450m3 氮气缓冲罐焊接工艺设计 毕业论文.doc
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1、目录目录 摘要 I 1.绪论 1 2.氮气缓冲罐结构设计 2 2.1 设计条件 .2 2.2 设计文件 .2 2.2.1 设计压力 .2 2.2.2 设计温度 .4 2.2.3 介质性质 .4 2.2.4 材料的选择 .5 2.2.5 焊接接头系数 .9 2.3 零部件的设计 11 2.3.1 筒体设计 11 2.3.2 封头的设计 13 2.3.3 开孔补强 14 2.3.4 法兰 15 2.3.5 人孔 17 2.3.6 支座 19 2.3.7 吊耳 21 2.4 设计小结 22 3氮气缓冲罐的制造工艺设计. .23 3.1 氮气缓冲罐制造工艺流程图 23 3.2 筒节的制造工艺 24 3
2、.2.1 备料 24 3.2.2 焊接坡口加工 24 3.2.3 筒节卷制成形 24 3.2.4 组焊纵缝 25 3.3 封头的制造工艺 25 3.3.1 备料 25 3.3.2 封头的压制成形 25 3.3.3 焊接破口的加工 26 2.3.4 组焊环缝 26 3.4 外观、无损检测 .26 3.5 水压试验 .27 3.6 表面处理、油漆包装 .27 4.焊接工艺部分 .28 4.1 的焊接性分析28 4.2 焊接工艺制定 .29 4.2.1 焊接方法的选择 29 4.2.2 焊接材料的选择 29 4.2.3 焊接工艺参数的确定 30 4.3 焊接工艺试验 .30 4.3.1 试验 30
3、4.3.2 试验结果分析 30 4.3.3 无损检验 30 总结 .31 参考文献 .32 致谢 .33 附录 1 附录 2 1 1 绪论绪论 随着全球经济一体化的发展和我国即将加入世界贸易组织,我国必须大力增加 化工储备资源,以减少国际动荡对我国经济的影响。 由于国家战略储备的需要,一些先进,高效的焊接设备和工艺的采用,我国将 发展各型缓冲罐,来增加安全性能。正是由于这些先进、高效的焊接设备和工艺的 采用,使氮气缓冲罐制造技术有了很大的提高和发展, 由于一些先进的焊接,高效的焊接设备和工艺的采用,使氮气缓冲罐焊接制造 技术有了较大的发展和提高,焊条电弧焊的比例逐渐减少,埋弧自动焊,氩弧焊,
4、二氧化碳气体保护焊 ,混合气体保护焊 ,等离子焊,真空电子束焊等先进技术以 大量应用。 我国氮气缓冲罐焊接技术的现状:传统的焊条电弧焊由于焊接施工投入人员多, 劳动强度大效率底,工期长等缺陷逐渐被机械化,自动化程度高的焊接方法代替。 特别在立式缓冲罐中应用二氧化碳气体保护自动立焊和埋弧自动横焊技术进行焊接 施工是一种先进的焊接技术 。近年来我国有研究出 NBC 逆变式焊接电源,进一步 提高弧焊特性。随着我国容焊用焊丝和焊剂生产工艺的改进,埋弧焊也越来越多的 应用于现场焊接施工中。 2.氮气缓冲罐结构设计 2.1 设计条件 。该容器用于室内;工作压力为:2MPa;工作温度为:常温;承装介质为:氮
5、 气;设计使用寿命 20 年。 2.2 设计文件 压力容器的设计文件包括强度计算、结构设计、施工图和零件图制作。必要时 还应包括安装、使用说明书、应力分析报告等。制造工艺设计的其主要内容包括: 筒体和封头、接管、法兰等零件的制作工艺流程;整体装配工艺;筒体和封头纵环 缝焊接工艺设计;接管与法兰焊接工艺设计;按管与筒体、封头焊接工艺设计。 2.2.1 设计压力 由设计条件可知氮气缓冲罐的工作压力 P0=2MPa,根据 P0、缓冲罐的类型及表 2.1 确定设计压力。根据使用条件,系统中装有安全阀,所以设计压力为: Pc=1.10P0=21.10=2.2MPa,最终设计压力取为 Pc=2.2Mpa。
6、 表 2.1 设计压力的选取1 类型设计压力 无安全泄放装置1.0-1.10 倍的工作压力 装有安全阀 不低于(等于或梢大于)安全阀开启压力 (安全阀开启压力取 1.05-1.10 倍工作压力) 装有爆破片取爆破片设计压力加制造范围上限 出口管线上装有安全阀 低于安全阀的开启压力加上流体从容器流 至安全阀处的压力降 容器位于泵进口侧,且无安全泄放 装置时 取无安全泄放装置时的设计压力,且以 0.1MPa 外压进行校核 容器位于泵出口侧。且无安全泄放 装置时 取下列 3 者取大值: 泵的正常入口压力加 1.2 倍泵的正常工 作扬程 泵的最大入口压力加泵的正常工作扬程 泵的正常人口压力加关闭扬程(
7、即泵出 口全关闭时的扬程) 内 压 容 器 容器位于压缩机进口侧,且无安全 泄放装置时 取无安全泄放装置时的设计压力,且以 0.1MPa,外压进行校核 表 21 续 容器位于压缩机出口侧,且无安全 泄放装置时 取压缩机出口压力 有安全泄放 装置 设计压力取 1.25 倍最大内外压力差或 0.1MPa 两者中的小值 真 空 无夹套真空容器 无安全泄放设计压力取 0.1MPa 装置 容器(真空)没计外压力按无夹套真空容器规定选取夹套内为内压的带 夹套真空容器夹套(内压)没计内压力按内压容器规定选取 容器(内压)没计内压力按内压容器规定选取 容 器 夹套内为真空的带 夹套真空容器夹套真空)设计外压力
8、按无夹套真空容器规定选取 一 般 设计外压力取不小于在正常工作情况下可 能产生的最大内外压力差 介质 50C 的饱和蒸气 压力低于异 丁烷 50C 的饱和蒸气 压力时(如丁 烷、丁烯、 丁二烯) 0.79Mpa 介质 50的 饱和蒸气压 力高于异丁 烷 50C 的 饱和蒸气压 力时(如液态 丙烷) 1.77Mpa 外 压 容 器 在规定的允装系数 范围内,常温下盛 装液化石油气或混 合液化石油气(指 丙烯与丙烷或丙烯、 丙烷与丁烯等的混 合物)的容器 介质 50C 的饱和蒸气 压力高于内 烷 50C 的 饱和蒸气压 力时(如液态 丙烯) 2.16Mpa 两侧受压的压力容器元件 一般应以两侧的设
9、计压力分别作为该元件的设计压力。当 有可靠措施确保两侧同时受压时,可取两侧最大庄力差作 为设计压力 注:容器的计算外压力应为设计外压力加上夹套内的设计内压力,且必须校核在 夹套试验压力外压)下的稳定性。 容器的计算内压力应为设计内压力加 0.1Mpa,且必须校核在夹套试验压力(外 压)下的稳定性。 对盛装液化石油气的压力容器,如设训单位能根据其安装地区的最高气温条件 (不是极端气温值)提供可靠的设计温度时,则可按介质在该设计温度卜的饱和蒸气 压来确定工作压力及设计压力,但必须事先经过设计单位总技术负责人批准,并报 送省级主管部门和同级劳动部门锅炉压力容器安全监察机构备案。 对容积大于或等于 1
10、00 3 m的盛装液化石油气储存类压力容器,可由设计确定 设计温度(但不得低于 40C),并根据与设计混度对应的介质饱和蒸气压确定设计压 力。 规定的充坡系数一般取 0.9,容积经实际测定者可取大于 0. 9 ,但不得大 0.95。 氮气缓冲罐类型为内压容器且装有安全阀,从上表可知设计压力不低于(等于或 梢大于)安全阀开启压力(安全阀开启压力取 1.05-1.10 倍工作压力),即设计压力 取 2.3Mpa 2.2.2 设计温度 设计温度指容器在正常下作过程中,在相应的设计压力下,设定的受压元件的 金属温度(沿元件金属截面厚度的温度平均值),即铭牌上的设计温度,用 t 表示。 该氮气缓冲罐的工
11、作温度为常温,根据工作温度选取设计温度,见表 2.2。 表 2.2 设计温度的选取1 设计温度 介质工作温度 T T20C介质最低工作温度介质工作温度减 010C 20CT15C介质最低工作温度介质工作温度减 510C T15C介质最高工作温度介质工作温度加 1530C 注:当最高(低)工作温度不明确时,按表中的规定确定。 该缓冲罐已知条件中工作温度没有明确最高工作温度,按表 2.3,应按 II 进行选 择,所以设计温度应为 25+1530=4055,这儿我们选中间值,确定设计温度 为 50。 2.2.3 介质性质 压力容器的内部总是有一定量呈气态或液态或气液混合的介质,而这些介质的 性质成为
12、压力容器设计需要考虑的重要因素之一。认识和了解介质的性质,对合理 的选用材料、保证容器的安全可靠性是十分重要的。 1. 物理性质 氮气在常况下是一种无色无味无嗅的气体,且通常无毒。氮气占大气总量的 78.12%。 2.腐蚀性4 介质的腐蚀性是压力容器设计要考虑的重要因素。在役压力容器的破坏,在很 多情况下是由于腐蚀后在其他因素的作用下发生的。因此,了解腐蚀的类型、机理 和腐蚀的方法是很有必要的。 3.毒性5 介质为氮气,因此无毒。 4.易燃易爆性5 介质的成分为氮气,因此易燃易爆性无。 2.2.4 材料的选择 压力容器用材料的质量及规格,应符合相应的国家标准、行业标准的规定。压 力容器材料的生
13、产经国家安全监察机构认可批准。压力容器选材除应考虑力学性能 和弯曲性能外,还应考虑与介质的相容性。压力容器专用钢材的磷含量(熔炼分析, 下同)不应大于 0.030%,硫含量不应大于 0.020%。 压力容器常用材料 Q235B、20R、16MnR、15CrMoR、0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti 钢的常温力学性能(表 2.3、表 2.4、表 2.5) 表 2.3 碳素钢的常温力学性能2 钢号标准截面尺寸/mm b /MPa s /MPa 5 /% Akv/ J 热轧 44130037 99(1 0) Q235B GB/T700-88375-46022525 27 (20 ) 6-1624
14、5 16-36 235 36-60 400-520 225 25 20RGB6654-96 60-100 390-51020524 表 2.4 低合金钢常温力学性能2 拉伸试验冲击试验 冷弯 试验 屈服强 度 s /MPa 伸 长 率 5 /% Akv(z 横向) /J 钢种技术标准规格/mm 抗拉强度 b /MPa 温 度 / C b=2a 180 硬 度 HB 6-16510-640345d=2a 16-36 490-620325 36-60 470-600305 21 60-100 460-590285 16MnRGB6654-96 100-120 450-580275 20 031 d
15、=3a 6-60450-59029519 15CrMoRGB6654-96 60-100 27518 2031d=3a 表2.5 不锈钢的力学性能2 钢号项目热处理制度 MPa b/ MPa/ 2 . 0 %/ 5 /% 1080-1130水冷4901964560 0Cr18Ni9 1080-1130水冷539-696221-40251-7166.5-77.5 0Cr18Ni9Ti 常温 力学 1100-1150水冷5391964550 性能 1100水冷540-706201-38248.8-6959.5-81 钢的高温力学性能 在不同温度下的许用应力见(表 2.6、表 2.7、表 2.8)
16、表 2.6 碳素钢高温力学性能3 在下列温度()下的许用应力,MPa注 钢号 标 准 公称厚度 mm 20100150200250300350400 GB9 12 3-4113113113105948677- 4.5-16113113113105948677- Q235B GB3 274 16-40 11311310799918375- 6-161331321231101019286 16-36 133126116104958679 36-60 133119110101928377 20R GB6 654 60-100 12811010392847771 在下列温度()下的许用应力,MPa注
17、钢号 标 准 公称厚度 mm 425450475500525550575600 GB9 12 3-4- 4.5-16- Q235B GB3 274 16-40 - 6-16836141- 16-36 786141- 36-60 756141- 20R GB6 654 60-100 686141- 表 2.7 低合金钢高温力学性能3 在下列温度()下的许用应力,MPa注钢号锻件标 准 公称厚度 mm 20100150200250300350400 6-16170170170170156144134125 16-36 163163163159147134125119 16MnRGB6654 36-
18、60 157157157150138125116109 6-6022015615015015013412511815CrMoRGB6654 60-100 275110110 在下列温度()下的许用应力,MPa注钢号锻件标 准 公称厚度 mm 425450475500525550575600 6-16936643- 16-36 936673- 16MnRGB6654 36-60 936643- 6-60115112110888573-15CrMoRGB6654 60-100 104104103885837- 表 2.8 不锈钢高温力学性能3 在下列温度()下的许用应力,MPa 钢号 标 准 公称
19、 厚度 2100150200250300350400425450 注 mm0 137137137130122114111107105103 2 ) 0Cr18Ni9 JB4 728 200 13711410396908582797876 0Cr18Ni9Ti JB4 728 200137137137130122114111108106105 2 ) 表 2.8(续) 13711410396908582807978 在下列温度()下的许用应力,MPa 钢号 标 准 公称 厚度 mm 475500525550575600625650675700 注 1011008991796452423227 2
20、 ) 0Cr18Ni9 JB4 728 200 75747371676252423227 10410310183584433251813 2 ) 0Cr18Ni9Ti JB4 728 200 77767574584433251813 钢的腐蚀数据(表 2.9、表 2.10、表 2.11) 表 2.9 碳素钢腐蚀数据4 温度, 介质浓度% 25 50 80 100 N2 湿 0-100 表 2.10 低合金钢腐蚀数据4 温度, 介质浓度% 25 50 80 100 N2 湿 0-100 表 2.11 奥氏体不锈钢腐蚀数据4 温度, 介质浓度% 25 50 80 100 N2 湿 0-100 注:
21、耐腐蚀性 金属的耐蚀性等级符号 腐浊率,毫米/年 优良-0.05 良好-0.05-0.5 可用,但腐蚀较重-0.5-1.5 不适用,腐蚀严重-1.5 综合上述的表格数据比较分析可知,上述三种常用的压力容器用钢在力学性能 方面均能满足要求,但是因介质具有一定的腐蚀性,在设计时应留有一定的腐蚀裕 量,该容器的设计寿命为 20 年,上述三种钢的腐蚀裕量分别为: 1.碳素钢:C21mm; 2.低合金钢:C21mm; 3.不锈钢:C21mm. 出于减小容器体重、经济性、便于运输和降低制造强度等角度考虑,选用 16MnR。 2.2.5 焊接接头系数 1.压力容器分类6 压力容器的介质分为以下两组: 第一组
22、介质,毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质,易爆介质,液化气 体。 第二组介质,除第一组以外的介质。 由 2.2.3 分析可知该分离器介质为第一组介质。 图 2.1 压力容器类别划分图第二组介质6 2.焊缝探伤比例和等级 1)无损检测的基本比例要求6 压力容器对接接头的无损检测比例一般分为全部(100%)和局部(大于或者等于 20%) 两种。碳钢和低合金钢制低温容器,局部无损检测的比例应当大于或者等于 50%。 2)无损检测的可实现性 该氮气缓冲罐的容积大约 50m3。该分离器的内径 Di 与高度的比较见表 2.12,最 终我们选择内径 Di=2800mm。 表 2.12 缓冲罐内经的选择
23、内径 Di(mm) 270028002900 封头容积(m3) 2.80553.11983.4567 筒节高度(m) 7.7567.116.526 注:JB/T 47462002(附录 B) 按容规,该直径下的容器应设计人孔装置。由以上两点,可以实现纵环缝的双 面焊。由于有人孔装置,也可以实现 100%RT 探伤。 在焊缝区,由丁焊接时可能产生气孔、夹渣、未焊透、咬边、裂纹等缺陷;同时, 焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度或塑性下降;由于结构的刚性约束,也往 往造成较大的焊接内应力。因此,容器上的焊缝区是强度较弱的地方,为了表示焊 缝区材料强度被削弱的程度,引进了焊接接头系数。焊接接头系数
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