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焊接结构课程设计
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前言3
第一章设计参数的选择.4
一、乙烯的特性4
二、设计要求与数据5
第二章设备结构设计7
二、封头厚度的计算8
三、核算承载能力并选择鞍座8
四、人孔的选择10
五、接管、法兰、垫片和螺栓(柱)10
六、选配工艺接管12
第三章贮罐制造工艺.13
一焊接方法的确定13
二焊接工艺流程16
第4章埋弧自动焊机及其他装置的确定.18
一埋弧自动焊18
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二焊接其他装置18
设计体会19
参考文献20
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前言
储罐是焊接压力容器的一种,它在生产中很常见,对于目前的
社会生活条件来说,储罐在生产中的使用还是不可取代的,同时作为一种压力容器,在使用过程中的安全问题非常的重要,在焊接生产一定要严格要求。
因此,储罐结构设计和自动化生产焊接装置的设计还是有着重要的意义。
本次课程设计主要是进行乙烯储罐结构的特点分析、储罐设计方案的选定、焊接方法和参数的制定、焊接工艺的制定以及焊接装置的分析设计等,从而对焊接结构生产及装备特点及应用有初步的了解,对焊接生产实践有一定的认识,为以后的学习和工作做一定的铺垫。
因此,做好本次课程设计是非常有必要的,不仅是对本学期以及以前知识的巩固,而且也相当于一次工作的实践。
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第一章设计参数的选择
、合
一、乙烯的特性乙烯是由两个碳原子和四个氢原子组成的化合物。
两个碳原子之间以双键连接。
乙烯是合成纤维、合成橡胶、合成塑料(聚乙烯及聚氯乙烯)成乙醇(酒精)的基本化工原料,也用于制造氯乙烯、苯乙烯、环氧乙烷、醋酸、乙醛、乙醇和炸药等.
外观与性状:
无色气体,略具烃类特有的臭味。
少量乙烯具有淡淡的甜味。
pH:
水溶液是中性熔点(℃):
-169.4沸点(℃):
-103.9相对密度(水=1):
0.61相对蒸气密度(空气=1):
0.98饱和蒸气压(kPa):
4083.40(0℃)燃烧热(kJ/mol):
1411.0临界温度(℃):
9.2临界压力(MPa):
5.04辛醇/水分配系数的对数值:
无资料闪点(fp):
无意义引燃温度(℃):
425爆炸上限%(V/V):
36.0爆炸下限%(V/V):
2.7
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溶解性:
不溶于水,微溶于乙醇、酮、苯,溶于醚。
溶于四氯化碳等有机溶剂。
其它理化性质:
可以和酸性高锰酸钾发生氧化还原反应,乙烯作为还原剂,被氧化成二氧化碳。
酸性高锰酸钾被还原而褪色。
危险性类别:
侵入途径:
吸入
健康危害:
具有较强的麻醉作用。
急性中毒:
吸入高浓度乙烯可立即引起意识丧失,无明显的兴奋期,但吸入新鲜空气后,可很快苏醒。
对眼及呼吸道粘膜有轻微刺激性。
液态乙烯可致皮肤冻伤。
慢性影响:
长期接触,可引起头昏、全身不适、乏力、思维不集中。
个别人有胃肠道功能紊乱。
环境危害:
对环境有危害,对水体、土壤和大气可造成污染。
燃爆危险:
本品易燃。
二、设计要求与数据
1、设计题目:
卧式乙烯储罐
2、原始数据:
公称直径Di(mm)1600,长度L(mm)3450,最高工作压力Pmax(Mpa)2.2,设计压力P=2.2×1.1=2.42Mpa
3、操作温度:
40℃
4、介质名称:
乙烯
5、储罐容积:
9m3
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6、主要元件材料的选择:
根据GB150-1998[1]表4-1,选用筒体材料为16MnR(钢材标准为GB6654)。
根据JB/T4731[2],鞍座选用材料为Q235-B,其许用应力错误!
未找到引用源。
。
地脚螺栓选用符合GB/T700规定的Q235,Q235的许用应力错误!
未找到引用源。
表1:
设计数据
序
号
项目
数值
单位
备注
1
名称
液化乙烯卧式储罐
2
最大工作压力
2.2
MPa
3
工作温度
40
℃
4
公称直径
1600
mm
5
筒体长度
3450
mm
6
容积
9
3m
7
贮存介质
液化乙烯
8
其他要求
100%无损检测
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第二章设备结构设计
、圆筒厚度的设计
已知Di=1600mm,L=3450mm,P=2.2MPa,在操作温度-5~40℃的范围内,估计筒体壁厚大约为16mm,在《常用容器钢板(管)许用应力表》中按设计温度40℃,板厚6~16mm间插值取得[]t170MPa
焊接接头采用V坡口双面焊接,采用全部无损检测,其焊接接头系数由焊接接头系数表查得=1.00。
钢板负偏差由《钢板厚度负偏差表》查得C1=0.8mm;乙烯的腐蚀裕量由《壳体、封头腐蚀裕量表》查得C2=1mm。
乙烯储罐是内压薄壁容器,按公式计算筒体的设计厚度为
2.21600
3-1)
dctiC1C20.81
根据钢板2的[厚]度规格,P查《钢板的常用厚度2表》170,圆整1.为00
δn=14mm
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、封头厚度的计算
公称直径DNDi1600mm
选用标准椭圆形封头,长短轴比值为2,计算中式为
10.38mm
pcDi2.21600
2t0.5pc217010.52.2
(3-2)
同上,取错误!
未找到引用源。
.8mm,错误!
未找到引用源。
则封头的名义厚度为错误!
未找到引用源。
圆整后取为错误!
未找到引用源。
可见,和筒体同厚。
三、核算承载能力并选择鞍座
首先粗略计算鞍座负荷。
储罐总质量:
WW1W2W3W4,式中
W1—罐体的质量,Kg
W2—封头的质量,Kg
W3—乙烯的质量,Kg
W4—附件的质量,Kg
1.罐体质量W1:
DN=1600mm,n14mm的筒节,每米质量为q1627kg/m,故W1q1L6273.452163.15kg;
2、封头的质量W2:
DN=1600mm,n14mm,直边高度h=40mm的椭圆形封头,其质量为q2419kg/m,故W22q22419838kg;
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3、乙烯的质量W3:
由于W3V,式中0.7,为装料系数;V为贮罐体积,VV对V筒9m3;为乙烯的密度569kg/m3,所以W30.795693584.7kg;
4、其他附件质量W4:
人孔约200kg,其他接口管总和按300kg计,故W4500kg;
5、设备总质量W:
WW1W2W3W42163.158383584.75007085.85kg
QWg7085.859.834720.665N34.72KN每个鞍座只2承受约34.272kN负荷,所以选用轻型带垫板包角为120的鞍座即:
JB/T4712-92鞍座A1600-F;JB/T4712-92鞍座A1600-S因为当外伸长度A=0.207L时,双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等,从而使上述两截面上保持等强度,考虑到支座截面处除弯矩以外的其他载荷,面且支座截面处应力较为复杂,故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩,通常取尺寸A不超过0.2L值,为此中国现行标准JB4731《钢制卧式容器》规定A≤0.2L,A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。
由标准椭圆封头的性质及查表可得,其直边高度h=40mm。
表2:
鞍式支座结构尺寸
公称直
径
DN
2000
腹板
14
垫板
350
允许载
Q/kN
92
330
10
9
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荷
筋板
鞍座高
度
h
250
190
e
80
底板
1420
260
螺栓间距
1260
220
12
螺孔/孔
长
D/l
24/40
16
垫板
弧长
2330
鞍座质量
Kg
500
四、人孔的选择根据储罐是在常温下及最高工作压力为2.2MPa的条件下工作,人孔的标准按公称压力为2.2MPa等级选取,考虑到人孔盖直径较大较重,故选用水平吊盖人孔,该人孔结构中有吊钩和销轴,检修时只须松开螺栓将盖板绕轴旋转一个角度,由吊钩吊住,不必将盖板取下。
该人孔标记为:
HG20592法兰WN450—2.2TGQ235A人孔的筒体尺寸为530×10,由标准查得补强圈尺寸为:
内径Di=484mm外径Do=760mm,开孔补强的有关计算参数如下:
补D2D1760484
考虑到D罐2体与D1人孔筒76节0均有484一定的壁厚裕量,故补强圈取
20mm厚
五、接管、法兰、垫片和螺栓(柱)
10
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1接管和法兰查HG/T20592-2009[6]中表8.23-1PN带颈对焊钢制管法兰,选取各管口公称直径,查得各法兰的尺寸。
查[6]中附录D中表D-3,得各法兰的质量。
查[6]中表3.2.2,法兰的密封面均采用MFM(凹凸面密封)。
2垫片
垫片尺寸为50mm,包覆金属材料为纯铝板,标准为GB/T3880,代号为L3。
填充材料为有机非石棉纤维橡胶板。
垫片厚度均为3mm。
3螺栓(螺柱)的选择
查HG/T20613-2009[8]中表5.0.7-11和附录中表A.0.1,得螺柱的
长度和平垫圈尺寸如下表
螺栓及垫片
名称
公称直径
螺纹
螺柱长
紧固件用平垫圈mm
d1
d2
H
进料口
50
M16
92
17
30
3
出料口
50
M16
92
17
30
3
11
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排污口
80
M16
92
17
30
3
人孔
450
液位计口
20
M16
85
17
30
3
温度计口
20
M12
75
13
24
2.5
压力表口
20
M12
75
13
24
2.5
安全阀口
80
M16
92
17
30
3
排空口
50
M16
90
17
30
3
六、选配工艺接管
1、乙烯进料管
采用无缝钢管YB231-7050×4mm,管的一端伸入罐切成45°,管长400mm。
配用带劲对焊法兰HG20592法兰WN50—2.2RFQ235A。
2.乙烯出料管
采用可拆的压出管50×4mm伸,入到罐内离罐底约100mm,外套无缝钢管89×6mm管(壁加厚,具有补强作用),都配用带颈对焊管法兰即HG20592法兰WN50—2.2FFQ235A。
3.排污管
在罐的右端最底部设个排污管,规格是50×4mm,管端焊有与截止阀相配的HG20592法兰WN50—2.2RFQ235A。
排污管与罐体连接处焊有一厚度为10mm的补强圈。
4.安全阀接口管安全阀接口管尺寸由安全阀泄放量决定。
本贮罐选用80×4mm
的无缝钢管,HG20592法兰WN80—2.2FFQ235A。
5.液面计接口管
本贮罐采用玻璃管液面计BIWPN1.6,L=1000mm,HG—227—80
12
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两支。
与液面计相配的接口管尺寸为:
20592法兰WN20—2.2FFQ235A。
6.放空管接口管
采用50×3.5mm无缝钢管,管法兰
Q235A。
7、气相口
采用50×3.5mm无缝钢管,管法兰
Q235A。
20×3mm管,法兰采用HG
HG20592法兰WN50—2.2FF
HG20592法兰WN50—2.2FF
8、水压试验及强度校核校核罐体与封头水压试验强度,根据:
tPt(Die)0.9t2e
代入数据得:
2e
查表得厚度为16mm的16MnR钢板的钢材屈服极限s345MPa故在常温水压试验时的许用应力为0.9s0.9345310.5MPa,故t0.9s因此满足水压试验要求。
第三章贮罐制造工艺
焊接方法的确定
13
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本次设计贮罐由两个带直边的模压上、下封头组成,中
间有一条环缝,批量生产且有一定的技术要求,根据所学知识及查阅资料可选择的焊接方法有熔化极氩弧焊、气体保护焊、自动埋弧焊这三种常见的焊接方法。
1.熔化极氩弧焊优缺点与其它焊接方法相比,熔化极氩弧焊的特点有:
(1)可以焊接几乎所有的金属。
既可以焊接碳钢、合金钢、不锈钢,还可以焊接铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金等容易被氧化的非铁金属;
(2)焊丝和电弧的电流密度大,焊丝熔化速度快,对母材的熔敷效率高,焊接生产率高;
(3)与电弧焊相比,熔化极氩弧焊电弧状态稳定,容地过渡平稳,几乎不产生飞溅,熔透也较深;
(4)由于惰性气体本质上不与熔化金属产生冶金反应。
熔化极氩弧焊的不足:
(1)由于使用氩气保护,焊接成本比电弧焊高,生产效率也低于电弧焊;
(2)焊接准备工作要求严格,包括对焊接材料的清理和焊接区的清理等。
(3)厚板焊接中的封底焊焊缝成形质量不是很好。
2.气体保护焊与其它焊接方法相比,气体保护焊的特点有:
(1)焊接生产率高;
(2)焊接成本低;
(3)焊接能耗低;
(4)适用范围广,可采用自动焊或半自动焊对任何角度、任何位置、任何长度及复杂的曲面焊缝都可焊接;
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(5)焊缝含氢量低,抗裂纹性好;
(6)焊后不需清渣,明弧焊接便于监视,有利于机械化操作;
(7)焊接保护效果好。
气体保护焊的缺点和不足:
(1)焊不能用于非铁金属的焊接,只能用于低碳钢和低合金钢等黑色金属的焊接;
(2)焊熔滴过渡不如MIG焊稳定,飞溅量较大;
(3)焊产生很大的烟尘,操作环境不好。
3.埋弧焊与其它焊接焊接方法相比,埋弧焊有如下优势:
(1)焊接生产率高;
(2)焊接金属的品质良好、稳定;
(3)焊接外观非常美观;
(4)焊接成本低;
(5)操作环境好。
埋弧焊存在的问题:
(1)设备费用高;
(2)对坡口精度要求高;
(3)焊接姿势受到限制;
(4)适用于碳素钢、低合金钢、不锈钢等材料的焊接,有色金属焊接困难;
(5)焊缝金属的冲击韧性普遍不好;
(6)主要用于自动焊、长缝焊、中等以上厚度板的焊接。
通过上面三种焊接方法的优缺点对比,熔化极氩弧焊对焊接坡口精度要求较高而且成本较高,焊需要焊前打底焊较麻烦而
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且焊接生产环境不好,相比之下选择埋弧自动焊接比较合适,在内部加衬垫焊接,适合于大批量生产而且焊缝质量较好。
二焊接工艺流程
(1)坡口
上、下封头的焊接采用对接接头,为保证环焊缝开设60°的正面V形坡口,在贮罐内部装上衬垫,用手工电弧焊完成封头的定位焊接和衬垫与筒体的连接,装配时间隙为0~1mm,如图2-4。
然后清理干净手工电弧焊药皮,并且将焊点用磨光机打磨平整。
(2)焊前准备
焊前,坡口两侧各10mm范围内的铁锈,应打磨干净,露出金属光泽。
用丙酮清洗坡口附近的油污。
焊剂和焊条按规定烘干,300~350℃保温2h。
注意焊剂中不要
混入铁屑、碎石等杂物。
不要强行组装,避免应力过大;引弧板要对齐焊缝,地线连接牢固。
3)焊接材料
埋弧自动焊时焊丝选用H10Mn2,直径?
4mm;定位焊及衬垫的焊接的焊条为J507.埋弧焊焊剂选用SJ101烧结焊剂。
(4)工艺参数
筒体的设计厚度为6mm,开V形坡口,由于埋弧焊焊接板厚较厚,可只焊接一道。
查表6-17[7]得,埋弧自动焊工艺参数如表2-1
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表2-1埋弧自动焊工艺参数
板
/mm
厚
焊丝直
径/mm
焊接电流/A
电弧电压/V
焊接速
度
cm/min
6
?
4
580~60
0
31~32
35~40
对于该设计民用贮罐埋弧自动焊具体焊接速度为36cm/min
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第4章埋弧自动焊机及其他装置的确定
一埋弧自动焊
1.焊接接头的选择
根据上面2.2.2设计选择的埋弧自动焊接参数,参照[7]表3-1国产埋弧自动焊机主要技术数据,选择MZ2-1000。
送丝方式:
等速送丝;焊接电流/A:
400~1500;
焊接直径/mm:
φ3~6;送丝速度/m/h:
28.5~225;
焊接速度/m/h:
13.4~112;焊接电流种类:
交流或直流;送丝速度调节方法:
调换齿轮。
2.焊接机头附属装置为了保证焊接时,焊接机头的正常工作还需要安装有附属装置,因此,焊接机头上还应该安装有焊剂漏斗、焊丝盘、控制箱、焊剂回收装置等等。
二焊接其他装置
为了使贮罐的焊接准确性和稳定性,一套完整的焊接装置还应该有焊接装置的机身、整个装置的基座、焊接滚轮架的升降台、上料平台、输料平台、卸料架等,这些机架都可用型钢焊接,减少焊接装置的成本和重量。
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设计体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生能力的具体训练和考察过程。
在现在的各项领域中焊接装置的应用试非常常见的,可以说是无处不在,因此我觉得掌握好焊接这门技术是很有必要的,这次对储罐的课程设计可以说是对以前学习的知识的一次检验和理论与实践的结合,更是一次工作的前奏。
对于本次课程设计,指导老师老师花费了大量的心思,付出了很多努力,让我们对以前学习的知识进行总结和毕业设计的预设计,虽然这次课程设计量比较大,但是老师的安排是非常有意义的,对我们来说也是一项必须完成的工作。
在设计开始时,老师进行了的详细讲解,我才有了自己的设计思路,在此非常感谢老师的辛勤付出,对我的指导和帮助。
同时也感谢在设计过程中我们一起讨论的同学。
这次课程设计基本接近尾声,在指导老师的帮助和组员的共同努力下,这次课程设按期完成了,再次对给予我们帮助的老师和同学表示忠心的感谢,由于我的水平有限,设计难免会出现错误之处,希望老师给予批评指正。
19
参考文献
[1]GB150-1998,《钢制压力容器》
[2]JB/T4731-2005,《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]HG/T21517-2005,《回转盖带颈平焊法兰人孔》
[6]HG/T20592-2009,《钢制管法兰》
[7]HG/T20609-2009,《钢制管法兰用金属包覆垫片》
[8]
课程设计用纸
20
HG/T20613-2009,《钢制管法兰用紧固件》
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