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1、焊接结构学课程设计说明书 题 目： 立式二氧化碳储罐 学 院： 材料科学与工程 班 级： 材料12-3班 姓 名： 学 号： 04号 指导教师： 前 言本设计是针对焊接结构学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查阅相关书籍完成设计。本设计的介质为二氧化碳气体，化学式为CO2，碳氧化物之一，是一种无机物，常温下是一种无色无味气体，密度比空气略大，微溶于水，并生成碳酸。（碳酸饮料基本原理）可以使澄清的石灰水变浑浊，做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以用到。固态二氧化碳俗称干冰，升华时可吸收大量热，因而用作制冷剂，如人工降雨，也常在舞美中用于制造烟雾
2、。二氧化碳不参与燃烧，密度比空气略大，所以也被用作灭火剂。二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，温室中常用二氧化碳作肥料。空气中含有约0.03%二氧化碳，但由于人类活动（如化石燃料燃烧）影响，近年来二氧化碳含量猛增，导致温室效应，全球气候变暖，冰川融化，海平面升高旨在遏止二氧化碳过量排放的京都议定书已经生效，有望通过国际合作遏止温室效应。二氧化碳在焊接领域应用广泛，如：二氧化碳气体保护焊，是目前生产中应用最多的方法。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
3、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。目 录前 言I第1章 绪论11.1 概述11.2 二氧化碳的特点21.3 立式二氧化碳储罐设计的特点2第2章 零部件的设计和选型32.1 筒体的设计32.1.1 筒体的材料的选择32.1.2 筒体的设计计算32.2 封头的设计42.2.1 封头的选择42.2.2 封头材料的选择52.2.3 封
4、头的设计计算52.3 人孔的设计62.3.1 人孔的选择62.3.2 人孔的选取62.4 容器支座的设计72.4.1 支座的材料选择72.4.2 支座的设计计算82.5 接管、法兰、垫片和螺栓的形式和选择92.5.1 接管的选取92.5.2 法兰的选取102.5.3 垫片的选取102.5.4 螺栓的选取10第3章 强度设计与校核133.1 圆筒强度设计133.2 封头强度设计133.3 筒体长度校核143.4 人孔补强设计14第4章 2.7m立式二氧化碳储罐装配与焊接174.1 板材复验174.2 钢材矫正174.3 备料174.3.1 板材加工174.3.2 封头的备料174.3.3 筒体的
5、备料184.3.4 支座的备料184.3.5 人孔的备料184.3.6 接管的备料184.4 装配与焊接194.4.1 筒体与封头装焊194.4.2 人孔、接管、支座等零部件与筒体的装焊204.5 检验224.5.1 尺寸检验224.5.2 无损检测234.6 热处理234.6.1 恢复性能热处理234.6.2 焊后热处理234.7 压力试验25附录127附录228附录329附录430附录531总结32参考文献33第1章 绪论1.1 概述压力储罐的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力储罐一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管
6、、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。贮罐按其形状可分为方形和矩形容器、球形容器、圆筒形容器（立式、卧式）。按其承压性质可分为内压和外压，内压容器又可分为低压、中压、高压、超高压4个压力等级。按其工作的温度环境可分为低温、常温、中温、高温容器。按制造器的材料可分为金属制和非金属制两类。按其应用情况可分为反应压力容器（R）、换热压力容器（
7、E）、分离压力容器（S）、储存压力容器（C）等。目前我国普遍采用常温压力储罐，常温储罐一般有两种形式：球形储罐和圆筒形储罐。球形储罐和圆筒形储罐相比：前者具有投资少，金属耗量少，占地面积少等优点，但加工制造及安装复杂，焊接工作量大，故安装费用较高。一般储存总量大于500m或单罐容积大于200 m时选用球形储罐比较经济，而圆筒形储罐具有加工制造安装简单，安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总储量小于500 m或单罐容积小于100m时选用圆筒形储罐比较经济。圆筒形储罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形储罐， 只有某些特殊情况下（站内地方受
8、限制等) 才选用立式。但本说明书主要讨论立式圆筒形二氧化碳储罐的设计。1.2 二氧化碳的特点二氧化碳,化学式为CO2，碳氧化物之一，是一种无机物，常温下是一种无色无味气体，密度比空气略大，微溶于水，并生成碳酸。（碳酸饮料基本原理）可以使澄清的石灰水变浑浊，做关于呼吸作用的产物等产生二氧化碳的试验都可以用到。固态二氧化碳俗称干冰，升华时可吸收大量热，因而用作制冷剂，如人工降雨，也常在舞美中用于制造烟雾。二氧化碳不参与燃烧，密度比空气略大，所以也被用作灭火剂。二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料，温室中常用二氧化碳作肥料。空气中含有约0.03%二氧化碳，但由于人类活动（如化石燃料燃烧）影响，近
9、年来二氧化碳含量猛增，导致温室效应，全球气候变暖，冰川融化，海平面升高旨在遏止二氧化碳过量排放的京都议定书已经生效，有望通过国际合作遏止温室效应。二氧化碳在焊接领域应用广泛，如：二氧化碳气体保护焊，是目前生产中应用最多的方法。1.3 立式二氧化碳储罐设计的特点立式储罐，危险性大，容易发生火灾和爆炸事故，必须按照有关规定，建立防火、防爆制度，经常进行防火巡查，严格进行消防安全管理，确保消防安全。国家劳动部门把这类设备作为受安全监察的一种特殊设备，并在技术上进行了严格、系统和强制性的管理，制定了一系列地强制性或推荐性地规范标准和技术法规，对压力容器的设计、材料、制造、安装、检验、使用和维修提出了相
10、应的要求，同时为确保其安全可靠，实施了持证设计、制造和检验制度。储罐区防火防爆应按GB50183，GB50074规定。低倍数空气泡沫灭火系统应按GB50151规定。此类容器接受劳动部颁发压力容器安全技术监察规程(简称容规) 的监督，因此设计必须严格按照标准进行。 立式二氧化碳储罐，此次设计针对的是第一类压力容器的设计。储罐主要由筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。储罐上设有进料管、出料管、排污管以及安全阀、压力表等。第2章 零部件的设计和选型2.1 筒体的设计2.1.1 筒体的材料的选择介质CO2具无毒性，压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的
11、钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操作温度超过4000，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。Q345R钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。因此选用Q345R钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 ，所以筒体与封头材料均选用低合金钢板Q345R（钢板标准为GB 6654，使用状态为热轧、正火）。参照G
12、B 150-2011表4-1，根据设计压力1.9MPa，设计温度150，筒体壁厚在316mm范围内，选得材料的许用应力，屈服极限。2.1.2 筒体的设计计算（1）筒体长度的计算容器总容积：充装系数为1，则容器总容积为：筒体长度和直径比 ,所以设计合理。（2）筒体的壁厚的计算根据公式 式中，筒体的理论计算壁厚，mm； 筒体的计算压力，MPa； 筒体内径，mm； 钢板在设计温度下的许用应力，MPa； 焊接接头系数，其值小于或等于1。材料的许用应力，屈服极限。容器公称直径为DN=Di=1200mm,设计压力Pc=1.9MPa。又由于介质无毒无污染，又考虑到压力容器焊接结构的设计原则，焊接接头系数为1
13、.0。利用中径公式计算筒体壁厚：查钢制压力容器设计手册知，钢板厚度负偏差为C1=0.85mm，查钢制压力容器设计手册知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量为C2=1mm。筒体设计厚度： 筒体名义厚度： 由于钢板厚度范围为316mm，圆整后保守取。 筒体的有效厚度： 2.2 封头的设计2.2.1 封头的选择从受力与制造方面分析来看，半球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，冲压较为困难。椭圆形封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材
14、最多。因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头最为合理。2.2.2 封头材料的选择介质CO2具无毒性，压力容器的使用工况（如温度、压力、介质特性和操作特点等）差别很大，制造压力容器所用的钢种类很多，既有碳素钢、低合金高强度钢和低温钢，也有中温抗氢钢、不锈钢和耐热钢，还有复合钢板。一般中低压设备可采用采用屈服极限为245Mpa345Mpa级的钢材；直径较大、压力较高的设备，均应采用普通低碳钢，强度级别宜用400Mpa级或以上；如果容器的操作温度超过4000，还需考虑材料的蠕变强度和持久强度。16MnR钢是屈服强度350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。因此选用16MnR钢既符合工艺要求也节约资源，以便获得更好的经济价值 ，所以筒体与封头材料均选用低合金钢板16MnR（钢板标准为GB 6654，使用状态为热轧、正火）。2.2
