卧式钢制储罐工程设计说明书

卧式钢制储罐工程设计说明书
第一章绪论
1.1设计任务
针对化工厂中的储罐，完成主体设备的工艺设计和附属设备的选型设计，绘制总装配图，并编写设计说明书。

1.2设计思想
综合运用所学的机械基础课程知识，本着认真负责的态度，对储罐进行设计。

在设计过程中综合考虑了经济性，实用性，安全可靠性。

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。

1.3设计特点
容器的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管等组成。

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
第二章 储罐简介
2.1储罐的用途
用于储存液体或气体的钢制密封容器即为钢制储罐，钢制储罐工程是石油、化工、粮油、食品、消防、交通、冶金、国防等行业必不可少的、重要的基础设施，我们的经济生活中总是离不开大大小小的钢制储罐，钢制储罐在国民经济发展中所起的重要作用是无可替代的。

钢制储罐是储存各种液体（或气体）原料及成品的专用设备，对许多企业来讲没有储罐就无法正常生产，特别是国家战略物资储备均离不开各种容量和类型的储罐。

我国的储油设施多以地上储罐为主，且以金属结构居多，故本网站将着重介绍在国内普遍使用的拱顶储罐、内浮顶储罐以及卧式储罐的一些基础知识。

2.2储罐的分类
由于储存介质的不同，储罐的形式也是多种多样的。

按位置分类：可分为地上储罐、地下储罐、半地下储罐、海上储罐、海底储罐等。

按油品分类：可分为原油储罐、燃油储罐、润滑油罐、食用油罐、消防水罐等。

按用途分类：可分为生产油罐、存储油罐等。

按形式分类：可分为立式储罐、卧式储罐等。

按结构分类：可分为固定顶储罐、浮顶储罐、球形储罐等。

按大小分类： 3100m 以上为大型储罐，多为立式储罐； 3100m 以下的为小型储罐，多为卧式储罐。

第三章材料及结构的选择与论证
3.1材料选择
物料腐蚀轻微,贮罐可选用一般钢材,可以考虑Q345R这种钢板。

如果纯粹从技术角度看，建议选用低碳钢板，Q345R钢板的价格虽比低碳钢板贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，Q345R钢板为比较经济，且Q345R机械加工性能、强度和塑性指标都比较好，所以在此选择Q345R钢板作为制造筒体和封头材料。

3.2结构选择与论证
3.2.1.封头的选择
从受力与制造方面分析来看，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；椭圆封头浓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。

从钢材耗用量来年：球形封头用材最少，比椭圆开封头节约，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。

3.2.2.法兰的选择
法兰连接主要优点是密封可靠、强度足够及应用广泛。

缺点是不能快速拆卸、制造成本较高。

压力容器法兰分平焊法兰与对焊法兰。

平焊法兰又分为甲型与乙型两种。

甲型平焊法兰有PN0.25 MPa 0.6 MPa 1.0 MPa1.6 MPa，在较
小范围内（DN300 mm ～2000 mm）适用温度范围为-20℃～300℃。

乙型平焊法兰用于PN0.25 MPa～1.6 MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为DN300 mm ～3000 mm，适用温度范围为-20℃～350℃。

对焊法兰具有厚度更大的颈，进一步增大了刚性。

用于更高压力的范围（PN0.6 MPa～6.4MPa）适用温度范围为-20℃～450℃。

法兰设计优化原则：法兰设计应使各项应力分别接近材料许用应力值，即结构材料在各个方向的强度都得到较充分的发挥。

法兰设计时，须注意以下二点：管法兰、钢制管法兰、垫片、紧固件设计参照原化学工业部于1997年颁布的《钢制管法兰、垫片、紧固件》标准（HG20592～HG20635-1997）的规定。

3.3.液面计的选择
液面计是用以指示容器内物料液面的装置，其类型很多，大体上可分为四类，有玻璃板液面计、玻璃管液面计、浮子液面计和浮标液面计。

在中低压容器中常用前两种。

玻璃板液面计有透光式和反射式两种结构，其适用温度一般在0～250℃。

但透光式适用工作压力较反射式高。

玻璃管液面计适用工作压力小于1.6MPa，介质温度在0～250℃的范围。

液面计与容器的连接型式有法兰连接、颈部连接及嵌入连接，分别用于不同型式的液面计。

液面计的选用：（1）玻璃板液面计和玻璃管液面计均适用于物料内没有结晶等堵塞固体的场合。

板式液面计承压能力强，但是比较笨重、成本较高。

（2）玻璃板液面计一般选易观察的透光式，只有当物料很干净时才选反射式。

（3）当容器高度大于3m时，玻璃板液面计和玻璃管液面计的液面观察效果受到限制，应改用其它适用的液面计。

在此选用玻璃管液面计
3.4.鞍座的选择
鞍式支座是应用最广泛的一种卧式支座。

从应力分析看，承受同样载且具有同样截面几何形状和尺寸的梁采用多个支承比采用两个支承优越，因为多支承在粱内产生的应力较小。

所以，从理论上说卧式容器的支座数目越多越好。

但在是实际上卧式容器应尽可能设计成双支座，这是因为当支点多于两个时，
各支承平面的影响如容器简体的弯曲度和局部不圆度、支座的水平度、各支座基础下沉的不均匀性、容器不同部位抗局部交形的相对刚性等等，均会影响支座反力的分布。

因此采用多支座不仅体现不出理论上的优越论反而会造成容器受力不均匀程度的增加，给容器的运行安全带来不利的影响。

所以一台卧式容器支座一般情况不宜多于二个。

在此选择鞍式双支座，一个S 型，一个F 型。

第四章 结构设计
4.1壁厚的确定
根据壁厚公式c
t
i
c p D p -=
φσδ][2 在设计温度下，设计压力为0.25MPa （绝对压力），液柱静压力为
Pa gD p i 264608.18.915001=⨯⨯==ρ，%6.1025.0/02646.0/1==p p 液体静压力已大于设计压力的5%，故应计入计算压力中。

则计算压力为
MPa p p p c 27646.002646.025.01=+=+=，容器的内径mm D i 1800=，在设计温度下，假设材料的许用应力为MPa t 189][=σ（厚度为3-16mm 时），Q345R 的密度33/1085.7m kg ⨯=ρ,筒体材料在实验温度下的屈服强度为MPa s 345=σ， 采用双面焊对接接头，100%无损检测焊接接头系数0.1=φ。

mm p D p c
t
i c 32.127646.0118921800
27646.0][2≈-⨯⨯⨯=-=
φσδ 物料为轻微腐蚀性，腐蚀裕量由筒体封头腐蚀裕量表查取 取()222.01c mm c mm =≥
设计壁厚为mm C d 32.30.232.12=+=+=δδ 对Q345R,钢板厚度负偏差mm C 3.01=，
因而可取名义厚度mm C d n 62.33.032.31=+=+=δδ
可圆整至mm n 4=δ，但对低合金钢制的容器，规定不包括腐蚀裕量的最小的厚度应不小于3mm ，若加上2mm 的腐蚀裕量，名义厚度至少应取5mm 。

由钢材标准规格，名义厚度取为6mm 。

mm n 6=δ，t ][δ没有变化，故取名义厚度6mm 合适。

确定选用壁厚为6mm 的Q345R 钢板制作罐体
4.2 封头厚度设计
采用标准椭圆封头 4.2.1 计算封头厚度
根据厚度公式c
t i
c p D p 5.0][2-=
φσδ
焊接接头系数取0.1=φ，钢板最大宽度为3m,而此储罐为直径1.8米，股风头需将钢板拼焊后冲压成型
于是封头厚度mm p D p c t i c 32.127646
.05.00.118921800
27646.05.0][2≈⨯-⨯⨯⨯=-=
φσδ
物料为轻微腐蚀性，腐蚀裕量由筒体封头腐蚀裕量表查取 取()222.01c mm c mm =≥
设计壁厚为mm C d 32.30.232.12=+=+=δδ 对Q345R,钢板厚度负偏差mm C 3.01=，
因而可取名义厚度mm C d n 62.33.032.31=+=+=δδ
可圆整至mm n 4=δ，但对低合金钢制的容器，规定不包括腐蚀裕量的最小的厚度应不小于3mm ，若加上2mm 的腐蚀裕量，名义厚度至少应取5mm 。

由钢材标准规格，名义厚度取为6mm 。

mm n 6=δ，t ][δ没有变化，故取名义厚度6mm 合适。

确定选用mm n 6=δ厚的Q345R 钢板制作罐体封头
4.3储罐零部件的选取
4.3.1储罐支座
此容器为卧式压力容器，可以选用鞍式支座 首先粗略计算鞍座的负荷 储罐总质量m
1234m m m m m =+++
m
1m ----罐体质量
2m ----封头质量 3m -----物料质量
4m -----附件质量
（1）罐体质量
kg L D m i 13311085.75006.08.114.331=⨯⨯⨯⨯⨯==ρδπ （2）封头质量
公称直径为mm DN 1800=，壁厚为mm n 6=δ，选用直边高度为mm h 252=的标准椭圆封头，曲面高度mm h 4501=， 容积3826.0m V =封，内表面积
364.3m S =，封头质量kg m 8.1712=。

（JB1154-73）
（3）物料质量
3m V ϕρ=
ϕ 装量系数
ρ 物料密度
V 容器体积
装量系数取0.9ϕ= 储罐容积
322
i 369.1458.14
14
.3652.14
826.022m L D V V V =⨯⨯+
=+
⨯=+=π
筒封 物料的密度3/kg 1500m =物ρ 则溶剂质量3m
kg V m 15.19398369.1415009.03=⨯⨯==ϕρ （4）附件质量4m
有人孔、无手孔，其他接管法兰等质量按400kg 计 储罐总质量m
kg m m m m m 75.2147240015.193988.1712133124321=++⨯+=+++=
kN N mg F 22.105475.1052162
8
.975.214722==⨯==
每个鞍座只承受的106kg 负荷
根据鞍座负荷，选择鞍座，可以选择轻型带垫板，包角为120的鞍座， 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 。

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4-3：
表4-3 鞍座尺寸表
所以选择的鞍座为JB/T4712.1鞍座A 1800-F 和JB/T4712.1鞍座 A 1800-S
根据规定，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5.0m R 时，A 值不宜大于L 2.0。

m R 为圆筒的平均内径。

mm D R n i m 9032
62180022=+=+=
δ 2'2h L L +==5000+2×25=5050mm 即mm R A m 5.4519035.05.0=⨯=≤
取A=450mm
4.3.2人孔的选择
因为该容器设计压力较低，所以选回转盖人孔（JB580-79）
低压人孔图
一般情况下人孔尺寸可按下列方式选择
当：容器直径≥90～1000mm时，选用DN400人孔容器直径>1000～1600mm时，选用DN450人孔
容器直径>1600～3000mm时，选用DN500人孔
容器直径>3000mm时，选用DN600人孔
因为该压力容器DN=1800mm，所以所选的人孔DN=500mm 又因为
人孔手孔的设置
所以所选的人孔个数为1个，人孔为常压人孔，公称直径DN=500mm 所以明细表为
人孔尺寸表
续上表
4.3.3接管和法兰的选择错误!未找到引用源。

该介质储罐应设置物料入口、物料出口、液面计口、和人孔。

所选用的接管为无缝钢管。

初步确定各接管的公称直径为：
）
主要技术参数：
1.测量范围：0.6；1.6；
2.5；4；6；10；16；25kgf/cm2
2.精度等级：2.5级
3.法兰：1Cr18Ni9Ti
4.膜片：Cr15Ni7Mo
5.密封垫圈：丁啨橡胶
第五章 强度校核
5.1筒体强度校核
试验温度20℃，试验温度下的许用应力为MPa t 189][=σ，容器元件材料在设计温度下的许用应力为MPa s 345=σ。

此罐采用采用液压试验 试验压力
MPa p
p t
T 345575.0189189
27646.025.1][][=⨯⨯==σση
mm C C n e 7.30.23.0621=--=--=δδ
根据液压试验强度条件
s e
e i T T D p φσδδσ9.02)
(≤+=
MPa D p e e i T T 23.847
.32)
7.31800(345575.02)(=⨯+⨯=+=
δδσ
0.90.9 1.0345310.5s MPa φσ=⨯⨯=
0.9T s σφσ<
所以筒体液压试验强度符合要求
5.2封头强度校核
试验压力
MPa p
p t
T 345575.018918927646.025.1]
[][=⨯⨯==σση mm C C n e 7.30.23.0621=--=--=δδ
根据液压试验强度条件
s e
e i T T D p φσδδσ9.02)
(≤+=
MPa D p e e i T T 23.847
.32)
7.31800(345575.02)(=⨯+⨯=+=
δδσ
0.90.9 1.0345310.5s MPa φσ=⨯⨯=
0.9T s σφσ<
故封头液压试验强度足够
5.3鞍座受载分析和强度校核
5.3.1双鞍座的筒体的轴向应力
kN N mg F 22.105475.10521628.975.214722==⨯==
)3
4(22'i h L q mg F +==
F 每一支座的反力 N m 容器的总质量 Kg
g 重力加速度 2/m s
'L 筒体长度（两封头切线之间的距离）mm
i h 封头内壁曲面高度 mm
q 单位长度的重量载荷 N/mm
mg 设备总重量(包括容器自重、容器内充装介质的重量、所用附属装置和法兰的重量等)。

2'2h L L +=，2h h i =。

mm N h L F q i /245.37450
3
4
)2525000(475
.1052162342'=⨯+⨯+⨯=+=
5.3.2筒体的轴向弯矩的计算
双支座支承的卧式容器，可以视为双支点的外伸梁，在容器轴向存在两个最大弯矩，一个在鞍座处，一个在容器两支座间跨距的的中点处
跨距中点处截面上的弯矩按下式计算：
()
⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-+-+=''
2'22'14341214L A L h L h R FL M i i m
()
m m
N M ⋅⨯=⎥⎥⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎢⎢⎣⎡⨯-⨯⨯+
-⨯+⨯⨯=72221107.7150504504505034504150504509032145050475.105216
支座处截面上的弯矩：
⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-+--
-='
'
2
2'2341211L h AL h R L A FA M i i m 所以 mm N M •⨯-=62101.3
式中 m R ---筒体的平均半径，mm 2
n
m i R R δ=+
A---支座中心线至封头切线的距离 mm 其他符号同前
5.3.3圆筒轴向应力计算及校核
圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力
最高点处：
MPa
R M R p e m e m c 6.2514.874.337
.390314.31071.77.3290327646.0227
211=-=⨯⨯⨯-⨯⨯=-=δπδσ
最低点处：
MPa R M R p e m e m c 88.4114.874.337
.390314.31071.77.3290327646.022
7
212=+=⨯⨯⨯+⨯⨯=+=δπδσ
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2
m
R A ≤）时，轴
向应力3σ位于横截面最高点处.
取鞍座包角
120=θ，查（JB/T4731-2005）得，0.1,0.121==K K .则
MPa R K M R p e m e m c 07.3433.074.337
.3903114.3101.37.3290327646.022
6
2123=+=⨯⨯⨯⨯--⨯⨯=-=δπδσ
b).在横截面最低点处的轴向应力4σ：
MPa R K M R p e m e m c 41.3333.074.337
.3903114.3101.37.3290327646.022
6
2224=-=⨯⨯⨯⨯-+⨯⨯=+=δπδσ
圆筒轴向应力校核
000385.07
.3903094
.0094.0===
e i R A 由所得系数A ，根据所用材料，Q345R 查化工设备机械基础得
51000.2⨯=E ,则 MPa EA B 33.51000385.01023
2
325=⨯⨯⨯==
[][]MPa 88.41,,,max 4321max ==σσσσσ
[]B ac =σ
满足条件[][]max σσ>ac
5.3.3切向剪应力的计算及校核
圆筒切向剪应力的计算
查过程设备设计得：
880.03=K 401.04=K
MPa R F K e m 71.277
.3903475
.10521688.03=⨯⨯==
δτ 圆筒被封头加强（
2a R A ≤）时，其最大剪应力h τ
MPa R F K he a h 63.127
.3903475
.105216401.04=⨯⨯==
δτ 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[]0.8t
τσ≤。

封头的切向剪应力，应满足[]h t
h σστ-≤25.1
而[]MPa MPa t
2.1511898.08.071.27=⨯=<=στ
故圆筒满足强度要求。

因封头为标准椭圆形封头，所以K=1
则MPa D Kp he i c h 25.677
.321800
27646.012=⨯⨯⨯==
δσ []MPa MPa h t h 16925.6718925.125.163.12=-⨯=-<=σστ
故封头满足强度要求
5.3.4圆筒周向应力的计算和校核
根据鞍座尺寸表知：mm b 4304=
mm R b n m 8.354690356.124056.1=⨯⨯+=+δ
即n m R b b δ56.14+>，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。

在圆筒截面的最低点处周向应力
()2
55b F
kK re e δδσ+-
= ， 其中1.0=k （容器焊在支座上）
查过程设备设计得，760.05=K ，mm C re 7.73.2104=-=-=δδ 则()MPa 69.3190
7.77.3475
.105216760.01.05-=⨯+⨯⨯-
=σ
在鞍座边角处周向应力
由于859.5903
5050
'
<==
m R L 查过程设备设计得 ()()
2
2626124re e m re e L FR K b F
δδδδσ+-+-
=
由于5.0498.0903
450
<==m R A 查过程设备设计知，013.06=K 则
()()
MPa 36.5222.4014.127
.77.35050903
475.105216013.0121907.77.34475.1052162
26-=--=+⨯⨯⨯⨯-⨯+⨯-
=σ
周向应力校核
[]MPa MPa t 18969.35=<=σσ
[]MPa MPa t 25.23618925.125.136.526=⨯=<=σσ
故圆筒周向应力强度满足要求。

5.3.5 鞍座腹板应力校核 腹板厚 ： mm b 100=
计算高度： ⎪⎩⎪
⎨⎧==-=301324010250m S R H mm H s 240=取
系数： 204.09=K 则得： 0
99b H F k s =
σ=
MPa 94.810240475
.105216204.0=⨯⨯ []MPa sa 3.931403
232
=⨯=σ 至此鞍座强度验算合格
5.4容器开孔补强
壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强： （1）设计压力不大于2.5Mpa
（2）两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍
（3）接管外径不大于89mm （4）接管最小厚度满足下表要求
接管最小厚度 mm
经分析，此储罐的人孔部分需要补强
5.4.1补强设计方法判别
人孔开孔直径为mm C d d i 6.5343.225302=⨯+=+=
mm D d i 6003
18003==<
故可采用等面积法进行补强计算 接管材料选用16Mn ，其许用应力[]MPa t
178=σ 根据GB150-1998中式8-1：
)1(2r et f d A -+=δδδ
式中：
壳体开孔处的计算厚度mm 315.1=δ
接管的有效厚度mm C nt et 7.33.26=-=-=δδ
强度削弱系数94.0=r f
所以258.70306.07.3315.12315.16.534)1(2mm f d A r et =⨯⨯⨯+⨯=-+=δδδ
5.4.2有效补强范围
有效宽度B
有效宽度取下面的较大值：
mm d B 2.10696.534221=⨯==
mm d B nt n 6.55862626.534222=⨯+⨯+=++=δδ
mm B B B 2.1069),max(21==
外侧有效高度
mm d h nt 6.5666.53411=⨯==δ
mm H h 150121===接管实际外伸高度
mm h h h 6.56),min(11211==
内侧有效高度
mm d h nt 6.5666.53412=⨯==δ
mm h 022==接管实际内伸高度
mm h h h 0),min(22122==
5.4.3有效补强面积
321A A A A e ++=
1A —筒体多余面积
06
.0)315.17.3(7.32)315.17.3)(6.5342.1069()1)((2))((1⨯-⨯---=-----=r e et e f d B A δδδδδ 2
1274mm = 2A —接管多余面积
222123.35494.0)37.07.3(6.562)(2)(2mm f C h f h A r et r t et =⨯-⨯⨯=-+-=δδδ
3A —焊缝金属截面积，焊脚去6mm ，则
22336262
1mm A =⨯⨯= 5.4.4补强面积
因为A A e >，所以开孔无需另行补强
2
3213.1664363.3541274mm A A A A e =++=++=
参考文献
[1]《压力容器设计手册》董大勤袁凤隐北京：化学工业出版社2005.7
[2]《化工压力容器设计方法、问题和要点》王非北京：化学工业出版社2005.04
[3]《化工设备机械基础》喻健良大连：大连理工大学出版社2009
[4]《化工制图》熊洁羽化学工业出版社2007.1
[5] 《化工过程设备机械基础》李多民北京：中国石化出版社 2007
[6] 《过程设备机械设计》郑津洋、董其伍化学工业出版社 2010。