毕业设计（论文）-热水集水器设计（全套图纸）

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院 本 科 毕 业 设 计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 题 目： 热水集水器 专 业： 过程装备与控制工程 班 级： 1201 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 2016 年 5 月 27 日 论文答辩日期： 2016 年 6 月 6 日 毕业设计任务书毕业设计任务书 过程装备与控制工程专业 1201 班 学生： 毕业设计题目：热水集水器 毕业设计内容： （1）根据任务和有关要求确定设计方案； （2）绘制热水集水器主体设备 CAD 图； （3）编写热水集水器的设计说明书； （4）对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。 毕业设计专题部分： 热水集水器的设计 起止时间：2016 年 3 月 1 日2016 年 5 月 27 日 指导教师： 2016 年 3 月 1 日 摘要摘要 热水集水器是使用范围很广的一种化工生产和换热站流体循环设 备，其中，在居民采暖系统中的，集水器管理着若干的支路管道，在空 调水系统和工业水系统中的，同样管理若干的支路管道，分别包括回水 支路和供水支路，但其较大多位 DN350- DN1500 不等，用钢板制作，属 于专业类压力容器1。多个容器之间需要安装压力调节阀，且需要有自 动旁通管路辅助。可见在生活生产和众多领域中，热水集水器都表现出 它非同寻常的作用。在合理的结构设计与完善的加工工艺流程下，所制 作出的热水集水器更能保证工业的安全生产和生活上的舒适便捷。所以 热水集水器的结构设计和加工工艺创新优化就尤为重要。 本设计任务主要是根据生产加工要求，设计制作卧式热水集水器。 卧式热水集水器的优点是制作流程简单，安装方便，安全系数高。本次 热水集水器的设计主要是在压力为 0.2MPa， 介质温度为 80， 筒体内直 径 Di 为 500mm，筒体长度 L 为 1500mm 的条件下罐体材料的选择，工 艺流程的规范，封头形式的确定以及各部位的强度计算和整体应力校核 （结构设计中的标准件可以参照国家标准根据设计条件直接选取；非标 准件，设计完结构后必须进行相应的应力校核） 在次设计中明确了各种管材的形式及其国家规定的应用范围，重点阐 述了热水集水器的设计理念、设计标准。在罐体材料选择方面，对多种 钢材的性能进行了多角度的对比。选择出的板材既符合了质量技术要求 又节约了生产成本。 关键字关键字： 热水集水器； 结构设计； 强度计算； 应力校核 Abstract Catchment water heater is using a wide range of chemical industry production and heat exchange station fluid circulation devices. Among them, in residents of heating system, water collector manages a number of branch pipe and in air conditioning water system and industrial water system, management of the same number of branch pipeline, respectively include a backwater branch and water supply branch, but the large number of DN350- DN1500 ranging, the use made of steel plate, which belongs to the professional class pressure vessel. A plurality of containers between the need to install a pressure regulating valve, and the need to automatically bypass pipeline auxiliary2. Visible in the production and life in many fields, hot water collector showed its extraordinary role in reasonable Structure design and perfect processing flow, produced by the hot water collector more assurance of industrial safety in production and the life convenient and comfortable3. So the catchment water heater structure design and process optimization and innovation is particularly important. The design task is mainly according to the requirements of production and processing, design and production of horizontal catchment water heater. Advantages of horizontal catchment water heater is making process is simple, the installation is convenient, high safety coefficient. The hot water collector design is mainly in the pressure of 0.2MPa, medium temperature of 80 DEG C, the cylinder diameter Di is 500mm, the cylinder length L for the choice of the material of tank under conditions of 1500mm, process specification, forms of head and various parts of the strength calculation and overall should be checking (structure design of standard parts can be according to the national standard of the design according to the direct selection; non standard parts to complete the design After the structure must be carried out the corresponding stress check. Made clear the scope of application of various pipes form and the provisions of the state in the design, focusing on the catchment water heater design philosophy, design standard. In the tank material selection, the performance of a variety of steel products are multi angle comparison. The selected sheet is in line with the quality and technical requirements and save the production cost. Keywords: Hot water collector; Structural design; Strength calculation; Stress check 目 录 第一章 综述 1 1.1 热水集水器概述 . 1 1.2 热水集水器及附件设计 . 1 1.2.1 热水集水器的进出水口 1 1.2.2 在热水集水器之前的供水连接管道 1 1.2.3 热水集水器的旁通管 2 1.2.4 热水集水器排气阀 2 1.3 热水集水器的种类 . 2 1.3.1 普通型热水集水器 2 1.3.2 自动功能型热水集水器 2 1.4 热水集水器的设计 . 3 1.5 系统设计 . 3 1.5.1 系统设计标准以及平衡阀要求 3 1.5.2 热水集水器支管温控器及热电执行器 3 1.6 热电执行器及温控阀 . 3 1.7 热水集水器结构和功能及自动化 . 4 1.8 热水集水器维护 . 5 1.8.1 热水集水器材料 5 1.8.2 热水集水器密封性 5 1.9 热水集水器标准及技术要求 . 5 1.9.1 热水集水器的设计标准和技术要求 5 1.9.2 热水集水器的技术要求及实物图 6 第二章 管材介绍 7 2.1 管道的介绍 . 7 2.1.1 管道的材质和分类 7 2.2 管件的种类及连接方式 . 7 2.2.1 金属管道的连接 7 2.2.2 非金属管道的连接 8 2.3 管道附件及施工前准备 . 8 2.3.1 管道附件分为配水附件和控制附件 8 2.3.2 管道施工前的准备 8 2.4 管道的分类与分级 . 9 2.4.1 管道分类 9 2.4.2 管道的分级 10 第三章 制造材料介绍 11 3.1 Q345R 的介绍 . 11 3.2 16Mn 的介绍 . 11 3.3 Q235 的介绍 12 3.4 20 号钢的介绍 . 13 3.5 20G 无缝钢管的介绍 14 3.6 高压锅炉钢管介绍 . 14 3.7 冲击功试验及效果 . 14 第四章 具体强度计算与应力校核 16 4.1 计算条件 . 16 4.2 内压圆筒校核 . 17 4.3 左右封头、筒体、平盖厚度计算 . 18 4.5 卧式容器(双鞍座) 19 4.6 支座反力计算与筒体弯矩计算 20 4.7 筒体的轴向应力计算 21 4.8 鞍座处圆筒周向应力与鞍座应力计算 22 4.9 开孔补强计算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.9.1 N4 开孔补强计算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.12.2 N5 开孔补强计算 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.12.2 N1、N2、N3、N6 开孔补强计算 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第五章 总结 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 综述 1 第一章 综述 1.1 热水集水器概述热水集水器概述 热水集水器是用于连接各路加热管供回水的配水和汇水装置。 一般热水集水器主要由壳体和固定支座两个部分组成4。其作用是先将热源热水 分开导入每一路的地面辐射供暖所铺设的管内，实现分室供暖和调节温度的目的。集 水器是将分开散热后的每一路内的低温水汇集到一起，再回到回水主管系统的装置。 支架部位起到将热水集水器固定到墙体或地面的作用。 热水集水器是由主管、分路调解阀和接头、排气阀、泄水阀、主管终端堵头几个 部件组成5。所用材料常见有：铜、铜镀镍、不锈钢、聚丙烯（PP- R） 、合金铝（防 腐处理） 。支架常见材料为钢，表面需防腐处理，一般为喷塑或镀锌。 1.2 热水集水器及附件设计热水集水器及附件设计 1.2.1 热水集水器的进出水口热水集水器的进出水口 每个环路加热管的进出水口应分别与热水集水器出水管连接。 热水集水器主体内 径不应小于总供、回水管内径，且热水集水器最大断面流速不宜大于 0.8m/s。每个集 水管和分水管分支环路不宜多于 8 路。 环路过多将可能导致热水集水器的管道过于密 集，不利于安装。每个分支环路供回水管上均应设置铜制球阀等可关断阀门。 1.2.2 在热水集水器之前的供水连接管道在热水集水器之前的供水连接管道 在热水集水器之前的供水连接管道上， 顺水流方向应安装阀门、 过滤器及泄水管。 在热水集水器之前设置两个阀门， 主要是供清洗过滤器和更换或维修热计量装置时关 闭用； 设过滤器是为了防止杂质堵塞流量计和加热管。 热计量装置前的阀门和过滤器， 也可采用过滤球阀 （过滤器和球阀组合为一体） 替代。 在集水器之后的回水连接管上， 应安装泄水管，并加装平衡阀或其他可关断调解阀6。系统配件应采用耐腐蚀材料。 安装泄水装置，用于验收前及以后维修时冲刷管道和泄水用，最好泄水装置就近有排 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 综述 2 水装置，对有热计量要求的系统应设置热计量装置。 1.2.3 热水集水器的旁通管热水集水器的旁通管 在热水集水器的总进水管与集水器的总出水管之间，应设置旁通管，旁通管上设 置阀门。旁通管的连接位置应在总进水管的始端（阀门之前）和总出水管的末端（阀 门之后）之间，保证对供暖管路系统冲洗时水不流进加热管。 1.2.4 热水集水器排气阀热水集水器排气阀 热水集水器上均应设置手动或自动排气阀。尽量安装自动放气阀，以便在以后的 使用过程中，给生产生活带来方便，避免了冷热压差以及补水等因素造成的集气，而 使系统运行受阻。 1.3 热水集水器的种类热水集水器的种类 1.3.1 普通型热水集水器普通型热水集水器 普通型热水集水器的结构比较简单， 在加热管与热水集水器的接口处分路设置调 节性能好的阀门，通过手动调节来控制支管温度。特点是安装调试容易，可以外露安 装7。热水集水器的总体特点是结构简单，性能稳定，安装方便，易于维修。内嵌于 墙面内，更加强了对热水集水器的保护作用，节约空间。 1.3.2 自动功能型热水集水器自动功能型热水集水器 热水集水器结构复杂，在支管与热水集水器的结合处，分路设置远传型自力式和 电动式恒温控制阀，通过支路的温控器控制相应的回路上的阀门开闭，使支管温度自 动保持恒定。设置于集水器中的各分路流量调节阀，可以调节各支管内的热量供应与 流量平衡8。这种热水集水器制造和安装复杂，价格昂贵，对热水水质要求较高，但 其安装调试到位后的稳定性是其他热水集水器所无法比拟的， 能够完全实现各个支路 自动控温的目的。人性化温度自动控制的同时带来了合理的节能效果，随着人们生活 水平的不断提高，此类热水集水器会得到越来越广泛的应用。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 综述 3 1.4 热水集水器的设计热水集水器的设计 热水集水器设计应以热量匹配为基础，以分室控制为目的，最终使每个支管的温 度保证及调节9。 对不同的热水集水器，计算其阻力损失最大的环路的压力损失，以此来作为本组 合热水集水器动态压差式平衡阀的设定值，并根据热水集水器样本，计算出每个环路 的流量调节阀的设定值。 热水集水器实现分线布置环路的关键是热水集水器的每支路 必须有流量调节阀，并能迅速、准确的调节。 1.5 系统设计系统设计 1.5.1 系统设计标准以及平衡阀要求系统设计标准以及平衡阀要求 由于环路的自动启闭，系统流量变化，系统应按变流量系统设计。热水集水器前 应设置动态差压式平衡阀，以保证在系统参数变化或各支路启闭的情况下，其他支路 均工作在设计压差下。除去一般的水温缓慢升温等调试外，最关键是热水集水器的动 态平衡阀及热水集水器各支路流量调节阀必须按设计数值整定，才能保证系统的平 衡。通过典型支管温度的反馈来控制安装于热水集水器前部阀门的开闭，来控制整套 系统的温度，达到简单控制。 1.5.2 热水集水器支管温控器及热电执行器热水集水器支管温控器及热电执行器 通过每个功能性的支管温控器，分别控制安装于热水集水器上的执行器，将各环 路水流开启或关闭，分别控制支管温度，达到基本控制。热电执行器与支管温控器与 热水集水器的组合应用实现自动控温10。 热电执行器是一种可以通过电信号控制阀门 开闭的一种执行结构，它安装于热水集水器的每个回路上，用于控制每个回路的热水 流量。 1.6 热电执行器及温控阀热电执行器及温控阀 支管温控器安装在每个房间内，原则上每个支管温控器对应一个热电执行器。支 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 综述 4 管温控器与热电执行器之间用电缆连接， 这样支管温控器在感知支管温度偏离设定温 度时，会启动热电执行器，逐渐打开或关闭相应的地暖回路，达到控制室温的目的。 整个控制过程是自动的，并且是动态的，不需要人的干预，而且控制精度高。用户只 需要在支管温控器上。设定好自己所需的温度，剩下的都由系统自动完成。一般热水 集水器只需要在热水集水器的每个回路上外接温控阀，并配热电执行器，能达到对每 个回路的自动温控。另一种是内置温控阀芯的热水集水器，只需要在热水集水器的内 置阀芯上安装热电执行器即可。 当然有些带手动调节旋钮的热水集水器上可以用热电 执行器替代手动调节旋钮。组合应用温控器、热电执行器、热水集水器，节能 25% 左右。 变速型水泵： 可以根据系统压差变化， 改变流量， 满足系统负荷。 远传型温控阀： 安装在二次水供水端的远端浸润式传感器控制阀门的开度。 该感温头经过特殊的工艺 处理，感受 30- 50的温度（可调） ，方便地实现了对用户环路水温的实时控制。根据 阀头上的刻度随时调整二次水的供水温度。 1.7 热水集水器结构和功能及自动化热水集水器结构和功能及自动化 热水集水器结构：配有 FLMR 系列流量计的输水热水集水器，822MM 系列回水 热水集水器，两个 210 系列截流球阀，两个 823MP 系列热水集水器端头配以 238 系 列排水阀，MVD 系列排气阀和 TB 系列浸入式温度计。侧出水口接口中心距 50mm。 热水集水器功能：对于整个供暖系统，根据系统运行常态，对各支管到控制阀之 间的流量具有可靠的差异再调节功能11。 热水集水器自动化：为达到均匀采暖舒适性的要求，每个环路应当提供正常的热 量供给，因而流量数据的显示就很重要。新的 FLMR 热水集水器能提供一个有效的 解决方案，用它可以组装成出水接口数量任意的分配器。实际操作中，通常在每条供 水支路上安装配有设定装置的流量表。因此，不需要使用测量仪表，也不需要用解析 方法在图上确定设定位置，只需要进行开或关的操作直到流量计显示所要求的流量。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 综述 5 1.8 热水集水器维护热水集水器维护 1.8.1 热水集水器材料热水集水器材料 热水集水器的主材为铜、不锈钢或聚丙烯（PP- R） ，当用于连接 PP- R 管做加热 管时，铜质热水集水器必须镀镍。热水集水器的内外表面应光滑，不允许出现任何影 响性能的缺陷。铜质热水集水器主管道为高压、连续、精密铸造型材，与主管的连接 件应符合国标 HP59- 1 热锻压铜件的标准12。如表面电镀的连接件色泽应均匀、镀层 牢固，不允许有脱镀的缺陷。 金属支路与主管的连接应采用 GB7306.1- 200055密封管螺纹第一部分：圆柱 内螺纹与圆锥外螺纹或 GB7306.2- 200055密封管螺纹第二部分：圆锥内螺纹与 圆锥外螺纹 连接密封， 亦可用厌氧胶密封粘接或钎焊连接。 连接部位应牢固、 密封、 清洁。 1.8.2 热水集水器密封性热水集水器密封性 热水集水器出厂时必须经过打压试验，以检验其耐压性，分路连接件与主管间连 接的密封可靠性，以及调节阀的密闭性。保证热水集水器的质量，是先决条件。热水 集水器作为系统的设备，起着热水分流的作用，是一个热量调配枢纽，其质量的优劣 对整个系统稳定运行，使系统达到设计要求至关重要。优质智能化热水集水器能保证 了操作简单，免于维修的优点。伪劣热水集水器会损害系统整体运行，损害系统压力 流量平衡，增加系统运行阻力，无法取得满意的效果，给化工生产带来诸多烦恼，甚 至因为劣质热水集水器的跑、冒、滴、漏，给工厂带来损失。 1.9 热水集水器标准及技术要求热水集水器标准及技术要求 1.9.1 热水集水器的设计标准和技术要求热水集水器的设计标准和技术要求 热水集水器的设计必须严格按照 GA 868- 2010热水集水器和集水器的标准。 压力容器有非常大的安全隐患，如果不严格按照国家相关行业标准制作，会给用 户带来不可弥补的灾难。所以需要严格根按照 GB15089钢制压力容器制造、 试验和验收同时接受中华人民共和国劳动部颁发的压力容器安全技术监察规程的 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 综述 6 监督。使用电弧焊的方式焊接，采用 ER50- 6 的焊条，要求全焊透。压力容器设计制 作完成后要通过水压测试、无损探伤等方式的检测。 1.9.2 热水集水器的技术要求及实物图热水集水器的技术要求及实物图 压力容器有非常大的安全隐患，如果不严格按照国家相关行业标准制作，会给用 户带来不可弥补的灾难。所以需要严格根按照 GB15089钢制压力容器制造、 试验和验收同时接受中华人民共和国劳动部颁发的压力容器安全技术监察规程的 监督。使用电弧焊的方式焊接，采用 ER50- 6 的焊条，要求全焊透。压力容器设计制 作完成后要通过水压测试、无损探伤等方式的检测。 热水集水器实物图如图 1.1 和图 1.2。 图 1 接管单边型热水集水器 图 2 接管双边型热水集水器 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 管材介绍 7 第二章 管材介绍 2.1 管道的介绍管道的介绍 2.1.1 管道的材质和分类管道的材质和分类 一般管网是由管道、管件、阀门、设备等组成。管道的材质是根据设计图纸的要 求选用，常用的管道材质有金属管道、非金属管道和复合管道等13。常用的金属金属 管道管道有钢管、有色金属管、铸铁管以及不锈钢管等。钢管具有强度高，承受压力 大，抗振性能好，质量轻，内外表面光滑，容易加工和安装等优点，但其耐腐蚀性差， 对水质有影响，价格较高。钢管分焊接钢管和无缝钢管。焊接钢管用于输送低压水、 煤气、空气、油和蒸汽等。按其表面是否镀锌可分为镀锌钢管和非镀锌钢管。无缝钢 管具有承受高温和高压的能力，用于输送高压蒸汽、高温热水、易燃易爆及高压流体 等介质。铜管质量轻，经久耐用，具有良好的杀菌功能，可以对水体进行净化。主要 用于输送饮用水、热水、民用天然气等。铸铁管分为给水铸铁管和排水铸铁管。给水 铸铁管具有较高的承压能力及耐腐蚀性，使用期长，价格较低，质脆，管壁较薄，承 口深度较小，施工不方便，但能耐腐蚀，适用于支管生活污水、雨水等管道。 常用的非金属管道有混凝土类管、塑料管（PVC 聚氯乙烯管、UPVC 硬聚氯乙烯 管、PE 聚乙烯管、ABS 工程塑料管）等。常用的复合管道有铝塑复合管和钢塑复合 管。复合管除具有塑料管的优点外，还具有耐压轻度高，耐热，可挠曲，接口少，施 工方便，美观等优点，多用作支管采暖、生活给水系统的户内管。 2.2 管件的种类及连接方式管件的种类及连接方式 管件包括弯头（90 度弯头和 45 度弯头） 、三通（异径三通或等径三通） 、变经管、 管接头、法兰等14。管件的材质必须按施工图纸的要求与管道相匹配或进行转换。金 属管道常用的管件按照制作方法分为压制管件、弯制管件、焊接管件。 2.2.1 金属管道的连接金属管道的连接 钢管常用的连接方式有焊接、沟槽连接、螺纹连接和法兰连接。镀锌钢管为了不 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 管材介绍 8 破坏其管子表面的镀层宜采用螺纹连接接口，密封常用麻丝、铅油和聚四氟乙烯密封 带（熟称生胶带）作为螺纹连接的密封填料15。铸铁管道的连接方式有承插连接和法 兰连接。承插连接接口的密封方式有油麻石棉水泥接口、橡胶圈石棉水泥砂浆接口、 油麻青铅接口和自应力水泥砂浆接口做连接密封。 2.2.2 非金属管道的连接非金属管道的连接 非金属管道分为混凝土类管道和塑料管道 混凝土管常采用承插连接，接口主要有承插式接口、抹带式接口和套环式接口三 种。承插式接口的密封有水泥砂浆及油麻沥青胶砂等。抹带式接口最常见的是水泥砂 浆抹带和铅丝网水泥砂浆抹带。套环式接口一般用于较重要的工程，钢筋混凝土管可 用套环式接口，套环材料与管材相同，套环的内径比管道的外径大约 2530mm，在 接口空隙间打入石棉水泥或油麻石棉水泥也可以用水泥砂浆填塞密封。 塑料管的连接按施工图纸的技术要求可采用粘接剂粘接、 热熔连接或电熔连接。 铝塑复合管和钢塑复合管一般采用专用管件扩口连接。 2.3 管道附件及施工前准备管道附件及施工前准备 2.3.1 管道附件分为配水附件和控制附件管道附件分为配水附件和控制附件 管道工程中的附件是指在管道及设备上的用以启闭和调节分配介质流量压力的 装置。有配水附件和控制附件两大类。 配水附件用以调节和分配水量，一般指各种冷、热水龙头。 控制附件用以启闭管路、调节水量和水压，一般指各种阀门。 常用的阀门有： 闸阀、截止阀、止回阀、球阀、旋塞阀、减压阀、安全阀和疏水阀等。 2.3.2 管道施工前的准备管道施工前的准备 这里所讲述的管道施工前准备主要是指与管道施工预算有关的管道施工前工序， 这些工序依据主要是施工图纸的技术要求和国家现行的各种与管道施工有关的施工 验收规范。管道施工前的准备工序概括起来有如下几个方面： 表面清理。例如清理管道表面污垢、除锈处理、脱脂、酸洗、钝化处理、预膜以 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 管材介绍 9 及埋地管道的绝热、防腐处理等。 小规格管道的弯管制作、套管制作管支吊架的制作等等。焊接管道的坡口加工、 沟槽连接的滚槽、开孔等等。对于比较重要的管道，设计图纸还会要求施工前进行打 压实验用以保证管道的运行安全。 根据图纸进行施工预算时应仔细阅读图纸的技术要求或施工要求， 力求作到不漏 项。 地暖主要由燃气壁挂炉、地暖管、热水集水器、温控器等组成，其中，热水集水 器是非常重要的一部分， 其使用寿命和产品质量决定了地暖系统的最终使用寿命和使 用效果。 2.4 管道的分类与分级管道的分类与分级 2.4.1 管道分类管道分类 管道按照介质的压力进行分类，如表 2.1。 表 2.1 介质压力表 分 类 名 称 设计压力 P （Mpa） 1、真空管道 P 0 2、低压管道 0 P 1.6 3、中压管道 1.6 P 10.0 4、高压管道 10.0 P 42.0 管道在介质压力的作用下，必须满足具有足够的机械强度和密封性能。管网所使 用的管道和管道附件以及连接的方式都必须在介质压力的作用下安全可靠且严密不 漏。施工单位必须严格按照设计图纸的要求合理施工，不能随意改变施工图纸对管道 材质的设计要求，同时也不能修改施工图纸规定的连接方法和密封材料。 管道按照介质的温度进行分类，如表 2.2。 表 2.2 介质温度表 分 类 名 称 介 质 温 度 T （） 1、低温管道 T - 40 2、常压管道 - 40 T 120 3、中温管道 121 T 450 4、高温管道 450 T 管道在介质温度的作用下应该具有稳定可靠的耐热性， 对于同时承受介质温度和 压力的管道应该在耐热和耐压两个方面满足管网运行的要求。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 管材介绍 10 管道在介质温度和环境温度的相互作用下，将产生热变形，使管道承受热应力的 作用。所以输送热介质的管道应设有温度补偿器，以便减少管道的应力。在安装工程 中常用的采暖管道属于此类16。 为了减少介质在输送过程中的温度损失，输送冷介质（如空调系统的冷媒管道） 和热介质的管道，应按施工图纸的设计要求进行绝热保温施工。 2.4.2 管道的分级管道的分级 管道的分级是依据管网输送介质的最高操作压力和最高操作温度两个参数来决 定管道的级别。 管道的分级如表 2.3。 表 2.3 管道分级表 级 别 操作压力（Mpa） 操作温度（） 6.4 450 - 140 - 45 4 6.4 350 450 - 45 - 30 1.6 4 200 350 - 30 - 20 1.6 20 200 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 制造材料介绍 11 第三章 制造材料介绍 3.1 Q345R 的介绍的介绍 Q345R 是钢材中的一大类为容器中板。牌号表示为：Q345R 16MnG 16MnR。 在 2008 年 9 月 1 日推行的GB 713- 2008 锅炉和压力容器用钢板的分类中， 16Mng 和 19Mng、16MnR 统称为 Q345R17。锅炉压力容器常用的 Q345R 是普通低 合金钢,， 交付状态分： 热轧或正火， 系属低合金钢。 性能参数与 Q345(16Mn)的(16mm 钢板的屈服强度不小于 345Mpa)性能比较相近，抗拉强度在 510 到 640 左右，伸长率 不小于 21 个百分点，零度 V 型冲击功不小于 34J。Q345R 在制作生产中参考标准 GB713- 2008。 Q345R 钢板广泛应用于屈服强度为 265- 345MPa 级的压力容器的中， 它拥有良好 的综合工艺性能和力学性能18。 磷、 硫含量较差于低合金高强度钢板 Q345(16Mn)钢， 除延伸率、抗拉强度比 Q345(16Mn)钢效果好外，还要求有较好的冲击韧性。在我国 目前压力容器专用钢板中它的用途最为广泛，其用量也为最大。Q345R 的力学性能 如表 3.1。 表 3.1 Q345R 的力学性能 钢板公称厚 度/mm 抗拉强度 R/(N/) 屈服强度 R/(N/) 伸长率 A/% 温度 / 冲击吸收能 量 KV2/J 180弯曲试验 弯曲 直径（b35mm） 3- 16 510- 640 345 21 0 34 d=2a 16- 36 500- 630 325 21 0 34 d=3a 36- 60 490- 620 315 21 0 34 d=3a 60- 100 490- 620 305 20 0 34 d=3a 100- 150 480- 610 285 20 0 34 d=3a 150- 200 470- 600 265 20 0 34 d=3a 3.2 16Mn 的介绍的介绍 16Mn 钢系属碳锰钢，含碳量为 0.16 个百分点左右，屈服点在 343MPa（强度级 别为 343MPa 级）19。由于 16Mn 钢含有的合金较少，所以其拥有良好的焊接性能， 焊接前通常不需要进行板材的预热。但由于 16Mn 钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以 在外界环境恶劣的条件下低温（如北方冬季露天作业、冷库正常制冷时修补等）或焊 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 制造材料介绍 12 接厚度很大且刚性强度也有所要求，为预防冷裂纹的产生，避免没有全焊透就需要进 行焊前预热。 具体需要焊前预热的温度和条件如下： 当板材厚度小于 16mm 时，如果环境温度低于- 10则需要预热到 100150， 否则不需要预热。 当板材厚度在16mm与24mm之间时， 如果环境温度低于- 5则需要预热到100 150，否则不需要预热。 当板材厚度在25mm与40mm之间时， 如果环境温度低于0则需要预热到100 150，否则不需要预热。 当板材厚度大于 40mm 时，都需要 100150的焊前预热20。 16Mn 钢是我国目前应用最为普遍的低合金钢，16MnR 和 16Mng 钢可用于设计 制造焊接结构。 3.3 Q235 的介绍的介绍 在压力容器设计制作中如要求罐体板材厚度在 8mm 以下时，由于碳钢优于低合 金高强度钢，所以最好优先考虑碳钢板（不适用于多层的容器）21。 在要求结构设计和刚度比较严格时，普通碳素钢优先考虑。在对罐体的强度设计 要求严格时， 应根据压力、 介质、 温度等使用限制， 依次选用 Q235B、 Q345R （16MnR） 、 20R（20g）等钢板。 Q235 应用于压力容器的设计制作时，还需要考虑板材厚度、外界环境的温度和 内部压强对其的影响。 当工作环境温度在 40时，不得用于高强度压力容器受压元件的设计制作； 当工作环境温度在 0到 40 （不包含 40） 时， 容器设计压力不得大于 1.6MPa。 用于容器壳体时，钢板厚度应小于 20mm，不得用于设计制作贮存高毒性或高危害性 介质的压力容器。 当工作环境温度在 40到 400（不包含 40和 400）时，容器设计压力不得 大于 2.5MPa。Q235C：用于容器壳体时，钢板厚度应小于 30mm。 Q235 的力学性能： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 制造材料介绍 13 其抗拉强度在 375b/MPa 到 500b/MPa 之间。 其 5（试棒的标距等于五倍直径）伸长率如下： 当钢材厚度或直径小于 16mm 时，其伸长率为 26 % 当钢材厚度或直径在 16mm 到 40mm 之间时，其伸长率为 25 /% 当钢材厚度或直径在 40mm 到 60mm 之间时，其伸长率为 24 % 当钢材厚度或直径在 60mm 到 100mm 之间时，其伸长率为 23 % 当钢材厚度或直径在 100mm 到 150mm 之间时，其伸长率为 22 % 当钢材厚度或直径大于 1500mm 时，其伸长率为 21% 3.4 20 号钢的介绍号钢的介绍 20 号钢是低碳优质碳素钢，冷挤压、脆硬钢。其拥有较好的焊接性并且刚度低， 可塑性和韧性也都很好22。抗拉强度在 253Mpa 和 500Mpa 之间，伸长率不小于二十 四个百分点。又因为其还有含一些微量元素所以更适合用于设计制作锅炉压力容容 器。但在设计制作与锅炉相关的压力容器时还要考虑其的抗拉伸、冲击和弯曲等物理 性能。 20 号钢许用应力： 20 号钢在 225下的许用应力：当厚度在 16mm 到 36mm 时许用应力为 111MPa 到 124MPa；当厚度在 6mm 到 16mm 时许用应力为 117MPa 到 131MPa。 温度在 100到 150时，其许用应力为 130 MPa，20 号钢锻件的许用应力为 108MPa。 20 号钢与 15 号钢的区别： 两种钢材都是低碳钢。从多个方面进行比较，20 号钢含碳量要比 15 号钢略高， 两者的金相组织都是铁素体和珠光体。在表现性能上 15 号钢的抗拉伸强度和冲击韧 性都没有 20 号钢的效果略好，在其他方面对比中两种钢材表现性能相差不大。两种 钢材都不需要淬火，热处理工艺都不是很复杂，一般把毛坯直接进行切削加工或锻造 正火，承担不是很重要的结构零件或部位，多用于连接处。本地钢材市场能提到 15 号钢，所以多数我们都使用 20 号钢来替换使用 15 号钢的位置。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 制造材料介绍 14 3.5 20G 无缝钢管的介绍无缝钢管的介绍 20G 无缝钢管是一种内部中空、 周边没有接缝的长条整体钢材23。 多被应用在生 产中输送各种流体。其重量计算方法为：外径与壁厚的差值乘上 0.02466 倍的壁厚， 其单位为 kg/米（每米的重量） 。 钢管的力学性能如下： 20 号钢的屈服点在 410s/mm 到 550s/mm 之间，断后伸长率大于 245s%，断 后收缩率大于 24/mm，其冲击功大于 39Akv/J。 16Mn 钢的屈服点在 490s/mm 到 670s/mm 之间，断后伸长率大于 320s%，断 后收缩率大于 21/mm，其冲击功大于 47Akv/J。 Q235 钢的屈服点在 235s/mm 左右，断后伸长率大于 375s%到 500s%之间，断 后收缩率大于 24/mm，其冲击功大小无处考证。 注：当牌号的壁厚大于 15mm40mm 时，屈服点可以降低 10Mpa。 3.6 高压锅炉钢管介绍高压锅炉钢管介绍 高压锅炉钢管：主要应用在设计制作高压或承受超高压力压力的蒸汽锅炉管道 中。在工作条件为持续性或间断性的高温、高压，在高温烟气和水蒸汽的作用下为避 免管材发生腐蚀或氧化，就要求钢管要有较高的持久强度和优秀的抗氧化、抗腐蚀能 力，并且其组织稳定性也必须符合国际标准24。可由 20G、20MnG、25MnG 等优质 碳素结构钢； 15MoG、 12CrMoG、 15CrMoG、 12Cr2MoG、 12CrMoVG、 12Cr3MoVSiTiB、 20MoG 等合金结构钢等钢材设计制作。 为保证高压锅炉管拥有化学成分和机械性能， 还要对其成品进行各种性能试验。钢管交货时进行热处理状态就可以25。此外，成品 钢管的显微组织、脱碳层和晶粒度也需要达到国家和用户双重标准（取条件更苛刻的 一方） 。 3.7 冲击功试验及效果冲击功试验及效果 按 GB/T 17505 中规定的方式进行冲击功试验 低温冲击功性能测试： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 制造材料介绍 15 取钢号为 20#和 16Mn 各两个在不同温度下进行纵向低温冲击功性能测试，效果 如下： 在试验温度为 20时，尺寸为 10mm10mm55mm 的 20#钢试件其冲击功大于 18Akv/J。 在试验温度为 20时，尺寸为 5mm10mm55mm 的 20#钢试件其冲击功大于 12Akv/J。 在试验温度为 40时，尺寸为 10mm10mm55mm 的 16Mn 钢试件其冲击功大 于 21Akv/J。 在试验温度为 40时， 尺寸为 5mm10mm55mm 的 16Mn 钢试件其冲击功大于 14Akv/J。 注： 外径不大于 57mm 且壁厚大于 14mm 时， 应该使用标准尺寸式样来进行冲击 试验，外径大于 49mm，且壁厚大于 8mm 时应该做宽度为 5mm 的小尺寸的冲击试样 试验。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 致谢 16 第四章 具体强度计算与应力校核 4.1 计算条件计算条件 表 4.1 计算条件 钢制卧式容器 计算条件 简图 设计压力 p 0.2 MPa 设计温度 t 80 筒体材料名称 Q345R 封头材料名称 Q345R 封头型式 平盖 筒体内直径 Di 500 mm 筒体长度 L 1500 mm 筒体名义厚度 n 6 mm 支座垫板名义厚度 rn 0 mm 筒体厚度附加量 C 1.3 mm 腐蚀裕量 C1 1 mm 筒体焊接接头系数 0.85 封头名义厚度 hn 12 mm 封头厚度附加量 Ch 1.3 mm 鞍座材料名称 Q235- B 鞍座宽度 b 150 mm 鞍座包角 120 支座形心至封头切线距离 A 300 mm 鞍座高度 H 800 mm 地震烈度 七(0.15g) 度 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 致谢 17 4.2 内压圆筒校核内压圆筒校核 表 4- 2 内压圆筒校核 内压圆筒校核 计算条件 筒体简图 计算压力 Pc 0.20 MPa 设计温度 t 80.00 C 内径 Di 500.00 mm 材料 Q345R ( 板材 ) 试验温度许用应力 189.00 MPa 设计温度许用应力 t 189.00 MPa 试验温度下屈服点 s 345.00 MPa 钢板负偏差 C1 0.30 mm 腐蚀裕量 C2 1.00 mm 焊接接头系数 0.85 厚度及重量计算 计算厚度 = P D P ci t c 2 = 0.31 mm 有效厚度 e =n - C1- C2= 4.70 mm 名义厚度 n = 6.00 mm 重量 112.30 Kg 压力试验时应力校核 压力试验类型 液压试验 试验压力值 PT = 1.25P t = 0.2500 MPa 压力试验允许通过 的应力水平 T T 0.90 s = 310.50 MPa 试验压力下 圆筒的应力 T = p D Tie e .() . + 2 = 15.79 MPa 校核条件 T T 校核结果 合格 压力及应力计算 最大允许工作压力 Pw= 2 e t ie ()D + = 2.99209 MPa 设计温度下计算应力 t = PD cie e ()+ 2 = 10.74 MPa t 160.65 MPa 校核条件 t t 结论 合格 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 致谢 18 4.3 左右封头、筒体、平盖厚度计算左右封头、筒体、平盖厚度计算 表 4-3 左右封头、筒体、平盖厚度计算 左右封头计算 计算所依据的标准 GB 150.3- 2011 计算条件 圆形平盖简图 计算压力 Pc 0.20 MPa 设计温度 t 80.00 C 计算直径 Dc 500.00 mm 平盖序号 5 材料名称 Q345R 材料类型 板