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压缩空气储气罐设计说明书
压缩空气储气罐设计说明书
焊接结构与工艺课程设计
学校：
山西大同大学煤炭工程学院
姓名：
陈芳
专业：
材料成型及控制工程
班级：
材料一班
学号：
110803021102
题目：
压缩空气储罐设计
时间：
2015年12月15日至1月2日
扌旨导老师：
魏雷
前言
1、任务说明
设计一个压缩空气储罐，采用常规设计方法，综合考虑环境条件等因素并参考相关标准,按工艺设计、设备结构设计、设备强度计算的设计顶序，分别对储罐的筒体、封头、人孔、接管进行设计，然后采用SW6-1998对其进行强度校核，最后形成合理的设计方案。
本设计是针对《焊接结构》这门课程所安排的一次课程设计，是对这门课程的一次总结,要综合运用所学的知识并査阅相关书籍完成设计。
设计基本思路：
本设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素，结合给定的工艺参数，机械按容器的选材、壁厚计算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分别对储罐的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接管、管法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选择。
设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标设备。
各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计
2、压缩空气的性质
中文名称：
压缩空气
主要成分：
氮气、氧气等
外观与性状：
无色无味
沸点（°C）-192°C
相对密度（水二1）：
0.9
健康危害：
无
环境危害：
无
危险特性：
高温常压储存，高温剧烈震动易爆
特性总结：
压缩空气是清晰透明的，输送方便，没有特殊的有害性能，没有起火危害,不怕超负荷，能在许多不利环境下工作，空气在地面上到处都有，取之不尽。
来源：
大气中的空气常压为0.IMPa,经过空气压缩机加压后达到理想的压力
作用或用途：
压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，其应用范围遍及石油，化工,机械，轻工，纺织，国防，科研等行业和部门。
第一章参数的确
疋
...3
1.1设
、计
压
力
....3
1.2设
计温
度
1.3
3
...主要元件材料的选择
3
第
——-
——早
压力容器结构
设
计
….…5
2.1筒体壁厚计
……5
2.2封头壁厚计算5
2.3压力试验7
第
二早
附件的
选
择
■…8
3.1
人孑L的
选
择
8
3.2人孑补强的计算......
8
3.3
压力
计
的选
择•.…
10
3.4选配工艺接管
11
3.5鞍座的选择
..12
3.5.1
鞍座结构
和
材
料的选
取
1
......12
3.5.2
容器载荷计算.
...13
3.5.3
鞍座选取标准.
13
3.5.4
鞍座
强
度
校核
14
四
章
容器
焊
缝标
准
18
4.1压力容器焊接结构设计要求...16
4.2
筒体与椭圆封头的焊接接头...16
4.3
管法兰与接管的焊接接头.....16
4.4
接管与壳体的焊接接头.......仃
第五章压缩空气储气罐
焊
21
22
第一章参数的确定
表1-1:
设计参数表
序号
项目
数
值
单
位
备注
1
名称
压缩空气储气罐
2
用途
储存压缩空气
3
最高工作压力
0.
909
MPa
由介质温度确定
4
工作温度
-20〜
100
°C
5
公称容积（Vg）
15
3m
6
公称直径
1200
mm
7
焊接系数（0V）
1.0
8
工作介质
压缩空气（无危害）
9
使用地点
室内
10
工作
介质
空气
11
其它要求
100%c损检测
1.1设计压力
设计压力为压力容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力，通常可取最高工作压力的1.05~1.1倍。
经过查我们取设计压力为1.0Mpa
1.2设计温度
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0C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0C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50°C。
1.3主要元件材料的选择
1.筒体材料的选择：
根据压缩空气的物理性质选择罐体材料，可以考虑20R和16MnF这两种钢材。
如果纯粹从技术角度看，建议选用20R类的低碳钢板，16MnR钢板的价格虽比20R贵，但在制造费用方面，同等重量设备的计价，16MnR钢板为比较经济。
所以在此选择16MnR钢板作为制造筒体和封头材料。
2.筒体结构的选择：
筒体结构设计为圆筒形。
因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。
钢板标准GB6645查表可知50C时的许用应力
t170MPa。
3.封头的结构及选材：
封头有多种形式，半球形封头就单位容积的表面积来说为最小，需要的厚度是同样直径
圆筒的二分之一，从受力来看，球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。
椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但对于标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。
它
吸取了蝶形封头深度浅的优点，用冲压法易于成形，制造比球形封头容易，所以选择椭圆形
封头，结构由半个椭球面和一圆柱直边段组成。
封头取与筒体相同材料。
4.钢管材料的选择：
137MPa
根据JB/T4731,钢管的材料选用20号钢，其许用应力
2.1筒体厚度的计算
查《压力容器材料使用手册-碳钢及合金钢》得16MnR的密度为7.85t/m3，熔点为
1430r，许用应力t列于下表：
表2-116MnR许用应力
图2-1筒体简图
板厚在下列温度（°C）下的许用应力/Mpa
/mm
<20
100
150
200
250
300
6〜
170
170
170
170
156
144
16
16〜
163
163
163
159
147
134
36
16MnR36〜
157
157
157
150
138
125
60
>60
153
153
150
141
128
116
100
筒体的公称直径Di有标准选择，而它的长度L可以根据容积要求来决定
n
根据公式—Di2L15m3（1+5%）
4
取L/D=4
将L/D=4代入得：
Di1.69mb
圆整后，Di1700mm
2mm，
由中径公式一可得筒体的计算厚度5.015mm负偏差C10,腐蚀余量
2[]tPc
故筒体的名义厚度为n=8mm
2.2封头厚度的计算
采用标准椭圆封头，查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表1,
一3
得公称直径DN=Dj=1700mm，封头深度H=450mm容积为0.6999m。
根据V筒V封Vgj。
5
n2
-DiL0.69992151.05
4
得l筒6.3m,圆整得l筒6300mm
3
VV2封15.6998m
计算压力Pc:
由于储存压缩空气，Pc=P=1.0MPa
图2-2封头简图
该容器需100%探伤，所以取其焊接系数为1.0。
由椭圆厚度计算公式可得
PcDi
15.008mm
20.5Pc
腐蚀裕度C22mm，钢板负偏差G0故圆整后取名义厚度n8mm
有效厚度enC1C2826mm
表2-2EHA椭圆形封头
序号
公称直径
mm
总深度
H\mm
内表面积mm2
容积
mm3
质量
m\kg
17
1200
325
1.6552
0.2545
102.2
22
1700
450
3.2662
0.6999
200.7
2.3压力试验
水压试验，液体的温度不得低于5C；
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。
先按公式确定水压试验时的压力Pt为：
R
Pt
1.25Pc[号125101,25MPa
Pc0.101.00.101..10MPa
选取两者中压力较大值作为水压试验压力，即取Pt1.25MPa，
水压试验时的应力为
R（Die）1.25[1700（802）]
2（802）1
345MPa
查表得厚度为16mm的16MnF钢板的钢材屈服极限
故在常温水压试验时的许用应力为
0.9s0.9345310.5MPa
故t0.9s因此满足水压试验要求
第三章附件的选择
3.1人孔选择
人孔的作用：
为了检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、腐蚀等缺陷。
人孔的结构：
既有承受压力的筒节、端盖、法兰、密封垫片、紧固件等受压元件，也有安置与启闭端盖所需要的轴、销、耳、把手等非受压件。
人孔类型：
从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。
从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。
从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。
人孔标准GH21524-2004规定PN>I.OMpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。
容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，压力容器上的开孔最好是圆形的，人孔公称直径最小尺寸为400mm。
3.2人孔补强的计算
表3-1人
单位：
mm
孔的基本参数
密封面形式
公称压力
PN\M
Pa
dw
s
d
D
A
H
螺
柱
螺母
螺
柱
累总
质
量
\k
g
数量
个
直径
长度
突面
（RF
）
400
426
12
40
2
62
0
35
0
24
0
12
0
1
6
3
2
M33
2160
19
5
表3-2人孔主要零件材料选择
零件
名称
筒节
法兰
法兰
盖rm
支撑板
等长
双头
螺柱
螺母
垫片
材料
16MnR
【16Mnl
R16Mn
R16Mr
1R8.8
级
8级
金属环垫
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。
但必须满足规定的条件。
压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。
当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积。
补强材料采用16MnR
（2）计算开孔所需补强的面积A:
按HG/T21518-2005,选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔。
开孔直径ddi2C20022404mm
根据GB150-1998A=d2et（1fr）
其中：
壳体开孔处的计算厚度5.008mm
接管的有效厚度etnt
C1
C2
13
2
11mm
强度削弱系数fr[”
137
0.806
r[]r
170
所以开孔所需补强面积为
Ad2』fr）
404
82
8
11
（10.806）3266.144mm2
（3）有效宽度B的确定
按B2d2n2nt404
28
2
13
446mmGB150中式8-7，得:
B022404808mm
Bmax（JB|B2）808mm
（4）有效高度的确定
a.外侧有效高度0的确定
根据GB150得：
h'\d幕4041372.47mm
h/接管实际外伸高度H1240mm
hmin（人山"）72.47mm
b.内侧有效高度h2的确定
根据GB150-1998得：
①’、d_nt404一1372.47mm
h/'0
（5）筒体多余面积A:
筒体多余面积AA1（B
d'）（n
）2et（n
）（1
fr）
（808
404）（8
5.008）211
（8
5.008）（10.806）1196mm'
（6）接管多余金属的截面积
A:
接管厚度：
tPcDi
1.00400
2
1.18mm
2t0.5PC217010.51.00
A22^（ntt）fr2h2（etC2）fr272.47（131.18）0.80601380.83mm2
（7）补强区内焊缝截面积A
焊缝金属截面积
焊角取6.0mm
12
A32—1010100mm
2
（8）有效补强面积A:
根据GB150分别计算如下：
AeAlA2A3
AeA1A2A311961380.83362612.83mm2
因为AevA3266.144mm2，所以开孔需另行补强
（9）所需补强面积：
所需另行补强面积：
AAAA2A33266.14411961380.8336635.314mm2
（10）补强圈设计：
补强圈设计：
根据DN400取补强圈外径D'=680mm。
因为B>D,所以在有效补强范围。
补强圈内径d'=428mm
补强圈厚度：
=—A4635.3142.521mm2
Dd680428
考虑钢板负偏差并圆整，实取补强厚度5mm补强材料与壳体材料相同，制造时为便于
备材，且补强圈耗材也不多，设计时可采用与壳体相同的板厚，即取’8mm
3.3压力计的选择
压力计是装在锅炉、压力容器上的压力表，其最大量程（表盘上刻度极限值）应与设备的工作压力相适应。
压力表的量程一般为设备工作压力的1.5〜3倍，最好取2倍。
若选用
的压力表量程过大，由于同样精度的压力表，量程越大，允许误差的绝对值和肉眼观察的偏差就越大，则会影响压力读数的准确性；反之，若选用的压力表量程过小，设备的工作压力等于或接近压力表的刻度极限，则会使压力表中的弹性元件长期处于最大的变形状态，易产
生永久变形，引起压力表的误差增大和使用寿命降低。
另外，压力表的量程过小，万一超压运行，指针越过最大量程接近零位，而使操作人员产生错觉，造成更大的事故。
因此，压力表的使用压力范围，应不超过刻度极限的60〜70%。
测量精度压力表的精度是以允许误差占表盘刻度极限值的百分数来表示的。
精度等级般都标在表盘上，选用压力表时，应根据设备的压力等级和实际工作需要来确定精度。
额定蒸汽压力小于2.45MPa的锅炉和低压容器所用的压力表，其精度不应低于2.5级；额定蒸汽压力大于2.45MPa的锅炉和中、高压容器的压力表，精度不应低于1.5级。
表盘直径为了使操作人员能准确地看清压力值，压力表的表盘直径不应过小。
在一般情况下，锅炉和压力容器所用压力表的表盘直径不应小于100mm如果压力表装得较高或离岗
位较远，表盘直径还应增大。
隔膜压力表，技术指标为：
精度等级：
（1.6）公称直径：
50接头螺纹：
1.5G1
测量范围：
0〜2.4MPa
3.4选配工艺接管
压缩空气储罐要开设空气进口管、安全阀口、空气出口管、压力表接口、并根据各接口的大小选择相对应的法兰及垫片。
表3-3
公称
直径
钢管外径
安全阀
50
57
人孔
400
426
空气进口管
50
57
空气出口管
50
57
压力表接
50
57
口
根据管口公称直径选择相应的法兰，2.5MPa时选用带颈对焊法兰，主要参数如下:
图3-1板式平焊钢制管法兰
表3-4PN2.5板
式平焊钢制管法兰单位：
mm
公称尺
寸
r
DN
管子外径
A
连接尺寸
法
、人
厚
度C
法
、
内径
B
质
量
\kg
法
、人
外
径D
螺栓孔中心圆直
径K
螺栓孔直
径L
螺栓孔数
量
个
螺栓
（Th）
50
57
140
110
14
4
M12
14
59
1.5
50x4mm，配用凸面式平焊管法兰HG5010-58Pg16Dg25,外
表3-5PN2.5钢
制管法兰盖单位：
mm
公称
尺寸
DN
连接尺寸
法兰
厚度
C
质量
\kg
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
个
螺栓
（Th）
50
140
110
14
4
M12
14
1.5
公称尺
、
r
DN
垫片内径
D
垫片外径D
垫片厚
度T
包边宽
度b
公称压力PN\MPa
2.5
6
10
16
25
40
63
50
61
96
96
107
107
107
107
113
1.5
3
表3-6突面法兰用RF和RF-E型垫片尺寸
1.空气进气管
采用20号钢无缝钢管
伸高度150mm
2.空气出气管
采用20号钢无缝钢管
伸高度150mm
50x4mm，配用凸面式平焊管法兰HG5010-58Pg16Dg25,外
3.排污管
在罐的右端最底部设个排污管，规格是76X4mm管端焊有与截止阀相配的管法兰HG
5010-58Pg16Dg70。
排污管与罐体连接处焊有一厚度为10mnt勺补强圈.
4.安全阀接口管
采用20号钢无缝钢管50X4mm，配用凸面式平焊管法兰HG5010-58Pg16Dg25,外
伸高度150mm。
5.压力表接口管
采用20号钢无缝钢管50X4mm，配用凸面式平焊管法兰HG5010-58Pg16Dg25,外
伸高度150mm。
3.5鞍座的选择
3.5.1鞍座结构和材料的选取
卧式容器的支座有三种形式：
鞍座、圈座、和支腿，常见的卧式容器和大型卧式储罐、换热器等多采用鞍座，它是应用得最为广泛的一种卧式容器支座。
置于支座上的卧式容器，其情况和梁相似，有材料力学分析可知，梁弯曲产生的应力与支点的数目和位置有关。
当尺寸和载荷一定时多支点在梁内产生的应力较小，因此支座数目似乎应该多些好。
但对于大型卧式容器而言，当采用多支座时，如果各支座的水平高度有差异或地基沉陷不均匀，或壳体不直不圆等微小差异以及容器不同部位受力挠曲的相对变形不同，是支座反力难以为个支点平均分摊，导致课题应力增大，因而体现不出多制作的优点，故一般情况采用双支座。
采用双支座时选取的原则如下：
1双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸梁，由材料力学知，当外伸长度A=0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似取A0.2L,其中L取两封头切线间距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离。
2当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强刚性的作用。
为了充分利用这一加强效应，在满足A0.2L下应尽量使A0.5R0.
此外，卧式容器由于温度或载荷变化时都会产生轴向的伸缩，因此容器两端的支座不能都固定在基础上，必须有一端能在基础上滑动，以避免产生过大的附加应力。
通常的做法是将一个支座上的地脚螺栓孔做成长圆形，并且螺母不上紧，使其成为活动支座，而另一支座仍为固定支座。
所以本设计就采用这种支座结构。
根据设备的公称直径和容器的重量参照鞍座标准JB/T4712-1992选取鞍座结构及尺寸。
鞍座的材料（除加强垫板除外）为Q235-A-F,加强垫板的材料应与设备壳体材料相同为16MnR。
3.5.2容器载荷计算首先粗略计算鞍座负荷
储罐总质量：
mm12m2m3m4，式中
m1—筒体的质量，kg
大同大学煤炭工程学院
m2—单个封头的质量，kg
m3—水压试验时水的质量，Kg
m4—附件的质量，Kg
1.筒体质量m-\:
筒体质量：
DL3.141.76.381035.0151031349.21kg
2.单个封头的质量m2:
查标准JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.2EHA椭圆形封头质量，可知,
m2251.6kg
3.水压试验时水的质量m3
m3gh1000
2
-1.76.320.699915692.3kg
4.其他附件质量m4：
m4――附件质量：
人孔质量为300kg，其他接管质量总和估100kg，即g400kg
5.设备总质量m:
综上所述,mm12m2m3m417946kg
3.5.3鞍座选取标准
通常取尺寸A不超过0.2L值，中国现行标准JB4731《钢制卧式容器》规定A<0.2L=0.2（L+2h），A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。
DN仃00120°包角轻型带垫板鞍式支座基本参数
公
允
鞍
底板
腹
筋板
垫
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