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濰坊學院本科畢業(yè)設計任務書
課題名稱: 空氣儲罐設計計算
課題類別：
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
年 級：
指導教師：
學生姓名：
2012 年 3 月 10 日
一、 課題條件：
工作溫度：45℃；設計溫度：50℃
工作壓力：0.8 MPa；設計壓力：0.85 MPa
介質：空氣
Di=3200mm
總容積：60m3
二、畢業(yè)設計主要內容：
１、設計方案的擬定及材料準備。
２、裝配圖設計及繪制
３、零件圖繪制
４、編寫技術報告一份，字數不少于1.2萬字。
５、英文文獻翻譯，譯文不少于３千字。
三、計劃進度：
１、課題調研、方案的擬定。2周
２、總裝圖的設計及繪制。3周
３、零件圖繪制。3周
４、編寫設計說明書。2周
５、英文資料翻譯。1周
６、答辯準備及答辯。1周
四、主要參考文獻：
[1] 朱思明,湯善甫．化工設備機械基礎(第二版) [M]．上海：華東理工大學出版社，2004，12
[2] 陳國恒．化工機械基礎（第二版） [M]．北京：化學工業(yè)出版社，2006,1
[3]王志文，蔡仁良．化工容器設計[M] ．北京：化學工業(yè)出版社，2005,5
[4]丁伯民，黃正林．化工容器 [M]．北京：化學工業(yè)出版社，2002，12
[5]劉孟昌．機械工程師設計手冊 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，1999,3
[6]徐灝．機械設計手冊 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，1992,5
[7]成大先．機械設計手冊 [M]．北京：化學工業(yè)出版社，1993,7
[8]虞和謙．機械工程手冊 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，1997,9
[9]王毅昌．鋼材實用手冊 [M]．北京：中國科學技術出版社，1991,12
[10]汪愷．機械設計標準應用手冊 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，1997,8
[11]紀明剛．機械設計 [M]．北京：高等教育出版社，2001,5
[12]孫訓方．材料力學 [M]．北京：高等教育出版社，2001,7
[13]劉洪文．材料力學[ M] ．北京：高等教育出版社，2001,8
[14]初生．機械制造技術基礎 [M]．重慶：重慶大學出版社，2000,12
[15]黃鶴訂．機械制造技術 [M]．北京：機械工業(yè)出版社，1999,5
[16]王太辰．中國機械設計大典 [M]．江西：江西科學技術出版社，2002,3，1999
指導教師 教研室主任
2012 年 3 月 10 日 2012年 3月 10 日
濰坊學院學生畢業(yè)設計
外 文 譯 文
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級 2008級本科二班
學生姓名 夏文莉
學 號 08011140249
學生成績
機電與車輛工程學院
譯 文 要 求
1. 外文翻譯必須使用鋼筆，手工工整書寫，或用A4紙打印。
2. 所選的原文內容必須與課題或專業(yè)方向緊密相關，注明詳細出處。
3. 外文翻譯書文本后附原文（或復印件），譯文不少于3000字符。
譯 文 評 閱
評閱要求：應根據學?！白g文要求”，對學生譯文的準確性、翻譯數量以及譯文的文字表述情況等作具體的評價。
指導教師評語：
指導教師簽名
年 月 日
編號
濰 坊 學 院
畢 業(yè) 設 計 技 術 報 告
課題名稱: 空氣儲罐設計計算
學生姓名：
學 號：
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級：
指導教師：
2012年05月
畢 業(yè) 實 習（調研）報 告
專業(yè)班級
姓 名
學 號
機電與車輛工程學院
畢業(yè)設計題目
儀表空氣儲罐設計計算
指導教師
宋洪梅
實習單位（1~2個）
1. 濰柴動力股份有限公司
2. 濰坊凱力石油化工機械有限公司
實習（調研）目的及實習內容、實習期間應掌握的關鍵技術
（由指導教師根據設計題目要求填寫）
一．畢業(yè)生產實習目的
本次畢業(yè)生產實習的目的是：從生產實際中去了解問題，發(fā)現問題和解決問題，把我們所學的知識真正的應用于生產過程，學習生產技術和管理知識，鞏固所學基本理論，獲取本專業(yè)的實際知識，培養(yǎng)初步的實際工作能力和專業(yè)技能。同時，增強自己的勞動理念和社會主義事業(yè)心，責任感，為將來的事業(yè)打下堅實的基礎。
二．畢業(yè)生產實習內容
1．了解實習單位的組織機構和生產組織管理情況。
2．鞏固、深化所學理論知識，理論聯系實際，提高動手能力，培養(yǎng)分析和解決工程實際問題的初步能力。
3．了解卷板機的結構及其工作原理
4. 了解各類焊機的結構及其工作原理，為畢業(yè)設計的圓滿完成作好準備。
三．應掌握的關鍵技術
1.WD615系列工程機械用柴油機的特點及工作原理。
2.壓力容器的結構形式及設計要求。
實習（調研）報告
（含實習場所介紹、結合設計內容所作具體工作、針對課題的調查及相關分析）
經過學院的安排和老師的組織，我們針對自己的畢業(yè)設計題目有針對性的在濰柴動力股份有限公司和濰坊凱力石油化工機械有限公司，進行了為期兩周的畢業(yè)生產實習。
一．濰柴動力股份有限公司
濰柴動力股份有限公司,是由濰坊柴油機廠作為主發(fā)起人聯合境內外投資者共同發(fā)起設立的符合現代企業(yè)制度的企業(yè)，是國家內燃機研發(fā)、制造、銷售重點骨干企業(yè)。
其產品廣泛應用于重型汽車、大客車、工程機械、船用、發(fā)電等大功率動力配套市場。
公司致力于內燃機科技產業(yè)的發(fā)展，產品開發(fā)能力居國內同行業(yè)前列，總體工藝裝備水平居國內領先地位。公司生產的WD615、WD618?柴油機在重型汽車、工程機械市場的平均占有率達到60%以上，?滿足歐Ⅱ排放標準的斯太爾柴油機已提前法規(guī)要求投放市場，近年來10L/12L大功率柴油機一直保持市場領導地位。
WD615系列工程機械用柴油機
WD615系列工程機械用柴油機是在斯太爾WD615系列載重車用發(fā)動機的基礎上，消化吸收國外先進技術而發(fā)展創(chuàng)新的，現已成為工程機械的新型動力，主要用于ZL50、ZL40裝載機，T160、T220推土機及壓路機、鏟運機械等工程機械領域。WD615系列工程機械柴油機充分考慮了工程機械的特殊要求，配套齊全，外形更美觀，具有更高的可靠性和更好的配套適應性。
產品競爭優(yōu)勢：
（1）可靠性高??WD615系列柴油機采用隧道式結構型式，曲軸箱與七道主軸承蓋鑄為一體，整體鍛造的氮化曲軸和優(yōu)質合金鋼鍛造連桿以及采用柔性設計制造的強力螺栓等，均保證了柴油機各運動件的高可靠性；設計合理的高次方函數凸輪軸型線，使柴油機配氣系統具有更高的可靠性和更低的機械振動噪音。充分考慮工程機械的使用特點，各系統配置和零部件設計留有足夠的安全系數和可靠性系數。根據計算，試驗室以及市場檢驗表明，柴油機一般平均故障間隔時間為兩千小時以上，平均大修期可達一萬小時以上。
（2）動力性好、扭矩儲備大??該系列柴油機采用波許P型結構高壓油泵、全程式調速器配低慣量多孔噴油器，通過供油特性校正和高效增壓器的合理匹配，動力性能好，扭矩儲備大于20%，能夠滿足各種工程機械對功率和扭矩的要求。進排氣管置于兩側，高壓油泵和油管在進氣管側，使燃油系統和進氣系統免受排氣高溫影響。
（3）經濟性好、燃油消耗和機油消耗低??三道新結構活塞環(huán)，最佳配缸間隙，新型燃燒室和最佳渦流比匹配，干式缸套，平臺珩磨網紋，避免了漏水漏氣，確保缸孔幾何形狀更加完美，降低了燃油消耗率和機油消耗率，增壓中冷機型最低燃油耗達到194g/kW.h，機油燃油消耗比小于0.3%。
（4）有良好的高原適應能力??新型增壓器具有進氣回流功能，拓寬了柴油機高效工作區(qū)范圍，能補償高原動力損失。有良好的高原適應性，柴油機設計海拔高度2000m，在此海拔高度柴油機功率不需降低。經過優(yōu)化匹配及西寧高原工程機械研究所試驗驗證，在海拔4000m作業(yè)時工作正?？煽浚β氏陆挡淮笥?%。
（5）綠色、環(huán)保型??無石棉氣缸墊設計，無公害。??主體采用無襯墊結構，框架式曲軸箱、沖壓式油底殼、高精度齒輪和扭轉棒齒輪傳動，確保了柴油機的低噪音污染。煙度、廢氣排放大大低于國家標準規(guī)定，綠色環(huán)保。增壓機型可達到歐I排放標準。增壓中冷型可達到歐I和歐II排放標準。特別適合于隧道、倉庫、船艙等空間受到限制的場合作業(yè)。
（6）有良好的配套適應性??WD615系列工程機械柴油機各種附件配件齊全，具有多種規(guī)格和不同型號的空濾器、消聲器、發(fā)電機、起動馬達、空壓機、風扇、冷卻水箱、外置式機油冷卻器、油門轉換機構、電動停車機構、冷起動裝置等可供選配。也可以根據用戶的要求進行特殊設計配置。
（7）結構合理、操作維修方便??單體式氣缸蓋，體積小、工藝性好、互換性強。零部件通用化、標準化、系列化程度高，易于大批量組織生產，降低了制造、維修成本。
（8）制造工藝先進、質量穩(wěn)定可靠??鑄造采用先進的KW-339型高壓造型線，熔化采用沖天爐—工頻爐雙聯熔煉及西德產有芯工頻保溫爐。曲軸采用得古沙公司鹽溶氮化設備，奧地利制造的內銑床，日本進口的曲軸磨床，曲軸動平衡采用申克公司的動平衡機。凸輪軸精磨是在進口日本磨床上進行。連桿大小頭孔的精加工是在進口奧地利KRAUSE公司的精鏜床上加工。氣缸體精銑工序采用進口瑞典山多維克刀盤，缸孔加工在進口奧地利KRAUSE公司銑鏜床上進行，氣缸蓋的槍鉸機床是從美國進口的。關鍵設備的應用確保了WD615系列產品的質量。
二．濰坊凱力石油化工機械有限公司
濰坊凱力石油化工機械有限公司始建于1988年，總占地面積80000㎡，其中建筑面積28000㎡，現有總資產1億1千萬元，其中固定資產5200萬元，流動資產5800萬元，現有職工300人，工程技術人員68名。公司2001年通過ISO9000質量體系認證，2005年，被列入壽光市百強企業(yè)?，F為“山東省專利明星企業(yè)，山東省高新技術企業(yè)?！惫纠喂虡淞⒘丝茖W發(fā)展觀，堅持依靠科技創(chuàng)新為企業(yè)發(fā)展的突破口，在依靠高等院校為技術依托的基礎上，堅持以自主開發(fā)為主，公司設有自己的技術研發(fā)中心，技術力量雄厚，檢測手段齊全，為適應生產及研發(fā)的要求，公司2007年以來又投入2500萬元新建6200㎡的車間一座，新添置了數控切割機，S-43超聲探傷儀、WE-300萬能材料試驗機、SX721可見分光光度計、亞弧自動焊接中心、三輥對稱數控卷板機等設備，為公司的盡快發(fā)展奠定了基礎。同時公司還重視高新技術人員的培養(yǎng)，2008年以來三次派出人員到哈爾濱、湖南、西安等進行學習培訓，有兩名同志取得了“國際焊接技士”和“中國焊接協會（CWA）焊接技師資格證書”，并多次請上海等
地的教授及高級工程師進行授課，使公司職工隊伍的技術素質和水平得到了較快提高。
公司是國家一、二、三類壓力容器定點生產企業(yè)，并具有一、二、三類壓力容器設計資格，主要產品以壓力容器、大型鑄件為主，其中壓力容器產品有與西安交大，中國海洋大學等聯合開發(fā)的新產品空氣干燥器等系列空氣凈化設備，炭黑專用生產設備“空氣預熱器”、“濕法造粒機”等。鑄件有通過V法造型、樹脂砂造型生產的抽油機曲柄、變速箱殼體、機床床身等，以上產品銷往全國各地十幾個省市和地區(qū)。通過真空密封造型新工藝生產的鑄件不但成品率高，表面光潔度好，并遏制了粘土砂造型中的粉塵污染，被稱為是“綠色鑄造工藝”。新開發(fā)的炭黑設備空氣預熱器、濕法造粒機等已銷往陜西、河北等地區(qū)，產品質量深受用戶的信賴和好評。
1） .卷板機的工作原理
卷板機是彎曲金屬板材的設備，傳統卷板機機架為全鑄件。隨著焊接技術的發(fā)展，特別是近30年來。 焊接結構已經基本上取代了鉚接結構，并部分代替鑄造和鍛造結構。國內外在重型機械制造方面，愈來愈多地用全焊鋼結構代替全鑄結構。例如：沖壓機、錘壓機、大中型機床等的機架或床身；大型齒輪、內燃機及汽車傳動軸等傳統鑄造件已迅速的改用全焊鋼結構。其主要原因在于全焊鋼結構重量輕，質量高，生產周期短等特點。隨著我國機械制造行業(yè)的不斷發(fā)展，機械化的程度得到了很大的提高，卷板機也從以前的手動操作逐步發(fā)展為由電腦控制的全自動的機器。卷板機的總體結
構包括：大輥軸小輥軸，液壓系統以及卷板機機體。卷板機由于使用的領域不同，種類也就不同。目前廣泛使用的卷板機主要有：大型上輥萬能式卷板機，中型上輥萬能式卷板機，小型上輥萬能式卷板機，船舶專用三輥對稱式卷板機，油罐車用上輥數控萬能式卷板機，三輥卷板機等，當然在卷板加工過程中，常常會遇到卷制出的筒體會出現中間大兩頭小的情況，也會盡量的克服這些問題。卷板機是專門用于金屬板材彎曲、成型、校正的一種通用設備，在造船、化工、鍋爐、水電、壓力容器以及機械制造各行業(yè)中，有著廣泛的應用。
卷板機的工作原理是：上輥在兩下輥中央對稱位置通過液壓缸內的液壓
卷板機
油作用于活塞作垂直升降運動，通過主減速機的末級齒輪帶動兩下輥齒輪嚙合作旋轉運動，為卷制板材提供扭矩。卷板機規(guī)格平整的塑性金屬板通過卷板機的三根工作輥(二根下輥、一根上輥)之間，借助上輥的下壓及下輥的旋轉運動，使金屬板經過多道次連續(xù)彎曲，產生永久性的塑性變形，卷制成所需要的圓筒、錐筒或它們的一部分。
二）焊機的機構和工作原理
電焊機（electric welding machine）實際上就是具有下降外特性的變壓器，將220V和380V交流電變?yōu)榈蛪旱闹绷麟?，電焊機一般按輸出電源種類可分為兩種，一種是交流電源的；一種是直流電的。直流的電焊機可以說也是一個大功率的整流器，分正負極，交流電輸入時，經變壓器變壓后，再由整流器整流，然后輸出具有下降外特性的電源，輸出端在接通和斷開時會產生巨大的電壓變化，兩極在瞬間短路時引燃電弧，利用產生的電弧來熔化電焊條和焊材，冷卻后來達到使它們結合的目的。焊接變壓器有自身的特點，外特性就是在焊條引燃后電壓急劇下降的特性。
常用電焊機從焊接電流上分有直流、交流、脈沖三類，但常用的是交流和直流逆變電焊機。交流焊機實質是一個特殊變壓器，但直流逆變電焊機要復雜些，其控制方式現在基本采用變頻式。
電焊機的主要部件是一個降壓變壓器，次級線圈的兩端是被焊接工件和焊條，工作時引燃電弧，在電弧的高溫中將焊條熔接于工件的縫隙中。由于電焊變壓器的鐵芯有自身的特點，因此具有電壓急劇下降的特性，即在焊條引燃后電壓下降；在焊條被粘連短路 時，電壓更是急劇下降。在焊接操作時，雖然電路中的電流處處相等，但由于各處的電阻 不一樣，在不固定接觸處的電阻最 大(這個電阻叫接觸電阻)，根據焦爾定律知：在電流相等時，則電阻越大的部位發(fā)熱越高，因此在焊 接時，焊條的觸頭也就是被接的金 屬體的接觸處的接觸電阻最大，則 在這個部位產生的電熱自然也就最 多，加之焊條是熔點較低的合金，自然容易熔化。熔化后的合金焊條芯 粘合在被焊物體上，冷卻后便把焊 接對象粘合在一塊。
實習效果分析
（實習收獲及對所做課題的幫助）
本次實習使我第一次親身感受了所學知識與實際的應用，理論與實際的相結合，讓我們大開眼界，也算是對以前所學知識的一個初審吧！這次生產實習對于我們以后學習、找工作也真是受益菲淺。實習使我們的專業(yè)知識得到鞏固和開拓，使我們更容易將所學與實踐聯系起來；實習使我們認識到自身知識的缺漏，必須重拾書本，虛心請教老師， ；實習使我們在建筑藝術上、環(huán)境規(guī)劃上有了更大的提升。實習使我們更加明確自己的努力的方向，必須充分利用好圖書館的資料、網絡來加深自己的專業(yè)涵養(yǎng)。期間，我們收集到了一些專業(yè)上的珍貴圖片和工地現場的照片，這是最珍貴的第一手材料。專業(yè)實習還讓我懂得如何將理論和實際結合起來。我們要經常跟蹤專業(yè)新技術、新動態(tài)，時刻走在時代的前列；還要注重積累經驗，在實習時，積累一些通用俗語，才能使自己慢慢地融入工人之中，更快地進入工作角色；此外，還要注重養(yǎng)成終身的學習習慣，擴大自己的知識面，才能促進自己不斷進步。在短短的二個星期中，讓我們初步讓理性回到感性的重新認識，也讓我們初步的認識了這個社會，對于以后做人所應把握的方向也有所啟發(fā)！隨著時間的流失，到此我們?yōu)槠趦芍艿漠厴I(yè)設計生產實習就完成了，在著兩周讓我學到了不少東西，我也非常感謝老師的幫助，這兩周的實習將是我在人生旅途上的寶貴財富。
指導教師對實習情況評價：
實習成績：
指導教師： 年 月 日
濰坊學院本科畢業(yè)設計答辯評議表
學生姓名
學號
所在院系
機電與車輛工程學院
專業(yè)年級
化
指導教師
職稱
講師
論文題目
空氣儲罐設計計算
課題來源
工程實際
課題類別
工程設計
指導教師意見：
預評成績：
簽名：
2012 年 5 月 22 日
評閱教師意見：
評閱成績：
簽名：
2012 年 5 月 25 日
答辯小組意見：
答辯成績：
答辯小組組長簽名：
年 月 日
綜合成績：
答辯委員會主任簽名：
年 月 日
濰坊學院畢業(yè)設計結題報告
姓名
性別
女
年級
2008
學號
系別
機電與車輛工程學院
專業(yè)
機械設計制造及其自動化
設計題目
空氣儲罐設計計算
題目來源
工程實際
題目類別
工程設計
指導老師
本課題研究的是空氣儲罐的設計計算，在設計過程中，具體包括總體方案設計及論證，儲罐的工藝計算和結構設計以及各零部件的選型論證設計等。
工作總結:
通過兩個月的畢業(yè)設計，我學到了很多東西，我想這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升，也會對我未來的學習和工作有很大的幫助。
通過對生產實際進行調查研究，結合自己的專業(yè)知識首先對所設計的儲罐有了整體的了解，然后運用二維AutoCAD軟件繪出零件圖以及裝配圖。
1．根據現行的標準規(guī)范的規(guī)定，確定設計參數和容器類型。
2．在確保安全的前提下，經濟、正確并且合理地選擇筒體和封頭結構型式及材料。
3．通過設計計算，確定筒體和封頭的壁厚，并通過水壓試驗，確定筒體厚度是否滿足強度要求。
4. 容器的開孔及補強設計
5．附件的選擇，如支座結構和材料的選取及設計。
6. 根據壓力容器焊接結構設計要求，設計容器的焊縫，其中包括筒體與橢圓封頭的焊接接頭、管法蘭與接管的焊接接頭、接管與殼體的焊接接頭設計。
通過這次設計，可以準確快速的完成空氣儲罐的設計工作，初步實現了設計知識和設計經驗與計算機繪圖的融合，鞏固了在校學習的制圖學、力學、材料學等相關專業(yè)知識，學習了由原理到結構的設計思路。
但是，該設計還存在著欠缺和不足：
1．設計中的經驗和知識需要長期積累，不斷充實和完善的,因此該設計內容還有待于進一步的補充、完善。
2．計算機軟件只是輔助工具，設計只能由人來完成，不能依賴計算機。
3．本設計有一定的局限性，所包括的內容也不全面，離投入實際生產還有一定的距離。
今后要進加強以下方面的工作：
（1） 考慮實際生產情況，結合相應的實例進一步完善設計，以提高設計的實用性。
（2） 進一步加強和完善強度方面的校核，保證設備的安全性。
（3） 利用三維圖進行設計，使所設計的設備更加安全和可靠。
指導教師意見：
指導教師簽名
2012年5 月 30 日
院（系）學位委員會意見：
（簽章）
2012年6月 8 日
濰坊學院本科畢業(yè)設計
摘要
壓力容器在石油、化工以及冶金等領域應用廣泛，結構雖然簡單，但受力情況卻很復雜，一旦投入使用就要連續(xù)運行，還具有爆炸的危險。隨著科學技術的發(fā)展，壓力容器制造水平越來越高，壓力容器涉及多個學科，綜合性很強，一臺壓力容器從參數確定到投入正常使用，要通過很多的環(huán)節(jié)及相關部門的各類工程技術人員的共同努力才能實現。因此，重視壓力容器設計具有重要的意義。本論文簡述了壓力容器結構標準，主要探討壓力容器設計的一般要求。通過查閱壓力容器工藝手冊，我們發(fā)現壓力容器的每個部分都需要確定使用的材料與工藝，不可忽視每一個很小的環(huán)節(jié)，否則將會有生命的危險。這樣多種性的操作特點給壓力容器從選材、制造、檢驗到使用、維護以致管理等諸方面造成了復雜性，因此對壓力容器的制造、現場組焊、檢驗等諸多環(huán)節(jié)提出了越來越高的要求。
關鍵詞: 壓力容器 設計要求 結構標準 工藝
ABSTRACT
The pressure vessel is widely used in petroleum, chemical, metallurgy and other fields.
Although its structure is simple, the force is very complex. Once put into use ,it is necessary to run continuously, and also has a risk of explosion. With the development of science and technology, the level of pressure vessel manufacturing increasingly high.The pressure vessel involves multiple disciplines and highly integrated.A pressure vessel,from the determination of the parameters to put into regular use, can be achieved through the joint efforts of many links and relevant departments of the various types of engineering and technical personnel. Therefore, the emphasis on pressure vessel design is of great significance. This paper outlines the pressure vessel structural standards,mainly has discussed the design requirements of pressure vessels.Through the inspection of pressure vessel technology manual, we found that each part of the pressure vessel needs to determine the use the materials and craft and each a small part can not be ignored, otherwise there will be lives at risk.Such a variety of operating characteristics result in the pressure vessel from the selection of materials, manufacture, examination to the use, maintenanceand complexity.Therefore,to the manufacture, scene group welded, examination and so many other aspects of the pressure vessel set the more and more high demands.
Keywords ：pressure vessel;design requirements ;structural standards;craft
21
濰坊學院本科畢業(yè)設計
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
前言 1
第1章 壓力容器 2
1.1 壓力容器的結構與分類 2
1.2 壓力容器的失效和設計要求 3
1.3 設計參數的規(guī)定 3
第2章 容器的選型和選材 5
2.1 筒體的選材及結構 5
2.2 封頭的結構及選材 5
第3章 設計計算 6
3.1 筒體壁厚計算 6
3.2 封頭壁厚計算 6
3.3 壓力試驗 7
第4章 容器的開孔及補強 8
4.1 容器的開孔 8
4.2 容器的補強 9
第5章 支座的選擇 13
5.1 支座結構和材料的選取 13
5.2 裙座設計 13
5.2.1 座體設計 13
5.2.2基礎環(huán)設計 14
5.2.3 螺栓座的設計 15
第6章 容器焊縫標準 16
6.1 壓力容器焊接結構設計要求 16
6.2 筒體與橢圓封頭的焊接接頭 16
6.3 管法蘭與接管的焊接接頭 16
6.4 接管與殼體的焊接接頭 16
結束語 18
參考文獻 19
致謝 20
前言
壓力容器是一種特殊的焊接結構，它比較容易發(fā)生事故且事故的危害較為嚴重。隨著我國改革開放的深入，壓力容器的應用范圍不斷擴大，數量不斷增加。在化工、煉油、醫(yī)藥等行業(yè)中，壓力容器幾乎成為生產中的主要設備。設備的增多，隨之而來的安全問題，顯得非常突出。近年來，國內已經多次發(fā)生壓力容器爆炸傷人的惡性事故。因此，保證壓力容器生產和使用安全，是從事壓力容器生產制造、管理以及壓力容器使用人員義不容辭的責任和義務。國內外壓力容器發(fā)生破壞的事故不少，究其原因，基本上可分為兩類性質完全不同的破壞方式：一類是超強度破壞，即容器因晶間腐蝕、均勻腐蝕和高溫氧化等原因，導致材料強度削弱或壁厚減薄引起的破壞，以及操作失誤，致使壓力、溫度超過極限值引起的破壞。另一類是裂紋擴展破壞，即在正常使用條件或設計條件下，甚至在水壓試驗時，由于制造和使用中形成的各種裂紋失穩(wěn)擴展所引起的破壞。
壓力容器都是采用傳統的方法進行設計。但是，在以往的壓力容器設計中，由于 對容器各部分的受力以及它們對容器強度的影響，缺乏全面、精確、深刻的了解，因而只能在設計中采用較高的安全系數，以保證壓力容器的運行安全。在很長一段時間內，這一設計方法對壓力容器設計和技術的發(fā)展起著積極的推動作用。由于傳統設計方法簡單易行，具有豐富的使用經驗，各國依然采用它進行一般壓力容器的設計。在壓力容器建造的初期，產品建造的目的為滿足本國相應工業(yè)的需求，壓力容器的生產技術也是以本國的基本生產條件為基礎。生產技術的總結和統一安全質量的要求，使得國家依據自己的生產技術和管理要求制定出了適合于本國國情的相應安全法規(guī)和技術標準體系。中國已經加入WTO，我國的壓力容器行業(yè)已經不可避免地面臨國際市場的激烈競爭。在新形勢下，壓力容器生產廠家應充分認識自身的優(yōu)勢和不足，改變觀念，實行國際壓力容器生產的通行做法，使產品早日走出國門。
壓力容器設計是指根據給定的工藝設計條件，遵循現行的標準規(guī)范的規(guī)定，在確保安全的前提下，經濟、正確合理地選擇材料，并進行結構、強（剛）度 和密封設計。
壓力容器設計的基本思路：設計參數、容器類別和設計標準的確定、結構型式選擇、主體尺寸確定、材料的選擇、強度計算（應力分析）、初步設計和施工圖設計、容器附件的選擇、安全附件的配用、制造、檢驗和驗收的技術條件的編制。
第1章 壓力容器
1.1 壓力容器的結構與分類
化學工業(yè)、石油化學工業(yè)領域使用的受壓設備十分繁多，這些設備的功能及其內、外結構各異，但從強、剛度的角度分析，除個別者外都是受壓力載荷的回轉殼體，都屬于壓力容器范疇。壓力容器通常由筒體、封頭、接管(開孔）、密封件、支座等部分組成。它們又被稱為化工設備通用零部件，通常，承壓不大的化工設備通用零件大多有已有標準，設計時盡可能直接選用。
為了保證使用的安全性，我國國家質量技術監(jiān)督局制定及公布了《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》（以下簡稱《容規(guī)》）。按照《容規(guī)》的要求，根據設計壓力的高低、在運行中可能發(fā)生危險的程度、所儲介質的毒性和易燃等級等把壓力容器劃分為一、二、三等三個類別。其要點如下。
⑴按設計壓力大小容器分為四個等級：
低壓(代號L)容器 0.1MPa≤p＜1.6MPa;
中壓(代號M)容器 1.6MPa≤p＜10MPa;
高壓(代號H)容器 10MPa≤p＜100MPa;
超高壓(代號U)容器 p≥100MPa。
⑵按容器在生產工藝過程中的作用原理可分為:
反應壓力容器(代號R):用于完成介質的物理、化學反應。
換熱壓力容器(代號E):用于完成介質的熱量交換。
分離壓力容器（代號S):用于完成介質的流體壓力平衡緩沖和氣體凈化分離。
儲存壓力容器（代號C，其中球罐代號B）：用于儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質。
這兩種分類方法還不便于對壓力容器的分類管理工作。因此，從安全監(jiān)察的角度，《容規(guī)》將壓力容器按照其危險性和危害性進行分類，即綜合考慮設計壓力的高低、容器內介質的危險性大小、反應或作用過程的復雜程度以及一旦發(fā)生事故的危害性大小，把它分為三類。
⑴第三類壓力容器，具有下列情況之一的，為第三類壓力容器：
高壓容器；
中壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質）；
中壓儲存容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質，且pV乘積大于等于10MPa·m3 ）；
中壓反應容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質，且pV乘積大于等于0.5MPa·m3）；
低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質，且乘積大于等于0.2MPa·m3）；
高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；
中壓搪玻璃壓力容器；
使用強度級別較高（指相應標準中抗拉強度規(guī)定值下限大于等于540MPa）的材料制造的壓力容器；
移動式壓力容器，包括鐵路罐車（介質為液化氣體、低溫液體）、罐式汽車[液化氣體運輸（半掛）車、低溫液體運輸（半掛）車、永久氣體運輸（半掛）車]和罐式集裝箱（介質為液化氣體、低溫液體）等；
球形儲罐（容積大于等于50m3）；低溫液體儲存容器（容積大于5m3）。
低溫液體儲存容器（容積大于5m3）
⑵第二類壓力容器，具有下列情況之一的，為第二類壓力容器：
中壓容器；
低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質）；
低壓反應容器和低壓儲存容器（僅限易燃介質或毒性程度為中度危害介質）；
低壓管殼式余熱鍋爐；
低壓搪玻璃壓力容器。
⑶第一類壓力容器 ,除上述規(guī)定以外的低壓容器為第一類壓力容器。
1.2 壓力容器的失效和設計要求
壓力容器常見的失效現象有以下三大類：過度變形失效（強度失效、剛度失效）、斷裂失效、表面損傷失效。壓力容器存在多種失效模式，容器設計時必須切實防止各種失效的出現以保障容器的安全。容器設計時按防止各種不同失效所建立的設計準則進行強度或剛度的設計校核。概括的說，壓力容器的設計應當以安全為前提，綜合考慮質量保證的各個環(huán)節(jié)，并盡可能做到經濟合理。一般先從掌握應力分析的理論基礎著手，進入具體問題的設計計算，然后從綜合考慮落實到機構設計。
1.3 設計參數的規(guī)定
工作壓力（PW） 指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。
設計壓力（P） 指設定容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不得低于工作壓力。即P≥PW。
計算壓力（PC） 指在相應設計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜
壓力。當元件所承受的液柱靜壓力小于5%設計壓力時，可忽略不計。故PC≥P；
試驗壓力（Pt） 指壓力試驗時，容器頂部的壓力。（試驗用壓力表口設計位置應位
于容器頂部）
設計溫度 指容器在正常工作情況下，設定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的
溫度平均值）。設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷條件。
試驗溫度 指壓力試驗時，殼體金屬的溫度。
計算厚度δ 指按厚度計算公式計算得到的厚度。
設計厚度δd 指計算厚度（δ）與腐蝕裕量（C2）之和。即δd =δ+C2, 因此δd ≥δ
名義厚度δn 指設計厚度（δd ）加上鋼材厚度負偏差（C1）后向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度。即標在圖樣上的厚度。
δn≥（δd + C1）
有效厚度δe 指名義厚度（δn）減去腐蝕裕量（C2）和鋼材厚度負偏（C1）。
δe =δn-C1-C2
=δn-（C1+C2）=δn-C（厚度附加量）
厚度附加量C 由鋼材厚度負偏差C1和腐蝕裕量C2兩部分組成。
C = C1 + C2
鋼材厚度負偏差C1 按鋼材標準的規(guī)定；當鋼材厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，厚度負偏差C1可忽略不計。
腐蝕裕量C2 為防止容器元件由于腐蝕、機械磨損而導至厚度的削弱減薄，應考慮腐蝕裕量。對有腐蝕或磨損的零件，應根據預期的容器壽命和介質對鋼材的腐蝕速率而定。
最小厚度 容器在較低內壓力作用下，按厚度計算方法得到的厚度很小，雖然能滿足容器的強度要求，但剛度不夠。為解決剛度問題，GB150中規(guī)定了殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度：
1)對碳素鋼、低合金鋼制容器，不小于3 mm；
2)對高合金鋼制容器，不小于2 mm。
因此，碳素鋼和低合金鋼制的容器的最小名義厚度應不小于4 mm。
許用應力 容器使用鋼材常用指標是力學性能，在D類容器中，主要指標是材料的抗拉強度σb和屈服點σs（或σ0.2）。容器使用中達到屈服或斷裂時即為破壞，在實際應用中必須控制容器的材料受力處在安全范圍內，即除以系數n，n稱為材料許用應力系數（即是設計安全系數）。
焊接接頭系數 焊接接頭系數應根據受壓元件的焊接接頭型式及無損檢測的長度比例確定。
第2章 容器的選型和選材
2.1 筒體的選材及結構
本設計課題條件：工作溫度：45℃；設計溫度：50℃；工作壓力：0.8 MPa；設計壓力：0.85 MPa；介質：空氣；Di=3200mm；總容積：60m3
查相關手冊可以判斷設計的容器為儲存內壓壓力容器，按《容規(guī)》規(guī)定，0.1 MPa≤p＜1.6 MPa; 屬于低壓容器。設計溫度為50℃，在-20℃～200℃條件下工作屬于常溫容器。
根據空氣的物性選擇罐體材料，空氣的腐蝕性很小，且又屬于低壓儲罐，可以考慮20R和16MnR這兩種鋼材。如果純粹從技術角度看，建議選用20R類的低碳鋼板， 16MnR鋼板的價格雖比20R貴，但在制造費用方面，同等重量設備的計價16MnR鋼板比較經濟。所以在此選擇16MnR鋼板作為制造筒體和封頭材料。鋼板標準號為GB6654-1996。
筒體結構設計為圓筒形。因為作為容器主體的圓柱形筒體，制造容易，安裝內件方便，而且承壓能力較好，這類容器應用最廣。
2.2 封頭的結構及選材
封頭有多種形式，半球形封頭就單位容積的表面積來說為最小，需要的厚度是同樣直徑圓筒的二分之一，從受力來看，球形封頭是最理想的結構形式，但缺點是深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓，其拼焊工作量也較大。橢圓形封頭的應力情況不如半球形封頭均勻，但對于標準橢圓形封頭與厚度相等的筒體連接時，可以達到與筒體等強度。它吸取了蝶形封頭深度淺的優(yōu)點，用沖壓法易于成形，制造比球形封頭容易，所以選擇橢圓形封頭，結構由半個橢球面和一圓柱直邊段組成。查橢圓形封頭標準（JB/T4737-95）
表2.1 橢圓封頭標準
公稱直徑DN
曲面高度h1
直邊高度h2
內表面積Fi/m2
容積V/m3
3200
800
40
11.25
4.29
封頭取與筒體相同材料。
第3章 設計計算
3.1 筒體壁厚計算
查 《壓力容器材料使用手冊-碳鋼及合金鋼》得16MnR的密度為7.85t/m3，熔點為1430℃，許用應力列于下表：
表3.1 16MnR許用應力
鋼號
板厚/㎜
在下列溫度（℃）下的許用應力/ Mpa
≤20
100
150
200
250
300
16MnR
6～16
170
170
170
170
156
144
16～36
163
163
163
159
147
134
36～60
157
157
157
150
138
125
>60～100
153
153
150
141
128
116
圓筒的計算壓力為0.85 Mpa,容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的對接接頭都采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數為0.85,局部無損探傷。取許用應力為170 Mpa。
壁厚：
式(3-1)
鋼板厚度負偏差mm,查材料腐蝕手冊得50℃下空氣對鋼板的腐蝕速率小于0.05㎜/年，所以雙面腐蝕取腐蝕裕量mm。
所以設計厚度為：
式 (3-2)
圓整后取名義厚度14mm。
3.2 封頭壁厚計算
標準橢圓形封頭a:b=2:1 ，其中a、b分別為橢圓形封頭的長半軸和短半軸。
封頭計算公式 ：
式（3-3）
可見封頭厚度近似等于筒體厚度，則取同樣厚度。由封頭壁厚查標準得標準橢圓形封頭的直邊高度h2=40㎜。
3.3 壓力試驗
水壓試驗，為了避免試驗時發(fā)生低溫脆性破壞，對于16MnR鋼制容器，其液體的溫度不得低于5℃；
試驗方法：試驗時容器頂部應設排氣口，充液時應將容器內的空氣排盡，試驗過程中，應保持容器外表面的干燥。試驗時壓力應緩慢上升，達到規(guī)定試驗壓力后，保壓時間一般不少于30min。然后將壓力降至規(guī)定試驗壓力的80%，并保持足夠長的時間以便對所有焊接接頭和連接部位進行檢查。如有滲漏，修補后重新試驗。
水壓試驗時的壓力
式（3-4）
水壓試驗的應力校核：
水壓試驗時的應力
式（3-5）
水壓試驗時的許用應力為
式(3-6）
,故筒體厚度滿足水壓試驗時的強度要求。
第4章 容器的開孔及補強
4.1 容器的開孔
考慮到容器主要用來空氣貯備，應開7個孔，包括進氣孔、出氣孔、安全閥孔、放凈氣孔、備用孔、壓力計孔、人孔。
開孔N1：接管公稱直徑為Φ150mm，外徑為Φ159mm，厚度為4.5mm，接管法蘭的標準見16-17（《化工設備機械基礎》華東化工學院出版社出版），法蘭直徑為M16，數量為8個，法蘭重量為6.12㎏。
開孔N2：出氣孔的基本尺寸以及法蘭與進氣孔相同。接管公稱直徑為Φ150mm，外徑為Φ159mm，厚度為4.5mm，接管法蘭的標準見16-17（《化工設備機械基礎》華東化工學院出版社出版），法蘭直徑為M16，數量為8個，法蘭重量為6.12㎏。
開孔N3：接管公稱直徑為Φ100mm，外徑為Φ108mm，厚度為4mm，接管法蘭的標準見16-17（《化工設備機械基礎》華東化工學院出版社出版），法蘭直徑為M16，數量為8個，法蘭重量為4.01㎏。
開孔N4：接管公稱直徑為Φ50mm，外徑為Φ57mm，厚度為3.5mm，接管法蘭的標準見16-17（《化工設備機械基礎》華東化工學院出版社出版），法蘭直徑為M16，數量為4個，法蘭重量為2.09㎏。
開孔N5：接管公稱直徑為Φ50mm，外徑為Φ57mm，厚度為3.5mm，接管法蘭的標準見16-17（《化工設備機械基礎》華東化工學院出版社出版），法蘭直徑為M16，數量為4個，法蘭重量為2.09㎏。
開孔M：接管公稱直徑為Φ500mm，外徑為Φ530mm，厚度為9mm，接管法蘭的標準見16-17（《化工設備機械基礎》華東化工學院出版社出版），法蘭直徑為M22，數量為20個，法蘭重量為27.7㎏。
開孔P：接管公稱直徑為Φ25mm，外徑為Φ35mm，厚度為3.5mm，接管法蘭的標準見16-17（《化工設備機械基礎》華東化工學院出版社出版），法蘭直徑為M12，數量為4個，法蘭重量為0.89㎏。
為了增強容器的強度需驗證是否需要補強。
4.2 容器的補強
開孔補強結構：壓力容器開孔補強常用的形式可分為補強圈補強、厚壁管補強、整體鍛件補強三種。
補強圈補強是使用最為廣泛的結構形式，它具有結構簡單、制造方便、原材料易解決、安全、可靠等優(yōu)點。在一般用途、條件不苛刻的條件下，可采用補強圈補強形式。但必須滿足規(guī)定的條件。
壓力容器開孔補強的計算方法有多種，為了計算方便，采用等面積補強法，即殼體截面因開孔被削弱的承載面積，必須由補強材料予以等面積的補償。當補強材料與被削弱殼體的材料相同時，則補強面積等于削弱的面積。補強材料采用16MnR。
補強范圍：有效補強區(qū)（即開孔應力集中區(qū)）
補強區(qū)寬度：B=2d
補強區(qū)外側高度：h1=[d（St-C）]/2或等于接管外伸高度，取二者中較小值
補強區(qū)內側高度：h2=[d（St-2C）]/2或等于接管內側高度，取二者較小值
式中：d—考慮腐蝕后的開孔直徑，等于開孔內徑加兩倍腐蝕裕度
St—接管的實際壁厚
C—壁厚附加量
⑴有效補強區(qū)內，可作為補強金屬截面面積A的計算
A=A1+A2+A3＋A4
式中：A—筒體或封頭承受內壓或外壓所需壁厚和壁厚附加量兩者之外的多余金屬
A4—在補強區(qū)內另外加的補強金屬截面面積
A1=(B-d)Φ[（S-C）-S0]
式中：Φ—焊縫系數，焊縫不通過開孔時，取Φ=1.0：焊縫通過開孔時，取Φ=0.85
A2—接管承受內壓或外壓所需要厚度和壁厚附加量兩者之外的多余金屬
A3=2h1（ St- St0-C）+2h2（St-2C）
式中：St0—接管的計算厚度
A3—在補強區(qū)內的焊縫截面面積
⑵開孔所削弱的金屬截面F的計算：
對于內壓容器：A=d×S0 ,其中S0為殼體開孔處計算壁厚，對于封頭S0的計算為：如果開孔位于以橢圓形封頭中心為中心80%封頭內徑范圍內，則S0=PK1Di/2[σ]t Φ，式中：K1—當量球體半徑系數
⑶等面積補強設計準則方程式
若A1+A2+A3 >A,則不需補強;若A1+A2+A3 ≤A，則需補強，要求有效補強金屬截面面積A4 ：A4 ≥A-(A1+A2+A3 )
N1：開孔接管，接管的實際外伸長度L=194mm，實際的內伸長度為0，接管焊接接頭系數F=1，接管材料選用20（GB8163）管材，接管的腐蝕裕量C=1.8mm，接管厚度負偏差C1r=0.562mm，接管材料的許用應力[σ]=130Mpa。開孔的計算厚度S=8.883mm，所以開孔銷所需的補償面積：A=S×d=8.883×159=1379mm2
接管的有效外伸長度h1=26.34mm，接管的有效內伸長度h2=o，殼體多余金屬面積A1=(B-d)Φ[（S-C）-S0]，代入數據得：A1=553.4mm2
接管多余金屬面積：A2=2h1（ St- St0-C）+2h2（St-2C）
代入數據得：A2=79.53mm2
補強區(qū)內的焊縫面積：A3=20.25mm2
則：A1+A2+A3=653.1mm2
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