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1 绪论
化学工业和其他流程工业的生产离不开容器，所有化工设备的合体都是一种容器，某些化工机器的部件，如压缩机的气缸，也是一种容器。压力容器应用遍及各行各业，然而压力容器又有其本身的特点，它们不仅要适应化学工艺过程所要求的压力和温度条件，还要承受化学介质的作用，要能长期的安全工作，且保证密封。而储气罐则是用于储存介质的压力容器，在本次设计中，介质为氮气、氩气这些无毒无腐蚀性气体，因此本次设计不用特意考虑防毒防腐蚀的问题。容器本身承受其内部气体对它的压力，为内压容器，这容器的失效形式只要为弹塑性失效，故本次设计应首先考虑这个问题。另外，泄露也是容器失效的一种形式，在这次设计中也要考虑，对其进行预防。一个好的压力容器在设计过程中必须就要考虑到合理的实现所规定的工艺条件，使结构安全可靠，便于制造、安装、操作和维修，经济上合理等条件。本次设计也是本着按设计要求出发，以设计出一个最优的储气罐为目标。但由于时间能力有限，设计中定会有不妥之处，望老师批评指正。
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2 选材及结构设计
2.1设计要求及基本参数
如下表2.1,2.2
表2.1 基本设计参数
设计压力Mpa 最高工作压力Mpa 介质名称 介质性质 3.0 2.8 N2，氩气 无毒无害 设计温度℃ 工作温度℃ 设备主要材质 设备容积m³ 60 常温 Q345R 30 表2.2 接管设计参数
符号 公称压力 公称尺寸 法兰形式 密封面形式 用途 N1 PN40 DN50 80 RF 进气口 N2 N3 N4 N5 N6 M PN40 PN40 PN40 PN40 PN40 M20X1.5 SO DN50 DN50 DN50 DN20 DN450 DN80 SO SO SO SO WN 内螺纹 RF RF RF RF RF 压力表口 安全阀口 排气口 伸出长度 120 见图 120 120 备用口（配盲板） 120 排污口 见图 人孔 透气口 见图 V1~4 法兰标准HG/T20592-2009
2.2接管法兰
接管法兰标准为HG/T20592-2009，其中N1~6为SO形式，即带颈平焊法兰，人孔为WN形式，即带颈对焊法兰。除N2外，所有法兰密封形式都是RF，即突面密封，N2为内螺纹密封。其规格见下图：[1]
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表2.3 PN40带颈平焊钢管法兰
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对于法兰内径，本次设计取B型。 以下是人孔的法兰规格：[1]
表2.4 PN40带颈对焊钢管法兰
对于法兰颈而言，取B型。 2.3 人孔
本次设计中，人孔公称压力为PN40，公称尺寸DN450，法兰形式WN（带颈对焊），密封为RF（突面密封）。人孔标准为：[1]
表2.5 垂直吊盖带颈对焊法兰人孔
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图2-1 人孔部件图
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3 强度计算
3.1 筒体壁厚计算
由公式δ=PcXDi/(2Φ［ζ］t- Pc)+C1+C2
其中δ——计算厚度，mm；
Pc——计算压力（Mpa），在本次设计中，为3.0； Di——圆筒内直径（mm），在本次设计中，为2200； Φ——焊接接头系数，在本次设计中取0.85； ［ζ］t——设计温度下的许用应力（Mpa），t=60℃； C1——钢板厚度负偏差，对Q345R而言，取0.3； C2——腐蚀余量，在本次设计中取1.0； C= C1+ C2为厚度附加量，共1.3mm
tt
对于［ζ］而言，可查表，假设壁厚为6~16mm,则［ζ］=170MPa,经计算，δ=24mm>16mm,
（3-1）
故壁厚为16~36mm，此时［ζ］t=163MPa，求的δ=25.4mm，经圆整，取δn=28mm，即名义厚度为28mm。[2]
3.2 封头壁厚计算
选取标准椭圆形封头，DN=2200mm
材料：根据要求为Q345R, 假设封头壁厚为16~36mm，则可查表得：［ζ］t=163Mpa。
由公式δ=PcXDi/(2Φ［ζ］t-0.5 Pc)+C1+C2
其中δ——计算厚度，mm；
Pc——计算压力（MPa），在本次设计中，为3.0； Di——圆筒内直径（mm），在本次设计中，为2200； Φ——焊接接头系数，在本次设计中取0.85；
［ζ］t——设计温度下的许用应力（MPa），［ζ］t=163MPa；
（3-2）
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C1——钢板厚度负偏差，对Q345R而言，取0.3； C2——腐蚀余量，在本次设计中取1.0；
[3]
求得δ=25.24mm，圆整取δn=28mm，即名义厚度为28mm。 3.3 水压试验校核
液压试验时试验压力值：pT=1.25 PcX［ζ］/［ζ］t 其中pT——内压容器的试验压力，MPa； Pc——设计压力，MPa；
［ζ］——试验温度下的许用应力，MPa； ［ζ］t——设计温度下的许用应力，MPa； 在本次设计中，有［ζ］/［ζ］t =1， 所以PT=1.25 Pc=1.25X3.0=3.75MPa
校核公式ζT= PTX（Di+te）/2 teXΦ
其中ζT——圆筒应力，MPa； PT——试验压力，3.0MPa； Di——筒体内径，2200mm； te——筒体有效厚度，mm；
Φ——焊接接头系数，取0.85；[2]
δe=δn-C=28-1.3=26.7mm 所以在试验压力下圆筒应力为ζT=156.4MPa 查表得ζs=325MPa
所以0.9ζs=0.9*325=292.5MPa 因为TT 所以校核结果合格。
3.4开孔补强计算
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3-3）
3-4）
（ （30m3储气罐设计
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图3-1 开孔补强示意图
3.4.1 N1管的开孔补强计算
接管为20钢，其=130MPa，φ57×3.5，由于管壁为斜坡，壁厚有变化，所以实际
t计算的尺寸为φ70X10。 已知筒体计算厚度为δ=25.4mm
接管计算厚度δt=pc*Di/(2Φ［ζ］t- Pc)+C1+C2 Di为50mm，C1为0.1，所以=1.8mm 接管名义厚度δnt =10mm
由于使用材料不同，所以强度削弱系数fr=130Mpa/170Mpa=0.76 补强区有效宽度：B=2d或者B=2 δn+δnt+d，两者取大值 其中d=di+2C=70+2*1.1=72.2，所以算的B=148.2mm 接管有效长度：h1=√dδnt=26.8mm
接管实际外伸长度为120mm，在120和26.8中取较小值所以有效外伸长度为26.8mm 接管内伸长度：接管实际内伸长度为0，因为取较小值，所以接管有效内伸长度为0。 开孔削弱所需补强面积：A=dδ/2 （3-5） A1=72.2*25.4/2=916.94mm²
壳体多余金属面积：A1 =（B-d）X（δε-δ）-2δεt（δε-δ）X（1-fr） （3-6） A2=（148.2-72.2）*（28-1.3-25.4）-2*（10-1.1）*（28-1.3-25.4）*（1-0.76）=100.42 mm² 接管多余金属面积：A2=2h1（δεt-δε）fr+2h1（δεt-C2）fr （3-7） A3=2*26.8*[(10-1.1)-1.8]*0.76=289.22 mm²
焊缝金属截面积A3=10*10=100 mm²
A1+A2+A3=100.42+289.22+100=489.64 mm² [2]
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因为A> A1+A2+A3,所以要进行补强，取补强圈厚度为28mm，则其外径D1=130mm，内径D2=60mm
3.4.2 M接管（人孔）的开孔补强计算
人孔=130MPa，φ480*10。
t已知筒体计算厚度为δ=25.4mm
接管计算厚度δt=pc*Di/(2Φ［ζ］t- Pc)+C1+C2 Di=480-20=460mm，C1为0.1，所以=7.4mm 接管名义厚度δnt =10mm
由于使用材料不同，所以强度削弱系数fr=130Mpa/170Mpa=0.76 补强区有效宽度：B=2d或者B=2 δn+δnt+d，两者取大值 其中d=di+2C=460+2*1.1=462.2mm，所以求得B=924.4mm 接管有效长度：h1=√dδnt=68mm
接管实际外伸长度为120mm，在120和68中取较小值所以有效外伸长度为68mm 接管内伸长度：接管实际内伸长度为0，因为取较小值，所以接管有效内伸长度为0. 开孔削弱所需补强面积：A=dδ/2 A=462.2X25.4/2=5869.9mm²
壳体多余金属面积：A1 =（B-d）X（δε-δ）-2δεt（δε-δ）X（1-fr）
A1=（924.4-462.2）X（28-1.3-25.4）-2X（10-1.1）X（28-1.3-25.4）X（1-0.76）=641.09 mm²
接管多余金属面积：A2=2h1（δεt-δε）fr+2h1（δεt-C2）fr A2=2X68X[(10-1.1) -7.4]X0.76=155.04 mm² 焊缝金属截面积A3=10X10=100 mm² A1+A2+A3=641.09+155.04+100=896.13 mm²
因为A> A1+A2+A3,所以要进行补强，取补强圈厚度为28mm，则其外径D1=760mm，内劲D2=485mm
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4 储气罐的制造检验
4.1 储气罐的制造
制造可使压力容器由图纸化为实物，因此可以说是质量保证最关键的环节.制造对设计师提出的要求是在结构上保证焊缝的高质量并尽可能保证焊缝可以进行检验。所以设计者尤其要把好焊接这一关，而焊接这一关又可以分为以下几个方面来做好： 4.1.1 焊接方法
a） 焊条、焊剂及其他焊接材料的贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60%。当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊：手工焊时风速大于10 m/s；气体保护焊时风速大于2 m/s；相对湿度大于90%；雨、雪环境。
b） 当焊件温度低于0℃时，应在始焊处100 mm 范围内预热到15℃左右。
c） 焊接接头表面应按相关标准进行外观检查，不得有表面裂纹、未焊透、未熔合、表面气孔、弧坑、未填满、夹渣和飞溅物；焊缝与母材应圆滑过渡。焊缝详图如下：
[4]
图4-1接管与筒体、封头焊接图
图4-2筒体纵环焊缝详图
4.1.2 焊后热处理
a） 不得使用燃煤炉进行焊后热处理。热处理装置（炉）应配有自动记录温度曲线的测温仪表，并能自动绘制热处理的时间与工件壁温关系曲线。
b） 焊后热处理应优先采用在炉内整体加热的方法进行；当无法整体加热时，允许在炉内分段加热进行。分段热处理时，其重复加热长度应不小于1500 mm。炉内部分的操作应符合规定。炉外部分应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。
c） B、 C、D、E 类焊接接头，允许采用局部热处理方法。局部热处理时，焊缝每侧加热宽度不小于钢材厚度δs 的2 倍；接管与壳体相焊时，垂直于焊缝方向上的加热宽
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度不得小于钢材厚度δs 的6 倍。靠近加热区的部位应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。
d） 对于本次设计，其焊后热处理操作应符合如下规定： 1） 焊件进炉时炉内温度不得高于400℃；
2） 焊件升温至400℃后，加热区升温速度不得超过5 000/δs℃/h (δs 为焊接接头厚度定义中的工件钢材厚度，mm，6）同此。)，且不得超过200℃/h，最小可为50℃/h； 3） 升温时，加热区内任意5 000 mm 长度内的温差不得大于120℃； 4） 保温时，加热区内最高与最低温度之差不宜超过65℃；
5） 升温及保温时应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化；
6） 炉温高于400℃时，加热区降温速度不得超过6 500/δs℃/h，且不得超过260℃/h，最小可为50℃/h；
7） 焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止空气中继续冷却[5] 4.1.3 制造过程中的检验
应当力求使焊肉、热影响区和母材的力学性能相等。一般除做焊接工艺评定时需要试板测试之外还要求在筒体纵焊缝的末端附装试板，与主焊缝同时焊完取下，供以后检验之用。
4.1.4 制造过程中的检验
容器制造中的检验尤为重要的焊缝质量检验，主要方法为射线和超声波探伤为主。
本次设计检验方法为局部射线或超声检测，应对其A 类及B 类焊接接头进行局部射线或超声检测。其中，对容器的检测长度不得少于各条焊接接头长度的20%，且均不得小于250 mm。焊缝交叉部位及以下部位应全部检测，其检测长度可计入局部检测长度之内。
1） 先拼板后成形凸形封头上的所有拼接接头；
2） 凡被补强圈、支座、垫板等所覆盖的焊接接头；
3） 以开孔中心为圆心，开孔直径为半径的圆中所包容的焊接接头； 4） 嵌入式接管与圆筒或封头对接连接的焊接接头；
5） 容器上的公称直径不小于250 mm 的接管与接管对接接头和接管与高颈 法兰的对接接头。[5] 4.3 在役检验和监控
实践证明，压力容器的爆破事故绝大多数起源于裂纹或者其他缺陷的扩展。裂纹的萌生与扩展有一个过程，在投入运行前通过了检查的容器，在服役一定实践以后往往在定期检修时可能发现裂纹。
在役检验以射线检验和超声检验为主，辅以磁粉或着色检验以检测表面裂纹。为了对容器进行在役检验，所以要对材质进行监控，这就要在设备内安放“挂片”，定期取出进行材料观察及性能检测。
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5 总结
本次设计是这最后一个学期来学校的第一件事，带着假期的惰性与新学期的干劲这两个相互对立的态度来完成。这次设计可以分为四个阶段：
第一阶段为准备阶段，这里我们了解的设计的大致步骤，对本次设计进度安排进行了解并在自己的时间里安排的它的进程。
第二阶段就正式进入了设计了，可称为计算阶段。这阶段只发了一个下午的时间，主要进行筒体与封头壁厚的计算，强度校核跟开孔补强计算，为接下来的设计做好最基础的数据准备。
第三阶段为绘图阶段。这个阶段就是要我们在已有数据的基础上，查出其余的如法兰、人孔的尺寸，然后运用auto CAD ，将设计图画出来。这个过程的时间可以说是最长的了，既要查尺寸，又要绘图，然后由于绘图软件已经很久没用了，已经不是很熟悉，不过还好，随着进程的慢慢向前推进，在老师的纠正下，不只一些容器设计上的问题得到的解决，而且对于CAD的应用也有的很大的进步，越来越熟练。不过时间也过得很快，很快就到了答辩的日子，还好当初大部分在老师的解惑下已经懂了，所以答辩很顺利的就过去了，接下来就是最后一个阶段了。
这最后一个阶段就是写设计说明书。这里要求将设计的计算过程写下来，并对所设计的储气罐进行简单介绍，不过到了如今，已经完成了了这个阶段。现在，回头想想， 发现自己在本次设计中竟然学到了很多东西，这让我不由得想感谢老师的耐心指导，使得我能顺利完成这次设计。
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参考文献
[1] 和信息化部.钢制管法兰、垫片、紧固件 HG/T20592-2009.北京：中华计划出版社，
2009；
[2] 王志文，蔡仁良.化工容器设计.北京：化学工业出版社，1999；
[3]国家经济贸易委员会. JB/T4746-2002 钢制压力容器用封头.云南：云南科技出版社，
2002；
[4] 王学生，惠虎.化工设备设计.上海：华东理工大学，2011；
[5] 国家技术监督局. 钢制压力容器. GB150-1998 北京：中国标准出版社，1998；
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