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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=--=--=

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：

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：

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

269.9MPa σσ==

b 轴向压应力

'11 1.59MPa σσ==- '440.22MPa σσ==-

最大轴向压应力

1 1.59c MPa 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

[]min([],)96.3t t ac B MPa σσ== []min([],)96.3t

t ac B MPa σσ==

轴向许用压应力：

1.59[]96.3c ac MPa MPa 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?===?

（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，

123200.82017.2he h h C C C C mm 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[]138.1t MPa MPa 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：

5520.10.7603460383 2.81723.317.2e kK F MPa b σδ??=-=-=-?

式中：

K = 0.1 考虑容器焊在鞍座上。

2448 1.56723.3b 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 MPa MPa σσ=<= 677.91 1.25[]215.75t MPa MPa

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

17.72[]185123.3

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。

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