卧式压力容器课程设计概要

安徽理工大学课程设计（论文）任务书

机械院（部）过控教班室

学号学生姓名李智慧专业（班级）化工设备10-1

题目卧式容器设计

容器内径Di=1800mm

容器长度（不包括封头）L=5000mni

设计设计压力P=0.25MPa

设计温度t=100°C

技术物料腐蚀轻微，密度为1500kg/m3

参数

选择材料，确定筒体厚度、封头形式和厚度、支座计算和选择

设计

规定

整顿阐明书一份,大概20页左右

X

作

■注：可填写阐明书（论文）B勺字数规定或要完毕B勺图纸数量。

6.11布置设计任务，查阅参照资料

工作第18周初步设计卧式容器总体构造

第19周支座的强度计算与选择、整顿阐明书上交

计划

郑津洋董其伍《过程设备设计》

参照《化工设计手册》

《机械工程手册》

资料

指导教师签字唐琼教研室主任签字

2023年6月

目录

一.计划任务书.........................................1

二.目录...............................................2

三.概述...............................................4

3.1容器的分类--------------------------------------------4

3.2压力容器的构造特点------------------------------------5

3.3压力容器筒体的构造型式--------------------------------5

四.总体构造设计.......................................9

4.1设计技术参数-------------------------------------------9

42容器材料的选择-----------------------------------------9

4.3筒体壁厚设计------------------------------------------10

4.4封头厚度设计------------------------------------------10

4.5鞍座构造设计------------------------------------------11

4.5.1容器总质量与支座反力计算---------------------------11

4.5.2鞍座的选型-----------------------------------------12

4.5.3确定鞍座安装位置-----------------------------------13

五.应力校核..........................................13

5.1筒体日勺轴向应力验算------------------------------------13

5.1.1轴向弯矩-------------------------------------------13

5.1.2轴向应力-------------------------------------------14

5.L3轴向应力校核---------------------------------------15

5.2鞍座处的切向剪应力------------------------------------15

5.3验算筒体在支座横截面上日勺周向应力----------------------16

5.4鞍座尺寸校核------------------------------------------17

六.设计成果汇总表--------------------------------------18

七.参照文献--------------------------------------------20

三.概述

压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、

科研和军工等国民经济口勺各个部门都起着重要作用的设备。压力

容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等

六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计和完全不

一样生产工艺作用的内件。

3.1容器的分类

1,按压力容器的设计压力（p）划分为低压、中压、高压和超高压

四个压力等级：

（1）低压（代号L）0.lMPa^p<1.6MPa

（2）中压（代号M）1.6MPa^p<10.OMPa

（3）高压（代号H）10.0MPa^p<100.0MPa

（4）超高压（代号U）100.OMPa。

2.按工艺过程中的作用不一样分为：

（1）反应容器：用于完毕介质的物理、化学反应的容器。

（2）换热容器：用于完毕介质的热量互换的容器。

（3）分离容器：用于完毕介质H勺质量互换、气体净化、固、

液、气分离日勺容器。

（4）贮运容器：用于盛装液体或气体物料、贮运介质或对压

力起平衡缓冲作用KJ容器。

3.根据容器日勺压力高下，介质的危害程度以和在生产过程中的重

要作用，综合地将容器分为三类。

属于下列状况之一者为一类容器：

(1)非易燃或无毒介质的低压容器；

(2)易燃或有毒介质的低压分离器口勺换热容器。

属于下列状况之一者为二类容器：

(1)中压容器；

(2)剧毒介质的低压容器；

(3)易燃或有毒介质aJ低压反应容器和储运容器；

属于下列情形之一者为三类容器：

(1)高压、超高压容器；

(2)剧毒介质的中压容器

(3)易燃或有毒介质

(4)中压废热锅炉或内径不小于1米的低压废热锅炉。

3.2压力容器的构造特点

一般承受内压的容器，除球形容器外，大多是由筒体和封头构成。

筒体是圆筒形壳体，封头则有多种型式，高压容器多采用平板封头；

中、低压容器W、J封头除平板和半球型外，尚有半椭圆形封头，蝶形封

头，锥形封头等。

3.3压力容器筒体的构造型式

圆柱形容器是最常见KJ一种压力容器构造形式，具有构造简朴、

易于制造、便于在内部装设附件等长处，被广泛用作反应器、换热器、

分离器和中小容积储存容器。圆筒形容器的容积重要由圆柱形筒体

(如下简称圆筒)提供。

圆筒可分为单层式和组合式两大类。单层式长处是构造简朴。但

厚壁单层式圆筒也存在某些问题，重要表目前：

①除整体铸造式厚壁圆筒外，还不能完全防止较微弱口勺深环焊接

和纵焊缝，焊接缺陷口勺检测和消除均较困难；且构造自身缺乏制止裂

纹迅速扩展的能力；

②大型锻件和厚钢板的性能不和薄钢板，不一样方向力学性能差

异较大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的也许性也较大；

③加工设备规定高；

为此，人们相继研制了多种组合式圆筒。常见的有如下几种：

(1)多层包扎式

这是目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富日勺组合式

圆筒构造。筒节由厚度为12〜25nlm日勺内筒和厚度为4〜12mm日勺多层

层板两部分构成，筒节通过深环焊缝组焊成完整的圆筒。为了防止裂

纹沿厚度方向扩展，各层板之间的纵焊缝应互相错开75°o筒节的

长度视钢板的宽度而定，层数则随所需的厚度而定。制造时，通过专

用装置将层板逐层、同心地包扎在内筒上，并借纵焊缝KJ焊接受缩力

使层板和内筒、层板与层板之间互相贴紧，产生一定得预紧力。每个

筒节上均开有安全孔，这种小孔可使层间空隙中W、J气体在工作时因温

度升高而排出；当内筒出现泄漏时，泄漏介质可通过小孔排出，起到

报警作用。

多层包扎式圆筒制造工艺简朴，不需要大型复杂的加工设备；与

单层式圆筒相比安全可靠性高，层板间隙具有制止缺陷和裂纹向厚度

方向扩展的能力，减少了脆性破坏的也许性，同步包扎预应力可有效

改善圆筒的应力分布；对介质适应性强，可根据介质的特性选择合适

的内筒材料。但多层包扎式圆筒制造工序多、周期长、效率低、刚板

材料运用率低，尤其是筒节间对接口勺深环焊缝对容器的制造质量和安

全有明显影响。这是由于：

①无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法使用超声检测，

仅能依托射线检测；

②焊缝部位存在很大日勺焊接残存应力，且焊缝晶粒易变得粗大而

韧性下降，因而焊缝质量较难保证：

③环焊缝日勺坡口切削工作量大，且焊接复杂。

⑵热套式

采用厚钢板（30mm以上）卷焊成直径不一样但可过盈配合日勺筒

节，然后将外层筒节加热到计算日勺温度进行套合，冷却收缩后便得到

紧密贴合W、J厚壁筒节。热套式圆筒需要有较精确W、J过盈量，对卷筒W、J

精度规定很高，且套合或组装成整体容器后，需再进行热处理以消除

套合预应力和深环焊缝的焊接残存应力。热套式圆筒除了具有包扎式

圆筒H勺大多数长处外，还具有工序少，周期短等长处。

(3)绕板式

绕板式圆筒由内筒、绕板层和外筒三部分构成。它是在多层包扎

式圆筒的基础上发展起来的，两者的内筒相似，所不一样的是多层绕

板式圆筒是在内筒外面持续缠绕若干层3〜5mm厚的薄钢板而构成筒

节，绕板层只有内外两道纵焊缝。为了使绕板开始端与终止端能与圆

筒形成光滑连接，一般需要有楔形过渡段c外筒作为保护层，由两块

半圆或三块“瓦片”制成。绕板式构造机械化程度高，制造效率高，

材料口勺运用率也高(可到达90%以上)。但由于薄卷板往往存在中间

厚两边薄Ef、J现象，卷制后筒节两端会出现明显小J累积间隙，影响产品

的质量。

(4)整体多层包扎式

整体多层包扎式是一种错开环焊缝和采用液压夹钳逐层包扎口勺圆筒

构造°它首先将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头.然后

在整个长度上逐层包扎层板，带全长度上包扎好并焊完磨平后再包扎

第二层，直至所需厚度。这种措施包扎时各层的环焊缝可以互相错开,

另每层层板的纵焊缝也错开一种较大角度，是整个圆筒上防止出现深

环焊缝。圆筒与封头或法兰间口勺环焊缝改为一定角度日勺斜面焊缝，承

载面积增大，具有高的可靠性。

(5)绕带式

绕带式是一种以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度圆筒的措施，

重要有型槽绕带式和扁平钢带倾角错绕式两种构造形式。

①型槽绕带式是用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制日勺内筒

上，内筒外表面上预先加工有与钢带相齿合的螺旋状凹槽。缠绕时，

钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕制后依次用空气和水进行冷却,

使其收缩产生预紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和

凸肩互相齿合，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。这种构造

的圆筒具有较高日勺安全性，机械化程度高，材料损耗少，且由于存在

预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。但钢带需由钢厂专门

轧制，尺寸公差规定严，技术规定高；为保证邻层钢带能互相齿合，

需采用精度较高口勺专用缠绕机床。

②扁平钢带倾角错绕式这是中国首创的I一种新型绕带式圆

筒。内筒厚度约占总厚度的目〜1，采用简朴的“预应力冷绕”和“压

棍预弯贴紧”技术，以相对于容器环向15。〜30°倾角在薄内筒外

交错缠绕扁平钢带c钢带宽约80~160n】m、厚约4~16n】m,其始末两

端分别与底封头和端部法兰相焊接。大量的试验研究和长期使用实践

证明，与其他类型厚壁圆筒相比，扁平钢带倾角错绕式圆筒构造具有

设计灵活、制造以便、可靠性高、在线安全监控轻易等长处。

四.总体构造设计

4.1设计技术参数：

容器内径Di=1800mm

容器长度（不包括封头）I尸5000mm

设计压力P=0.25MPa

设计温度t=100°c

物料腐蚀轻微，密度为ISOOkg/m，

4.2容器材料的选择

此设计选用A3R型号口勺钢板，查《化工容器和设备》⑴附录二，可知:

①在设计温度t=100℃,圆筒口勺厚度在6〜16mm时:

,许用应力:

②在设计温度t=100℃,圆筒的厚度在17〜36nlm时:

,许用应力:

4.3筒体壁厚设计

1.已知参数:

①筒体内径：Di=l800mm，

②设计温度t=100°C

③采用双面对接焊，局部无损检测:日

④计算压力:

⑤圆筒的厚度在6〜16mni时，许用应力:

⑥取钢板厚度负偏差:

⑦腐蚀裕量:

2.筒体壁厚设计

计算壁厚a

设计壁厚

名义厚度，圆整为6mmo

有效厚度

对于碳素钢、低合金钢制口勺容器，规定不包括腐蚀裕量口勺最小厚

度应不不不小于3mm,若加上2mmH勺腐蚀裕量，名义厚度至少应取5mmo

由钢材原则规格，名义厚度取为6mm。

3.检查

㈢，国没有变化，故取名义厚度6所合适。

4.4封头厚度设计

L选用原则椭圆形封头，长短轴比值为2,原则椭圆形封头计算公式

r^~i选自《过程设备设计》⑵

式中：

回一一形状系数，对原则椭圆形封头山；

3——焊封系数日o

2.封头厚度设计

计算壁厚[]

设计壁厚r

名义厚度J,圆整为6nlin。

有效厚度II==♦

3.校核

封头的最小厚度：0.15%XDi=0.15%X1800=2.7mm<Sn,

故取名义厚度㈢满足规定。

4.参照JB1154-73,取封头的直边高度：㈢

原则椭圆形封头的曲面高度：x]

4.5鞍座构造设计

容器总质量与支座反力计算

容器总质量为：I一・

①筒体的质量a：

Di=1800mm,[f,L=5000mml^J筒节

因止匕：—一■

②封头的质量21：

Di=1800mm,0的椭圆形

查JB-T4746-2023钢制压力容器用封头得

封头具质量为WJ,

因此I-

③容器充斥液态介质时液态介质的质量可：

筒体日勺总容积：

查《JB-T4746-2023钢制压力容器用封头》⑶得

封头H勺容积：NI

容器口勺总容积:

因此：r

④附件质量臼（估计）:

取「T

⑤容器的总质量：

⑥作用于每个支座内重力，即支座反力为:

鞍座的选型

根据《JB/T4712-1992鞍式支座》⑷选轻型带垫板，120℃包角,

焊制，四块筋板。

标识为：JB/T4712-92,鞍座A1800-F,鞍座材料Q235-A-F.

4.5.3确定鞍座安装位置

安装在双支座上日勺卧式设备其状况与双支点梁相似。若梁的全长

为L,支座最合理位置应当是梁的外伸长度一□，这时跨间的最

大弯矩与支座截面处的弯矩相等，故对于双支点卧式设备，从理论上

讲，应取三Jo不过，由于封头的刚性不小于筒体日勺刚性，封头

对筒体有局部加强作用，若支座靠近封头，则可充足运用封头的加强

效应，此时最佳取口（目为筒体与封头的内径），且不不小于

臼.

由于:且

因止匕取：A=450mm

简图如下

五.应力校核

5.1筒体的轴向应力验算

5.L1轴向弯矩

筒体长L=5000mm,A=450mm,封头凸出部分高I1^450mm,

则[x],

根据《化工容器和设备》式6-68、6—69、6-71计算系数目，根日值:

鞍座截面处轴向弯矩:

L^J日

跨中截面轴向弯矩:

日日

5.L2轴向应力

通过弯矩计算可知跨中轴向弯矩远不小于鞍座处轴向弯矩，而

，可以不考虑鞍座处日勺“偏塌”现象，因此，只计算跨

中截面口勺轴向应力即可。

跨中截面最高点H勺轴向应力：

式中：Q——壳体有效厚度，mm;

3-----筒体与封头的I内径，mmo

跨中截面最低点日勺轴向应力:

IX■

5.L3轴向应力校核

A3R在设计温度t=100℃时时许用应力>3

临界许用压力按《化工容器和设备》式5-22为：目

由于：回远不不小于区和叵］

因此：从验算可以看出，轴向应力在许用范围之内，满足强度和稳定

习性H勺规定。

5.2鞍座处的切向剪应力

因仁］，可认为鞍座靠近封头，故封头对鞍座处筒体有加强作

用。根据公式叵］计算切向剪应力。鞍座包角口，查《化

工容器和设备》表6-13得占J,g。

圆筒中日勺切向剪应力：

封头中口勺最大切向剪应力:

筒体中切向剪应力许用值

原则椭圆形封头中由内压引起H勺应力，可由椭圆封头壁厚计算公式导

出下式

封头中日勺切向剪应力许用值取

故切向剪应力在许用范围之内。

5.3验算筒体在支座横截面上的周向应力

鞍座包角120。时，查《化工容器和设备》表6-14,得日,

N1，查《JB/T4712-1992鞍式支座》得鞍座宽度日，鞍

座板作为加强板使用，以筒体厚度与鞍座板厚度之和目替代日，

故筒体最低点处最大周向压缩应力公式应改写成

式中:

鞍座板厚度!—|

故

容器的筒体部分长度山，因此取计算长度1XI,同

样以1替代日，并以㈢替代冈，则鞍座角边处口勺周向压缩

应力为:

由于

因此，两者均满足校核条件。

到此为止，筒体与封头均满足校核条件的规定。

5.4鞍座尺寸校核

鞍座板宽度b已在验算周向压缩力时予以确定，腹板的宽度可

按《化工容器和设备》式6-95进行校核。

IXI

系数a由《化工容器和设备》表6-15查出为0.204；按

《JB/T4712T992鞍式支座》得腹板厚度㈢，鞍座最低点的高度

SO

鞍座有效截面H勺高度限制在以内，此值不小于鞍

座最低点日勺高度，故有效截面高度应为鞍座实际高度减去底板厚度

1■。则

L-■

因此，腹板的尺寸满足强度规定。

六.设计成果汇总表

设计参数数值单位

圆筒材料设计温度下许用应127MPa

力［。］:

圆筒的内径Dg1800mm

圆筒日勺名义厚度可6mm

2.5mm

圆筒厚度附加量C

封头名义厚度可6mm

2.5mm

封头厚度附加量C

5000