焊接结构课程设计—压力容器讲解

1、课程设计用纸前 言 第 1 部分 储罐设计分析 2第1章储罐总体分析21.1储罐基本设计要求21.2 储罐材料21.储罐用钢板31.4配用锻件51.5配用螺栓、螺母5第2章储罐罐底设计62.1储罐罐底板尺寸62.2罐底结构7第3章罐壁结构设计103.1罐壁的排板与连接103.2罐壁厚度113.3罐壁加强圈12第4章罐顶结构设计13第 2 部分 储罐的焊接工艺分析14第5章压力容器的焊接接头145.1压力容器焊接接头的分类145.2圆筒形容器焊接接头的设计15第6章压力容器的焊接方法176.1熔化极氩弧焊17第I页课程设计用纸6.2 CO2 气体保护焊176.3 埋弧焊19第 7 章 压力容器的

2、焊接工艺21第 3 部分 储罐的组装与检验22第 8 章 储罐的安装施工顺序228.1 储罐底板的焊接顺序228.2 储罐壁板的焊接顺序228.3 储罐固定顶的焊接顺序23第 9 章 储罐焊缝的检验与修补249.1 焊缝检测249.2 焊缝修补25设计体会26参考文献27第 II 页课程设计用纸前言大型油气储罐是油气产品储存运输最方便、廉价的方式之一 储罐的形式可跟据盖顶的样式不同分为浮顶式储罐（包括气柜）和 固定顶式储罐（包括内浮顶式储罐） ，而固定顶式储罐又包括锥顶 式储罐和拱顶式储罐两种。 目前原油的储罐使用中浮顶式储罐在不 断减少，液化气储运主要是球罐和立式筒形低压储罐常用的几种灌顶形

3、式为双子午线网客机构拱顶、 辐射网壳结构拱顶、短程线网壳结构拱顶和梁柱支撑结构拱顶，见图 1本次课程设计主要讨论立式固定顶筒形钢制焊接储罐的施工 工艺。其中包括储罐的材料选择、加工工艺路线选择、相关组件形 式选择、机械加工装配、 施焊成型、焊后检测调试等相关生产内容。第页课程设计用纸第 1 部分 储罐设计分析第 1 章 储罐总体分析1.1 储罐基本设计要求 由石油化工立式筒形钢制焊接储罐设计规范 SH 3046-1992， 储罐的设计条件不得少于以下内容：（一）地震设防烈度、风载、雪载等气候条件及地质条件；（二）储罐的操作温度及操作压力（正负压） ；（三）介质的种类及密度；（四）腐蚀裕量；（五

4、）储罐的容积；（六）灌顶形式；（七）开口接管尺寸、形式、数量及法兰规格；（八）附件的安装位置。 对于固定顶式储罐，设计压力范围一般为 -490Pa6000Pa，设 计温度不超过 250 C，而最低设计温度应大于 -2C。1.2 储罐材料 储罐用钢的选择必须考虑到储罐的使用条件，材料的焊接性 能、加工制造工艺以及经济的合理性 .由液化石油气钢瓶国标 GB 5842-2006 一般规定钢瓶主体（指 筒体、封头等受压元件）材料，必须采用平炉、电炉或氧气转炉冶 炼的镇静钢，具有良好的冲压和焊接性能。材料必须有相关制造许第2页课程设计用纸 可证书和质量合格证书（原件） 。主体材料力学性能应符合国标 GB

5、 6654压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板的规定，主体材 料的屈强比 ReL Rm 不得大于 0.80。主体材料的化学成分应符合 下列范围：碳 C 不大于 0.18% 硅Si 不大于 0.10% 锰 Mn 0.701.50% 硫 S 不大于 0.020% 磷 P 不大于 0.025% 硫 S+磷 P 不大于 0.040% 根据上述要求并考虑储罐压力不是很大和制造成本的问题， 选 择 16MnR 钢代替焊接钢瓶专用钢板。它是一种普通低合金钢 ,是锅 炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。它的强度较高、塑 性韧性良好。常见交货状态为热轧或正火。属低合金高强度钢，含 Mn 量较低。性能与 20G

6、（412-540）近似，抗拉强度为（ 450-655） 稍强，伸长率为 19-21%，比 20G 的大于 24%差。它的主要化学成 分如表 1-1。表 1-1 16MnR 低合金结构钢的主要化学成分钢号化学成分（ %）CSiMnS 1. 储罐用钢板储罐用钢板的适用范围应符合表 1-2.第3页课程设计用纸表 1-2 钢板的适用范围序号钢号钢板标准适用范围机械性能检测项目许用温度（C）许用板厚（ mm ）1Q235-AFGB700-208 b s 5GB3274012GB700-20162Q235-AGB3274034 b s 5320RGB6654-2034 b s 5 Akv 冷弯GB1591

7、-2012 b s 5416MnGB3274-1020冷弯516MnRGB6654-2034 b s 5 Akv 冷弯16MnR 钢的屈服强度见表 1-3表 1-3 钢板的许用应力序号钢号板厚（mm）常温强度（MPa）非常温下许用应力bs901502002501Q23516375235157137130121第4页课程设计用纸216MnR6165103452301961831671725490325217183170157263649030520317316014738604702851901631501401.4 配用锻件储罐用锻件应符合 JB 755压力容器用锻件技术条件 的要求。 见表

8、1-4。表 1-4 锻件的许用应力序号钢号截面尺 寸（mm）常温强度非常温许用应力bs9015020025012010037021511911310495100/3003702951101049889216Mn45027515014713512931Gr18Ni9Ti1311311281211.5 配用螺栓、螺母螺栓、螺母的用钢标准及许用温度标准，见表 1-5表 1-5 螺栓螺母材料的许用温度序号钢号材料标准许用温度（ C）1Q235-AGB 700-20235GB 699-20335GrMoAGB 3077-100第5页课程设计用纸第 2 章 储罐罐底设计2.1 储罐罐底板尺寸 储罐罐底板尺

9、寸不包括腐蚀裕量的罐底中幅板的钢板规格厚 度应不小于一定尺寸，见表 2-1。表 2-1 螺栓螺母材料的许用温度储罐内径（mm）中幅板钢板规格厚度（ mm）碳素钢不锈钢D200064.5不包括腐蚀裕量的罐底边缘钢板规格厚度应不小于表 2-2 的规 定，其材质应与底圈罐壁相同。表 2-2 螺栓螺母材料的许用温度底圈罐壁板厚（mm）边缘板钢板规格厚度（ mm）碳素钢不锈钢66同底圈71066112087罐底边缘板沿罐半径方向的尺寸应不小于 700mm，对于软弱地基，边缘板的径向尺寸应适当加大第6页课程设计用纸2.2 罐底结构罐内径小于 12.5m 时，罐底宜采用条形排板，如图 4-1。图 2-1 条

10、形排板罐底罐内径大于或等于 12.5m时，罐底宜采用弓形边缘板， 如图 4-2图 2-3 弓形边缘板罐底罐底边缘板伸出罐壁外表面的宽度应不小于 50mm。 罐底板的焊接接头可采用搭接、对接或者搭接与对接组合，如第7页课程设计用纸图 2-4(a) 罐底板的搭接接头边缘板与罐壁相焊接的部分应做成平滑支撑面，如图 4-5图 2-5(a) 搭接罐底边缘板第8页课程设计用纸图 2-5(b)对接罐底边缘板三层底板重叠处，应将上层底板切角，如图 4-6.图 2-6 对接罐底边缘板罐底板任意两个相邻焊接接头之间的距离以及边缘板焊接接头距底圈罐壁焊缝的距离均不应小于 300mm。底圈罐壁板与边缘板之间的链接应采

11、用两侧连续角焊， 焊脚高度等于二者中较薄件的厚度，且不应大于 13mm。如图 2-7图 2-7 焊脚第9页课程设计用纸第 3 章 罐壁结构设计3.1 罐壁的排板与连接 上层壁板的厚度不得大于下层壁板的厚度， 相邻两层壁板的纵 向接头应相互错开，最小间距应大于下层壁板厚度的 5 倍，且不得 小于 100mm。罐壁纵向接头、环向接头均应采用全熔透的对接形式， 顶部包边角钢与最上一圈罐壁板之间可采用搭接接头连接。对于固定顶罐及内浮顶罐的罐壁上端， 应设的包边角钢的选用 最小尺寸见表 3-1。表 3-1 包边角钢最小尺寸储罐内径（ m）包边角钢最小尺寸（ mm）D55055D1063610D20758

12、206010012包边角钢自身的对接焊缝必须全焊透、全熔合，接头对接、搭 接均可。对于浮顶罐，角钢的水平肢必须向外，而固定顶罐不做严 格要求。如图 3-1图 3-1 包边角钢第 10 页课程设计用纸3.2 罐壁厚度罐壁设计厚度按下列公式计算，且取其中较大值。t1=0.0049+C1+C2（ 3.2-1）t2=4.9+C1（3.2-2）式中 t1 储存介质时的设计厚度（ mm）t2 储存水时的设计厚度（ mm） 储液密度（ kg/m3）H 罐高（ m ）D 储罐内径（ m ） t设计温度下罐壁钢板许用应力（ MPa） 常温下罐壁钢板许用应力（ MPa） 焊缝系数，一般取 0.9 罐壁的设计厚度应

13、向上圆整至钢板的规格厚度，且不小于 表 3-2 中的规定。表 3-2 罐壁最小壁厚储罐内经（m）钢板最小规格厚度（ mm）碳素钢不锈钢D165416D356535D608607512第 11 页课程设计用纸3.3 罐壁加强圈罐壁筒体的临界压力计算：2.5Pcr=16000 （ ）2.5 （3.3-1） HE=Hei （3.3-2）2.5Hei=hi（ ）2.5 （3.3-3）式中 Pcr罐壁筒体的临界压力（ Pa） HE罐壁筒体的当量高度（ m） tmin 顶层罐壁板的规格厚度（ mm） Hei第 i 圈罐壁板的当量高度（ m） hi第 i 圈罐壁板的实际高度（ m） ti 第 i 圈罐壁板的

14、规格厚度（ mm） 加强圈取数目：n=INT（P 0/Pcr）（3.3-4）设置加强圈后每段罐壁高度：Le=HE/（n+1）（3.3-5）加强圈的最小截面，见表 3-3.表 3-3 加强圈的最小截面尺寸储罐内径（ m）最小截面尺寸（ mm）D2010063820D36125808364820012512第 12 页课程设计用纸第 4 章 罐顶结构设计常用固定顶按其支柱可分为自支承拱顶、自支撑锥顶和柱支撑 锥顶，顶板的规格厚度（不包括腐蚀裕量）和支撑构件的规格厚度 不应小于 4.5mm，罐顶和罐壁连接处的有效面积应满足下式要求：2A0.001PD2/tan（4.1-1）式中 A 罐顶与罐壁连接处

15、的有效面积（ mm2）P罐顶的设计压力（ Pa）罐顶起始角。若选取的包边角钢不符合上式的要求应加大包边角钢的截面 尺寸，或在距离角钢 16 倍罐壁厚度范围内的罐壁上增加环形加强 构件，环形加强构件自身的拼接焊缝应全熔透。如图 4-1。图 4-1 罐顶与包边角钢连接处的有效面积罐顶板与包边角钢之间的连接应采用薄弱连接，外侧采用连 续焊，焊脚高度不应大于顶板厚度的 3/4，且不得大于 4mm，内侧 不得施焊。顶板本身的拼接可采用对接，若搭接厚度不可超过 5 倍 板厚，且不得小于 25mm，罐顶板外表面的搭接焊缝应采用连续焊。第 13 页课程设计用纸第 2 部分 储罐的焊接工艺分析第 5 章 压力容

16、器的焊接接头5.1 压力容器焊接接头的分类图 5-1 压力容器焊接接头的分类A 类接头：圆柱形壳体筒节的纵向对接接头，球形容器和凸形 封头瓜片之间的对接接头，球形容器的环向对接接头，与筒体封头 之间的对接接头，大直径焊接三通支管与母管相接的对接接头。B 类接头：圆柱形、锥形筒节之间的环向对接接头，接管与筒 节间及其与法兰相接的环向对接接头， 除球形封头外的各种凸形封 头与筒身相接的环形接头。C 类接头：法兰、平封头、端盖、管板与筒身、封头和接管相 连的角接接头， 内凹封头与筒身间的搭接接头以及多层包扎容器层 板间纵向接头等。D 类接头：接管、人孔圈、手孔盖、加强圈、法兰与筒身及封 第 14 页

17、课程设计用纸头相连接的 T 形或角接接头。E 类接头：包括吊耳、支撑、制作及各种内奸与筒身或封头相 接的角接接头。F 类接头：在筒身、封头、接管、法兰和管板表面上的堆焊接 头。5.2 圆筒形容器焊接接头的设计图 5-2 立式储油罐1) 圆筒形容器的纵向焊缝必须与母材等强度， 环向焊缝的工作应力只有纵向焊缝的一半，故对于环向焊缝的强度要求较低，可以采用较软的填充金属材料。各筒节之间的环向焊缝以及筒节和封头间的环向焊缝 一般都采用埋弧焊方法。2) 对于容器上的支管连接， 支管连接处开口后应力集中较大，对于大壁厚圆筒可采取贯穿型直接插入式，双面焊缝焊透为佳；也可以采取平置式安放支管，焊 缝单面焊透。

18、第 15 页课程设计用纸3）管板连接的焊接接头经常承受交变载荷。 在大多数焊接 时是把管子插入管板的孔中，从外面施焊。为了降 低焊缝的拘束度，在管板上加工一个环形沟槽。卫 士管接头与管板更紧密结合，在施焊前吧管子前段 向外扩张，焊后管子端部在进行一次扩张以消除残 余应力。4）由于工艺要求和检修方便， 石油化工的容器的筒体或封 头上会开设很多孔洞，会减弱纵向断面的强度，则 一般会对其进行补强。为提高材料的利用率，空可 以补强。孔补强措施有管补强（增加管子壁厚） 、基 体补强（基体材料壁厚全部增加） 、增设补强圈（外 加钢圈）和孔补强（孔周边材料基体壁厚增加） 。如 果不采取孔的补强措施，就必须增

19、加壁厚才能保证 生产要求。在工作温度超过300 C 或壁厚超过40mm的容器上不宜采用补强圈形式。 孔径在超过一 定尺寸时必须进行补强，否则无法保证其强度，且 此时增加壁厚效果不大。如果管过于密集而必须避 开 A 、B 两类接头时，则必须对开孔部位的焊缝作 探伤检测。壁厚大于 50mm 时，在焊接接管之前应 将开孔区焊缝作消应力处理。第 16 页课程设计用纸第 6 章 压力容器的焊接方法6.1 熔化极氩弧焊焊丝通过丝轮送进， 导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧， 使焊丝和母材熔化， 并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行 焊接。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

20、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 CO2 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 CO2 电弧焊高，生产效 率也低于 CO2 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。6.2 CO2 气体保护焊以二氧化

21、碳气为保护气体，进行焊接的方法。在应用方面操作第 17 页课程设计用纸简单，适合自动焊和全方位焊接。在焊接时不能有风，适合室内作 业,由于它成本低，二氧化碳气体易生产，广泛应用于各大小企业。 由于二氧化碳气体的 0 热物理性能的特殊影响， 使用常规焊接电源 时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，通常需要 采用短路和熔滴缩颈爆断，因此与 MIG 焊自由过渡相比，飞溅较 多。但如采用优质焊机，参数选择合适，可以得到很稳定的焊接过 程，使飞溅降低到最小的程度。由于所用保护气体价格低廉，采用 短路过渡时焊缝成形良好， 加上使用含脱氧剂的焊无内部缺的刘质 量焊接接头。 因此这种焊接方法目前已

22、成为黑色金属材料最重要焊 接方法之一。与其它焊接方法相比， CO2 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；（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。CO2气体保护焊的缺点和不足：（1）CO2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；第 18 页课程设计用纸（2）CO2焊熔滴过渡不如 MIG 焊稳定，飞溅量较大；（3）CO2焊产生很大的烟尘，操作环境不好。6.3 埋弧

23、焊利用在焊剂层下燃烧的电弧进行焊接的方法，如图6-1。在焊接过程中 ,焊剂熔化产生的液态熔渣覆盖电弧和熔化金属，起保护、 净化熔池、稳定电弧和渗入合金元素的作用。埋弧焊分为自动埋弧 焊和半自动埋弧焊两种。 前者应用较广泛 ,焊接电流可达 6002000 安，焊接效率很高。埋弧焊是一种适于大量生产的焊接方法，广泛 用于焊接各种碳钢、低合金钢和合金钢，也用于不锈钢和镍合金的 焊接和表面堆焊。为了提高焊接效率和扩大使用范围，埋弧焊的电 极可采用双丝、三丝、带极 （用于堆焊 ），还可在焊剂中添加金属粉 等。焊剂层下的电弧与焊件接口的对正和调整，可用工业电视观察 或用激光跟踪等方法探测。图 6-1 埋弧

24、焊第 19 页课程设计用纸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， CO2 焊需要焊前打底焊较麻烦而 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

25、 部加衬垫焊接，适合于大批量生产而且焊缝质量较好。第 20 页课程设计用纸第 7 章 压力容器的焊接工艺上、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，在钢瓶内部装上衬垫， 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 01mm，如图 7-1。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。图 7-1 瓶体焊坡口及衬垫焊前，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， 300350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

26、焊缝，地线连接 牢固。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。筒体开 V 形坡口，由于埋弧焊焊接板厚较厚，可只焊接一道。第 21 页课程设计用纸第 3 部分 储罐的组装与检验第 8 章 储罐的安装施工顺序 定顶立式圆筒形钢制焊接储罐的安装普遍采用倒装法施工 工艺，即在罐底铺设、 焊接之后，先组装焊接顶层壁板及包边角钢， 再组装焊接罐顶，然后自下而上依次组装焊接每层壁板，直至底层 壁板。8.1 储罐底板的焊接顺序边缘板对接焊缝中第一圈壁板底部 80mm 焊缝先焊接（供组 装用）中幅板短焊缝焊接第一圈壁板与

27、底板间环角焊缝焊接 边缘板其余对接焊缝焊接中幅板封闭焊缝焊接边缘板与中幅 板间龟甲焊缝焊接。相互平行的焊缝采用隔行焊接法，各焊条均采用从中间向两 端施焊，各焊缝均采用分段退焊法施焊，长焊缝由两名焊工同时施 焊，罐底角焊缝焊接，应由数对焊工从罐内外沿同一方向进行分段 焊接。8.2 储罐壁板的焊接顺序 壁板立缝焊接组对第一圈与第二圈壁板间的环缝组对 立缝焊接活口第一二圈间环缝焊接立缝焊接活口下一圈壁 板立缝焊接，依次类推。分段退焊法，立缝可分三段分段退焊，第一段至焊缝顶端预 留 150mm 暂不施焊，将环焊缝焊接后将其补焊完成。采用交叉焊接的方法，减小焊接角变形，先焊大坡口后焊小第 22 页课程设

28、计用纸坡口，为了控制变形应将大坡口填平后清根，再焊小坡口，小坡口 完成后再将大坡口盖面焊完。8.3 储罐固定顶的焊接顺序先焊短焊缝，后焊长焊缝；先焊内侧焊缝，后焊外侧焊缝， 径向的长焊缝宜采用隔缝对称施焊法，并由中心向外分段退焊；顶 板与包边角钢焊接时，焊工应对称均匀分布，并沿圆周同一方向分 段退焊。第 23 页课程设计用纸第 9 章 储罐焊缝的检验与修补9.1 焊缝检测1.外观检查： 检查前将熔渣、飞溅物清理干净，焊缝及热影响区不得有裂纹、气孔、夹渣或弧坑等缺陷； 焊缝表面质量标准缝合设计要求，见表 9-1。表 9-1 焊缝表面质量项目允许值 /mm对接焊缝咬边深度0.5连续长度焊缝两侧长10%L凹陷环向焊缝深度0.5长度10%L连续长度100纵向焊缝不允许壁板焊缝棱角121012256对接接头的错边量纵向焊缝101环向焊缝8（上圈壁板）1.58（上圈壁板）2/10 且 3第 24 页课程设计用纸 屈服点大于 390MPa 或厚度大于 25mm的低合金钢的地圈壁 板纵缝不得有咬边； 屈服点大于 390MPa 的钢板，表面焊疤应在磨平后进行渗透 探伤或磁粉检测，无裂纹为合格。2.无损检测9.2 焊缝修补 深度超过 0.5mm的划伤、电弧擦伤、焊疤等