机械设计(machine design),根据使用要求对机械的工作原理、结构、能 量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、焊接方法等进行构思、分析和计算 并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程机械设计是机械工程的重要组成部分，是决定机械性能的最主要因素由于 各产业对机械的性能要求不同而有许多专业性的机械设计，如汽车工业机械设 计、矿山机械设计、农业机械设计、化学工业机械设计等专业性的机械设计分支 学科压力容器设计即属于化学工业机械设计，为了适应社会生活的需要，压力容 器不断的发展和改进为了生产需要，对压力容器的结构、管程进行设计，使之 符合工厂客户要求，进行了以下设计：一、压力容器管板形式的设计；二、筒体 开孔大小、位置的设计三、焊接工艺的选择关键词：压力容器；封头；法兰；鞍座ABSTRACTThe machine design (machine design), according to the operation requireme nts to machinery's principle of work, the st rue tu re, the energy transfer mode, each components' material and the shape size, the welding method and so on carries on the idea, the analysis and the computation and transforms it for the concrete description by takes the manufacture basis the work process.The machine design is the mechanical engineering important component, is the decision mechanical property most primary factor. Different has many specialized machine design as a result of various industries to machinery's performance requirement, like automobile industry machine design, mining machinery design, farm machinery design, chemical industry machine design and so on specialized machine design branch disciplines.The pressure vessel design namely belongs to the chemical industry machine design, to meet the social life need, pressure vessel unceasing development and improvement. In order to produce the need, to pressure vessel's structure, the tube regulation carries on the design, causes it to meet the factory customer requirement, has carried on the following design: First, pressure vessel tube plate form design; Second, tube body opening size, position design; Third, welding process choice.Key word: pressure vessel; shell cover; flange; saddle目录1 绪论 42 结构设计 62.1液化石油气储油罐技术规格 62.2液化石油气储罐的制造 63壳体的厚度设计 84封头的厚度设计 114.1 椭圆形封头 114.2碟形封头 114.3球形封头 114.4平板封头 115 支座的设计计算 135.1支座的作用和类型选择 135.2 支座的安装尺寸计算 135.3支座的强度校核 146 设备的开孔与附件的设计计算 156.1 人孔的设计 156.2 容器的开孔补强 156.3 管口 16参考文献 17致谢 181绪论随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源消耗急剧增长，石油 和成品油的需求剧增。
目前我国已变成石油进口大国，石油已成为国家重要的战 略物资，它直接关系到我国的经济发展、社会稳定和国家安全，增加原油储备迫 在眉睫，因此，我国对国家石油储备库和成品油库的建设给予了高度重视，我国 规划中到2010年将建成数千万立方米的石油战略储备能力，分期进行建设，大 连国家石油储备库30台10万m3罐群已开始建设，我国大型储罐的施工建设进 入了一个新的高速发展期储罐有很多种类，按其形状可分为立式、卧式和球形储罐；按容积有大型和 小型的区别（大型储罐是指公称容积为100〜30000m3平底、固定顶储罐和公称 容积为1万m3以上浮顶储罐；小型储罐大多是公称容积小于100m3的储罐，一 般为卧式的小型容器）在各类大型储罐中，绝大多数是建在地上的，用于储运 原油、成品油、液态化工产品及水等其它液体的立式圆筒形钢制储罐大型立式钢制储罐是石油化工行业非常重要的储运设备，越来越多地用于原 油、成品油等储运工程储罐的类型有很多，但在各类油库的建造中，广泛应用 的是大型立式钢制圆筒形拱顶储罐和浮顶储罐，它引领着当今大型储罐建造技术 的发展立式圆筒形钢制储罐由罐底、罐壁和罐顶及附件等部分构成，按罐顶的结构 可分为：无力矩顶储罐、拱顶储罐、锥顶储罐、浮顶储罐和内浮顶储罐等，其中 以拱顶储罐（包括内浮顶拱顶储罐）和浮顶储罐应用最为广泛，技术成熟。
最近 三四十年来，储罐向大型化发展的趋势已成定局，1962年美国首先建成了 10万 m3浮顶储罐，1967年在委内瑞拉建成了 15万m3的浮顶储罐1971年日本建成 了 16万m3的浮顶储罐，其直径达109m、高17.8m，沙特阿拉伯建成20万m3 巨型储罐，其直径达110m、高22.5m我国自1985年从日本引进10万m3浮顶 储罐的设计和施工技术并在秦皇岛建造之后，在全国各地相继建成10万m3大型 储罐近30台；于2003年在茂名石化公司建成两座12.5万m3浮顶储罐，目前在 仪征已开始建设国内最大的15万m3原油储罐此外，储存石油液化气和天然气 （液化）的低温储罐也是储罐建造的发展方向，在国外已较普遍应用，我国目前 还是处于刚起步阶段大型储罐建设的经济性已经成为人们日益重视的课题，根据有关资料分析： 储罐容积越大，单位容积的钢材耗用量指标越低，建罐投资相应节省，同时罐区 总占地面积也越小但最为经济的是12.5万m3浮顶储罐，15万m3和10万m3 次之，容积5万m3储罐的经济性最差从目前我国现有储罐来看，绝大部分原 油储罐的容积不超过5万m3,因此，我国的储罐必须向大型化方向发展，应以 12.5万m3为首选对象，尽可能避免建造5万m3及其以下的小容积原油浮顶储 罐。
建造大容积储罐，需用高强度钢板目前我国建造5万m3及以上储罐所使 用的高强钢板，大多是日本产SPV490Q钢，极少部分是国产钢材国产钢材主要 是16MnR，因其强度较低，使5万m3浮顶储罐下部第一节壁板厚达34mm，给大 型储罐的建造带来了很大困难由武汉钢铁设计院、北京燕山石化公司、合肥通 用机械厂、中国石化北京设计院组成的攻关小组，对07MnCrMoVR钢进行研究开 发，并用于北京燕山石化公司3台10万m3浮顶储罐今后，为了满足我国大型 储罐建设发展的需要，应进一步研制高强度钢材，提高国产高强度钢材的质量和 产量根据我国石油及化工企业的发展需求，今后储罐的发展方向是大容积、国产 化、自动焊（包括与国产钢材、进口钢材焊丝匹配以及焊接设备）在储罐施工 方面，尽管我们根据日本及有关国家的规范，结合我国具体情况，首创了各种大 型储罐的施工方法，近几年我国的储罐施工队伍也不断发展，但总的来看，目前 我国的储罐建设，不论是储罐的容积、数量还是国产化水平，均处于起步的初级 阶段在大型储罐的自动焊设备与焊材方面，国产化程度还不够高，特别是与引进 的高强钢板相匹配的自动焊焊丝，尚依赖进口，价格高，这是今后我国建造大型 储罐所必须解决的课题。
2结构设计液化石油气储罐主要有筒体、封头、支座和其他附件由法兰连接而成2.1液化石油气储罐技术规格：公称容量m 381530405060实际容量m 38.515.631395360直径m1.92.22.22.22.552.55长度m3.04.098.1910.3410.3411.77壁板厚度mm444444端盖厚度mm4555552.2液化石油气储罐的制造液化石油气储罐的容积一般都小于100m3，通常用于生产环节或加油站 储罐环向焊缝采用搭接，纵向焊缝采用对接圈板交互排列，取单数，使端盖直 径相同储罐的端盖分为平端盖和碟形端盖，平端盖储罐可承受40kPa内压， 碟形端盖储罐可承受0.2Mpa内压地下储罐必须设置加强环，加强还用角钢煨 制而成2.2.1材料选择选用16MnR低合金钢，因其能达到储油罐的要求强度，并还有较好的塑性和 焊接性低合金钢结构在化工设备设计和制造中推广以来取得了显著的成绩，它 不仅节约钢材，减轻设备自重20%—30%，而且提高负载能力、延长寿命，并满 足一些特殊要求，因此愈来愈显示出其经济效果2.2.2储罐结构（1） 、筒体为圆柱型它是目前卧式罐体的常用形式，满足设计要求。
2） 、椭圆型封头它应用广泛、满足设计要求，且由长短之比为2的半 椭球和高度为h的直边组、圆滑过度，使应力分布均匀、承压好，冲压成型较为 方便，可减少制作工艺，缩短工时，提高生产效率3） 、选用鞍式支座材料一般为Q235-A*F因其广泛用于卧式化工设备， 结构在筋板与筒体之间加一垫板，是为了改善支承的局部应力情况，因此能有效 的承受操作的振动、地震载荷、风雪载荷等2.2.3焊接方法选用平面密封甲型平焊法兰考虑到生产工艺的要求和制造、运输和安装检 修时的需要，化工设备和管道、零部件间常采用可拆卸的法兰连接方式法兰连 接有如下特点：（1）、强度足够附加法兰等结构后不致削弱整体强度（2）、适用面广在设备和管道上都能应用，尺寸范围大（3）、可拆结构可多次重复装拆，但较费事（4）、经济合理小型法兰大批生产、成本低，大型法兰则成本较高其他附件参照《化工设备机械基础》及其它资料选择与上述结构相合适的结 构3壳体的厚度设计根据工程力学分析，筒体承受内压时，筒壁内的最大应力为周(环)向应力PDmO环二.25式中：p——筒体内外压差Dm——筒体平均直径6——壁厚 为了保证筒体强度，应使筒壁内压力不高于筒体材料的许用应力9]，即PDm —W9 ]25容器直径一般以内径D表示，故Dm=D+6代入上式，并考虑到焊接时对强度 的削弱，以及物料的腐蚀、钢板厚度的不均等因素，需对上式进行一些修正，得 以计算内压容器壁的工程计算式PD6 = PD + C (3-1)2Q]t © — P式中：6 筒壁厚度，mmP——设计压力，一般P= (1.05~1.15) P 。
P 为最大工作压力)max xmD——筒体的内直径，mm[a ] ——设计温度下材料的许用应力Mpa见《化工设备机械基础》表14-3t屮——焊缝系数C——壁厚附加量，mm由于油的腐蚀性很小，油罐可选用一般钢种，但由于压力较高，根据《化工 设备机械基础》表14-3及其说明，可以考虑采用20R、16MnR等钢种现以16MnR 和20R两个钢种进行两个方案的设计，然后进行比较和选择储油罐选用卧式， 液体静柱压力很低，可不计入设计压力中/r/r —r—・》_・第一方案：16MnR钢板在-5——44°C范围内的许用应力有《化工设备机械基础》表14-3查取，估计此筒体厚度在6 16mm之间，为安全计，取[o ]=170Mpa;焊缝应为V型坡双面焊接，采用局部无损探伤，起焊缝系数有《化工设备机械基础》表14-4 查得：屮=0.85；钢板负偏差由《化工设备机械基础》表14-5查得：C1=0.8mm， 腐蚀裕量由《化工 设备机械基础》表14-6查得：C2=2mm,则壁厚附加量 C=0.8+2=2.8mm.把上式已知数据代入式3-1，得+ 2.8 = 15.1mmPD 一 1.77 x20002Q]t © — P + = 2 x 170 x 0.85 — 0.5根据钢板厚度规格，取6 =16mmn水压实验强度校核：规定的实验压力由《化工设备机械基础》表14-7可知,PT=1.25P=1.25 X 1.77=2.2125Mpa水压实验时的应力2(16 — 2.8) x 0.85ct = Pt[ D Je] = 2.2125[2000 +(16—凹=198 MPa16MnR钢制容器在常温水压实验时许可应力[ct ] = 0.9cs = 0.9 x 345 = 310.5MPa因为ct< [ct]，故筒体厚度满足水压实验时强度要求。
第 方案：20R钢板[o ]=133Mpa，焊缝仍然用V型坡口双面焊接，局部无损伤，则屮 =0.85， C1=0.8mm,C2=2mm.把上述已知数据代入3-1式，得3dPD1 + C =2[c ]t» — P1.77 x20002 x 133 x 0.85 — 0.5+ 2.8 = 18.5mm按钢板厚度规格，取整为6 d=19mm水压实验时的压力c t = EX = 130 MPa20R钢制容器常温水压实验时许可应力Qt］二 0.9os 二 0.9 x 245 二 220.5MPa因为at< Qt］，故筒体厚度满足水压实验时强度要求两种方案比较：钢板耗用量：钢板耗用量与板厚成正比，则筒体采用16MnVR时，钢板相对重量比采用20R 可减轻19 -16 x 100% 二 16%1916MnR钢板的价格虽比20R钢板略贵，但从耗用量与价格综合考虑，两种钢板均 可考虑但在上述计算过程中，6 与16MnR钢板的6 d很接近，而20R钢板的n6比6 d大很多时，则材料就要省很多此时，似采用16MnR钢板较为适宜n制造费用：总的来说，由于采用16MnR钢板，厚度较薄，且制造费用目前也按碳素钢设 备重量同等计价，因此制造费用也比较经济，所以选用16MnR钢。
4封头的厚度设计为了对各种封头的强度和经济合理性进行比较，选择更合适的封头，将对各 种封头进行计算和分析4.1椭圆形封头+ 2.8 = 15.1mmPD1 + C = 1力 ％ 2°°°2Q ]te - 0.5P 2 X170 X 0.85 — 0.5 x 1.77取 6 =16mmn4.2碟形封头cd =響1十C2Q]t e — 0.5P1.33 x 1.77 x20002 x 170 x0.85 — 0.5 x 1.77+ 2.8 = 19.1mm根据碟形的封头标准，取6 =20mmn4.3球形封头cd =PD12[c]t e—p1.77 x 20004 x 170 x0.85 —1.77+ 2.8 = 6.1mm根据钢板规格，取6 =10mmn4.4平板圭寸头如果采用《化工设备机械基础》表14-8中第一种结构，则K=0.27;Dc=2000mm 平板的厚度为PK 1.77 x 0.27ad = De + C = 2000 + 2.8 = 108.9mmQ]t 170取 6 =109mn现将上述计算列表进行比较：封头形式壁厚/mm质量/kg相对用钢量制造难易程度球形封头1049555.2%较难椭圆封头16897100%较易碟形封头201200133.8%较易平板封头1095373599%低压，小尺制造容易由上表可以看出，从钢材耗用量考虑：球型封头用材最少，比椭圆形封头节 约45.8%，平板封头用材最多，是椭圆形封头的5倍多。
从制造考虑：椭圆型封头制造方便，且应力分布均匀承压好，平板封头则因 直径和厚度较大，坯材的获得车削加工焊接等方面都要遇到不少困难，且封头与 筒体厚度相差悬殊，结构很不合理因此从强度、结构、制造等方面综合考虑，以采用椭圆型封头最为合理5支座的设计计算5.1支座的作用和类型选择化工设备上的支座是支承设备重量和固定位置用的一种不可缺少的部件，且 在某些场合下，支座还可能承受设备操作时的振动、地震载荷、风雪载荷等因 此支座的正确选择直接影响设备的性能卧式支座一般用于卧式钢制焊接容器，鞍座已有标准系列，其公称直径即筒 体公称直径，图16-19所示是Dg600-1200规格中的一种B型结构式鞍座由一 块底板、一快竖板及若干块肋板焊接而成，是否需要设置加强垫板，其情况与悬 挂式支座基本相同，图16-19所示的结构是带加强垫板的每一公称直径的规格 都有轻型（A型）和重型（B型）两种，每一种型式又可以分为固定式（1型） 和活动式（2型）两种B型和A型的区别在于肋板和底板的宽度有所不同，或 者还是肋板数量的增减而2型和1型的区别仅在于底板上地脚螺母栓孔的形状 不同2型底板打夯的螺栓空为长圆形安装的脚螺栓时采用两个螺母，第一个 螺母拧紧后倒退一圈，然后用第二个螺母锁紧，以使鞍座能在基础面上自由滑动。
长圆孔的长度须根据温度差伸宿进行计算设备的基础若为钢筋混凝土，则鞍座 下必须安装平整光滑的基础垫板，鞍座材料一般为A3F，加强垫板的材料则应与 筒体一致卧式设备一般米用双支座设计，一个1型，一个2型为了充分利用圭寸头对筒 体邻近部分的加强作用，应尽可能将支座设计靠近封头处，即A< R1/2A也不 宜大于0.2L,以使筒体的中间截面与支承截面处的弯曲等或相近特殊场合下 鞍座可采用二个以上，如铝制设备等5.2支座的安装尺寸计算A < 0.5R - 0.5 x 1000 = 500mmA < 0.2 L = 0.2 x 9000 = 1800mm支座安装距离A必须满足以上条件，故A取500mm5.3支座的强度校核为了简化卧式支座的校核方法，这里暂且根据卧式支座中所提供的每个支座 允许承重的数据进行校核，以供参考5.3.1、 筒体的重量M1:D1=2000mm、6 =16mm 的筒节，每米重 795kg,则nM1=795X6.7=5326.5 kg5.3.2、 封头的重量M2：D1=2000mm、6 =16mm， h2=25mm的椭圆型封头重量为588kg则nM2=588X 2=1176 kg5.3.3、 介质重量M3：水的密度为1000kg/m3如充满油罐则M3=1000X(V 筒+V 封)式中：V筒、V封根据《化工设备机械基础》表16-5、16-6可得M3=1000X(3.142X6.7+2X 1.126) =23303.4 kg5.3.4、附件重量M4：人孔重量约200kg，其他附件重量约为300kg,则M4=200+300=500 kg因此 M二Ml+M2+M3+M4=2673+412+30530+500=30305.9 kg每个支座的所需承受的载荷Q二M二3°3°35 X9.8二148498.9N查表的轻型支座和重型支座的允许载荷分别为：[Q]轻=300000N>148498.9 N[Q]重=850000N 故选轻型支座。
6设备的开孔与附件的设计计算为了使设备能够进行正常的操作与维修在封头和筒体上需要开出必要的孔 道，以便安装、拆卸、清洗和检修设备的内部装置6.1人孔的设计因设备的直径为2000mm，所以应该开设人孔为减小对壳体强度的削弱和 减小密封面，人孔尺寸量要小根据《化工设备机械基础》表16-22查得：设置 一个人孔，并取Dg=450mm6.2容器的开孔补强容器上的接管、人孔等开孔必然使该处的强度削弱，而且更为重要的是引起 开孔处的应力集中，实验得出一拉伸钢板开孔边缘应力为平均值的3倍，故容易 从该处开始破坏，因此一般要在开孔处进行加强6.2.1局部补强的结构6.2.1.1在开孔周围焊一个补强圈，其材料与厚度一般与容器壁相同补强圈与 器筒应密合，否则无加强作用补强圈标准为JB1207—736.2.1.2在开孔焊一厚壁管适用于高强度低合金钢容器6.2.1.3局部补强面积计算 应使有效补强区内的补强金属面积等于或大于开孔削弱的金属截面积A对于内压容器的筒体、球壳和椭圆形、碟形封头 A=d 6 +2 6 (6 -c)nt (1—f )mm 2t补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料的许用应力小于壳体材料许用 应力，则补强面积应按壳体材料许用应力之比增加。
反之，则不得减少6.2.2允许的开孔范围当采用局部补强时，筒体及封头上开孔的最大直径Dmax不得超过以下数值:1筒体内径 DW 1500mm, Dmax二 D,且 DmaxW500mm21筒体内径 D> 1500mm, Dmax二—D,且 DmaxW 1000mm31圭寸头上开孔Dmax= -D开孔边缘与圭寸头间的投影距离比小于0.1D26.2.3允许无补强的最大孔径由于设计壁厚一般均超过实际需要，且钢材还要有一定塑性储备故在筒 体、椭圆形封头、开孔，并满足下列条件时不另行补强：(1) 壳体名义厚度>12mm，接管DgW80mm(2) 壳体名义厚度W12mm，接管DgW50mm(3) 两相邻开孔中心距不小于两孔直径之和的两倍6.2.4补强圈尺寸由于人孔的筒节不是采用无缝钢管，故不能直接选用补强圈标准本设计所 选用的人孔筒节内径D1=484mm，外径D2=760mm，补强圈的厚度按下式估算：父 d8e 450 x (16 - 2.8)on = = = 21.5mmD 2 - D1 760 - 484考虑到罐体与人孔筒节均有一定的壁厚裕量,故补强圈取22mm厚，材料为 oCr18Ni11Ti。
其他管口开孔处根据规定允许不另行补强6.3 管口管口长统一取150mm，接管材料为lCrl8NillTi管法兰除液面计管口外均 选用密封面为平面型的最小压力等级：Pg0.25Mpa的耐酸钢平焊法兰 (HG5019-58)液面计采用：玻璃管液面计WA11、L=1000, HG5-227-80标记中“W”表示 带保温结构，“A”表示管法兰系密封型，“11 ”表示用材1Cr18Ni9该标准规定 Pg为2.5Mpa,因此设备上与相配的液面计管口法兰应选用Pg2.5Mpa的耐酸钢平 焊法兰，否则尺寸无法装配1、《化工设备机械基础》华东理工大学出版社2、《化工工程制图(化工制图)》3、 《化工设备设计手册》4、 《机械设计手册》5、《化工容器及设备》6、 《化工设备机械基础》7、 《化工设备机械基础》化学工业出版社 清华大学出版社 机械工业出版社 天津大学出版社 天津大学出版社 机械工业出版社17。