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

PcDi1.298360016mmt2[]Pc2172.60.851.298

最小厚度σmin = 2Di/1000 = 7.2 mm

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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

PcDi1.298360021.98mmt2[]Pc2125.80.851.298

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

PcDi1.298360015.96mmt2[]0.5Pc2172.60.850.51.298

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。

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3 计算鞍座反力

（1）计算质量 a 圆筒质量m1

m1(Din)nL001093.143620206320785010911278.6Kg 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。

m4(Di2L02Vh)01090.78536002632026.514109)10000.910969592.65Kg4

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：

22(182029002)2(Rmhi2)112FL4A4603836400490064002LM1[][]2.82108Nmm4h49004L4640011i364003L

（2）鞍座处截面上的弯矩

按JB/T4731-2005中式（7-3）计算：

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2900182029002hi2ARm11640029006400]3.87107Nmm L2ALM2FA[1]460383900[14h490011i364003L5 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：

enC1C2200.8217.2mm

M12.821081.59MPa2Rme3.141810217.2

'1式中：

RmDin3600201810mm2222

最低点处：

'21'1.59MPa

b 在鞍座处圆筒截面上 最高点处：

M23.871070.22MPa22K1Rme3.141181017.2

'3式中：K1 = 1.0，由JB/T4731-2005表（7-1）查得。 最低点处：

M23.871070.22MPa22K2Rme3.141181017.2

'4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

p

PRm1.298181068.3MPa2e217.2

（3）轴向应力组合与校核 a 轴向拉应力

'22p1.5968.369.9MPa'33p0.2268.368.5MPa

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最大轴向拉应力 269.9MPa b 轴向压应力

''1.59MPa0.22MPa 1144

最大轴向压应力 c11.59MPa 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

A0.0940.09417.20.000898Ri/e1800

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

tt[]min([],B)96.3MPa ac

tt[]min([],B)96.3MPa ac

轴向许用压应力：

c1.59MPa[]ac96.3MPa

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：



K3F0.8846038313.01MPaRme181017.2

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：

hK4F0.4014603835.93MPaRmhe181017.2

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式中：K4 = 0.401，由JB/T4731-2005表（7-2）查得， hehChC1C2C3200.82017.2mm 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

t13.01MPa0.8[]138.1MPa

t0.8[]式中为圆筒许用切向剪应力。

t5.93MPa1.25[]h79.9MPa ht1.25[]h为封头许用切向剪应力，式中其中按JB/T4731-2005中式（7-12）计算h：

h

KPDi1.01.2983600135.84MPa2he217.2

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：

5 式中：

kK5F0.10.76034603832.81MPab2e723.317.2

K = 0.1 考虑容器焊在鞍座上。

K5 = 0.7603，由JB/T4731-2005表（7-3）查得。

b2b1.56Rme4481.56181017.2723.3mm

其中b值按JB/T4712-2007中表8，取b33。 （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：

612K6FRmF460383120.013460383181077.91MPa4b2eLe24723.317.2640017.22

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

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52.81MPa[]t172.6MPa

677.91MPa1.25[]t215.75MPa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： FsK9F0.20446038393918.1N

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：

9

Fs93918.117.72MPaHsb025021.2

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

917.72MPa[]sa185123.3MPa2323

式中[]sa185MPa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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