第五章 储存设备

1. 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

2. 过程设备设计 第二节 卧式储罐 5.2.1基本结构 5.2.2设计计算

3. 1.基本结构 切线 切线 C向放大 一 、地面卧式储罐 图5-1 地面储罐的基本结构（鞍式支座）

4. 过程设备设计 圈座 （b） 图5-1 地面储罐的基本结构(圈座)

5. 过程设备设计 数量 位置 固定方式 包角 选用 ⑴支座数量: 双鞍座结构较普遍 鞍式支座 设计要点 理论上:多支座→M↓,σ↓,受力好 实际上:a.地基不均匀沉陷 b.筒体不直、不圆 c.基础水平度误差 造成 支座反力不均， 局部应力增加， 体现不出多支座优点→采用2个 2.

6. ② 为什么? 原因 操作和安装温度不同引起热膨胀 结构 可能出现弯曲造成附加应力 开长圆孔(图5-1) 滚动轴承→结构复杂,制造难,用于重要设备上 ⑵安装位置:① ∴一般 A≤0.2L，且最好A ≤0.5Rm，A最大不超过0.25L ⑶固定方式: 注意: 固定支座设置在配管较多的一侧； 活动支座设置在没有配管或配管较少的一侧

7. 设计温度 大:(优)鞍座处筒体σ↓→对筒体有利 地震设防烈度 (缺)鞍座受水平推力↑,且鞍笨耗材→对鞍座不利 支座允许载荷 是否设有垫板等 小:鞍座处筒体σ↑且重心较高,筒体 倾倒 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 ⑷包角:1200、1500 ⑸选用: 利用标准选用支座时要充分考虑 JB/T 4712 3.圈座应用情况:

8. 过程设备设计 结构 二、地下卧式储罐 7 8 9 6 5 10 4 11 12 3 2 1 14 13 1.结构 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

9. 结构: • 圆筒、封头、支座、

10. 过程设备设计 减少占地面积和安全防火距离 2.优点 避开环境温度的影响 地下室 地下支座 3.埋地措施 涂沥青防锈层或牺牲阳极法 埋土 土地埋设，达到预期埋土高度

11. 过程设备设计 第二节 卧式储罐 5.2.1基本结构 5.2.2设计计算

12. 根据内压或外压设备的设计方法初步计算厚度 考虑支座安装位置、支座反力、包角及结构的影响，计及各种附加载荷 校核附加载荷下筒体轴向、周向应力和稳定性→确定 实际的圆筒厚度 一、设计步骤： 注意:卧式储罐支座与罐体设计同时进行（因为支座受力与所 支承储罐重量和支座本身的结构与尺寸有密切关系）

13. 过程设备设计 卧式储罐的具体计算过程： 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 计算轴向应力σ1 ~σ4 四类应力按此 顺序逐一符合要求， 则设计结束。 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 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。

14. 过程设备设计 调整鞍座位置 调整鞍座形式 设置加强件;加强板或加强筋 增加圆筒或封头厚度 调整方法和顺序，见书中238页 调整方法

15. 过程设备设计 卧罐总重量作用的总长度为L'=L+2×2H/3=L+4H/3 两凸形封头折算成 同直径圆筒长度 二、卧罐的载荷分析(外载) a.压力：　　内压或外压 b.储罐重量：圆筒+封头+附件的总重量 c.物料重量：正常操作时=物料重量 水压试验时=充水重量 d.其他载荷：环境影响下的载荷，如风载、雪载、地震载等

16. 过程设备设计 简化过程 H F F A A 图5-3 双鞍座卧式储罐受力分析（a )受力分析

17. 过程设备设计 均布载荷 A 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) 双支点外伸梁

18. :图5-3(b) 2.竖直剪力 和力偶 封头 静液压: 合成 当解除支座的约束后,梁上受到如下的外力作用(不包括p) 1.均匀载荷q和支座反力F： 或 方法:材力→截面法

19. 过程设备设计 图5-4 液体静压力及其合力

20. 均布载荷 A

21. 过程设备设计 三、内力分析 梁弯矩图和剪力图如图5-3（c）（d）所示 V 剪力 F 弯矩 M1 M2

22. 1.弯矩: 1)跨中截面： 整理几何参数 简化得 (5-3) 正：上半部圆筒受压缩 下半部圆筒受拉伸

23. 2)支座处截面： (5-4) 式中: 查图 负：上半部圆筒受拉伸 下半部圆筒受压缩

24. 跨中截面剪力为0,不考虑; 支座处截面的最大剪力，通常在靠近圆筒纵向中心一侧的圆筒截面上。 2.剪力: a.当A＞0.5Ri时： (计及外伸圆筒和封头两部分重量的影响) b.当A≤0.5Ri时： 保守概念 (不计及外伸圆筒和封头两部分重量的影响)

25. —横截面积 对中性轴的静矩。 —横截面对中性轴的惯性矩 补充： 由材力，单位弧度切向剪力为 式中：

27. 3.支座截面处筒体的周向弯矩 (N.mm) 数值:1)有加强圈时：任意角度 处 （5-16） 查图5-11 原因:由 引起 求解:取薄壁曲梁分析，假设变形后仍为圆环（推导从略） 取V=F 鞍座边角 2)无加强时: A＞0.5Ri 且无加强圈→不能由整个圆筒 承受切向切应力。 计算Mβ复杂，近似用有加强圈时公式

28. 3)被封头加强时： 1)对称y轴且 发生在鞍座边角处。 3)局部性:只在鞍座附近筒体截面有 ,其余截面上没有。 鞍座边角处Mβ比无加强时Mβ小 式中: （表5-3） 特点: 2) 大包角对筒体受力有利。

30. 4.支座截面处筒体的周向压缩力T (N) 鞍 筒体径向反力 T b.T仅存在于局部区域，根据实验假设为 数值： a.有加强圈：后面讲 鞍座边角处 原因:a. b.周向分布的切向剪力 假设:a.支座与壳体间无摩擦→支座反力都通过圆心 （5-22） b.无加强圈： 筒体最低点

32. 四、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.周向弯曲应力和周向压缩应力的强度校核 4.加强圈设计

33. 1.圆筒上的轴向应力 (拉/压) (拉) ⑴跨中：

35. 扁塌效应:筒体无加强时(A>0.5Ri且无加强圈), 在 支座处筒体上部截面 发生变形→成为无效截面的现象 后果 （有效截面半圆心角 ) ⑵支座处筒体： 扁塌后的部分未能起到梁作用,使筒壁

36. 过程设备设计 “扁塌”现象引起的无效区 无效截面积 图5-5“扁塌”现象 d 有效截面积

37. (负值) (拉) 有加强(封头/圈) 筒拉弯模数 ∴ 当 无加强 筒拉弯模数 (拉/压)

38. 补充: 注意危险工况 当有加强(正压),如 当无加强(正压),如 s max 压

39. 2.支座截面处圆筒和封头上的切向切 (剪)应力和封头的附加拉伸应力 水平处 式中: ⑴筒maxτ及位置＝f(筒加强形式)，分三种情况： ①有加强圈:筒刚↑无扁塌（整个圆筒截面承受剪力） (5-10) 查表5-2 A τ1最大值在A、B位置 B

40. 式中: ②全无加强:A＞0.5Ri且无加强圈(仅有部分截面承受剪力) （5-11） 查表5-2 ③被封头加强：A≤0.5Ri，筒刚↑τ↓， 忽略外伸部分重量影响，V=F （5-12） 式中: 查表5-2

41. 最大值在C、D位置 最大值在A、B位置 比较: 无加强 封加强 加强圈 校核：

42. ②凸型封头 式中: 查表5-2 ⑵封头中切应力:一般情况,封头材料与筒体相同, （A≤0.5Ri） 所以不必对封头中τ另行校核。 ⑶封头附加拉伸应力:原因:封头中切向切应力→水平分量 （A≤0.5Ri） 封头附加拉伸应力 作用范围:沿封头整个高度 简化： ①设封头为平封头→受载面积 （5-13） 数值:

43. 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 当封头承受外压时，不必计算 校核: （5-14） 其中，K是椭圆形封头形状系数， 如果是碟形或球形，请同学考虑。

44. 3.筒体周向应力: 支座截面处圆筒的周向弯曲应力 + 支座截面处圆筒的周向压缩应力 周向应力

45. 2处可能有 有效长度 周向应力: 最低点 鞍边角处 式中：

46. β σ6’ σ6 θ σ5 横截面最底点处σ5 鞍座边角处σ6 鞍座垫板边缘处圆筒中的周向应力σ6’

47. 取值: 鞍座板不起加强作用 b.若以上两条件均不能满足 仅由圆筒承受T、Mβ→代入 注意： a.当鞍座板宽度不小于b2,且其包角达 鞍座板起加强作用,于圆筒一起承受T、Mβ, 上述公式中,以

48. 过程设备设计 4.加强圈设计 支座因结构原因而不能设置在靠近封头处 (A＞0.5Ri)，且筒体不足以承受周向弯矩Mβ时→需在支座截面处的筒体上设置加强圈→与筒体一起承载。 原因: 图5-13 结构：

49. 过程设备设计 x b1 d d b1 b1 d δe x x δe δe x x e x x b1 A A A b1 e 在鞍座截面上的加强圈 靠近鞍座的 外加强圈 靠近鞍座的 内加强圈 图5-13 加强圈结构

50. 过程设备设计 β σ8 θ σ7 设计： • ①鞍座截面处设置内加强圈时： 鞍座边角处的圆筒周向应力 鞍座边角处加强圈内缘或 外缘表面的周向应力