.1.2 由设计压力引起的轴向应力 . ..................................................................... 25 6.1.3 轴向应力组合与校核 . ................................................................................. 25 6.2 筒体和封头切向应力校核 . .................................................................................... 25 7 总结 . ................................................................................................................................... 27 参考文献 . ................................................................................................................................. 28
设计任务书
设计题目： 汽油储罐设计
设计任务： 试设计一汽油储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计。 包括筒体、封头、零部件的材料的选择及结构的设计；罐的制造施工及焊接形式等； 设计计算及相关校核；各设计的参考标准； 已知工艺参数如下：
1、最高使用温度：T= 50℃； 2、工作温度：-10～50℃； 3、要求钢板的腐蚀裕量：1 mm； 4、钢板规定的公差为：± 0.8 mm； 5、全容积：10 m
6、设计压力：汽油介质储罐一般处于常压下，所以取其工作压力为0.4Mpa
即设计压力为P=0.4³1.1=4.4Mpa； 7、设计温度：设计温度取为50℃
8、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为1600mm 。 其他参数由设计计算确定。 任务下达时间：2012年11月2日 完成截止时间：2010年11月17日
3
1 前言
本设计是针对《炼油设备技术》这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程 的一次总结，要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。
本设计的液料为汽油，谈黄色易挥发液体，组成C5～C12。具有易燃，易爆，硫 含量少，腐蚀性小，抗氧化安定性和抗爆性能好，易启动。其生产方法为，有直馏汽 油与二次加工汽油按一定的比例调合而成，并加入适量的抗爆剂和抗氧防胶剂。其质 量指标为，无铅汽油质量执行SH0041—93石化行业标准，按研究辛烷值分90号、93 号和95号等3个牌号。油品在储存及使用过程中与空气中的氧接触，特别是在温度较 高且有金属催化作用时，容易氧化。
设计基本思路：本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工 艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序， 分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接 形式进行了设计和选择。设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合 设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。
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。
圆整后取为δn =6mm 封头δn =6mm
3.3 筒体和封头的结构设计
由封头长短轴之比为2，即
D i 2h =2，得h =D i 1600i 4=4
mm =400mm i 查标准[4]中椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表2和图1。
V =
π
4
D i L 0+2V 封
取装料系数为0.9，则
V 0. 9=π
4D i L 0+2V 封 即100. 9=π4
⨯1. 62⨯L 0+2⨯0. 5864 算得L 0=4. 945m 圆整后取为L 0=4. 95m
表2 封头尺寸表
图1 椭圆形封头
h i =400mm
L 0=4. 95m
3.4 压力试验
水压试验，液体的温度不得低于5℃；
试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排 尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达 到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min 。然后将压力降至规定试 验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行 检查。如有渗漏，修补后重新试验。
水压试验时的压力
p T =1. 25p
[σ]σt
=1. 25⨯0. 44=0. 55Mpa
水压试验的应力校核： 水压试验时的应力
σp T (D i +δe )0. 55⨯[1600+(6-0. 8-1)]T =2δ=⨯6-1-0. 8=105. 04Mpa
e 2查GB150-1998
16MnR 疲劳极限强度σb =510MPa ，屈服极限强度σs =345MPa 水压试验时的许用应力为
0. 9φσs =0. 9⨯1. 00⨯345=310. 5Mpa
σT ＜0.9φσS 故筒体满足水压试验时的强度要求。
p T =0. 55Mpa
σT =105. 04Mpa
4 附件选择
4.1 人孔选择
人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐 蚀等缺陷。
人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等 受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。
人孔标准HG21524-95规定PN ≥1.0Mpa 时只能用带颈平焊法兰人孔或带 颈对焊法兰人孔。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔 最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为φ400㎜。
综合考虑后选取回转盖带劲平焊法兰人孔，材料采用16MnR 。
根据HG/T 21517-2005[5]，查表3-3； 选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见表3
表3 人孔尺寸表
4.2 人孔补强的计算
开孔补强结构：压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、 厚壁管补强、整体锻件补强三种。
补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方 便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的条 件下，可采用补强圈补强形式。但必须满足规定的条件。
压力 开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补 强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面 积的补偿。当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削 弱的面积。补强材料采用16MnR 。
4.2.1 补强设计方法判别
人孔开孔直径为d =d i +2(C 1+C 2) =500+2⨯1. 8=503. 6mm d
D i 3=1600
3
=533. 3mm 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[σ]t
=170MPa 根据GB150-1998中式8-1：
A =d δ+2δδet (1-f r ) 式中：
壳体开孔处的计算厚度δ=2. 07mm
接管的有效厚度δet =δnt -C =6-1. 8=4. 2mm
强度削弱系数f r =1, f r 查《化工容器设计》P109 所以A =d δ+2δδet (1-f r ) =503. 6⨯2. 07=1042. 452mm 2 4.2.2 有效补强范围
4.2.2.1 有效宽度B
按[1]中式8-7，得：
11
d=503.6 mm
f r =1 A=1042.452mm
B 1=2d =2⨯503. 6=1007. 2mm
B 2=d +2δn +2δnt =503. 6+2⨯2+2⨯6=519. 6mm
B =max (B 1, B 2) =1007. 2mm B=1007.2mm
4.2.2.2外侧有效高度
根据[1]中式8-8，得：
h '
1=d δnt =503. 6⨯6=54. 97mm h "
1=接管实际外伸高度=H 1=250mm
h '
"
1=min(h 1, h 1) =54. 97mm
4.2.2.3 内侧有效高度
根据[1]中式8-9，得：
h '
2=d δnt =503. 6⨯6=54. 97mm h "
2=接管实际内伸高度=0
h 2=min(h '
"
2, h 2) =0 4.2.3有效补强面积
根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：
A e =A 1+A 2+A 3
A 1—筒体多余面积
A 1=(B -d )(δe -δ) -2δet (δe -δ)(1-f r ) =(1007. 2-503. 6) ⨯(5-2. 07) =1475. 548mm
2
A 2—接管多余面积 A 2=2h 1(δet -δt ) f r +2h 2(δet -C 2) f r =2⨯54. 97⨯(6-1. 8-2. 07) ⨯1+0=234. 17mm
A 3—焊缝金属截面积，焊脚去6mm ，则 A 1
23=
2
⨯62⨯2=36mm 12
h 1=54.97mm
h 2=0
A 1=1475.55 mm
A2=234.17 mm
A3=36mm 2
4.2.4补强面积
A e =A 1+A 2+A 3=1475. 55+234. 17+36=1745. 72mm 2 A e =1745.72 mm
因为A e >A ，所以开孔不需另行补强
4.3 进出料接管的选择
材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选
择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR 。 结构：接管伸进设备内切成45度，可避免物料沿设备内壁流动，减
少物料对壁的磨损与腐蚀。
接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方
法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因 素及运输、安装中的刚性要求。一般情况下，管壁 厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管 或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。
不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时， 可不另行补强：
① 设计压力小于或等于2.5Mpa 。
② 两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。 ③ 接管公称外径小于或等于89㎜。 ④ 接管最小壁厚满足以下要求。
表4 接管最小壁厚要求
接管公称直径
76
/mm 89 最小壁厚/mm
6.0
因此热轧无缝钢管的尺寸为φ80³12㎜。 钢管理论重量为22.79㎏/m。取接管伸出长度为150㎜。
13
接管大小：
φ80³12㎜ m 接管=22.79㎏/m
管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN
择突面板式平焊管法兰，标记为：HG20592-2009 法兰RF (A)80-2.5,其中D=190,管法兰
材料钢号（标准号）:20（GB711）。根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、
垫片、紧固件选配表（HG20614-2009）
选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片(尚无标准号) ，密封面型式为突面，密封
面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全螺纹螺柱。 安装：在离筒体底以上250㎜处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容
器底，这种方式用于卧式容器。出料口的基本尺寸以及法兰与进料口 相同。
进出料接管满足不另行补强的要求所以不再另行补强[5]。
4.4 液面计的设计
玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻璃板液面计、视 镜式玻璃板液面计。根据选用表选用：选用反射式玻璃板液面计，标准号
HG21590-95，法兰形式及其代号C 型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）液面计型号R 型公称压力PN4.0, 使用温度0～250℃，液面计的主题材料代号锻钢（16Mn ），结构形式及其代号:普通型（无代号），公称长度为1450mm ， 排污口结构:V（排污口配螺塞）。
液面计标记为：液面计CR4.0-Ⅰ根据筒体公称直径3000㎜选择两个同样的液面计，单个质量为90㎏左 右。两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。
液面计接管：无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ25³12㎜[4]。
4.5 安全阀的选择
由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范
围，所以由本设计的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号公称通径DN 取20㎜，质量约为80㎏。与安全阀和接管连接的法兰选择突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，与壳体连接的接管为无缝钢14
Ⅰ-1450V
φ25³6㎜
㎏
管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ80³12㎜。φ80³12㎜
4.6 排污管的选择
选择无缝钢管GB8163-87热轧钢为材料的排污管焊接在容器底部，尺寸为φ80³12㎜。φ80³12㎜ 管端法兰：突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，法兰一端连接排污阀（截止阀），型号J41H-40，取公称通径为80㎜，对应质量为44.4㎏。
4.7 鞍座的选择
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-A 。 4.7.1容器载荷计算
筒体的质量m 1：查得圆筒体理论质量为236.1㎏/m,筒体长度加上封头的 直边长度为5m, 则W1=236.1³5=1180.5㎏。
封头的质量m 2:根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为 133.4㎏。
水压试验时水的质量m 3：由常用压力容器手册查得公称直径1600mm 厚 6mm 的标准椭圆封头的容积为1.1728m 3, 则容器容积为：
V =V π
封头+V 筒体=1. 1728+⨯1. 62⨯4.95=11. 12032m 34
水重 m 3=11. 12032³1000=11120.32㎏。
附件的质量m 4：人孔重256kg, 人孔补强重42.3kg, 进出料管约100kg, 两个液面计共180kg, 安全阀80kg, 排污阀44.4kg, 再加上与阀门相接的接管重 量，附件总质量约为750kg.
所以设备总质量为13172.095kg. 即
4.7.2鞍座选型
查得公称直径为1600mm 的容器选择轻型(A),120°包角、焊制、六筋、带垫板。左鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A3000-F.右鞍座标记为JB/T4712-1992 鞍座 A3000-S.
15
㎏
表5 鞍座尺寸表
4.7.3鞍座的安装位置
应尽量使支座中心到封头切线的距离A 小于等于0.5R a ，当无法满足A 小于等于
0.5R a 时，A 值不宜大于0. 2L 。R a 为圆筒的平均内径。
R i a =
D 2+δn 2=16002+62
=803mm L =L 0+2h =L 0+2(H -h i ) =4950+2⨯(425-400) =5000mm 即A ≤0. 5R a =0. 5⨯803=401. 5mm
取A =0. 4m 鞍座的安装位置如图2所示：
图2 鞍座安装位置
16
R a =803mm L=5000m
A =0. 4m
4.7.4 鞍座强度校核 鞍座腹板的水平分力：
F S =K 9F
查得鞍座包角120°对应系数 K 9=0. 204 支座反力：
F =
mg
=13. 435542kN F=13.435542KN 2
鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：
σ9=
F S
H b
S 0+b r δre
H R S -计算高度，取鞍座实际高度和m
两者中的较小值，mm
b 0-鞍座腹板厚度，mm
b r -鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度b 4与圆筒体的有效宽度
b 2=b +1. 56R m δe 两者中的较小值， mm
δre -鞍座垫板有效厚度，8mm
则 σ9=
F s H b =0. 204⨯13435. 542
=0. 573Mpa S 0+b r δre 250⨯8+348. 3⨯8
应力校核：鞍座材料Q235-A ²F 的许用应力[σ]sa =125Mpa ，
则
2
3[σ]sa =83. 333M pa σ9≤23
[σ]sa 故强度适合。
4.7.5 地震引起的地脚螺栓应力
4.7.5.1 倾覆力矩计算
查 JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》，因地震发生几率小，取a1=0.08
则 Fv = 0.08³13172.095³钢底板对水泥基础 f =0.4因为 Fv
所以压力按下式计算：
17
σ9=0.573Mpa
σsa =-
F Ev H v F F Ev H
--A sa 2Z r A sa L -2A
其中 A1= b 2δ3=170³8=1360 mm 2 A1=1360mm 2
0-00-0
= M Ev =F Ev H V =10337. 5⨯1050=10854375N ∙mm M Ev
4.7.5.2 由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力
根据JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》中式7-34计算 0-0
σbt
=M Ev nlA bt
其中：n 为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数，n =2； l 为筒体轴线两侧的螺栓间距，l =l 2=960mm ； A bt 为每个地脚螺栓的横截面面积，A 2bt =
π
4
d =
π
4
⨯202=314mm 2；则 σ=M 0-0Ev nlA =10854375bt
=18. 0MPa bt 2⨯960⨯314
取载荷系数K 0=1. 2，[σbt ]=147MPa ，则K 0[σbt ]=1. 2⨯147=176. 4MPa 由于σbt
4.7.5.3 由地震引起的地脚螺栓剪应力
根据JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》中式7-35计算
τF Ev
bt =
n '
A bt
其中:n ' 为承受剪应力的地脚螺栓个数，n ' =4； A π
2π
bt =
4
d =
4
⨯202=314mm 2 则 τF Ev bt =
n '
A =10337. 5
=8. 23M P a bt
4⨯31418
10854375N ∙mm n=2
l=960mm
A bt =314mm 2
σbt =18. 0MPa n=4
τbt = 8. 23MPa
0. 8[τbt ]=0. 8⨯147=117. 6MPa
由于 τbt
4.8垫片
表6 垫片尺寸表
注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3。
2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3：垫片厚度均为3mm 。
19
表7 各管口法兰尺寸表
20
5 容器焊缝标准
5.1 压力容器焊接结构设计要求
焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。
5.2 筒体与椭圆封头的焊接接头
压力容器受压部分的焊接接头分为A 、B 、C 、D 四类，查得封头与圆筒连接的 环向接头采用A 类焊缝。
焊接方法：采用手工电弧焊，其原理是利用电弧热量融化焊条和母材，由融化采用手工电弧焊的金属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用范围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I 型坡口。型坡口
根据16MnR 的抗拉强度σb =490Mpa和屈服点σs =325Mpa选择E50系列系列 （强度要求：σb ≥490Mpa ；σs ≥400Mpa ）的焊条，型号为E5014. 该型号的焊条是 铁粉钛型药皮（药皮成分：氧化钛30%，加铁粉），适用于全位置焊接，熔敷效率较
5.3 管法兰与接管的焊接接头
管法兰与接管焊接接头形式和尺寸参照标准HG20605-97, 根据公称通经
DN 80选择坡口宽度坡口宽度b=6mm
5.4 接管与壳体的焊接接头
所设的接管都是不带补强圈的插入式接管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊
接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接接头均属T 形或角接接头。选择接头 HG20583-1998标准中代号为G2的接头形式，基本尺寸为β=50︒±5︒；b =2+0. 5；β=50︒±5︒
1
p =1±0. 5；k =δt ，且k ≥6，它适用于δs =4～25，δt ≥δs ，因为所选接管b =2+0. 5
2
的厚度都为壳体厚度的一半，壳体的厚度为6mm ，所以符合要求。选择全焊透工 p =1±0. 5 艺，可用于交变载荷，低温及有较大温度梯度工况。
6 筒体和封头的校核计算
6.1.1 由弯矩引起的轴向应力
筒体中间处截面的弯矩：
⎡2(R 2m -h 2i )
M FL ⎢1+⎤21=4⎢4A ⎥⎢4h -
⎥ ⎢⎣1+i
L ⎥3L ⎥⎦
式中 F—鞍座反力，N ；
R m —椭圆封头长轴外半径，mm ； L—两封头切线之间的距离，mm ； A—鞍座与筒体一端的距离，mm ； hi—封头短轴内半径，mm 。
R DN +2δn 1600+m =
2=6⨯2
2
=806mm k =δt R m =806mm
⎡2⨯8062-4002⎤1+265. 8605⨯5000⎢4⨯500⎥M 1=⨯⎢-⎥=0.4437⨯105N ⋅mm M 1=
4⨯40045000⎥⎢1+
⎢⎥3⨯5000⎣⎦
0.4437⨯105N ⋅mm
()
图3筒体受剪力图
支座处截面上的弯矩：
⎡A R 22
m -h i ⎤
M ⎢1-⎥2=-FA ⎢⎢1-
+
⎥⎢⎥ ⎣
1+4h i
3L ⎥⎦
所以
⎡5008062-4002⎤
M -65. 8605⨯500⨯⎢1-2=⎢⎢1-+⎥4⨯400⎥=-0. 32⨯104N ⋅mm ⎢⎣1+
⎥3⨯5000⎥⎦
图4筒体受弯矩图
M 2=
-0. 32⨯104N ⋅mm
由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K1=K2=1.0。因为︱M1︱＞＞︱M2 且A ＜Rm/2=400mm，故最大轴向应力出现在跨中面，校核跨中面应力。
筒体中间截面上最高点处
σ1' =-
M 12
3. 14R m δe
δe =δn -C 1-C 2=6-0. 8-1=4.2 所以
σ' =-0. 4437⨯1053. 14⨯8062
⨯4.2
=-5.1⨯10-3
1MPa 最低点处：σ2' =-σ1' =0. 0051MPa 鞍座截面处最高点处： σM 2
-0. 32⨯104-5
3=-3. 14K 2=-=0. 374⨯10MPa 1R m δe
3. 14⨯1. 0⨯8062
⨯4. 2 最低点处：
6.1.2 由设计压力引起的轴向应力
由 σpR m
p =
2δ e
所以 σ0. 44⨯806
p =
2⨯4. 2
=42. 22MPa
6.1.3 轴向应力组合与校核
最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处
所以
e =4.2mm
σ1' = -5.1⨯10-3MPa
σ2' =
0. 0051M P a
σ3= 0. 374⨯10-5M P a
σp =42. 22MPa
σ2=σp +σ2' =42. 22+0. 0051=42. 2251MPa σ2=42. 2251MPa
许用轴向拉压应力[σ]t=170MPa，而σ2＜[σ]t合格。
最大轴向压应力出现在充满水时，在筒体中间截面最高处 σ1=-σ1' =0. 0051MPa 轴向许用应力：
A =
0. 094δe R =0. 094⨯4.2
=0. 00049MPa i 800
根据A 值查《化工容器设计》P161 外压容器设计的材料温度线图得B=68MPa，取许用压缩应力[σ]ac=170MPa，︱σ1︱＜＜[σ]ac，合格。
6.2 筒体和封头切向应力校核
筒体切向应力计算：
由《化工机械工程手册》（上卷，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以
τ=
K 3⋅F R δ=0. 880⨯65. 8605
.2
=0.017MPa m ⋅e 806⨯4封头切向应力计算：
τF h =
K 4⋅R δ=0. 401⨯65. 8605
=0.0078MPa m ⋅e 806⨯4.2
1. 25[σ]t
-σ. 25⨯[σ]t
h =1-
K ⋅P ⋅DN 1⨯0. 44⨯2δ=1. 25⨯170-1600
4.2
=128. 69MPa
e 2⨯因 τh
σ]t -σh 所以合格。 6.3 圆筒周向应力的计算和校核
根据鞍座尺寸表知：b 4=390mm
b +1. 56R a δn =240+1. 56⨯⨯6=348. 3mm
即b 4>b +1. 56R a δn ，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。
A =
0. 0004M 9P a K3=0.880 K4=0.401
τ=0.017MPa
τh =0.0078MPa
6.3.1在横截面的最低点处：
根据JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》中式7—18
σ5=-
kK 5F
其中k =0. 1（容器焊在支座上）
δe +δre b 2
k =0. 1
K 5=0. 76
查表7-3知，K 5=0. 76 则σ5=-
0. 1⨯0. 76⨯65860. 5
=-2. 10Mpa σ5=-2.10Mpa
6+8⨯170
6.3.2在鞍座边角处
由于L R a =
5000
803
=6. 23
σF
6=-
4δ-12K 6FR a 2+δ2
e +δre b 2L δe re 由于R 0. 4
a =
0. 803
=0. 498
65860. 4⨯6+8⨯170-12⨯0. 013⨯65860. 5⨯803
5000⨯62+82
=-23. 41MPa
6.3.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力
由于L R a
σ' 6=-
F 4δ-12K 6FR a 2=-65860. 5-12⨯0. 013⨯65860. 5⨯8032
=-61. 98MPa e b 2L δe
4⨯6⨯1705000⨯66.3.4周向应力校核
根据JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》中式7.3.4.3
5=2. 01MPa
K 6=0. 013
6=-23. 41MPa σ'
6= -61. 98MPa [σ]t =170MPa
. 25[σ]t =212. 5MPa
7 总结
通过这次课程设计，让我对化工设备机械基础这门课有了进一步的认识。这次课设 是对这门课程的一个总结，对化工机械知识的应用。
设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择 合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、 封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。校核合格之后才能确定所选设备型符合 要求。
通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了 关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准 可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。在设计的最后附有CAD 设备图，在 绘图的整个过程中，我对制图软件的操作更加熟悉。
这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格 式要求完成课设。这就为我们做毕业设计打下了基础。
因为的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最 后感谢老师对这次课设的评阅。
参考文献
1、 GB150-1998, 《钢制压力容器》 2、 JB/T 4731-2005, 《钢制卧式压力容器》 3、 JB/T4746-2002, 《钢制压力容器用封头》 4、 HG/T 21517-2005, 《回转盖带颈平焊法兰人孔》 5、 HG/T 20592-2009, 《钢制管法兰》
6、HG/T 20609-2009, 《钢制管法兰用金属包覆垫片》 7、 HG/T 20613-2009, 《钢制管法兰用紧固件》 8、 JB4712.1-2007, 《鞍式支座》
9、C005-GB6654-1996，《压力容器器用钢板》 10、HG20605-97，《钢制管法兰焊接接头和坡口尺寸》 11、HG_T20592-2009，《法兰标准》
12、王志文 蔡仁良； 化学工业出版社，《化工容器设计》第三版
13、贺匡国，化学工业出版社，《化工容器及设备简明设计手册》 14、董大勤 袁风隐，化学工业出版社，《压力容器与化工设备实用手册》 15、张康达 洪起超，劳动人事出版社，《压力容器手册》（上） 16、刘湘秋，机械工业出版社，《常用压力容器手册》
17、徐英 杨一凡 朱萍，化学工业出版社，《球罐和大型储罐》 18、杨启明 马欣 ，中国石化出版社，《炼油设备》