课程设计卧式储罐工艺设计

1、 1. 卧式储罐结构简介液氮低温储罐是广泛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须满足超低温的要求，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。设计温度为-20以下的压力容器被称为低温压力容器，对于低温压力容器首先要选用合适的材料，材料在使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。本储罐结构示意图见图1.1。 图1.1卧式储罐结构示意图表1.1

2、 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-235B3设计压力0.88MPa4设计温度内胆：-196外胆：室温5公称直径2200mm6公称容积20m37充装系数0.98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2200152705000880Cr18Ni9外筒23001694171361010Q235-B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。本储罐选择椭圆

3、形封头，其内胆封头与外胆封头尺寸见表1.3。表1.3 EHA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2200550405905.52291.5459外封头2300575406156.02331.7588储罐还有人孔、支座以及各种接管组成。接管主要设有排污管、安全阀、压力表、温度计、进料口和出料口等。 根据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PN=1.0MPa11D16202公称直径DN=50012D6703螺栓尺寸

4、M24×10013H12504螺母数量2014H21035螺栓数量2015A3656总质量147Kg16d247b12317b288b22818L2509B17519dw×s530×810d02420 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B,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31垫板弧长 26802公称直径 DN=2300 3允许载荷 Q=410Kg4鞍座高度 h=2505底板 l1=1660 b1=240

5、  1=146筋板 b2=2407筋板 l3=255 b3=290 3=148垫板 e=100 b4=500 4=109101112螺栓间距螺孔/孔长鞍座质量腹板 l2=1460 D/l=24/40 215Kg 2=14接管的材料为0Cr18Ni9，长度根据实际情况选择，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a500 530×8人孔b20 25×3.5压力表口c20 25×3.5温度计口d4045×4排空口e6576×6安全阀口f6576×6 液料进口g6576

6、5;6排污口h6576×6液料出口查HG/T 20592-2009钢制管法兰中表8.2.2-2 PN10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6576B185145188M16进料口6576B185145188M16 排污口6576B185145188M16安全阀口6576B185145188M16排空口4045B150110184M16压力表口2025B10575144M12温度计口2025B105

7、75144M12 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2.1材料焊接性分析本次课程设计的母材为0Cr18Ni9和Q235B，根据国家标准 钢铁产品牌号表示方法 （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使用最广泛，用于食品用设备，一般化工设备，原子能用工业设备。通俗的讲0Cr18Ni9不锈钢就是304不锈钢板。而Q235B碳素钢，含碳量适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好的配合，用途广泛。常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

8、件。2.1.1 内胆材料焊接性的分析1. 0Cr18Ni9材质性能分析根据焊接手册第二版材料的焊接查得母材化学成分见表2.1。表2.1 0Cr18Ni9的化学成分化学成分CSiMnSPCrNi含量（%）0.061.002.000.030.03517.019.08.011.0根据成分可知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；无热处理硬化现象，无磁性；单相奥氏体组织，无热处理硬化现象。0Cr18Ni9钢的力学性能见表2.2。 表2.2 0Cr18Ni9钢的力学性能抗拉强度 b (MPa)条件屈服强度0.2(MPa)断面收缩率()伸长率()硬度5

9、202056040 187HBS;90HRC;200HV 2.母材碳当量估测 根据化学成分进一步分析0Cr18Ni9是奥氏体不锈钢，故具有较高的变形能力并不可淬硬，没有冷裂纹缺陷，所以总的来说焊接性良好。当采用国际焊接学会碳当量估测公式计算时：+ =0.06+0.33+3.8+0.73 =4.92但是，为由于碳当量比较大，其焊接性也存在一些问题，如接头各种形式的腐蚀、焊接热裂纹、铁素体含量的控制及相脆化等。3. 奥氏体不锈钢的焊接特点(1）焊接接头的晶间腐蚀奥氏体不锈钢焊接件容易在焊接接头处发生晶间腐蚀，根据贫铬理论, 其原因是焊接时焊缝和热影响区在加热到450850温度范围停留一定时间的接头

10、部位，在晶界处析出高铬碳化物（Cr23C6），引起晶粒表层含铬量降低，形成贫铬区，在腐蚀介质的作用下，晶粒表层的贫铬区受到腐蚀而形成晶间腐蚀。这时被腐蚀的焊接接头表面无明显变化，受力时则会沿晶界断裂，几乎完全失去强度。为防止和减少焊接接头处的晶间腐蚀，采取的防止措施有：1)采用低碳或超低碳的焊材,如A002等，或采用含钛、铌等稳定化元素的焊条,如A137、A132等；2)由焊丝或焊条向焊缝熔入一定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 (铁素体一般控制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,加快冷却速度；4)对耐晶间腐蚀性能要求很高的焊件进行

11、焊后稳定化退火处理。(2）焊接热裂纹热裂纹产生的主要原因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%），所以焊接应力也大，加剧了热裂纹的产生。防止措施: 1)选用含碳量低的焊接材料，采用含适量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)尽量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）应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失

12、效形式,表现为无塑性变形的脆性破坏。应力腐蚀开裂采取的防止措施:1) 采取合适的焊接工艺，保证焊缝成形良好,不产生任何应力集中或点蚀的缺陷,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)消除应力处理:焊后热处理,如焊后完全退火或退火;在难以实施热处理时采用焊后锤击或喷丸等。(4）焊缝金属的低温脆化。对于奥氏体不锈钢焊接接头,在低温使用时,焊缝金属的塑韧性是关键问题。此时,焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。一般可以通过选用纯奥氏体焊材和调整焊接工艺获得单一的奥氏体焊缝的方法来防止焊缝金属的

13、低温催化。 (5）焊接接头的相脆化。焊件在经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的相,导致整个接头脆化,塑性和韧性显著下降。相的析出温度范围650-850。在高温加热过程中,相主要由铁素体转变而成。加热时间越长,相析出越多。防止措施:1)限制焊缝金属中的铁素体含量(小于15%)，采用超合金化焊接材料,即高镍焊材；2)采用小规范,以减小焊缝金属在高温下的停留时间；3)对已析出的相在条件允许时进行固溶处理,使相溶入奥氏体。2.1.2 外胆材料焊接性的分析1. Q235B材质性能分析根据焊接手册第二版材料的焊接查得母材化学化学成分见表2.3与力学性能见表2.4。 表2.3 Q235B的化学成

14、分化学成分CMnSiSP百分含量0.120.200.300.700.300.0450.045 表2.4 Q235B钢的力学性能 牌号拉力强度MPa屈服点MPa伸长率（%）Q235B37550023526 2.母材碳当量估测 采用国际焊接学会碳当量估测公式计算：+ =0.2+0.12 =0.32 Q235B中=0.32<0.4，焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向较小，其焊接性良好，焊前不需预热。 3. Q235B焊接性特点Q235钢是一种普通碳素结构钢，含碳量低，锰、硅含量又少，所以，通常情况下不会因焊接而引起严重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

15、好，焊接时，一般不需预热、层间温度后后热，焊后不必采用热处理改善组织，可以说，整个焊接过程中毋须特殊的工艺措施，其焊接性优良。但在少数的情况下，低碳钢的焊接性也会不好，焊接时出现困难。例如：（1） 采用旧冶炼方法生产的转炉钢，这种钢的含氮量高，其他的杂质也较多，从而冷脆性大，时效敏感性大，焊接接头质量低，表现为焊接性差。对于转炉钢要根据其冶炼方法不同而不同评价和不同对待。旧法冶炼的转炉钢不能用重要的焊接结构，如果应用于重要结构，则必须进行焊接性鉴定，其中特别注意冷脆敏感性、时效敏感性等的检测，以保证焊接结构质量，防止破坏性事故发生。 （2）沸腾钢脱氧不完全而含氧量较高，硫、磷等杂质的分布不均匀

16、，局部区域硫、磷含量大大超过平均含量，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向大。因此一般不宜用承受动载荷和严寒下的工作的重要焊接结构。（3）低碳钢母材成分不合格时，含碳量过高，含硫量过高，焊接时候可能出现裂纹。（4）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高会导致裂纹。（5）某些焊接方法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，会使焊接热影响区的粗晶粒过于粗大，降低焊接接头的质量。2.2焊材的消耗及耗时根据焊接手册第一版焊接方法与设备查得焊条消耗量按照以下公式计算： W=A××L×1/×1.2 W-焊条的消耗量(g) L-焊道长度

17、（cm） -密度（g/cm3） A-截面积（cm2） -熔敷效率1.原设计焊缝消耗质量计算（1）纵向焊缝消耗质量W1： 1）内胆纵向焊缝 A=×b=8×2=16mm2 ；L=4920mm；=7.9；=99% W11=A××L×1/×1.2 =0.16×7.9×492×1/0.99×1.2=753.80g 2）外胆纵向焊缝 A=×b=10×3=30mm2；L=D=6136mm；=7.8；=99% W12=A××L×1/×1.2 =0.30

18、×7.8×613.6×1/0.99×1.2=1740.49g W1=W11+W12=753.80+1740.49=2494.29g（2）环向焊缝消耗质量W2： 1）内胆环向焊缝 A=×b=8×2=16mm2 ；L=D=3.14×2200=6908mm；=7.9；=99% W21=A××L×1/×1.2 =0.16×7.9×690.8×1/0.99×1.2=1058.39g 2）外胆环向焊缝 A=×b=10×3=30mm2 ；L

19、=D=3.14×2300=7222mm；=7.8；=99% W22=A××L×1/×1.2 =0.30×7.8×722.2×1/0.99×1.2=2048.42g W2=3W21+3W22=3175.17+6145.27=9320.44g（3） 人孔焊缝消耗质量W3： A内=103.21mm2 ；A外=82mm2；L=D=3.14×530=1664.2mm；=7.9；=55% W31=A内××L×1/×1.2 =1.2049×7.9×1

20、66.42×1/0.55×1.2=2960.56g W32=A外××L×1/×1.2 =0.82×7.85×166.42×1/0.55×1.2=2337.26g W3=W31+W32=2960.56+2337.26=5297.82g（4） 补强圈焊缝消耗质量W4： A=18mm2；L=D=3.14×840=2637.6mm；=7.9；=55% W4=A××L×1/×1.2 =0.18×7.9×263.76×1/0.5

21、5×1.2=818.33g（5）接管焊缝消耗质量W5： 1）压力表口和温度计口焊缝 A内=55.45mm2 ；A外=82mm2；L=D=3.14×25=78.5mm；=7.85；=55% W内51=A内××L×1/×1.2 =0.5545×7.9×7.85×1/0.55×1.2=75.03g W外51=A外××L×1/×1.2 =0.82×7.85×7.85×1/0.55×1.2=107.56g 2）排空口焊缝 A内

22、=55.45mm2 ；A外=82mm2；L=D=3.14×45=141.3mm；=7.85；=55% W内52=A内××L×1/×1.2 =0.5545×7.9×14.13×1/0.55×1.2=135.05g W外52=A外××L×1/×1.2 =0.82×7.85×14.13×1/0.55×1.2=193.61g 3）安全阀口、排污口、液料进出口焊缝 A内=55.45mm2 ；A外=82mm2；L=D=3.14×

23、76=238.64mm；=7.85；=55% W内53= A内××L×1/×1.2 =0.5545×7.9×23.864×1/0.55×1.2=228.08g W外53=A外××L×1/×1.2 =0.82×7.85×23.864×1/0.55×1.2=326.98g W5=2W内51+ 2W外51+W内52+W外52+4W内53+ 4W外53=2914.08g （6）故所有焊缝消耗量总计为 W总=W1+ W2+W3+W4+W5=249

24、4.29+9320.44+5736.49+818.33+2914.08=20787.96g2. 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=2494.29g（2）环向焊缝消耗质量W2： W2=9320.44g（3）人孔焊缝消耗质量W3： A内=104.89mm2 ；A外=84.8mm2；L=D=3.14×530=1664.2mm；=7.9；=55% W31=A内××L×1/×1.2 =1.0489×7.9×166.42×1/0.55×1.2=3008.75g W32=A外

25、5;×L×1/×1.2 =0.848×7.85×166.42×1/0.55×1.2=2360.07g W3=W31+W32=3008.75+2360.07=5368.82g（4）补强圈焊缝消耗质量W4： W4=818.33g（5）接管焊缝消耗质量W5： 1）压力表口和温度计口焊缝 A内=56.23mm2 ；A外=84.8mm2；L=D=3.14×25=78.5mm；=7.85；=55% W内51=A内××L×1/×1.2 =0.5623×7.9×7.85&

26、#215;1/0.55×1.2=76.09g W外51=A外××L×1/×1.2 =0.848×7.85×7.85×1/0.55×1.2=111.32g 2）排空口焊缝 A内=56.23mm2 ；A外=84.8mm2；L=D=3.14×45=141.3mm；=7.85；=55% W内52=A内××L×1/×1.2 =0.5623×7.9×14.13×1/0.55×1.2=136.95g W外52=A外×&#

27、215;L×1/×1.2 =0.848×7.85×14.13×1/0.55×1.2=200.39g 3）安全阀口、排污口、液料进出口焊缝 A内=56.23mm2 ；A外=84.8mm2；L=D=3.14×76=238.64mm；=7.85；=55% W内53= A内××L×1/×1.2 =0.5623×7.9×23.864×1/0.55×1.2=231.29g W外53=A外××L×1/×1.2 =0.84

28、8×7.85×23.864×1/0.55×1.2=338.42g W5=2W内51+ 2W外51+W内52+W外52+4W内53+ 4W外53=2991g （6）故所有焊缝消耗量总计为 W总=W1+ W2+W3+W4+W5=2494.29+9320.44+5368.82+818.33+2991=20992.88g （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=×b=8×3=24mm2 ；L=4920mm；=7.9；=99% W11=A&

29、#215;×L×1/×1.2 =0.24×7.9×492×1/0.99×1.2=1130.71g 2）外胆纵向焊缝 A=×b=10×4=40mm2；L=D=6136mm；=7.8；=99% W12=A××L×1/×1.2 =0.40×7.8×613.6×1/0.99×1.2=2320.52g W1=W11+W12=1130.71+2320.52=3451.23g（2）环向焊缝消耗质量W2： 1）内胆环向焊缝 A=×b

30、=8×3=24mm2 ；L=D=3.14×2200=6908mm；=7.9；=99% W21=A××L×1/×1.2 =0.24×7.9×690.8×1/0.99×1.2=1587.58g 2）外胆环向焊缝 A=×b=10×3=40mm2 ；L=D=3.14×2300=7222mm；=7.8；=99% W22=A××L×1/×1.2 =0.40×7.8×722.2×1/0.99×1.2=

31、2731.23g W2=3W21+3W22=4762.74+8193.69=12956.43g（3）人孔焊缝消耗质量W3： A内=120.21mm2 ；A外=109mm2；L=D=3.14×530=1664.2mm；=7.9；=55% W31=A内××L×1/×1.2 =1.20421×7.9×166.42×1/0.55×1.2=3456.23g W32=A外××L×1/×1.2 =1.09×7.85×166.42×1/0.55

32、5;1.2=3106.85g W3=W31+W32=3456.23+3106.85=6563.08g（4）补强圈焊缝消耗质量W4： W4=818.33g（5）接管焊缝消耗质量W5： 1）压力表口和温度计口焊缝 A内=63.45mm2 ；A外=109mm2；L=D=3.14×25=78.5mm；=7.85；=55% W内51=A内××L×1/×1.2 =0.6345×7.9×7.85×1/0.55×1.2=85.85g W外51=A外××L×1/×1.2 =1.09&

33、#215;7.85×7.85×1/0.55×1.2=146.55g 2）排空口焊缝 A内=63.45mm2 ；A外=109mm2；L=D=3.14×45=141.3mm；=7.85；=55% W内52=A内××L×1/×1.2 =0.6345×7.9×14.13×1/0.55×1.2=265.47g W外52=A外××L×1/×1.2 =1.09×7.85×14.13×1/0.55×1.2=263

34、.79g 3）安全阀口、排污口、液料进出口焊缝 A内=63.45mm2 ；A外=109mm2；L=D=3.14×76=238.64mm；=7.85；=55% W内53= A内××L×1/×1.2 =0.6345×7.9×23.864×1/0.55×1.2=260.98g W外53=A外××L×1/×1.2 =1.09×7.85×23.864×1/0.55×1.2=445.51g W5=2W内51+ 2W外51+W内52+W外5

35、2+4W内53+ 4W外53=3820.02g （6）故所有焊缝消耗量总计为 W总=W1+ W2+W3+W4+W5=3451.23+12956.4+6563.08+818.33+3820.02=27609.09g （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，所需时间约为T1=2564.4/56.7=45.23min 外筒6136+3×7222=27802mm，所需时间约为T2=2780.2/50=55.60min（2）焊条电弧焊焊缝耗时： 1664.2+2637.6+4&#

36、215;78.5+2×141.3+8×238.64=6807.52mm 焊条电弧焊所需时间约为T3=680.752/30=22.69min（3）故所有焊缝总耗时为 T总=+T1 T2+T3=45.23+55.60+22.69=123.52min3. 卧式储罐焊接工艺设计3.1焊接方法的确定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、焊接设备和焊接成本等多方面因素的综合影响，决定采用手工电弧焊,埋弧自动焊及二者组合焊接。1.埋弧焊 （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

37、此电弧的溶深和焊丝溶敷效率都大大提高。（一般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，电弧上基本没有热的辐射散失,飞溅 也少，虽然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 熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高,焊缝成分稳定，机械性能比较好。 （3）劳动条件好 除了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点。2. 手工电弧焊 （1）设备简单，可用成本较低的交流或直流焊接电源。 （2）灵活方便，不需要辅助气体保护可用焊接各种位置、各种厚度和形状的焊件。 （3）应用范围广

38、，适用于大多数工业用的金属和合金的焊接。 （4）焊接质量主要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）对于0Cr18Ni9与0Cr18Ni9同种材料的焊接根据GB/T149571994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3.1 H0Cr21Ni10不锈钢焊丝化学成分化学成分CSiMnPSNiCr百分含量（%）0.060.061.002.500.300.209.0011.0019.5022.00表3.2 HJ260熔炼型焊剂成分组成成分SiO2CaF2CaOMgOAl2O3MnOFeOSP质量分数（%）293420254715181924241.00.070.07（2）对于Q235B与Q235B同种材料的焊接根据GB/T149571994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3.3 H0