【小型便携式乙炔气瓶的设计6100字（论文）】

４小型便携式乙炔气瓶的设计摘要：乙炔是重要的化学原料，乙炔气又名电石气，广泛应用于气焊和气切等方面。

随着现代科技和工业的发展，小型移动乙炔发生器停止了使用，并改变成溶解乙炔气瓶。

溶化乙炔的煤气瓶，因其具有节能、危险性小、安全性高、使用方便等优点，应用广泛。乙炔气瓶的制造构造种类有很多，有焊接气瓶、无缝气瓶、溶解乙炔气瓶等，在各个方面都有应用。

乙炔气瓶是全焊接结构，同时对工艺和性能有很多要求。本次的“20升小型便携式乙炔气瓶的设计”主要包含了筒体和封头的设计、附件的选择、焊接设计、材料选择、强度校核等知识。每一个步骤都按照标准进行，最终设计出合格的乙炔气瓶的过程。关键词：乙炔气瓶、设计、焊接目录TOC\o"1-2"\h\u30354引言 1192521乙炔气瓶结构设计简介 1138241.1乙炔容器瓶的结构组成及制造关键点 1183732乙炔气瓶材料的选择 290262.1乙炔气瓶材料的性能要求 2228662.2材料的确定 232272.3乙炔瓶筒体材料 344163圆筒的设计 328193.1圆筒的选择 374413.2设计参数的确定 3230433.3设计计算 4299584封头及密封装置 4216074.1封头的选择 463294.2封头的计算 440905附件选择 5325295.1螺栓 5172565.2法兰 597375.3密封装置设计 5315895.4法兰压紧面 5107935.5高压密封 6248435.6开孔补强 6239655.7支座 6115626强度校核 6297396.1测压 614196.2筒体轴向应力校核 775167确定焊缝与接头 8127677.1焊缝的数量和布置要求： 8304997.2焊接接头： 968777.3焊接接头的选择 985268焊接设计 1052598.1焊接工艺 10259048.2焊后处理及检验 1031090总结 1218875参考文献 1311978 15引言乙炔气瓶作为独特的压力容器，需要气瓶中填料。用来保存和运输乙炔，在化工行业中，乙炔气瓶被广泛使用。乙炔是无色、易燃的气体，其化学性质活泼，通过一定的反应，可以生产出许多化工生产中的重要原料，在不同领域中都对乙炔气体有大量的需求，所以乙炔气瓶的制造必不可少，对安全性的要求也越来越高，乙炔气瓶的设计也越来越完善。但是乙炔具有很高的危险性，所以设计的压力容器为特种设备。我国发展的这些年，通过国家对压力容器的重视，压力容器的生产方面有了显著提高，如果压力容器发生泄漏、损坏等，会造成不可估计的影响，同时压力容器的材料和结构种类太多，我们不能随意使用，所以要保证压力容器的质量，就要从设计开始把关，严格服从国际标准来设计，同时压力容器也脱离不了技术的支承。本次的“20升小型便携式乙炔气瓶的设计”就是按照国际标准，从应力分析，来设计筒体、封头以及附件等，再进行焊接等操作。通过强度校核对筒体和封头进行校核，只有合格才能通过设计，每一个步骤都要保证了气瓶的安全。1乙炔气瓶设计简介溶解乙炔气瓶是便于乙炔储藏和运输的压力容器，乙炔的气瓶和液化石油气瓶和氧气瓶有很多区别。乙炔的气瓶是实心的，其他两个都是空心的。在瓶子中使用多孔性固体石英钙进行填料。乙炔的气瓶里含有易熔栓，保证瓶壁的温度不超过一定的范围。温度超过范围的话，保险丝会融化，排出气体的压力会下降，保护气瓶防止爆炸。乙炔的气瓶上涂上白色的漆，显示着“乙炔”和“火不靠近”的红色文字。帽子固定在外面。阀门安装在瓶子的上部。阀下面有检修标记。检修标记在上面。根据《溶解乙炔气瓶的安全监察规程》的规定，乙炔气瓶每3年进行一次检查，不经过检查或不合格不能投入使用。1.1乙炔气瓶的结构组成及制造关键点1.1.1、组成主要部分由筒体、封头及附件（螺栓、支座）等组成。其中筒体、封头是乙炔气瓶制造的关键部分[1]。1.1.2、制造关键点关键点是筒体和封头的制造，椭圆形封头的材料是整块钢板，在油压机上，用凸凹模制作而成。筒体是用筒节焊接做成的。筒节用自动装置切断钢料，在切割之前先画线，筒体经过三卷板机的加工制成[2]。2乙炔气瓶材料的选择乙炔压力容器是全焊接结构，条件严格，过程要求高。乙炔的气瓶出现裂纹，会产生严重的后果。因此乙炔气瓶要保证安全。使用乙炔气瓶的钢材，要求焊接性、耐腐蚀性等，还需要有适应热处理的性质。为保证乙炔气瓶长时间安全运输，必须从材料入手，选择符合要求的钢材来制造乙炔气瓶。2.1乙炔气瓶材料的性能要求2.1.1焊接性要求由于气瓶制作中包含焊接，需要保证材料性能。C、S、P等元素是影响材料焊接性的重要成分，S和P元素会致使焊缝裂缝。所以在保证材料强度的同时，必须减少C、S、P的含量[3]。2.1.2强度的要求强度要求可通过钢材拉伸试验进行测量。现代工业对气瓶的工作压力要求高，强度低的钢材无法满足需求。所以钢板需要达到一定的厚度，同时加上厚度会给加工带来不便，也会造成资源浪费现象。为了解决这个矛盾，需要高强度材料。2.1.3塑性要求气瓶在制作过程中涉及冲压和弯曲等，气瓶材料需要高塑性。根据用钢标准，为了保证气瓶的整体性和强度要求，为了保证气瓶材料的制作方便，使用的钢材最低生长率要高于18%。2.1.4冲击韧度要求材料本身钢材缺口的冲击韧性越高，气瓶本身的耐脆性越强。为了确保气瓶的安全性，钢材要保证一定的冲击韧性。《压力容器用钢板》内容中提到，乙炔气瓶用钢板在常温下的V字形凹槽的冲击吸收不能低于34J。2.2材料的确定在乙炔气瓶的化学成分上，要注意碳、磷、硫等元素对气瓶的焊接是不利的，所以需要控制他们的含量。镍、锰、硅等元素，含量在一定区间内的时候对气瓶钢材的焊接是有利的，但含量也不宜过高。相关合金合适的元素范围[4]：C(0.03%~0.15%）、Si（0.05%~1.2%）、Mn（0.2%~1.16%）、S（0.006%~0.110%）、P（0.004%~0.170%）2.3乙炔瓶筒体材料元素含量CMnSiSP20R≤0.200.40~0.900.15~0.30小于0.030小于0.03516MnR≤0.201.20~1.600.20~0.55小于0.030小于0.035表1钢的元素含量根据元素含量的范围，压力容器选择16MnR作为气体瓶瓶体材料，因低合金的高强度，瓶颈用低碳钢20R，还有熔融。用16MnR钢塑性更好，气瓶的壁厚可以减少。16MnR的碳含量低，焊接性能好。乙炔气瓶的瓶颈和易熔座的压力比较小，对强度要求不高，使用16MnR和20R两种材料可以达到乙炔气瓶的要求标准。3圆筒的设计3.1圆筒的选择常见的圆筒包含单层式、圆筒层板包扎式、热套式、绕板式等。单层式的优点：圆筒整体性强，硬度高，可以保证筒体的强度要求。缺点：有设备要求、浪费多、有较大的纵、环焊缝，不便于后续操作。圆筒层板包扎式优点：设备要求低、可预防筒体出现裂纹、厚度较薄，力学性能良好，在使用过程中不会发生裂纹。缺点：操作过程繁琐，层板多导致层板浪费。热套式的优点是套合层数少，费用低、效益高，焊缝质量易达标。缺点：只使用于短筒，各个筒节之间都有较深焊缝，对筒体的整体性要求高，同时对制造也有很多要求。根据各个圆筒的优缺点，为了保证筒体的强度和整体性要求，同时又简单方便的筒体，筒体选择单层式圆筒。3.2设计参数的确定表2设计参数设计压力P设计温度t焊缝系数φ壁厚负偏差许用应力[σ]6Mpa50℃10.3mm189Mpa3.3设计计算3.3.1单层圆筒直径计算根据规定，压力容器的L/D=3~6，V=0.02m根据V=π(D/2)²h,D=204mm圆筒直径为204mm3.3.2壁厚计算设计厚度：δd=δ+C名义厚度：δn=δd+有效厚度：δe=δn-4封头及密封装置4.1封头的选择封头包含半球形、椭圆形、碟形、锥形封头等，乙炔气瓶选择椭圆形封头，椭圆封头的可以保证气瓶强度，不会产生突变，改善焊缝受力状况，且封头深度不高，易于冲压成型，适用于小型便携式气瓶。4.2封头的计算4.2.1尺寸设计在不同封头的对比中，选择受内压力均匀的椭圆形封头作为乙炔气瓶的封头，椭圆形封头设计计算；因为公称直径为204mm，厚度为6mm，椭圆形壳内直径Di根据材料为200mm曲面高度h：50mm，容积L=600mm，误差小于5%，所以设计合格4.2.2封头厚度计算设计厚度：δd=δ+C名义厚度：δn=δd+C有效厚度：δe=δn-C1图1椭圆形封头5附件选择5.1螺栓螺栓是法兰密封步骤中的重要部分，要求其整体性能和机械性能强。螺栓强度要求高，螺栓硬度材料比螺母高HB30以上。对于常温下的螺栓，螺栓选用低合金钢。5.2法兰法兰结构类型有整体式和松式法兰等，根据法兰标准，选用承插式发兰，因为此法兰适用于小尺寸管径，可用于压力偏高管道的导流。5.3密封装置设计螺纹连接和螺栓法兰连接等都是气瓶的密封装置，乙炔气瓶使用螺栓法兰连接，它是气瓶最好的密封方式，其整体性强、安装无特殊要求、操作简单。它的组成有法兰和螺栓等。垫片形状有平面形垫片、O形垫片、波形垫片，椭圆形垫片等选择平面形垫片。垫片的材料包含很多种类：铜、铝、低碳钢等。垫片选择低碳钢强度好，变形能力强同时弹性也满足需求。5.4法兰压紧面常用的压紧面有凹凸面、突面、环连接面等，因为凹凸压紧面装备时容易置于中间位置，垫片安装紧密，用于公称压力小于等于6.4mpa的法兰，所以法兰选择凹凸压紧面。5.5高压密封平垫密封是高压密封的首要选择，它相比较其他密封结构的优势是稳定、密封性能好，在常温常压和极端条件下也可保证密封性，同时整体性强，易操作，平垫密封需要加金属垫片才能保持其安全性能，在适和的范围下，平垫密封整体性强、制作简单、使用经验丰富，在小型气瓶和压力低的场合使用广泛，且安全可靠。5.6开孔补强由于乙炔气瓶上需要接管，所以开孔是必不可免的，开孔就需要在附近进行补强。选用厚壁接管补强，焊接成效明显，整体性强，装置简单，同时补强效果强。5.7支座支座可以支撑容器，并固定于某一位置的附件，种类也有很多包括立式容器支座（耳式、支承式等）。其中支承式易于设计，适用于高度不大且具有凸型封头的气瓶，乙炔气瓶采用支承式支座，选择材料Q345R。6强度校核6.1测压为了检测容器的宏观强度以及密封点和焊缝的密封情况。乙炔气瓶使用水压试验检测。查阅资料可知，试验压力为设计及压力的1.25倍，则η=1.25，所以，温度为50℃时，可知σ=σ可得试验压力：水压试验进行时的应力校核：50℃时屈服强度为，所以可知水压试验许用应力：>191.25MPa，所以合格。6.2筒体轴向应力校核由《化工机械手册》查表知，最大轴向应力应出现在跨中面，校核跨中面的应力。6.2.1筒体轴向弯矩计算由弯矩引起的轴向应力在圆筒中间的截面上，代入公式，可计算得到公式中，F表示支座反力，F=1469.4KN.Rm表示封头的长轴外半径，L表示封头切线距离，计算得L=650mmA表示封头切线到支座的中心线的距离，A=50mmhi表示封头短轴内半径，支座截面处弯矩，6.2.2轴向应力与校核圆筒中间横截面上，由压力以及轴向弯矩引起的轴向应力，最高点处：最低点处：支座圆筒截面最高点：=16.15MPa支座圆筒截面最低点：筒体轴向需用压缩应力：根据查阅GB150,B=76.25MPa6.2.3筒体和封头切向应力校核查表得知此时K3=0.924，而K4=0.325。已知圆筒中：MPa，因此圆筒切向剪应力的校核合格封头：MPa封头切向应力校核合格，。7焊缝与接头设计7.1焊缝的数量和布置要求：筒体是整块钢板制成，所以不需要与其他筒体焊接，封口和管板使用钢板整体。需要接合的情况下，密封件、管板的内径Di≤2200mm的情况下，焊接焊缝为一个。压力元件的主要焊接焊缝及其周边区域应避免焊接部件，开孔、焊缝、转角各个之间保证一定的角度。焊缝和开孔端中间的距离是开孔时实际气瓶壁厚的3倍以上，也就是18mm以上，图2是乙炔气瓶的焊接工程设计图。甲方案乙方案图2两种工艺方案简图甲方案使用环焊缝，瓶体强度差，安全性低，加工要求高，经济花费高；乙方案为垂直且长的纵焊缝，一块钢板加工制成，焊接方便，过程简单，效益高，所以乙方案更合理，乙炔气瓶选择乙方案。7.2焊接接头：根据书本所学知识的焊缝连接形式：筒间的环焊缝和板间的纵焊缝应该分别采用单面焊对接和双面焊对接接头[5]，气瓶的纵焊缝和环焊缝应分别采用全焊透双面焊对接和全焊透的双面对接接。7.3焊接接头的选择7.3.1筒体与封头的接头选择由于乙炔的气瓶是密封的整体容器，筒体和密封之间需满足强度，筒体和密封之间的焊接接头应采用对接接头。7.3.2封头与附件的接头选择封头与易熔座、法兰等之间常常是管板相接。为了乙炔气瓶设计的整体性和焊接性的安全，这个时候附件与封头之间不能常规的管板相接，应该采用角接接头来保证整体强度。综上所述，在乙炔气瓶的设计中，瓶颈、易熔座的焊接焊缝应采用角接焊缝。瓶体的环焊缝采用对接接头。7.3.3坡口的设计常规条件下，焊接厚度在7mm以下的钢材时，不需要设置坡口就得到满足要求的焊缝，保证两板之间有间隙，保证金属填满整个间隙，才能达到预期的焊接效果。钢板的厚度为6mm满足条件，所以不需要设置坡口[6]。7.3.4焊接结构设计本次板厚为6mm，属于薄板，所以不需要开坡口，只需要钢板之间保留间隙，筒体与瓶颈封头保留焊接间隙，保证焊接焊透，筒体与易容座之间不需开坡口[6]。8焊接设计8.1焊接工艺气瓶中部分（瓶颈、易熔座等）的焊缝可采用焊条电弧焊，操作过程简便，要求低，经济花费低。技术灵活，供应源充足。对位置没有特别要求，对钢材适普适性高，大部分钢都可以使用[7]。小型便携式乙炔气瓶的焊接量不多，筒体的环、纵向焊缝需要通过使用CO2气体保护焊。因为此工艺具有钢丝熔融效率高。生产率是焊接棒电弧焊接的两倍，焊接位置没有特别要求的同时，CO2可以冷却焊接部位，焊接变形较小，耐裂性好[8]。焊接棒电弧焊接用的焊接棒，种类可以分为碳钢和低合金的焊接棒等。由于需要对焊接的气瓶后长时间的热处理，其中金属的强度削弱。所以使用E7015级强度级比较强的低合金焊缝。焊接过后需要二保焊，那么所需气体CO2含量高于99.6%。要求焊缝的机械密封性能优秀的同时，要求焊丝含碳量不高于0.10%和含有一定的脱氧元素，必须要求选用H08Mn2Si[8]。 将需要的每一个工件整理出来，根据设备要求装配，再将各个需要的部位清洗干净，最后把焊机的检查与调试。8.2焊后处理及检验焊接后采取退火热处理方式来消除残余应力，先将材料加热，然后冷却，过程保证不用人为降热自行降温，处理后的材料便于加工，可以使材料更好的投入使用[9]。射线探伤采用X射线探伤，可以直观的看出瓶体是否有伤痕，对伤痕的表现明显易观察，且记录可以保存便于后期查阅，适用于厚度薄的容器且在压力容器中应用广泛，所以采取射线探伤对焊缝进行焊后检验。总结乙炔本身的危险性高，为了便于运输，常用压力容器来运输，这就涉及到压力容器的设计，这次毕业设计就是压力容器，我们需要从气瓶的尺寸设计开始入手，先是筒体和封头的尺寸，然后是对筒体和封头材料的选择，和一些附件的选择比如法兰、螺栓等再进行高压密封和强度校核保证强