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过程设备设计 第五章 储存设备 第一节第一节 概述概述 第二节 卧式储罐 第三节 球形储罐 1 1 过程设备设计 教学重点： 基本概念介绍 教学难点： 无 5.1 概述 5.1 概述 2 2 过程设备设计5.1 概述 第一节 概述 应用 举例 特点 储存或盛装气体、液体、液化气体 等介质的设备 石油、化工、食品、制药、轻工、 能源、环保等行业 3 3 过程设备设计 应用 举例 特点 氢气储罐、液化石油气储罐、石油储 罐、液氨储罐等； 燕化炼油厂储罐区…… 5.1 概述 4 4 过程设备设计 应用 举例 特点 储罐内的压力直接受温度的影响； 介质往往易燃、易爆或有毒 5.1 概述 5 5 过程设备设计 结构形式 卧式 立式 球形储罐 常识 石油化工工业中，储罐可按照储存介质的 物理状态、储罐形状、储罐内部压力三种 方法分类 5.1 概述 6 6 过程设备设计 介质的物理状态 储存气体的 大气环境温度下，储存接近常压气体的储罐 =====气柜； 大气环境温度下，储存经过加压的气体，通 常采用卧式、球形储罐和高压气瓶 5.1 概述 7 7 过程设备设计 储存液体的 大气环境温度和气相压力接近于常压的条件下，储 存液体（如石油、汽油、煤油、柴油等石油液体产 品），一般用立式圆筒形储罐；当在容量不大于 100m3 条件下，也经常用卧罐。

大气环境温度下，压力储存的液化气体（如液化石 油气体）容量大于 100m3时，通常用球形储罐；容 量不大于100m3时，常用卧罐 在低温和接近于常压条件下，储存液化石油气，通 常用立式圆筒形储罐 5.1 概述 8 8 过程设备设计 介质的物理状态 储存固体的 称为料仓 5.1 概述 储罐的设计 应考虑哪些因素 介 质 性 质 场 地 条 件 液 化 气 体 9 9 过程设备设计 介 质 性 质 可燃性 饱和蒸气压 密度 腐蚀性 毒性 化学反应活性等 5.1 概述 1010 过程设备设计 介质特性 可燃性 饱和蒸气压 密度 腐蚀性 毒性 化学反应活性等 可燃性的分类和登记可以 在有关消防规范中查得 5.1 概述 1111 过程设备设计 介质特性 可燃性 饱和蒸气压 密度 腐蚀性 毒性 化学反应活性等 一定温度下的密闭容器中，达 到气液两相平衡时气液分界面 上的蒸气压力，随温度而变化 与容积大小无关 5.1 概述 1212 过程设备设计 介质特性 可燃性 饱和蒸气压 密度 腐蚀性 毒性 化学反应活性等 重力载荷 选材的首要依据 毒性程度直接影响设备制 造技术与管理登记，以及 安全附件的配置。

5.1 概述 1313 过程设备设计 场 地 条 件 环境温度—保温与否 室内、外—载荷的影响 地基—影响振动频率， 还与基础的设计密切相关 5.1 概述 1414 过程设备设计 盛装液化气体 介质特性 场地特性 液化气体的 膨胀性、压缩性 充装量 失稳校核 设计温度下介质的 饱和液体密度 温度过低 5.1 概述 装量系数 1515 过程设备设计 第五章 储存设备 第一节 概述 第二节 卧式储罐 第三节 球形储罐 1616 过程设备设计 5.2.1 基本结构 5.2.2 设计计算 第二节 卧式储罐 1717 过程设备设计 教学重点： 卧式储罐的设计计算 教学难点： 卧式储罐的设计计算 5.2 卧式储罐 本章重点 本章计算 难点 本章计算 重点 1818 过程设备设计 5.2.1 基本结构 一 、地面卧式储罐 1.基本结构 图5-1 地面储罐的基本结构（鞍式支座） 1919 过程设备设计 鞍式支座 2020 过程设备设计 图5-1 地面储罐的基本结构（圈座） 根据内压或外压设备的设计方法初步计算厚度 考虑支座形式及结构的影响 校核附加载荷下周向、轴向强度和稳定性 从而确定实际的圆筒厚度 5.2.1 基本结构 圈座 2121 过程设备设计 A.鞍式支座 设计要点 支座数量的决定 安装位置的安排 鞍座包角的选取 鞍座标准的选用 5.2.1 基本结构 2222 过程设备设计 支座数量的决定 安装位置的安排 双鞍座结构较普遍，多支座结构难 于保证各支座受力均匀 一般，A ≤0.2L，且最好A ≤0.5R m A 最大不超过0.25L 双支座 鞍座包角的选取 影响鞍座处圆筒截面上的应力分布， 影响稳定性和储罐-支座系统重心的高低 常用包角120°、135 °、150°我国JB/T4712用120°、150° 为什么? 一个固定（重量大，配管较多的一侧） 一个可沿轴线移动（操作时和安装时的 温度不同可能引起热膨胀以及可能出现 弯曲造成附加应力） 5.2.1 基本结构 过程设备设计 2323 过程设备设计 鞍座标准 的选用 利用标准选用支座时 要充分考虑 设计温度 地震设防烈度 支座允许载荷 是否设有垫板等 B.圈座 应用情况 因自身重量而可能造成严重 挠曲的薄壁容器 多于两个支承的长容器 5.2.1 基本结构 过程设备设计 2424 过程设备设计 二、地下卧式储罐 1-牺牲阳极 2-浮子液面计 3-金属导线 4-电线保护测试点 5-压力表 6-护罩 7-安全阀 8-罐装气相阀门 9-罐装液相阀门 10-排污和倒空管阀门 11-罐间气相连接管 12-罐体 13-罐间液相连接管 14-支座 图5-2 地下储罐结构示意图 5.2.1 基本结构 过程设备设计 结构 2525 过程设备设计 优点 减少占地面积和安全防火距离 避开环境温度的影响 埋地措施 地下室 埋土 地下支座 涂沥青防锈层或牺牲阳极法 地土埋设，达到预期埋土高度 5.2.1 基本结构 过程设备设计 2626 过程设备设计过程设备设计 5.2.1 基本结构 5.2.2 设计计算 第二节 卧式储罐 2727 过程设备设计 给定设计条件：压力、温度、直径、长度、材料等 计算圆筒和封头厚度δn ，δh 设置鞍座位置A 计算容器质量、鞍座反力、轴向弯矩m 、F、M1、M 2 卧式储罐的计算过程 计算轴向应力σ1 ~σ4 计算切向应力τ、τh 计算周向应力σ5-8 、 σ’6 计算鞍座应力σ9 四类应力按此 顺序逐一符合要求， 则设计结束。

若四类应力中有任何一个不符合 许用要求，则需要做相应调整 5.2.2 设计计算 2828 过程设备设计 调整方法 增加圆筒或封头厚度 调整鞍座位置 调整鞍座形式 设置加强件、加强板或加强圈 调整方法和顺序，见课本238页 5.2.2 设计计算 2929 过程设备设计 一、卧罐的载荷分析 1.压力： 内压或外压 2.储罐重量：圆筒+封头+附件的总重量 3.物料重量：正常操作时=物料重量 水压试验时=充水重量 4.其他载荷：环境影响下的载荷，如风载、雪载、地震载等 卧罐总重量作用的总长度为L'=L+（4/3）H 两凸形封头折算成 同直径圆筒长度 5.2.2 设计计算 3030 过程设备设计 单位长度的均布载荷 若忽略储罐自身重量 将储罐简化后的力学模型 5.2.2 设计计算 3131 过程设备设计 简化过程 图5-3 双鞍座卧式储罐受力分析（a )受力分析 5.2.2 设计计算 3232 过程设备设计 力学模型的简化 简化为长度L，受均布载荷q作用的外伸简支梁 图5-3 双鞍座卧式储罐受力分析（b) 两支点外伸梁 5.2.2 设计计算 3333 过程设备设计 封头本身和其中物料的总量 作用在其重心上 凸形封头（包括物料）重心近似 到封头切线距离 凸形封头（包括物料）重量近似在简支梁端点的等效载荷为 剪力： 力偶： 5.2.2 设计计算 3434 过程设备设计 图5-4 液体静压力 及其合力 罐内充满的液体对平板封头推力力矩近似： 过程设备设计 对其他凸形封头的 推力力矩均简化为 5.2.2 设计计算 3535 过程设备设计 得梁端点的力偶 通过以上简化卧罐的力学简化模型 过程设备设计 5.2.2 设计计算 3636 过程设备设计 剪力 弯矩 过程设备设计 5.2.2 设计计算 3737 过程设备设计 二、内力分析二、内力分析 （1）弯矩 A. 圆筒在支座跨中截面处的弯矩 简化整理几何参数 正：上半部圆筒受压缩 下半部圆筒受拉伸 过程设备设计 5.2.2 设计计算 3838 过程设备设计 B. 圆筒在支座截面处的弯矩 简化 整理几何参数 负：上半部圆筒受拉伸 下半部圆筒受压缩 过程设备设计 5.2.2 设计计算 3939 过程设备设计 （2）剪力 A. 支座跨距中点处截面的剪力等于0 B. 支座截面上的剪力： a.当A＞0.5Ri 时： b.当A≤0.5Ri 时： 保守做法 应计及外伸圆筒 和封头两部分 重量的影响 过程设备设计 （5-5a） （5-5b） 5.2.2 设计计算 4040 过程设备设计 三、圆筒应力计算和强度校核 （1）圆筒上的轴向应力 （2）支座截面处圆筒和封头上的切向切应力 和封头的附加拉伸应力 （3）支座截面处圆筒的周向弯曲应力 （4）支座截面处圆筒的周向压缩应力 （5）周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核 （6）加强圈设计 圆筒 周向应力 过程设备设计 5.2.2 设计计算 4141 过程设备设计 （1）圆筒上的轴向应力 除支座附近截面外，其他各处圆筒在承受轴向弯矩时， 仍然可以看成抗弯截面模量为πRiδe的空心圆截面梁， 而并不承受周向弯矩的作用。

如果圆筒不设加强圈，且A0.5Ri ，由于支座处截面受 剪力作用而产生周向弯矩，在周向弯矩的作用下，导致 支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象， 见图5-5 “扁塌”一旦发生，那么支座处圆筒截面的上部就成为难 以抵抗轴向弯矩的“无效截面”，而剩下的圆筒下部截面 才是能够承担轴向弯矩的“有效截面” “扁塌”现象 过程设备设计 2 5.2.2 设计计算 4242 过程设备设计 齐克据实验测定结果 认为，与“有效截面” 弧长对应的半圆心角 Δ等于鞍座包角θ之半 加上β/6，即 图5-5“扁塌”现象 过程设备设计 “扁塌”现象引起的无效区 无效截面积 有效截面积 d 5.2.2 设计计算 4343 过程设备设计 跨距中点处圆筒截面由轴向弯矩引起的轴向应力 跨距中点处圆筒截面由内压引起的轴向应力 跨距中点处圆筒截面总的轴向应力 a 最高点（压缩应力） 最低点（拉伸应力） 过程设备设计 （5-6） （5-7） 5.2.2 设计计算 4444 过程设备设计 b 支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向应力 惯性矩、 抗弯截面模量 变化 支座截面处圆筒由轴向弯矩引起的轴向(拉伸)应力σ3 当圆筒在鞍座平面上有加强圈或被封头加强 （即A0.5Ri 的筒体： φ=α时，τ最大 当 o 120=θ 、 o 135 、 o 150 时，可对应求得=K31.171 、 0.958 和 0.799 图5-7未被加强圆筒上 的切向切应力 过程设备设计 其中，剪力 （5-11） 5.2.2 设计计算 5252 过程设备设计 C D 图5-8 被封头加强的圆筒 上的切向切应力 c.被封头加强的圆筒： 此时外伸部分重量忽略，由此 假设外伸部分无剪力，看右图 截面上上下力相等 其中，剪力V=F 当θ分别为120°、135°和150°时，K3 =0.880、0.645和0.485。

τ最大值在 C、D位置 过程设备设计 （5-12） 5.2.2 设计计算 5353 过程设备设计 d.封头中的附加拉伸应力（A≤0.5Ri，封头对圆筒起加强作用） 0.401、0.344和0.297 和的汇总见表 5-2 过程设备设计 （5-13） 5.2.2 设计计算 5454 过程设备设计 切向切（剪）应力的校核 筒体中的切向切应力，应小于材料的许用切应力,即 作用在封头上的附加拉伸应力和由内压所引起的拉伸 应力相叠加后 其中，K是椭圆形封头形状系数， 如果是碟形或圆形，请同学考虑 当封头承受外压时，5-14中不必计算内压引起的拉伸应力σh 过程设备设计 （5-14） 5.2.2 设计计算 5555 过程设备设计 （3）支座截面处圆筒的周向弯曲应力 （4）支座截面处圆筒的周向压。