容器设计

《化工容器设计》课程设计说明书

题目：

学号：

专业：

姓名：

I

目录

1设计...............................................................................................................................1

1.1工艺参数的设定..............................................................................................................1

1.1.1设计压力······················································································1

1.1.2筒体的选材及结构··········································································1

1.1.3封头的结构及选材··········································································2

1.2设计计算.........................................................................................................................2

1.2.1筒体壁厚计算················································································2

1.2.2封头壁厚计算···············································································3

1.3压力实验..........................................................................................................................4

1.3.1水压试验······················································································4

1.3.2水压试验的应力校核：····································································4

1.4附件选择.........................................................................................................................4

1.4.1人孔选择及人孔补强·····································································4

2.4.3进出料接管的选择········································································6

1.4.4液面计的设计··············································································8

1.4.5安全阀的选择··············································································8

1.4.6排污管的选择··············································································8

1.4.7鞍座的选择·················································································8

1.4.8鞍座选取标准··············································································9

1.4.9鞍座强度校核·············································································10

1.4.10容器部分的焊接··········································································11

1.5筒体和封头的校核计算.............................................................................................11

1.5.1筒体轴向应力校核·······································································11

1.5.2筒体和封头切向应力校核······························································13

2液氨储罐的泄漏及处理方法.............................................................错误!未定义书签。

2.1液氨泄漏的危害..............................................................................错误!未定义书签。

2.2泄漏的危害......................................................................................错误!未定义书签。

2.2.1生产运行过程中危险性分析······································错误!未定义书签。

2.2.2设备、设施危险性分析············································错误!未定义书签。

2.3液氨储罐泄漏事故的应急处置措施..............................................错误!未定义书签。

1

2设计

2.1工艺参数的设定

2.1.1设计压力

由于储罐是置于室外的，因此它的温度和压力受外界影响，很趋近于大气的

温度，通过给定的数据，要设计的储罐温度在夏季是50℃，温度随季节的变化，

储罐的操作压力也会发生变化。

通过查阅资料，夏季气温最高不会超过50℃，因此液氨储罐的操作温度通常

最高可取夏季气温50℃，查表可得，在50℃时液氨的饱和蒸汽压是2.03Mpa。

《压力容器安全监察规程》规定液化气体储罐必须安装安全阀，设计压力可取

最大操作压力的1.05-1.10倍。通过公式P1.1P1.12.032.3MPa

设

，因此我们

的设计压力

P2.3MPa

。

表2-1设计参数

设计要求参数

设计压力2.3Mpa

设计温度50℃

储存物料液氨

储罐体积50m3

2.1.2筒体的选材及结构

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在0.1/mm年

以下，且又属于中压储罐，可以考虑20R和16MnR这两种钢材。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。所以在此选择

16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。钢板标准号为GB6654-1996。

常温储罐有两种形式：球形贮罐和圆筒形贮罐。球形储罐具有投资少,金属耗

量少,占地面积少等优点,但是加工制造及安装复杂,焊接工作量大,因此安装费用

较高。一般用于储存总量大于5003m或单罐容积大于2003m时；圆筒形贮罐具有

加工制造安装简单,承压能力较好，安装费用少等优点,但是金属耗量大占地面积

大,所以在总贮量小于5003m,单罐容积小于1003m时选用卧式贮罐比较经济。由

于圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。根据工艺要求，液氨储量为

2

503m

，因此，液氨储罐可设计为卧式圆筒形[1]。

2.1.3封头的结构及选材

封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度

是同样直径圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺

点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较

大。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度

相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。它吸取了蝶形封头深度浅的优点，

用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形封头，结构由半个椭

球面和一圆柱直边段组成。查椭圆形封头标准（JB/T4737-95）以内直径为公称直

径的封头封头取与筒体相同材料[4]。

表2-2椭圆封头标准

内径曲面高度h1直边高度h2内面积Fi/m2容积V/m3

2600650407.632.51

图2-1封头

2.2设计计算

2.2.1筒体壁厚计算

确定容器的公称直径、筒体长度

已知：设计的液化石油气储罐的理论体积为3=50mV

理论

2

i

V/4DL2V

封

实际

装量系数0.9V/V

理论

实际

设：容器的公称直径为

i

D

筒体的长度为L

3

当

2

i

50=

4DL



则推出

9

2

i

5010

=

0.785

L

D



估

根据GB/9019-2001查表可知：容器的公称直径DN=2600长度L=8500mm

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/m3，

熔点为1430℃，许用应力列于下表：

表2-316MnR许用应力

钢号板厚/㎜在下列温度（℃）下的许用应力/Mpa

16MnR

20300

6～1676144

16～36637134

36～6138125

>60～11128116

圆筒的计算压力为2.3Mpa,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1.0,全部无损探

伤。取许用应力为170Mpa，则：

筒体计算厚度为：



2.32600

t17.656

217012.3

2

ci

t

c

pD

mm

p









钢板厚度负偏差

1

0.8Cmm,查材料腐蚀手册得50℃下液氨对钢板的腐蚀速

率小于0.1mm/y，所以双面腐蚀取腐蚀裕量。

2

2Cmm

所以设计厚度为：

2

t19.656

d

tCmm

圆整后取名义厚度为：t24

nd

tCmm圆整值

图2-2筒体的相关尺寸

2.2.2封头壁厚计算

根据标准椭圆形封头得a:b=2:1

4

封头计算公式



2.32600

t=17.648

217010.52.3

20.5

ci

t

c

pD

mm

p









故封头厚度近似等于筒体厚度，取同样厚度，则名义厚度tn1=24mm。因为封

头壁厚≥20mm则标准椭圆形封头的直边高度h0=40mm。

2.3压力试验

2.3.1水压试验

试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过

程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定

试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验

压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进

行检查。如有渗漏，修补后重新试验。

水压试验时的压力



T

p1.251.252.32.875

t

pMpa







2.3.2水压试验的应力校核：

水压试验时的应力







2.8752600241

163.938

22241

Tie

T

e

pDt

Mpa

t















查《化工容器设计》得16MnR钢板的常温强度指标MPa

s

325，水压试验时

的许用应力为0.90.91.00325292.5

s

Mpa

故σT＜0.9ФσS筒体满足水压试验时的强度要求。

2.4附件选择

2.4.1人孔选择及人孔补强

人孔的作用：为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等

缺陷。

人孔的结构：既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压

元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。

人孔的筒节不采用无缝钢管,故不能直接选用补强圈标准。因此设计所选用的

人孔筒节内径为d450mm,壁厚10mm

m

。故补强圈尺寸如下：

5

图2-3人孔结构示意图

查表得人孔的筒体尺寸为



480×10，由标准查得补强强圈内公式D1=484mm,

外径D2=760mm，

开孔补强的有关计算参数如下：

1.不计焊缝系数的筒体计算壁厚：



2.32600

=17.71

21702.3

2

ci

t

c

PD

mm

p















（2.4）

2.开孔所需补强的面积A：

开孔直径：

24502(0.81)453.6ddiCmm

（2.5）

补强的面积：2

)

2()(1453.617.658006.04

nr

Adcfmm

3.有效宽度B：

22453.6907.2Bdmm

22453.6220210513.6Bdnmmm

取最大值B=907.2mm

4.有效高度h：

外侧高度

1

453.61067.35

m

hdmm

或mm250

1

接管实际外伸高度h

两者取较小值

1

67.35hmm

内侧高度

2

453.61067.35

m

hdmm

或h

2

=接管实际内伸高度=0mm

两者取较小值

2

0hmm

5.筒体多余面积A

1

：

筒体有效厚度：201.818.2

en

Cmm

选择与筒体相同的材料（16MnR）进行补偿，故

r

f=1，所以

1

()()2()(1)

me

ABdef



（2.6）

(907.2453.6)(1918.65)210(14.211.515)(11)

2158.76mm

6

6.接管多余金属的截面积A

2

：

接管计算厚度

2.3453.6

3.09

2[]217012.3

c

t

t

c

Pd

mm

P













（2.7）

2122

2()2()

ettet

AhfhCf





1

2()0

mt

hCf





267.35(101.83.09)

2688.317mm

7.补强区内焊缝截面积A3：

2

3

1

21010100

2

Amm

8.有效补强面积Ae：

2

123

158.76688.317100947.077

e

AAAAmm

因为AA

e

，所以需要补强

9.所需补强截面积A4:

2

4

8006.04947.0777058.963

e

AAAmm

10.补强圈厚度'：（补强圈内径484

i

D，外径760

o

D）

4

7058.963

'25.58

760484

oi

A

mm

DD





考虑圆整问题

'

=26mm

尺寸表如下

表2-4:人孔标准尺寸表

密封面

型式

PN/

Mpa

DNdw×sdDD1H1H2

总质

量kg

突面

2.

5

450480×12454256

2.4.3进出料接管的选择

材料：容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢

管，采用无缝钢管标准GB8163-87。材料为16MnR。

结构：接管伸进设备内切成450C，可避免物料沿设备内壁流动，减少物料对

壁的磨损与腐蚀。

接管的壁厚要求：接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊

接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。一般

7

情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以

保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。

图2-4罐上的各接管位置

不需另行补强的条件：当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。

（1）设计压力小于或等于2.5Mpa；

（2）两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍；

（3）接管公称外径小于或等于89mm；

（4）接管最小壁厚满足以下要求。

表2-5:接管最小壁厚要求

接管公称直径

/mm

5776

6589

最小壁厚/mm

5.06.0

因此热轧无缝钢管的尺寸为φ89×12mm。钢管理论重量为22.79㎏/m。取接

管伸出长度为150mm。

管法兰的选择：根据平焊法兰适用的压力范围较低（PN<4.0Mpa）,选择突面

板式平焊管法兰，标记为：HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5,其中D=190,管法兰材

料钢号（标准号）:20（GB711）。根据（欧洲体系）钢制管法兰、垫片、垫片、紧

固件选配表（HG20614-1997）选择：垫片型式为石棉橡胶板垫片(尚无标准号)，

密封面型式为突面，密封面表面为密纹水线，紧固件型式为六角螺栓双头螺柱全

螺纹螺柱。

在离筒体底以上250mm处安装容器出料管，容器内的管以弯管靠近容器底，

这种方式用于卧式容器。出料口的基本尺寸以及法兰与进料口相同。因此进出料

接管满足不另行补强的要求所以不再另行补强。

8

2.4.4液面计的设计

液面计的种类很多，常用的有玻璃板液面计和玻璃管液面计。它们都是外购

的标准件，只需要选用。玻璃板液面计有三种：透光式玻璃板液面计、反射式玻

璃板液面计、视镜式玻璃板液面计。

根据选用表选用：选用反射式玻璃板液面计，标准号HG21590-95，法兰形式

及其代号C型（长颈对焊突面管法兰HG20617-97）,液面计型号R型公称压力

PN4.0,使用温度0～250℃，液面计的主题材料代号：锻钢（16Mn）。

液面计标记为：液面计CR4.0-Ⅰ-1450V

根据筒体公称直径2600mm选择两个同样的液面计，单个质量为90kg左右。

两个液面计接口管的安装位置如装配图所画。

液面计接管：无缝钢管GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12mm。

2.4.5安全阀的选择

安装位置：在离右封头切线处1150mm处安装一安全阀。

由操作压力决定安全阀的公称压力，由操作温度决定安全阀的使用温度范围，

所以由本设计的温度、压力、介质等基本参数可以查得标准型号A21H-40,公称通

径DN取20mm，质量约为80kg。与安全阀和接管连接的法兰选择突面板式平焊

管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，与壳体连接的接管为无缝钢管

GB8163-87热轧钢管，尺寸为φ89×12mm。

2.4.6排污管的选择

排污阀是利用装在阀杆下面的阀盘与阀体的突缘部分相配合，控制阀的启闭。

结构较闸阀简单，制造、维修方便。可以调节流量，应用广泛。

安装位置：在离右鞍座的左侧1000mm处安装一个排污管。

选择无缝钢管GB8163-87热轧钢为材料的排污管焊接在容器底部，尺寸为

φ89×12mm。

管端法兰：突面板式平焊管法兰HG20592-1997法兰RF(A)80-2.5，法兰一端

连接排污阀（截止阀），型号J41H-40，取公称通径为80mm，对应质量为44.4kg。

2.4.7鞍座的选择

卧式容器的支座有三种形式：鞍座、圈座和支腿，常见的卧式容器和大型卧

式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。置于

支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力

9

与支点的数目和位置有关。当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，

因此支座数目似乎应该多些好。但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如

果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及

容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导

致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。

采用双支座时选取的原则如下：

①双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学

知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，

所以一般近似取,其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距

离。

②当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。为了充分利

用这一加强效应，在满足A0.2L下应尽量使

0

A0.5R。

图2-5筒体鞍座位置

此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端

的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附

加应力。通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，

使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。所以本设计就采用这种支座结构。

根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及

尺寸。鞍座的材料（除加强垫板除外）为Q235-A•F，加强垫板的材料应与设备壳

体材料相同为16MnR[7]。

2.4.8鞍座选取标准

（1）容器载荷计算

筒体的质量

1

m：查得圆筒体理论质量为1290kg/m,筒体长度加上封头的直边

长度为8540mm,则W1=1290×8.54=11016.6kg。

封头的质量

2

m：根据封头的名义厚度查得2:1标准椭圆形封头理论质量为

1230kg。

10

水压试验时水的质量

3

m：由常用压力容器手册查得公称直径2600mm、厚

24mm的标准椭圆封头的容积为2.513m

,则容器容积为

23V=V+V=22.51+2.68.54=50.338

4

m





封头筒体

水重

3

m=50.338×1000=50338kg

附件的质量

4

m：人孔重256kg，人孔补强重21.2kg，进出料管约100kg，两

个液面计共180kg，安全阀80kg，排污阀44.4kg，螺栓和法兰140Kg，再加上与

阀门相接的接管重量，附件总质量约为821.600kg。

所以设备总质量为：

1234

=m11016.61.60063406.2mmmmkg

总

筒体的重量为：63406.2g=10=634.062kNFm

总

（2）鞍座的选择

查得公称直径为2600mm的容器选择重型(BⅠ)，120°包角、焊制、六筋、带

垫板，高度为250mm的鞍座，允许载荷Q1951kN>634.062kN,为使封头对鞍座处

的圆筒起加强作用，可取，则选A=650mm。左鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座

B2600-F.(固定)，右鞍座标记为JB/T4712-1992鞍座B3000-S.

具体尺寸如下表：

表2-6：鞍座标准尺寸表

公称直径

DN

允许载荷

Q/kN

鞍座高度

h

螺栓间距

mm

鞍座质量

/kg

增加100mm高度

所增加的质量/kg

26045447

2.4.9鞍座强度校核

鞍座腹板的水平分力：

9S

FKF

查得鞍座包角120°对应系数

9

K0.204

支座反力：317.031g/2=63406.210/2=kNFm

总

鞍座腹板有效界面内的水平方向平拉应力：S

9

S0

F

H

rre

bb









S

H计算高度，取鞍座实际高度和

3m

R

两者中的较小值，250mm

0

b鞍座腹板厚度，18mm

r

b鞍座腹板有效宽度，取垫板宽度=500mm与圆筒体的有效宽度

2

1.56

me

bbR两者中的较小值，500mm

11

re

鞍座垫板有效厚度，12mm

则鞍座腹板水平拉应力为：s

9

0

0.204317031

=6.159

2501850012

srre

F

Mpa

Hbb











应力校核：鞍座材料Q235-A•F的许用应力125

sa

Mpa，则



2

83.333M

3sa

pa

，

9

2

3sa



。

2.4.10容器部分的焊接

焊接应满足以下要求:焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置

原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计

的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊

缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过

渡层焊缝金属的稀释率）。

压力容器受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类，查得封头与圆筒连接

的环向接头采用A类焊缝。

封头与圆筒等厚采用对接焊接。平行长度任取。坡口形式为I型坡口。

接管与壳体的焊接接头中，由于容器所设的接管都是不带补强圈的插入式接

管，接管插入壳体，接管与壳体间的焊接有全焊透和部分焊头两种，它们的焊接

接头均属T形或角接接头[8]。

2.5筒体和封头的校核计算

2.5.1筒体轴向应力校核

筒体受力如图所示：

图2.6筒体受的薄膜内力

（1）由弯矩引起的轴向应力：

12

筒体中间处截面的弯矩：

22

2

1

2

1

4

4

4

1

3

mi

i

Rh

FLA

L

M

h

L

L





















式中F—鞍座反力，634062N；

R

m

—椭圆封头长轴外半径，1324mm；

L—两封头切线之间的距离，8580mm；

A—鞍座与筒体一端的距离，650mm；

hi—封头短轴内半径，650mm。

2

2600242

1324

22

in

m

Dt

Rmm







22

2

1

8

21324650

1

634

8.67710

4650

48580

1

38580

8580

MNmm





























支座处截面上的弯矩：

22

2

1

2

1

4

1

3

mi

i

Rh

A

LAL

MFA

h

L





















所以

22

7

2

6501324650

1

858026508580

63406265012.17110

4650

1

38580

MNmm



























由《化工机械工程手册》（上卷，P11~99）得K1=K2=1.0。因为︱M1︱＞＞

︱M2︱，且A＜Rm/2=650mm，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

'

1

1

23.14

me

M

Rt



12

240.8221.2

en

ttCCmm

所以

8

'3

1

2

8.67710

7.43610

3.14132421.2

Mpa







最低点处：

''3

21

7.43610Mpa

鞍座截面处最高点：

7

4

2

3

22

1

2.17110

1.86010

3.143.141132421.2

me

M

Mpa

KRt









13

最低点处：

4

43

4.410Mpa

（2）由设计压力引起的轴向应力：

2.31324

71.821

2221.2

m

p

e

pR

Mpa

t









（3）轴向应力组合与校核：

图2-7储罐剪力图与弯矩图

最大轴向拉应力出现在筒体中间截面最低处所以：

'

22

71.820.00743671.827436

P

Mpa

许用轴向拉压应力170tMpa，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'

11

=-0.007436Mpa

轴向许用应力：

0.094

0.09421.2

0.00151

1324

e

i

A

t

Mpa

R







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

150

ac

Mpa，

1

ac

，合格。

2.5.2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，P11-100）查得K3=0.880，K4=0.401。所以

3

m

=

0.88634.062

0.01988

132421.2

e

KF

Mpa

Rt











封头切向应力计算：4

m

=

0.401634.062

0.091

132421.2

e

KF

Mpa

Rt











1.25

12.32600

1.251.2517071.462

2221.2

tt

i

h

e

KPD

MPa

t











因1.25

hh

t

所以合格。

14

JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》

JB4712-2007《鞍式支座》

HG/T20592-2009《钢制管法兰》

HG/T20613-2009《螺栓标准》

HG/T21517-2005《人孔》

HG/T20609-2009《钢制管法兰用金属包覆垫片》

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[8]JB/T4709-2000.钢制压力容器焊接规程[S].昆明:云南科技出版社,2000.

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[10]王志文,蔡仁良.化工容器设计[M].北京:化学工业出版社,2005.5．

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15

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