空氣儲罐的設(shè)計(jì)研究

【摘 要】結(jié)合壓力容器發(fā)展情況，考慮材料強(qiáng)度、容器介質(zhì)和焊接方法等因素，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對常用空氣儲罐設(shè)備筒體，密封頭和人孔以及輔件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；空氣儲罐；設(shè)備

一、概述

壓力容器是最高工作壓力P≥0.1MPa，容積V≥25L，用于儲存或盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)。它廣泛地用于化工、煉油、機(jī)械、動力、輕工、冶金及運(yùn)輸?shù)裙I(yè)部門。隨著石油化工和原子能等工業(yè)的迅猛發(fā)展，壓力容器制造技術(shù)也有了很大的發(fā)展，它主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是壓力容器向大型化過渡；二是低合金高強(qiáng)度鋼的廣泛應(yīng)用；三是焊接新工藝、新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得焊接質(zhì)量進(jìn)一步提高，從而提高了這些大型產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

二、容器的設(shè)計(jì)

首先必須滿足各種工藝要求，確定合適的儲罐形式；在設(shè)計(jì)中還要考慮場地條件；環(huán)境溫度和載荷條件等；此外還需考慮了經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性，安全可靠性。因此結(jié)合上述條件進(jìn)行綜合的考慮，以確定最佳的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)壓力P=1.5MPa，容積V=4.3m3，設(shè)計(jì)溫度為50℃的空氣儲罐。依據(jù)GB150-2011《鋼制壓力容器》的規(guī)定，對壓力容器的外殼筒體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座及安全附件六大部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.圓筒的設(shè)計(jì)。根據(jù)圓形容器的最佳經(jīng)濟(jì)直徑得：當(dāng)容器的設(shè)計(jì)壓力為1.5MPa，容積為4.0m3時(shí)，則直徑取1.3m為最佳經(jīng)濟(jì)直徑。（1）確定外形尺寸。圓筒直徑1.3m；高H===3.013≈3.0m。（2）確定圓筒的名義厚度。名義厚度等于設(shè)計(jì)厚度加上材料厚度負(fù)偏差后向上圓整至材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。第一，在設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算厚度為：[σ]tQ235-B在設(shè)計(jì)溫度50°C時(shí)的許用應(yīng)力在鋼板厚度3～16mm時(shí)為113MPa。公式適用范圍為Pc≤0.4[σ]tΦ，焊接接頭系數(shù)Φ因容器局部無損檢測取0.85。即0.4[σ]tΦ=0.4×113×0.85=38.42.由于Pc=1.5<38.42，即：δ===5.8mm。第二，在設(shè)計(jì)溫度下圓筒的設(shè)計(jì)厚度：儲存介質(zhì)為空氣，腐蝕裕量不小于1mm，取值為1mm。δ1=δ+1=5.8+1=6.8mm。根據(jù)材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，圓筒的名義厚度取8mm。（3）圓筒的計(jì)算應(yīng)力。δe為名義厚度減去腐蝕裕量和材料厚度負(fù)偏差，δe=8-1-0.68=6.32mm。σt===155Mpa，[σ]tΦ=113×0.85=96.05MPa。因σt>[σ]tΦ，此設(shè)計(jì)不合格，需重新計(jì)算。采用同樣方法，將名義厚度取為10mm時(shí)，圓筒的計(jì)算應(yīng)力為117Mpa，仍不合格。在滿足設(shè)計(jì)條件的要求下，修改材料的名義厚度，將材料圓整至標(biāo)準(zhǔn)厚度取12mm。δe=12-1-0.68=10.32mm，σt====95.22<[σ]tΦ合格。（4）設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大工作壓力為：[Pw]====1.51Mpa。

2.容器封頭設(shè)計(jì)。（1）封頭類型選擇。橢圓形封頭依據(jù)GB150-2011一般采用長短軸比值為2的標(biāo)準(zhǔn)型。橢圓形封頭，代號為EHA；長半軸a=650mm，b=325mm。根據(jù)GB/T25198-2010《壓力容器封頭》規(guī)定，當(dāng)封頭直徑DN≤2000mm時(shí)，封頭直邊高h(yuǎn)為25mm。（2）封頭計(jì)算厚度。由于此封頭受內(nèi)壓（凹面受壓），此封頭計(jì)算厚度為：K=[2+（）2]=[2+（）2]=1，δh===10.2mm。橢圓形封頭的最大允許工作壓力[Pw]：δch=δh-1-0.102=10.89mm，[Pw]==1.6MPa。（3）封頭參數(shù)計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，有：a=Di/2，a=2b，于是，容積（m3）：V=D3t+D2th=×1.33+×1.33×0.025=0.285+0.033=0.318m3；質(zhì)量（kg）：W=pπδn[+Diδn+δn2+（Di+δn）h]×10-6=180.3kg；總深度（mm）：H=+h=350mm。

3.人孔的選擇。根據(jù)HG/T21514～21535-2005《鋼制人孔和手孔》，容器公稱壓力1.5MPa，溫度為50℃，選HG/T21517-2005《回轉(zhuǎn)蓋帶頸平焊法蘭人孔》采用突面（RF型）型。

圖1 人孔密封型式

dop：開孔直徑；δet：接管有效厚度；δ：殼體開孔處的計(jì)算厚度；fr：度消弱系數(shù)。人孔標(biāo)記：人孔RFⅠb-8.8A640-1.6HG/T2

1517-2005需對筒體進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)。此容器屬于內(nèi)壓容器，殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積A=dopδ+2δδet（1-fr）。對安放式接管取fr=1.0，A=480×12+2×12×12（1-1）=5760mm2。

4.設(shè)計(jì)其他部件。（1）進(jìn)出氣口。（2）排污口。（3）選擇壓力表。由于設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，壓力表選用量程為0MPa～2.5MPa的壓力表。（4）安全閥。為了防止氣動裝置和設(shè)備的超過給定值而引起過壓，必須采用安全閥對裝置采取安全保護(hù)措施。根據(jù)容器的工作壓力pw，確定安全閥的整定壓力pz，一般取pz=（1.05-1.1）；整定壓力pz=1.1×1.6=1.76MPa。

5.容器支座設(shè)計(jì)。（1）容器支座的選擇。根據(jù)JB/T4721

-2007《容器支座》標(biāo)準(zhǔn)，此儲罐設(shè)計(jì)為A型支承式支座，如圖2：

圖2 支承式支座

（2）確定參數(shù)及尺寸。A型支承式支座的結(jié)構(gòu)及尺寸如下表1：

表1 支座結(jié)構(gòu)及尺寸

（3）選擇材料。支座墊板材料應(yīng)與容器封頭材料相同；支座底板材料和A型支座筋板材料為Q235-A。鋼板焊制的2號支承式支座，支座材料和墊板材料為Q235-A和Q235-B。標(biāo)記為：JB/T4712.4-2007，支座A2，材料：Q235-A/Q235-B。

三、總結(jié)

壓力容器是一個(gè)涉及多行業(yè)、多學(xué)科的綜合性產(chǎn)品，容器的制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收都應(yīng)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；容器的焊接完成后檢查殼體的直徑，并對容器進(jìn)行熱處理和耐壓試驗(yàn)，使之符合設(shè)備的技術(shù)要求。隨著機(jī)械加工、無損檢測等行業(yè)的發(fā)展、先進(jìn)高效設(shè)備的采用，壓力容器制造技術(shù)有了很大的提高。此外，還應(yīng)在在材料的純凈度、材料介質(zhì)的適應(yīng)性、材料的應(yīng)用界限和液化氣體的膨脹性、壓縮性等方面進(jìn)一步研究。只有綜合考慮以上的參數(shù)和因素，才能使壓力容器規(guī)范、安全和高效的發(fā)揮作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]GB150-2011《壓力容器》

[2]JB/T4721.1～4721.4-2007《容器支座》

[3]JB/T4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》

[4]HG/T21514 21535-2005《鋼制人孔和手孔》

[5]GB24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》

[6]NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》

[7]NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》

[8]NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》