压力容器与管道安全

河南城建学院

《压力容器与管道安全》课程设计

姓名吴斌强

班级0234091

学号023409157

专业安全工程

课程名称压力容器与管道安全

指导教师杨豪、万祥云、王现丽

环境与市政工程系

2012年12月

刖百

压力容器是一种密闭的承压容器，通常是由板、壳组合而成的焊接结构。其

应用广泛且用量大，但又比较容易发生事故且事故往往是严重的。压力容器的设

计-一般有筒体、封头、密封装置、支座、接口管、人孔及安全附件等组成。与任

何工程设计一样，压力容器的设计目标也是对新的或该进的工程系统和装置进行

创新和优化，以满足人们的愿望与需要。具体来说，压力容器的设计人员应根据

设计任务的特定要求，遵循设计工作的基本规则或规范，以及材料控制、结构细

节、制造工艺、检验及质量管理等方面的规则，并尽可能地采用标准。

液氨储罐是合成氨工业中必不可少的储存容器，所以本设计过程的内容包括

容器的材质的选取、容器筒体结构和强度的设计，密封的设计、罐体壁厚设计、

封头壁厚设计、确定支座，人孔及接管、开孔补强的情况以及焊接形式的设计与

选取。在设计过程中要综合考虑经济性、实用性和安全可靠性。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。此次设计主要原理来自《过程设备设计》一书以及其他参考资料。

本设计的液料为液氨，它是一种无色液体。氨作为一种重要的化工原料，应

用广泛。分子式NH3，分子量17.03,相对密度0.7714g/L,熔点-77.7C,沸点

-33.35℃,自燃点651.11C,蒸汽压1013.08kPaQ5.7C）。蒸汽与空气混合物爆炸

极限16〜25%（最易引燃浓度17%）o氨在20℃水中溶解度34%,25℃时，在无水

乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醛，它是许多元素和

化合物的良好溶剂。水溶液呈碱性。液态氨将侵蚀某些塑料制品，橡胶和涂层。

遇热、明火，难以点燃而危险性较低；但氨和空气混合物达到上述浓度范围遇明

火会燃烧和爆炸,如有油类或其它可燃性物质存在，则危险性更高。

2

目录

前言............................................................................2

I设计总论....................................................................4

1.1设计任务..............................................................4

1.2材料及结构的选择与论证...............................................4

1.2.1材料选择........................................................4

1.2.2封头的选择......................................................5

1.2.3容器支座的选择..................................................5

1.2.4密封装置设计....................................................6

1.2.5焊接结构设计....................................................8

2设计计算.....................................................................9

2.1筒体壁厚计算..........................................................9

2.2封头壁厚计算.........................................................10

2.3计算鞍座反力..........................................................11

2.3.1计算质量........................................................11

2.3.2计算鞍座反力....................................................11

2.4筒体轴向应力校核.....................................................11

2.4.1由弯矩引起的轴向应力...........................................11

2.4.2由设计压力引起的轴向应力.......................................13

2.4.3轴向应力组合与校核.............................................13

2.5筒体和封头切向应力校核...............................................14

2.6开孔补强计算..........................................................14

附录：卧式液氨储罐三维图；.................................................17

图8.1.1卧式液氨储罐三维图................................................17

参考文献........................................................................18

3

摘要

卧式液氨储罐用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的储罐，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。本设计运用常规设

计的方法，对卧式液氨储罐的筒体、封头进行厚度设计计算，对水压试验进行校

核，并对所开人孔进行补强设计。按照相关标准选择密封装置、人孔、支座、接

口管以及部分安全附件。根据设计时的需要附上一些储罐零件图与储罐装配简

图。完成了一个相对比较完整的卧式液氨储罐的设计。

关键词：储罐；压力容器；设计；计算

1设计总论

1.1设计任务

设计一个容积为3.1n?液氨卧式贮罐。设计数据表如表2-1所列:

表2-1设计数据表

序号项目数值单位备注

1名称液氨储罐

2用途液氨储藏

3设计压力1.9MPa

4设计温度43℃

5容积3.1M3

6设备充装系数0.9

7工作介质名称及特性液氨

1.2材料及结构的选择与论证

1.2.1材料选择

根据液氨的物性选择罐体材料，碳钢对液氨有良好的耐蚀性腐蚀率在0.1™

/年以下，贮罐可选用一般钢材，根据液氨贮罐的工作压力、工作温度和介质的

性质可知该设备为一中压常温设备，介质对碳钢的腐蚀作用很小。故选材料•时，

主要考虑的强度指标（指。s和。b）和塑性指标适合的材料，内罐贮存中温液氨，

可以考虑20R、16MnR这两种钢种。如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类

的低碳钢板，16MnR钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设

备的计价，16MnR钢板为比较经济。其中16MnR的机械加工性能、强度和塑性

指标都比较好，综合金属的强度、刚度、温度、抗腐蚀能力等方面考虑选用16MnR

制作罐体和封头。所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标

4

准号为GB6654-1996o

筒体结构设计为圆筒形。因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装

内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。

1.2.2封头的选择

压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等,

其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。常见容器

凸形封头形式如图2-1示。

图2-1常见容器凸形封头的形式

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。从钢材耗用量来看：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

形封头较为合理。

1.2.3容器支座的选择

压力容器靠支座支承并固定在基础上，圆筒形容器和球形容器的支座不同。

随安装位置不同，圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类，其中立

式容器支座有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种；卧式容器支座

有鞍座，圈座和支腿三种。而球形容器多采用柱式或裙式支座。鞍座是应用最广

泛的一种卧式支座，鞍座普遍使用双鞍座支承。从应力分析看，承受同样载荷且

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矫形的相对刚性等等，均会影响支座反力的

5

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。所以一般卧式储罐最好采用双

鞍座支承。圈座一般用于大直径薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座简称支腿，

因这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备

(DNW1600,LW5m)。综上考虑在此选择双个鞍座作为储罐的支座，一个S型,

一个F型。

另外，由材料力学可知，对于双支座上受均布载荷的简支梁，若梁的全长为

L,则当外伸长度为4=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，从而使上述两截面处应力较为复杂，故常取支座处圆筒的弯

矩略小于跨距中间圆筒的弯矩，通常取尺寸0.2L值，为此中国现行标准JB4731

《钢制卧式容器》规定取AW0.2L,A值最大不得超过0.25L。否则由于容器外

伸端的作用将使支座截面处的应力过大。其中A为封头切线至支座中心线之距

离，L为两封头切线间之距离，此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，

故封头对于支座处圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用。

图2-2鞍式支座总体图

1.2.4密封装置设计

压力容器的可拆密封装置形式很多，如中低压容器中的螺纹连接、承插式连

接和螺栓法兰连接等，其中以结构简单、装配比较方便的螺栓法兰连接用得最普

遍。

螺栓法兰连接主要有法兰、螺栓和垫片组成。螺栓的作用有两个：-是提供

预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；二是使螺栓法兰连接变为可拆

连接。垫片装在两个法兰中间，作用是防止容器发生泄漏。法兰上由螺栓孔，以

容纳螺栓。螺栓法兰连接设计的一般目的是：对于已知的垫片特性，确定安全、

经济的法兰和螺栓尺寸，使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内，使接头内的

应力在材料允许范围内，即确保密封性和结构完整性。

螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题：一是保证连接处“紧密不漏”；二

6

是法兰应具有足够的强度，不致因受力而破坏。实际应用中，螺栓法兰连接很少

因强度不足而破坏，大多因密封性能不良而导致泄漏。因此密封设计是螺栓法兰

连接中的重要环节，而密封性能的优劣又与压紧面和垫片有关。

1.法兰压紧面的选择

压紧面主要应根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。常用的压紧面

形式有全平面［图2-3(a)］、突面［图2-3(b)］、凹凸面［图2-3(c)］、桦槽

面［图2-3(d)］及环连接面(或称T形槽)［图2-3(e)］等，其中以突面、凹

凸面、梯槽面最为常用。

图2-3压紧面的形式

2.垫片的选择

垫片是螺栓法兰连接的核心，密封效果的好坏主要取决于垫片的密封性能。

设计时，主要应根据介质特性、压力、温度和压紧面的形状来选择垫片的结构形

式、材料和尺寸，通常兼顾价格、制造和更换是否方便等因素。基本要求是制作

垫片的材料不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好的变形能力和回弹能力，以及在

工作温度下不易变质硬化或软化等。对于化工、石油、轻工、食品等生产中常用

的介质，可以参阅垫片选用表选用垫片，查得结果如下表。

表2-2垫片选用表

法兰公称压力工作温度垫片

介质密封面

MPa℃形式材料

氨2.5<150凹凸橡胶垫中压橡胶石棉板

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PN0.25MPa、0.6MPa、l.OMPa、1.6MPa,在较小范围

内(DN3OOmm_2000mm)适用温度范围为-20℃~300℃。乙型平焊法兰用于

PN0.25MPa~4.0MPa压力等级中较大的直径范围，适用的全部直径范围为DN300

mm~3000mm,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(PN0.6MPa~6.4MPa)适用温度范围为-20C

~45ro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，

7

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

HG20592-HG20635的规定。故本设计选用长颈堆焊法兰，标准号JB"

4703-2000；密封面的形式为凹凸面密封，代号MFM；法兰名称：一般法兰，代

号：法兰。

标记为：法兰MFM3800-2.5>68-155JB/T4703-2000

1.2.5焊接结构设计

压力容器各受压部件的组装大多采用焊接方式，焊缝的接头形式和坡口形式

的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全，因而必须对容器焊接接头的结构进

行合理设计。焊缝系指焊件经焊接所形成的结合部分，而焊接接头是焊缝、熔合

线盒热影响区的总称。焊接接头形式一般有被焊接两金属件的相互结构位置来决

定，统称分为对接接头、角接接头及T字接头、搭接接头。见图2-5。对接接头

时压力容器中最常用的焊接接头形式。

（a）对接接头（b）角接接头（c）搭接接头

图2-5焊接接头的三种形式

为了保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般需将焊件连接处

预先加工成各种形状，称为焊接坡口。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法

和焊件厚度。基本的坡口形式有5种，即I形、V形、单边V形、U形和J形，

如图2-6所示。

I形V形单形

777A勿勿

u形J形

图2-6坡口基本形式

压力容器焊接结构的设计遵循以下基本原则。

8

1)尽量采用对接接头前已述及，对接接头易于保证焊接质量，因而除

容器壳体上所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用

对接接头外，其他位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。

2)尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷所谓未熔透是指基

本金属盒焊缝金属局部未完成熔合而留下空隙的现象。未熔透往往是导致脆性破

坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳。

3)尽量减少焊缝处的应力集中焊接接头常常是脆性断裂和疲劳的起

源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。如对接接头应尽可能采

用等厚度焊接，对于不等厚度钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然

后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度为不大于

10mm,两板厚度差超过3mm；或当薄板厚度心大于iomm,两板厚度差超过薄板

的30%,或超过5mm时，均需按图2-7的要求削薄厚板边缘。

图2-7板厚不等时的对接接头

综上所述，本设计采用全熔透的对接接头形式。

2设计计算

2.1筒体壁厚计算

查《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR的密度为7.85t/m\

熔点为1430C,许用应力口丁列于下表：

表3.116MnR许用应力

9

板厚/在下列温度（℃）下的许用应力/Mpa

钢号

mmW20100150200250300

6〜16170170170170156144

16〜

163163163159147134

36

16MnR36~

157157157150138125

60

>60〜

153153150141128116

100

圆筒的计算压力为1.9Mpa,容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头都

采用双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取焊接接头系数为L00,全部

无损探伤。取许用应力为170Mpao

壁厚：

1.9x1230

PM=6.91mm

2Hz。-几2x170x1-1.9

钢板厚度负偏差C1=0.8,查材料腐蚀手册得50℃下液氨对钢板的腐蚀速率

小于0.05nrn/年，所以双面腐蚀取腐蚀裕量C2=2mm。

所以设计厚度为：

8d^8+C2+C,=9.02mm

圆整后取名义厚度10加1。

2.2封头壁厚计算

标准椭圆形封头a:b=2:l

封头计算公式：

一

2同。-0.5pc

可见封头厚度近似等于筒体厚度，则取同样厚度。标准椭圆形封头的直边高

度h°=20mm.

io

2.3计算鞍座反力

2.3.1计算质量

①.简体质量

mi=7r(Di+3e)3nLooxi。,

=3.14x(1230+10)x10x2000x7850x1O-9

=611kg

②.单个封头的质量m2=128.3.0kg(查JB1153—73)

③.附件质量m3(包括入孔，接管、液面计、平台等)近似取m3=400kg

④.充液质量液氨在0C时的密度为640kg/n?,小于水的密度，故充液质量

按水的质量考虑，

29

3=(^D,.LO+2V/,)/?xlO-

=[£x12302x2025+2x0,2545x10-9]x1OOOx1O-9

=2819kg

⑤.保温层质量本设备不保温，故m5=0

⑥.设备最大质量

m=mi+m2+013+3+015=611+2x128.3+400+2819+0=4087kg

2.3.2计算鞍座反力

F=mg/2=(4087x9.81)/2=20046N

2.4筒体轴向应力校核

2.4.1由弯矩引起的轴向应力

筒体中间处截面的弯矩:

11

；2（d）

M—14.一4%斤--L"

1+

3L

式中F一鞍座反力，N；

R„,一椭圆封头长轴外半径，mm；

L一两封头切线之间的距离，mm；

A一鞍座与筒体一端的距离，mm；

hi一封头短轴内半径，mm。

DN+2S_1230+10x2

n=625mm

2

122

!12X(625-750)

31433x59%590()24x750

=1.6xlO'N•〃加

14,4x7505900

3x5900

支座处截面上的弯矩:

1---------1--------------------

M=-FA1L2AL

21+他

3L

」+6252-7502

所以%=—31.433x700x1-590()2x70()x590()=-5.8xl042V-mm

4x750

1+

3x5900

由《化工机械工程手册》（上卷，P1T99）得Kl=K2=1.0o因为|Ml|>>

IM2|,且A<Rm/2=762mm,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

一

3.14/?“芯

心=4一G_g=10_0-8_2=7.2

-----------16x1,——=—i8xl()2

所以

13.14X6252X7.2

最低点处:

12

b2'=-b/=0.018MPQ

鞍座截面处最高点处:

M5.8xlQ4

2=—5.8x10'

-3.14(即2a3.14xl.0x6252x8.2

最低点处:

4

也5.8xl0=-6.6x10-3”

%=。

3.14x&R『a3.14xl.0x6252x7.2

2.4.2由设计压力引起的轴向应力

pR

由m

23«

1.9x625

所以=S2.5MPa

2x7.2

2.4.3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erZ,=b〃“+482.5+0.018=82.5

许用轴向拉压应力［。］t=163MPa,而。2＜［。］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

cr,=-bI'=0.01SMPa

轴向许用应力：

0.0944_0.094x7.2

A==0.()045MPa

"1500

根据A值查外压容器设计的材料温度线图得B=150MPa,取许用压缩应力

［。］ac=150MPa,|o1|＜［o］ac,合格。

13

2.5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，PU-100）查得K3=0.880,K4=0.401»所以

KF_0.880x31.433

V=0.006IMP。

Rm-3e~625x7.2

封头切向应力计算:

KF0.401x31.433

4=0.0028MPa

625x7.2

1.25[crJ一%=1.25x㈤-*=125xl70-1x1.9x1230=^2MPa

23〃2x7.2

因所以合格。

T-H<1.25[cr],—crh

2.6开孔补强计算

根据GB150-89规定，壳体名义厚度为10mm时，当在设计压力小于或等

于2.5Mpa的壳体上开孔，两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）大于

两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89mm的接管可以不另行补

强，故补强计算需考虑人孔和液氨进口处的开孔接管补强问题，这里只给出人孔

补强计算。

（1）人孔补强及补强方法判别

①.补强判别

由于人孔接管的外径为480mm,大于允许不另行补强的的最大接管外径89

mm,所以需要另行考虑补强，补强材料应该与壳体的材料相同，选用16MnR

钢，由前面的人孔设计可知，人孔的接管选用Q235-B钢，选用其厚度附加量

C'=Ci+C2=2+0.8=2.8mm,在该设计条件下Q235-B钢的许用应力

[o-]；,=113Mpao

②.补强计算方法判别

开孔直径<1=口[+2（2'=（480-2x10）+2x2.8=465.6mm

本筒体开孔直径d=465.6mm<Di/2=600mm,满足等面积法开孔补强计算的使

用条件，故可以用等面积法进行开孔补强计算。

14

(2)开孔补强所需补强面积

(D.削弱系数fr和接管有效厚度

l

fr=[a]n/[^=113/170=0.6647

=

8et5nt—C=10-2.8=7.2mm

②.开孔补强所需补强面积

A=d+265et(1—fr)

=465.6x5.66+2x5.66x7.2x(1-0.6647)

=2689mm2

式中：3为筒体的计算厚度

(3)有效补强范围

①.有效宽度

B=2d=2x465.6=931mm

B=d+26n+2brit=465.6+2x10+2x10=525.6mm

取两者的最大值B=933mm

②.有效高度hi：

外侧有效高度：E=历7=7465.6x10=68.23，加

接管实际外伸高度为h1=200mm,

取两者的最小值，hi=68.23mm。

内侧高度h2：

接管实际内伸高度为零，故取h2=0。

内侧有效高度：1)2=眄7=)465.6x10=68.23〃?加

取两者的最小值，故取112=0。

(4)有效补强面积

①.壳体多余金属面积

Ai=(B-d)(5e-5)-2(8nt-C)[8e-6)(l-fr)

=(931-465.6)x(7.2-5.66)-2x7.2x(7.2-5.66)(1-0.6647)

=817mm2

15

式中：be为筒体的计算厚度

②.接管多余金属面积A2

接管计算厚度St

d1.6x600

5-Pci=2.04Mpa

[2[此①-Pc2x113x1.0-1.6

接管多余金属面积A2

A2=2hi(5et-5t)fr+2h2(5et-C2)fr

=2x68.23x(7.2—2.04)x0.6647十0

=467.8mm2

③.补强区内的焊缝面积

补强圈与筒体，补强圈与接管的焊缝腰高均取8mm。

1

A3=2x—x8x8=64mm?

④.有效补强面积

2

Ae=Ai+A2+A3=817+467.8+64=1348.8Vmm2A=2689mm

所以需要另行补强。

⑤.补强圈补强面积

A4=A-Ae=2689-1348.8=1340.2mm2

(2)补强圈选用

查补强圈标准HG21506—92,选用补强圈450x10—D—16MnRJB“4736,

补强圈外径D=760mm,补强圈内径d=484mm,因为B=931mm2>D=760mm,

在补强圈的有效补强范围之内。所以补强圈的厚度为：

1340.2

=4.85mm

D-d760-484

考虑钢板负偏差，并经圆整和与壳体的焊接质量问题，取补强圈的名义厚度等于

筒体的名义厚度，即S=6n=10mm。

16

附录：卧式液氨储罐三维图;

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