锅炉汽包焊接结构设计说明书 2讲解.docx

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锅炉汽包焊接结构设计说明书2讲解

中北大学

课程设计

题目：

锅炉汽包焊接结构设计

专业：

焊接技术及其自动化

班级：

08焊接四班

姓名：

高兴

前言

一、课程设计内容和要求

主要内容：

1、主要包括产品的形状设计和制造工艺。

其中以产品制造工艺中的焊接工艺制定为主。

2、学生在接到设计题目后，应按照所指定的产品类型、产品形状和工作要求作出合理的产品工艺分析，制定出相应的制造工艺和焊接工艺，同时对几种拟定的设计方案加以比较，选出最合理的一种，完成设计图

设计要求：

要求绘制设计图纸一张，编写设计说明书一份，制造工艺卡和焊接工艺卡各一份。

1、绘制A1号图一张，图纸应符合规定的标准，选取恰当的比例进行绘制，确保绘图准确和图面清洁；

2、工艺卡作为产品制造的依据，应包括详细的工序号和工序名称，加工要求，参照标准，加工设备和工艺以及必要的计算公司和附录；

3、设计说明书应包括：

设计题目、目录和前沿、正文、结束语、参考文献。

说明书中应按照设计步骤详细叙述设计的主要内容，设计过程和计算过程，包括方案的拟定、方案比较、最终方案的确定，并附有设计计算草图；

设计公式及设计参照的标准必须注明来源或参考资料。

二、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工程。

三、课程设计的概况

学习本门课程设计钱，学生应学过机械工程制图、理论力学、材料力学、焊接结构与生产、弧焊方法与工艺、焊接结构学、金属焊接性、焊接检验等专业课程。

同时应单进行生产实习，参观过相关的焊接产品的生产工艺过程。

整个设计过程分为四个阶段，第一阶段为：

文献的查阅和设计的基本计算及草图的绘制；第二阶段为：

整理说明书、前沿目录等；第三阶段：

完成焊接工艺卡及焊接工艺卡制定依据；第四阶段：

完成整理所有资料。

前言2

目录3

课程设计任务书4

1、钢材的选择5

2、板材尺寸及成分5

3、锅炉的尺寸计算6

4、封头的选择及校核9

5、封头开孔要求10

6、孔的减弱系数11

7、筒体水压试验最高许用压力12

8、封头水压试验最高许用压力12

9、未加强孔的计算12

10、锅炉筒体焊缝承载能力校核14

11、锅炉的成本计算17

12、结束语20

13、参考文献20

中北大学机电工程学院课程设计任务书

课程名称

课程设计

指导教师

学生姓名

专业

焊接技术

班级

设计内容

课程设计的题目：

锅炉锅筒的制造工艺设计

设计内容：

主要包括产品的形状设计和制造工艺。

其中以产品制造工艺中的焊接工艺制定为主。

学生在接到设计题目后，应按照所指定的产品类型、产品形状和工作要求作出合理的产品工艺分析，制定出相应的制造工艺和焊接工艺，同时对几种拟定的设计方案加以比较，选出最合理的一种，完成设计图

设计参数

额定蒸发量t/h

额定工作压力MPa

公称直径mm

30

2.8

1200

设计要求

要求绘制设计图纸一张，编写设计说明书一份，制造工艺卡和焊接工艺卡各一份。

1、绘制A1号图一张，图纸应符合规定的标准，选取恰当的比例进行绘制，确保绘图准确和图面清洁；

2、工艺卡作为产品制造的依据，应包括详细的工序号和工序名称，加工要求，参照标准，加工设备和工艺以及必要的计算公司和附录；

3、设计说明书应包括：

设计题目、目录和前沿、正文、结束语、参考文献。

说明书中应按照设计步骤详细叙述设计的主要内容，设计过程和计算过程，包括方案的拟定、方案比较、最终方案的确定，并附有设计计算草图；

设计公式及设计参照的标准必须注明来源或参考资料。

任务下达时间

2011.12.19

要求完成时间

2012．1.11

设计周数

4

批准

教研室主任（签章）年月日

系主任（签章）年月日

1、钢材的选择

由于Pe=2.8MPa可知Pe＜3.8MPa，是低压锅炉。

低压锅炉可以用20R即是Q345R钢，是钢板中的一大类－－容器板，具有特殊的成分与性能，主要用于做压力容器使用，针对用途，温度，耐腐的不同，所应该选用的容器板材质，也不尽相同

特点：

Q345R钢是屈服强度σs为340MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。

磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345（16Mn）钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345（16Mn）钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。

它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

Q345R钢中可添加铌，钒，钛元素，其含量应填写在质量证明书中，上述3个元素含量总和应分别不大于0.050%、0.10%、0.12%。

综上所述，对于该课程设计选择Q345R的刚擦既满足使用条件。

2、板材20R成分及各项性能

由国标GB713-1997中可知公称厚度范围是6-150，宽度范围是650-3800.20R钢的化学成分、力学性能和冷弯性能、高温屈服强度、需用应力如下表：

表1-26 钢的化学成分 

化学成分% 

C 

Si 

Mn 

P 

S 

〈=0.20

0.15～0.30

0.40～0.90

≤0.035

≤0.030

钢的化学成分

表1-27钢板的力学性能和冷弯性能 

板厚（mm）

бb（Mpa） 

бs（Mpa） 

δs（%） 

0℃Akv（纵）（J）

冷弯试验180 º

6～16

400～520

≥245

≥25

≥31

d=2a

>16～36

≥235

>36～60

≥225

>60～100

390～510

≥205

≥24

钢板的力学性能和冷弯性能

表1-28 钢板的高温屈服强度

板厚（mm）

在下列温度（℃）下的屈服强度（Mpa）不小于

200

250

300

350

400

450

21～36

186

167

153

139

129

121

>36～60

178

161

147

133

123

116

>60～100

164

147

135

123

113

106

钢板的高温屈服强度

表1-29  钢板的许用应力

板厚（mm）

在下列温度（℃）下的许用应力（Mpa）

≤20

100

150

200

250

300

350

400

425

450

475

6～16

133

133

132

123

110

101

92

86

83

61

41

>16～36

133

132

126

116

104

95

86

79

78

61

41

>36～60

133

126

119

110

101

92

83

77

75

61

41

>60～100

128

115

110

103

92

84

77

71

68

61

41

钢板的许用应力

有上述数据可知选材满足设计使用条件。

3、锅炉的尺寸计算

锅炉个给想尺寸及其计算如下表：

锅炉尺寸计算表

名称

符号

单位

计算公式或来源

计算值

取用值

设计规范

额定蒸发量

Z

t/h

给定

30

额定工作压力

Pe

MPa

给定

2.8

公称直径

Dn

mm

给定

1200

计算压力

额定压力

Pe

MPa

给定=2.8

2.8

2.8

ΔPa

MPa

ΔPa=0.05Pe

0.14

0.14

ΔPz

MPa

0（规定）

0

0

ΔPaz

MPa

ΔPaz=0.01H=0.01×0.6=0.006＜（Pe+ΔPz+ΔPz）×0.03=0.0882,则取ΔPaz=0

0

0

工作压力

Pg

MPa

Pg=Pe+ΔPe+ΔPaz

2.8

2.8

计算压力

P

MPa

P=Pg+ΔPa

2.94

2.94

绝对压力

Pa

MPa

P+0.1

3.04

3.04

临界饱和温度

Tbh

°C

233

233

计算壁温

Tb

°C

由Tb=Tbh（Tbh≥250）

250

250

锅筒壁厚及长度

基本许用应力

[σ]J

MPa

由焊接设计简明手册P145取20R刚26~36时T=250°去的许用压力[σ]J=104

101

101

许用应力

[σ]

MPa

[σ]=η*[σ]J由表4受压元件许用压力修正系数，取锅筒不受热是η=1

101

101

减弱系数

Ψmin

参考焊缝和孔桥的最小减弱系数取0.7

0.7

理论壁厚

Sl

mm

Sl=

24.73

24.73

附加壁厚

C

mm

C=C1+C2+C3=0+0+3=3

3

3

取用壁厚

S

mm

S=Sl+C=24.73+3=27.73

27.73

28

有效壁厚

Sy

mm

Sy=S-C=28-3=25

25

25

锅筒长度

L

M

L=3.5Dn=3.5*1.2=4.2

4.2

4.2

封头壁厚

形状系数

Y

[2+（）2]

1

1

封头减弱系数

ψ

表7中选择有孔，无拼接焊缝ψ=1-d/Dn由后面人孔选择时得d=φ400mm，Dn=1200计算的ψ=0.667

0.667

0.65

理论壁厚

Sl

mm

Sl=

26.67

26.67

附加壁厚

C

mm

C=C1+C2=0+0=0

0

0

取用壁厚

S

mm

S=Sl-C=26.67-0=26.67

26.67

28

有效壁厚

Sy

mm

Sy=S-C=28-0=28

28

28

蒸汽管

计算壁温

Tb

°C

Tb=Tbh+10=233+10=243

243

250

基本许用应力

[σ]J

MPa

由资料3焊接简明手册P145表4-35取20R刚6~16厚时T=250°C时[σ]J=104

110

110

许用应力

[σ]

MPa

[σ]=η*[σ]J由表4受压元件许用压力修正系数，取锅筒不受热是η=1

110

110

内径

dz

mm

dz=2z=30t/h=8.33m/s取v=40m/s由资料2的ρ=14kg/m3

137.65

140

减弱系数

Ψmin

Ψmin=ψh1×ψh2由表6取有氩弧打底的单面焊接有坡口对接焊缝ψh1=0.9，单面对接焊缝带金属板垫板ψh2=0.85

0.81

0.81

壁厚

Sz

mm

Sz=

2.51

4

预留长度

L

mm

由书P54取L=3dz

414

450

水冷壁

规格

mm

低压φ51×2.5（给定）

φ51×2.5

数量

根

蒸汽管截面积为水冷壁截面积的35%左右

19.88

20

预留长度

L

mm

L=3×51=155

155

200

给水管

计算壁温

Tb

°C

Tb=Tbh+10=233+10=243

243

250

许用应力

[σ]

MPa

由资料3焊接简明手册P145表4-35取20R6~16厚时T=250°C是[σ]J=110

110

110

流速

ν

m/s

ν=0.5~2取ν=1

1

1

ρ

kg/m3

取水的密度

1.0×103

1.0×103

内径

dg

mm

dz=2数据的选取同dz

73.84

75

减弱系数

Ψmin

Ψmin=ψh1×ψh2由表6取有氩弧打底的单面焊接有坡口对接焊缝ψh1=0.9，单面对接焊缝带金属板垫板ψh2=0.85

0.81

0.81

壁厚

Sg

°C

Sg=

1.65

3

预留长度

L

mm

L=3dg=3×75=225

225

250

数量

n

根

由书p54设计给水管为3~6个取n=4

4

4

下降管

计算壁温

Tb

°C

由Tb=Tbh（Tbh≥250）

250

250

许用应力

[σ]

MPa

由资料3焊接简明手册P145表4-35取20R刚6~16厚时T=250°C是[σ]J=110

110

110

数量

n

根

取下降管为4跟

4

内径

dx

mm

下降管的总截面=水冷壁管的总截面

116.68

120

减弱系数

Ψmin

Ψmin=ψh1×ψh2由表6取有氩弧打底的单面焊接有坡口对接焊缝ψh1=0.9，单面对接焊缝带金属板垫板ψh2=0.85

0.81

0.81

壁厚

Sx

mm

Sg=

4.42

5

预留长度

L

Mm70

L=3dx=3×235=705

705

750

人孔法兰

公称直径

D1

Mm

根据法兰标准及人孔条件选择D1=400

400

400

法兰外圈直径

D2

Mm

根据法兰标准选择D2=500

500

500

连接凸面部分直径

D3

Mm

由法兰标准选择D3=347

347

347

法兰厚度

d1

mm

有标准选择d1=25+50

75

75

头孔法兰

公称直径

D1

Mm

根据法兰标准及人孔条件选择D1=300

300

300

法兰外圈直径

D2

Mm

根据法兰标准选择D2=400

400

400

连接凸面部分直径

D3

Mm

由法兰标准选择D3=224

224

224

法兰厚度

d1

mm

有标准选择d1=37.5+40

77.5

77.5

4、封头的选择及校核

有附录1及书P58可知选择椭圆形封头时D0=

根据封头直边高度：

h=25mmS≤8mm

h=40mm10mm≤S≤18mm

h=50mmS≥20mm

所以选择D内为1200mm，则h内为300mm，h=50mm，封头的展开尺寸为D0=1564mm，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。

其中筒体封头各项校核数据如下表：

锅筒凸形封头强度校核计算

序号

名称

符号

单位

公式及计算

结果

1

计算压力

P

MPa

P=Pg+ΔPa

2.94

2

绝对压力

Pa

MPa

P+0.1

3.04

3

介质温度

Tbh

°C

233

4

计算壁温

Tb

°C

由Tb=Tbh（Tbh≥250）

250

5

基本许用应力

[σ]J

MPa

由焊接设计简明手册P145取20R刚26~36时T=250°去的许用压力[σ]J=101

101

6

修正系数

η

由表4受压元件许用压力修正系数，取锅筒不受热是η=1

1

7

许用应力

[σ]

MPa

[σ]=η*[σ]Jη=1

101

8

人孔最大尺寸

φ

mm

取φ=400mm

400

9

封头减弱系数

ψ

表7中选择有孔，无拼接焊缝ψ=1-d/Dn由后面人孔选择时得d=φ400mm，Dn=1200计算的ψ=0.667

0.667

10

封头内高度

h内

Mm

由附录一可得h内=300

300

11

形状系数

Y

[2+（）2]

1

12

封头取用壁厚

S

mm

S=Sl-C=26.67-0=26.67

28

13

封头附加壁厚

C

mm

C=C1+C2=0+0=0

0

14

封头有效壁厚

Sy

mm

Sy=S-C=28-0=28

28

15

封头理论壁厚

Sl

mm

Sl=

26.67

16

封头最高允许工作压力

[P]

MPa

[P]===3.16

3.16

其中锅筒筒体允许的最小减弱系数等于封头最高允许工作压力[P]==3.16，最高允许压力[P]=3.16,＜Pa=3.04，所以凸形封头的压力强度合格。

锅筒筒体允许最小减弱系数为[ψ]==0.619，所以锅筒减弱系数ψ=0.7＞[ψ]=0.619，所以满足条件减弱系数合格。

管子的最高允许工作压力[P]=，所以蒸汽管的最高允许工作压力[P蒸]==39.312MPa﹥﹥工作压力P=3.04，所以蒸汽管符合工作条件。

同理可得水冷壁和下降管的最大允许工作压力均大于实际工作压力，也符合工作条件。

5、封头开孔要求

人孔和头孔尺寸设计及校核：

（1）、锅炉受压元件上，椭圆人孔不得小于280×380，由资料4查得法兰标准尺寸有φ400，则取对应大小φ400mm的圆孔为人孔；

（2）、锅炉受压元件上，手孔短轴不得小于80mm，由资料4查得法兰标准尺寸有φ100，则取φ100mm的手孔；

（3）、锅炉受压元件上，椭圆形头孔，尺寸不得小于220×320，由资料4查得法兰标准尺寸有φ350，则取φ350的头孔；

（4）、开φ400mm的人孔时，==2.35＜0.35，人孔边缘到封头边缘的距离最大可为：

（1200-400）/2=450,要求最小距离为0.1S=148mm所以满足条件；

（5）、φ400mm的人孔使用条件：

==0.25＞0.2，所以封头不能太偏，最好在正中间，避免大的弯曲应力；=0.02＜0.1，不能太厚，满足条件，避免内外温度应力；==0.333＜0.6，开孔直径不能太大，满足条件，保证街头的强度；

（6）、φ100mm的头孔使用条件：

==0.25＞0.2，所以封头不能太偏，最好在正中间，避免大的弯曲应力；=0.02＜0.1，不能太厚，满足条件，避免内外温度应力；==0.25＜0.6，开孔直径不能太大，满足条件，保证街头的强度.；

（7）、凸形封头的计算压力2.94MPa＜最高工作压力[P]=3.16，即P＜[P]，封头强度满足条件合格；

（8）、筒体筒体允许最小减弱系数[ψ]===0.64，封头减弱系数ψ=0.667＞0.64满足条件合格；

综上所述φ400mm的人孔，φ100mm的头孔均满足使用条件。

6、孔桥的减弱系数

筒体的展开图如下图：

锅筒下降管在锅筒6点钟下方，给水管和水冷壁分别在通体3点和11点半方向，蒸汽管在筒体12点钟方向。

其中水冷壁管与水平夹角是30°，且向6点钟方向偏。

水冷壁管沿水平纵向均匀分布20根管。

给水管沿水平纵向均匀分布4根管。

水冷壁相邻两孔的截距t==4200/（20+1）=200mm，水冷壁t0=dp+2=51+2=401＞t=200mm，所以水冷壁等直径纵向相邻两孔的孔桥减弱系数按下式计算：

ψ=（s-d）/s=（200-51）/200=0.745。

给水管相邻两孔的截距t==4200/（4+1）=840mm，给水管t0=dp+2=75+2=75+350=425＜t=840，所以无需减弱系数；同理下降管和蒸汽管的两孔截距明显大于t0，所以都没有孔桥减弱系数。

纵向的蒸汽管和水冷管或给水管两类孔之间的最小截距分别为：

t1==906，t2==1073.1水冷壁的t01=dp+2=（140+51）/2+350=445.5mm＜t=906mm，给水管的t02=dp+2=（140+75）/2+350=457.5mm＜t=1073.1mm，所以均没有孔桥减弱系数。

同理下降管和蒸汽管和水冷管的之间也没有孔桥减弱系数。

7、筒体水压试验最高许用压力

锅筒筒体水压试验最高允许压力不许超过下列规定值：

Psw=0.45ψswσs其中β=1+=1.04σs=340MPaψsw中焊缝的减弱系数为Ψmin=ψh1×ψh2由表6取ψh1=0.9，ψh2=0.9所以Ψmin=0.81，孔桥减弱系数ψ=0.81，所以ψsw选取两者中最小值ψsw=ψ=0.745，所以计算得Psw=8.725MPa＞Pa=3.04MPa，满足使用条件，合格。

8、封头水压试验最高许用压力

锅筒封头水压试验最高许用压力不许超过下列规定值：

Psw=0.9ψswσs其中β=1+=1.04常温下σs=340MPa

同筒体水压试验选取孔桥减弱系数ψ=0.745，焊缝的最小减弱系数Ψmin=0.81，所以ψsw选取两者中最小值ψsw=ψ=0.745，计算得Psw=9.2MPa＞Pa=3.04MPa，满足使用条件，合格。

9、未加强孔的计算：

筒体最大加强孔径计算的过程表格如下表：

序号

名称

符号

单位

公式及计算

结果

1

锅筒筒体计算压力

P

MPa

P=Pg+ΔPa

2.94

2

饱和温度

Tbh

°C

233

3

锅筒筒体计算壁温

Tb

°C

由Tb=Tbh（Tbh≥250）

250

4

基本许用压力

[σ]J

MPa

由焊接设计简明手册P145取20R钢26~36时T=250°去的许用压力[σ]J=101

101

5

修正系数

η

取η=1

1

6

许用应力

[σ]

MPa

[σ]=η*[σ]Jη=1

101

7

锅筒筒体壁厚

Sl

mm

Sl=

26.67

8

腐蚀减薄量

C1

mm

取C1=0

0

9

工艺减薄量

C3

mm

取C3=3

3

10

附加壁厚

C

mm

C=C1+C2+C3=0+0+3=3

3

11

锅筒筒体有效壁厚

Sy

mm

Sy=S-C=28-3=25

25

12

锅筒筒体直径

Dn

mm

给定

1200

13

减弱系数

Ψmin

==0.633

0．633

14

DnSy

mm

DnSy=1200×25=30000mm

30000

15

最大未加强孔径

D0

mm

D0=8.1

187.13

由于D0=8.1，其中==0.633，所以D0=8.1=187.13mm。

又由书P61的公式最大加强孔径使用条件：

DnSy≤130×103，[d]≤200mm；如果DnSy≥130×103或[d]＞200mm，则取DnSy=130×103，[d]=200mm，所以由以上计算可