焊接结构课程设计压力容器.doc

前言第1部分 储罐设计分析2第1章 储罐总体分析21.1 储罐基本设计规定21.2 储罐材料21. 储罐用钢板31.4 配用锻件51.5 配用螺栓、螺母5第2章 储罐罐底设计62.1 储罐罐底板尺寸62.2 罐底结构7第3章 罐壁结构设计103.1 罐壁的排板与连接103.2 罐壁厚度113.3 罐壁加强圈12第4章 罐顶结构设计13第2部分 储罐的焊接工艺分析14第5章 压力容器的焊接接头145.1 压力容器焊接接头的分类145.2 圆筒形容器焊接接头的设计15第6章 压力容器的焊接方法176.1 熔化极氩弧焊176.2 气体保护焊176.3埋弧焊19第7章 压力容器的焊接工艺21第3部分 储罐的组装与检查22第8章 储罐的安装施工顺序228.1储罐底板的焊接顺序228.2储罐壁板的焊接顺序228.3储罐固定顶的焊接顺序23第9章 储罐焊缝的检查与修补249.1焊缝检测249.2焊缝修补25设计体会26参考文献27前言大型油气储罐是油气产品储存运送最方便、便宜的方式之一。储罐的形式可跟据盖顶的样式不同分为浮顶式储罐（涉及气柜）和固定顶式储罐（涉及内浮顶式储罐），而固定顶式储罐又涉及锥顶式储罐和拱顶式储罐两种。目前原油的储罐使用中浮顶式储罐在不断减少，液化气储运重要是球罐和立式筒形低压储罐。常用的几种灌顶形式为双子午线网客机构拱顶、辐射网壳结构拱顶、短程线网壳结构拱顶和梁柱支撑结构拱顶，见图1。 本次课程设计重要讨论立式固定顶筒形钢制焊接储罐的施工工艺。其中涉及储罐的材料选择、加工工艺路线选择、相关组件形式选择、机械加工装配、施焊成型、焊后检测调试等相关生产内容。 第1部分 储罐设计分析第1章 储罐总体分析1.1 储罐基本设计规定由石油化工立式筒形钢制焊接储罐设计规范SH 3046-1992， 储罐的设计条件不得少于以下内容：（一） 地震设防烈度、风载、雪载等气候条件及地质条件；（二） 储罐的操作温度及操作压力（正负压）；（三） 介质的种类及密度；（四） 腐蚀裕量；（五） 储罐的容积；（六） 灌顶形式；（七） 开口接管尺寸、形式、数量及法兰规格；（八） 附件的安装位置。对于固定顶式储罐，设计压力范围一般为-490Pa6000Pa，设计温度不超过250C，而最低设计温度应大于-2C。1.2 储罐材料储罐用钢的选择必须考虑到储罐的使用条件，材料的焊接性能、加工制造工艺以及经济的合理性.由液化石油气钢瓶国标GB 5842-2023一般规定钢瓶主体（指筒体、封头等受压元件）材料，必须采用平炉、电炉或氧气转炉冶炼的镇静钢，具有良好的冲压和焊接性能。材料必须有相关制造许可证书和质量合格证书（原件）。主体材料力学性能应符合国标GB 6654压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板的规定，主体材料的屈强比不得大于0.80。主体材料的化学成分应符合下列范围：碳C 不大于0.18% 硅Si 不大于0.10%锰Mn 0.701.50% 硫S 不大于0.020%磷P 不大于0.025% 硫S+磷P不大于0.040%根据上述规定并考虑储罐压力不是很大和制导致本的问题，选择16MnR钢代替焊接钢瓶专用钢板。它是一种普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。它的强度较高、塑性韧性良好。常见交货状态为热轧或正火。属低合金高强度钢，含Mn量较低。性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%差。它的重要化学成分如表1-1。表1-1 16MnR低合金结构钢的重要化学成分钢号化学成分（%）CSiMnS1. 储罐用钢板储罐用钢板的合用范围应符合表1-2.表 1-2 钢板的合用范围序号钢号钢板标准合用范围机械性能检测项目许用温度（C）许用板厚（mm）1Q235-AFGB700GB3274-208bs50122Q235-AGB700GB3274-2016bs5034320RGB6654-2034bs5Akv冷弯416MnGB1591GB3274-2012bs5冷弯-1020516MnRGB6654-2034bs5Akv冷弯16MnR钢的屈服强度见表1-3。表 1-3 钢板的许用应力序号钢号板厚（mm）常温强度（MPa）非常温下许用应力bs901502002501Q23516375235157137130121216MnR6165103452301961831671725490325217183170157263649030520317316014738604702851901631501401.4 配用锻件储罐用锻件应符合JB 755压力容器用锻件技术条件的规定。见表1-4。表 1-4 锻件的许用应力序号钢号截面尺寸（mm）常温强度非常温许用应力bs9015020025012010037021511911310495100/3003702951101049889216Mn45027515014713512931Gr18Ni9Ti1311311281211.5 配用螺栓、螺母螺栓、螺母的用钢标准及许用温度标准，见表1-5。表 1-5 螺栓螺母材料的许用温度序号钢号材料标准许用温度（C）1Q235-AGB 700-20235GB 699-20335GrMoAGB 3077-100第2章 储罐罐底设计2.1 储罐罐底板尺寸储罐罐底板尺寸不涉及腐蚀裕量的罐底中幅板的钢板规格厚度应不小于一定尺寸，见表2-1。表 2-1 螺栓螺母材料的许用温度储罐内径（mm）中幅板钢板规格厚度（mm）碳素钢不锈钢D202364.5不涉及腐蚀裕量的罐底边沿钢板规格厚度应不小于表2-2的规定，其材质应与底圈罐壁相同。表 2-2 螺栓螺母材料的许用温度底圈罐壁板厚（mm）边沿板钢板规格厚度（mm）碳素钢不锈钢66同底圈71066112087罐底边沿板沿罐半径方向的尺寸应不小于700mm，对于软弱地基，边沿板的径向尺寸应适当加大。2.2 罐底结构罐内径小于12.5m时，罐底宜采用条形排板，如图4-1。 图 2-1 条形排板罐底罐内径大于或等于12.5m时，罐底宜采用弓形边沿板，如图4-2。 图2-3 弓形边沿板罐底罐底边沿板伸出罐壁外表面的宽度应不小于50mm。罐底板的焊接接头可采用搭接、对接或者搭接与对接组合，如图4-3。 图 2-4(a) 罐底板的搭接接头图 2-4(b) 罐底板的对接接头边沿板与罐壁相焊接的部分应做成平滑支撑面，如图4-5。 图2-5(a) 搭接罐底边沿板图2-5(b) 对接罐底边沿板 三层底板重叠处，应将上层底板切角，如图4-6. 图2-6 对接罐底边沿板罐底板任意两个相邻焊接接头之间的距离以及边沿板焊接接头距底圈罐壁焊缝的距离均不应小于300mm。底圈罐壁板与边沿板之间的链接应采用两侧连续角焊，焊脚高度等于两者中较薄件的厚度，且不应大于13mm。如图2-7 图2-7 焊脚第3章 罐壁结构设计3.1 罐壁的排板与连接上层壁板的厚度不得大于下层壁板的厚度，相邻两层壁板的纵向接头应互相错开，最小间距应大于下层壁板厚度的5倍，且不得小于100mm。罐壁纵向接头、环向接头均应采用全熔透的对接形式，顶部包边角钢与最上一圈罐壁板之间可采用搭接接头连接。对于固定顶罐及内浮顶罐的罐壁上端，应设的包边角钢的选用最小尺寸见表3-1。表3-1 包边角钢最小尺寸储罐内径（m）包边角钢最小尺寸（mm）D55055D1063610D20758206010012包边角钢自身的对接焊缝必须全焊透、全熔合，接头对接、搭接均可。对于浮顶罐，角钢的水平肢必须向外，而固定顶罐不做严格规定。如图3-1 图3-1 包边角钢3.2 罐壁厚度罐壁设计厚度按下列公式计算，且取其中较大值。t1=0.0049+C1+C2 （3.2-1）t2=4.9+C1 （3.2-2）式中 t1 储存介质时的设计厚度（mm） t2 储存水时的设计厚度（mm） 储液密度（kg/m3）H 罐高（m）D 储罐内径（m）t设计温度下罐壁钢板许用应力（MPa）常温下罐壁钢板许用应力（MPa） 焊缝系数，一般取0.9 罐壁的设计厚度应向上圆整至钢板的规格厚度，且不小于表3-2中的规定。表3-2 罐壁最小壁厚储罐内经（m）钢板最小规格厚度（mm）碳素钢不锈钢D165416D356535D6086075123.3 罐壁加强圈 罐壁筒体的临界压力计算： Pcr=16000()2.5 (3.3-1) HE=Hei (3.3-2) Hei=hi()2.5 (3.3-3)式中 Pcr罐壁筒体的临界压力（Pa）HE罐壁筒体的当量高度（m）tmin顶层罐壁板的规格厚度（mm）Hei第i圈罐壁板的当量高度（m）hi第i圈罐壁板的实际高度（m）ti第i圈罐壁板的规格厚度（mm） 加强圈取数目： n=INT(P0/Pcr) （3.3-4） 设立加强圈后每段罐壁高度： Le=HE/（n+1） （3.3-5） 加强圈的最小截面，见表3-3.表3-3加强圈的最小截面尺寸储罐内径（m）最小截面尺寸（mm）D2010063820D36125808364820012512第4章 罐顶结构设计常用固定顶按其支柱可分为自支承拱顶、自支撑锥顶和柱支撑锥顶，顶板的规格厚度（不涉及腐蚀裕量）和支撑构件的规格厚度不应小于4.5mm，罐顶和罐壁连接处的有效面积应满足下式规定： A0.001PD2/tan (4.1-1)式中 A罐顶与罐壁连接处的有效面积（mm2） P罐顶的设计压力（Pa） 罐顶起始角。若选取的包边角钢不符合上式的规定应加大包边角钢的截面尺寸，或在距离角钢16倍罐壁厚度范围内的罐壁上增长环形加强构件，环形加强构件自身的拼接焊缝应全熔透。如图4-1。图4-1 罐顶与包边角钢连接处的有效面积 罐顶板与包边角钢之间的连接应采用薄弱连接，外侧采用连续焊，焊脚高度不应大于顶板厚度的3/4，且不得大于4mm，内侧不得施焊。顶板自身的拼接可采用对接，若搭接厚度不可超过5倍板厚，且不得小于25mm，罐顶板外表面的搭接焊缝应采用连续焊。第2部分 储罐的焊接工艺分析第5章 压力容器的焊接接头5.1 压力容器焊接接头的分类图5-1 压力容器焊接接头的分类A类接头：圆柱形壳体筒节的纵向对接接头，球形容器和凸形封头瓜片之间的对接接头，球形容器的环向对接接头，与筒体封头之间的对接接头，大直径焊接三通支管与母管相接的对接接头。B类接头：圆柱形、锥形筒节之间的环向对接接头，接管与筒节间及其与法兰相接的环向对接接头，除球形封头外的各种凸形封头与筒身相接的环形接头。C类接头：法兰、平封头、端盖、管板与筒身、封头和接管相连的角接接头，内凹封头与筒身间的搭接接头以及多层包扎容器层板间纵向接头等。D类接头：接管、人孔圈、手孔盖、加强圈、法兰与筒身及封头相连接的T形或角接接头。E类接头：涉及吊耳、支撑、制作及各种内奸与筒身或封头相接的角接接头。F类接头：在筒身、封头、接管、法兰和管板表面上的堆焊接头。5.2 圆筒形容器焊接接头的设计图5-2 立式储油罐（1） 圆筒形容器的纵向焊缝必须与母材等强度，环向焊缝的工作应力只有纵向焊缝的一半，故对于环向焊缝的强度规定较低，可以采用较软的填充金属材料。各筒节之间的环向焊缝以及筒节和封头间的环向焊缝一般都采用埋弧焊方法。（2） 对于容器上的支管连接，支管连接处开口后应力集中较大，对于大壁厚圆筒可采用贯穿型直接插入式，双面焊缝焊透为佳；也可以采用平置式安放支管，焊缝单面焊透。（3） 管板连接的焊接接头经常承受交变载荷。在大多数焊接时是把管子插入管板的孔中，从外面施焊。为了减少焊缝的拘束度，在管板上加工一个环形沟槽。卫士管接头与管板更紧密结合，在施焊前吧管子前段向外扩张，焊后管子端部在进行一次扩张以消除残余应力。（4） 由于工艺规定和检修方便，石油化工的容器的筒体或封头上会开设很多孔洞，会减弱纵向断面的强度，则一般会对其进行补强。为提高材料的运用率，空可以补强。孔补强措施有管补强（增长管子壁厚）、基体补强（基体材料壁厚所有增长）、增设补强圈（外加钢圈）和孔补强（孔周边材料基体壁厚增长）。假如不采用孔的补强措施，就必须增长壁厚才干保证生产规定。在工作温度超过300C或壁厚超过40mm的容器上不宜采用补强圈形式。孔径在超过一定尺寸时必须进行补强，否则无法保证其强度，且此时增长壁厚效果不大。假如管过于密集而必须避开A、B两类接头时，则必须对开孔部位的焊缝作探伤检测。壁厚大于50mm时，在焊接接管之前应将开孔区焊缝作消应力解决。第6章 压力容器的焊接方法6.1 熔化极氩弧焊焊丝通过丝轮送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母材熔化，并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接。与其它焊接方法相比，熔化极氩弧焊的特点有：（1）可以焊接几乎所有的金属。既可以焊接碳钢、合金钢、不锈钢，还可以焊接铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金等容易被氧化的非铁金属；（2）焊丝和电弧的电流密度大，焊丝熔化速度快，对母材的熔敷效率高，焊接生产率高；（3）与电弧焊相比，熔化极氩弧焊电弧状态稳定，容地过渡平稳，几乎不产生飞溅，熔透也较深；（4）由于惰性气体本质上不与熔化金属产生冶金反映。熔化极氩弧焊的局限性：（1）由于使用氩气保护，焊接成本比电弧焊高，生产效率也低于电弧焊；（2）焊接准备工作规定严格，涉及对焊接材料的清理和焊接区的清理等。（3）厚板焊接中的封底焊焊缝成形质量不是很好。6.2 气体保护焊以二氧化碳气为保护气体，进行焊接的方法。在应用方面操作简朴，适合自动焊和全方位焊接。在焊接时不能有风，适合室内作业,由于它成本低，二氧化碳气体易生产，广泛应用于各大小公司。由于二氧化碳气体的0热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不也许形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断，因此与MIG焊自由过渡相比，飞溅较多。但如采用优质焊机，参数选择合适，可以得到很稳定的焊接过程，使飞溅减少到最小的限度。由于所用保护气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊无内部缺的刘质量焊接接头。因此这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一。与其它焊接方法相比，气体保护焊的特点有：（1）焊接生产率高；（2）焊接成本低；（3）焊接能耗低；（4）合用范围广，可采用自动焊或半自动焊对任何角度、任何位置、任何长度及复杂的曲面焊缝都可焊接；（5）焊缝含氢量低，抗裂纹性好；（6）焊后不需清渣，明弧焊接便于监视，有助于机械化操作；（7）焊接保护效果好。气体保护焊的缺陷和局限性：（1）焊不能用于非铁金属的焊接，只能用于低碳钢和低合金钢等黑色金属的焊接；（2）焊熔滴过渡不如MIG焊稳定，飞溅量较大；（3）焊产生很大的烟尘，操作环境不好。6.3埋弧焊运用在焊剂层下燃烧的电弧进行焊接的方法，如图6-1。在焊接过程中,焊剂熔化产生的液态熔渣覆盖电弧和熔化金属，起保护、净化熔池、稳定电弧和渗入合金元素的作用。埋弧焊分为自动埋弧焊和半自动埋弧焊两种。前者应用较广泛,焊接电流可达6002023安，焊接效率很高。埋弧焊是一种适于大量生产的焊接方法，广泛用于焊接各种碳钢、低合金钢和合金钢，也用于不锈钢和镍合金的焊接和表面堆焊。为了提高焊接效率和扩大使用范围，埋弧焊的电极可采用双丝、三丝、带极(用于堆焊)，还可在焊剂中添加金属粉等。焊剂层下的电弧与焊件接口的对正和调整，可用工业电视观测或用激光跟踪等方法探测。图6-1 埋弧焊与其它焊接焊接方法相比，埋弧焊有如下优势：（1）焊接生产率高；（2）焊接金属的品质良好、稳定；（3）焊接外观非常美观；（4）焊接成本低；（5）操作环境好。埋弧焊存在的问题：（1）设备费用高；（2）对坡口精度规定高；（3）焊接姿势受到限制；（4）合用于碳素钢、低合金钢、不锈钢等材料的焊接，有色金属焊接困难；（5）焊缝金属的冲击韧性普遍不好；（6）重要用于自动焊、长缝焊、中档以上厚度板的焊接。通过上面三种焊接方法的优缺陷对比，熔化极氩弧焊对焊接坡口精度规定较高并且成本较高，焊需要焊前打底焊较麻烦并且焊接生产环境不好，相比之下选择埋弧自动焊接比较合适，在内部加衬垫焊接，适合于大批量生产并且焊缝质量较好。第7章 压力容器的焊接工艺上、下封头的焊接采用对接接头，为保证环焊缝开设60的正面V形坡口，在钢瓶内部装上衬垫，用手工电弧焊完毕封头的定位焊接和衬垫与筒体的连接，装配时间隙为01mm，如图7-1。然后清理干净手工电弧焊药皮，并且将焊点用磨光机打磨平整。图7-1 瓶体焊坡口及衬垫焊前，坡口两侧各10mm范围内的铁锈，应打磨干净，露出金属光泽。用丙酮清洗坡口附近的油污。焊剂和焊条按规定烘干，300350保温2h。注意焊剂中不要混入铁屑、碎石等杂物。不要强行组装，避免应力过大；引弧板要对齐焊缝，地线连接牢固。埋弧自动焊时焊丝选用H10Mn2，直径4mm；定位焊及衬垫的焊接的焊条为J507.埋弧焊焊剂选用SJ101烧结焊剂。筒体开V形坡口，由于埋弧焊焊接板厚较厚，可只焊接一道。第3部分 储罐的组装与检查第8章 储罐的安装施工顺序定顶立式圆筒形钢制焊接储罐的安装普遍采用倒装法施工工艺，即在罐底铺设、焊接之后，先组装焊接顶层壁板及包边角钢，再组装焊接罐顶，然后自下而上依次组装焊接每层壁板，直至底层壁板。8.1储罐底板的焊接顺序边沿板对接焊缝中第一圈壁板底部80mm焊缝先焊接（供组装用）中幅板短焊缝焊接第一圈壁板与底板间环角焊缝焊接边沿板其余对接焊缝焊接中幅板封闭焊缝焊接边沿板与中幅板间龟甲焊缝焊接。互相平行的焊缝采用隔行焊接法，各焊条均采用从中间向两端施焊，各焊缝均采用分段退焊法施焊，长焊缝由两名焊工同时施焊，罐底角焊缝焊接，应由数对焊工从罐内外沿同一方向进行分段焊接。8.2储罐壁板的焊接顺序壁板立缝焊接组对第一圈与第二圈壁板间的环缝组对立缝焊接活口第一二圈间环缝焊接立缝焊接活口下一圈壁板立缝焊接，依次类推。分段退焊法，立缝可分三段分段退焊，第一段至焊缝顶端预留150mm暂不施焊，将环焊缝焊接后将其补焊完毕。采用交叉焊接的方法，减小焊接角变形，先焊大坡口后焊小坡口，为了控制变形应将大坡口填平后清根，再焊小坡口，小坡口完毕后再将大坡口盖面焊完。8.3储罐固定顶的焊接顺序先焊短焊缝，后焊长焊缝；先焊内侧焊缝，后焊外侧焊缝，径向的长焊缝宜采用隔缝对称施焊法，并由中心向外分段退焊；顶板与包边角钢焊接时，焊工应对称均匀分布，并沿圆周同一方向分段退焊。第9章 储罐焊缝的检查与修补9.1焊缝检测1.外观检查：检查前将熔渣、飞溅物清理干净，焊缝及热影响区不得有裂纹、气孔、夹渣或弧坑等缺陷；焊缝表面质量标准缝合设计规定，见表9-1。表9-1 焊缝表面质量项目允许值/mm对接焊缝咬边深度0.5连续长度焊缝两侧长10%L凹陷环向焊缝深度0.5长度10%L连续长度100纵向焊缝不允许壁板焊缝棱角121012256对接接头的错边量纵向焊缝101环向焊缝8（上圈壁板）1.58（上圈壁板）2/10且3屈服点大于390MPa或厚度大于25mm的低合金钢的地圈壁板纵缝不得有咬边；屈服点大于390MPa的钢板，表面焊疤应在磨平后进行渗透探伤或磁粉检测，无裂纹为合格。2.无损检测9.2焊缝修补深度超过0.5mm的划伤、电弧擦伤、焊疤等有害缺陷，应打磨平滑，打磨修补后的钢板厚度用大于等于钢板名义厚度扣除负偏差；缺陷深度或打磨深度查过1mm时应进行补焊并打磨。屈服点大于390MPa的低合金钢缺陷清理后应进行探伤，确认无缺陷后进行补焊，修补后打磨平滑再做探伤；焊缝修补宜采用回火焊道。根据缺陷的探测埋深拟定缺陷的清除面，清除深度不宜大于板厚的2/3.焊缝的修补必须严格按焊接工艺，严格控制线能量，修补长度不应小于50mm。顶板的焊缝缺陷因其板材较薄可直接修补。同一部位返修次数不宜超过2次。设计体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生能力的具体训练和考察过程。在现在的各项领域中焊接装置的应用试非经常见的，可以说是无处不在，因此我觉得掌握好焊接这门技术是很有必要的，这次对钢制储罐的课程设计是对以前学习的知识的一次检查和理论与实践的结合，更是一次工作的前奏。在这次对储罐设计中出现了不少的问题，更学到了很多知识。这次课程设计基本接近尾声，在指导老师的帮助和成员的共同努力下，这次课程设按期完毕了，再次对给予我们帮助的老师和同学表达忠心的感谢，由于我的水平有限，设计难免会出现错误之处，希望老师给予批评指正。参考文献石油化工立式筒形钢制焊接储罐设计规范SH 3046-1992碳素结构钢GB700压力容器用碳素结构钢和低合金钢厚钢板GB6654压力容器锻件技术条件JB755碳钢焊条GB5117低合金钢焊条GB5118焊接用钢丝GB1300压力容器用钢板超声波探伤ZBJ 74003-88钢结构设计规范GB J 17-88立式筒形钢制焊接储罐施工及验收规范GB50128-2023固定顶油罐的罐顶结构孔昭瑞机械设计课程设计手册 吴宗泽 罗圣国焊接冶金学 张文钺焊接结构学 方宏渊焊接结构设计及应用 张延华钢结构焊接制造 王国凡 张元彬 焊接结构与生产 贾安东长输管道焊接技术 李颂宏立式筒形钢制焊接储罐焊接变形的控制韩继东 王丽不等厚板对接焊疲劳寿命结构形状影响分析李其朋 陈国华 焊缝对拼焊板纵向拉伸成形性能的影响规律林建平 陈水生