2立方空气储罐设计

目录

任务书 ................................................................................................................................ 2 第一章 空气储罐产品概要 .............................................................................................. 3 第二章 空气储罐材料的选择 .......................................................................................... 4 第三章 空气储罐的结构设计 .......................................................................................... 4 圆筒厚度的设计 ............................................................................................................ 5 封头厚度的计算 ............................................................................................................ 5 接管的设计 .................................................................................................................... 5 支座的设计 .................................................................................................................... 6 支座选型 .................................................................................................................... 6 鞍座定位 .................................................................................................................... 6 第四章 强度计算 .............................................................................................................. 6 水压试验应力校核 ........................................................................................................ 6 工作应力计算及校核 .................................................................................................... 7 圆筒轴向应力计算及校核 ........................................................................................ 7 周向应力计算及校核 ................................................................................................ 8 第五章 空气储罐的制造工艺 ........................................................................................ 10 空气储罐的制造工艺流程 .......................................................................................... 10 空气储罐的焊接工艺 .................................................................................................. 11 接管焊接 .................................................................................................................. 11 纵缝和环缝焊接 ...................................................................................................... 12 空气储罐的焊接检验 .................................................................................................. 13 无损检测 .................................................................................................................. 14 耐压试验 .................................................................................................................. 14 第六章 课程设计心得体会 ............................................................................................ 15 参考文献 .......................................................................................................................... 16

任务书

2m3空气储罐的焊接工艺设计

设计参数

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 9 10 名 称 设计压力Pc（MPa） 设计温度（℃） 最高工作压力（MPa） 最高工作温度（℃） 工作介质 主要受压元件的材料 焊接接头系数Φ 腐蚀裕度C2（mm） 厚度负偏差（C1） 全容积（容器类别 ） 指 标 100 95 压缩空气 Q235-B 第一类 设计要求

（1）更具给定的条件来选定容积的几何尺寸，即确定筒体的内径、长度、封头类型等，然后确定有关的参数，如容器材料、需用应力、壁厚附加量、焊缝系数等。

（2）设计筒体和封头壁厚；进行强度计算；焊接接头设计；附件设计等。 （3）撰写设计说明书：能以“工程语言和格式”阐明自己的设计观点、设计方案的优劣以及设计数据的合理性；按照设计步骤、进程，科学地编排设计说明书的格式与内容叙述简明。

第一章 空气储罐概要

空气储罐的特点

空气储罐主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用，如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。储罐内的压力直接受温度影响，且介质往往易燃、易爆或有毒。储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐。

压力容器的外壳由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件六大部件组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。本设计书

主要介绍了储气罐的的筒体、封头的设计计算，低压通用零部件的选用。

第二章 空气储罐材料的选择

材料选择原则

在选择压力容器用钢时，需根据容器的工作条件、工作压力、介质的腐蚀性、介质对钢的脆化影响选择具有合适的力学性能、物理性能和耐蚀性能的材料。同时考虑它的加工工艺性能、经济性。

材料确定

根据板厚和工作条件，选择Q235-B

表2-1 母材的化学成分及力学性能

化学成分 力学性能 σ C/% Mn/% Si/% S% P% bMpa σsMpa Q235-B 第三章 空气储罐的结构设计

圆筒厚度的设计

由于该容器储存压缩空气，所以该容器的焊缝都要采用全焊透结构，需要对该储罐进行100%探伤，由于尺寸，不开人孔只能采取单面焊，所以取焊缝系数为Φ=。

Q235-B在100℃下，许用应力利用中径公式 =

= （3-1）

=113MPa：

查标准GB66－1996《压力容器用钢板》知，钢板厚度负偏差为，故取

。

设计任务说明书给定腐蚀裕量C2=,厚度附加量C=C1+C2=+=。 则筒体的名义厚度

+=

圆整后取为 =

封头的设计

从受力与制造角度分析，球形封头是最理想的结构形式，但其缺点是深度大，冲压较困难；而椭圆形封头深度比半径小，易于冲压成型，是目前低压容器中用的较多的，故采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同,则封头的设计厚度:

计算结果是与筒体等厚δn=8mm 由封头长短轴之比为2，即

DiD1200mm=300mm =2，得hi=i=442hi容积m3 质量Kg 表3-1 封头尺寸表

公称直径Di mm 总深度H mm 内表面积A m2 1200 325

图3-1 封头尺寸

接管的设计

根据实际情况，开一个孔焊接接管同时作为进料孔出料孔，查询标准[7]，接管尺寸如下：

Di=50mm, H=60mm, δ=8mm

支座的设计

支座选型

该产品为卧式设备，采用鞍式支座，查[6]《鞍式支座标准》JB1167-81，得

表3-2 鞍座尺寸表

公称直径Di 鞍座长度L0 鞍座高度H 1200mm

1080mm 200mm 40㎏ 120° 鞍座质量m 鞍座边角θ 鞍座定位

应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于0.5Ra，当无法满足A小于等于0.5Ra时，A值不宜大于0.2L。Ra为圆筒的平均内径。

RaDiδn12008604mm2222

即A≤0.5Ra0.5604302mm

所以A=300mm

图3-2 鞍座安装位置

第四章 强度计算

水压试验应力校核

试验压力Pt== 圆筒的薄膜应力为σTφσs=

即0.9φσs>σT，所以水压试验合格

PT(Diδe)1.25(12006)125.625MPa

2δe26工作应力计算及校核

由于该空气储罐壁厚8mm，属于薄壁，只需计算校核轴向和周向应力。 圆筒的平均半径为RaDiδn12008604mm 2222m=筒体质量+封头质量+空气质量+接管质量= 鞍座反力为Fmg594.779.82971.35N22

圆筒轴向应力计算及校核

根据[2]中公式，计算圆筒截面轴向弯矩，公式（4-1）

22(Ra-hi)12FLLM14hi413L2.1052(6042-3002)124A2971.35160043001600--4300L41600131600

鞍座平面上的轴向弯矩，公式（4—2）

22hiARa1L2ALM2FA14h1i3L1.94106N•mm3006042-300211600230016002971.3530014300 131600圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，最高点处：

pcRaM111066042.105σ147.97MPa 222δe26.33.140.6046.3πRaδe最低点处：

pcRaM21.01066041.9410^5σ247.96MPa 22δe26.33.140.60426.3πRaδe由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核

鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算： a).当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强（即ARa轴向应力3位于横截面最高点处.

pcRaM21.01066041.94106σ348.21MPa 222δe26.33.1410.6046.3πK1Raδe2）时，

取鞍座包角120，在[6]中查表7-1（JB/T4731-2005）得，K11.0,K21.0.则

b).在横截面最低点处的轴向应力4：

pcRaM211066041.94106σ448.21MPa222δe26.33.1410.6046.3πK2Raδe

圆筒轴向应力校核

A0.0940.0949.8104Riδe604/6.3

（5-3）

105,则 查表得，E=1.86×B22EA1.861059.810(4)121.58MPa 33σmaxσ1,σ2,σ3,σ4max48.21MPa

σacB121.58MPa

满足条件σacσmax 圆筒周向应力的计算和校核 在横截面的最低点处：

根据公式

σ5kK5F 其中k0.1（容器焊在支座上）

δeδreb2

查表知，K50.76 则σ50.10.762971.350.12MPa86140

在鞍座边角处 22503.738 ，根据公式: 由于LRa604σ612K6FRaF 224δeδreb2Lδeδre由于ARa0.30.490.50.604

查表知，K60.013 σ62971.35120.0132971.3560412.88MPa 2486140160086周向应力校核

σ50.12MPaσ113MPa

tσ612.88MPa1.25σ1.25113141.25MPa

t故圆筒周向应力强度满足要求。

第五章 空气储罐制造工艺

2m3 空气储罐制造工艺流程

材料确认、生产指令

标记确认、放样划线

下料前检查 刨边、坡口设备 下 料 筒节成型

检验探伤 焊筒节纵缝、抛光 试板检验探伤 试板检验 焊第一筒节、试板、

审核 组焊环缝、抛光 检验探伤 开孔划线 接管焊接

抛光、包装、铭牌 耐压试验 耐压审核 补强致密检验 入成品库 2m3空气储罐的焊接工艺分析

接管焊接

1、焊接方法

本次2m3空气储罐设计，考虑到结构尺寸，在接管焊接时，采用手工电弧焊。手工电弧焊是工业应用最广泛的焊接方法。它的原理是利用电弧放电产生的热量来熔化母材金属和焊条，从而获得牢固的焊接接头的过程。 手工电弧焊的特点：

（1）操作灵活 。焊条电弧焊应用最广泛的主要原因是它的灵活性，它适用于 各种空间位置各种接头形式构件的焊接。

（2）焊接接头装配要求低 。由于人工操作，可以在焊接工程实时调整，以保证跟踪焊缝和均匀焊透。

（3）可焊金属材料广。焊条电弧焊可广泛应用与低碳钢、低合金钢的焊接。 （4）熔敷率低。焊条电弧焊因使用的电流密度小，每焊完一根焊条后必须换焊条以及清渣，熔敷率低，生产率低。

（5）依赖性强。焊接质量更多地取决于焊工的水平。

（6）劳动条件差。 2 、坡口制备

坡口设计主考虑接头壁厚、焊接方法、对接头质量的要求，如压力容器，选用手工电弧焊焊接筒体上的接管，厚度δ=8mm，为保证焊透，开单边V形坡口。 3、 焊接材料

设计压力容器，为了保证焊缝的塑性和韧性，采用碱性焊条。根据母材是 Q235-B,焊条选用J421。 4、 焊接参数

查[3]表4-7，可以得到需要的手工电弧焊参数。

表5-1接管手工电弧焊参数

层 数 焊条直径 mm 电压 V 电流 A 1 2 3 18 20 20 130 160 160 电源 焊接速度 m/h 直流反接 直流反接 直流反接 纵缝和环缝的焊接

1、 焊接方法

选择埋弧焊的主要原因：?采用单面焊双面成形工艺，在不能双面焊的条件下能达到熔透效果，达到产品使用要求。；?埋弧焊易于实现自动化及半自动化，人工成本低。

埋弧焊是利用焊剂层下燃烧的电弧热量，熔化焊丝、焊剂、母材和焊缝金属形成焊缝。其特点是：

（1）熔敷效率明显提高，具有深熔能力，厚度30mm以下的焊件对接接头可以不开坡口或浅开破口焊成全焊透的焊缝。 （2）焊接质量优异。

（3）接头坡口制备简易 对于中薄板对接接头，无需加工坡口。

（4）改善焊接环境 无弧光辐射，烟尘少，无飞溅，易实现自动化，焊工劳动强度低。

（5）焊接设备占地空间大，一次性投资费用高。

（6）每层焊道后必须清渣，费时。

（7）只能在平焊和横焊下焊接，倾斜度也有。 2、 坡口制备

根据采用的单面焊双面成形埋弧焊焊接方法，厚度8mm的焊件，可以直边对接即I形坡口。 3、焊接材料

(1)焊丝 焊丝主要作用是填充金属，并作为熔化电极传到电流。低碳钢选择与母材强度相同的焊丝H08A。

（2）焊剂 埋弧焊使用的焊剂是颗粒状可熔化的物质，作用相当与焊条的涂料。对焊剂要求良好的冶金性能。与选用的焊丝相配合，通过适当的焊接工艺来保证焊缝金属获得所需的化学成分和力学性能以及抗热裂和冷裂的能力。同时要求焊剂具有良好的工艺性能，即要求有良好的稳弧、焊缝成形、脱渣的性能。选用高锰高硅低氟HJ433，粒度烘干条件250℃ ,2h。

HJ433 + H08A：电弧稳定性好，易脱渣，有利于多层连续焊接，焊缝成型好，易快速焊接，尤其焊薄板；配合相应焊丝，常用于压力容器焊接。 4、 焊接参数

查[1]中埋弧焊，得到焊接工艺参数。

表5-2 埋弧焊单面焊双面成形焊接工艺参数

层数 焊丝直径 mm 电压 V 电流 A 1 2 3 37 37 37 700 700 700 电源 直流反接 直流反接 直流反接 焊接速度 m/h 34 34 34 焊接检验

在现代焊接结构的生产中，焊件的最终质量检查，按产品的结构特点和技术要求，可分以下几种：

（1） 焊件结构外形尺寸的检查。 （2） 焊缝的外观检查。 （3） 焊接接头的无损检测。

（4） 焊接接头的密封性检验。 （5） 结构整体耐压性能。

无损检测

焊接接头无损检测的作用，是探测目视检验不能或无法发现的各种缺陷，例如：焊接表层的微裂纹、夹渣，以及各种内部缺陷。对于各种不同的焊接结构，结构材料的特性，选择合理的无损检测方法。例如，奥氏体钢的外观缺陷，可选择渗透方法。射线检测对焊接对焊接裂纹、夹层检测能力差，而对气孔、夹渣之类缺陷相当灵敏；超声波检测则相反。

耐压试验

压力容器、储罐和管道等焊接结构，按相应的设计制造规程，最后应做耐压试验，以检验焊接接头的密封性和整体强度。通常采用液压试验，最常用的液压试验介质是工业用水。试验压力为设计压力的倍，对于特殊规程设计的压力容器，应对耐压试验的应力进行校核：压力容器壳体最大一次薄膜应力值，不超过试验温度下材料屈服强度的90%。

液压试验的合格标准是：?无渗漏；?无可见的异常变形和残余变形；?无异常响声。

第六章 心得体会

知识技能，只有在实践中，才会有深入地运用与体会。比如在本次课程设计，

当我查阅大量资料、计算，一步步制定出方案和工艺的同时，也把我所学的知识在此加强了一遍。

课程设计的整个过程中，我可以与同学讨论，请老师指导，在不断地交流探讨中完善自己的设计方案。方案的实施责完全需要靠我自己做出决策，选择流程，查取资料，进行计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。最后，用文字，图表组成的设计报告来展现自己的思想。 参考文献

[1] 史耀武.《焊接技术手册》

[2] 董大勤 ,袁凤隐.《压力容器设计手册》

[3] 化学工业出版社.《焊接工艺设计与实例分析》 [4] 陈裕川.《焊接结构设计及应用》

[5] HG20580-1998.《钢制化工容器设计基础规定》 [6] .《鞍式支座》

[7] JB/T 4731-2005.《钢制卧式压力容器》 [8] JB/T4746-2002.《钢制压力容器用封头》

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