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。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、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（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GB 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1.0。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