锅炉汽包设计说明书.doc

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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。

３４

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=3.0MPa可知≥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①

Q235-C，Q235-D

——

15，20

GB710,GB711GB13237

≤1.0

——

20R②

GB6654YB（T）40

≤5.9

≤450

20g

22g

GB713YB（T）41

≤5.9③

≤450

合金钢

12Mng,16Mng

GB713YB（T）41

≤5.9

≤400

16MnR②

GB6654YB（T）40

≤5.9

≤400

注：

①用于额定蒸汽压力超过0.1Mpa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。

————额定工作压力

————最大流量时计算元件至锅炉出口间的压力降

————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=237℃，

=，取=250℃

3.3锅筒壁厚及长度

3.4许用应力

为基本许用应力，根据表（3-1）250℃时16Mng的基本许用应力为149MPa

为修正系数，根据表（3-2），修正系数选1.00

3.5理论壁厚

为最小减弱系数，取=0.7

为公称直径，=1000mm

=15.33mm

取用壁厚S应满足

C为附加壁厚

式中———考虑腐蚀减薄的附加壁厚，一般取0.5。

对锅筒，若时，可不计，但若腐蚀较重，应根据实际情况确定值。

———考虑钢板负偏差和工艺减薄的附加壁厚。

对于锅筒，钢板负偏差当时，=0.5，当时，=0，如负偏差值大于0.5mm时，按实际值取用。

取S=18mm

3.6锅筒的许用压力

————有效壁厚，，=17

>P,所以筒体的压力强度合适。

3.7锅筒的长度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

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=250mm,h=40mm

4.2封头的展开尺寸D0

又由国标GB713-1997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

Y————形状系数，，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

————许用应力，按筒体许用应力选用。

取用壁厚，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

有孔，有拼接焊缝，但二者不重合

和取较小者

有孔，有拼接焊缝，且二者重合

（）

4.5校验封头允许的工作压力

按下式计算：

，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：

V————v=20~40m/s,取v=40

Z————额定蒸发量Z=20t/h=5.6kg/s

————查饱和蒸汽密度表可知，在247℃时，

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

取水冷壁管数n=20，可得水冷壁管内径

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

5.4给水管：

给水管内径

V————流速v=0.5~2m/s,取v=1m/s

————取

在圆筒上开孔，当圆筒直径时，开孔最大直径，且，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

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

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

————取筒体上最小减弱系数=0.88

————通过表（）取=325MPa

所以满足使用条件，合格。

7.封头水压试验最高许用压力

Y————形状系数Y=1

通过上式求得>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

b.对接纵焊缝的强度校核公式为

所以对于封