容器设备设计计算

第1章 设计参数的选定

1.1设计题目

液化石油气储罐的设计

1.2设计数据

如下表1-1。

表1-1 设计数据

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 项目 名称 用途 最大工作压力 工作温度 公称直径 容积 单位容积充装量 装量系数 工作介质 其他要求 数值 单位 100m3液化石油气储罐 备注 0.79 50 3400 100 0.42 0.9 液化石油气储配站 MPa ℃ mm m t/m3 液化石油气（易燃） 100%无损检测 1.3设计压力

设计压力取最大工作压力的1.1倍，即

P1.1P01.10.80.88MPa （1-1）

1.4设计温度

工作温度为50℃， 设计温度取45+5=50℃。

1

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1.5主要元件材料的选择

1.5.1筒体封头材料的选择

根据GB150-1998表4-1，选用筒体材料为低合金钢16MnR（钢材标准为GB6654）170MPa。16MnR适用范围：用于介质含有少量硫化物，具有一定

t腐蚀性,壁厚较大（≥8mm）的压力容器。

1.5.2鞍座材料的选择

根据JB/T4731,鞍座选用材料为Q235-B，其许用应力sa147MPa

1.5.3地脚螺栓的材料选择

地脚螺栓选用符合GB/T 700规定的Q235，Q235的许用应力bt147MPa

2

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第2章 设备的结构设计

2.1圆筒厚度的设计

计算压力Pc： 液柱静压力:

p1gh5609.813.21.76104Pa （2-1）

p1p1.761040.8691062%5% , 故液柱静压力可以忽略，即PcP0.869

该容器需100%探伤，所以取其焊接系数为1.0。

圆筒的厚度在6～16mm范围内，查GB150-1998中表4-1可得：在设计温度70℃下，屈服极限强度s345MPa， 许用应力[]t170MPa 利用中径公式， 计算厚度：

PDi0.869MPa34008.7mm

2[]tPC21.01700.869 （2-2）

查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-1知，钢板厚度负偏差为0.25mm，而有GB150-1998中3.5.5.1知，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取C10。

查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-5知,在无特殊腐蚀情况下，腐蚀裕量C2不小于1mm。本例取C21 则筒体的设计厚度

nC1C28.701.09.7mm （2-3）圆整后，取名义厚度n10mm 筒体的有效厚度

nC1C21019mm （2-4）

3

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2.2封头厚度的设计

查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表1，得公称直径

DNDi3400mm选用标准椭圆形封头,型号代号为EHA，则 GB150-1998中椭圆形封头计算中式7-1计算：

Di2，根据2hiPcDi0.869MPa34008.7mm2[]t0.5Pc21.001700.50.869 （2-5）

同上，取C21mm，C10。

封头的设计厚度d8.7mm01mm9.7mm

圆整后，取封头的名义厚度 n10mm，有效厚度

nC1C21019mm （2-6）

封头型记做 EHA 32002216MnR JBT4746

2.3筒体和封头的结构设计

2.3.1 封头的结构尺寸

封头结构如图2-1

Di2，得 由

2(Hh) 图2-1 封头结构

D3400hHi040mm

44 （2-7）查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1 EHA椭圆形封头内表面积、容积，如下表2-1：

表2-1 EHA椭圆形封头内表面积、容积

公称直径DN/mm 3400 总深度H /mm 0 内表面积A/m2 12.9581 容积V封/m3 5.5080

2.3.2 筒体的长度计算

4而充装系数为0.9 VDi2L2V封 （2-8）

4

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则：

V2 DiL2V封0.94 （2-9）1003.42L25.5080 即

0.94计算得L11.025，取L11m

2.4鞍座选型和结构设计

2.4.1 鞍座选型

该卧式容器采用双鞍式支座，材料选用Q235-B。 估算鞍座的负荷： 储罐总质量

mm12m2m3m4 （2-10）

.726kg m1——筒体质量：m1DL3.143.2101037.851039218m2——单个封头的质量：查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.2 EHA椭圆形封头质量，可知，m21592.3kg ，m3——充液质量：液化石油气水，故

m3水V1000V1000(3.421025.5085)110.8366103kg4

（2-11）

人孔质量为302kg，其他接管质量总和估为400kg，即m4702kg m4——附件质量：

综上所述，mm12m2m3m4123.94103kg G=mg=1215.87kN,每个鞍座承受的重量为607.94kN

由此查JB4712.1-2007容器支座，选取轻型，焊制为BI,包角为120，有垫板的鞍座。查JB4712.1-2007表6得鞍座结构尺寸如下表2-2：

表2-2 鞍式支座结构尺寸

公称直径 允许载荷 鞍座高度 底板 DN Q/kN h 3400 835 250 2480 380 16 腹板 筋板 2 12 390 335 430 10 3950 b b 3 垫板 b 4 730 12 140 2200 28/60 559 e 螺栓间距 螺孔/孔长 鞍 座 D/l Kg b  垫板 弧长

5

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2.4.2 鞍座位置的确定

因为当外伸长度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，面且支座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A不超过0.2L值，为此中国现行标准JB 4731《钢制卧式容器》规定A≤0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过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。 由标准椭圆封头

DiD2,有hHi40mm2(Hh)4

故

A0.2(L2h)0.2(11000240)2216mm （2-12） 鞍座的安装位置如图2-2所示：

图2-2 鞍座的安装位置

此外，由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗变钢度，故封头对于圆筒的抗弯钢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。因此，JB 4731还规定当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5R m

(RmRin),即 2n21705mm Rm1700

（2-13）

A0.5Rm0.51705852.5mm，取A=85m

综上有：A=850mm(A为封头切线至封头焊缝间距离，L为筒体和两封头的总长)

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2.5接管、法兰、垫片和螺栓的选择

2.5.1接管和法兰

液化石油气储罐应设置排污口，气相平衡口，气相口，出液口，进液口，人孔，液位计口，温度计口，压力表口，安全阀口，排空口。接管和法兰布置如图2-3所示，尺寸如表2-3所示，法兰简图如图2-4所示：

查HG/T 20592-2009《钢制管法兰》中表8.2 3-1 PN10带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直径，查得各法兰的尺寸。

查HG/T 20592-2009《钢制管法兰》中附录D中表D-3,得各法兰的质量。 查HG/T 20592-2009《钢制管法兰》中表3.2.2，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。

图2-3 接管和法兰设置 图2-4 法兰简图

表2-3 接管和法兰尺寸

序名称 公称钢管外法兰螺栓螺栓螺栓螺栓法号 直径径法兰外径孔中孔直孔数Th 兰DN 焊端外D 心圆径L 量n厚径 a 排污口 b 气相平衡口 c 气相口 d 出液口

7

法兰颈 N S 法法R 兰兰高质度H 量 直径K 18 18 （个） 8 8 度C 80 80 B 200 160 B 200 160 M16 20 105 3.2 10 6 50 4 M16 20 105 3.2 10 6 50 4 80 80 B 200 160 B 200 160 18 18 8 8 M16 20 105 3.2 10 6 50 4 M16 20 105 3.2 10 6 50 4 东北石油大学实习总结报告（分报告1）

续表2-3：接管和法兰尺寸 e 进液口 80 B 200 160 18 8 M16 20 105 3.2 10 6 50 4 f 70 620 26 20 M24 28 562 7.1 16 12 90 39.5 人孔 500 530B 638B 140 100 25B 105 25B 105 75 75 18 14 14 18 18 4 4 4 8 4 M12 18 40 2.3 6 4 40 2 M12 18 40 2.3 6 4 40 1 M12 18 40 2.3 6 4 40 1 M16 20 131 3.6 12 8 52 4.5 M16 18 74 2.9 8 5 45 2.5 g1-液位32 2 计口 h 温度计口 m 压力表口 n s 20 20 安全100 108B 220 180 阀口 排空口 50 57B 165 125 2.5.2 垫片

查HG/T 20609-2009《钢制管法兰用金属包覆垫片》，得表2-4如下：

表2-4 垫片尺寸表

符号 a b c d e f g1-2 h m n s 管口名称 排污口 气相平衡口 气相口 出液口 进液口 人孔 液位计口 温度计口 压力表口 安全阀口 排空口 公称直径 80 80 80 80 80 32 20 20 80 50 内径D1 109.5 109.5 109.5 109.5 109.5 61.5 45.5 45.5 109.5 77.5 外径D2 142 142 142 142 142 82 61 61 142 107 注：1：包覆金属材料为纯铝板，标准为GB/T 3880，代号为L3。 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。 3：垫片厚度均为3mm。

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2.5.3 螺栓（螺柱）的选择

查HG/T 20613-2009 《钢制管法兰用紧固件》中表5.0.7-9和附录中表A.0.1,得螺柱的长度和平垫圈尺寸如表2-5：

表2-5 螺栓及垫片

a b c d e f g1-2 h m n s 公称直径 80 80 80 80 80 500 32 20 20 80 50 螺纹 M16 M16 M16 M16 M16 M24 M16 M12 M12 M16 M16 螺柱长 90 90 90 90 90 125 85 75 75 90 85 紧固件用平垫圈 mm h d d2 17 17 17 17 17 25 17 13 13 17 17 30 30 30 30 30 44 30 24 24 30 30 3 3 3 3 3 4 3 2.5 2.5 3 3 2.6 人孔的选择

根据HG/T 21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》，查表3-1，选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见下表2-6：

表2-6 人孔尺寸表 单位：mm 密封面型式 公称压力PN MPa 公称直径DN dws d 500 53012 凹凸面MFM 10 D 730 660 b b 43 48 d0 螺柱数量 30 20 D1 H1 H2 b 280 123 44 A B L 405 200 300 螺母数量 螺柱尺寸 总质量kg 40 M332170302 506 9

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第3章 开孔补强设计

根据GB150中8.3，当设计压力小于或等于2.5MPa时，在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于mm时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=500mm的 人孔需要补强。

3.1 补强设计方法判别

按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。 开孔直径：

ddi2C250022504mm （3-1）

dDi34001700mm （3-2） 22 故可以采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用10号钢，其许用应力

[]t108MPa根据GB150-1998中式8-1，

Ad2et(1fr)

（3-3）

其中：壳体开孔处的计算厚度8.7mm 接管的有效厚度：

etntC1C212111mm （3-4）强度削弱系数：

[]tn108fr0.635

[]r170 （3-5）

所以开孔所需补强面积为：

Ad2et(1fr)5041029100.3655085.7mm2

3.2有效补强范围

3.2.1有效宽度B的确定

按GB150中式8-7，得：

B12d25041008mm （3-6） B2d2n2nt504210212548mm （3-7）

Bmax(B1,B2)1008mm

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3.2.2有效高度的确定

(1）外侧有效高度h的确定

根据GB150中式8-8，得：

h1'dnt5041277.8mm

（3-8）

h''1接管实际外伸高度H280mm h'1min(h1,h''1)77.8mm (2）内侧有效高度h的确定

根据GB150-1998中式8-9，得：

h'2dnt5041277.8mm h''20

hh'''2min(2,h2)0

3.3 有效补强面积

根据GB150中式8-10～式8-13，分别计算如下：

AeA1A2A3

3.3.1 筒体多余面积A

A1(Bd)(e)2et(e)(1fr)(1008504)(108.7)210(108.7)(10.635)5.71mm2

3.3.2接管的多余面积

接管厚度：

DitPc2[]t0.5P0.8695001.28mmc217010.50.869 A22h1(ett)fr2h2(etC2)fr277.8(101.28)0.6350861.6mm 3.3.3焊缝金属截面积

焊角取6.0mm A13262236mm2

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（3-9）

3-10）

3-11）

3-12）

（ （ （东北石油大学实习总结报告（分报告1）

3.4补强面积

AeA1A2A35.71861.6361543.31mm2 （3-13）因为AeA5085.7mm2，所以开孔需另行补强 所需另行补强面积：

A4AAe5085.71543.313542.39mm2 （3-14）

补强圈设计：

根据DN500取补强圈外径D’=840mm 补强圈内径d’=530+2=532mm

补强圈厚度：

'A43542.39D'd'84053211.5mm 圆整取名义厚度为12mm

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因为B>D’，所以在有效补强范围。 （3-15）

。 东北石油大学实习总结报告（分报告1）

第4章 水压试验应力校核

试验压力：

PMPa （4-1）T1.25P1.250.8691.086圆筒的薄膜应力：

PT(Die)T21.086(34009)205.96MPa e290.9t0.91.00345310.5MPa

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4-2）

4-3） （（东北石油大学实习总结报告（分报告1）

第5章 液化石油气储罐的焊接

筒体的焊接和封头与筒体的焊接采用X型坡口，因为同厚度下减少焊接量约1/2,焊接变形及产生内应力也小。 壳体与钢管的连接为角接接头。

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总结

本次课程设计是结合所学课程的一次综合性设计,最后设计方案的确定接近实际操作,设计过程中我们逐步了解压力容器的设计步骤和只是需求,在逐步摸索中,我们学会如何查阅各种标准以及进行有理有据的选择,但涉及知识体系过于繁杂巨大,虽然大部分数据的由来是由表差得,由于经验不足,在估算方面,难免会有较大的出入,而且在实际选择过程中有许多不到之处,在以后的学习中也要进一步向老师和同学请教!在此向耐心指导我们此次设计的老师表示衷心的感谢.

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参考文献

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[3]国家经济贸易委员会. JBT4736-2002补强圈[S].2002

[4]全国化工设备设计技术中心站.化工设备图样技术要求[S].2000.11 [5]郑津洋、董其伍、桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社.2001 [6]黄振仁、魏新利.过程装备成套技术设计指南[M].北京：化学工业出版社.2002 [7]国家医药管理局上海医药设计院.化工工艺设计手册[S].北京：化学工业出版社.1996

[8]蔡纪宁.化工设备机械基础课程设计指导书[M].北京：化学工业出版社.2003 [9]贺匡国.化工容器及设备简明设计手册[S].北京：化学工业出版社.2002.8

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指导教师评语及成绩评定： 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 17