空气储罐设计

设计要求
1、设计题目：空气储罐的机械设计
2、最高工作压力：0.8
MP
a
3、工作温度：常温
4、工作介质：空气
5、全容积：163m
设计参数的选择：
设计压力：取1.1倍的最高压力，0.88MP<1.6属于低压容器。

筒体几何尺寸确定：按长径比为3.6，确定长L=640000mm,D=1800mm
设计温度取50
因空气属于无毒无害气体，材料取Q345为低合金钢，合金元素含量较少，其强度，韧性耐腐蚀性，低温和高温性能均优于同含量的碳素钢，是压力容器专用钢板，主要用于制造低压容器和多层高压容器！
封头设计：椭圆形封头是由半个椭圆球面和短圆筒组成，球面与筒体间有直边段。

直边段可以防止封头和和筒体的连接焊缝处出现经向曲率突变，以改善曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀；且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易冲压成型，在实际生产中多有模具，是目前中低压容器应用较多的封头。

因此选用以径为基准的标准型椭圆形封头为了防止热应力和边缘应力的叠加，减少应力集中，在封头和筒体连接处必须有一段过渡的直边段，直边段的高度依据标准选择。

封头材料与筒体一样，选用头和筒体连接处必须有一段过渡的直边段，直边段的高度依据标准选择。

选材和筒体一致Q345R
接收设计3.4
接收设计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、设备接收、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，不宜用作接收用钢。

由于接收要求焊接性能好且塑性好。

应选择20 号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接收
3.5 法兰设计法兰连接的强度和严密性比较好，装拆也比较方便，因而在大多数场合比螺纹连接、承插式连接、铆焊连接等型式的可拆连接显得优越，从而获得广泛应用。

平焊法兰连接刚性较差，只能在低压，直径不太大，温度不高的情况下使用。

由于Q345R 为碳素钢，设计温度50℃<300℃，且介质无毒无害，可以选用带颈平焊法兰，即SO 型法兰。

储罐的设计压力较小要保证法兰连接面的严密性，必须适宜地选择压紧面的形状。

对于压力不高的场合，常用突台形压紧面。

突面构造简单，加工方便，装卸容易，且便于进展防腐衬里。

储罐由于设计压力为0.88MPa，空气无毒无害，可选择突面〔RF〕压紧面。

由于法兰钢件的质量较大，需要承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面的力学性能也较高，所以不用铸钢件，可以采用锻钢件。

接收材料为20 号钢，法兰材料选用20Ⅱ锻钢。

3.6接收与法兰分配
3.6.6 N1、N2空气进、出口公称尺寸DN250，接收尺寸j 273 x6 。

接收采用无缝钢管，材料为20 号钢。

伸出长度为150mm 。

选取0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用20Ⅱ，法兰标记为：SO300-2.5 RF3.6.2 N3排污口；
公称尺寸DN40，接收采用45 x3.5 无缝钢管，材料为20 号钢，外伸长度为
150mm。

选取0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用20Ⅱ，法兰标记为：SO40-1.6 RF
3.6.3 N4平安阀口公称尺寸DN80，接收采用j89 x4 无缝钢管，材料为20 号钢，外伸长度为150mm。

根据GB12459-99，选用90°弯头；弯头上方仍有一定外伸量。

选取0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用20Ⅱ，法兰标记为：SO80-1.6RF
3.6.4 N5压力表口公称尺寸DN25，接收采用j 32 x3.5 无缝钢管，材料为20 号钢，外伸长度为150mm。

根据GB12459-99，选用90°弯头；弯头上方仍有一定外伸量。

选取0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用20Ⅱ，法兰标记为：SO25-1.6 RF
3.6.5 N6〔备用口〕公称尺寸DN80，接收采用j 89 x4 无缝钢管，材料为20 号钢，外伸长度为150mm。

需进展补强计算。

选取0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用20Ⅱ，法兰标记为：SO80-1.6 RF
3.7弯头设计
N4 为平安阀口，平安阀在容器中起平安保护作用。

当容器压力超过规定值时，平安阀翻开，将系统中的一局部气体/流体排入大气/管道外，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。

由于冲出压力较大，阀口不可直接对人，因此需90°安装，用弯头过渡。

标记为：弯头DN80 90°
N5 为压力表口。

为方便读数，压力表需竖直安装于管口，因此接收要通过90°弯头过渡至竖直面，再安装压力表。

标记为：弯头DN25 90°
3.8 人孔设计在化工设备中，开设人孔是为了便于部的安装，修理和衬里，防
腐以及对设备部进展检查、清洗。

对于压力容器，为了便于移动沉重的人孔盖，盖子通常做成回转形式。

本储罐由于尺寸较大，人孔直径也较大，可使用回转盖人孔。

3.8.1 人孔接收及法兰设计公称尺寸为500mm。

接收采用530 10 无缝钢管，材料为20 号钢，外伸长度为150mm。

选用回转盖带颈平焊法兰人孔。

法兰采用带颈平焊突面法兰，材料为20Ⅱ锻钢，法兰标记为500-1.6 RF。

法兰盖设计
法兰盖根据配套选择，采用A 型盖轴耳，材料与接收同，钢20 标记为：BL500-1.6RF。

紧固件选用
与法兰盖之间必须加垫片密封。

在采用标准法兰的情况下，选择恰当的垫片可以提高密封效果。

根据储罐的设计温度和设计压力，可选用石棉橡胶板〔XB350〕作为垫片材料。

该材料应用广泛，使用温度可达450℃，压力小于6MPa 的场合。

垫片型号标记为：RF 500-1.6
法兰盖与法兰连接的螺柱可选用M24 的螺杆。

3.9 支座选择
化工容器设备大都通过支座加以固定。

支承式支座构造简单轻便，不需要专门的框架、钢梁来支承设备，可直接把设备载荷传到较低的根底上。

此外，它能比其他型式的支座提供较大的操作、安装和维修空间。

由于支承式支座对所在设备封头产生的局部应力相对较大，故在采用这种支座时，需增设垫板。

根据公称直径，本储罐选用B 型第4组支承性支座。

支座标记为：支座4B 图3-4 支承型支座
3.10 吊耳选择
由于本储罐高度较高，为方便起吊、移动设备，在筒体顶部加设吊耳。

图 3-5 吊耳3.11 焊接型式及构造
3.11.1 筒体焊接接头系数选取 根据介质性质，取焊缝形式为相当于双面焊的全焊透对接接头，无损探伤要求为局部。

焊接系数 0.853.
假设圆筒的厚度在6~16mm 围
设计温度为 50℃，查 查GB150-1998中表4-1得该温度下 Q345R 许用应力 [σ]t= 170MPa,[σ]=170MP.
筒体厚度计算：[]mm 50.588.0-85.01702180088.02t =⨯⨯⨯=-=
c c p D p φσδ 取钢板负偏差 C1 =0.3mm
钢板腐蚀裕量 C2=1mm
向上圆整取为10mm
封头厚度设计：封头个参数和筒体一样，只有焊接系数因为钢板整体冲压而成所以取1.0，故封头计算厚度：[]mm 66.488
.00.5-11702180088.012t =⨯⨯⨯⨯⨯=-=c c p D Kp φσδ 向上圆整取10mm ，也满足焊接方面。

实验压力确定
采用液压实验，试验压力
[][]T
MP L MP e e D P MP P T T T σφδδσσσ≥=⨯⨯==⨯--+⨯=+==⨯==93.26334585.09.0Re 9.077.633.0-1-102)3.01101800(1.12)(1.188.025.125.1p t
）
（试验应力校核\ 所以液压试验应力合格.
3.3筒体和封头的构造设计
由封头长短轴之比为2，即22=i
i h D ，得mm mm D h i i 450418004=== 查标准[4]中表B.1 EHA 和B.2 EHA 表椭圆形封头外表积、容积，质量，见表3-1和图3-1。

取装料系数为0.9，那么 即2545.028.14
π9.01602⨯+⨯⨯=L 算得m L 590.60=
圆整后取为m L 0.70=
3.6鞍座选型和构造设计
3.6.1鞍座选型
该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座，材料选用Q345R 。

估算鞍座的负荷：
罐
总质量43212m m m m m +++=
〔3-3〕 1m —筒体质量：kg 77.3105785001.078.114.301=⨯⨯⨯⨯==δρπDL m
2m —单个封头的质量，查标准封头质量表m2=294.3kg
3m —充液质量：压缩空气水ρρ>，水压试验充满水，故取介质密度为
3/1000ρm kg =水，V m 水ρ3=
那么kg kg V m 1831031.811000ρ3=⨯==水
4m —质量：人孔质量为153kg ，其他接收总和为200kg ，即4353m kg =
综上所述m0=m/4=5589.34kg
那么每个鞍座承受的质量为5589.34kg ，即为55.90KN<350KN ,满足要求。

鞍座的安装位置如图3-3所示：
第四章 开孔补强设计
4.1补强设计方法判别
根据 GB150 规定，接收必要时必须进展补强设计。

对管 N1、N2、N6、N7 进展补强，采用等面积补强法法进展接收补强。

据前筒体与封头计算，其计算壁厚 名义厚度为10mmN1N2空气进、出口管：公称尺寸 DN250接收尺寸 273 x6mm
mm D d i 9002
18002==< 且mm d 520< 故可采用等面积法进展补强计算 以 20 号钢为管材，查 GB150 得设计温度下 20 钢许用应力 t 130MPa 焊接接头系数j=1
接收计算厚度：
钢板负偏差：C1=0.1x0.93=0.093mm
C2=1mm
C=C1+C2=1.1mm
名义厚度为6mm
强度削弱系数[][]765.0170
130===t t
t r f δδ 开孔直径d=di+2C=261+2.2=263.2mm
开孔切削截面积： 〔4-1〕
δ2δδ(1)et r A d f =+-=263.2x4.66+2x4.66x(6-1.1)(1-0.765)=1237.4mm2
4.2有效补强围
4.2.1有效宽度B
B1=2d=2x263.2=526.4mm
12max(,)526.4B B B mm ==〔4-2〕
4.2.2外侧有效高度
根据[1]中式8-8，得：
4.2.3侧有效高度
根据[1]中式8-9，得：
4.3有效补强面积
根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：
321A A A A e ++= 〔4-3〕
1A —筒体多余面积
2A —接收多余面积
3A —焊缝金属截面积，焊脚去7mm ，那么
4.4补强面积
同样对
N4平安阀口 公称尺寸 DN80，接收采用 j89 x4 无缝钢管，材料为 20 号
钢，外伸长度为 150mm mm D d i 9002
18002==<
且mm d 520< 故可采用等面积法进展补强计算 以 20 号钢为管材，查 GB150 得设计温度下 20 钢许用应力 t 130MPa 焊接接头系数j=1
接收计算厚度：
钢板负偏差：C1=0.1x0.30=0.03mm
C2=1mm
C=C1+C2=1.03mm
名义厚度为4mm
强度削弱系数[][]765.0170130
===t t
t
r f δδ
开孔直径d=di+2C=89+2.1=91.2mm
开孔切削截面积：
〔
4-1〕 δ2δδ(1)et r A d f =+-=91.2.2x5.5+2x5.5x(4-1.1)(1-0.765)=487.8mm2
4.2有效补强围
4.2.1有效宽度B
B1=2d=2x91.2.2=182.4mm
12max(,)526.4B B B mm ==〔4-2〕
4.2.2外侧有效高度
根据[1]中式8-8，得：
4.2.3侧有效高度
根据[1]中式8-9，得：
4.3有效补强面积
根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：
321A A A A e ++= 〔4-3〕
1A —筒体多余面积
2A —接收多余面积
3A —焊缝金属截面积，焊脚去6mm ，那么
4.4补强面积
因为A A e ...>，所以开孔需另行补强487.8-387.5=100.3mm
同样对
N 公称尺寸为 500mm 。

接收采用j 530x 10 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为150mm 。

mm D d i 9002
18002==<
且mm d 520< 故可采用等面积法进展补强计算
以 20 号钢为管材，查 GB150 得设计温度下 20 钢许用应力 t 130MPa 焊接接头系数j=1
径d=530-10x2=510mm
接收计算厚度：
钢板负偏差：C1=0.1x1.730=0.173mm
C2=1mm
C=C1+C2=1.173mm 名义厚度为10mm
强度削弱系数[][]765.0170
130
==
=
t
t t
r f δδ 开孔直径d=di+2C=510+1.8x2=513.6mm
开孔切削截面积： 〔4-1〕
δ2δδ(1)
et r A d f =+-=513.6x5.5+2x5.5x(10-1.7)(1-0.765)=2846.7mm2
4.2有效补强围
4.2.1有效宽度B
B1=2d=2x513.6=1027.2mm
12max(,)1027.2B B B mm ==〔4-2〕
4.2.2外侧有效高度
根据[1]中式8-8，得：
4.2.3侧有效高度
根据[1]中式8-9，得：
4.3有效补强面积
根据[1]中式8-10 至式8-13，分别计算如下：
3
21A A A A e ++=
〔4-3〕
1A —筒体多余面积 2A —接收多余面积
3A —焊缝金属截面积，焊脚去6mm ，那么
4.4补强面积
因为A A e ...>，所以开孔需另行补强2846.7-2500.36=346.34mm2
5.2圆筒轴向弯矩计算
圆筒的平均半径为δ12007603.52222i n a D R mm =+=+= 鞍座反力为
55893.4F N
=
5.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩
根据[2]中式7-2，得：
5.2.2鞍座平面上的轴向弯矩
根据[2]中式7-3，得：
图5-1〔a 〕筒体受剪力图
图5-1〔b 〕筒体受弯矩图
5.3圆筒轴向应力计算及校核
5.3.1圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力
根据[2]中式7-4至式7-7计算 最高点处：
1
1267
2σ2δπδ0.88109057.7310210 3.1420.9051036.78c a e a e
p R M R MPa
=
-⨯⨯⨯=-
⨯⨯⨯= 〔5-1〕 最低点处：
1
2267
2σ2δπδ0.88109057.7310210 3.1420.9051070.17c a e a e
p R M R MPa
=
+=⨯⨯⨯+
⨯⨯⨯= 〔5-2〕 5.3.2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
a
R A ≤〕
时，轴向应力3σ位于横截面最高点处.
取鞍座包角 120=θ，查表7-1〔/T4731-2005〕得，0.1,0.121==K K .那么 b).在横截面最低点处的轴向应力4σ：
5.3.3圆筒轴向应力校核
0.094δ0.094
905/100.0009988
i e
A R ==
=〔5-3〕
查图4-8[10]得，52.010E =⨯,那么 满足条件[][]
max
σ
σ>ac
5.4切向剪应力的计算及校核
5.4.1圆筒切向剪应力的计算
根据[2]中式7-9计算，查[2]中表7-2，得：
30.8824876.32
τ 6.05δ0.60350.006
a e K F MPa R ⨯===⨯
〔5-4〕
5.4.2圆筒被封头加强〔2a R A ≤〕时，其最大剪应力h τ
根据[2]中式7-10，计算得：
4τδ0.4015583.4
0.9050.012.47h a he
K F R MPa
=⨯=
⨯= 〔5-5〕 5.4.3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[]τ 6.050.8σ0.811390.4t
MPa MPa =<=⨯=
故圆筒满足强度要求。

根据[2]中式7-12
1
45021800261226122
=⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⨯=⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣
⎡
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛+=i i h D K
〔5-6〕
111200
σ1002δ26
c i h he Kp D MPa ⨯⨯=
==⨯ 〔5-7〕 故封头满足强度要求
5.5圆筒周向应力的计算和校核
根据鞍座尺寸表知：mm b 3504=
即n a R b b δ56.14+>，所以此鞍座垫片作为加强用的鞍座。

5.5.1在横截面的最低点处：
根据[2]中式7—18
(
)
2
55δδσb F
kK re e +=
其中1.0=k 〔容器焊在支座上〕 〔5-8〕
查[2]中表7-3知，76.05=K 那么()
50.10.7624876.32
σ0.978140MPa ⨯⨯=-
=-+⨯
5.5.2在鞍座边角处
由于7000
7.738905
a L R =
=< 根据[2]中式7—20: 由于0.3
0.4980.50.6035
a A R =
=< 查[2]中表7-3知，013.06=K 那么
()()
62
55894.3120.01355894.3905
σ4784057900782.13MPa
⨯⨯⨯=-
-⨯+⨯⨯+=- 〔5-9〕
5.5.3鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力
由于8<a R L ，根据[2]中式7—22
5.5.4周向应力校核
根据[2]中式7.3.4.3
故圆筒周向应力强度满足要求。

5.6鞍座应力计算及校核
5.6.1腹板水平分力及强度校核
根据[2]中表7—7
鞍座包角 120=θ，查[2]中表7—5得：204.09=K 。

那么
90.20424876.325074.8s F K F N ==⨯=
垫板起加强作用，那么： 其
中
2δ8,140re r mm b b mm
===，
603.5201.233
a R mm ==，
201.28193.2H mm =-=
那么min ,193.23a s R H H mm ⎧
⎫==⎨⎬⎩⎭
那么95074.8
σ 2.20.19320.0060.140.008
MPa =
=⨯+⨯
查[2]中表5—1，得：[]MPa sa 147=σ，那么
[]MPa sa
98σ3
2=
由于[]sa
σ3
2σ9<
，所以其强度满足要求。

5.6.2鞍座压缩应力及强度校核
根据[2]中表7—6，取08.01=α
那么 1α0.085076.89.83980.2Ev F mg N ==⨯⨯=，钢底板对水泥根底的
4.0=f
那么 5076.89.80.419901.1Ev mgf N F =⨯⨯=> 所以压应力应按[2]中式7—29计算：
()
σ22Ev Ev v sa sa r sa F H
F H F A Z A L A =----
〔5-9〕
其中 1200
193.2793.22
v H R H mm =+=
+=， 筋板面积 23218406140δmm b A =×== 腹板面积： 形心：
腹板与筋板组合截面断面系数： 代入公式()
A L A H F Z H F A F
sa v Ev r Ev sa sa 22----
=σ得 取2.10=K 那么
根据[2]中式7—32进展校核 即满足强度要求。

4.1.1 筒体的总体尺寸参数:筒体公称直径 DN Di 2000mm ，L4500mm4.1.2 筒体壁厚设计设计温度为 85℃，查 GB150 得该温度下 Q345R 许用应力 t 170MPa 取钢板负偏差 C1 0.3mm ，钢板腐蚀裕量 C 2 1mm pc Di 1.2 2000计算壁厚 t
8.34mm 41 2 pc 2 170 0.85 1.2 t设计壁厚t d t C 2 8.34 1 9.34mm 42t C1 C2 8.34 0.3 1
9.64mm 43取圆整后名义厚度为t n 10mm有效厚度t e t n C1 C 2 10 0.3 1 8.7mm 44进展液压试验，试验液体温度一般不低于5℃。

试验温度下材料许用应力170MPa，设计压力1.2MPa，170试验压力pT 1.251.25 1.2 1.5MPa 45 t 170 pT Di t
e 1.5 2000 8.7校核圆筒应力T 203.72MPa 46 2t e 2 8.7 0.85屈服强度s 345MPa ，
90 s 0.9 345 310.5MPa T 0.9 s ，筒体试验合格4.2 封头尺寸4.2.1 封头的总体尺寸封头采用的标准椭圆封头k1，DN2000mm。

封头高度h1 Di 4 2000 / 4 500mm 4716m 3 空气储罐设计114.2.2 封头的厚度设计封头材料参数与筒体一样Kpc Di 11.2 2000计算壁厚t 8.32mm 48 2 0.5 pc 2 170 0.85 0.5 1.2 t设计壁厚t d t C 2
8.32 1 9.32mmt C1 C2 8.32 0.3 1 9.62mm取圆整后名义厚度为t n 10mm有效厚度t
e t n C1 C 2 10 0.3 1 8.7mm封头的最小厚度校核：0.15 Di 0.0015 2000 3mm t n 10mm ，满足要求。

4.2.3 封头的直边段高度椭圆封头的直边段高度以径为准。

当Di 2000mm 时，直边段高度h25mm 图41 封头极其直边段4.3 补强计算及补强圈选用根据GB150 规定，接收必要时必须进展补强设计。

对管N1、N2、N6、N7 进展补强，采用等面积补强法法进展接收补强。

据前筒体与封头计算，其计算壁厚T 8.34mm ，名义厚度为Tn 10mm4.3.1N1N2空气进、出口管：公称尺寸DN250接收尺寸273 616m 3 空气储罐设计12径d i 273 2 6 261mm 49以20 号钢为管材，查GB150 得设计温度下20 钢许用应力t 130MPa焊接接头系数1.。