化工制图CAD教程与开发4化工容器绘制.docx
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化工制图CAD教程与开发4化工容器绘制
第4章化工容器绘制
▪本章导引
▪化工容器的设计基础
▪化工容器绘制
本章导引
本章介绍的是一种较为狭义的化工容器,该容器主要是作为原料、中间产物、产品的储存的容器,如大型炼油厂的原油储罐、油制气厂的球形储气罐等,一般无化学反应。
12
34
5
图4-1容器结构示意
1—封头;2—接管;3—筒体;4—人孔;5—支座
化工容器的设计基础
化工容器的分类
化工容器的分类方法很多,目前没有形成统一的硬性规定,通常可按容器的作用原理、形状、容器厚度、承压性质、工作温度、放置形式、制造材料及容器的技术管理规范等进行分类。
⑴按容器的作用原理分类
按容器的作用原理可分为换热容器、反应容器、分离容器、储存容器等。
⑵按容器形状分类
按容器形状分主要有球形容器、圆筒形容器、方形和矩形容器。
①球形容器由数块弓形板拼焊而成,承压能力好,但由于安装内件不便和制造较难,一般多用作储罐,如大型的储气罐。
②圆筒形容器由圆柱形筒体和封头（椭球形、半球形、碟形、圆锥形、平板形所组成。
圆柱形筒体作为容器主体,其制造容易,安装内件方便,而且承压能力较好,是化工企业中应用最广的一类容器。
③方形和矩形容器由平板焊成,其制造过程简单,技术要求低,但承压能力差,一般只用作常压或低压小型储槽。
⑶按容器厚度分类
压力容器按厚度可以分为薄壁容器和厚壁容器。
通常,厚度与其最大截面圆内径的比值K（≤0.1的容器称为薄壁容器,K>0.1的称为厚壁容器。
0/DKδ=
化工容器的分类
⑷按容器承压性质和能力分类
按承压性质可将容器分为常压容器与受压容器两类。
受压容器又可以分为内压容器和外压容器两类。
当容器内部介质压力大于外部压力时,称为内压容器;当容器内部压力小于外部压力时,称为外压容器,其中,内部压力小于一个绝对大气压（0.1MPa的外压容器,又叫真空容器。
内压容器按其所能承受的工作压力,又可分为低压、中压、高压和超高压容器等4类,其受压情况如下:
低压:
0.1MPa≤p<1.6MPa中压:
1.6MPa≤p<10.0MPa
高压:
10.0MPa≤p<100MPa超高压:
100MPa≤p
⑸按容器的壁温分类
可分为低温容器、常温容器、中温容器和高温容器。
①低温容器指壁温低于-20℃条件下工作的容器。
其中在-40~-20℃条件下工作的容器为浅冷容器;在低于-40℃条件下工作的容器为深冷容器。
②常温容器指壁温在-20~200℃条件下工作的容器。
③中温容器指壁温在常温和高温之间的容器。
④高温容器指壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。
对碳素钢或低合金钢容器,温度超过420℃,其他合金钢超过450℃,奥氏体不绣钢超过500℃,均属高温容器。
化工容器的分类
⑹按容器的放置形式分类
容器按放置形式可分为卧式容器和立式容器。
⑺按制造材料分类
按制造材料来分,容器可分为金属制容器和非金属制容器两类。
金属制容器中,目前应用最多的是低碳钢和普通低合金钢制的容器。
在腐蚀严重或产品纯度要求高的场合,可使用不锈钢、不锈复合钢板或铝、银、钛等制的容器。
在深冷操作中,可用铜或铜合金。
而承压不大的塔节或容器可用铸铁。
非金属材料常用的有硬聚乙烯、玻璃钢不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷、砖、板、花岗岩、橡胶衬里等,它们既可用作容器的衬里,又可作独立的构件。
化工容器的分类
⑻按管理分类
国家劳动部门为了加强压力容器的安全技术管理和监督检查,根据容器的压力高低、介质的危害程度以及在生产过程中的重要作用,《压力容器安全技术监察规程》将压力容器（不包括核能容器、船舶上的专用容器和直接火焰加热的容器分为3类。
①低压容器为第一类压力容器[②、③规定的除外]。
②下列情况之一的,为第二类压力容器[③规定的除外]:
a.中压容器;
b.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质;
c.低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质;
d.低压管壳式余热锅炉;
e.低压搪玻璃压力容器。
③下列情况之一的,为第三类压力容器:
a.高压容器;
b.中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质;
c.中压存储容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质,且pV≥10MPa·m;
d.中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质,且pV≥0.5MPa·m;
e.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质,且pV≥0.2MPa·m;
f.高压、中压管壳式余热锅炉;
g.中压搪玻璃压力容器,使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限≥540MPa的材料制造的压力容器;
h.移动式压力容器,包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体、罐式汽车
[液化气体运输（半挂车、低温液体运输（半挂车、永久气体运输（半挂车]和罐式集装箱（介质为液化气体、体温液体等;
i.球形储罐（容积≥;
j.低温液体储存容器（容积>。
化工容器的分类
3m503m5
化工容器关键尺寸的计算
工艺尺寸的计算
工艺尺寸主要是指为了满足工艺的需要,容器应该具有的一些基本尺寸。
如容器的长度、直径（指内径、封头的类型及其尺寸,接管的大小、人孔的大小等工艺需求的尺寸。
⑴容器的体积尺寸
一般在设计容器前,就已经知道该容器能够装下的物料的体积（如果已知的是质量,也可通过密度换算得到体积V工艺,由此体积,再结合具体的容器结构就可以算出具体的尺寸。
对于用于物料停留的中间储罐的容积V工艺,可按下式计算:
式中G——物料流量,m3/s;
τ——物料在容器中的停留时间,s。
液体在容器内的停留时间可以用公式计算,也可以用实际测定得到的数据,表4-1提供了一般情况下容器内液体平均停留时间的参考值。
τ
GV=工艺本节目录
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化工容器关键尺寸的计算表4-1液体在容器中的平均停留时间参考值
储罐名称停留时间或周转时间原料罐及成品罐根据具体情况而定,一般为20天接受罐20min中间储罐或缓冲罐20min
气-液分离器3~5min
回流罐5~10min
液-液分离罐（已分层20min
化工容器关键尺寸的计算
①球形容器的直径球形容器虽然制造并不容易,单计算其大小是简单的一种,考虑到容器不能全部充满整个球形空间（气体除外,一般有一个充装系数,充装系数一般取0.85~0.95,则有下式:
（4-2
则球形容器的直径Di可由下式得到:
（4-3
6π3iDVη=工艺3π6iη工艺VD=η
化工容器关键尺寸的计算
②上下均采用平板封头的圆柱形容器假设容器的长径比为β,一般尽可能按经济原则考虑长径比,可按经验数据选择,常用的数据为2~4,则
（4-4
则圆柱形容器的尺寸如下:
4π3iDVβη=工艺3π4ηβ工艺VDi=32π4η
β工艺
Vhi=
化工容器关键尺寸的计算
③上下均采用标准形椭圆封头的圆柱形容器假设容器的长径比,则（此h已包括了封头的直边高度,封头的长轴和筒体的直径相同,封头的短轴为长轴的一半,则整个容器的计算体积为:
（4-6
则标准形椭圆封头的圆柱形容器的尺寸如下:
（4-7
3iC12
π3πDVβ+=iDhβ=3i31（π12ηβ+=工艺
VD33
i31（π12ηββ+=工艺Vhβ=i
Dh
化工容器关键尺寸的计算
④上下均采用半球形封头的圆柱形容器
假设容器的长径比,则（此h不包括封头的高度,球形封头的直径长和筒体的直径相同,高度为筒体直径的一半,则整个容器的计算体积为:
（4-8
则球形封头的圆柱形容器的尺寸如下:
（4-9
根据容器的工艺体积计算得到的容器的直径、高度等尺寸,在实际选用时需对数据进行圆整,至于其它形状的容器直径、高度等尺寸的计算,读者只要按照前面介绍的方法就可以自己推导得到所需尺寸,在此不再介绍。
iDhβ=3iC12
π3π2DVβ+=332（π12ηβ+=工艺
VDi33
32（π12ηββ+=工艺Vhiβ=iDh
化工容器关键尺寸的计算
接管大小的计算及位置的确定
容器中有许多接管,接管的直径和长度均要进行合理的选取或计算,对于接管的长度,如果是法兰连接的,一般需要100~150mm以上的长度,以便与法兰上螺栓的安装连接;如果采用螺纹连接,则其长度可以稍短一些。
对于接管的直径的大小,我们可以通过选择一个适宜的流速,然后通过工艺处理量算出其直径,并将其圆整后查取标准得到最后的接管直径。
一般管内为液体的适宜流速应小于3m/s,气体的适宜流速应小于100m/s,常见的流体在不同情况下的适宜流速见表4-2。
对于接管上的法兰,我们应选用和接管配套的标准法兰,根据手册查得的数据即可作为我们制图时的依据。
确定了接管的大小及配套法兰以后,还需确定接管的安装位置。
安装位置的确定应根据物料进出的方便、设备安装的方便、物料最后排空的方便等诸多因素确定。
比如物料的进料管一般在容器的上方,而出料管在容器的下方,最后的排空管应在容器的最底部。
下面通过两个具体的例子来说明接管大小的确定。
化工容器关键尺寸的计算
选定管子的适宜流速u（m/s以后,根据管子的工艺处理量就可以按下式求出管子的直径:
（4-10
其中Q为管子的工艺处理量,单位为m3/s。
现有某输送气体的管道,工艺处理量为100m3/s,选择适宜的流速为50m/s,则利用式（4-10计算可知其管子内直径为
（4-11经过圆整,可取管子的内直径为500mm。
m,π
4iuQ
d=
m0.50514
.3501004π4i=××==uQd
化工容器关键尺寸的计算
另一个是输送液体的管子,已知其处理量为0.001m3/s,适宜的管内流速为2m/s,则利用式（4-10计算可知其管子内直径为
（4-12
经过圆整,可取管子的内直径为25mm。
m0.025214
.32001
.04π4i=××==
uQd
化工容器关键尺寸的计算
人孔大小及位置的确定
人孔应根据具体设备的需要,开设人孔,人孔应尽量选用标准件,人孔位置的确定应在服从设备强度要求的前提下,以便于安装和人员进出容器为准。
介质条件适宜流速,m/s
过热蒸汽
DN<100
DN=100~200
DN>200
20~40
30~50
40~60
饱和蒸汽
DN<100
DN=100~200
DN>200
15~30
25~35
30~40
低压蒸汽<1×106Pa
DN<100
DN=125~300
DN=350~600
DN=700~1200
2~4
4~6
6~8
8~12
化工容器关键尺寸的计算
气体
鼓风机吸入管
鼓风机排出管
压缩机吸入管
压缩机排出管:
p<1×106Pa
p>1×106Pa~1×107Pa
往复式真空泵吸入管
往复式真空泵排出管
10~15
15~20
10~20
8~10
10~20
13~16
25~30
水及黏度相似液体p=0.1~0.3MPa
p<1MPa
有压回水
无压回水
往复泵吸入管
往复泵排出管
离心泵吸入管
离心泵排出管
0.5~2
0.5~3
0.5~2
0.5~1.2
0.5~1.5
1~2
1.0~2
1.5~3
油及黏度相似液体黏度0.05Pa·s:
DN=25
DN=50
DN=100
黏度0.1Pa·s:
DN=25
DN=50
DN=100
DN=200
黏度1Pa·s:
DN=25
DN=50
DN=100
DN=200
0.5~0.9
0.7~1.0
1.0~1.6
0.3~0.6
0.5~0.7
0.7~1.0
2.0~1.6
0.1~0.2
0.16~0.25
0.25~0.35
0.35~0.55表4-2流体在不同管道内的适宜流速
化工容器关键尺寸的计算
有关强度尺寸的计算
前面已经介绍了容器的一些工艺尺寸的计算。
容器的工艺尺寸确定了容器的大小,满足了储量的要求及充装物料的要求,而容器的一些强度尺寸,主要是容器的安全性来考虑的有关尺寸,我们主要介绍容器筒体厚度及封头厚度的求取方法。
化工容器关键尺寸的计算
内压容器
容器在各种因素如容器中物料产生的静压、物料表面的气压（指储存液体的容器、物料气体的压力、温差引起的应力等混合作用下,在不同的方向,产生不同的应力,对于内压薄壁容器的回转壳体一般产生3个主要应力,通常第一主应力（最大为周向应力,第二主应力为径向应力,第三个主应力是周向应力,由于与和相比可忽略不计,按计。
按照材料力学中的强度理论,在容器常规设计中常采用第一强度理论,即:
（4-13
式中是容器壁中三个主应力中最大一个主应力,是材料的抗拉、抗屈服、抗蠕变极限规定许用应力中最小的一种,一般情况下,我们查表得到的材料许用应力,就是三种许用应力中最小的一种,可直接拿来供设计计算使用。
因此可以这样说,在对内压容器壳体各元件进行强度计算时,容器可能产生的应力选取最大的一种,容器材料的许用应力采用最小的一种,这样即使发生极端的情况,仍能在理论上保证容器设计的安全,这一点非常重要。
容器强度的设计主要就是确定,并将其控制在许用应力范围内,进而求得容器的厚度。
[]σσ≤1[]σθσϕσzσϕσθσ0z3≈=σσ1σzσ
化工容器关键尺寸的计算
圆筒壁厚的确定
圆筒承受均匀内压作用时,其器壁中产生如下薄膜应力（设圆筒的平均直径为D,壁厚为t:
而,显然,,故按照第一强度理论可得:
（4-14
因工艺设计中一般给出内直径,将此代入式（4-14得:
（4-15
实际圆筒由钢板卷焊而成,焊缝区金属强度一般低于母材,所以上式中应乘以系数（具体数值见表4-3,即
整理后得:
（4-16
此式中的t定义为计算厚度,mm。
t
pDtpD42θ==ϕσσ和0z=σθ1σσ=[]t12σσ≤=tpD[]ti2（σ≤+ttDp[]ϕσti2（≤+ttDpppDt−=ϕσti][2tDDD+=ii,[]tσϕ
化工容器关键尺寸的计算式（4-16中的焊缝系数可根据不同的焊接形式及探伤情况取不同的值,具体取值情况见下表:
焊接形式探伤情况焊缝系数
100%无损探伤1.00
双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊
局部无损探伤0.85
100%无损探伤0.90单面焊的对接焊,沿焊缝根部全长具有
紧贴基本金属的垫板
局部无损探伤0.80
无法进行探伤0.6单面焊环向对接焊缝,无垫板
化工容器关键尺寸的计算
其次,考虑容器内部介质或周围大气腐蚀,设计厚度应比计算厚度t增加一腐蚀裕度C。
于是有:
（4-17式中p——设计内压力,MPa;
——圆筒内直径,mm;
——设计厚度,mm;
——焊缝系数,;
——腐蚀裕度,mm;
——设计温度下材料的许用应力,MPa。
C2由介质的腐蚀性和容器的使用寿命确定:
对于碳素钢和合金钢,腐蚀裕量一般大于1mm;对于不锈钢,当介质的腐蚀性极小时,腐蚀裕量可取零。
2tid][2Cp
pDt+−=ϕσϕ0.1≤ϕiDdt2C[]tσ
化工容器关键尺寸的计算
设计厚度是为了与仅按强度计算得到的计算厚度t相区别而定义的。
由于供货钢板有可能出现负偏差,实际采用钢材标准规格的厚度是圆整值,故又定义为名义厚度,它是设计厚度加上钢板厚度负偏差,并向上圆整到钢板标准规格的厚度,名义厚度就是图样上标明的厚度。
而有效厚度te是名义厚度减去厚度附加量,常常作为强度校核时筒体的实际厚度承压厚度。
四者的关系为:
（4-18
（4-19（4-20
式（4-18中是钢板厚度负偏差,一般钢板的负偏差见表4-4和表4-5,表中单位均为mm,厚度超过60mm的钢板其负偏差取1.5mm。
dtnt1dnCtt+≥2
dCtt+=21n
eCCtt−−=1C
化工容器关键尺寸的计算
名义厚度22.22..52.8~3.03.2~3.53.8~4.04.5~5.5负偏差0.180.190.200.220.250.300.5
名义厚度6~78~2526~3032~3436~4042~5052~60负偏差0.60.80.91.01.11.21.3
复合板总厚度4~78~1011~1516~2526~3031~60
6%5%总厚度负偏差9%8%
7%
复层厚度1.0~1.51.5~2.01.0~1.53~44~55~6复层负偏差10%
化工容器关键尺寸的计算
需要注意的是:
当筒体的环向焊缝系数与纵向焊缝系数之比小于0.5时,径向应力成为主要控制应力,这时筒体壁厚的计算公式如下:
（4-21
其中为环向焊缝系数,其它符号及单位和前面相同。
有了计算厚度以后,其它的各种厚度计算方法和前面相同。
根据前面的介绍,我们就可以根据工艺计算得到的容器中的压力、温度、介质性质及容器的内直径,确定容器的厚度。
p
pDti
−=
2t][4ϕσ2ϕ
化工容器关键尺寸的计算设计容器筒体壁厚的主要步骤如下（该步骤同样也适用于封头厚度的计
算或相关元器件厚度的计算。
①根据工艺设计中提供的容器介质有关腐蚀性能的信息,确定选用的材料及腐蚀裕量。
②根据选用的材料及工艺设计中提供的容器承受温度信息,查表确定材料在设计温度下的许用应力。
③确定容器的焊接及探伤方式,查表确定容器的焊缝系数。
④根据工艺设计中提供的容器承受压力信息及厚度计算公式,确定容器的计算厚度。
⑤根据计算厚度和腐蚀裕量,确定容器筒体的设计厚度。
⑥根据设计厚度确定容器的名义厚度范围,通过查表确定钢板的负偏差
⑦计算出设计厚度和负偏差之和,作为名义厚度最小值的参考,结合具体的钢板厚度,通过圆整,最后得到筒体的名义厚度,也就是图样上标注的厚度。
⑧进行有关校核工作,如容器的有效壁厚是否符合壁厚最小值的要求。
化工容器关键尺寸的计算
另一种情况是已经知道圆筒尺寸D、使用材料及名义厚度t,需要对该圆筒壁厚是否在安全限度内进行判断,该问题就是强度校核问题,其判断准则为:
（4-22式中为校核温度下圆筒器壁中的计算应力;其余符号同前面公式中介绍的完全一致,但应考虑校核的操作条件。
[]teeit2（σϕσ≤+=ttDptσi
化工容器关键尺寸的计算
封头壁厚的确定
封头是容器中除筒体之外的另一个重要组件,封头的厚度设计和筒体相仿,其大致步骤是根据一定的公式算出计算厚度,由计算厚度和腐蚀裕量计算出设计厚度,再由设计厚度选定材料负偏差的范围,进而算出名义厚度的初始值,经过圆整得到最后封头的名义厚度,各种封头的计算厚度公式如下。
①球形封头:
（4-26②标准椭圆形封头:
（4-27
③球冠形封头:
（4-28
其中Q为和球冠结构和受压有关的系数,其值远大于1,可查有关表获取。
p
pDt−=ϕσt
i
][4ppDt5.0][2ti
−=
ϕσp
QpDt−=
ϕσti
][2
化工容器关键尺寸的计算
④碟形封头:
（4-29
其中M为形状系数,可由下式确定:
（4-30
其中为1或0.9,通常为0.9;r为碟形封头的过渡圆半径。
⑤不带折边锥形封头:
（4-31其中为锥形封头的半锥角。
⑥带折边锥形封头:
（4-32其中f0为和封头的半锥角及过渡圆半径和大端直径有关的系数,具体可根据公式计算或查表,计算公式如下:
（4-33ppDMt−=ϕσαti][23（41irDMα+=αα
ϕσcos1][2tippDt−=αppDft−=ϕσti0][2α
αcoscos1（210−−=rDfi
化工容器关键尺寸的计算
⑦平板封头:
（4-34
其中K为平板结构系数,一般情况下小于0.5,大于0.16。
以上各个公式若进行反推,均可得到校核应力公式,如对球形封头而言,校核应力用下式计算:
（4-35
将式（4-34与式（4-21比较可知:
当压力、直径相同时,球壳的壁厚仅为圆筒之半,所以用球壳做容器能节省材料,且占地面积小;但球壳是非可展曲面,拼接工作量大,所以制造工艺比圆筒复杂得多,对焊接技术的要求也高,大型带压的液化气或氧气等储罐常用球罐形式。
ϕ
σtib][KpDt=[]ϕσσteeit4（≤+=ttDp
化工容器关键尺寸的计算
外压容器
外压容器的厚度计算取决于容器失稳。
容器应有足够的厚度,保证其不会失稳,在稳定系数m取3时,对于圆筒形容器的许用外压[P]的计算公式如下（省去复杂的推导过程,感兴趣的读者可参考书后所列文献。
[P]=Bt
e/D
（4-36
式中t
e
——外压容器筒体的有效厚度;
D0——外压容器筒体的有效外直径,其中D
=D
i
+2t
e
;
B——是和容器结构形状系数或称容器几何系数A及材料弹性模量E有关的数,其单位为MPa。
根据不同失稳状态下,B可通过查表或计算可得,在纯弹性状态下,其计算公式如下:
B=2EA/3（4-37其中E为材料的弹性模量,单位为MPa。
在非弹性状态下,B可通过查取不同材料的B-A曲线图获得,化工容器中几种常见材料的B-A曲线见图4-3~图4-6。
化工容器关键尺寸的计算
图4-3外压圆筒和球壳厚度计算图（0Cr19Ni9钢
化工容器关键尺寸的计算
图4-4外压圆筒和球壳厚度计算B-A曲线（适用16MnR及09Mn2VDR
化工容器关键尺寸的计算
图4-5外压圆筒和球壳厚度计算B-A曲线（适用00Cr19Ni11
化工容器关键尺寸的计算
图4-6外压圆筒和球壳厚度计算B-A曲线（适用00Cr19Ni11
化工容器关键尺寸的计算判断材料是否在纯弹性状态下失稳还是在非弹性下失稳,要由A值的大小来判断。
A值是和容器形状结构有关,和材料无关的一个系
数,其决定因素是D
0/t
e
和L/t
e.
。
已知D
/t
e
和L/t
e
后,可通过查图确定A
的值,如图4-7所示,该图的数据适用于所有的材料。
如所查数据在图中两条曲线之间,则可通过内插决定A值,具体的查取及计算过程将在后面通过示意图表示之。
系数A（图中的D0/σe就是教材中的D0/te
图4-7外压或轴向受压圆筒结构参数计算图（适用所有材料
化工容器关键尺寸的计算
需要注意的是,在计算A值时,需要用到容器的长度,该长度不是一般意义上的长度,需根据不同的状况分别计算。
补强圈
图4-2外压容器失稳计算时结构长度计算示意图
如图4-2所示,可分为3种情况分别计算结构长度。
①补强圈和封头之间长度
L=补强圈中心线至筒体和封头焊缝处长度+封头直边高度+封头高度/3
②补强圈和补强圈之间长度
L=一个补强圈中心线至另一个补强圈中心线之间长度
③整个容器无补强圈情况下长度
L=容器筒体长度+2×封头直边高度+封头高度/3
化工容器关键尺寸的计算
通过前面的分析,我们可以得到外压容器筒体厚度设计计算的步骤。
①在工艺计算的基础上完成筒体内直径D
i、筒体本身长度L
T
、封头直边
高度h
、封头高度h及筒体结构长度L
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