18.5m3尾气缓冲罐 毕业设计

XXXX大学毕业设计

题目名称：18.5m3尾气缓冲罐设计

学院：

专业：

学生姓名：胡照龙

班级：

指导老师：费东辉

最终成绩：

摘要

摘要

本次课题是设计一个18.5m3的尾气缓冲罐，主要包括结构设计和焊接工艺设计两大方面。

在结构设计方面：首先根据设计条件确定设计文件，设计文件包括设计压力、设计温度、介质性质、材料的种类及焊接接头系数等，其次对零部件进行设计。零部件的设计包括筒体设计、封头设计、开孔补强、法兰、人孔、支座和吊耳的计算和选择。在完成以上设计后根据设计数据完成总图和零件图的绘制。

在制造工艺方面：首先根据图纸完成制造工5艺流程设计，其次根据流程重点对筒体、封头的制造和无损检测、水压试验等重点工序进行阐述，最后对筒体和封头纵环缝焊接工艺进行设计，并采用设计的焊接工艺进行试验、对焊接试样进行了力学性能分析。试验结果满足使用要求，证明焊接工艺是合理的，能够成功实现产品的制造。

这次设计的主要意义在于锻炼了自己独立分析问题、解决问题的能力。培养了查阅资料、工作细致、认真负责、独立思考、自主创新的能力。并通过此课题的研究来进一步增强低理论知识的掌握以及研究类似问题的能力，为今后的工作打下基础。

《化工设备机械基础》是化工工艺类专业一门综合性的机械类技术基础课，本设计是以掌握中、低压压力容器的设计为目的，以一系列技术法规、设计规定、材料和零部件标准为依托，讲解材料、机械、结构方面的基础知识。其任务是使学生掌握相关的基本理论、基本知识以及设计的基本方法，为从事化工设备机械的设计、使用、管理和维护打下基础。

完成一项相关设计是设计学习的主要目的，也是化工工艺类学生十分重要的教学环节之一。目的是为了使学生进一步加深并综合运用课本基本理论，训练和掌握典型化工设备机械设计的基本技能。

“化工设备机械基础设计”包括设计计算和机械制图。通过将“化工设备机械基础”与“化工原理设计设计”有机地结合起来，形成了“化工单元过程及设备设计”综合实践教学体系，提高学生查阅资料、理论计算、工程制图、数据处理、化工设备设计说明书写作等方面的能力。

本设计的主要内容：参照化工设备机械基础的化工容器设计，本设备按GB150-1998《钢制压力容器》，TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》等标准法规进行设计、计算、校核。设计参数、接管方位和几何尺寸按工艺条件确定。焊接按JB/T4709-2009《压力容器焊接规程》。综合考虑各种因素，变压吸附尾气罐的结构设计选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、等要求；而强度计算的内容包括尾气缓冲罐的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使尾气缓冲罐有足够的腐蚀裕度，该设计分析包括内压薄壁圆筒与封头的强度设计、容器零部件的设计，包括法兰连接、容器支座、人孔的设计。最终确定尾气缓冲罐的标准。从而使设计结果达到最优化组合。

关键词：尾气缓冲罐结构设计焊工艺设计工艺试验

ABSTRACT

ABSTRACT

The project is to design a tail gas buffer 18.5m3, including structural design and welding technology in two areas.

In structural design: First, determine the design documents under design conditions, design documents, including the design pressure and design temperature, medium properties, the types of materials and welded joints coefficient, followed by the design of the parts.The design components include cylinder design, head design, reinforcement, flanges, manholes, supports and lug the calculation and choice. After the completion of the above design data according to the design plans and parts to complete the total mapping.

In the manufacturing process: First, complete the manufacturing process based on design drawings, then according to the process focuses on the cylinder, head of manufacturing and non-destructive testing, pressure testing and other key processes were described, and finally head of the cylinder and the longitudinal girth welding process design and welding process used to test the design on the mechanical properties of welded samples were analyzed. The results meet the requirement to prove that welding is reasonable to successful products.

The main significance of this design exercise its own independent analysis of issues, problem-solving abilities. Develop a data access, work is meticulous, conscientious and responsible, independent thinking, the ability of independent innovation. This topic through research to further enhance the low theoretical knowledge and research similar problems to master the ability to lay the foundation for future work.

"Chemical equipment machinery foundation" is a comprehensive chemical process engineering machinery technology basic course, this design is based on mastering the medium and low pressure vessel design for the purpose, with a series of technical regulations, and rules for design, materials and parts standard as the backing, explain the basics of materials, machinery, structure. Its mission is to enable students to master relevant basic theories, basic knowledge and the basic design methods, is engaged in chemical equipment mechanical design, use, management and maintenance.

Complete a related design is the main purpose of the study design, is also a chemical process class students one of very important teaching link. The purpose is to make students further deepen and by using the basic theory of textbooks, training and master the basic skills of typical chemical equipment mechanical design.

Key words: gas buffer tank；structural design；welding process design；technology test

目录

摘要........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. II 第一章绪论.. (1)

第二章18.5M3尾气缓冲罐结构设计 (2)

2.1 设计条件 (2)

2.2设计文件 (2)

2.2.1介质性质 (2)

2.2.4材料的选择 (3)

2.2.5焊接接头系数 (3)

第三章零部件的设计 (4)

3.1筒体设计 (4)

3.2封头的设计 (5)

3.3配置接管 (7)

3.4开孔补强[1] (7)

3.5法兰 (8)

3.6人孔 (11)

3.7支座 (13)

3.8吊耳 (15)

3.9设计小结 (16)

总结 (18)

参考文献 (19)

致谢 (20)

第一章绪论

随着经济的发展，工业的进步，压力容器已经广泛应用于炼油、化工等工业部门及日常生活中。在炼化行业中，越来越多的新型、高效节能的设备得到应用，许多装置对压力容器的要求非常高，其操作介质多为高温(或低温)、高压、易燃、易爆、有毒、强腐蚀等，具有相当大的危险性口随着世界各国对海洋资源的开发，为了适应海洋气候、恶劣的环境以及石油加工深度不断增加、操作条件越来越苛刻，对压力容器的要求一也越来越高、越来越严。世界能源危机的出现和军事装备的竞争、核能的开发应用对压力容器提出了新的要求。航天事业更是要求压力容器为其提供坚实的基础。

在压力容器的使用中，小到不足一立方米的气瓶，大到成一千上万甚至几十万、几百万立方米的大型压力容器，都与人们的生活息息相关，稍有不慎，就有可能给人民的生命财产带来灾难性后果。如核泄漏，它不仅使人们的生命受到威胁，而且对周围环境造成毁灭性的污染，并且这些危害还会影响到今后几十年、几百年。这就要求对压力容器的设计、制造、检验、安装、使用、维修、退役等方面都必须提出严格的要求。于是作为龙头的压力容器设计就显得尤为重要了。设计的质量将直接影响到压力容器的质量。因此，对压力容器的设计知识了解是很有必要的。

所谓缓冲罐缓就是这样一种装置，主要用于各种系统中缓冲系统的压力波动，使系统工作更平稳，其原理是通过压缩罐内压缩空气来实现，被广泛应用于供水设备和中央空调系统等。它的介质可以是液体，也可是气相或固相的物质。名义上，可以将它分为两类：扰动衰减类和独立运行类。

第二章18.5m3尾气缓冲罐结构设计

2.1 设计条件

该分离器用于室内；最高工作压力为：0.5MPa；工作温度为：90℃；介质为：醋酸；设计使用寿命10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介质性质

英文名称：AceticAcid

其他名：冰醋酸，醋酸

药品分类：消毒防腐剂-冰醋酸

分子量：60.05

分子式：CH3COOH

沸点（℃）：117.9

凝固点（℃）：16.6

相对密度（水为1）：1.050

粘度(mPa.s）：1.22（20℃）

20℃时蒸气压（KPa）：1.5

外观及气味：无色液体，有刺鼻的醋酸味。

相容性材料：稀释后对金属有强烈腐蚀性，316L及铝可作良好的结构材料。

产品性能：观为无色透明液体，纯醋酸（在16.75℃以下时）呈结晶状态。溶解于水、酒精、甘油、乙醚、氯仿等，能以任何比例混合。冰醋酸是易燃和腐蚀性物品。

危险性：醋酸蒸汽刺激气管及粘膜，与皮肤接触防止灼伤。本产品有较强的腐蚀性。遇明火、高温氧化剂有燃烧危险，与空气混合时爆炸极限为4％-16％，遇明火可发生爆炸。

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不应大于0.030%，硫含量不应大于0.020%。

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分析可知该缓冲罐介质为第二组介质。

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

根据该尾气缓冲罐的容积为15m3。该缓冲罐的内径Di与高度的比较见表2.14，最终我们选择内径Di=2200mm。

表2.14 缓冲罐内径的选择

内径Di（mm）2000 2200 2400

封头容积（m3）① 1.1257 1.5459 1.9905

筒节高度（m） 4.058 3.1326 2.436

注：①——JB/T 4746—2002（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。焊接接头系数是以焊缝强度与母材强度之比值φ表示的。它与焊缝位置、焊接方法以及检验要求等因素有关。GB150中规定的焊缝系数选取原则如下[1]。

①双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝。

100%无损检测 φ=1.00

局部无损检测 φ=0.85

不作无损检测 φ=0.70

②单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板。

100%无损检测 φ=0.90

局部无损检测 φ=0.80

③单面焊的环向对接焊缝(无垫板)。

局部无损检测 φ=0.70

不作无损检测 φ=0.60

φ=0.60这个系数仅适用于厚度不超过16mm,直径不超过600mm 。的壳体环向焊缝。有关焊缝开设的位置、坡口形式、焊接方法以及检验等可参照国家有关规定。

容器的设计直径取为2200mm ，且在筒体设置有人孔能够实现100%RT 检测。综合上述分析焊缝系数为φ=1.00。

第三章 零部件的设计

3.1筒体设计

1）计算厚度[3]

计算厚度指的是按公式计算得到的厚度

设计温度下圆筒的计算厚度按式（2.1）计算，公式的适用范围为Pc ≤0.4φσt ][. Pc

t -=φσδ][2PcDi （2.1） 式中 Pc —计算压力；根据2.2.1分析，取Pc=2.0MPa

Di —圆筒或球壳的内直径；根据2.2分析，取Di=2200mm;

[σ]t

—设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力；根据表2.9，得[σ]50=170Mpa ；

φ—焊接接头系数;根据2.2.5分析，φ=1.0

因此： Pc t -=φσδ][2PcDi =0

.20.1170222000.2-???=13.02mm 2）设计厚度[1]

设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之和按下式计算：

δd =δ+C 2 （2.2）

其中腐蚀裕量C 2由2.2.4③可知：C 2 =1.5mm

因此设计厚度：

δd =δ+C 2=13.02+1.5=14.52mm

3）名义厚度[1]

名义厚度指计算厚度加上钢材厚度负偏差向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度，按式（2.4）计算：

δn =δ+C 1+C 2 （2.3）

其中 n δ——名义厚度；

δ——计算厚度；由2.3.1中1)可知δ=13.02mm;

C 1——厚度负偏差值；由表2.15可知C 1取0.8mm ；

C 2——腐蚀裕量；由2.2.4③可知C 2为1.5mm

表2.15 钢板厚度负偏差C1值/mm [1] 钢板厚度

2.0 2.2 2.5 2.8-

3.0 3.2-3.5 3.8-

4.0 4.5-

5.5 负偏差C 1

0.18 0.19 0.20 0.22 0.25 0.3 0.5 钢板厚度

6-7 8-25 26-30 32-34 36-40 42-50 52-60 负偏差C 1 0.6 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 因此：

δn =δ+C 1+C 2 =13.02+0.8+1.5=15.32mm

表2.16 钢板的常用厚度[7]

2、3、4、（5）、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、30、32、34、 36、38、40、42、46、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、105、110 由表2.16可知，圆整为=n δ16mm ，筒节高度及内径见表2.14。

3.2封头的设计

①封头类型选择

椭圆形封头的特点[1]：椭圆形封头的应力情况不如半球形封头，但比其他形式的封头要好。从薄膜应力来分析，沿经线各点的应力是变化的，顶点处应力最大，在赤道

上出现周向压应力。当Di/(2hi)=2, K=1时，即是标准椭圆形封头。此时，椭圆形封头可以达到与筒体等强度，这是标准椭圆形封头被广泛采用的原因之一。

工程上一般采用JB/T4737或其他标准封头，如图2.3所示，这些封头由半个椭球和具有一定高度的阅筒形壳体组成，此圆筒形壳体高度一般称为直边高度。设置直边的目的是为了避免在封头和圆筒形壳体相交的这一结构不连续处出现焊缝，从而避免焊缝边缘应力的问题。

a) EHA 型 b) EHB 型

图2.3 椭圆形封头及尺寸

在制造的难易程度方面，由于椭圆形封头的深度较浅，压制成形要比球形封头容易，是目前国内外广泛采用的中低压容器的封头形式。

②椭圆形封头的计算厚度[1]

椭圆形封头的计算厚度按式（2.4）计算：

c

t p 5.0][2DiK p c -=φσδ （2.4） 其中 ])2/(2[6

12i h Di K +=， 即])2/(2[6

12i h Di K +==61{2+[2200/(2x590)]2}=1 c t p 5.0][2DiK p c -=φσδ=2

5.00.11702122002?-????=12.98mm ③椭圆形封头的名义厚度[1]

椭圆形封头（EHA ）的名义厚度指计算厚度加上钢材厚度负偏差向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度，按式（2.5）计算。

δn =δ+C 1+C 2 （2.5） 其中n δ——名义厚度；

δ——计算厚度；由2.3.2中②可知δ=12.98mm;

C 1——厚度负偏差值；由表2.15可知C1为0.8mm ；

C 2——腐蚀裕量；由2.2.4③可知C2为1.5mm