nullnull第二章 储存设备
第一节 概 述null 储存设备又称储罐，主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用，如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。储罐内的压力直接受温度的影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。
储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐。本章重点介绍卧式储罐和简要介绍球罐。 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 第一节 概 述 设计储存设备，首先必须满足各种给定的工艺条件要求，考虑储存介质的性质、容量的大小、设置的位置、钢材的耗量以及施工的条件等来确定储罐的形式；在设计中还必须考虑场地的条件：环境温度、风载荷、地震载荷、雪载荷、地基条件等，因此设计者在设计储存设备时必须针对上述条件进行综合考虑，以确定最佳的
设计方案
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。
选择储罐形式的影响因素主要有以下几个方面：null储存介质的性质：
介质最重要的特征有：可燃性、饱和蒸汽压、密度、腐蚀性、毒性程度、化学反应活性（如聚合趋势）等。2.场地条件：
①是否采取保温措施：与热损失有关，常与工艺条件一起决定是否保温
②当储存设备安装在室外时,必须考虑风载荷、地震载荷和雪载荷
③地基条件：影响储存设备的振动频率。null3.储存设备装液化气体时：
除了应该考虑上述条件时，还应注意液化气体的膨胀性和压缩性。液化气体的体积会因温度的上升而膨胀，温度的降低而收缩。以液化石油气为例，温度每升高1℃压力就会上升 1~3MPa.为此必须严格控制其充装量。 充装量：指装量系数与储罐实际容积和设计温度下介质的饱和液体密度的乘积。
为了安全我国《压力容器安全技术监察规程》明确规定装量系数不得大于0.95，一般取0.9。null4.最低设计温度的选取：
最低设计温度可按该地区气象
资料
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，取气象局实测的10年逐月平均最低气温的最小值。
月平均最低气温是指当月各天的最低气温相加后除以当月天数。
在确定储罐设计温度时，可按有关规定进行低温低应力分析。
当储罐内部因温度降低而使内压低于大气压时，还应进行罐体的稳定性校核，以免发生失稳失效。null第二节 卧 式 储 罐 null一、基本结构：
如图：主要由圆筒、封头和支座三部分组成
封头：通常采用JB/T4737《椭圆形封头》中的标准椭圆封头。
支座：通常采用JB/T4712《鞍式支座》中鞍式支座或圈座。
卧式储罐设计参照：JB/T4731《钢制卧式容器》。nullnull1—法兰；2—支座；3—封头拼接焊缝；4—封头；5—环焊缝；
6—补强圈；7—人孔；8—纵焊缝；9—筒体；10—压力表；
11—安全阀；12—液面计nullnullnullnullnullJB/T 4712-2005《鞍式支座》null其设计过程如下：
卧式储罐一般先根据内压或外压容器设计方法初步计算厚度，在考虑支座位置、支座反力和支座的包角的影响，各种附加载荷，并校核通体在附加载荷作用下的周向、轴向强度和稳定性，以确定其实际圆筒厚度。卧式储罐支座与罐体设计应同时进行。 null常见的支座有如下两种：
鞍式支座：
卧式储罐鞍式支座的设计要点包括：
1.鞍式支座数量的决定。但应用最多的还是双鞍座。
2.鞍式支座安装位置的安排
3.鞍座包角的选取
4.鞍座标准的选用null鞍座安放原则：
① JB4731《钢制卧式容器》规定取A≤0.2L，且A值最大不得超过0.25L。由材料力学可知，对于双支座上受均布载荷的简支梁，若梁的长度为L时，则当外伸端长度A=0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，从而使上述两截面上保持等强度，考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷，而且支座截面处应力较为复杂，故通常取A≤0.2L。null② JB4731《钢制卧式容器》还规定当满足A≤0.2L时，最好使A≤0.5Rm 。由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度，故封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用。若支座靠近封头，则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用，故取A≤0.5Rm 。
式中：Rm -----------圆筒的平均直径 null③双鞍座支承的卧式容器，只允许将其中一个支座固定，另一个应允许为可沿轴向移动。
活动支座的基础螺栓孔应沿圆筒轴向开成长圆孔，也可采用滚动支承。鞍座包角θ一般有三种：120°、135°、150°，但JB/T4712规定的只有 120°、150°两种形式。 null2.圈座：
卧式容器在下列情况下可采用圈座：
①因自身重量而可能造成严重挠曲的薄壁容器；
②多于两个支承的长容器。
当容器采用两个圈座支承时，圆筒所承受的支座反力、轴向弯矩及其相应的轴向应力的计算及校核均与鞍式支座相同。 nullnull二、设计计算：
（一）载荷分析：
卧式储罐的载荷有：
1.压力，可以是内压或外压；
2.储罐重量，包括圆筒、封头及其附件等；
3.物料重量，正常操作时为物料重量，而在水压试验时为充水重量；
4.其他载荷，如必要时计算雪载荷、风载荷、地震载荷 等。
通常在对卧式储罐进行计算时，简化成如下的受力模型：null1、均布载荷 q将容器所受的重量载荷（自身重量和物料重量）假设为沿容器长度的均布载荷q 。其简化计算的长度如下：
因容器两端大多采用凸形封头，所以在确定均布载荷分布长度时，首先要把封头折算成和容器直径相同的当量圆筒，对于半球形、椭圆形和蝶形等凸形封头可根据容积相等的原则折算为直径等于容器直径，长度为 所以均布载荷作用的长度为： ——凸形封头深度null设支座反力为F，则支座反力为： null2、水平力矩 和集中力 我们在折算的时候将封头上的重量载荷也折算成均布的，而实际并非如此，所以在实际的推导过程中折算成力矩 通过推导可得到集中力和力矩： null由封头质量引起的载荷，该集中力作用在封头的形心 null（二）内力分析
1.支座截面处的弯矩：
如图：取支点a左端部分为分离体 并以a点为矩心取力矩平衡，可得鞍座处的截面弯矩为： null代入上式进行整理，可得： null一般为负值，表示上半圆筒受拉伸，下半圆筒受压缩 null2.圆筒中间处截面的轴向弯矩 :即跨中截面 仍然以a为矩心，因为跨中截面处剪力为零，所以跨中处为脱离体，可得：null一般 为正值，表示上半圆筒受压，下半圆筒受拉 。null3.竖直剪力 即鞍座处的竖向剪力 双鞍座卧式容器同二支点梁一样，由于容器载荷所引起的最大竖直剪力是出现在支座截面处，取力的平衡，则此力为：nullnull由此可得其剪力图和弯矩图：null4.讨论：
①剪力和弯矩图：最大剪力在支座处为最大弯矩为或②通过调解A，可使，一般时，可使但为了充分利用封头对支座处筒体的支撑作用，常取③支座处筒体受力复杂，有最大剪力及弯矩。 ，但首先要满足前一个条件。null（三）圆筒应力计算和强度校核：
1.圆筒轴向应力：⑴跨中截面处： a.最高点处： 最大压应力 b.最低点处： 最大拉应力 ——圆筒的平均半径 nullc.强度条件： 其中的较小者 ⑵支座截面处：
a．当圆筒在鞍座平面上有加强圈或被封头加强（即A≤Rm/2）时：轴向应力位于横截面最高点：如图 最高点： 最低点： nullnullnullb. 当圆筒未被加强时， 位于靠近水平中心线处:如图（b）
即A>0.5Rm，或鞍座平面未有加强圈，在周向弯矩作用下，使鞍座上部的筒壁发生较大变形→“扁塌”，从而减少了筒体的抗弯能力，发现所谓的无效区，承受Ma的有效截面为2△（由实验测得）： ——由于“扁塌”现象而使抗弯断面模量减小
的削弱系数。 此时计算公式同上，但
值不同。nullc. 强度条件： 取其中的较小者 2.切向剪应力校核：
卧式容器承受竖向剪力，前已求得： 这种剪力对筒体截面的反应是切向剪力 null⑴ 圆筒切向剪应力计算：
① 圆筒未被封头加强（即A>0.5Rm）时：
A. 圆筒在鞍座平面上有加强圈：
此时可增加圆筒刚性，使其保持圆形，整个截面都能承受剪力的作用： nullnullB.圆筒在鞍座平面上未设加强圈：
当鞍座处于无加强圈时，又得不到封头的加强作用，支座上部圆筒由于载荷的作用产生变形，不能承受剪力的作用，从而使承受切向剪力的有效截面减小，切向剪力仅由一个包角为 的圆弧截面积承担，且最大切向剪应力出现在鞍座边角A点处，在这种情况下，由
下式计算： nullnull②被封头加强的圆筒（即A≤0.5Rm）
当鞍座靠近封头时，封头对圆筒相当于一个支撑，似乎支承点由鞍座处移至封头曲线与圆筒的连接处（封头切线处），因而改变了圆筒的受力状况。 ⑵封头中的剪应力 ——封头的有效厚度 null⑶切向剪应力的校核：
①圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的0.8倍，即： ②封头的切向剪应力 ——由内压在封头中引起的应力（如受外压可不计算） 椭圆封头： 碟形封头： 半球形封头： ——碟形封头球面部分内半径 null3.鞍座处筒体的周向应力校核：
卧式容器在均布载荷和支座反力的作用下，鞍座处的圆筒将发生周向压缩与弯曲，其最大周向应力将发生在鞍座处圆筒截面最低点或鞍座边角处。
⑴支座处有加强圈： A．加强圈位于鞍座平面上：
a.鞍座边角处的圆筒周向应力：图（a） nullb.鞍座边角处加强圈顶部：图（a） null式中： ——表示应力正负号的系数，
内加强“－”，外加强“＋”——组合截面的截面积——组合截面对中性轴x-x的惯性矩——截面削弱系数B.加强圈靠近鞍座： nullnulla.鞍座靠近水平线处筒体：如图（b）
（在横截面上靠近水平中心线的圆筒的周向应力）b.鞍座靠近水平线的加强圈顶部：如图（b）
（在横截面上靠近水平中心线处不与筒壁相接的加强圈
内缘或外缘的周向应力）的计算公式同上的计算公式同上C．筒体最低点处：（在横截面最低点的周向应力） 当容器置于支座上时，取k=1；当容器焊接在支座上时，
考虑支座对圆筒的加强作用，取k=0.1 null式中： ——圆筒的有效宽度，取 ——加强圈的宽度——支座的轴向宽度——计算圆筒与加强圈组合截面时，
圆筒的有效宽度null靠近鞍座的
内加强圈靠近鞍座的
外加强圈图5-13 加强圈结构靠近鞍座截面处设置加强圈时null无垫板或垫板不起加强作用最低点： 式中： ——筒体的有效宽度null鞍座边角处：时 时 nullB.垫板起加强作用：
垫板厚度不小于圆筒厚度，宽度不小于包角a.最低点： b.在鞍座边角处： nullC.鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力 nullnullnull鞍座包角、值 null值 null（3）应力组合与校核：
①周向应力组合： ②校核： null（4）分析讨论：
①跨中处应校核轴向应力：②支座截面处要校核轴向应力：如果轴向应力不合格：①调整A，使 切向剪应力不合格：①增加筒体壁厚
②调整包角α，但不明显
③加加强圈切向应力：周向应力：↓②增加筒体壁厚null周向应力不合格：①将衬板按加强板处理，此时
②若上述措施不合格，可增加包角及加大支座宽度b
③若上述措施均不行，应考虑加加强圈null（四）鞍座强度校核：nullnullnull鞍座包角一般为120°、150°，增大鞍座包角θ，可使圆筒中的应力降低，但鞍座将显得笨重，同时也增加了鞍座承受的水平推力；而鞍座包角过小时卧式储罐的稳定性较差。如前所述，中国鞍座已有行业标准JB/T4712。一般规定钢制鞍座的宽度b可取大于或等于
初步决定鞍座宽度b值后，必须通过上述一系列校核后，最终确定b值。如难以满足同向应力的校核条件，则可增加鞍座托板宽度至不小于
以降低圆筒上的周向应力水平。null对于鞍座只需要校核支座有效断面的平均应力，即腹板的强度校核： 式中： ——钢制鞍座的腹板厚度——计算高度，取鞍座实际高度和Rm/3两者中的较小值 ——腹板材料的许用应力——支座承受的水平分力（推力）null一台公称直径为DN=3200的双鞍座卧式容器，筒体（包括封头直边长度）长20m，设计压力0.6MPa，操作温度t=200℃ ，材料为Q235，介质对材料腐蚀性不大，取C=2mm，液态介质密度为 三、 例 题nullnull卧式容器所遵循的标准包括：
JB/T4712—2007《鞍式支座》、JB/T4731—2005《钢制卧式容器》
解：首先按一般内压容器进行强度计算，初步确定筒体及封头的壁厚，然后按卧式容器校和其强度。按标准选鞍座尺寸，然后进行校和对不满足要求的尺寸进行调整
按DN3200选支座，其材料为Q235。主要尺寸如图： null一、计算筒体和封头壁厚：
1、筒体壁厚： 已知： 采用双向对接焊 局部探伤 取 取 则 null2、封头壁厚：
选标准椭圆封头，则其形状系数K=1取 则 由此可得：
封头名义厚度为12mm，封头深度为800mm
直边高h=40mm，筒体名义厚度为12mm，
内径均为3200mm 封头容积4.61m3 null二、计算容器重量载荷和支座反力：
1、设备自重G： 筒体重： 封头重： 附件重： null则设备自重： 2、充满介质时液体介质重量 3、作用于每个支座上的反力：null三、筒体轴向应力验算：
1、轴向弯矩计算： 已知：L=20m取 （1）鞍座截面处的弯矩：null（2）跨中截面处的弯矩：2、轴向应力计算：
由上面的计算结果可知跨中截面弯矩远大于鞍座截面处的弯矩，且可以不考虑鞍座处的“偏塌”现象，因此，只计算跨中截面的轴向应力即可。null（1）跨中截面最高点的轴向应力：因为是内压操作，可以不考虑 则 null（2）跨中截面最低点的轴向应力：（3）轴向应力校核：null取 可见： 满足强度及稳定性的要求四、鞍座处的切向剪应力校核：因 可认为鞍座靠近封头，封头对鞍座处筒体有加强作用。 鞍座包角 查表： null封头中的切向剪应力： 校核：均满足强度要求。null五、鞍座处筒体周向应力验算：1、鞍座板不做加强板：
（1）筒体最低点的周向应力：K5 =0.7603 k=1null显然不满足 （2）鞍座边角处的周向应力：由于： 则 ： null显然不满足 不论是最低点处，还是鞍座边角处的周向应力都不满足强度要求，故需在筒体和支座之间加衬托板取衬托板厚度 取 此时： null均满足要求2、垫板起加强作用： 此时： 可算得均满足要求。 null六、鞍座腹板的强度校核：腹板厚 ： 计算高度： 则得： null至此鞍座强度验算合格
设计结果：筒体 DN3200 鞍座脱板不起加强作用时，
应加一块厚 8mm 宽550mm 的衬托板。 材料Q235封头 DN3200材料Q235双鞍座材料Q235nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull
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