锅炉汽包设计说明书

锅炉汽包设计说明书

姓名: 马瀚博

班级: 10材料二班

指导教师: 魏雷

起止日期:2013年12月9日—2013年12月20日

前言

一、课程设计的目的

本课程设计的目的是综合应用以前学过的焊接理论知识，对锅炉锅筒进行简单的设计，学习设计方法，熟悉焊接工艺、装配过程、焊接检验等方面的知识，培养学生分析问题解决问题的能力。使学生对所学专业的理论知识与实际工程应用融会贯通，能够独立运用所学知识完成一个较完整的计算和设计过程。

二、课程设计的基本要求

熟悉焊机结构（压力容器）的结构特点。了解焊接结构（压力容器）各部分的运行状态、结构特点及影响制造工艺的因素并能按实际情况具体制定相应的工艺流程卡。

具体要求：

1.要充分认识课程设计的重要性，认真做好设计前的各项准备工作；

2.既要虚心接受老师的指导，又要充分发挥主观能动性；结合课题独立思考，努力钻研，勇于创新；

3.独立按时完成规定的设计任务，不得弄虚作假，不准抄袭他人的内容；

4.在设计过程中要，要严格要求自己，树立严肃、严谨、严密的科学态度；

5.认真阅读设计任务书，保质保量地完成任务书规定的工作；

6.焊接结构装配图用A1纸绘制或打印，必须符合国家有关标准的规定；

7.小组成员之间分工明确，需要保持联系畅通，密切合作，培养良好的互相帮助和团队协作精神；

8.每人完成一套焊接结构（压力容器）的整体装配图，将压力容器划分为筒体、封头、接管等各部分，并根据自己的课题设计焊接工艺卡。

9.编写课程设计说明书。

三、课程设计的基本步骤

1.选择课题，进行系统调查，搜集资料；

2.根据资料对压力容器结构进行分析设计，了解其工作原理，并绘制装配图；

3.设计相关部件的焊接工艺流程，并对其中焊接部件编写相应的焊接工艺流程卡和工艺卡；

4.验收评定。

目录

一、锅炉简介

1.锅炉的分类

可以从不同角度出发对锅炉进行分类。

1）按用途不同，可以分为电站锅炉、工业锅炉、机车船舶锅炉、生活锅炉等。

2）按容量的大小，可以分为大型锅炉、中型锅炉和小型锅炉。习惯上，把蒸发量大于100t/h的锅炉称作大型锅炉；把蒸发量为20-100t/h的锅炉称为中型锅炉；把蒸发量小于20t/h 的锅炉称为小型锅炉。

3）按蒸汽压力的大小，可以分为低压锅炉（P ≤2.5MPa）、中压锅炉（2.5MPa22MPa，即高于临界压力）。

4）按燃料和能源种类不同，可以分为燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、原子能锅炉、废（余热）锅炉等。

5）按锅炉结构形式不同，可以分为锅壳锅炉（火管锅炉）、水管锅炉和水火管锅炉。

6）按燃料在锅炉中的燃烧方式不同，可以分为层燃炉、沸腾炉、室燃炉。

7）按工质在蒸发系统的流动方式不同，可以分为自然循环锅炉、强制循环锅炉、直流炉等。

2.汽包：

锅筒，也就是汽包，是锅炉中最笨重且价格昂贵的厚壁承压部件。锅筒不但承受很高的内压，而且由于运行工况变化，还会随壁温的波动产生热应力，因而工作条件恶劣，需进行有效的运行工况监督。锅筒工作条件复杂，出现事故的后果严重，必须严格控制锅筒的结构和材料，所用材料的化学成分、机械性能和焊接与加工工艺质量，必须经过一系列的严格检验。

3.汽包的结构

锅筒由筒体和封头构成。

(1)筒体:指锅筒的圆筒部分，它的内径和长度与循环方式、锅炉容量、蒸汽参数及内部设备结构形式有关。锅筒筒体通常在多辊筒卷板机上卷制而成.亚临界压力锅炉锅筒筒壁太厚，需在巨型压力机上压制.

(2)封头:亚临界压力锅炉常为半球形，高压、超高压锅炉常为椭球形，中压锅炉为较扁的椭球形，封头上设有人孔，以便安装和检修内部装置。封头在水压机或油压机上压制成型。工况监督：在锅炉起停过程中，锅筒上下壁及内外壁之间均有一定温差，产生热应力，特别是高参数锅炉锅筒壁很厚，锅筒往往成为限制起动速度的主要部件，因此必须对锅筒内外壁及上下壁温差进行测量并加强监督。

现代水管锅炉的锅筒一般是卷焊结构，由钢板卷制焊接的圆筒体，

两端焊上冲压成型的凸形封头。锅简直径小的有数百毫米，大的可达2m左右；锅筒长度短者几米、十几米，长者可达30m。筒体上有很多

开孔以连接各种管子。锅筒内部装有配水装置、汽水分离装置、加药装置和排污装置等。锅炉的主要安全附件———安全阀、压

力表、水位表等，也都装在锅筒外面。

二、锅炉汽包设计

1.设计参数：

额定蒸发量(t/h) 额定工作压力(MPa) 公称直径(mm)

20 3.0 1000

2、钢材的选择

由于

e

P=3.0MPa可知e P≥2.5MPa，是中压锅炉。参照《蒸汽锅炉安全监察规程》表2-1，中压锅炉可以用 16Mng钢。

表2--1锅炉用钢板

钢的

种类钢号标准编号

适用范围

工作压力

（MPa）

壁温

（℃）

碳素钢Q235-A，

Q235-B GB700

GB3274

≤1.0

见注①Q235-C，

Q235-D

——15，20

GB710,GB711

GB13237

≤1.0 ——20R②

GB6654

YB(T)40

≤5.9 ≤450

20g 22g

GB713

YB(T)41

≤5.9③ ≤

450

合金钢

12Mng,16M ng GB713

YB(T)41 ≤5.9

≤400

16MnR ②

GB6654

YB(T)40

≤5.9

≤400 注：①用于额定蒸汽压力超过 0.1 Mpa 的锅炉受压元件时，元件不得与火焰接触。

②应补做时效冲击试验合格。

③制造不受辐射热的锅筒（锅壳）时，工作压力不受限制。 2.1板材16Mng 的成分及力学性能

板材16Mng 的化学成分及力学性能如表2-2,2-3所示。

3.汽包的尺寸计算

3.1计算压力P ：锅炉受压元件强度计算时所取用的压力值称为计算压力。

a z e P P P P ?+?+=

e P ————额定工作压力

z P ?————最大流量时计算元件至锅炉出口间的压力降

a P ?————锅炉出口安全阀较低起始压力与额定压力的差值

P=3.15MPa 3.2计算壁温

锅炉受压元件的计算壁温对基本许用应力影响很大，因而必须准确地确定元件的计算壁温。用于强度计算的计算壁温应取元件最高温度部位的内外壁温度的算术平均值，任何情况下，不应取低于250℃。通过对比水的临界饱和温度表，可知

T=237℃，

bh

T=bh T，取b T=250℃

b

3.3锅筒壁厚及长度

3.4许用应力[]σ

[]j σ为基本许用应力，根据表(3-1)250℃时16Mng 的基本许用应力为

149MPa

η为修正系数，根据表（3-2）

，修正系数选1.00 [][]j σησ=

[]MPa 14914900.1=?=σ

3.5理论壁厚

P D P S n

L -??=

][2min σ?

min ?为最小减弱系数，取min ?=0.7

n D 为公称直径，n D =1000mm

L S =15.33mm

取用壁厚S 应满足

C S S S L +=≥min

C 为附加壁厚 21C C C +=

式中 1C ———考虑腐蚀减薄的附加壁厚，一般取0.5 。对锅筒，若

mm S 20>时，可不计，但若腐蚀较重，应根据实际情况确定1C 值。

2C ———考虑钢板负偏差和工艺减薄的附加壁厚。对于锅筒，钢板负偏差当mm S 20≤时，2C =0.5，当mm S 20>时，2C =0，如负偏差值大于0.5mm 时，按实际值取用。

21min C C S S L ++= mm S 33.16min =

取S=18mm

3.6锅筒的许用压力[]P

[][]y

n y

S D S P +?=

σ?min 2

y S ————有效壁厚，C S S L y -=，y S =17

[]MPa P 49.317

1000171497.02=+???=

[]P >P,所以筒体的压力强度合适。

3.7锅筒的长度L

n D L 5.3=

=L 3.5×1000=3500mm=3.5m

4、封头尺寸计算 4.1封头开孔要求

锅炉受压元件上，椭圆人孔不得小于280×380，由法兰标准尺寸表查得法兰标准尺寸有φ400，则取对应大小φ400mm 的圆孔为人孔；

封头直边高度h/mm

壁厚S/mm

25 S ≤8 40 10≤S ≤18 50

S ≥20

n D 为1000mm ，圆形封头推荐使用长短轴比值为2的标准形。

取封头内高度n h =250mm,h=40mm 4.2封头的展开尺寸D 0

()h S D D n 2175.10++= 12760=D

又由国标GB 713-1997可知道有满足封头尺寸的钢材，所以封头可用一块钢板冲压成型。 4.3凸形封头的强度计算

承受内压力的凸形封头包括球形、椭球形和扁球形封头三种，由于椭球形封头受力情况好，所占空间较小，成型容易，是水管锅炉目前较多采用的一种形式。

4.4椭球形封头的最小壁厚min S

[]C P

Y

D P S n +-?=

σ?2min

Y ————形状系数，()[]

226

12n

n h D Y +=

，Y=1

P ————计算压力，按筒体计算压力取用。

?————封头减弱系数，参照表4-1选取，?=0.6

[]σ————许用应力，按筒体许用应力选用。

mm S 93.1715

.31496.021100015.3min

=-????=

取用壁厚min S S ≥，取S=18mm

4-1封头减弱系数

封头结构形式

?

无孔，无拼接焊缝 1.00

有孔，无拼接焊缝

n

D

d -1

有孔，有拼接焊缝，但二者不重合 h ?和n

D

d

-1取较小者

有孔，有拼接焊缝，且二者重合 h ??（n

D

d

-1）

4.5校验封头允许的工作压力

[]P 按下式计算：

[][]S

YD S P n +=?

σ2

[]MPa P 2.318

100016.0149182=+????=

[]P P <，所以凸形封头的压力强度合格。

5.筒体上各接管尺寸计算 5.1蒸汽管内径z d ：

ρ

πv Z d z 2

= V ————v=20~40m/s,取v=40 Z ————额定蒸发量Z=20t/h=5.6kg/s

ρ————查饱和蒸汽密度表可知，在247℃时，3/89.15m kg =ρ

mm d z 106=

5.2水冷壁管：

水冷壁管总截面积A 的35%为蒸汽管的截面积

2520035

.05314.32=?=A

取水冷壁管数n=20，可得水冷壁管内径mm d s 20= 5.3下降管：

下降管的总截面积等于水冷壁管的总截面积 取下降管数n=4，可得下降管内径mm d s 45= 5.4给水管： 给水管内径g d

ρ

πv Z d g %

502

?= V ————流速v=0.5~2m/s,取v=1m/s

ρ————取33/100.1m kg ?=ρ

mm d g 59=

在圆筒上开孔，当圆筒直径1500≤n D 时，开孔最大直径n

D d 21≤，且mm d 520≤，所以以上开孔均符合要求。

5.5孔的减弱系数 两孔之间的间距t

1

+=n L

t 可分别求得水冷壁管间距为167mm ，下降管间距为700mm ，给水管间距为700mm 。

孔对筒壁的减弱系数?

t

d

t -=

?

d ————管的内径

通过上式可分别求得，水冷壁管减弱系数0.88，给水管减弱系数0.92，下降管减弱系数0.94。 6.筒体水压试验最高许用压力 sw P

s sw σ?β

β22sw 1

0.45=P -

n

y D S 21+

=β

sw ?————sw ?取筒体上最小减弱系数sw ?=0.88 s σ————s σ通过表（ ）取s σ=325MPa

034.11000

17

2121=?+

=+

=n

y D S β MPa s

sw 61.832588.0034

.11

034.145.01

0.45=P 2

2

22sw =??-?

=-σ?β

β

P P sw ≥所以满足使用条件，合格。 7.封头水压试验最高许用压力

()

s sw sw Y P σ?βββ121

9.03

33-+?+-=

n

y D S 21+

=β

Y ————形状系数Y=1 通过上式求得MPa P sw 50.8=>P 符合使用要求。

8.筒体焊缝承载能力校核

容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类。

a）圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外）、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均属 A类焊接接头。

b）壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头，均属B类焊接接头，但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。

c）平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头，以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头。

d）接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头，但已规定为A、B类的焊接接头除外。

由草图可知不同种类的焊缝有10种，如上草图

8.1对接焊缝

筒体是由两块板拼接而成，所以焊缝B1、B2、B3是对接环焊缝，焊缝A1、A2是对接纵焊缝，对于这两个焊缝分别进行如下计算： a.对接环焊缝的强度校核公式为[]σσ9.0

A

横截面

PS A F e ==σ

[]MPa MPa e 1.1349.07.46=<=σσ

b.对接纵焊缝的强度校核公式为[]σσ9.0

A

PS A F e 2

/2/纵截面==

σ []MPa MPa e 1.1349.06.92=<=σσ

所以对于封头横焊缝焊缝、锅筒筒体的横焊缝和锅筒筒体纵焊缝都满足条件。 8.2角接焊缝

蒸汽管、水冷壁管、给水管、下降管和封头人孔、头孔都是角接焊缝，即焊缝C1、C2、C3、C4、D1、D2都是角接焊缝，都选用插入是管接头，插入式管接头焊缝的一般形式如下图所示：

角接头焊缝的强度校核按照下列公式验算

[]ησσ/74.0≤e

内压力作用下管接头对焊缝的作用力按下列公式计算：

4

2

d P F π=

式中P 是计算压力，d 是管接头内径。

管道系统上作用于焊缝上的机械力分量再求载荷分量为：x F ，y F ，z F ，

x M ,y M ，z M 按下列公式计算：

()()()()()()()()()()()()()()()()()()

000000000000000000000000000000000000,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos ,cos z z M y z M x z M M z y M y y M x y M M z x M y x M x x M M z z F y z F x z F F z y F y y F x y F F z x F y x F x x F F z y x z z y x y z y z x z y x z z y x y z y x x ++=++=++=++=++=++=

式中括号表示夹角，x F ，y F ，z F ，x M ，,y M ，z M 分别为0x ，0y ，0z 轴的力的分量；

管接头焊缝所承受总载荷示意图如下所示：