锅炉锅筒设计说明书.docx

锅炉汽包设计说明书

前言

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。

由国标GB 713-1997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：

有上述数据可知选材满足设计使用条件。
锅炉个给想尺寸及其计算如下表：

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
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=2 z=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=3 dz
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=3 dg=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=3 dx=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
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=25mm S≤8mm
h=40mm 10mm≤S≤18mm
h=50mm S≥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GB 713-1997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

P
MPa
P=Pg+ΔPa
2.94

Pa
MPa
P+0.1
3.04

Tbh
°C

233

Tb
°C
由Tb= Tbh (Tbh ）
250

[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

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

[σ]
MPa
[σ]= η*[σ]J η=1
101

φ
mm
φ=400mm
400

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

Y

[2+()2]
1

S
mm
S=Sl-C=26.67-0=26.67
28

C
mm

C=C1+C2 =0+0=0
0

Sy
mm
Sy =S-C=28-0=28
28

Sl
mm
Sl =
26.67

[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。

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。

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。

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+=1.04 σs =340MPa ψsw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。

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。
筒体最大加强孔径计算的过程表格如下表：

P=Pg+ΔPa
2.94

Tbh
°C
由上的资料1查的数据Tbh=233
233

Tb
°C
由Tb= Tbh (Tbh≥250 ）
250

[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

η

η=1

[σ]
MPa
[σ]= η*[σ]J η=1
101

Sl
mm
Sl =
26.67

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

Sy
mm
Sy=S-C=28-3=25
25

Dn
mm
给定
1200

Ψmin

==0.633

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，所以由以上计算可得D0=187.13＜[d],即取D0=187.13。
蒸汽管的直径：φ=140+2×4=148＜187.13，所以满足条件无需加强；
水冷管的直径：φ=51+2×2.5=56＜187.13，所以满足条件无需加强；
给水管的直径：φ=75+2×3=81＜187.13，所以满足条件无需加强；
下降管的直径：φ=120+2×5=130＜187.13，满足条件，无需要加强；
综上所述，所有的管均不需要加强。由书P60可知，孔桥互不影响节距t0为401mm，对于孔桥节距小于的水冷壁管的减弱系数为0.745，此减弱系数与筒体的Ψmin比较，Ψmin＞t0=0.7，所以孔桥是安全的不需要采取加强措施。

由草图可知不同种类的焊缝有11种，如下草图

[σ]S
=[σ]S=0.9×101=90.9MPa
对接纵焊缝的强度校核公式为：[σ]S
=[σ]S=0.9×101=90.9MPa
≈D0=1564mm，则封头所需钢材直径为1600mm的方形钢板；一块封头许用的钢材体积为：V=2.8=71680cm3；
两块封头的质量为：M=271680=1125376g≈1.13吨；
封头钢材费用：W2=1.13=5537元。
M=≈=49005537+ ≈ ；12、《现代电弧焊接方法及设备》吴志生主编P126；
13、《弧焊电源及其数字化控制》黄石生主编附录AP276；
14、赵熹华主编《焊接检验》；
15、课程设计资料附录四；
16、国标 GB 50236—98；
17、国标JBT4709-2000 P17表5常用钢的预热温度表；
18、国标GBT1240-2003 P7表7焊接与热处理规范；
19、参考国标GB GB 50236—98；
20、材料成型基础焊接工程概论P43焊接工艺参数；
21、20R钢材的密度可由
22、20R钢材的售价可由中国网库供应信息网 顿；
23、
24、
25、
25、 可查得20R钢材的密度为7.85g/cm3；
26、由