卧式容器设计

卧式容器设计
张哲峰蒋润华
（中国石油工程建设公司新疆设计分公司、第一建设分公司）
摘要：本文通过一个具体事例，对卧式容器中内压圆筒容器的受力、计算、分析，及其双鞍式支座的受力、计算、分析，描述了内压圆筒容器的整个设计计算过程，计算过程描述比较详细，可为以后的相关设计人员提供参考。

关键词：卧式容器内压圆筒容器设计计算分析
1 主要设计参数
设计压力p= 1.298Mpa 设计温度t= 190 ℃
壳体内径Di =3600mm 筒体长度L0 =6320mm
焊缝系数φ=0.85 腐蚀裕量C2 =2mm
物料密度ρ=908.8KG/m3 设备充装系数ψ0 = 0.9
鞍座JB/T 4712-2007 BⅠ3600-S δ4 =22 Q345R/Q345R
2 计算圆筒、封头材质及厚度
2.1 材质判断
根据常规容器的常规经验，一般情况下，容器内部H2S含量偏高的话可选用Q245R 钢板，H2S含量不高或没有的话可选用Q345R钢板，同时通过厚度计算，判断选用比较经济的钢材。

2.2 厚度计算
（1）采用Q345R板材时
由GB150补充文件“关于《固定式压力容器安全技术监察规程》的实施意见”中钢板的许用应力表，利用插值法求得Q345R钢材厚度在16-36温度在190℃时的许用应力为[σ[t=172.6 Mpa。

0.4[σ]t φ = 0.4×172.6×0.85 = 58.684 Mpa
P c = 1.298 Mpa< 0.4[σ]t ψ = 58.684Mpa,
按照GB150-1998中式（5-1）计算圆筒厚度：
计算厚度
1.2983600162[]217
2.60.85 1.298c i t c P D mm P δσφ⋅⨯===-⨯⨯-
最小厚度σmin = 2D i /1000 = 7.2 mm
由于最小厚度小于计算厚度，故设计厚度为
σd =σ+C 2 =16+2 = 18 mm
由《石油化工设备设计便查手册》中查得厚度为8-25的钢板的厚度负偏差为C 1 = 0.8，故名义厚度为：
σn =σd +C 1 = 18+0.8 = 18.8 mm ，圆整至20 mm
（2）采用Q245R 板材时
由GB150补充文件“关于《固定式压力容器安全技术监察规程》的实施意见”中钢板的许用应力表，利用插值法求得Q245R 钢材厚度在16-36温度在190℃时的许用应力为[σ]t =125.8 Mpa 。

0.4[σ]t φ = 0.4×125.8×0.85 = 42.772 Mpa
P c = 1.298Mpa < 0.4[σ]t ψ = 42.772Mpa,
按照GB150-1998中式（5-1）计算圆筒厚度：
计算厚度
1.298360021.982[]2125.80.85 1.298c i t c P D mm P δσφ⋅⨯===-⨯⨯-
最小厚度σmin = 2D i /1000 = 7.2 mm
由于最小厚度小于计算厚度，故设计厚度为
σd = σ+C 2 = 21.98+2 = 23.98 mm
由《石油化工设备设计便查手册》中查得厚度为8-25的钢板的厚度负偏差为C 1 = 0.8，故名义厚度为：
σn =σd + C 1 = 23.98+0.8 = 24.78 mm ，圆整至26 mm
（3）选用结果
经过计算比较，在同样满足设计要求的条件下，使用Q345R 板材的经济性能要比使用Q245R 板材好，故最终确定：
钢板材质为：Q345R ，钢板名义厚度为：20 mm 。

（4）封头厚度计算
封头选用标准椭圆形封头，按照GB150-1998中式（7-1）计算
1.298360015.962[]0.5217
2.60.850.5 1.298c i t c P D mm P δσφ⋅⨯===-⨯⨯-⨯
名义厚度σn =σ+C 1+C 2=15.96+0.8+2 = 18.76 mm ，圆整至20 mm 。

最终确定筒体及封头的钢板材质为：Q345R ，名义厚度为：20 mm 。

3 计算鞍座反力
（1）计算质量
a 圆筒质量m 1
99100()10 3.14362020632078501011278.6n n m Di L Kg πδδρ--=+⨯=⨯⨯⨯⨯⨯= b 单个封头质量m 2
m 2 = 2232 Kg
c 附件质量m 3
附件质量估算为m 3 = 5000 Kg
d 充液质量m 4
由于物料密度为908.8kg/m 3，设备充装物料的质量小于充满水的质量，故按充满水的质量考虑。

29299400(2)100.785360063202 6.51410)10000.91069592.654h m Di L V Kg πρψ---=+⨯=⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯= e 保温层质量m 5
保温棉质量m ’= 3108.5Kg
保温铁皮质量m ”= 416Kg
m 5 = m ’+m ”= 3108.5 + 416 = 3524.5Kg
f 设备最大重m
m = m 1 + 2m 2 + m 3 + m 4 + m 5 = 93860 Kg
（2）计算鞍座反力
按JB/T4731-2005中式（7-1）计算：
F = mg/2 = 93860×9.81/2 = 460383 N
4 计算圆筒轴向弯矩
（1）圆筒中间处截面的弯矩
按JB/T4731-2005中式（7-2）计算：
222222812(1820900)2()114460383640049006400[][] 2.82104490044640011364003m i i
R h FL A L M N mm h L L ⨯--++⨯⨯=-=⨯-=⨯⋅⨯++⨯
（2）鞍座处截面上的弯矩
按JB/T4731-2005中式（7-3）计算：
2222729001820900116400290064002[1]460383900[1] 3.87104490011364003m i i
R h A L AL M FA N mm h L
---+-+⨯⨯=--=-⨯⨯-=-⨯⋅⨯++⨯ 5 计算圆筒轴向应力
（1）由于弯矩引起的轴向应力
a 在圆筒中间截面上
最高点处：
12200.8217.2e n C C mm δδ=--=--=
8
'11
222.8210 1.593.14181017.2m e M MPa R σπδ--⨯===-⨯⨯ 式中：36002018102222i n m D R mm δ=+=+=
最低点处：
''21 1.59MPa σσ==
b 在鞍座处圆筒截面上
最高点处：
7
'23
221 3.87100.223.141181017.2m e M MPa K R σπδ-⨯===⨯⨯⨯ 式中：K 1 = 1.0，由JB/T4731-2005表（7-1）查得。

最低点处：
7
'24
222 3.87100.223.141181017.2m e M MPa K R σπδ-⨯===-⨯⨯⨯ 式中：K 2 = 1.0，由JB/T4731-2005表（7-1）查得。

（2）由设计压力引起的轴向应力
1.298181068.32217.2m p e PR MPa σδ⨯=
==⨯
（3）轴向应力组合与校核
a 轴向拉应力
'22 1.5968.369.9p MPa σσσ=+=+= '330.2268.368.5p MPa σσσ=+=+=
最大轴向拉应力
269.9M P a σσ==
b 轴向压应力
'11 1.59MPa σσ==- '440.22MPa σσ==-
最大轴向压应力
1 1.59c M P a σσ==-
c 轴向应力校核 轴向许用压应力 [σ]t =172.6 Mpa
σ= 69.9MPa < [σ]t =172.6 Mpa
轴向许用压应力 [σ]ac
0.0940.09417.20.000898/1800i e A R δ⨯=== 由GB150-1998图6-5，利用插值法，查得：B = 96.3Mpa
由GB150补充文件“关于《固定式压力容器安全技术监察规程》的实施意见”中钢板的许用应力表，查得Q345R 板材的R eL = 325Mpa
[]m i n ([],)96.3t t ac B MPa σσ==
[]m i n ([],)96.3t t ac B MPa σσ==
轴向许用压应力：
1.59[]96.3c a c M P a M P a σσ=<=
6 计算圆筒、封头切向应力
因A = 900 < 0.5R m
（1）圆筒切向剪应力
按JB/T4731-2005中式（7-9）计算：
30.8846038313.01181017.2m e K F MPa R τδ⨯=
==⨯
式中：K 3 = 0.88，由JB/T4731-2005表（7-2）查得。

（2）封头切向剪应力
按JB/T4731-2005中式（7-10）计算：
40.401460383 5.93181017.2h m he K F MPa R τδ⨯===⨯
式中：K 4 = 0.401，由JB/T4731-2005表（7-2）查得，
123200.82017.2h e h h C C C C m m δδδ=-=---=---=
C 3为封头冲压减薄量，由制造厂控制，我们按0计算。

（3）切向剪应力校核
13.010.8[]138.1
t M P a M P a τσ=<= 式中0.8[]t σ为圆筒许用切向剪应力。

5.93 1.25[]79.9t h h MPa MPa τσσ=<-=
式中1.25[]t h σσ-为封头许用切向剪应力，其中按JB/T4731-2005中式（7-12）计算h σ：
1.0 1.2983600135.842217.2i h he KPD MPa σδ⨯⨯=
==⨯
式中：K = 1.0，由GB150-1998表（7-1）查得。

7 计算圆筒周向应力
（1）鞍座处横截面最低点处周向应力
按JB/T4731-2005中式（7-15）计算：
5520.10.76034603832.81723.317.2e k K F M P a b σδ⨯⨯=-
=-=-⨯
式中： K = 0.1 考虑容器焊在鞍座上。

K 5 = 0.7603，由JB/T4731-2005表（7-3）查得。

2 1.44817.2723.3b b mm =+=+=
其中b 值按JB/T4712-2007中表8，取
33b σ+。

（2）鞍座边角处的周向应力 因为L/R m < 8，故按JB/T4731-2005中式（7-17）计算：
6622212460383120.013460383181077.9144723.317.2640017.2m e e K FR F MPa b L σδδ⨯⨯⨯=--=--=-⨯⨯⨯ 式中：K 6 = 0.013，由JB/T4731-2005表（7-3）查得。

因为A/R a = 0.497 < 0.5。

（3）周向应力校核
5 2.81[]172.6t M P a M P a σσ=<= 677.91 1.25[]
215.75t M P a M P a σσ=<= 结论：不设加强垫板，保留鞍座本身的垫板。

8 计算鞍座有效断面平均应力
（1）鞍座承受的水平分力
按JB/T4731-2005中式（7-25）计算：
90.20446038393918.1s F K F N =⋅=⨯=
式中K 9 = 0.204，由JB/T4731-2005表（7-5）查得。

（2）鞍座有效断面平均应力
按JB/T4731-2005中式（7-26）计算：
9093918.117.7225021.2s s F MPa H b σ=
==⨯
式中：H s = 250mm ，为鞍座实际高度和R m /3两者中的较小值。

b 0 = 22-0.8 = 21.2 mm 腹板名义厚度为22 mm 。

（3）鞍座有效断面平均应力校核
9
22
17.72[]185123.3
33
sa
MPa MPa
σσ
=<=⨯=
式中[]185
sa MPa
σ=为鞍座材质Q345R在小于等于20℃时的许用应力。

结论：校核合格。

参考文献：
[1] GB150-1998《钢制压力容器》国家质量技术监督局1998
[2] JB/T4731-2005《钢制卧式容器》国家发展和改革委员会2005
[3] 《钢制压力容器设计指南》全国技术委员会设计分委员会1993
[4] JB/T4712-2007《容器支座》中华人民共和国国家发展和改革委员会2007
作者简介：张哲峰，男，1983年生，毕业于辽宁石油化工大学，现就职中国石油工程建设公司新疆设计分公司。