卧式设备设计原则

h ——由内压在封头中引起的应力（如受外压可不计算）
椭圆封头： h
KPDi
2 he
碟形封头： h
MPRh
2 he
半球形封头： h
PDi
4 he
Rh ——碟形封头球面部分内半径
3.鞍座处筒体的周向应力校核： 卧式容器在均布载荷和支座反力的作用下，鞍座处的圆 筒将发生周向压缩与弯曲，其最大周向应力将发生在鞍 座处圆筒截面最低点或鞍座边角处。 ⑴支座处有加强圈：
② JB4731《钢制卧式容器》还规定当满足 A≤0.2L时，最好使A≤0.5Rm 。 由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封 头对于圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用。若 支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处 圆筒截面的加强作用，故取A≤0.5Rm 。 式中：Rm -----------圆筒的平均直径
当储罐内部因温度降低而使内压低于大气压时， 还应进行罐体的稳定性校核，以免发生失稳失效。
第二节 卧 式 储 罐
一、基本结构：
如图：主要由圆筒、封头和支座三部分组成 封头：通常采用JB/T4737《椭圆形封头》中的标 准椭圆封头。 支座：通常采用JB/T4712《鞍式支座》中鞍式支 座或圈座。 卧式储罐设计参照：JB/T4731《钢制卧式容器》。
值不同。
3
t
c.
强度条件：
4
cr
B
t
取其中的较小者
2.切向剪应力校核：
卧式容器承受竖向剪力，前已求得：V
F
L 2A
L
4 3
hi
这种剪力对筒体截面的反应是切向剪力
⑴ 圆筒切向剪应力计算： ① 圆筒未被封头加强（即A>0.5Rm）时： A. 圆筒在鞍座平面上有加强圈： 此时可增加圆筒刚性，使其保持圆形，整个截面都能承 受剪力的作用：
Va
F
G0
Aq
F
2 3
hiq
Aq
F
q(
2 3
hi
A)
F
(
L L
2A
4 3
hi
)
2F
q
L
4 3
hi
由此可得其剪力图和弯矩图：
4.讨论：
①剪力和弯矩图：最大剪力在支座处为 F 最大弯矩为
Ma 或 Mb
②通过调解A，可使 M a M b ，一般 A 0.2L
时，可使 M a M b
但为了充分利用封头对支座处筒体的支撑作用，常取
A．加强圈位于鞍座平面上： a.鞍座边角处的圆筒周向应力：图（a）
7
K8F A0
C4 K 7 FRme I0
b.鞍座边角处加强圈顶部：图（a）
8
K8F A0
C5 K7 FRm d I0
式中：
A0 ——组合截面的截面积
I 0 ——组合截面对中性轴x-x的惯性矩
K7、K8 ——截面削弱系数
C4、C5
选择储罐形式的影响因素主要有以下几个方面：
1.储存介质的性质： 介质最重要的特征有：可燃性、饱和蒸汽压、
密度、腐蚀性、毒性程度、化学反应活性（如聚 合趋势）等。2.场地条件：
①是否采取保温措施：与热损失有关，常与工 艺条件一起决定是否保温
②当储存设备安装在室外时,必须考虑风载荷、 地震载荷和雪载荷
通过推导可得到集中力和力矩：
G0
2 3
Hq
M0
Ri2 4
q
由封头质量引起的载荷，该集中力作用在封头的形心
3 e 8 Ri
（二）内力分析 1.支座截面处的弯矩： 如图：取支点a左端部分为分离体 并以a点为矩心取力 矩平衡，可得鞍座处的截面弯矩为：
M
a
(M
2
)
M0
G0
(3 8
hi
A)
qA
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA 2
Ma
下介质的饱和液体密度的乘积。 为了安全我国《压力容器安全技术监察规程》
明确规定装量系数不得大于0.95，一般取0.9。
4.最低设计温度的选取：
最低设计温度可按该地区气象资料，取气象局 实测的10年逐月平均最低气温的最小值。
月平均最低气温是指当月各天的最低气温 相加后除以当月天数。
在确定储罐设计温度时，可按有关规定进行低 温低应力分析。
处为脱离体，可得：
M
b
(M1
)
M
a
q(L
2
A)
1 2
(L
2
A)
M
a
q
2
(
L
2
A)
2
Mb
F
L
1 (
2
Ri2
L2
hi 2
4 1 4hi
4A) L
3L
一般 M b 为正值，表示上半圆筒受压，下半圆筒受拉 。
V 3.竖直剪力 a 即鞍座处的竖向剪力
双鞍座卧式容器同二支点梁一样，由于容器载荷所引起 的最大竖直剪力是出现在支座截面处，取力的平衡，则 此力为：
鞍座安放原则：
① JB4731《钢制卧式容器》规定取A≤0.2L，且 A值最大不得超过0.25L。
由材料力学可知，对于双支座上受均布载荷的简 支梁，若梁的长度为L时，则当外伸端长度 A=0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和 支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截 面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外 的其他载荷，而且支座截面处应力较为复杂，故 通常取A≤0.2L。
③地基条件：影响储存设备的振动频率。
3.储存设备装液化气体时： 除了应该考虑上述条件时，还应注意液化气
体的膨胀性和压缩性。液化气体的体积会因温度 的上升而膨胀，温度的降低而收缩。以液化石油 气为例，温度每升高1℃压力就会上升 1~3MPa. 为此必须严格控制其充装量。
充装量：指装量系数与储罐实际容积和设计温度
C．筒体最低点处：（在横截面最低点的周向应力）
5
kK5 F
eb2
当容器置于支座上时，取k=1；当容器焊接在支座上时，
考虑支座对圆筒的加强作用，取k=0.1
式中：
b2
b ——圆筒的有效宽度，取 2
b 1.56
Rm e
b1 ——加强圈的宽度
b ——支座的轴向宽度
b3
——计算圆筒与加强圈组合截面时， 圆筒的有效宽度
切向剪应力出现在鞍座边角A点处，在这种情况下，由
下式计算：
K3F ( L 2A )
Rme
L
4 3
hi
sin K3 sin cos
②被封头加强的圆筒（即A≤0.5Rm） 当鞍座靠近封头时，封头对圆筒相当于一个支撑，似乎
支承点由鞍座处移至封头曲线与圆筒的连接处（封头切
线处），因而改变了圆筒的受力状况。
力和支座的包角的影响，各种附加载荷，并校
核通体在附加载荷作用下的周向、轴向强度 和稳定性，以确定其实际圆筒厚度。卧式储罐 支座与罐体设计应同时进行。
常见的支座有如下两种： 鞍式支座：
卧式储罐鞍式支座的设计要点包括：
1.鞍式支座数量的决定。但应用最多的还 是双鞍座。 2.鞍式支座安装位置的安排 3.鞍座包角的选取 4.鞍座标准的选用
当容器采用两个圈座支承时，圆筒所承受的 支座反力、轴向弯矩及其相应的轴向应力的计算 及校核均与鞍式支座相同。
二、设计计算：
（一）载荷分析：
卧式储罐的载荷有：
1.压力，可以是内压或外压； 2.储罐重量，包括圆筒、封头及其附件等； 3.物料重量，正常操作时为物料重量，而在水压试
验时为充水重量；
4.其他载荷，如必要时计算雪载荷、风载荷、 地震载荷 等。
2
2 e
L Rm 8
时
6
F
4b2e
12 K 6 FRm
b3 b1 1.56 Rme
靠近鞍座截面处设置加强圈时
图5-13 加强圈结构
靠近鞍座的 内加强圈
靠近鞍座的 外加强圈
A.无垫板或垫板不起加强作用
最低点： 式中：
5
k K5 F
eb2
b2 ——筒体的有效宽度
b2 b 1.56 Rme
鞍座边角处：
L Rm 8 时
6
F
4b2 e
3K 6 F
●
3
3
4
●
●
3
●
3
●
4
b. 当圆筒未被加强时，
3 位于靠近水平中心线处:如图（b）
即A>0.5Rm，或鞍座平面未有加强圈，在周向弯矩作
用下，使鞍座上部的筒壁发生较大变形→“扁塌”，
从而减少了筒体的抗弯能力，发现所谓的无效区，承
受Ma的有效截面为2△（由实验测得）：
2
26
K1、K2
——由于“扁塌”现象而使抗弯断面模量减小 的削弱系数。 此时计算公式同上，但
A 0.5Ri ，但首先要满足前一个条件。
③支座处筒体受力复杂，有最大剪力及弯矩。
（三）圆筒应力计算和强度校核：
1.圆筒轴向应力：
⑴跨中截面处：
pi
Mb Wb
Pi
Wb
Pi Rm
2 e Rm2e
a.最高点处：1
P1Rm
2 e
Mb
Rm2e
(MPa)
最大压应力
b.最低点处： 2
P1Rm
第二章 储存设备
第一节 概 述
储存设备又称储罐，主要是指用于储存或 盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在 化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品 等行业得到广泛应用，如氢气储罐、液化石油 气储罐、石油储罐、液氨储罐等。储罐内的压 力直接受温度的影响，且介质往往易燃、易爆 或有毒。
储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式 储罐和球形储罐。本章重点介绍卧式储罐和
通常在对卧式储罐进行计算时，简化成如下的受力模型：
1、均布载荷 q 将容器所受的重量载荷（自身重量和物料重量）假设
为沿容器长度的均布载荷q 。其简化计算的长度如下：
因容器两端大多采用凸形封头，所以在确定均布
载荷分布长度时，首先要把封头折算成和容器直径相
同的当量圆筒，对于半球形、椭圆形和蝶形等凸形封
2 e
Mb
Rm2e
(MPa)
最大拉应力
Rm ——圆筒的平均半径
2
t
c.强度条件：
1
⑵支座截面处：
cr
B
t
其中的较小者
aA．≤R当m圆/2筒）在时鞍：座轴平向面应上力有加3 强位圈于或横被截封面头最加高强点（：即如图
最高点： 3
PRm
2 e
Ma
K1Rm2 e
最低点： 4
PRm
2 e
Ma
K 2 Rm2 e
Ri2 4
q
2 3
hiq(A
3 8
hi )
1 2
qA2
2F
q
L
4 3
hi
代入上式进行整理，可得：
1 A Ri2 hi2
M a (M1) FA(1
L 2AL ) 1 4hi
3L
M a一般为负值，表示上半圆筒受拉伸，下半圆筒受压缩
2.圆筒中间处截面的轴向弯矩 M b (M1) :即跨中截面
仍然以a为矩心，因为跨中截面处剪力为零，所以跨中
头可根据容积相等的原则折算为直径等于容器直径，
长度为
2 3
hi
所以均布载荷作用的长度为：L
4 3
hi
hi ——凸形封头深度
设支座反力为F，则支座反力为：
F
1 2
q(L
4 3
hi
)
2、水平力矩 M O
我们在折算的时候将封头上的重量载荷也折算成均布 的，而实际并非如此，所以在实际的推导过程中折算
成力矩 M O 和集中力 G0
③双鞍座支承的卧式容器，只允许将其中一个支 座固定，另一个应允许为可沿轴向移动。 活动支座的基础螺栓孔应沿圆筒轴向开成长圆孔， 也可采用滚动支承。鞍座包角θ一般有三种： 120°、135°、150°，但JB/T4712规定的只有 120°、150°两种形式。
2.圈座：
卧式容器在下列情况下可采用圈座： ①因自身重量而可能造成严重挠曲的薄壁容器； ②多于两个支承的长容器。
K3F ( L 2A )
Rme
L
4 3
hi
K3
sin
B.圆筒在鞍座平面上未设加强圈：
当鞍座处于无加强圈时，又得不到封头的加强作用，支
座上部圆筒由于载荷的作用产生变形，不能承受剪力的
作用，从而使承受切向剪力的有效截面减小，切向剪力
仅由一个包角为 2( ) 的圆弧截面积承担，且最大
2 20
——表示应力正负号的系数， 内加强“－”，外加强“＋”
B.加强圈靠近鞍座：
a.鞍座靠近水平线处筒体：如图（b）
（在横截面上靠近水平中心线的圆筒的周向应力）
7 的计算公式同上
b.鞍座靠近水平线的加强圈顶部：如图（b） （在横截面上靠近水平中心线处不与筒壁相接的加强圈 内缘或外缘的周向应力）
8 的计算公式同上
主菜单
1—法兰；2—支座；3—封头拼接焊缝；4—封头；5—环焊缝； 6—补强圈；7—人孔；8—纵焊缝；9—筒体；10—压力表； 11—安全阀；12—液面计
F型鞍式 支座
S型鞍式 支座
JB/T 4712-2005《鞍式支座》
其设计过程如下：
卧式储罐一般先根据内压或外压容器设计
方法初步计算厚度，在考虑支座位置、支座反
简要介绍球罐。
第一节 概 述
设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺条件 要求，考虑储存介质的性质、容量的大小、设置的位置、 钢材的耗量以及施工的条件等来确定储罐的形式；在设
计中还必须考虑场地的条件：环境温度、风载荷、 地震载荷、雪载荷、地基条件等，因此设计者
在设计储存设备时必须针对上述条件进行综合考虑，以 确定最佳的设计方案。
K3F Rm e
K3
sin 2
sin cos sin cos
⑵封头中的剪应力
n
K4F
Rm he
3
sin 2
K4 8 sin cos
he ——封头的有效厚度
⑶切向剪应力的校核： ①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： 0.8 t
②封头的切向剪应力 h 1.25 t h