壓力容器與管道安全

河南城建學(xué)院

《壓力容器與管道安全》課程設(shè)計(jì)

姓名吳斌強(qiáng)

班級0234091

學(xué)號023409157

專業(yè)安全工程

課程名稱壓力容器與管道安全

指導(dǎo)教師楊豪、萬祥云、王現(xiàn)麗

環(huán)境與市政工程系

2012年12月

刖百

壓力容器是一種密閉的承壓容器，通常是由板、殼組合而成的焊接結(jié)構(gòu)。其

應(yīng)用廣泛且用量大，但又比較容易發(fā)生事故且事故往往是嚴(yán)重的。壓力容器的設(shè)

計(jì)-一般有筒體、封頭、密封裝置、支座、接口管、人孔及安全附件等組成。與任

何工程設(shè)計(jì)一樣，壓力容器的設(shè)計(jì)目標(biāo)也是對新的或該進(jìn)的工程系統(tǒng)和裝置進(jìn)行

創(chuàng)新和優(yōu)化，以滿足人們的愿望與需要。具體來說，壓力容器的設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)

設(shè)計(jì)任務(wù)的特定要求，遵循設(shè)計(jì)工作的基本規(guī)則或規(guī)范，以及材料控制、結(jié)構(gòu)細(xì)

節(jié)、制造工藝、檢驗(yàn)及質(zhì)量管理等方面的規(guī)則，并盡可能地采用標(biāo)準(zhǔn)。

液氨儲罐是合成氨工業(yè)中必不可少的儲存容器，所以本設(shè)計(jì)過程的內(nèi)容包括

容器的材質(zhì)的選取、容器筒體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，密封的設(shè)計(jì)、罐體壁厚設(shè)計(jì)、

封頭壁厚設(shè)計(jì)、確定支座，人孔及接管、開孔補(bǔ)強(qiáng)的情況以及焊接形式的設(shè)計(jì)與

選取。在設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和安全可靠性。設(shè)備的選擇大都

有相應(yīng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時可以直接選用符合設(shè)計(jì)條件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備零部件，也有

一些設(shè)備沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，則選擇合適的非標(biāo)設(shè)備。各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)都正確參考了行

業(yè)使用標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，這樣讓設(shè)計(jì)有章可循，并考慮到結(jié)構(gòu)方面的要求，合理

地進(jìn)行設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)主要原理來自《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》一書以及其他參考資料。

本設(shè)計(jì)的液料為液氨，它是一種無色液體。氨作為一種重要的化工原料，應(yīng)

用廣泛。分子式NH3，分子量17.03,相對密度0.7714g/L,熔點(diǎn)-77.7C,沸點(diǎn)

-33.35℃,自燃點(diǎn)651.11C,蒸汽壓1013.08kPaQ5.7C）。蒸汽與空氣混合物爆炸

極限16?25%（最易引燃濃度17%）o氨在20℃水中溶解度34%,25℃時，在無水

乙醇中溶解度10%,在甲醇中溶解度16%,溶于氯仿、乙醛，它是許多元素和

化合物的良好溶劑。水溶液呈堿性。液態(tài)氨將侵蝕某些塑料制品，橡膠和涂層。

遇熱、明火，難以點(diǎn)燃而危險(xiǎn)性較低；但氨和空氣混合物達(dá)到上述濃度范圍遇明

火會燃燒和爆炸,如有油類或其它可燃性物質(zhì)存在，則危險(xiǎn)性更高。

2

目錄

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

I設(shè)計(jì)總論....................................................................4

1.1設(shè)計(jì)任務(wù)..............................................................4

1.2材料及結(jié)構(gòu)的選擇與論證...............................................4

1.2.1材料選擇........................................................4

1.2.2封頭的選擇......................................................5

1.2.3容器支座的選擇..................................................5

1.2.4密封裝置設(shè)計(jì)....................................................6

1.2.5焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)....................................................8

2設(shè)計(jì)計(jì)算.....................................................................9

2.1筒體壁厚計(jì)算..........................................................9

2.2封頭壁厚計(jì)算.........................................................10

2.3計(jì)算鞍座反力..........................................................11

2.3.1計(jì)算質(zhì)量........................................................11

2.3.2計(jì)算鞍座反力....................................................11

2.4筒體軸向應(yīng)力校核.....................................................11

2.4.1由彎矩引起的軸向應(yīng)力...........................................11

2.4.2由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力.......................................13

2.4.3軸向應(yīng)力組合與校核.............................................13

2.5筒體和封頭切向應(yīng)力校核...............................................14

2.6開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算..........................................................14

附錄：臥式液氨儲罐三維圖；.................................................17

圖8.1.1臥式液氨儲罐三維圖................................................17

參考文獻(xiàn)........................................................................18

3

摘要

臥式液氨儲罐用于儲存或盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)的儲罐，在化工、

石油、能源、輕工、環(huán)保、制藥及食品等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)運(yùn)用常規(guī)設(shè)

計(jì)的方法，對臥式液氨儲罐的筒體、封頭進(jìn)行厚度設(shè)計(jì)計(jì)算，對水壓試驗(yàn)進(jìn)行校

核，并對所開人孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇密封裝置、人孔、支座、接

口管以及部分安全附件。根據(jù)設(shè)計(jì)時的需要附上一些儲罐零件圖與儲罐裝配簡

圖。完成了一個相對比較完整的臥式液氨儲罐的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：儲罐；壓力容器；設(shè)計(jì)；計(jì)算

1設(shè)計(jì)總論

1.1設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一個容積為3.1n?液氨臥式貯罐。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表如表2-1所列:

表2-1設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

序號項(xiàng)目數(shù)值單位備注

1名稱液氨儲罐

2用途液氨儲藏

3設(shè)計(jì)壓力1.9MPa

4設(shè)計(jì)溫度43℃

5容積3.1M3

6設(shè)備充裝系數(shù)0.9

7工作介質(zhì)名稱及特性液氨

1.2材料及結(jié)構(gòu)的選擇與論證

1.2.1材料選擇

根據(jù)液氨的物性選擇罐體材料，碳鋼對液氨有良好的耐蝕性腐蝕率在0.1?

/年以下，貯罐可選用一般鋼材，根據(jù)液氨貯罐的工作壓力、工作溫度和介質(zhì)的

性質(zhì)可知該設(shè)備為一中壓常溫設(shè)備，介質(zhì)對碳鋼的腐蝕作用很小。故選材料?時，

主要考慮的強(qiáng)度指標(biāo)（指。s和。b）和塑性指標(biāo)適合的材料，內(nèi)罐貯存中溫液氨，

可以考慮20R、16MnR這兩種鋼種。如果純粹從技術(shù)角度看，建議選用20R類

的低碳鋼板，16MnR鋼板的價(jià)格雖比20R貴，但在制造費(fèi)用方面，同等重量設(shè)

備的計(jì)價(jià)，16MnR鋼板為比較經(jīng)濟(jì)。其中16MnR的機(jī)械加工性能、強(qiáng)度和塑性

指標(biāo)都比較好，綜合金屬的強(qiáng)度、剛度、溫度、抗腐蝕能力等方面考慮選用16MnR

制作罐體和封頭。所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。鋼板標(biāo)

4

準(zhǔn)號為GB6654-1996o

筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓筒形。因?yàn)樽鳛槿萜髦黧w的圓柱形筒體，制造容易，安裝

內(nèi)件方便，而且承壓能力較好，這類容器應(yīng)用最廣。

1.2.2封頭的選擇

壓力容器封頭的種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等,

其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。常見容器

凸形封頭形式如圖2-1示。

圖2-1常見容器凸形封頭的形式

從受力與制造方面分析來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式。但缺點(diǎn)是深度

大，沖壓較為困難；橢圓封頭濃度比半球形封頭小得多，易于沖壓成型，是目前

中低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。平板封頭因直徑各厚度都較大，加工與焊接

方面都要遇到不少困難。從鋼材耗用量來看：球形封頭用材最少，比橢圓開封頭

節(jié)約，平板封頭用材最多。因此，從強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和制造方面綜合考慮，采用橢圓

形封頭較為合理。

1.2.3容器支座的選擇

壓力容器靠支座支承并固定在基礎(chǔ)上，圓筒形容器和球形容器的支座不同。

隨安裝位置不同，圓筒形容器支座分立式容器支座和臥式容器支座兩類，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種；臥式容器支座

有鞍座，圈座和支腿三種。而球形容器多采用柱式或裙式支座。鞍座是應(yīng)用最廣

泛的一種臥式支座，鞍座普遍使用雙鞍座支承。從應(yīng)力分析看，承受同樣載荷且

具有同樣截面幾何形狀和尺寸的梁采用多個支承比采用兩個支承優(yōu)越，因?yàn)槎嘀?/p>

承在粱內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力較小。所以，從理論上說臥式容器的支座數(shù)目越多越好。但

在是實(shí)際上臥式容器應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成雙支座，這是因?yàn)楫?dāng)支點(diǎn)多于兩個時，各支

承平面的影響如容器簡體的彎曲度和局部不圓度、支座的水平度、各支座基礎(chǔ)下

沉的不均勻性、容器不同部位抗局部矯形的相對剛性等等，均會影響支座反力的

5

分布。因此采用多支座不僅體現(xiàn)不出理論上的優(yōu)越論反而會造成容器受力不均勻

程度的增加，給容器的運(yùn)行安全帶來不利的影響。所以一般臥式儲罐最好采用雙

鞍座支承。圈座一般用于大直徑薄壁容器和真空操作的容器。腿式支座簡稱支腿，

因這種支座在與容器殼壁連接處會造成嚴(yán)重的局部應(yīng)力，故只適合用于小型設(shè)備

(DNW1600,LW5m)。綜上考慮在此選擇雙個鞍座作為儲罐的支座，一個S型,

一個F型。

另外，由材料力學(xué)可知，對于雙支座上受均布載荷的簡支梁，若梁的全長為

L,則當(dāng)外伸長度為4=0.207L時，雙支座跨距中間截面的最大彎矩和支座截面處

的彎矩絕對值相等，從而使上述兩截面處應(yīng)力較為復(fù)雜，故常取支座處圓筒的彎

矩略小于跨距中間圓筒的彎矩，通常取尺寸0.2L值，為此中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JB4731

《鋼制臥式容器》規(guī)定取AW0.2L,A值最大不得超過0.25L。否則由于容器外

伸端的作用將使支座截面處的應(yīng)力過大。其中A為封頭切線至支座中心線之距

離，L為兩封頭切線間之距離，此外，由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗彎剛度，

故封頭對于支座處圓筒的抗彎剛度具有局部的加強(qiáng)作用。

圖2-2鞍式支座總體圖

1.2.4密封裝置設(shè)計(jì)

壓力容器的可拆密封裝置形式很多，如中低壓容器中的螺紋連接、承插式連

接和螺栓法蘭連接等，其中以結(jié)構(gòu)簡單、裝配比較方便的螺栓法蘭連接用得最普

遍。

螺栓法蘭連接主要有法蘭、螺栓和墊片組成。螺栓的作用有兩個：-是提供

預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)初始密封，并承擔(dān)內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力；二是使螺栓法蘭連接變?yōu)榭刹?/p>

連接。墊片裝在兩個法蘭中間，作用是防止容器發(fā)生泄漏。法蘭上由螺栓孔，以

容納螺栓。螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)的一般目的是：對于已知的墊片特性，確定安全、

經(jīng)濟(jì)的法蘭和螺栓尺寸，使接頭的泄漏率在工藝和環(huán)境允許范圍內(nèi)，使接頭內(nèi)的

應(yīng)力在材料允許范圍內(nèi)，即確保密封性和結(jié)構(gòu)完整性。

螺栓法蘭連接設(shè)計(jì)關(guān)鍵要解決兩個問題：一是保證連接處“緊密不漏”；二

6

是法蘭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，不致因受力而破壞。實(shí)際應(yīng)用中，螺栓法蘭連接很少

因強(qiáng)度不足而破壞，大多因密封性能不良而導(dǎo)致泄漏。因此密封設(shè)計(jì)是螺栓法蘭

連接中的重要環(huán)節(jié)，而密封性能的優(yōu)劣又與壓緊面和墊片有關(guān)。

1.法蘭壓緊面的選擇

壓緊面主要應(yīng)根據(jù)工藝條件、密封口徑以及墊片等進(jìn)行選擇。常用的壓緊面

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

面［圖2-3(d)］及環(huán)連接面(或稱T形槽)［圖2-3(e)］等，其中以突面、凹

凸面、梯槽面最為常用。

圖2-3壓緊面的形式

2.墊片的選擇

墊片是螺栓法蘭連接的核心，密封效果的好壞主要取決于墊片的密封性能。

設(shè)計(jì)時，主要應(yīng)根據(jù)介質(zhì)特性、壓力、溫度和壓緊面的形狀來選擇墊片的結(jié)構(gòu)形

式、材料和尺寸，通常兼顧價(jià)格、制造和更換是否方便等因素。基本要求是制作

墊片的材料不污染工作介質(zhì)、耐腐蝕、具有良好的變形能力和回彈能力，以及在

工作溫度下不易變質(zhì)硬化或軟化等。對于化工、石油、輕工、食品等生產(chǎn)中常用

的介質(zhì)，可以參閱墊片選用表選用墊片，查得結(jié)果如下表。

表2-2墊片選用表

法蘭公稱壓力工作溫度墊片

介質(zhì)密封面

MPa℃形式材料

氨2.5<150凹凸橡膠墊中壓橡膠石棉板

法蘭連接主要優(yōu)點(diǎn)是密封可靠、強(qiáng)度足夠及應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是不能快速拆卸、

制造成本較高。壓力容器法蘭分平焊法蘭與對焊法蘭。平焊法蘭又分為甲型與乙

型兩種。甲型平焊法蘭有PN0.25MPa、0.6MPa、l.OMPa、1.6MPa,在較小范圍

內(nèi)(DN3OOmm_2000mm)適用溫度范圍為-20℃~300℃。乙型平焊法蘭用于

PN0.25MPa~4.0MPa壓力等級中較大的直徑范圍，適用的全部直徑范圍為DN300

mm~3000mm,適用溫度范圍為-20℃~350℃。對焊法蘭具有厚度更大的頸，進(jìn)一

步增大了剛性。用于更高壓力的范圍(PN0.6MPa~6.4MPa)適用溫度范圍為-20C

~45ro法蘭設(shè)計(jì)優(yōu)化原則：法蘭設(shè)計(jì)應(yīng)使各項(xiàng)應(yīng)力分別接近材料許用應(yīng)力值，

7

即結(jié)構(gòu)材料在各個方向的強(qiáng)度都得到較充分的發(fā)揮。

法蘭設(shè)計(jì)時，須注意以下二點(diǎn)：管法蘭鋼制管法蘭、墊片、緊固件設(shè)計(jì)參照

HG20592-HG20635的規(guī)定。故本設(shè)計(jì)選用長頸堆焊法蘭，標(biāo)準(zhǔn)號JB"

4703-2000；密封面的形式為凹凸面密封，代號MFM；法蘭名稱：一般法蘭，代

號：法蘭。

標(biāo)記為：法蘭MFM3800-2.5>68-155JB/T4703-2000

1.2.5焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力容器各受壓部件的組裝大多采用焊接方式，焊縫的接頭形式和坡口形式

的設(shè)計(jì)直接影響到焊接的質(zhì)量與容器的安全，因而必須對容器焊接接頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)

行合理設(shè)計(jì)。焊縫系指焊件經(jīng)焊接所形成的結(jié)合部分，而焊接接頭是焊縫、熔合

線盒熱影響區(qū)的總稱。焊接接頭形式一般有被焊接兩金屬件的相互結(jié)構(gòu)位置來決

定，統(tǒng)稱分為對接接頭、角接接頭及T字接頭、搭接接頭。見圖2-5。對接接頭

時壓力容器中最常用的焊接接頭形式。

（a）對接接頭（b）角接接頭（c）搭接接頭

圖2-5焊接接頭的三種形式

為了保證全熔透和焊接質(zhì)量，減少焊接變形，施焊前，一般需將焊件連接處

預(yù)先加工成各種形狀，稱為焊接坡口。不同的焊接坡口，適用于不同的焊接方法

和焊件厚度?；镜钠驴谛问接?種，即I形、V形、單邊V形、U形和J形，

如圖2-6所示。

I形V形單形

777A勿勿

u形J形

圖2-6坡口基本形式

壓力容器焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)遵循以下基本原則。

8

1)盡量采用對接接頭前已述及，對接接頭易于保證焊接質(zhì)量，因而除

容器殼體上所有的縱向及環(huán)向焊接接頭、凸形封頭上的拼接焊接接頭，必須采用

對接接頭外，其他位置的焊接結(jié)構(gòu)也應(yīng)盡量采用對接接頭。

2)盡量采用全熔透的結(jié)構(gòu)，不允許產(chǎn)生未熔透缺陷所謂未熔透是指基

本金屬盒焊縫金屬局部未完成熔合而留下空隙的現(xiàn)象。未熔透往往是導(dǎo)致脆性破

壞的起裂點(diǎn)，在交變載荷作用下，它也可能誘發(fā)疲勞。

3)盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中焊接接頭常常是脆性斷裂和疲勞的起

源處，因此，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時必須盡量減少應(yīng)力集中。如對接接頭應(yīng)盡可能采

用等厚度焊接，對于不等厚度鋼板的對接，應(yīng)將較厚板按一定斜度削薄過渡，然

后再進(jìn)行焊接，以避免形狀突變，減緩應(yīng)力集中程度。一般當(dāng)薄板厚度為不大于

10mm,兩板厚度差超過3mm；或當(dāng)薄板厚度心大于iomm,兩板厚度差超過薄板

的30%,或超過5mm時，均需按圖2-7的要求削薄厚板邊緣。

圖2-7板厚不等時的對接接頭

綜上所述，本設(shè)計(jì)采用全熔透的對接接頭形式。

2設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1筒體壁厚計(jì)算

查《壓力容器材料使用手冊-碳鋼及合金鋼》得16MnR的密度為7.85t/m\

熔點(diǎn)為1430C,許用應(yīng)力口丁列于下表：

表3.116MnR許用應(yīng)力

9

板厚/在下列溫度（℃）下的許用應(yīng)力/Mpa

鋼號

mmW20100150200250300

6?16170170170170156144

16?

163163163159147134

36

16MnR36~

157157157150138125

60

>60?

153153150141128116

100

圓筒的計(jì)算壓力為1.9Mpa,容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭都

采用雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)為L00,全部

無損探傷。取許用應(yīng)力為170Mpao

壁厚：

1.9x1230

PM=6.91mm

2Hz。-幾2x170x1-1.9

鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.8,查材料腐蝕手冊得50℃下液氨對鋼板的腐蝕速率

小于0.05nrn/年，所以雙面腐蝕取腐蝕裕量C2=2mm。

所以設(shè)計(jì)厚度為：

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

圓整后取名義厚度10加1。

2.2封頭壁厚計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭a:b=2:l

封頭計(jì)算公式：

一

2同。-0.5pc

可見封頭厚度近似等于筒體厚度，則取同樣厚度。標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高

度h°=20mm.

io

2.3計(jì)算鞍座反力

2.3.1計(jì)算質(zhì)量

①.簡體質(zhì)量

mi=7r(Di+3e)3nLooxi。,

=3.14x(1230+10)x10x2000x7850x1O-9

=611kg

②.單個封頭的質(zhì)量m2=128.3.0kg(查JB1153—73)

③.附件質(zhì)量m3(包括入孔，接管、液面計(jì)、平臺等)近似取m3=400kg

④.充液質(zhì)量液氨在0C時的密度為640kg/n?,小于水的密度，故充液質(zhì)量

按水的質(zhì)量考慮，

29

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

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

=2819kg

⑤.保溫層質(zhì)量本設(shè)備不保溫，故m5=0

⑥.設(shè)備最大質(zhì)量

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

2.3.2計(jì)算鞍座反力

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

2.4筒體軸向應(yīng)力校核

2.4.1由彎矩引起的軸向應(yīng)力

筒體中間處截面的彎矩:

11

；2（d）

M—14.一4%斤--L"

1+

3L

式中F一鞍座反力，N；

R?,一橢圓封頭長軸外半徑，mm；

L一兩封頭切線之間的距離，mm；

A一鞍座與筒體一端的距離，mm；

hi一封頭短軸內(nèi)半徑，mm。

DN+2S_1230+10x2

n=625mm

2

122

!12X(625-750)

31433x59%590()24x750

=1.6xlO'N?〃加

14,4x7505900

3x5900

支座處截面上的彎矩:

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

M=-FA1L2AL

21+他

3L

」+6252-7502

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

4x750

1+

3x5900

由《化工機(jī)械工程手冊》（上卷，P1T99）得Kl=K2=1.0o因?yàn)閨Ml|>>

IM2|,且A<Rm/2=762mm,故最大軸向應(yīng)力出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面應(yīng)力。

筒體中間截面上最高點(diǎn)處

一

3.14/?“芯

心=4一G_g=10_0-8_2=7.2

-----------16x1,——=—i8xl()2

所以

13.14X6252X7.2

最低點(diǎn)處:

12

b2'=-b/=0.018MPQ

鞍座截面處最高點(diǎn)處:

M5.8xlQ4

2=—5.8x10'

-3.14(即2a3.14xl.0x6252x8.2

最低點(diǎn)處:

4

也5.8xl0=-6.6x10-3”

%=。

3.14x&R『a3.14xl.0x6252x7.2

2.4.2由設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力

pR

由m

23?

1.9x625

所以=S2.5MPa

2x7.2

2.4.3軸向應(yīng)力組合與校核

最大軸向拉應(yīng)力出現(xiàn)在筒體中間截面最低處

所以erZ,=b〃“+482.5+0.018=82.5

許用軸向拉壓應(yīng)力［。］t=163MPa,而。2＜［。］t合格。

最大軸向壓應(yīng)力出現(xiàn)在充滿水時，在筒體中間截面最高處

cr,=-bI'=0.01SMPa

軸向許用應(yīng)力：

0.0944_0.094x7.2

A==0.()045MPa

"1500

根據(jù)A值查外壓容器設(shè)計(jì)的材料溫度線圖得B=150MPa,取許用壓縮應(yīng)力

［。］ac=150MPa,|o1|＜［o］ac,合格。

13

2.5筒體和封頭切向應(yīng)力校核

筒體切向應(yīng)力計(jì)算：

由《化工機(jī)械工程手冊》（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

封頭切向應(yīng)力計(jì)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開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

根據(jù)GB150-89規(guī)定，殼體名義厚度為10mm時，當(dāng)在設(shè)計(jì)壓力小于或等

于2.5Mpa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心間距（對曲面間距以弧長計(jì)算）大于

兩孔直徑之和的兩倍，且接管公稱外徑小于或等于89mm的接管可以不另行補(bǔ)

強(qiáng)，故補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算需考慮人孔和液氨進(jìn)口處的開孔接管補(bǔ)強(qiáng)問題，這里只給出人孔

補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

（1）人孔補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別

①.補(bǔ)強(qiáng)判別

由于人孔接管的外徑為480mm,大于允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的的最大接管外徑89

mm,所以需要另行考慮補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)該與殼體的材料相同，選用16MnR

鋼，由前面的人孔設(shè)計(jì)可知，人孔的接管選用Q235-B鋼，選用其厚度附加量

C'=Ci+C2=2+0.8=2.8mm,在該設(shè)計(jì)條件下Q235-B鋼的許用應(yīng)力

[o-]；,=113Mpao

②.補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法判別

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

本筒體開孔直徑d=465.6mm<Di/2=600mm,滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的使

用條件，故可以用等面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

14

(2)開孔補(bǔ)強(qiáng)所需補(bǔ)強(qiáng)面積

(D.削弱系數(shù)fr和接管有效厚度

l

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

=

8et5nt—C=10-2.8=7.2mm

②.開孔補(bǔ)強(qiáng)所需補(bǔ)強(qiáng)面積

A=d+265et(1—fr)

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

=2689mm2

式中：3為筒體的計(jì)算厚度

(3)有效補(bǔ)強(qiáng)范圍

①.有效寬度

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

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

取兩者的最大值B=933mm

②.有效高度hi：

外側(cè)有效高度：E=歷7=7465.6x10=68.23，加

接管實(shí)際外伸高度為h1=200mm,

取兩者的最小值，hi=68.23mm。

內(nèi)側(cè)高度h2：

接管實(shí)際內(nèi)伸高度為零，故取h2=0。

內(nèi)側(cè)有效高度：1)2=眄7=)465.6x10=68.23〃?加

取兩者的最小值，故取112=0。

(4)有效補(bǔ)強(qiáng)面積

①.殼體多余金屬面積

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為筒體的計(jì)算厚度

②.接管多余金屬面積A2

接管計(jì)算厚度St

d1.6x600

5-Pci=2.04Mpa

[2[此①-Pc2x113x1.0-1.6

接管多余金屬面積A2

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

=2x68.23x(7.2—2.04)x0.6647十0

=467.8mm2

③.補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積

補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體，補(bǔ)強(qiáng)圈與接管的焊縫腰高均取8mm。

1

A3=2x—x8x8=64mm?

④.有效補(bǔ)強(qiáng)面積

2

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

所以需要另行補(bǔ)強(qiáng)。

⑤.補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)面積

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

(2)補(bǔ)強(qiáng)圈選用

查補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)HG21506—92,選用補(bǔ)強(qiáng)圈450x10—D—16MnRJB“4736,

補(bǔ)強(qiáng)圈外徑D=760mm,補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)徑d=484mm,因?yàn)锽=931mm2>D=760mm,

在補(bǔ)強(qiáng)圈的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍之內(nèi)。所以補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度為：

1340.2

=4.85mm

D-d760-484

考慮鋼板負(fù)偏差，并經(jīng)圓整和與殼體的焊接質(zhì)量問題，取補(bǔ)強(qiáng)圈的名義厚度等于

筒體的名義厚度，即S=6n=10mm。

16

附錄：臥式液氨儲罐三維圖;

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