压缩空气储气罐设计说明书.doc
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1、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: 2 题目: 压缩空气储罐设计 时间: 2015年12月15日 至1月2日 指导老师: 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顺序,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,是对这门课程的一次总结,要综合运用所学的知识并查阅相关书籍完成设计。设计基本思路:
2、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、氧气等外观与性状:无色无味沸点()-192 相对密度(水=1):0.9健康危害:无
3、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0.1MPa,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,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。目 录第一章 参数的确定.31.1设计压力.31.2设计温度.31.3主要元件材料的选择3第二章 压力容器结构设计.52.1 筒体壁厚计算. 52.2 封头壁厚计算52.3 压力试验7第三章 附件的选择.83.1
4、人孔的选择.83.2 人孔补强的计算.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.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第四章 容器焊缝标准.164.1 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17第五章 压缩空气储气罐焊.17第六章 总结.21参考文献.22第一章 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
5、由介质温度确定4工作温度-201005公称容积(Vg)15m36公称直径1200 mm7焊接系数(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%无损检测11 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1.0Mpa。12 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。当元件金属温度不低于0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0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5
6、0。13 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16MnR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16MnR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,这类容器应用最广。钢板标准GB6645,查表可知50时的许用应力。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
7、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:根据JB/T4731,钢管的材料选用20号钢,其许用应力第二章 压力容器结构设计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143
8、0,许用应力列于下表:表2-1 16MnR许用应力钢号板厚/在下列温度()下的许用应力/ Mpa2010015020025030016MnR6161701701701701561441636163163163159147134366015715715715013812560100153153150141128116图2-1 筒体简图筒体的公称直径Di有标准选择,而它的长度L可以根据容积要求来决定。根据公式 (1+5%) 取 L/D=4 将L/D=4代入得: m。圆整后,由中径公式可得筒体的计算厚度5.015mm负偏差,腐蚀余量,故筒体的名义厚度为dn=8mm22 封头厚度的计算采用标准椭圆封头
9、,查标准JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表1,得公称直径,封头深度H=450mm,容积为0.6999 。根据 得,圆整得mm 在36之间 计算压力: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。由椭圆厚度计算公式可得腐蚀裕度,钢板负偏差故圆整后取名义厚度有效厚度 表2-2 EHA椭圆形封头序号公称直径DN总深度Hmm内表面积A容积V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5;试验方法:试验时容器顶部应设排气口,
10、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为: 选取两者中压力较大值作为水压试验压力,即取,水压试验时的应力为查表得厚度为16mm的16MnR钢板的钢材屈服极限故在常温水压试验时的许用应力为故 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
11、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PN1.0Mpa时只能用带颈平焊法兰人孔或带颈对焊法兰人孔。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
12、,人孔公称直径最小尺寸为。3.2 人孔补强的计算 表 3-1 人孔的基本参数 单位:mm密封面形式公称压力PNMPadwdDAH1H2螺柱螺母螺柱总质量kg数量个直径长度突面(RF)4004264026203502401201632M33195表3-2 人孔主要零件材料选择零件名称筒节法兰法兰盖支撑板等长双头螺柱螺母垫片材料16MnR16MnR16MnR16MnR8.8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
13、,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16MnR。(1) 筒体的计算壁厚:(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 采用等面积法进行开孔补强计算。接管材料选用20 号钢,其许用应力根据GB150-1998,其中:壳体开孔处的计算厚度接管的有效厚度强度削弱系数所以开孔所需补强面积为A(3)有效宽度B的确定按GB150中式
14、8-7,得:(4) 有效高度的确定a.外侧有效高度的确定根据GB150,得: b.内侧有效高度的确定 根据GB150-1998,得: (5)筒体多余面积A1:筒体多余面积(6)接管多余金属的截面积A2:接管厚度:(7)补强区内焊缝截面积A3:焊缝金属截面积焊角取6.0mm(8)有效补强面积Ae:根据GB150, 分别计算如下:因为3266.144,所以开孔需另行补强(9)所需补强面积:所需另行补强面积:(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:=考虑钢板负偏差并圆整,实取补强厚度5mm,补强材料与
15、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3.3 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,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
16、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。精度等级一般都标在表盘上,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,
17、表盘直径还应增大。隔膜压力表, 技术指标为: 精度等级:公称直径: 接头螺纹: 测量范围:3.4 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压力表接口5057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 PN2.5板式平焊钢制管法兰 单位:mm公称尺寸DN管子外径A1 连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1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n个螺
18、栓(Th)5057140110144M1214591.5 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n个螺栓(Th)50140110144M12141.5表3-6 突面法兰用RF和RF-E型垫片尺寸公称尺寸DN垫片内径D1垫片外径D2垫片厚度T包边宽度b公称压力PNMPa2.561016254063506196961071071071071131.531.空气进气管采用20号钢无缝钢管 504mm ,配用凸面式平焊管法兰HG 5010-58 Pg16Dg25,外伸高度150mm。2.空气出气管采用20号钢
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