焊接课程设计

目录

1绪论 (1)

1.1目的和任务 (1)

1.2压力容器简介、分类及储气罐作用 (2)

1.2.1压力容器简介 (2)

1.2.2压力容器分类 (2)

1.2.3 储气罐作用 (2)

2压力容器的设计 (5)

2.1筒体 (5)

2.2封头 (9)

2.2.1相关计算 (9)

2.2.2封头几何形状 (10)

3压力容器附件 (11)

3.1进料管、人孔、安全法接口、排气管、压力表接口、出料管 (11)

3.2法兰的选择 (11)

3.3人孔的选择： (12)

3.4垫片的选择 (12)

4补强圈设计 (14)

4.1补强设计方法判别 (14)

4.1.1补强的确定 (14)

4.1.2开孔所需补强面积： (15)

4.1.3有效补强范围 (15)

4.1.4有效高度的确定 (15)

4.1.5有效补强面积 (16)

4.1.6补强面积 (16)

5容器设计的计算校核 (17)

5.1压力试验 (17)

5.1.1水压试验 (17)

5.1.2三向应力校核 (17)

6焊接材料和方法的选择 (18)

6.1焊接方法的选择 (18)

6.1.1焊缝接头的布置 (18)

6.2焊接材料的选择 (19)

7总结 (21)

参考文献 (22)

摘要

储气罐安装空压机之后，不仅能储存压缩空气，减少由于压缩机排气不连续产生的压力脉动，实现供气和用气的平衡，而且能降低压缩空气的温度，减少过虑器和干燥剂的负荷。储气罐的选择要注意如下问题：

1、壳体材料：储气罐属于压力容器，壳体常用的材料有Q235-B、16MnR、16MnDR

2、储气罐总高：气源房房体的高度在2.9米左右，考虑到气源经常移动运输，3结构编辑

在城市供燃气工程中用于储存燃气的容器结构。容器的作用见储气罐，它也用于石油、化工和冶金等工业中。按储气压力不同分为低压和高压两类，前者按构造又有湿式和干式之分。湿式储气罐储气罐的主要荷载是内部气体压力、风荷载及地震作用。在风荷载中应考虑风振系数。高压球形罐的风荷载体型系数一般可取0.30～0.35。湿式罐的水平地震作用包括水槽和各塔节自重所产生的地震力，以及水槽内的水因振动所引起的动水压力。干式罐的水平地震作用包括筒身自重和活塞重量所产生的地震力。计算雪荷载时要考虑雪在罐顶的局部堆积所引起的偏心力矩。

在各种荷载和内压作用下，罐的外壳壁板及顶板按薄壳结构无矩理论分析其内力。低压储气罐的壁板和顶板厚度一般并不由强度决定，而是由构造和防腐要求决定。导柱式储气罐的导柱架承受由导轮传来的塔节上的风力和水平地震力，可按平面桁架分析方法将导轮压力分解到各个平面，求出其杆件内力。螺旋导轨式储气罐塔节上的内立柱、上下圈板和导轨构成空间框架，承受导轮传来的风荷载和地震力的水平分力。干式储气罐的筒体在风荷载、水平地震力和内压作用下要验算其局部和整体稳定。球形罐在内压作用下抗拉能力较强，但在负压下其稳定性很差，因此需要规定最低使用压力，以保证在气温下降而内压随之下降时不出现负压。

制作低压储气罐时，将罐体分为若干部件在加工厂内预制，然后进行现场总安装，这样可减少现场安装焊缝。

1绪论

1.1目的和任务

焊接结构设计目的是在完成焊接结构生产理论教学课程后，进行的综合运用所学基本知识和技能的一个非常重要的实践教学环节。通过课程设计，可以培养学生解决焊接生产实际问题的能力，检验学生对所学基本知识的综合运用能力；使学生进一步了解典型焊接结构（压力容器）的基本知识及相关焊接工艺，掌握焊接结构的整体设计、焊接工艺规程、焊接工艺卡的编制要领；最终使学生具有根据生产实际独立制定焊接结构焊接工艺的能力。要求每一位学生在课程设计完成后，能达到独立完成中等复杂程度的焊接结构（主要是压力容器）的任务。使学生掌握压力容器设计的基本技能，具有查阅和运用标准资料、手册等有关技术的能力。

本次焊接结构设计任务是：

高沸物罐的焊接结构设计

具体要求：

1).每组合作完成储气罐的整体装配图；

2).将储气罐根据结构划分成筒体、封头、接管三部分，并使每个同学独立完

成；每个同学根据自己的课题设计相应的焊接工艺规程和焊接工艺卡；

3).编写课程设计说明书（参考附件二）。

工作压力：1.96MPa

设计压力：2.16MPa

主要受压元件材质：16MnDR

直径：1.6m

1.2压力容器简介、分类及储气罐作用

1.2.1压力容器简介

压力容器是内部或外部承受气体或液体压力、并对安全性有较高要求的密封容器。

压力容器主要为圆柱形，少数为球形或其他形状。圆柱形压力容器通常由筒体、封头、接管、法兰等零件和部件组成，压力容器工作压力越高，筒体的壁就应越厚。

1.2.2压力容器分类

（一）.按压力等级分类：压力容器可分为内压容器与外压容+器。

内压容器又可按设计压力（p）大小分为四个压力等级，具体划分如下：

①低压(代号L)容器 0.1 MPa≤p＜1.6 MPa;

②中压(代号M)容器 1.6 MPa≤p＜10.0 MPa;

③高压(代号H)容器 10 MPa≤p＜100 MPa;

④超高压(代号U)容器 p≥100MPa。

（二）.按容器在生产中的作用分类:

①反应压力容器(代号R):用于完成介质的物理、化学反应。

②换热压力容器(代号E):用于完成介质的热量交换。

③分离压力容器（代号S):用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离。

④储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）：用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质。

1.2.3储气罐作用

储气罐是指专门用来储存气体的设备，同时起稳定系统压力的作用，根据储气罐的承受压力不同可以分为高压储气罐，低压储气罐，常压储气罐。储气罐不同分：碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分：低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐（压力容器）一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生

产工艺作用的内件。储气罐的作用是维持压缩空气系统的管网压力不要出现大的波动。由于压缩空气系统末端的用气量一般不可能是任何时候都是平稳的，所以要利用储气罐来平衡系统压力的平稳和减少空压机的频繁加载和卸载。另外一个作用是对经干燥后的压缩空气再次进行冷却，以减少压缩空气中水份的含量。因此咸阳移山压缩机公司提示您：最好给压缩机配备储气罐。

1.3压力容器的选材——二氧化碳储气罐

由于所设计的压力容器—储气罐内部发生腐蚀，因此应选用耐蚀的材料。这次选用的是主要受压元件材质：16MnDR，是普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，压力容器的常用材料。它的强度较高、塑性韧性良好。常见交货状态为热轧或正火。属低合金高强度钢，含Mn量较低。性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%差。16MnR 钢是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。磷、硫含量略低于普16Mn钢，除抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn 钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。化学成分具体如表1.1《压力容器高合钢板的化学成分（摘自GB4237, GB4238）》。

2压力容器的设计

2.1筒体

筒体的公称直径i D 有标准选择，而它的长度L 可以根据容积要求来决定。

根据公式 V 42

i =L D π 取 3.75i

=D L

将

3.75i

=D L

代入得： 1600=i D 采用标准椭圆封头，查标准JB/T4746-2002《椭圆形封头内表面、容积》中表2.1，

表2.1椭圆形封头内表面、容积（JB/T4746-2002）

得公称直径1600mm ==i n D D ，深度H 为425mm ，容积为123

m 。 根据 1.12g ?=+V V V 筒体封头

代入数据得： 1.10.0830.354

0.0162?=??+L π

解得6m =L

3.75i

=D L

在2.5-4之间 。 筒体的厚度计算：由设计厚度公式[]

c

t i

-2P D P C φσδ=

可得

设计温度也是压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常工作情况下，设定元件的金属温度。当元件金属温度不低于0℃时，设计温度不得低于元件可能达到的最高温度;当元件金属温度低于0℃时，其值不得高于元件金属可能达到的最高温度。所以设计温度选择为150℃。

[]t

σ的数值根据设计温度和材料表2.2《压力容器用高合金钢板的许用应力》，

查出。

表2.3压力容器用钢板厚度偏差 (GB6694-1996)

根据表中数据得出：1C =0.25 mm

a 、计算厚度：

()()67

.101621163216002.16=-??÷?=。δmm ，圆整得

mm 11=δ。

（钢板厚度负偏差5.21=C ，腐蚀裕度mm 12=C ，）

b 、名义厚度：。mm 67.112n =+=C δδ

c 、有效厚度：92.1121n e =--=C C δδmm ，圆整得mm 12=δ。

2.2封头

2.2.1相关计算

椭圆形封头的厚度计算：由封头厚度[]

C

C P

D P 5.02k

t i -=

φσδ 可得:

标准椭圆形封头k 值取1，[]

t σ的数值根据表2-1-6《压力容器用高合金钢板的许用应力》，查出。

表2.5压力容器用钢板厚度偏差（GB6694-1996）

根据表中数据得出：1C =0.25 mm

a 、计算厚度：mm 64.1016

.25.0116321

160016.2=?-????=

δ， 圆整取mm 11=δ

（钢板厚度负偏差25.01=C ，腐蚀余量mm C 12=，）

b 、名义厚度：mm C n 1267.112≈=+=δδ

c 、有效厚度：mm C C n e 42.1021=--=δδ，圆整取mm 11=δ 2.2.2封头几何形状

标准椭圆形封头如图2.6。Dn 为公称直径Dn=1600mm ，深度H=425mm ，mm h 1061=。

图2.6标准椭圆形封头

3压力容器附件

高沸物罐要开设进料管、人孔、排气管、压力表接口、出料管，并根据各接口

的大小选择相对应的法兰及垫片。

3.1进料管、人孔、安全法接口、排气管、压力表接口、出料管

表3.1管口表

接管代号公称尺寸公称压力连接尺寸标准连接面形式用途或名称

a DN80 PN1.6MPa HG20595-1997 MFM 进料管

b DN80 PN1.6MPa HG20592-1997 MFM 安全阀接口

c DN500 PN1.6MPa HG/T21523-2005 MFM 人孔

d DN65 PN1.6MPa HG20595-1997 MFM 排气口

e DN25 PN1.6MPa HG20595-1997 MFM 压力表接口

f DN80 PN1.6MPa HG20595-1997 MFM 出料管

注意：安全阀、空气进出口管、压力表接管高度均为150mm

3.2法兰的选择

根据管口公称直径选择相应的法兰，1.6MPa时选用带颈对焊榫槽法兰，主要

参数如表3.2：

表3.2法兰尺寸表

公称通径钢管

外径

连接尺寸法

兰

厚

度

C

法兰颈法

兰

高

度

H B

法兰

外径

D

螺栓孔

中心圆

直径K

螺栓

孔直

径L

螺栓

孔数

量n

螺纹

Th

N

S H R

B

25 32 115 85 14 4 M12 16 46 2.6 6 4 40 65 76 185 145 18 4 M12 20 92 2.9 10 6 48 80 89 200 160 18 8 M16 20 110 3.2 10 6 50

500 530 715 650 33 20

M30×2

34 578 11 16 12

90

3.3人孔的选择：

根据HG

／T 21523-2005 水平吊盖带颈平焊法兰人孔结构及选材如图表3.3：

图表3.3水平吊盖带颈平焊法兰人孔结构及选材

人孔的选型

3.4垫片的选择

参照HG/T 20592-20635-2009 钢制管法兰、垫片和紧固件，当压力等级≤1.6MPa 且有剧毒介质时，选择缠绕垫片。具体数据如下表3.4：

凹凸面

表3.4垫片型式

a 、垫片结构图为：

b 、尺寸表为:

A 型和

B 型垫片尺寸(mm)

公称通径DN

内环内径D1max

缠绕垫

内环厚度T1

内径D2 外径D3 厚度T

25 34 43 57 2.5

1.8

65 73 95 109 80 86 106 120 500

521

549

575

3.2

2.4

4补强圈设计

4.1补强设计方法判别

根据GB150，可不另行补强的条件：

① 设计压力小于或等于2.5Mpa 。

② 在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的2.5倍。 ③ 接管公称外径不大于89mm 时。 ④ 接管厚度满足下列要求：

4.1.1补强的确定

由于该储罐中有DN=500mm 的 人孔需要补强。

按HG/T21523-2005,人孔为水平吊盖带颈平焊焊法兰人孔，凹凸面MFM 型。 开孔直径2250024508i d d C mm =+=+?=

i D 3000

1500mm 22

d ≤

== 采用等面积法进行开孔补强计算。

接管材料选用20r 钢，其许用应力[]t

133MPa σ= 根据GB150-1998，A=d 2(1)et r f δδδ+-

其中：壳体开孔处的计算厚度13.97mm δ=

接管的有效厚度et nt 12C C 844mm δδ=--=-=

强度削弱系数[]133

0.782[]170

t n r r

f σσ===

4.1.2开孔所需补强面积：

()2A=d 2(1)50813.97+213.97410.7827121.12et r f mm δδδ+-=????-=

4.1.3有效补强范围

有效宽度B 的确定，按GB150中式8-7，得：

1225081016B d mm ==?=

22250821828560n nt B d mm δδ=++=+?+?= 12max(,)1016B B B mm == 4.1.4有效高度的确定 (1）外侧有效高度1h 的确定 根据GB150，得：

1'508863.75nt h d mm δ==?=

11''H 90h mm ===接管实际外伸高度 111min(','')63.75h h h mm ==

(2）内侧有效高度2h 的确定 根据GB150-1998，得：

2'508863.75nt h d mm δ==?=

2''0

h =

222min(','')0h h h ==（实际内伸高度）

4.1.5有效补强面积

根据GB150，分别计算如下：123e A A A A =++ ①筒体多余面积1A

12

()()2()(1)

(1016508)(1413.97)2(84)(1413.97)(10.782)15.19e et e r A B d f mm δδδδδ=-----=---?-?--=

②接管的多余面积 接管厚度：

1.576500

2.982[]21331 1.576

c i t t n c

P D mm P δσφ?=

=

=-??-

21222

2()2()263.75(4 2.98)0.7820101.699et t r et r

A h f h C f mm δδδ=-+-=??-?+=

○

3焊缝金属截面积 焊角取6.0mm

22

31

62362A mm =??= 4.1.6补强面积

212315.19101.69936152.889e A A A A mm =++=++= 因为27121.12e A A mm <=，所以开孔需另行补强

所需另行补强面积：247121.12152.8896968.231e A A A mm =-=-=

补强圈设计：根据DN500取补强圈外径'840D mm =。因为'B D >，所以在有效补强范围。补强圈内径d’=534mm 补强圈厚度： 46968.231

'22.772''840534

A mm D d δ=

==-- 圆整取名义厚度为24mm 。

5容器设计的计算校核

5.1压力试验

5.1.1水压试验

（一）温度条件：液体的温度不得低于5℃；

（二）试验方法：试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽，试验过程中，应保持容器外表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min 。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以便对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验。

水压试验时的压力

[][]Mpa p

t

2.72.1625.125.1p T =?==σσ 水压试验的应力校核： 水压试验时的应力

()()MPa p e e i 202.281.25-142 1.25-2116007.22D T T =?+?=+=

）

（δδσ 水压试验时的许用应力为

Mpa s 5.8323159.09.0=?=φσ

S T 0.9φσσ＜故筒体满足水压试验时的强度要求。

5.1.2三向应力校核

（1）环向应力θσ：MPa D P i C 09.57111216002.162=??==

θσθ （2）轴向应力z σ：MPa D P i C z 545.8711

41600

2.164=??=

=θσ （3）径向应力r σ：0=r σ （4）总应力：

a 63.23599.750157.0922222r 2z MP =++=++=θσσσσ总 故筒体满足水压试验时的强度要求。