空气储罐的设计研究

【摘 要】结合压力容器发展情况，考虑材料强度、容器介质和焊接方法等因素，依据国家标准规定对常用空气储罐设备筒体，密封头和人孔以及辅件进行设计，对压力容器的优化设计和应用提供了参考。

【关键词】压力容器；空气储罐；设备

一、概述

压力容器是最高工作压力P≥0.1MPa，容积V≥25L，用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质。它广泛地用于化工、炼油、机械、动力、轻工、冶金及运输等工业部门。随着石油化工和原子能等工业的迅猛发展，压力容器制造技术也有了很大的发展，它主要表现在以下三个方面：一是压力容器向大型化过渡；二是低合金高强度钢的广泛应用；三是焊接新工艺、新技术的广泛应用，使得焊接质量进一步提高，从而提高了这些大型产品质量的可靠性。

二、容器的设计

首先必须满足各种工艺要求，确定合适的储罐形式；在设计中还要考虑场地条件；环境温度和载荷条件等；此外还需考虑了经济性，实用性，安全可靠性。因此结合上述条件进行综合的考虑，以确定最佳的设计方案。设计压力P=1.5MPa，容积V=4.3m3，设计温度为50℃的空气储罐。依据GB150-2011《钢制压力容器》的规定，对压力容器的外壳筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件六大部件进行设计。

1.圆筒的设计。根据圆形容器的最佳经济直径得：当容器的设计压力为1.5MPa，容积为4.0m3时，则直径取1.3m为最佳经济直径。（1）确定外形尺寸。圆筒直径1.3m；高H===3.013≈3.0m。（2）确定圆筒的名义厚度。名义厚度等于设计厚度加上材料厚度负偏差后向上圆整至材料标准规格的厚度。第一，在设计温度下圆筒的计算厚度为：[σ]tQ235-B在设计温度50°C时的许用应力在钢板厚度3～16mm时为113MPa。公式适用范围为Pc≤0.4[σ]tΦ，焊接接头系数Φ因容器局部无损检测取0.85。即0.4[σ]tΦ=0.4×113×0.85=38.42.由于Pc=1.5[σ]tΦ，此设计不合格，需重新计算。采用同样方法，将名义厚度取为10mm时，圆筒的计算应力为117Mpa，仍不合格。在满足设计条件的要求下，修改材料的名义厚度，将材料圆整至标准厚度取12mm。δe=12-1-0.68=10.32mm，σt====95.22

2.容器封头设计。（1）封头类型选择。椭圆形封头依据GB150-2011一般采用长短轴比值为2的标准型。椭圆形封头，代号为EHA；长半轴a=650mm，b=325mm。根据GB/T25198-2010《压力容器封头》规定，当封头直径DN≤2000mm时，封头直边高h为25mm。（2）封头计算厚度。由于此封头受内压（凹面受压），此封头计算厚度为：K=[2+（）2]=[2+（）2]=1，δh===10.2mm。椭圆形封头的最大允许工作压力[Pw]：δch=δh-1-0.102=10.89mm，[Pw]==1.6MPa。（3）封头参数计算。标准椭圆封头，有：a=Di/2，a=2b，于是，容积（m3）：V=D3t+D2th=×1.33+×1.33×0.025=0.285+0.033=0.318m3；质量（kg）：W=pπδn[+Diδn+δn2+（Di+δn）h]×10-6=180.3kg；总深度（mm）：H=+h=350mm。

3.人孔的选择。根据HG/T21514～21535-2005《钢制人孔和手孔》，容器公称压力1.5MPa，温度为50℃，选HG/T21517-2005《回转盖带颈平焊法兰人孔》采用突面（RF型）型。

图1 人孔密封型式

dop：开孔直径；δet：接管有效厚度；δ：壳体开孔处的计算厚度；fr：度消弱系数。人孔标记：人孔RFⅠb-8.8A640-1.6HG/T2

1517-2005需对筒体进行开孔补强。此容器属于内压容器，壳体开孔所需补强面积A=dopδ+2δδet（1-fr）。对安放式接管取fr=1.0，A=480×12+2×12×12（1-1）=5760mm2。

4.设计其他部件。（1）进出气口。（2）排污口。（3）选择压力表。由于设计压力为1.6MPa，压力表选用量程为0MPa～2.5MPa的压力表。（4）安全阀。为了防止气动装置和设备的超过给定值而引起过压，必须采用安全阀对装置采取安全保护措施。根据容器的工作压力pw，确定安全阀的整定压力pz，一般取pz=（1.05-1.1）；整定压力pz=1.1×1.6=1.76MPa。

5.容器支座设计。（1）容器支座的选择。根据JB/T4721

-2007《容器支座》标准，此储罐设计为A型支承式支座，如图2：

图2 支承式支座

（2）确定参数及尺寸。A型支承式支座的结构及尺寸如下表1：

表1 支座结构及尺寸

（3）选择材料。支座垫板材料应与容器封头材料相同；支座底板材料和A型支座筋板材料为Q235-A。钢板焊制的2号支承式支座，支座材料和垫板材料为Q235-A和Q235-B。标记为：JB/T4712.4-2007，支座A2，材料：Q235-A/Q235-B。

三、总结

压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，容器的制造、检验与验收都应依据国家标准进行；容器的焊接完成后检查壳体的直径，并对容器进行热处理和耐压试验，使之符合设备的技术要求。随着机械加工、无损检测等行业的发展、先进高效设备的采用，压力容器制造技术有了很大的提高。此外，还应在在材料的纯净度、材料介质的适应性、材料的应用界限和液化气体的膨胀性、压缩性等方面进一步研究。只有综合考虑以上的参数和因素，才能使压力容器规范、安全和高效的发挥作用。

参 考 文 献

[1]GB150-2011《压力容器》

[2]JB/T4721.1～4721.4-2007《容器支座》

[3]JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》

[4]HG/T21514 21535-2005《钢制人孔和手孔》

[5]GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》

[6]NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》

[7]NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》

[8]NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》