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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]tφ = 0.4×172.6×0.85 = 58.684 Mpa
Pc = 1.298 Mpa< 0.4[σ]tψ = 58.684Mpa,
按照GB150-1998中式（5-1）计算圆筒厚度：
计算厚度

最小厚度σmin = 2Di/1000 = 7.2 mm
由于最小厚度小于计算厚度，故设计厚度为
σd =σ+C2 =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C1 = 0.8，故名义厚度为：
σn =σd +C1 = 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]tφ = 0.4×125.8×0.85 = 42.772 Mpa
Pc = 1.298Mpa < 0.4[σ]tψ = 42.772Mpa,
按照GB150-1998中式（5-1）计算圆筒厚度：
计算厚度

最小厚度σmin = 2Di/1000 = 7.2 mm
由于最小厚度小于计算厚度，故设计厚度为
σd = σ+C2 = 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C1 = 0.8，故名义厚度为：
σn =σd + C1 = 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

名义厚度σn =σ+C1+C2=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m1
b 单个封头质量m2
m2 = 2232 Kg
c 附件质量m3
附件质量估算为m3 = 5000 Kg
d 充液质量m4
由于物料密度为908.8kg/m3，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。
e 保温层质量m5
保温棉质量m’= 3108.5Kg
保温铁皮质量m”= 416Kg
m5 = m’+m”= 3108.5 + 416 = 3524.5Kg
f 设备最大重m
m = m1 + 2m2 + m3 + m4 + m5 = 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：
（2）鞍座处截面上的弯矩
按JB/T4731-2005中式（7-3）计算：
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：

式中：
最低点处：

b 在鞍座处圆筒截面上
最高点处：

式中：K1 = 1.0，由JB/T4731-2005表（7-1）查得。
最低点处：

式中：K2 = 1.0，由JB/T4731-2005表（7-1）查得。
（2）由设计压力引起的轴向应力

（3）轴向应力组合与校核
a 轴向拉应力

最大轴向拉应力

b 轴向压应力

最大轴向压应力
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

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ReL = 325Mpa

轴向许用压应力：

6 计算圆筒、封头切向应力
因A = 900 < 0.5Rm
（1）圆筒切向剪应力
按JB/T4731-2005中式（7-9）计算：

式中：K3 = 0.88，由JB/T4731-2005表（7-2）查得。
（2）封头切向剪应力
按JB/T4731-2005中式（7-10）计算：

式中：K4 = 0.401，由JB/T4731-2005表（7-2）查得，

C3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

式中为圆筒许用切向剪应力。

式中为封头许用切向剪应力，其中按JB/T4731-2005中式（7-12）计算：

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：

式中：
K = 0.1 考虑容器焊在鞍座上。
K5 = 0.7603，由JB/T4731-2005表（7-3）查得。

其中b值按JB/T4712-2007中表8，取。
（2）鞍座边角处的周向应力
因为L/Rm < 8，故按JB/T4731-2005中式（7-17）计算：
式中：K6 = 0.013，由JB/T4731-2005表（7-3）查得。
因为A/Ra = 0.497 < 0.5。
（3）周向应力校核

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：

式中K9 = 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：

式中：Hs = 250mm，为鞍座实际高度和Rm/3两者中的较小值。
b0 = 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

式中为鞍座材质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。