卧式储罐焊接结构和工艺设计

沈阳理工大学课程设计11产品介绍工业生产中具有特定的工艺功能并承受一定压力的设备，称压力容器。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。压力容器的用途十分广泛。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。压力容器一般由筒体、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。为保证压力容器的安全使用，在制造时就必须按照有关标准、规范，对压力容器的原材料和加工制造过程进行严格的质量检验，因此，对投入运行的压力容器也需要进行定期检验。压力容器的检验内容主要有：对材料的化学成分和力学性能的常规理化检验；对焊接接头的各种性能检验；对压力容器各部分存在的各类缺陷的无损检测；用高于操作压力的液体对容器进行耐压试验等。质量检验在压力容器制造过程中占重要的地位。在有些反应堆压力容器的生产周期中，有一半的时间都是用于质量检验。筒体是圆筒形压力容器的主要承压元件，它构成了完成化学反应或储存物所需的最大空间。筒体一般是由钢板卷制或压制成型后组装焊接而成。当筒体直径较小是，可采用无缝钢管制作。对于即轴向尺寸较大的筒体，采用环焊缝将几个筒节拼焊制成。根据筒体的承载要求和钢板厚度，其纵焊缝和环向焊缝可采用开坡口或不坡口的对接接头。对于承受高压的厚壁容器筒体，除了采用单层厚钢板制作外，也可以采用层板包扎、热套、绕带或绕板等工艺制作多层筒体结构。封头即是容器的端盖。根据形状的不同，分为球形封头、椭圆形封头、蝶形封头和平板封头等结构形式。沈阳理工大学课程设计22结构计算本次设计的容器为卧式压力容器，其容积为310m。结构设计为筒体和椭圆封头。2.1筒体长度的计算设筒体直径为D，筒体长度为H=2D，选用标准椭圆封头，则其体积可表示为:102224223321ihRDRDVVVV由此可求得mmD1800。由以上尺寸将筒体分为三段式，其中每一段的长度为m2.1，筒体为两瓣组焊而成。2.2容器壁厚的计算筒体壁厚计算公式为：1mmPDPctic2053.285.07.13628.153.22式中：cP为设计压力，根据压力容器设计标准在本试验中其值为MPa53.2t为材料的许用应力本次所用材料为1Cr17其屈服极限为205sMPa，抗拉强度极限为450bMPa7.1365.1205sMPa1503450bMPa在式中选用s作为本材料的许用应力。双面含或相当于双面焊的全焊透对接焊缝100%无损检测=1.0局部无损检测=0.85不做无损检测=0.70单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部有紧贴的垫板100%无损检测=0.9沈阳理工大学课程设计3局部无损检测=0.8单面焊的环向对接焊缝（无垫板）局部无损检测=0.7不做无损检测=0.6此容器选择焊接方法为双面全焊透，局部无损检测，因此焊缝系数选择为0.85。实际厚度公式为:c1c为附加壁厚其值为:21ccc1c为板材厚度偏差取为mm1，2c为材料腐蚀裕量，本结构为微腐蚀其取值为mm2。因此筒体实际厚度为：mm2321202.3封头厚度计算椭圆封头壁厚计算公式为：mmpDKpsctic2053.25.085.07.13628.153.215.021式中K=1；实际厚度为：mmccsS232112.4标准件的选择2.4.1椭圆封头的选取以内径为公称直径选取封头，由计算得到的封头的设计内径为D=1800mm，根据JB/T4737—95椭圆封头标准选取椭圆封头如下图：沈阳理工大学课程设计4封头结构示意图（图1）其参数见下表：直径Di厚度δ高度h1高度h2质量m18002345050900表（一）2.4.2支座的选择：卧式容器用支座支撑。其中主要有鞍式支座、圈式支座和腿式支座三种。按座的结构和尺寸，除特殊情况需要另设计外，一般可根据设备的工程直径选用标准形式支座，目前常用的鞍式支座标准为JB/T4712——92。因为卧式贮运罐对于卧式贮运罐，除了考虑容器重量在壳体上引起的弯曲应力，所以，即使选用标准鞍座后，也要对容器进行强度和稳定习性的校核。一般卧式容器最好采用双支座。根据容器的公称直径DN=1800和鞍式支座标准（JB/T4712——92）选取支座结构如下图所示：沈阳理工大学课程设计5支座结构示意图（图2）其具体数据为：鞍座高度250底板总长L1:1280筋板厚度8包角角度120垫板厚度8底板厚度12垫板弧长2100腹板厚度10螺栓间距11202.4.3视镜的选择：视镜的标准结构采用带颈和不带颈两种。不带颈视镜结构简单，便于窥视，但缺乏制造经验，容易引起视镜焊后密封面变形，另外在不宜把视镜直接焊在设备上时，也有带颈视镜供选用。本容器上为带颈视镜(HGJ502-86).其结构简图如下所示：沈阳理工大学课程设计6视镜结构示意图(图3)沈阳理工大学课程设计73焊接结构制造工艺3.1材料的进厂入库检验结构材料和焊接材料验收合格后，应按企业标准，分别存放在金属材料库和焊接材料库。金属材料主要存放各种钢材、有色金属和外购铸、锻件等，不允许露天堆放。不锈钢板、钢管和有色金属材料，应分别单独存放并妥善保管。3.1.1结构材料预处理钢材进入车间加工之前进行表面预处理是金属结构制造中最重要的首道工序。一搬钢材经过预处理比手工或风动钢丝刷清理钢材耐腐蚀寿命要长5倍多。钢材的预处理有机械除锈和化学除锈方法两种。本容器选用GYX-3M钢材预处理装置。利用抛丸机械除锈的先进大型设备，钢材经此处理，并经喷保护底漆，烘干处理等工序后，既可保护钢材在生产和使用过程中不再生锈，又不影响机械加工和焊接质量。矫正是利用材料的塑性变形能力，在力的作用下，使工件得到正确形状的过程。钢材的的矫正分手工、机械、火焰等三种矫正方法。本容器结构所选用钢板厚度为23mm，属于厚板。选用矫正方法为机械矫正，选用矫正机型号为：CDW43S（25x2500）；其具体参数见下表：最大矫平厚度最大矫平宽度最小矫平厚度板材屈服点工作辊辊距工作辊直径工作辊辊数矫平速度主电动机功率25250063602502309790CDW43S板材矫平机数据（表二）3.2放样、划线与号料放样、划线与号料是决定焊接坯料形状与尺寸公差的重要工艺，亦是焊接结构过程主要质量控制点之一。沈阳理工大学课程设计8放样是在制造金属结构之前，按照设计图样，在放样平台上用1：1的比例尺寸，划出结构或者零件的图形和平面展开尺寸。号料和划线采用划针或者磨尖的石笔、粉线作线。3.2.1筒节下料筒节的划线是在钢板上划出展开图。筒节的展开计算比较简单，即以筒节的平均直径为基准。由于钢板在卷板机上弯卷是受辊子的碾压，厚度会减薄，长度会伸长。因此，下料尺寸应比计算出来的尺寸短一些。筒节展开长按下式计算：LDLDLim-S式中L筒节展开式，mmmD筒节平均直径，mmiD筒节内径，mmS板厚，mmL钢板伸长量，mm通常imDSDL12.0~10.0所以将数据带入公式可得：mmLDLDLim57141023180014.3-S由于单个筒节是由两个半圆筒焊接而成的，因此筒节下料单个钢板的长度为：mm2857其实具体尺寸为（长x宽x高）:mm2312002857筒节钢板的下料选择机械剪切下料。常用的机械剪切下料多采用圆板剪和龙门剪板机，而以龙门剪板机的应用最为广泛，通常只能做直线剪切。本次选择的剪板机的型号为：Q11—50x3200型。其具体参数见下表：沈阳理工大学课程设计9最大板厚最大板宽板料强度喉口深度剪切角度可剪次数行程次数飞轮转速刀片长度50320049070054/min8/min82r4080Q11-50x3200型剪板机（表三）3.2.2封头的下料封头的展开较筒节复杂，有些封头如椭圆封头、球形封头和折边锥形封头，属于不可展开的零件，它们从坯料制成零件后中性层尺寸发生变化，因此这类零件的坯料计算较为复杂。本结构选择的封头为椭圆形标准封头，其毛坯展开尺寸计算公式为：0102223.1hKdD式中0K封头冲压成形拉伸系数，通常取0.75；mmhKdD227675.05021800223.12223.1010封头由于其尺寸较大，且其形状为圆形，不能使用龙门剪板机。所以对封头的切割选择火焰切割。气割机型号为：FG-4000切割最大厚度切割最大直径切割速度升降速度升降最大距离进给速度回转速度回转角100400050～7802800150050～780120045封头气割机参数（表四）3.3成形和弯曲加工大多数焊接结构，如锅炉、压力容器、船舶、车辆、桥梁及起重机的许多构件，为了达到产品设计图样形状的要求，在焊接之前都经过成形加工。成形工艺包括冲压、卷沈阳理工大学课程设计10制、弯曲和旋压等。3.3.1筒体的卷制成形圆筒形和圆锥形构件，都是采用不同厚度的钢板卷制而成。卷制成形通常在三辊筒或四辊筒卷板机上进行的，实际上是一种弯曲工艺。卷筒可以分为热卷和冷卷。通常对厚度小于60mm的钢板可采用冷卷；本次设计的容器筒体钢板厚度为23mm，因此选择冷卷。卷板机型号为：CDW11-(数控制上调式)25x4000。其具体参数为：最大卷板宽度最大卷板厚度最小卷筒直径电机功率外形尺寸400025275459x1.6x1.79对称式三辊卷板机参数（表五）钢板在卷板机上卷制时，钢板的两端总有一段长为a的直边无法卷制，其长度取决与两下辊的中心距。为消除此剩余直边，在钢板卷圆钱应作板边预弯曲。通常采用水压机在专用模具上预弯。3.3.2封头的冲压成形封头成型法主要有冲压成型法、旋压成型、爆炸成型等三种方法。冲压成型就是用水压机或油压机借助冲模把毛坯冲压成所需形状。其成型质量好，生产效率高适用于批量生产。由于冲压过程毛坯塑性变形较大，对于壁厚较大或冲压深度较大的封头，为了提高材料变形能力，保证封头成型质量，一般都采用热冲压成型。由于本次所选用的封头壁厚为23mm，壁厚较大，因此封头的冲压成形选用热冲压一次冲压成形。选用液压机型号为：125T油压机。其具体参数为：工作行程垂直速度空程速度回程速度工作台尺寸使用介质20010801203000x290020号机油油压机参数（表六）沈阳理工大学课程设计113.4坡口加工焊接接头坡口形状和几何尺寸的设计，应遵循以下原则:（1）保证焊接质量（2）坡口加工简易（3）便于焊接加工（4）节省焊接材料3.4.1筒体纵焊缝坡口加工筒体是由钢板卷制而成，其边缘部分由于变形和冷作硬化作用其性能已发生变化，不能满足设计要求，应此需将此区域除去。筒节卷制成形后，按图样规定的筒体名义直径测量筒节的实际周长，并划二次线，割去余量后按焊接工艺要求加工坡口。筒体的纵缝的焊接采用双面埋弧焊，根据埋弧焊坡口加工要求其坡口形式为双面V形坡口，即X形坡口。具体尺寸如下：纵缝对接坡口（图4）根据具体尺寸，可选用HP-10系列坡口加工机。3.4.2筒体环焊缝坡口压力容器筒身环焊缝坡口形式，取决于其壁厚及所选用的焊接工艺方法。对于薄壁容器，壳体环焊缝多采用V形坡口；而对于厚壁容器壳体环焊缝，为了减少焊缝的横截面，通常采用U形坡口。对于此次所设计的容器，属于厚壁型。其环焊缝包括筒节对接焊缝和筒体与封头的对接焊缝，都采用相同的坡口形式。如下图：沈阳理工大学课程设计12环焊缝坡口示意图（图5）该类型坡口可采用半自动切割机加工，生产经验表明，如果坡口的加工尺寸不符合图样的要求，且严重超差，则必将导致各种焊接缺陷的形成。沈阳理工大学课程设计134装配与焊接在各类焊接结构生产中，装配焊接是决定产品最终质量的关键