立式空气储罐设计.docx
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立式空气储罐设计
设计任务书
设计题目：
0.5m3的立式压缩空气储罐
已知工艺参数如下：
介质：
空气
设计压力：
0.5MPa
使用温度：
0--100℃
几何容积：
0.5m3
规格：
600*6*2050
设计要求：
（1）根据给定条件确定筒体径、长度、封头类型等，然后确定有关参数（容器材料、许用应力、壁厚附加量、焊缝系数等）
（2）进行焊接接头设计，附件设计等。
1、设计数据……………………………………………………………………4
2、容器主要元件的设计………………………………………………………5
2.1封头的设计
2.2人孔的选择
2.3接管和法兰
3、强度设计……………………………………………………………………8
3．1水压试验校核
3.2圆筒轴向应力弯矩计算
4、焊接结构分析……………………………………………………………10
4．1储气罐结构分析
4.2零件工艺分析
4.3焊缝位置的确定
5、焊接材料与方法选择……………………………………………………11
5.1母材选择
5.2焊料选择
5.3焊接工艺及技术要求
6、焊接工艺工程………………………………………………………………12
6.1焊前准备
6.2储罐的安装施工顺序
6.3装配与焊接
6.4质量检验、修整处理、外观检查
6.5焊缝修补
7、焊接工艺参数……………………………………………………………15
8、焊接工艺设计心得体会…………………………………………………16
9、参考文献…………………………………………………………………16
1.设计数据
表1-1
序号
名称
指标
1
设计压力MPa
1.0
2
设计温度℃
100
3
最高工作压力MPa
1.0
4
最高工作温度℃
<100
5
工作介质
压缩空气
6
主要受压元件的材料
Q235-A
7
焊接接头系数
0.85
8
腐蚀裕度mm
2.0
9
全容积
0.5
10
规格
600*6*2050
进出料接管的选择
材料：
容器接管一般应采用无缝钢管，所以液体进料口接管材料选择无缝钢管，采用无缝钢管标准GB8163-87。
材料为16MnR。
结构：
接管伸进设备切成45度，可避免物料沿设备壁流动，减少物料对壁的磨损与腐蚀。
接管的壁厚要求：
接管的壁厚除要考虑上述要求外，还需考虑焊接方法、焊接参数、加工条件、施焊位置等制造上的因素及运输、安装中的刚性要求。
一般情况下，管壁厚不宜小于壳体壁厚的一半，否则，应采用厚壁管或整体锻件，以保证接管与壳体相焊部分厚度的匹配。
不需另行补强的条件：
当壳体上的开孔满足下述全部要求时，可不另行补强。
①设计压力小于或等于2.5Mpa。
②两相邻开孔中心的距离应不小于两孔直径之和的2倍。
③接管公称外径小于或等于89㎜。
④接管最小壁厚满足以下要求。
手孔的选择
根据HG/T21531-2005-1《回转盖带颈对焊法兰手孔》，查表3-3，选用凹凸面的法兰，其明细尺寸见下表：
表2-2手孔尺寸表单位：
mm
密封面型式
凹凸面MFM
D
300
23.5
30
公称压力PNMPa
0.5
250
28
螺柱数量
8
公称直径DN
250
180
A
385
螺母数量
16
1596
89.5
B
175
螺柱尺寸
M24*120
d
146.4
b
28
L
250
总质量kg
34.1
开孔补强结构：
压力容器开孔补强常用的形式可分为补强圈补强、厚壁管补强、整体锻件补强三种。
补强圈补强是使用最为广泛的结构形式，它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。
在一般用途、条件不苛刻的条件下，可采用补强圈补强形式。
2容器主要元件的设计
2.1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,则封头的设计厚度也为6mm
压缩空气气储罐应设置排污口，进气口，出气口，手孔，压力表口，安全阀口
2.2接管设计
1.1进气管φ273×6
接管采用φ273×6的无缝钢管，伸出长度为200mm。
本储罐的设计压力为1Mpa,设计温度为100℃，板式平焊法兰可满足此要求，由于设计压力为1Mpa，所以选2.5Mpa等级的板式平焊凸面法兰。
法兰标记为：
DN100-PN2.5RF
1.2出气管φ108×5；采用φ108×5的无缝钢管，伸长度为10mm，钢管弯制R100mm的圆弧。
配用板式平焊凸面法兰。
法兰标记：
DN100-PN2.5RF
1.3排污管φ38×3采用Q235A号钢无缝钢管，伸10mm，弯制R100mm的圆弧。
配用板式平焊凸面法兰。
法兰标记：
DN30-PN2.5RF
1.4安全阀接管157×5的无缝钢管。
安全阀尺寸由安全阀泄放量决定。
本贮罐选用，配用板式平焊凸面法兰。
接管伸出筒体外200mm。
法兰为标记：
DN150-PN2.5RF
1.5压力表接管，采用管螺纹接管。
配用凸面螺纹法兰。
法兰为：
DN15-PN2.5RF
2.3接管和法兰
压缩空气气储罐应设置排污口，进气口，出气口，手孔，，温度计口，压力表口，安全阀口。
查HG/T20592-2009《钢制管法兰》中表8.23-3PN带颈对焊钢制管法兰，选取各管口公称直
查HG/T20592-2009《钢制管法兰》中附录D中表D-5,得各法兰的质量。
查HG/T20592-2009《钢制管法兰》中表3.2.2，法兰的密封面均采用MFM（凹凸面密封）。
表2-3选择工艺接管
外伸长度
工称尺寸
连接尺寸标准
形式
用途或名称
200
100
PN1.6DN200HG20592-97
RF
出气口
200
100
M161.5YB231-70
RF
进气口
150
40
PN1.6DN32HG20592-97
RF
安全阀口
100
25
M201.5YB231-70
RF
压力表口
200
150
RF
手孔
100
25
31YB231-70
RF
排污口
压力容器焊接接头的分类
A类接头：
圆柱形壳体筒节的纵向对接接头，球形容器和凸形封头瓜片之间的对接接头，球形容器的环向对接接头，与筒体封头之间的对接接头，大直径焊接三通支管与母管相接的对接接头。
B类接头：
圆柱形、锥形筒节之间的环向对接接头，接管与筒节间及其与法兰相接的环向对接接头，除球形封头外的各种凸形封头与筒身相接的环形接头。
C类接头：
法兰、平封头、端盖、管板与筒身、封头和接管相连的角接接头，凹封头与筒身间的搭接接头以及多层包扎容器层板间纵向接头等。
D类管、人孔圈、手孔盖、加强圈、法兰与筒身及封头相连接的T形或角接接头。
3.强度设计
3.1水压试验校核
试验压力=1.25P=1.250.5=0.625Mpa（3-1）圆筒的薄275=210.375MPa
即0.9>所以水压试验合格。
3.2圆筒轴向应力弯矩计算
圆筒的平均半径=/2+/2=600/2+4/2=302mm（3-3）鞍座反力F=mg/2=13.02kN。
（3-4）
1圆筒中间截面上的轴向弯矩
如图3-1：
根据/T4731-2005中式7-2，得：
=
=
=1.47N（4-5）2鞍座平面上的轴向弯矩
根据/T4731-2005中式7-3，得：
=
=-21700220=-5.25Nmm
4焊接结构分析
4．1储气罐结构分析
储气罐属于一类压力容器，它是由钢制气瓶（以下简称钢瓶）、多孔性填料、溶剂、溶解乙炔及附件等组成。
钢瓶按照国家劳动部颁布的《气瓶安全监察规程》和GBS100《钢质焊接气瓶设计、制造和检验》，在制造过程中对焊接质量的要求很高。
根据国家劳动部1993年颁布的《储气罐安全监察规程》及GBl1638-89《溶解乙炔气瓶》的规定．钢瓶主体材料必须采用平炉、电炉或氧气转炉抬炼的镇静钢，以获得良好的成形和焊接性能。
4．2零件工艺分析
如零件图所示，其结构不复杂，是大量生产，体积适中，应选用焊接。
焊接制造该零件的过程中，虽然零件结构简单，在焊接过程中，主要考虑是零件的氧化。
上、下封头拉伸成型后，因开口端变形大，冷变形强化严重，加上板材纤维组织的影响，在残余应力作用下很容易发生断裂。
为防止裂纹产生，拉伸后应进行再结晶退火。
为了减少焊接缺陷，焊件接缝附件必须严格清理铁锈、油污；为去除残余应力并改善焊接接头的组织与性能，瓶体焊接后应该进行整体正火处理，至少要进行去应力退火。
4．3焊缝位置的确定
有关锅炉、压力容器规程中对焊缝的数量和布置做了具体的规定
（1）筒体拼接时，筒节的长度2000mm；每节筒体，纵向焊缝的数量：
筒体径Ｄi=600mm，拼接焊缝1条；相邻筒节的纵向焊缝应相互错开，两焊缝中心线间的外圆弧长不得小于钢板厚度的3倍，且不得小于100mm。
（2）封头应尽量用整块钢板制成。
封头、的径Ｄi=600mm，拼接焊缝不多于1条；封头拼接焊缝离封头中心线距离应不超过0.3Ｄi，并不得通过扳边人孔，且不得布置在人孔扳边圆弧上；管板上整条拼接焊缝不得布置在扳边圆弧上，且不得通过扳边孔；由中心圆板和扇形板组成的凸形封头，焊缝的方向只允许是径向和环向的。
径向焊缝之间的最小距离应不小于壁厚的3倍，且不小于100mm。
（3）受压元件主要焊缝及其邻近区域，应避免焊接零件。
如不能避免时，焊接零件的焊缝可穿过主要焊缝，而不要在焊缝及其邻近区域中止。
（4）开孔、焊缝和转角要错开。
开孔边缘与焊缝的距离应不小于开孔处实际壁厚的3倍，且不小于100mm。
在凸形封头上开孔时，孔的边缘与封头周边间的投影距离应不小于封头外径的10％。
开孔及焊缝不允许布置在部件转角处或扳边圆弧上，并应离开一定距离。
5焊接材料与方法选择
5.1母材选择
根据容器的工作条件确定对材料和制造工艺的要求。
对于一般容器重量大小不是主要问题，所以用焊接性好的低碳钢或低合金结构钢。
本设计选用Q235-A,其化学成分和力学性能如下。
化学成分
钢号
C
Mn
Si
S
P
Q235-A
0.14~
0.22
0.30~
0.65
0.12~
0.30
≤0.050
≤0.
力学性能
钢号
板厚
/mm
抗拉强度
σb/Mpa
屈服强度σs
/Mpa
试验温度/℃
缺口形式
Q235-A
4
375
235
100
V
5.2焊料选择
焊接采用焊条电弧焊，焊条型号为J422，图中未标明焊接接头形式与尺寸按GB985-88《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊逢坡口的基本形式与尺寸》进行选用。
所有角焊缝焊脚高度，除注明者外，均为两相焊较薄者的厚度，且须连续焊。
5.3焊接工艺及技术要求
焊缝分散原则；避免焊缝多条相交原则；对称质心布置原则；避开应力复杂区或应力峰值去原则；对接钢板的等厚连接原则；接头设计的开敞性原则；焊接坡口的设计原则（焊缝填充金属尽量少；避免产生缺陷；焊缝坡口对称；有利于焊接防护；焊工操作方便；复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率）。
属结晶凝固而形成接缝，焊接材料为碳钢、低合金钢、不锈钢，应用围广，适用短小焊缝及全位置施焊，可适用在静止、冲击和振动载荷下工作的坚固密实的焊缝焊接，这种方法灵活方便，适应性强，设备简单，维修方便，生产率低，劳动强度高。
封头与圆筒等厚采用对接焊接。
平行长度任取。
坡口形式为I型坡口。
6、焊接工艺工程
6.1焊前准备
焊前，坡口两侧各10mm围的铁锈，应打磨干净，露出金属光泽。
用丙酮清洗坡口附近的油污。
焊剂和焊条按规定烘干，300~350℃保温2h。
注意焊剂中不要混入铁屑、碎石等杂物。
不要强行组装，避免应力过大；引弧板要对齐焊缝，地线连接牢固。
上、下封头的焊接采用对接接头，为保证环焊缝开设60°的正面V形坡口，在钢瓶部装上衬垫，用手工电弧焊完成封头的定位焊接和衬垫与筒体的连接，装配时间隙为0~1mm，如图7-1。
然后清理干净手工电弧焊药皮，并且将焊点用磨光机打磨平整。
6.2储罐的安装施工顺序
定顶立式圆筒形钢制焊接储罐的安装普遍采用倒装法施工工艺，即在罐底铺设、焊接之后，先组装焊接顶层壁板及包边角钢，再组装焊接罐顶，然后自下而上依次组装焊接每层壁板，直至底层壁板。
2.预制完毕的封头、罐壁板、包边角钢在堆放、运输和起吊过程中应采取有效措施防止变形。
3罐体安装前必须对甲苯罐基础按土建基础设计文件中的要求和GBJ128-90中有关对基础的要求进行检查、验收合格后方可进行安装。
4.罐体安装完毕验收合格后，罐体外表面刷二遍底漆-环氧树脂漆，二遍面漆-聚氨酯面漆,涂层厚度参照国家标准规定执行。
5.罐壁纵焊缝进行大于等于10%，T形焊缝进行大于等于15%,和环焊缝进行大于等于1%的X射线无损探伤。
探伤合格标准按GB3323-87〈钢焊接射线照相底片等级分类法〉III级评定。
6.4质量检验、修整处理、外观检查
（1）质量检验：
整体结构质量：
结构的几何尺寸、形状和性能
焊缝质量：
与结构的强度和安全相关，如无损检测等
强度评定：
压力试验、气密性实验等，断裂评定：
防脆断、防疲劳评定等
（2）修整处理：
变形矫正：
手工矫正、机械矫正、火焰矫正
热处理：
焊后热处理，整体或局部热处理除应力
缺陷修整：
焊接缺陷等
清洗防护、外观处理：
除锈、氧化皮清理、酸洗、抛光、油漆防护等
（3）外观检查：
①检查前将熔渣、飞溅物清理干净，焊缝及热影响区不得有裂纹、气孔、夹渣或弧坑等缺陷；
②焊缝表面质量标准缝合设计要求，见下表
③屈服点大于390MPa或厚度大于25mm的低合金钢的地圈壁板纵缝不得有咬边；
④屈服点大于390MPa的钢板，表面焊疤应在磨平后进行渗透探伤或磁粉检测，无裂纹为合格。
6.5焊缝修补
①深度超过0.5mm的划伤、电弧擦伤、焊疤等有害缺陷，应打磨平滑，打磨修补后的钢板厚度用大于等于钢板名义厚度扣除负偏差；缺陷深度或打磨深度查过1mm时应进行补焊并打磨。
②屈服点大于390MPa的低合金钢缺陷清理后应进行探伤，确认无缺陷后进行补焊，修补后打磨平滑再做探伤；焊缝修补宜采用回火焊道。
③根据缺陷的探测埋深确定缺陷的清除面，清除深度不宜大于板厚的2/3.
④焊缝的修补必须严格按焊接工艺，严格控制线能量，修补长度不应小于50mm。
⑤顶板的焊缝缺陷因其板材较薄可直接修补。
⑥同一部位返修次数不宜超过2次。
7焊接工艺参数
焊接材质：
焊条J422直径2mm
坡口形式：
V形坡口60度
焊接电流：
180A
焊接电压：
20V
电源及接法：
直流正接
焊接速度：
2.44mm/s
（7）焊接位置：
平焊
每个位置均采用此工艺进行焊接
焊缝焊接工艺卡片
产品名称
储存罐
产品型号
焊缝位置
筒体环缝、封头和筒体焊缝、接头与筒体焊缝、接头与封头焊缝、补强圈焊接节点
母材
Q235-A
规格
4mm
电源极性
电流
电压
焊接速度
层次
焊接方法
牌号
规格
直流正接
180
A
20
KV
2.44
mm/s
封底焊接
SMAW
E4303
2
mm
技术要求：
清除坡口两侧表面20mm的油污，锈蚀，尘土。
定位焊条选E4303.
8.焊接工艺设计心得体会
通过这次课程设计，让我对化工设备机械有了进一步的认识。
设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括环境条件和介质的性质等再选择合适的设计参数，对罐体的材料和结构确定之后还要进行一系列校核计算，包括筒体、封头的应力校核，以及鞍座的载荷和应力校核。
校核合格之后才能确定所选设备型符合要求。
通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。
在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课设中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。
在设计的最后附有设备图，在绘图的整个过程中，我对制图软件的操作更加熟悉。
这次课设的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格式要求完成课设。
这就为我们做毕业设计打下了基础。
因为的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。
最后感谢老师对这次课设的评阅。
9.参考文献
【1】GB150-1998《钢制压力容器》
【2】《压力容器与化工设备使用手册》化学工业
【3】T4736-2002《补强圈》
【4】GB/T9115.1-2000《平面、突面对焊钢制管法兰》
【5】GB6654-1996《压力容器用钢板》
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