课程设计卧式储罐工艺设计.docx
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课程设计卧式储罐工艺设计
1.卧式储罐结构简介
液氮低温储罐是普遍应用于空分系统中的产品储罐,由于其特殊的工作环境,工作温度为-196℃,致使其结构及材料的应用必需知足超低温的要求,工业生产中具有特定的工艺功能并经受必然压力的设备,称压力容器。
设计温度为-20℃以下的压力容器被称为低温压力容器,关于低温压力容器第一要选用适合的材料,材料在利用温度下应具有良好的韧性。
致使低于-196℃时可选用奥氏体不锈钢。
罐体分内罐,外罐两层,因此内罐材质选用不锈钢为0Cr18Ni9,外罐材质选用碳钢为Q235-B。
内外罐中间填充绝热材料,即内筒壁与外筒壁之间用珠光砂填充绝热。
本储罐结构示用意见图1.1。
示用意
表1.1设计数据
序号
项目
数值1
数值2
单位
1
名称
20m3液氮卧式储罐
2
筒体材料
内胆:
16MnDR外胆:
Q-235B
3
设计压力
MPa
4
设计温度
内胆:
-196
外胆:
室温
5
公称直径
2200
mm
6
公称容积
20
m3
7
充装系数
8
工作介质
液氮
9
其他要求
100%无损检测
依据表1.1设计参数得出卧式储罐结构尺寸见表1.2。
表1.2卧式储罐结构尺寸(单位:
mm)
项目
直径
高
筒体长
筒体壁厚
封头壁厚
材质
内筒
2200
15270
5000
8
8
0Cr18Ni9
外筒
2300
16941
7136
10
10
Q235-B
封头即是容器的端盖。
依照形状的不同,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。
本储罐选择椭圆形封头,其内胆封头与外胆封头尺寸见表1.3。
表1.3EHA椭圆形封头内表面积、容积
封头类别
公称直径DN/mm
曲面高
hi/mm
直边高度h/mm
总深度H/mm
内表面积A/
容积
/
内封头
2200
550
40
590
外封头
2300
575
40
615
储罐还有人孔、支座和各类接管组成。
接管要紧设有排污管、平安阀、压力表、温度计、进料口和出料口等。
依照HG/T21517-2005回转盖带颈平焊法兰人孔,查表3-3,选用凹凸面型,其明细尺寸见表1.4。
序号
名称
数值
序号
名称
数值
1
公称压力
11
D1
620
2
公称直径
DN=500
12
D
670
3
螺栓尺寸
M24×100
13
H1
250
4
螺母数量
20
14
H2
103
5
螺栓数量
20
15
A
365
6
总质量
147Kg
16
d
24
7
b1
23
17
b
28
8
b2
28
18
L
250
9
B
175
19
dw×s
530×8
10
d0
24
20
表1.4人孔尺寸表单位:
mm
查JB4712.1-2007《容器支座》,选取轻型,焊制为BⅠ,包角为120°,有垫板的鞍座。
设计鞍座结构尺寸如下表1.5。
表1.5鞍式支座结构尺寸单位mm
序号
名称
数值1
数值2
数值3
1
垫板弧长
2680
2
公称直径
DN=2300
3
允许载荷
Q=410Kg
4
鞍座高度
h=250
5
底板
l1=1660
b1=240
δ1=14
6
筋板
b2=240
7
筋板
l3=255
b3=290
δ3=14
8
垫板
e=100b4=500
δ4=10
9
10
11
12
螺栓间距
螺孔/孔长
鞍座质量
腹板
l2=1460
D/l=24/40
215Kg
δ2=14
接管的材料为0Cr18Ni9,长度依如实际情形选择,查得接口管口参数见表1.6。
表1.6接口管口表
符号
公称尺寸(mm)
连接尺寸(mm)
用途或名称
a
500
Φ530×8
人孔
b
20
压力表口
c
20
温度计口
d
40
Φ45×4
排空口
e
65
Φ76×6
安全阀口
f
65
Φ76×6
液料进口
g
65
Φ76×6
排污口
h
65
Φ76×6
液料出口
查HG/T20592-2020《钢制管法兰》中表8.2.2-2PN10带颈对焊焊钢制管法兰,选取各管口公称直径,查得各法兰的尺寸见表1.7。
表1.7法兰表
管口名称
公称直径DN(mm)
钢管外径A1(mm)
法兰外径D(mm)
螺孔中心圆直径K(mm)
螺孔直径L(mm)
螺孔数量n(个)
螺纹Th
出料口
65
76B
185
145
18
8
M16
进料口
65
76B
185
145
18
8
M16
排污口
65
76B
185
145
18
8
M16
安全阀口
65
76B
185
145
18
8
M16
排空口
40
45B
150
110
18
4
M16
压力表口
20
25B
105
75
14
4
M12
温度计口
20
25B
105
75
14
4
M12
密封垫片选择非金属软垫片系列中的石棉橡胶板。
2.卧式储罐工艺审查
本次课程设计的母材为0Cr18Ni9和Q235B,依照国家标准《钢铁产品牌号表示方式》(GB/T221-200)查得0Cr18Ni9属于奥氏体不锈钢。
0Cr18Ni9不锈钢作为不锈钢耐热钢利用最普遍,用于食物用设备,一样化工设备,原子能用工业设备。
通俗的讲0Cr18Ni9不锈钢确实是304不锈钢板。
而Q235B碳素钢,含碳量适中,综合性能较好,强度、塑性和焊接等性能取得较好的配合,用途普遍。
经常使用于制作钢筋或厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等,也大量用作对性能要求不高的机械零件。
2.1.1内胆材料焊接性的分析
1.0Cr18Ni9材质性能分析
依照《焊接手册》第二版《材料的焊接》查得母材化学成份见表2.1。
表2.10Cr18Ni9的化学成份
化学成分
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
含量(%)
依照成份可知0Cr18Ni9奥氏体钢具有良好的耐蚀性、耐热性;低温强度和机械性能;冲压弯曲等热加工性好;无热处置硬化现象,无磁性;单相奥氏体组织,无热处置硬化现象。
0Cr18Ni9钢的力学性能见表2.2。
表2.20Cr18Ni9钢的力学性能
抗拉强度σb(MPa)
条件屈服强度σ(MPa)
断面收缩率ψ(%)
伸长率δ(%)
硬度
≥520
≥205
≥60
≥40
≤187HBS;≤90HRC;≤200HV
2.母材碳当量估测
依照化学成份进一步分析0Cr18Ni9是奥氏体不锈钢,故具有较高的变形能力并非可淬硬,没有冷裂纹缺点,因此总的来讲焊接性良好。
当采纳国际焊接学会碳当量估测公式计算时:
+
+
+
=0.06+0.
=
可是,为由于碳当量比较大,其焊接性也存在一些问题,如接头各类形式的侵蚀、焊接热裂纹、铁素体含量的操纵及σ相脆化等。
3.奥氏体不锈钢的焊接特点
(1)焊接接头的晶间侵蚀
奥氏体不锈钢焊接件容易在焊接接头处发生晶间侵蚀,依照贫铬理论,其缘故是焊接时焊缝和热阻碍区在加热到450~850℃温度范围停留一按时刻的接头部位,在晶界处析出高铬碳化物(Cr23C6),引发晶粒表层含铬量降低,形成贫铬区,在侵蚀介质的作用下,晶粒表层的贫铬区受到侵蚀而形成晶间侵蚀。
这时被侵蚀的焊接接头表面无明显转变,受力时那么会沿晶界断裂,几乎完全失去强度。
为避免和减少焊接接头处的晶间侵蚀,采取的避免方法有:
1)采纳低碳或超低碳的焊材,如A002等,或采纳含钛、铌等稳固化元素的焊条,如A137、A132等;
2)由焊丝或焊条向焊缝熔入必然量的铁素体形成元素,使焊缝金属成为奥氏体+铁素体的双相组织(铁素体一样操纵4-12%);
3)减少焊接熔池过热,选用较小的焊接电流和较快的焊接速度,加速冷却速度;
4)对耐晶间侵蚀性能要求很高的焊件进行焊后稳固化退火处置。
(2)焊接热裂纹
热裂纹产生的要紧缘故是焊缝中的树枝晶方向性强,有利于S、P等元素的低熔点共晶产物的形成和聚集。
另外,此类钢的导热系数小(约为低碳钢的1/3),线胀系数大(比低碳钢大50%),因此焊接应力也大,加重了热裂纹的产生。
避免方法:
1)选用含碳量低的焊接材料,采纳含适量Mo、Si等铁素体形成元素的焊接材料,使焊缝形成奥氏体加铁素体的双相组织,减少偏析;
2)尽可能选用碱性药皮的优质焊条,以限制焊缝金属中S、P、C等的含量。
(3)应力侵蚀开裂
应力侵蚀开裂是焊接接头在特定侵蚀环境下受拉伸应力作历时所产生的延迟开裂现象。
奥氏体不锈钢焊接接头的应力侵蚀开裂是焊接接头比较严峻的失效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。
应力侵蚀开裂采取的避免方法:
1)采取适合的焊接工艺,保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺点,如咬边等;采取合理的焊接顺序,降低焊接残余应力水平;
2)合理选择焊材,焊缝与母材应有良好的匹配,不产生任何不良组织,如晶粒粗化及硬脆马氏体等;
3)排除应力处置:
焊后热处置,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处置时采纳焊后锤击或喷丸等。
(4)焊缝金属的低温脆化。
关于奥氏体不锈钢焊接接头,在低温利历时,焊缝金属的塑韧性是关键问题。
现在,焊缝组织中的铁素体的存在老是恶化低温韧性。
一样能够通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺取得单一的奥氏体焊缝的方式来避免焊缝金属的低温催化。
(5)焊接接头的σ相脆化。
焊件在经受一按时刻的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相,致使整个接头脆化,塑性和韧性显著下降。
σ相的析出温度范围650-850℃。
在高温加热进程中,σ相要紧由铁素体转变而成。
加热时刻越长,σ相析出越多。
避免方法:
1)限制焊缝金属中的铁素体含量(小于15%),采纳超合金化焊接材料,即高镍焊材;
2)采纳小标准,以减小焊缝金属在高温下的停留时刻;
3)对已析出的σ相在条件许诺时进行固溶处置,使σ相溶入奥氏体。
2.1.2外胆材料焊接性的分析
1.Q235B材质性能分析
依照《焊接手册》第二版《材料的焊接》查得母材化学化学成份见表2.3与力学性能见表2.4。
表2.3Q235B的化学成份
化学成分
C
Mn
Si
S
P
百分含量
表2.4Q235B钢的力学性能
牌号
拉力强度MPa
屈服点MPa
伸长率(%)
Q235B
375~500
235
26
2.母材碳当量估测
采纳国际焊接学会碳当量估测公式计算:
+
+
+
Q235B中
=0.32<0.4,焊接热阻碍区的淬硬及冷裂偏向较小,其焊接性良好,焊前不需预热。
3.Q235B焊接性特点
Q235钢是一种一般碳素结构钢,含碳量低,锰、硅含量又少,因此,通常情形下可不能因焊接而引发严峻的硬化组织或淬火组织。
这种钢材的塑形和冲击韧性良好,焊成的接头塑形和冲击韧性和很良好,焊接时,一样不需预热、层间温度后后热,焊后没必要采纳热处置改善组织,能够说,整个焊接进程中毋须特殊的工艺方法,其焊接性优良。
但在少数的情形下,低碳钢的焊接性也会不行,焊接时显现困难。
例如:
(1)采纳旧冶炼方式生产的转炉钢,这种钢的含氮量高,其他的杂质也较多,从而冷脆性大,时效灵敏性大,焊接接头质量低,表现为焊接性差。
关于转炉钢要依照其冶炼方式不同而不同评判和不同对待。
旧法冶炼的转炉钢不能用重要的焊接结构,若是应用于重要结构,那么必需进行焊接性鉴定,其中专门注意冷脆灵敏性、时效灵敏性等的检测,以保证焊接结构质量,避免破坏性事故发生。
(2)沸腾钢脱氧不完全而含氧量较高,硫、磷等杂质的散布不均匀,局部区域硫、磷含量大大超过平均含量,时效灵敏性及冷脆灵敏性大,热裂纹偏向大。
因此一样不宜用经受动载荷和酷寒下的工作的重要焊接结构。
(3)低碳钢母材成份不合格时,含碳量太高,含硫量太高,焊接时候可能显现裂纹。
(4)采纳质量不符合要求的焊条,使焊缝金属中的碳、硫含量太高会致使裂纹。
(5)某些焊接方式可能会给低碳钢的焊接质量带来麻烦,例如埋弧焊线能量较大,会使焊接热阻碍区的粗晶粒过于粗大,降低焊接接头的质量。
及耗时
依照《焊接手册》第一版《焊接方式与设备》查得焊条消耗量依照以下公式计算:
W=A×ρ×L×1/η×1.2
W-------------------------焊条的消耗量(g)
L---------------------------焊道长度(cm)
ρ-------------------------密度(g/cm3)
A-----------------------截面积(cm2)
η-------------------------熔敷效率
(1)纵向焊缝消耗质量W1:
1)内胆纵向焊缝
A=δ×b=8×2=16mm2;L=4920mm;ρ=7.9;η=99%
W11
2)外胆纵向焊缝
A=δ×b=10×3=30mm2;L=πD=6136mm;ρ=7.8;η=99%
W12
W1=W11+W12
(2)环向焊缝消耗质量W2:
1)内胆环向焊缝
A=δ×b=8×2=16mm2;L=πD=3.14×2200=6908mm;ρ=7.9;η=99%
W21
2)外胆环向焊缝
A=δ×b=10×3=30mm2;L=πD=3.14×2300=7222mm;ρ=7.8;η=99%
W22=A×ρ×L×1/η×1.2=0.30×7.8×722.2×1/0.99×1.2=2048.42g
W2=3W21+3W22
(3)人孔焊缝消耗质量W3:
A内2;A外=82mm2;L=πD=3.14×530=1664.2mm;ρ=7.9;η=55%
W31=A内
W32=A外×ρ×Lg
W3=W31+W32
(4)补强圈焊缝消耗质量W4:
A=18mm2;L=πD=3.14×840=2637.6mm;ρ=7.9;η=55%
W4
(5)接管焊缝消耗质量W5:
1)压力表口和温度计口焊缝
A内2;A外=82mm2;L=πD=3.14×25=78.5mm;ρ=7.85;η=55%
W内51=A内
W外51=A外×ρ×Lg
2)排空口焊缝
A内2;A外=82mm2;L=πD=3.14×45=141.3mm;ρ=7.85;η=55%
W内52=A内
W外52=A外
3)平安阀口、排污口、液料进出口焊缝
A内2;A外=82mm2;L=πD=3.14×76=238.64mm;ρ=7.85;η=55%
W内53=A内
W外53=A外×ρ×Lg
W5=2W内51+2W外51+W内52+W外52+4W内53+4W外53
(6)故所有焊缝消耗量共计为
W总=W1+W2+W3+W4+W5
2.坡口角度增加一度时焊缝消耗质量计算
(1)纵向焊缝消耗质量W1:
W1
(2)环向焊缝消耗质量W2:
W2
(3)人孔焊缝消耗质量W3:
A内2;A外2;L=πD=3.14×530=1664.2mm;ρ=7.9;η=55%
W31=A内
W32=A外×ρ×Lg
W3=W31+W32
(4)补强圈焊缝消耗质量W4:
W4
(5)接管焊缝消耗质量W5:
1)压力表口和温度计口焊缝
A内2;A外2;L=πD=3.14×25=78.5mm;ρ=7.85;η=55%
W内51=A内
W外51=A外×ρ×Lg
2)排空口焊缝
A内2;A外2;L=πD=3.14×45=141.3mm;ρ=7.85;η=55%
W内52=A内
W外52=A外
3)平安阀口、排污口、液料进出口焊缝
A内2;A外2;L=πD=3.14×76=238.64mm;ρ=7.85;η=55%
W内53=A内
W外53=A外×ρ×Lg
W5=2W内51+2W外51+W内52+W外52+4W内53+4W外53=2991g
(6)故所有焊缝消耗量共计为
W总=W1+W2+W3+W4+W5
(7)坡口增加一度时焊缝消耗量增加量了204.92g。
3.间隙值增加1mm时焊缝消耗质量计算
(1)纵向焊缝消耗质量W1:
1)内胆纵向焊缝
A=δ×b=8×3=24mm2;L=4920mm;ρ=7.9;η=99%
W11
2)外胆纵向焊缝
A=δ×b=10×4=40mm2;L=πD=6136mm;ρ=7.8;η=99%
W12
W1=W11+W12
(2)环向焊缝消耗质量W2:
1)内胆环向焊缝
A=δ×b=8×3=24mm2;L=πD=3.14×2200=6908mm;ρ=7.9;η=99%
W21
2)外胆环向焊缝
A=δ×b=10×3=40mm2;L=πD=3.14×2300=7222mm;ρ=7.8;η=99%
W22=A×ρ×L×1/η×1.2=0.40×7.8×722.2×1/0.99×1.2=2731.23g
W2=3W21+3W22
(3)人孔焊缝消耗质量W3:
A内2;A外=109mm2;L=πD=3.14×530=1664.2mm;ρ=7.9;η=55%
W31=A内
W32=A外
W3=W31+W32
(4)补强圈焊缝消耗质量W4:
W4
(5)接管焊缝消耗质量W5:
1)压力表口和温度计口焊缝
A内2;A外=109mm2;L=πD=3.14×25=78.5mm;ρ=7.85;η=55%
W内51=A内
W外51=A外×ρ×Lg
2)排空口焊缝
A内2;A外=109mm2;L=πD=3.14×45=141.3mm;ρ=7.85;η=55%
W内52=A内
W外52=A外
3)平安阀口、排污口、液料进出口焊缝
A内2;A外=109mm2;L=πD=3.14×76=238.64mm;ρ=7.85;η=55%
W内53=A内
W外53=A外×ρ×Lg
W5=2W内51+2W外51+W内52+W外52+4W内53+4W外53
(6)故所有焊缝消耗量共计为
W总=W1+W2+W3+W4+W5
(7)焊缝间隙增加1mm时焊缝消耗量增加了6821.13g。
4.焊接耗时计算
(1)埋弧焊焊缝耗时:
内筒4920+3×6908=25644mm,所需时刻约为T1=3min
外筒6136+3×7222=27802mm,所需时刻约为T2=
(2)焊条电弧焊焊缝耗时:
1664.2+2637.6+4×78.5+2×141.3+8×238.64=6807.52mm
焊条电弧焊所需时刻约为T3=680
(3)故所有焊缝总耗时为
T总=+T1T2+T33
3.卧式储罐焊接工艺设计
为保证产品的焊接质量,提高生产效率,在有关规程及标准指导下,结合生产实际,还需考虑到焊接性、厚度、适用性、焊接材料、焊接设备和焊接本钱等多方面因素的综合阻碍,决定采纳手工电弧焊,埋弧自动焊及二者组合焊接。
(1)生产效率高这是因为,一方面焊丝导电长度缩短,电流和电流密度提高,因此电弧的溶深和焊丝溶敷效率都大大提高。
(一样不开坡口单面一次溶深可达20mm)另一方面由于焊剂和溶渣的隔热作用,电弧上大体没有热的辐射散失,飞溅也少,尽管用于熔化焊剂的热量损耗有所增大,但总的热效率仍然大大增加。
(2)焊缝质量高熔渣隔间空气的爱惜成效好,焊接参数能够通过自动调剂维持稳固,对焊工技术水平要求不高,焊缝成份稳固,机械性能比较好。
(3)劳动条件好除减轻手工焊操作的劳动强度外,它没有弧光辐射,这是埋弧焊的独特优势。
2.手工电弧焊
(1)设备简单,可用本钱较低的交流或直流焊接电源。
(2)灵活方便,不需要辅助气体爱惜可用焊接各类位置、各类厚度和形状的焊件。
(3)应用范围广,适用于大多数工业用的金属和合金的焊接。
(4)焊接质量要紧取决于焊工的熟练程度和焊条的质量。
3.2焊接材料选择
1.埋弧焊焊丝与焊剂的选择
(1)关于0Cr18Ni9与0Cr18Ni9同种材料的焊接
依照GB/T14957—1994焊接用钢丝规定,埋弧焊的焊丝选择牌号为H0Cr21Ni10,焊剂牌号为HJ260。
表3.1H0Cr21Ni10不锈钢焊丝化学成份
化学成分
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
百分含量(%)
表3.2HJ260熔炼型焊剂成份
组成成分
SiO2
CaF2
CaO
MgO
Al2O3
MnO
FeO
S
P
质量分数(%)
29~34
20~25
4~7
15~18
19~24
2~4
(2)关于Q235B与Q235B同种材料的焊接
依照GB/T14957—1994焊接用钢丝规定,埋弧焊的焊丝选择牌号为H08A,焊剂牌号为HJ431。
表3.3H08A碳素结构钢焊丝化学成份
化学成分
C
Mn
Si
Cr
Ni
S
P
百分含量(%)
表3.4HJ431熔炼型焊剂成份
组成成分
SiO2
CaF2
CaO
MgO
Al2O3
MnO
FeO
S
P
质量分数(%)
40~44
5~9
≤6
≤4
34.5~38
(1)关于0Cr18Ni9于0Cr18Ni9同种材料的焊接
依照GB/T983—1995不锈钢焊条规定,手工电弧焊焊条选择牌号为A107的低氢型不锈钢焊条。
表3.5A107不锈钢焊条化学成份
化学成分
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
Cu
百分含量(%)
(2)关于Q235B与Q235B同种材料的焊接
依照GB/T5117—1995碳钢焊条规定,手工电弧焊焊焊条选择牌号为J422的钛钙型碳钢焊条。
表3.6J422碳钢焊条化学成份
化学成分
C
Mn
Si
百分含量(%)
(3)关于0Cr18Ni9与Q235B异种材料的焊接
依照GB/T983—1995不锈钢焊条规定,手工电弧焊焊条选择牌号为A302的钛钙型不锈钢焊条。
表3.7A3
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