2空气储罐的焊接工艺设计.doc

课程设计说明书

题 目：2空气储罐的焊接工艺设计

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目 录

绪论
第一章 压缩空气的特性
第二章 设计参数的选择
第三章 容器的结构设计
3.1圆筒厚度的设计
3.2封头厚度的计算
3.3筒体和封头的结构设计
3.4接管的设计
3.5鞍座选型和结构设计
第四章 强度计算
4.1水压试验应力校核
4.2圆筒轴向弯矩计算
4.3圆筒轴向应力计算及校核
4.4切向剪应力的计算及校核
4.5圆筒周向应力的计算和校核
第五章 制造工艺
参考文献
心得体会

绪 论
课程设计是一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
课程设计需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：
1. 查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；
2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；
3. 迅速准确的进行工程计算的能力；
4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力
本次设计为压缩空气储罐，在十天的时间中，通过查阅相关数据及对国家标准的查找计算出合适的尺寸，设计出主体设备及相关配件，画出装备图零件图以及课程设计说明书。
压缩空气储罐的设计一般由筒体、封头、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常、低压化工设备通用零部件大都有标准，设计时可直接选用。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，并考虑到设计要求，合理地进行设计。

第一章 压缩空气的特性

中文名称： 压缩空气
主要成分： 氮气、氧气等。
外观与性状：无色无味
沸点(℃)：－192℃（101.3千帕）
相对密度(水=1)： 0.9
健康危害：无
环境危害： 无
燃烧危险： 无
危险特性：高压常温储存高温剧烈震动易爆。
特性总述：
压缩空气，即被外力压缩的空气。它具有下列明显的特点：清晰透明，输送方便，没有特殊的有害性能，没有起火危险，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0.1Mpa，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，又是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。

第二章 设计参数的选择

1、设计题目：压缩空气储罐设计
2、最高工作压力：0.909MPa
3、使用温度：0～100
4、工作介质：压缩空气
5、全容积：2
6、设计压力： 1.0
7、公称直径：根据筒体全容积，粗定筒体公称直径为1200mm。
8、焊接接头系数：0.8
9、主要元件材料的选择：
根据GB150-1998[1]表4-1，选用筒体、鞍座等材料为Q235-B，其许用应力;

第三章 容器的结构设计
3.1圆筒厚度的设计
由于该容器储存压缩空气，所以该容器的焊缝都要采用全焊透结构，需要对该储罐进行局部探伤，所以取焊缝系数为φ=0.8
圆筒材料Q235-B，设计压力1.0Mpa,查NT-1，可得：
计算厚度δ=6.3mm
设计厚度=δ+C2=63+1=7.3mm 取整后取为δd=8.0mm
3.2封头厚度的计算
从受力和制作角度分析，球形封头是最理想的结构形式。但其缺点是深度大、冲压较困难；而椭圆形封头深度币半径小，易于冲压成型，是目前低压容器中用的较多的。故采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。
查标准JB/T4746-2002[4]中表1，得公称直径
选用标准椭圆形封头，根据椭圆形封头计算公式：
δ= KPcDi/(2［σ］t φ-0.5Pc)
取整后取为δd=8.0mm
3.3筒体和封头的结构设计
由封头长短轴之比为2，即，得
查标准[4]中表B.1 EHA和B.2 EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表3-1和图3-1。

取装料系数为0.9，则
即
算得
表3-1 封头尺寸表
公称直径DN mm
总深度H mm
内表面积A
容积
质量 Kg
1200
325
1.6552
0.2545
106

3.4接管的设计
很据实际情况，开二个孔焊接接管，一个为进料孔，一个为出料孔，两空参数相同。接管尺寸如下：
Di=50mm, H=60mm, δ=8mm
3.5鞍座选型和结构设计
3.5.1鞍座选型
该卧式容器采用双鞍式支座，初步选用轻型鞍座。材料选用Q235-B。
按《鞍式支座标准》JB1167-81
表3-6 鞍座尺寸表
公称直径Di
鞍座长度L0
鞍座高度H
鞍座质量m
鞍座边角θ
1200mm
1080mm
200mm
40㎏
120°
3.5.2鞍座的安装位置
根据[2]中6.1.1规定，应尽量使支座中心到封头切线的距离A小于等于。即A=300mm 。鞍座的安装位置如图3-3所示：

图3-3 鞍座安装位置

第四章 强度计算

4.1水压试验应力校核
试验压力Pt=1.25Pc=1.25Mpa
圆筒的薄膜应力为σt=Pt(Di+δε)/2δε=119.67Mpa
0.9φσs=169.2Mpa
即，所以水压试验合格
由于该空气储罐壁厚8mm，属于薄壁，只需计算轴向和周向应力。
4.2圆筒轴向弯矩计算
圆筒的平均半径为Ra=Di/2+δd/2=604mm
储罐总质量m=筒体质量+封头质量+空气质量+接管质量=594.77kg
支座反力F=mg/2=(594.77×9.81)/2=2971.35N
4.2.1圆筒中间截面上的轴向弯矩
根据[2]中式7-2，得：

4.2.2鞍座平面上的轴向弯矩
根据[2]中式7-3，得：

筒体受剪力图
筒体受弯矩图

4.3圆筒轴向应力计算及校核
4.3.1圆筒中间截面上由压力及轴向弯矩引起的轴向应力
最高点处：

最低点处：

4.3.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算及校核
鞍座平面上，由压力及轴向弯矩引起的轴向应力，按下式计算：
a).当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强（即）时，轴向应力位于横截面最高点处.

取鞍座包角，查表7-1（JB/T4731-2005）得，.则

b).在横截面最低点处的轴向应力：

4.3.3圆筒轴向应力校核
（5-3）
查图4-8[10]得，,则

满足条件
4.4切向剪应力的计算及校核
4.4.1圆筒切向剪应力的计算
根据[2]中式7-9计算，查[2]中表7-2，得：

4.4.2圆筒被封头加强（）时，其最大剪应力
根据[2]中式7-10，计算得：

4.4.3切向剪应力的校核
圆筒的切向剪应力不应超过设计温度下材料许用应力的0.8倍，即。封头的切向剪应力，应满足
而
故圆筒满足强度要求
根据[2]中式7-12

故封头满足强度要求
4.5圆筒周向应力的计算和校核
4.5.1在横截面的最低点处：
其中（容器焊在支座上）
查[2]中表7-3知，
则
4.5.2在鞍座边角处
由于
由于 查[2]中表7-3知，则

4.5.4周向应力校核

故圆筒周向应力强度满足要求。

第五章 空气储罐制造工艺

5.1 2m3 空气储罐制造工艺流程
1、钢板切割下料
2、筒节卷制及封头的冲压成型
3、筒节纵缝坡口制备
卷制成形后，按图样规定的筒体名义直径测量筒体实际周长，并划二次线，除去余量后按焊接工艺的要求加工出V形坡口
4、筒节纵缝的焊接和热处理
筒节纵缝焊接方法按壁厚选择单丝埋弧焊和焊条电弧焊，
5、环缝坡口的制备
6、环缝焊接 焊接方法：埋弧焊
7、接管焊接
8、焊后热处理
9、水压试验
10、涂装发运

第六章 焊接工艺
6.1、母材的化学成分及力学性能

化学成分

C/%
Mn/%
Si/%
Cr/%
Ni/%
P/%
S/%
Q235-B
0.12-0.20
0.30-0.70
≤3.00
/
/
≤0.045
≤0.045
力学性能

бs/MPa
бb/MPa
δ5/%
ψ/%
Akv
Q235-B
≥235
/
/
≥26
≥27（-30、0、30℃）

6.2、低碳钢的焊接性
选用Q235-B碳素钢。
原因：压力容器用碳素钢一般是含S、P杂质少，塑性好，焊接性优异，抗冷脆性高，时效倾向小的镇静钢。供应方便，价格低廉。
6.3、低碳钢的焊接工艺要点
低碳钢焊接一般不需要采用特有的工艺措施，但若在寒冷冬季施焊时，焊接接头冷却速度较快，裂纹倾向增大，尤其焊接厚板角焊缝、厚板多层焊角焊缝或对接多层焊中第一道及最后一层，开裂倾向就更大。因此为避免裂纹的产生可采取如下措施：
⑴、如需要预热，焊前要预热，同时焊时保持层间温度。
⑵、采用低氢焊接材料。
⑶、厚板单层角焊缝不得过小，表面缺陷的补焊应有正常焊缝尺寸，长度不得过短。
⑷、适当增加定位焊的截面和长度。定位焊时要加大焊接电流，降低焊速，必要时还要预热。
⑸、焊接要连续，尽量避免中断，尤其多层焊应尽量连续焊完最后一层。
⑹、焊后适当注意缓冷，一般不需要消除应力回火。

6.4、焊接方法选择及对应坡口形式

一、筒体纵缝与环缝焊接工艺
1、 筒体纵缝的焊接
（1） 焊前准备
1）焊接方法与焊接材料的选择
根据筒体采用Q235-B，所以选择埋弧焊和焊条电弧焊。焊接材料分别采用H08A焊丝和HJ430的焊剂、J422即E4303焊条
2）坡口型式
如图所示，开带钝边的V型坡口。留2mm间隙。
3）准备衬垫，为单面焊双面成型做好准备。
4）清理坡口及边缘的杂质，包括油锈水等。
5）采用焊条电弧焊进行定位焊。定位焊采用马板的形式，在坡口内不能出现定位焊焊缝。
（2）焊接工艺
1）打底层
采用焊条电弧焊反面不加衬垫,采用J422,Φ3.2的焊条，如果采用连弧法，焊接电流选择115-125A,如果采用断弧法焊接电流选择105-115A.运条方法采用锯齿形。焊条在坡口两侧多做停留。运条频率为每分钟50-55次为最佳。
2）盖面层
采用埋弧焊，可以采用500A的焊接电流，电弧电压35-40V. 采用H08A焊丝和HJ430的焊剂。
2． 筒体环缝的焊接
（1）焊前准备
1）将筒体纵缝焊接结束以后，将筒体与封头接缝处开坡口，坡口型式如图所示。
2）采用焊条电弧焊将筒体与封头装配并且定位焊，焊条采用J422,定位焊焊接在
坡口背面。
3）清除坡口附近的杂质，包括油锈水等。
（2）焊接过程
1）打底层
最佳方法是埋弧焊，也可以将筒体放置在转台上，焊缝置于平焊的位置，采用FAB法，即焊剂石棉衬垫法。特别注意安装衬垫时，将双面胶带贴在焊缝反面，
在间隙内铺设少量铁粉，在焊接时生成熔渣，对熔池形成承托的作用。焊丝为H08A,焊丝直径为￠4，焊剂是HJ430.铁粉牌号是RR-2。焊接电流为400A,电弧电压为34V.焊接速度是36m/h。
2）盖面层：
采用埋弧焊，焊接电流与电弧电压都可以增加。焊接电流增加到450A,电弧电压
34-36V,焊接速度为34.5 m/h.电源采用交流。

焊条电弧焊：
主要特点——操作灵活；待焊接头装配要求低；可焊金属材料广；焊接生产率低；焊缝质量依赖性强（依赖于焊工的操作技能及现场发挥）。
应用——广泛用于造船、锅炉及压力容器、机械制造、建筑结构、化工设备等制造维修行业中。适用于（上述行业中）各种金属材料、各种厚度、各种结构形状的焊接。
2、埋弧焊（自动焊）：
主要特点——焊接生产率高；焊缝质量好；焊接成本低；劳动条件好；难以在空间位置施焊；对焊件装配质量要求高；
3、焊丝
化学成分

C/%
Mn/%
Si/%
Cr/%
Ni/%
P/%
S/%
H08A
≤0.10
0.30~0.55
≤0.03
≤0.20
≤0.30
≤0.03
≤0.03
力学性能

бb/MPa
б0.2/MPa
δ5/%
Akv（0℃）
H08A
410~550
≥330
≥22
≥27

6.5、焊接
㈠、焊前的准备
1、板材准备：领取符合国家标准的母材试板、钢管、焊接气体、焊丝等。
2、焊前准备工具：手套、面罩、榔头、凿子、尖嘴钳、三角铁、锉刀、钢刷，记录笔和纸、计时器等。
3、器材准备
4、测量工具：坡口角度尺，焊缝测量尺等。
5、板材定位焊前有以下要求：
1）坡口表面要求 坡口表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷；
2）施焊前 ，应清除坡口及母材两侧20mm范围内的氧化物、油污、熔渣及其他有害杂质。
3）板材定位错边量应符合相应规定。
4）适当增加定位焊的截面和长度。定位焊时要加大焊接电流，降低焊速，必要时还要预热。
6、试焊记录要求：记录真实数据，内容要详细、具体。
㈡、焊接记录
参考文献
[1] GB150-1998 《钢制压力容器》
[2] JB/T 4731-2005 《钢制卧式压力容器》
[3] HG20580-1998 《钢制化工容器设计基础规定》
[4] JB/T4746-2002 《钢制压力容器用封头》
[5] JB4712.1-2007 《鞍式支座》
[6] 《压力容器设计手册》 董大勤 袁凤隐

心得体会

历时十天的课程设计即将结束了，从拿到题目到确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，心情是如此复杂。如今，伴随着课程设计的最终成稿，自己也产生了一点成就感，毕竟这是大学四年期间第一次运用所学的专业知识来解决问题。
本课题的研究、设计在老师的悉心指导、小组讨论和查阅相关资料下顺利完成。在短暂的时间里，老师渊博的知识、敏锐的思路，小组成员的齐心合作给我留下了深刻的印象。本次课程设计不仅考察了我们对专业知识的掌握情况，也检验了我们是否能够对专业知识学有所用，同时在课题的研究设计中，锻炼了我们的团队合作能力，强化了同学们的团队合作意识，这都对提升大学生综合素质有极大地帮助。