液化石油氣臥式儲罐設計說明書

年4月19日液化石油氣臥式儲罐設計說明書文檔僅供參考專業(yè)設計課程任務書學院材料科學與工程專業(yè)材料成型及控制工程設計題目80m3液化石油氣臥式儲罐設計設計條件表序號項目數(shù)值單位備注1名稱液化石油氣臥式儲罐2用途儲存3最高工作壓力1.6MPa由介質溫度確定4工作溫度-19～50℃5公稱容積(Vg)80M36設計壓力1.77MPa7裝量系數(shù)(φV)0.98工作介質液化石油氣9材質Q345R臥式儲罐結構設計結構設計:董顯4625、劉玉琨4484二維結構與二維圖紙:倪貝拓4637水壓數(shù)值模擬:李高陽4479、張根紅606臥式儲罐焊接設計焊接工藝設計:楊嘉興4495、申永成4486工藝卡及焊接設計圖紙:魏啟迪4492工程預算:宋厚467780m3液化石油氣臥式儲罐設計摘要液化石油氣儲罐是盛裝液化石油氣的常見設備,由于該氣體具有易燃易爆的特點,因此在設計這種儲罐時,要注意安全與防火,和在制造、安裝等方面的特點。臥式儲罐結構設計是以應力分析為主要途徑,以材料力學為基礎,對容器的各個主要受壓部分進行設計。利用ANSYS軟件對進行靜力學應力、應變模擬分析,得出的應力作用下的較為精確詳盡的儲罐響應結果,直觀的再現(xiàn)了儲油罐在應力作用下的受力情況和薄弱環(huán)節(jié),從為儲罐的設計提供了可靠的依據(jù)。在焊接過程中,采用多層多道焊,選擇合理的焊接工藝措施,如控制焊接電流、電弧電壓,選擇材料、破口形式、焊絲焊劑、焊條等,不但能控制結構的焊接變形和應力,而且能保證焊縫的組織和性能,有效提高壓力容器的品質。另外,除第一層打底焊外,每層都要捶擊消除應力,每道焊縫都要清渣,防止夾渣,焊縫要圓滑過渡,防止應力集中。同時,在工程預算方面,從原材料花費、焊接相關花費、人工費幾個方面進行統(tǒng)計估算。關鍵詞:臥式儲罐,結構設計,模擬分析,焊接工藝,工程預算80m3LIQUEFIEDOILTANKSTRUCTUREDESIGNABSTRACTLiquefiedpetroleumgasstoragetankisholdingthecommonlyusedequipment,liquefiedpetroleumgas(LPG)duetothecharacteristicsofthegasisflammableandexplosive,sointhedesignofthetank,payattentiontothesafetyandfireprotection,andintheaspectofmanufacture,installation,etc.Horizontaltankstructuredesignisbasedonstressanalysisasthemainway,onthebasisofmechanicsofmaterials,todesignthemaincompressionportionofthecontainer.UsingANSYSsoftwaretothestress,strainsimulationstaticsanalysis,itisconcludedthatthestressundertheactionofresponseresultmoreaccurateanddetailedtank,intuitivereproducetheforceoftheoiltankundertheeffectofstressandtheweaklink,fromthedesignprovidesareliablebasisforstoragetank.Intheweldingprocess,theuseofmulti-layerwelding,multichannelselectingrationalweldingprocessmeasures,Suchascontrolweldingcurrent,arcvoltage,materialselection,crevasseform,fluxweldingwire,weldingwire,etc.,notonlycancontroltheweldingdeformationandstressofstructure,andcanguaranteeorganizationandpropertiesoftheweld,effectivelyimprovethequalityofthepressurevessel.Inaddition,inadditiontothefirstlayerofbackingwelding,eachlayertothumpofeliminatingstressandeverywayweldslagremoval,preventingslag,weldtosmooththetransition,preventstressconcentration.Atthesametime,intheaspectofengineeringbudget,fromrawmaterialscosts,weldingrelatedcostsandlaborstatisticalestimation.KEYWORDS:Horizontaltank,Structuredesign,Simulationanalysis,Weldingprocess,Projectbudg專業(yè)設計課程任務書 1摘要 2ABSTRACT 3第一章設計參數(shù)的選擇 61.1液化石油氣參數(shù)的確定 61.2設計溫度 61.3設計壓力 61.4設計儲量 71.5主要元件材料的選擇 81.5.1筒體材料的選擇 81.5.2鞍座材料的選擇 81.5.3地腳螺栓的材料選擇 8第二章容器的結構設計 92.1筒體和封頭的設計 92.1.1筒體設計 92.1.2封頭設計 92.3筒體厚度計算 102.4封頭厚度計算 10第三章零部件的確定 123.1開孔和選取法蘭分析 123.1.1人孔的設計 123.1.2接管和法蘭 133.1.3墊片 153.1.4螺栓(螺柱)的選擇 153.1.5液位計的設計 163.2鞍座選型和結構設計 173.2.1鞍座選型 173.2.2鞍座位置的確定 183.3開孔補強 193.3.1補強及補強方法判別 193.3.2開孔所需補強面積 203.3.3有效補強范圍 203.3.4有效補強面積 21第四章應力校核 234.1圓筒軸向彎矩計算 234.1.1圓筒中間截面上的軸向彎矩 234.1.2支座截面處的彎矩 244.2圓筒軸向應力計算并校核 254.2.1圓筒中間截面上的軸向應力 254.2.2由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力計算并校核 254.2.3圓筒軸向應力校核 264.3切向剪應力的計算及校核 264.4鞍座應力計算并校核 274.5地震引起的地腳螺栓應力 294.5.1傾覆力矩計算 294.5.2由傾覆力矩引起的地腳螺栓拉應力 304.5.3由地震引起的地腳螺栓剪應力 30第五章水壓數(shù)值模擬 315.1設定分析作業(yè)名和標題 315.1.1定義工作文件名 315.1.2定義工作標題 315.1.3更改工作文件儲存路徑 315.1.4定義分析類型 315.2實體建模 315.2.1生成橢圓封頭截面 315.2.2建立橢圓局部坐標系 315.2.3生成成容圓柱部分截面 315.2.4生成1/4罐體 325.2.5工作平面旋轉 325.2.6激活總體直角坐標系,映射幾何體 335.3網格劃分 335.3.1定義單元類型 335.3.2選擇單元體 335.3.3定義材料屬性 335.3.4切分容器罐模型 345.3.5自定義網格 345.4添加位置約束 355.4.1設計壓力為1.77MPA的模擬過程 355.4.2最高工作壓力為1.6MPA的模擬過程 365.5求解 375.6后處理查看變形圖 375.6.1設計壓力為1.77MPA的后處理模擬 375.6.2最高工作壓力為1.6MPA的后處理模擬 415.7結論 45第六章焊接工藝參數(shù)的選擇 466.1母材焊接性 466.2母材碳當量估測 46第七章焊接方法的選擇 477.1焊接方法的選擇 477.2焊接設備 477.2.1手弧焊機 477.2.2埋弧焊機 48第八章焊接材料選擇 508.1焊接材料選用原則 508.2焊條電弧焊焊接材料 518.3埋弧焊焊接材料選擇 518.3.1焊絲的選擇 518.3.2焊劑的選擇 52第九章焊接工藝參數(shù)的選擇 539.1埋弧焊工藝參數(shù)的選擇 539.1.1焊接電流 539.1.2電弧電壓 539.1.3焊接速度 539.1.4焊絲直徑與伸出長度 539.1.5其它 539.2焊條電弧焊焊接工藝參數(shù)選擇 549.2.1確定焊條直徑 549.2.2焊接電流的確定 549.2.3焊接電壓的確定 559.2.4焊接速度V的確定 559.2.5層數(shù)的確定 559.2.6焊鉗,焊接電纜的確定 56第十章焊接順序 5710.1焊縫位置及說明 5710.2焊接順序 58第十一章焊接工藝 5911.1鐵板彎曲成筒的焊接焊縫 5911.1.1工藝要求 5911.1.2工藝順序 5911.2筒體環(huán)向焊縫 6011.2.1工藝要求 6011.2.2工藝順序 6011.2.3焊接操作 6011.3法蘭與接管焊縫 6111.4筒體與接管焊縫 63第十二章焊材的消耗及造價 6512.1原材料花費 6512.2焊接相關花費 6512.3人工花費 6612.4工程預算表 66第十三章焊接工藝實施階段 6813.1焊前準備 6813.2成型 6813.2.1筒體成型(卷板) 6813.2.2封頭 6913.3焊后處理 7013.3.1檢驗 7013.3.2技術要求 7013.3.3焊后熱處理 7113.3.4涂裝 7113.3.5返修 71結論 72參考文獻 73謝辭 74

第一章設計參數(shù)的選擇1.1液化石油氣參數(shù)的確定液化石油氣的主要組成部分由于石油產地的不同,各地石油氣組成成分也不同。取產自新疆克拉瑪依油田的液化石油氣,其具體成分如下:表1.1液化石油氣組成成分組成成分異辛烷乙烷丙烷異丁烷正丁烷異戊烷正戊烷乙炔各成分百分比0.012.2547.323.4821.963.791.190.02對于設計溫度下各成分的飽和蒸氣壓力如表1.2:表1.2各溫度下各組分的飽和蒸氣壓力溫度,℃飽和蒸汽壓力,MPa異辛烷乙烷丙烷異丁烷正丁烷異戊烷正戊烷乙炔-2501.30.20.060.040.0250.0070-2001.380.270.0750.0480.030.0090002.3550.4660.1530.1020.0340.02402003.7210.8330.2940.2050.0760.058050071.7440.670.50.20.160.00111.2設計溫度根據(jù)本設計工藝要求,使用地點為天津市的室外,用途為液化石油氣儲配站工作溫度為-19~50℃,介質為易燃易爆的氣體。從表中我們能夠明顯看出,溫度從50℃降到-25℃時,各種成分的飽和蒸氣壓力下降的很厲害,能夠推斷,在低溫狀態(tài)下,由飽和蒸氣壓力引起的應力水平不會很高。由上述條件選擇危險溫度為設計溫度。為保證正常工作,對設計溫度留一定的富裕量。因此,取最高設計溫度t=50℃,最低設計溫度t=﹣25℃。根據(jù)儲罐所處環(huán)境,最高溫度為危險溫度,因此選t=50℃為設計溫度。1.3設計壓力該儲罐用于液化石油氣儲配供氣站,因此屬于常溫壓力儲存。工作壓力為相應溫度下的飽和蒸氣壓。因此,不需要設保溫層。根據(jù)道爾頓分壓定律,我們不難計算出各種溫度下液化石油氣中各種成分的飽和蒸氣分壓,如表1.3:表1.3各種成分在相應溫度下的飽和蒸氣分壓溫度,℃飽和蒸氣分壓,MPa異辛烷乙烷丙烷異丁烷正丁烷異戍烷正戍烷乙烯-2500.0290.09460.0140.00880.000950.0000830-2000.0310.1270.01760.01050.001140.0001090000.0530.22040.03590.02240.001290.00025602000.0840.3940.0690.0450.002880.00063050000.08250.15730.10980.007580.00190有上述分壓可計算再設計溫度t=50℃時,總的高和蒸汽壓力P==0.01%×0+2.25%×7+47.3%×1.744+23.48%×0.67+21.96%×0.5+3.79%×0.2+1.19%×0.16+0.02%×0.0011=1.25901MPa(1.1)因為:P異丁烷(0.2)<P液化氣(1.25901)<P丙烷(1.744)設計壓力為1.77MPa,最高工作壓力為1.6MPa。1.4設計儲量參考相關資料,石油液化氣密度一般為500-600Kg/m3,取石油液化氣的密度為510Kg/m3,盛裝液化石油氣體的壓力容器設計儲存量為:表1.4液化石油氣主要成分在50℃的密度Kg/m3溫度℃丙烷異丁烷正丁烷50446520542參考化工原理:(1.2)故設計存儲量為:W=?Vρt=0.9×80×510=36720t(1.3)1.5主要元件材料的選擇1.5.1筒體材料的選擇選用筒體材料為Q345R鞍座地腳螺栓均選用Q345R的材料1.5.2鞍座材料的選擇該臥式容器采用雙鞍座式支座,根據(jù)工作溫度為-19~50℃,按國家標準JB/T4712.1-選擇鞍座材料為Q345R,使用溫度為-20~250℃,許用應力為[σ]sa=185MPa。1.5.3地腳螺栓的材料選擇根據(jù)密封所需壓緊力大小計算螺栓載荷,選擇合適的螺柱材料。計算螺栓直徑與個數(shù),按螺紋和螺栓標準確定螺栓尺寸。選擇螺栓材料為Q345R。

第二章容器的結構設計2.1筒體和封頭的設計對于承受內壓,且設計壓力Pc=1.77MPa<4MPa的壓力容器,根據(jù)<化工工藝設計手冊>常見設備系列,采用臥式橢圓形封頭容器。2.1.1筒體設計查GB150-1998為了有效的提高筒體的剛性,一般取L/D=3~6,為方便設計,此處取L/D=4(2.1)(2.2)由(2.1)(2.2)連解得:D=3000mm2.1.2封頭設計查標準JB/T4746-<鋼制壓力容器用封頭>中表B.1EHA橢圓形封頭內表面積、容積得:表2.1EHA橢圓形封頭內表面積、容積公稱直徑DN/mm總深度H/mm內表面積A/容積/300079010.13293.8170圖2.1橢圓形封頭由2V+L/4=V=80(2.3)得L=11000mm則L/D=3.67>3(2.4)符合要求。則v計=v筒+2×v封=L/4+2×v封=87.63m3(2.5)根據(jù)介質的易燃易爆、有毒、有一定的腐蝕性等特性,存放溫度為-19~50℃,最高工作壓力等條件。根據(jù)GB150-表4.1,選用筒體材料為低合金鋼Q345R(鋼材標準為GB713)選用Q345R為筒體材料,適用于介質含有少量硫化物,具有一定腐蝕性,壁厚較大(≥8mm)的壓力容器。Q345R鋼板,根據(jù)GB150,初選厚度為6~20mm,最低沖擊試驗溫度為-20℃,熱軋?zhí)幚?[σ]=185Mpa;面焊接;鋼板負偏差由<化工設備機械基礎>表14.5查得:腐蝕裕量由GB150.1-4-查得:考慮容器運輸和安裝過程中的穩(wěn)定性,殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度:a)對碳素鋼、低合金鋼制容器,不小于3mm;b)對高合金鋼制容器,一般應不小于2mm。本筒體材料Q345R為碳素鋼,則壁厚附加量C=0.8+3=3.8mm。(2.6)2.3筒體厚度計算根據(jù)介質的易燃易爆、有毒、有一定的腐蝕性等特性,存放溫度為-20~48℃,最高工作壓力等條件。根據(jù)GB150-1998表4.1,選用筒體材料為低合金鋼Q345R,適用于介質含有少量硫化物,具有一定腐蝕性,壁厚較大(≥8mm)的壓力容器。根據(jù)GB150,初選厚度為6~25mm,最低沖擊試驗溫度為-20℃,熱軋?zhí)幚怼Ｓ蒅B150附錄B中的式(B.1)可知筒體的計算公式為:(2.7)(2.8)對Q345R,鋼板負偏差,可取名義厚度2.4封頭厚度計算根據(jù)GB150封頭厚度計算公式(5.1)可知:(2.9)(2.10)對Q345R,鋼板負偏差,為便于取材可取封頭名義厚度

第三章零部件的確定3.1開孔和選取法蘭分析液化石油氣儲罐應設置排污口,出液口,進液口,人孔,液位計口,溫度計口,壓力表口,安全閥口,排空口等。圖3.1液化石油氣儲罐結構圖3.1.1人孔的設計查<壓力容器與化工設備實用手冊>,因筒體長度11000mm>6000mm,需開兩個人孔,選回轉蓋帶頸平焊法蘭人孔。由使用地為室外,確定人孔的公稱直徑DN=500mm,以方便工作人員的進入檢修。配套法蘭與上面的法蘭類型相同,根據(jù)HG/T21518-回轉蓋帶頸平焊法蘭人孔,查表3.1,由PN=2.5MPa選用凹凸面的密封形式MFM,采用8.8級35CrMoA等長雙頭螺柱連接。其明細尺寸見表3.1:表3.1人孔尺寸表單位:mm密封面型式凹凸面MFMD7304330公稱壓力PN/MPa2.566048螺柱數(shù)量20公稱直徑DN500280A405螺母數(shù)量40123B200螺柱尺寸M33x2x170d506b44L300總質量302圖3.2回轉蓋帶頸平焊法蘭人孔3.1.2接管和法蘭根據(jù)設計壓力PN=1.77MPa,查HG/T20592-97<鋼制管法蘭>,選用PN=2.5MPa板式平焊鋼制管法蘭(PL),由介質特性和使用工況,查密封面型式的選用。選擇密封面型式為平面,壓力等級為1.0~4.0MPa,接管法蘭材料選用Q345R。根據(jù)各接管公稱通徑,查得各法蘭的尺寸如下表3.2:圖3.3板式平焊鋼制管法蘭表3.2接管及法蘭尺寸序號名稱公稱通徑DN鋼管外徑B連接尺寸法蘭厚度C法蘭高度H法蘭頸法內蘭徑B1坡口寬度b法蘭理論質量Kg法蘭外徑DD螺栓孔中心圓直徑K螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺栓通徑a液位計口3238140100188M161830603952.02b放氣管8089200160188M1624401189164.86c安全閥口8089200160188M164401189164.86d排污口8089200160188M1624401189164.86e液相出口8089200160188M1624401189164.86f液相回流管8089200160188M1624401189164.86g液相進口8089200160188M1624401189164.86h氣相管8089200160188M1624401189164.86i壓力表口202510575144M121626452641.03j溫度計口202510575144M121626452641.033.1.3墊片查HG/T20592-20635-<鋼制管法蘭、墊片、緊固件>,知板式平焊鋼制法蘭的尺寸,根據(jù)設計壓力為Pc=1.77MPa,采用金屬包覆墊片,選擇法蘭的密封面均采用平面密封。金屬材料為純鋁板L3,標準為GB/T3880,最高工作溫度200℃,最大硬度40HB。填充材料為非石棉纖維橡膠板,代號為NAS,最高工作溫度為290℃。得對應墊片尺寸如表3.3:圖3.4平面型墊片表3.3墊片尺寸符號管口名稱公稱直徑DN(mm)內徑D1(mm)外徑D2(mm)厚度δ(mm)a液位計口3261.5823b放氣管80109.51423c安全閥80109.51423d排污口80109.51423e液相出口80109.51423f液相回流管80109.51423g液相進口80109.51423h氣相管口80109.51423i壓力表2045.5613j溫度計2045.56133.1.4螺栓(螺柱)的選擇根據(jù)密封所需壓緊力大小計算螺栓載荷,選擇合適的螺柱材料。計算螺栓直徑與個數(shù),按螺紋和螺栓標準確定螺栓尺寸。選擇螺栓材料為Q345R。查HG/T20592-20635-200<鋼制管法蘭、墊片、緊固件>得螺柱的長度和平墊圈尺寸,如下表3.4:表3.4螺栓尺寸符號管口名稱公稱直徑(mm)螺紋螺柱長(mm)a液位計口32M1685b放氣管80M16100c安全閥80M16100d排污口80M16100e液相出口80M16100f液相回流管80M16100g液相進口80M16100h氣相管口80M16100i壓力表口20M1280j溫度計20M1280圖3.5雙頭螺柱圖3.6螺母3.1.5液位計的設計根據(jù)容器的工作溫度-19~50℃,設計壓力Pc=1.77MPa,介質密度,查<化工容器及設備設計簡明手冊>,玻璃管液面計適用工作工作壓力小于1.6MPa,并不滿足工作的需求,因此選用價格稍高的磁性液面計,根據(jù)測量范圍300~10000mm,工作壓力:(高壓型)<4.0MPa,介質溫度:(標準型)-20~150℃,介質密度,選擇了L5770T頂裝式的磁性液面計。根據(jù)法蘭標準和液面計的型號標準綜合考慮,選用公稱直徑為φ32的液面計,其接管法蘭也用公稱直徑為φ32的平面法蘭,其尺寸與壓力表連接法蘭一致。圖3.7磁性液面計3.2鞍座選型和結構設計3.2.1鞍座選型該臥式容器采用雙鞍座式支座,根據(jù)工作溫度為-19~50℃按JB/T4731-表5.1選擇鞍座材料為Q345R,許用應力為[σ]sa=185MPa。估算鞍座的負荷:計算儲罐總重量m=m1+2m2+m3+m4。其中:m1為筒體質量:對于Q345R普通碳素鋼,取ρ=7.85×103kg/m3∴m1=πDLδ×ρ=π×3×11×20×103×7.85×103=16268.34kg(3.1)m2為單個封頭的質量:查標準JB/T4746-<鋼制壓力容器用封頭>中標B.2EHA橢圓形封頭質量,可知m2=πDLδ×ρ=1564.1kg(3.2)m3為充液質量:ρ液化石油氣<ρ水故m3(max)=ρ水×V=1000×V=1000×80=80000kg(3.3)m4為附件質量:選取人孔后,查得人孔質量為331kg,其它接管質量總和估為400kg。綜上述:總質量m=m1+2m2+m3+m4=16268.34+2×1564.1+80000+331×2+400=100458.54kg。(3.4)∴每個鞍座承受的重量為G/2=mg/2=(100458.54×9.8)/2=492.25kN。(3.5)由此查JB4712.1-容器支座。選取輕型,焊制A,包角為120°,有墊板的鞍座.,筋板數(shù)為6。查JB4712.1-表得鞍座尺寸如表3.6,示意圖如下圖3.7:表3.6鞍座支座結構尺寸公稱直徑DN3000腹板δ210墊板b4660允許載荷Q/kN785筋板l3340δ412鞍座高度h250b2316e120底板l12180b3410螺栓間距l(xiāng)21940b1360δ310螺孔/孔長D/l28/60δ116弧長3490重量kg462圖3.8鞍座3.2.2鞍座位置的確定因為當外伸長度A=0.207L時,雙支座跨距中間截面的最大彎矩和支座截面處的彎矩絕對值相等,從而使上述兩截面上保持等強度,考慮到支座截面處除彎矩以外的其它載荷,面且支座截面處應力較為復雜,故常取支座處圓筒的彎矩略小于跨距中間圓筒的彎矩,一般取尺寸A不超過0.2L值,為此中國現(xiàn)行標準JB4731<鋼制臥式容器>規(guī)定A≤0.2L=0.2(L+2h),A最大不超過0.25L.否則由于容器外伸端的作用將使支座截面處的應力過大。由標準橢圓封頭(3.6)有h=H-Di/4=790-3000/4=40mm(3.7)故A≤0.2(L+2h)=0.2(11000+2×40)=2216mm(3.8)由于接管比較多,因此固定支座位于儲罐接管較多的左端。另外,由于封頭的抗彎剛度大于圓筒的抗彎剛度,故封頭對于圓筒的抗彎剛度具有局部的加強作用。若支座靠近封頭,則可充分利用罐體封頭對支座處圓筒截面的加強作用。因此,JB4731還規(guī)定當滿足A≤0.2L時,最好使A≤0.5Rm(Rm=Ri+δn/2),即Rm=1500+20/2=1510mm。(3.9)A≤0.5Rm=0.5×1510=755mm,取A=755mm。(3.10)綜上述:A=755mm圖3.9鞍式支座臥式容器3.3開孔補強:3.3.1補強及補強方法判別強判別根據(jù)<化工設備設計>表知,允許不另行補強的最大接管外徑為,按HG/T21518-,選用回轉蓋帶頸平焊法蘭人孔,開孔外徑等于530mm,需另行考慮其補強。2.補強計算方法判別設:厚度附加量c=3mm開孔直徑d=di+2c=500+2×3=506mm(3.11),(3.12)滿足等面積法開孔補強計算的使用條件,故可采用等面積法進行開孔補強計算。3.3.2開孔所需補強面積1.筒體計算厚度(3.13)接管和筒體材料選用Q345R號鋼,接管厚度δnt=12mm,許用應力[δ]t=185MPa,筒體厚度δn=20mm,許用應力[δ]t=185MPa,故強度削弱系數(shù):(3.14)故取強度削弱系數(shù)。根據(jù)GB150-中,=506×14.42=7296.52mm2(3.15)3.3.3有效補強范圍1.有效寬度B的確定按GB150中有:B1=2d=2×506=1012mm(3.16)B2=d+2δn+2δnt=506+2×20+2×12=570mm(3.17)B=max(B1,B2)=1012mm(3.18)2.有效高度的確定(1)外側有效高度的確定根據(jù)GB150中式8.8,得:(3.19)(3.20)h1=max(h1’,h1”)=280mm(3.21)(2)內側有效高度的確定根據(jù)GB150-中式8.9,得:(3.22)h2"=0(3.23)(3.24)3.3.4有效補強面積根據(jù)GB150中式8.10~式8.13,分別計算如下:Ae=A1+A2+A3(3.25)1.筒體多余面積

(3.26)2.管的多余面積接管計算厚度:(3.27)(3.28)3.焊縫金屬截面積焊角取6.0mm(3.29)4.有效補強面積2因為,因此開孔需另行補強。(3.30)補強圈設計:根據(jù)JB/T4736-取補強圈外徑D’=840mm。因為B>D’,因此在有效補強范圍。補強圈內徑d’=530+10=540mm(3.31)補強圈厚度:(3.32)圓整取名義厚度為16mm。根據(jù)GB-150,JB/T4736-,補強圈焊接形式——D型,如圖3.9,尺寸如表3.7:D1=d0+(6～12)(3.33)圖3.10補強圈焊接形式表3.7補強圈補強接管公稱直徑DN/mm外徑D2/mm內徑D1/mm厚度()/mm重量/Kg5008405401641.5圖3.11開孔補強

第四章應力校核4.1圓筒軸向彎矩計算4.1.1圓筒中間截面上的軸向彎矩圓筒的平均半徑Ra=Di/2+δn/2=1510mm,座反力F=497kN根據(jù)JB/T4731-式(7.2)得:=(4.1)化簡得:M1=F(C1L-A)(4.2)其中C1=(4.3)Mi=F(C1L-A)=884.7kN·m(4.4)其中,剪力彎矩圖如下圖4.1所示(圓筒軸向最大彎矩位于圓筒中間截面或鞍座平面上):圖4.1容器載荷、支座反力、剪力及彎矩圖4.1.2支座截面處的彎矩根據(jù)JB/T4731-式(7.3)得:M2==(4.5)式中:C2=2(4.6)C3=0.05(4.7)M2==-217.72kN·m(4.8)4.2圓筒軸向應力計算并校核4.2.1圓筒中間截面上的軸向應力根據(jù)JBT4731-中的式(7.4)和(7.5)分別計算截面最高點和最低點應力:計算截面最高點(壓應力)σ1===56.49MPa(4.9)計算截面最低點(拉應力)σ2==76.26MPa(4.10)4.2.2由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力計算并校核鞍座平面上,由壓力及軸向彎矩引起的軸向應力,根據(jù)JBT4731-中的式(7.6)和(7.7),按下式計算:1.當圓筒在鞍座平面上或靠近鞍座處有加強圈或被封頭加強(即)時,軸向應力位于橫截面最高點處.取鞍座包角,查JBT4731-表7.1得,.則:鞍座橫截面最高點軸向應力(拉應力)σ3===68.62MPa(4.11)2.在橫截面最低點處的軸向應力鞍座很截面最低點處軸向應力(壓應力)σ4===64.13MPa(4.12)圖4.2支座處圓筒軸向應力位置4.2.3圓筒軸向應力校核根據(jù)JBT4731-中的式(4.3)可知:A==1.25×10-3(4.13)根據(jù)JBT4731-中的式(4.4)和查<過程設備設計>得,則B=EA=×2×105×1.25×10-3=166.67Mpa(4.14)壓應力不應超過[σ]tcr=min([σ]t,B)=min(0.8×166.67)=133.33MPa(4.15)在操作工況條件下,軸向拉應力不得超過材料在設計溫度下的許用應力φ[σ]t,壓應力不應超過軸向許用臨界應力[σ]cr和材料的[σ]t。φ[σ]t=0.9×185=166.5MPa(4.16)[σ]cr=B=133.33MPa(4.17)在水壓試驗條件下,軸向拉應力不得超過0.9φRel=0.9×0.9×185=149.85MPa(4.18)壓應力不應超過min{0.8Rel,B}=min{0.8×185,166.67}=149.85MPa(4.19)σ1,σ2＜[σ]t=166.67MPa合格(4.20)壓應力:|σ1|,|σ4|<[σ]tcr=133.33MPa合格(4.21)

σT<[σ]cr=133.33MPa合格(4.22)4.3切向剪應力的計算及校核因A≤0.5Rm,帶來的加強作用,根據(jù)包角θ=120°查JB/T4731-中表7.2得K3=0.88,K4=0.401,其最大剪應力位于2Δ=2(θ/2+β/20)的支座角點處。根據(jù)JB/T4731-中式(7.9)得τ=K3=0.88×=14.58MPa(4.23)圓筒的切應力不應超過設計溫度下的許用應力的0.8倍。即τ≤0.8[σ]t=0.8×185=148MPa合格(4.24)根據(jù)JB/T4731-中式(7.10)得圓筒被封頭加強()時,其最大剪應力τh=K4=0.401×=6.64MPa(4.25)根據(jù)JB/T4731-中式(7.12),由內壓引起的拉伸應力(K=1.0)σh===132.75MPa(4.26)τh+σh=6.64+132.75=139.39MP＜1.25[σ]t=231.25MPa合格(4.27)4.4鞍座應力計算并校核1.水平應力由包角θ=120°,查JB/T4731-表7.5可知,K9=0.204根據(jù)JB/T4731-中式(7.25)得水平分力Fs=K9F=0.204×497=101.39kN(4.28)2.腹板水平拉應力計算高度Hs=min(H,Ra/3)=min(250,)=250mm(4.29)鞍座腹板厚度b0=10mm鞍座實際寬度b4=430mm,鞍座墊片有效寬度b2=b+1.56=631mm,鞍座有效斷面平均應力,對于無墊板或者墊板不起加強作用的情況。根據(jù)JB/T4731-中式(7.26)得σ9===64.056MPa(4.30)3.應力校核對于Q345R鞍座材料的許用應力[σ]sa=185MPaσ9=64.056<[σ]sa=123.3MPa合格(4.31)4.板組合截面應力計算及校核圓筒中心線至基礎表面距離:(4.32)根據(jù)JB/T4731-中表7.6,地震強度為7度(0.1g)時,水平地震影響系數(shù)則軸向力(4.33)鋼底板對水泥基礎的靜摩擦系數(shù)則(4.34)筋板面積:A1=b2+δ3=316+10=326mm(4.35)腹板面積:(4.36)(4.37)(4.38)(4.39)則:(4.40)(4.41)(4.42)(4.43)(4.44)腹板與筋板組合截面斷面系數(shù):(4.41)(4.42)(4.43)(4.44)(4.45)(4.46)(4.47)(4.48)合格(4.49)(4.50)合格4.5地震引起的地腳螺栓應力4.5.1傾覆力矩計算(4.51)4.5.2由傾覆力矩引起的地腳螺栓拉應力根據(jù)下面方程計算(4.52)其中n為承受傾覆力矩的地腳螺栓個數(shù),;為筒體軸線兩側的螺栓間距;為每個地腳螺栓的橫截面面積,;則(4.53)取載荷系數(shù),,則(4.54)由于,因此強度符合要求。4.5.3由地震引起的地腳螺栓剪應力根據(jù)JB/T4731-第2節(jié)中式7-35計算(4.55)其中為承受剪應力的地腳螺栓個數(shù),;(4.56)則(4.57)(4.58)由于故符合強度要求。

第五章水壓數(shù)值模擬5.1設定分析作業(yè)名和標題5.1.1定義工作文件名執(zhí)行File-ChangJobname,定義文件名為tank。5.1.2定義工作標題執(zhí)行File-ChangeTitle,定義標題為TheTankModel。5.1.3更改工作文件儲存路徑執(zhí)行File-ChangDirector。5.1.4定義分析類型執(zhí)行MainMenu-Preferences。5.2實體建模5.2.1生成橢圓封頭截面生成4個關鍵點:執(zhí)行MainMenu-Preferences-Modeling-Create-Keypoint上-InActiveCS命令,輸入4個關鍵點坐標。將工作平面移動4.5個單位距離,執(zhí)行UnitityMenu-Workplain-OffsetWPbyIncrements命令。5.2.2建立橢圓局部坐標系創(chuàng)立橢圓線,拾取關鍵點連線,生成橢圓封頭截面。5.2.3生成成容圓柱部分截面執(zhí)行MainMenu-Preferences-Modeling-Create-Rectangle-ByDimensions命令.合并兩個界面上的重合關鍵點。5.2.4生成1/4罐體執(zhí)行MainMenu-Preferences-Modeling-Operate-Extrude-Areas-AboutAxis命令,拾取關鍵點,旋轉180度。生成結果如圖5.1。圖5.15.2.5工作平面旋轉將工作平面旋轉90度,工作平面與直角坐標系重合,創(chuàng)立空心圓柱體,執(zhí)行所有幾何體互分運算,打開體編號,刪除多余的體,生成結果如圖5.2。圖5.25.2.6激活總體直角坐標系,映射幾何體執(zhí)行MainMenu-Preferences-Modeling-Reflect-Volumes命令,拾取幾何體,分別沿X-Zplane、X-Yplane旋轉,合并幾何體邊界上的重合關鍵點,生成結果如圖5.3。圖5.35.3網格劃分5.3.1定義單元類型5.3.2選擇單元體執(zhí)行MainMenu-Preprocessor-ElementType-Add彈出ElementType對框,選擇brick8node185單元體。5.3.3定義材料屬性執(zhí)行Mainmenu-Preprocessor-MaterialProps-Materialmodels,在Definematerialmodelbehavior對話框中,雙擊Structual-Linear-Elastic-Isotropic。依次單擊Structural-Linear-Elastic-Isotropic,展開材料屬性的樹形結構。打開材料的彈性模量EX和泊松比PRXY的定義對話框,在對話框的EX文本框中輸入彈性模量2.06e11,在PRXY文本框中輸入泊松比0.3。5.3.4切分容器罐模型MainMenu-Preferences-Modeling-Operate-Booleans-Divide-VolubyWorkPlabe命令,出現(xiàn)拾取框,單擊PickAll按鈕,完成切分,生成結果如圖5.4。圖5.45.3.5自定義網格執(zhí)行MainMenu-Preprocessor-meshing-MeshTool命令,打開MeshTool(網格工件)自定義網格形式,單擊Global域Set按鈕,打開選擇對話框,在GlobalElementSizes對話框中輸入0.1,單擊OK按鈕,回到工具欄,在Mesh工具欄中選擇Sweep選項,彈出VolumeSweeping拾取框,在對話框中選擇PickAll,ANSYS網格劃分結果如圖5.5。圖5.55.4添加位置約束本次模擬將針對壓力容器罐在設計壓力1.77MPA和最高工作壓力1.6MPA兩種載荷情況下進行分析。5.4.1設計壓力為1.77MPA的模擬過程1.設定分析類型設定分析類型為系統(tǒng)默認的穩(wěn)態(tài)分析。2.創(chuàng)立群組把容器罐內壁表面創(chuàng)立為一個群組。3.施加約束條件執(zhí)行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Displacement-onLines出現(xiàn)選擇對話框,選擇最下端的容器內部的四條線線,單擊OK按鈕出現(xiàn)ApplyU,ROTonLines對話框,在Lab2的選擇欄中選擇AllDOF按鈕,即約束三個方向上的自由度,單擊OK按鈕。4.施加載荷執(zhí)行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Pressure-OnAreas命令,彈出對話框,在VALUE對話框中輸入1.77E6,單擊OK按鈕。施加完成,載荷與約束后如圖5.6。圖5.65.4.2最高工作壓力為1.6MPA的模擬過程1.設定分析類型設定分析類型為系統(tǒng)默認的穩(wěn)態(tài)分析。2.創(chuàng)立群組把容器罐內壁表面創(chuàng)立為一個群組。3.施加約束條件執(zhí)行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Displacement-onLines出現(xiàn)選擇對話框,選擇最下端的容器內部的四條線線,單擊OK按鈕出現(xiàn)ApplyU,ROTonLines對話框,在Lab2的選擇欄中選擇AllDOF按鈕,即約束三個方向上的自由度,單擊OK按鈕。4.施加載荷執(zhí)行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Pressure-OnAreas命令,彈出對話框,在VALUE對話框中輸入1.77E6,單擊OK按鈕。施加完成,載荷與約束后如圖5.7。圖5.75.5求解執(zhí)行Mainmenu-Solution-Solve-CurrentLS,求解。5.6后處理查看變形圖5.6.1設計壓力為1.77MPA的后處理模擬1.查看容器罐變形情況執(zhí)行MainMenu-General-Postproc-PlotResults-DeformedShape對話框,選擇Def+undefedge,單擊OK,即輸出變形圖如圖5.8。圖5.8根據(jù)變形圖能夠得到最大位移DMX=0.0000162m從變形圖能夠看出,儲油罐發(fā)生橫向收縮,結果與預期的估計相一致,儲油罐能夠安全使用。2.查看容器罐位移云圖執(zhí)行MainMenu-General-Postproc-PlotResults-ContourPlot-NodaSolu命令,彈出選擇框,依次選擇NodaSolution-DOFsolution-Displacementvectorsum,單擊OK按鈕,位移云圖如圖5.9。圖5.93.查看Mises應力執(zhí)行MainMenu:GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-Nodal命令對話框,打開對話框依次選擇NodaSolution-Stress-vonMisesstress,然后單擊OK按鈕,生成結果如圖5.10。圖5.10根據(jù)應力圖能夠得到最大應力SMX=0.141×108pa=14.1Mpa最小應力SMN=1260.84pa=0.00126084Mpa最大變形DMX=0.0000162m從應力云圖能夠看出,在儲油罐接管處,由于存在結構不連續(xù),發(fā)生微小應力集中現(xiàn)象,結果與預期的估計相一致,儲油罐能夠安全使用。4.等比例顯示執(zhí)行UnitityMenu-PlotCctrs-Style-DisplacementScaling命令,彈出對話框,在框中選擇項中選擇1.0(truescale),然后單擊OK按鈕,生成的結果即正式的變形圖如圖5.11。圖5.115.查看三維立體圖從應用菜單中選擇UtilityMenu:PlotCtrls>Style>SymmetricExpansion>2DAxi–Symmetric命令,打開2DAxi-Symmetric對話框,分別選擇Allexpansion和Noexpansion,單擊OK按鈕,生成結果如圖5.12、圖5.13。圖5.12圖5.135.6.2最高工作壓力為1.6MPA的后處理模擬1.查看容器罐變形情況執(zhí)行MainMenu-General-Postproc-PlotResults-DeformedShape對話框,選擇Def+undefedge,單擊OK,即輸出變形圖如圖5.14。圖5.14根據(jù)變形圖能夠得到最大位移DMX=0.0000147m從變形圖能夠看出,儲油罐發(fā)生橫向收縮,結果與預期的估計相一致,儲油罐能夠安全使用。2.查看容器罐位移云圖執(zhí)行MainMenu-General-Postproc-PlotResults-ContourPlot-NodaSolu命令,彈出選擇框,依次選擇NodaSolution-DOFsolution-Displacementvectorsum,單擊OK按鈕,位移云圖如圖5.15。圖5.153.查看Mises應力執(zhí)行MainMenu:GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-Nodal命令對話框,打開對話框依次選擇NodaSolution-Stress-vonMisesstress,然后單擊OK按鈕,生成結果如圖5.16。圖5.16根據(jù)應力圖能夠得到最大應力SMX=0.127×108pa=12.7Mpa最小應力SMN=1139.69pa=0.00113969Mpa最大變形DMX=0.0000147m從應力云圖能夠看出,在儲油罐接管處,由于存在結構不連續(xù),發(fā)生微小應力集中現(xiàn)象,結果與預期的估計相一致,儲油罐能夠安全使用。4.等比例顯示執(zhí)行UnitityMenu-PlotCctrs-Style-DisplacementScaling命令,彈出對話框,在框中選擇項中選擇1.0(truescale),然后單擊OK按鈕,生成的結果即正式的變形圖如圖5.17。圖5.175.查看三維立體圖從應用菜單中選擇UtilityMenu:PlotCtrls>Style>SymmetricExpansion>2DAxi–Symmetric命令,打開2DAxi-Symmetric對話框,分別選擇Allexpansion和Noexpansion,單擊OK按鈕,生成結果如圖5.18、圖5.19。圖5.18圖5.195.7結論經過有限元對儲油罐進行了三維靜力學分析,理論計算結果與有限元分析結果基本一致,符合儲油罐的設計滿足安全要求。根據(jù)位移圖分析可得,最大位移為0.0162mm。根據(jù)應力圖分析可得,壓力容器罐在設計壓力1.77MPA和最高工作壓力1.6MPA兩種載荷情況下最大應力為14.1MPA和12.7MPA,壓力容器滿足強度,儲油罐能夠安全使用。

第六章焊接工藝參數(shù)的選擇6.1母材焊接性根據(jù)9月1日實施的<GB713-鍋爐和壓力容器用鋼板>Q345R是普通低合金鋼,是鍋爐壓力容器常見鋼材。交貨狀態(tài)分:熱軋或正火,屬低合金鋼,其塑性、焊接性及加工工藝性能良好,且質量穩(wěn)定,可用于-40℃以下寒冷地區(qū)的各種結構。性能與16Mn的(16mm鋼板的屈服強度大于345Mpa)性能相近,抗拉強度為(510-640)之間,伸長率大于21%,零度V型沖擊功大于34J。Q345R工藝參考標準GB713-。作為屈服強度為340MPa級的壓力容器專用板,它具有良好的綜合力學性能和工藝性能。磷、硫含量略低于低合金高強度鋼板16Mn鋼,除抗拉強度、延伸率要求比16Mn鋼有所提高外,還要求保證沖擊韌性。由于加入了少量合金元素,Q345R鋼的冷裂紋傾向較大,因此在較低溫度下或剛性大、壁厚結構的焊接時,需要考慮采取預熱措施,預防冷裂紋的產生。另外,由于加入的合金元素能細化晶粒,大大提高了鋼的韌性,鋼的綜合機械性能得到較大提高。當前,它是中國用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板。6.2母材碳當量估測碳當量=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%式中:C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu為鋼中該元素含量。隨著碳當量的增加,鋼材的焊接性會變差,一般當碳當量小于0.4%時,不需要預熱(板厚太大時也得預熱)。當碳當量值大于0.4%—0.6%時,冷裂紋的敏感性將增大,焊接時需要采取預熱。Q345R是C<0.2%的一種低合金鋼,查表得出化學成分表6.1Q345R化學成分元素CMnSiPSAlVNb含量0.21.0-1.60.550.0350.0350.0150.02-0.150.015-0.06即:Ceq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/15+Cr/5+Mo/5+V/5計算Ceq=0.49%,大于0.45%,可見Q345R鋼焊接性能不是很好,需要在焊接時制定嚴格的工藝措施。

第七章焊接方法的選擇7.1焊接方法的選擇手工電弧焊的優(yōu)點:焊接設備價格低,簡單;焊條品種齊全,能夠焊接多種不同的金屬,包括最常見的金屬和合金;在狹窄空問焊接的場合,采用手工電弧焊比較方便、實用;對于同樣的焊接設備,采用不同的電流設置,獲得滿足使用要求的焊縫;適合各種位置的焊接;與氣體保護焊相比,不易受到風的影響;對焊接金屬的最大厚度沒有限制;在大多數(shù)天氣情況下都能夠進行焊接。手工電弧焊的缺點:不適合焊接厚度小于1.5mm的薄板;負載率和總的熔敷效率一般比送絲焊接方法低,當焊條消耗完畢或需要更換焊條時,焊接過程也暫時中斷;并非整根焊條都能夠充分利用,焊鉗中被夾持的部分必須丟棄,一般要浪費25～50mm長度的焊條;頻繁地更換焊條也增加了焊接缺陷的產生。埋弧自動焊的優(yōu)點是:生產效率高。埋弧自動焊的生產率可比手工焊提高5～10倍。因為埋弧自動焊時焊絲上無藥皮,焊絲可很長,并能連續(xù)送進而無需更換焊條。故可采用大電流焊接(比手工焊大6～8倍),電弧熱量大,焊絲熔化快,熔深也大,焊接速度比手工焊快的多。板厚30毫米以下的自動焊可不開坡口,而且焊接變形小;焊劑層對焊縫金屬的保護好,因此焊縫質量好;節(jié)約鋼材和電能。鋼板厚度一般在30毫米以下時,埋弧自動焊可不開坡口,這就大大節(jié)省了鋼材,而且由于電弧被焊劑保護著,使電弧的熱得到充分利用,從而節(jié)省了電能;改進了勞動條件。除減少勞動量以外,由于自動焊看不到弧光,焊接過程中發(fā)出的氣體量少,這對保護焊工眼睛和身體健康是有益的。埋弧自動焊的缺點是適應能力差,只能在水平位置焊接長直焊縫或大直徑的環(huán)焊縫。綜合考慮,由于手工電弧焊設備簡單,操作方便適合全位焊接的特點,因而空間狹小、板較薄的部分手工電弧焊,而厚板接頭要增加熔深,提高生產率,采用埋弧焊。最終采用焊接方法為:手工電弧焊+埋弧焊。7.2焊接設備7.2.1手弧焊機手弧焊用的焊機是一臺額定電流500A以下的弧焊電源:交流變壓器或直流發(fā)電機;輔助設備有焊鉗、焊接電纜、面罩、敲渣錘、鋼絲刷和焊條保溫筒等。1.焊鉗焊鉗用以加持焊條進行焊接的工具,應安全、輕便、耐用,根據(jù)<焊接方法及設備>54頁,表3.2表7.1手工電焊機的型號型號型號型號額定電流(A)焊接電纜孔徑(mm)適用的焊條直徑(mm)重量(kg)外形尺寸(mm)G352300142-50.5250x80x40G582500184-80.7290x100x452.焊接電纜焊接電流應采用多股細銅線電纜,一般選用YHH型電焊橡皮套電纜或YHHR型電焊橡皮套特軟電纜。根據(jù)焊接方法及設備54頁,表3-3選擇。焊接電纜長度一般不超過20-30mm根據(jù)<焊接方法及設備>表3.3額定電流與相對應的銅芯電纜最大斷面積的關系表7.2額定電流與相對應的銅芯電纜最大斷面積的關系額定電流(A)100125160200250315400500630電纜斷面積(mm2)161625355070951201503.面罩面罩是為了防止焊接的飛濺、弧光及其它輻射對焊工面部及頸部損傷的一種遮蔽工具,有手持式和頭盔式。根據(jù)焊接方法及設備54頁,表3.4,選擇護目鏡片。表7.3焊工護目遮光鏡片選用表工種遮光鏡片號焊接電流<30>30-75>75-200>200-400電弧焊5-67-88-1011-12碳弧氣刨10-1112-14焊接輔助工3-47.2.2埋弧焊機埋弧焊機分為自動焊機和半自動焊機兩大類1．半自動埋弧焊機半自動埋弧焊機的主要功能(1)將焊絲經過軟管連續(xù)不斷地送入電弧區(qū)(2)傳輸電焊電流(3)控制焊接啟動和停止(4)向焊接區(qū)鋪施焊劑因此它主要由送絲機構、控制箱帶軟管的焊接手把及焊接電源組成。軟管式半自動埋弧焊兼有前述自動埋弧焊的有點及手工電弧焊的機動性。在難以實現(xiàn)的自動焊的工件上(例如中心線不規(guī)則的焊縫、短焊縫、施焊空間狹小的工件)可用這種焊機進行焊接。2自動埋弧焊機自動埋弧焊機的主要功能是(1)連續(xù)不斷地向焊接區(qū)送焊絲(2)傳輸焊接電流(3)使電弧沿接縫移動(4)控制電弧的主要參數(shù)(5)控制焊接的啟動與停止(6)向焊接區(qū)鋪施焊劑(7)焊接前調節(jié)焊絲端位置常見的自動埋弧焊機有等速送絲和變速送絲兩種。它們一般都由機頭、控制箱、導軌(或支架)以及焊接電源組成。等速送絲自動埋弧焊機采用電弧自身調節(jié)系統(tǒng)。變速送絲自動埋弧焊機采用電弧電壓自動調節(jié)系統(tǒng)。