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1、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

2、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

3、气等外观与性状：无色无味沸点(C)-192C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 . 31.1设、 计压力 . 31.2设计 温度1.3 3. 主要元件材料的选择3第- 早压

4、力 容 器 结 构设计 . 52.1筒 体 壁 厚 计 52.2封头壁厚计算 52.3压力试验 7第二 早附 件 的选择 83.1人 孑L 的选择 83.2人孑补强的计算.83.3压 力计的 选择. 103.4选配工艺接管 113.5鞍座的选择 .123.5.1鞍座结构和材料的选取1 .123.5.2容器载荷计算.133.5.3鞍座选取标准.133.5.4鞍座强度校核 14四章容 器焊缝 标准 184.1 压力容器焊接结构设计要求 .164.2筒体与椭圆封头的焊接接头.164.3管法兰与接管的焊接接头.164.4接管与壳体的焊接接头.仃第 五 章 压 缩 空 气 储 气 罐焊 2122第一章

5、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0.909MPa由介质温度 确定4工作温度-20100C5公称容积（Vg）153 m6公称直径1200mm7焊接系数（0 V）1.08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1.051.1倍。经过查 我们取设计压力为1.0 Mpa1.2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

6、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16M nR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

7、类容器应用最广。钢板标准 GB6645查表可知50C时的许用应力t 170MPa。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：1

8、37MPa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2-1 16MnR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/ mm60153153150141128116100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 Di2L 15m3 (1+5%)4取 L/D=4将 L/D=4 代入得：Di 1.69mb圆整后，Di 1700mm2mm，由中径公式 一可得筒体的计算厚度5.015mm负

9、偏差C1 0 ,腐蚀余量2 t Pc故筒体的名义厚度为n=8mm2.2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0.6999 m。根据V筒V封Vg j。5n 2-DiL 0.699921 5 1.054得l筒6.3m ,圆整得l筒6300 mm3VV 2 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 1 5.008mm2 0.5Pc腐蚀裕度C2

10、 2mm，钢板负偏差G 0 故圆整后取名义厚度 n 8mm有效厚度 e n C1 C2 8 2 6mm表2-2 EHA椭圆形封头序号公称直 径mm总深度Hmm内表面 积 mm2容积mm3质量mkg1712003251.65520.2545102.22217004503.26620.6999200.72.3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

11、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：RPt1.25Pc号 125 10 1,25MPaPc 0.10 1.0 0.10 1.10MPa选取两者中压力较大值作为水压试验压力，即取 Pt 1.25MPa，水压试验时的应力为R(Di e) 1.25 1700 (8 0 2)2 (8 0 2) 1345MPa查表得厚度为16mm的 16M nF钢板的钢材屈服极限故在常温水压试验时的许用应力为0.9 s 0.9 345 310.5MPa故 t 0.9 s 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

12、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PNI.OMpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈

13、对焊法兰人 孔。容器上开设人孔规定当 Di1000 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PNMPadwsdDAH螺柱螺 母螺柱累总质量kg数量个直径长度突面(RF)400426124026203502401201632M332 160195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16M nR【16M nlR 16M nR 16Mr1R8.8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

14、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 16M nR (2)计算开孔所需补强的面积 A:按HG/T 21518-2005,选用水平吊盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径 d di 2C2 00 2 2 404mm根据 GB150-

15、1998 A=d 2 et(1 fr)其中：壳体开孔处的计算厚度 5.008mm接管的有效厚度et ntC1C213211mm强度削弱系数fr ”1370.806r r170所以开孔所需补强面积为A d 2 fr)4048 2811(1 0.806) 3266.144 mm2(3)有效宽度B的确定按 B2 d 2 n 2 nt 4042 8213446mmGB150中式 8-7，得:B0 22 404 808mmB max(JB| B2)8 08mm(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 404 13 72.47mmh/接管实际外伸高度H1 240mmh

16、min (人山)7 2.47 mmb.内侧有效高度h2的确定根据 GB150-1998 得：、d_nt 404一13 72.47mmh/ 0(5)筒体多余面积A:筒体多余面积A A1 (Bd)( n)2 et( n)(1fr)(808404)(85.008) 2 11(85.008)(1 0.806) 1196mm(6)接管多余金属的截面积A:接管厚度：t PcDi1.00 40021.18mm2 t 0.5PC 2 170 1 0.5 1.00A2 2( nt t)fr 2h2( et C2)fr 2 72.47 (13 1.18) 0.806 0 1380.83mm2(7)补强区内焊缝截面

17、积 A焊缝金属截面积焊角取6.0mm1 2A3 210 10 100mm2(8)有效补强面积A:根据GB150 分别计算如下：Ae Al A2 A3Ae A1 A2 A3 1196 1380.83 36 2612.83mm2因为Ae v A 3266.144 mm2，所以开孔需另行补强(9)所需补强面积：所需另行补强面积： A A A A2 A3 3266.144 1196 1380.83 36 635.314mm2(10)补强圈设计：补强圈设计：根据DN400取补强圈外径D =680mm。因为BD ,所以在有效补强范围。补 强圈内径d =428mm补强圈厚度： =A4 635.314 2.5

18、21mm2D d 680 428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 8mm3.3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 1.53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，

19、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 6070 %。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

20、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：02.4MPa3.4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5057人孔400426空气 进口 管5057空气 出口 管5057压力 表接5057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 3-4

21、 PN2.5 板式平焊钢制管法兰 单位：mm公 称 尺寸rDN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）5057140110144M1214591.550x4mm，配用凸面式平焊管法兰 HG 5010-58 Pg16Dg25,外表 3-5 PN2.5 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)50140110144M12141.5公 称 尺、rDN垫 片 内 径D垫片外径D垫 片 厚度T包 边 宽度b公

22、称压力PNMPa2.561016254063506196961071071071071131.53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150mm2.空气出气管采用20号钢无缝钢管伸高度150mm50x4mm，配用凸面式平焊管法兰 HG 5010-58 Pg16Dg25,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 HG5010-58 Pg16Dg70。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 50X 4mm，配用凸面式平焊管法兰 HG 5010-58 Pg

23、16Dg25,外伸高度 150mm。5.压力表接口管采用20号钢无缝钢管 50X 4mm，配用凸面式平焊管法兰 HG 5010-58 Pg16Dg25,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

24、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A 0.2L,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 A 0.2L 下应尽量使 A 0.5R

25、 0.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： m m1 2m2 m3 m4 ，式中m1

26、筒体的质量， kg大同大学煤炭工程学院m2 单个封头的质量，kgm3 水压试验时水的质量，Kgm4 附件的质量，Kg1.筒体质量m-:筒体质量：DL 3.14 1.7 6.3 8 10 3 5.015 103 1349.21kg2.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.2 EHA椭圆形封头质量，可知,m2 251.6 kg3.水压试验时水的质量m3m3 gh 10002-1.7 6.3 2 0.6999 15692.3 kg4.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g 400kg5.设备总质量m:综上所述 ,m m1 2m2 m3 m4 17946kg3.5.3鞍座选取标准通常取尺寸A不超过0.2L值，中国现行标准JB 4731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00 120包角轻型带垫板鞍式支座基本参数公允鞍底板腹筋板垫