液化石油气卧式储罐设计说明书

年4月19日液化石油气卧式储罐设计说明书文档仅供参考专业设计课程任务书学院材料科学与工程专业材料成型及控制工程设计题目80m3液化石油气卧式储罐设计设计条件表序号项目数值单位备注1名称液化石油气卧式储罐2用途储存3最高工作压力1.6MPa由介质温度确定4工作温度-19～50℃5公称容积(Vg)80M36设计压力1.77MPa7装量系数(φV)0.98工作介质液化石油气9材质Q345R卧式储罐结构设计结构设计:董显4625、刘玉琨4484二维结构与二维图纸:倪贝拓4637水压数值模拟:李高阳4479、张根红606卧式储罐焊接设计焊接工艺设计:杨嘉兴4495、申永成4486工艺卡及焊接设计图纸:魏启迪4492工程预算:宋厚467780m3液化石油气卧式储罐设计摘要液化石油气储罐是盛装液化石油气的常见设备,由于该气体具有易燃易爆的特点,因此在设计这种储罐时,要注意安全与防火,和在制造、安装等方面的特点。卧式储罐结构设计是以应力分析为主要途径,以材料力学为基础,对容器的各个主要受压部分进行设计。利用ANSYS软件对进行静力学应力、应变模拟分析,得出的应力作用下的较为精确详尽的储罐响应结果,直观的再现了储油罐在应力作用下的受力情况和薄弱环节,从为储罐的设计提供了可靠的依据。在焊接过程中,采用多层多道焊,选择合理的焊接工艺措施,如控制焊接电流、电弧电压,选择材料、破口形式、焊丝焊剂、焊条等,不但能控制结构的焊接变形和应力,而且能保证焊缝的组织和性能,有效提高压力容器的品质。另外,除第一层打底焊外,每层都要捶击消除应力,每道焊缝都要清渣,防止夹渣,焊缝要圆滑过渡,防止应力集中。同时,在工程预算方面,从原材料花费、焊接相关花费、人工费几个方面进行统计估算。关键词:卧式储罐,结构设计,模拟分析,焊接工艺,工程预算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专业设计课程任务书 1摘要 2ABSTRACT 3第一章设计参数的选择 61.1液化石油气参数的确定 61.2设计温度 61.3设计压力 61.4设计储量 71.5主要元件材料的选择 81.5.1筒体材料的选择 81.5.2鞍座材料的选择 81.5.3地脚螺栓的材料选择 8第二章容器的结构设计 92.1筒体和封头的设计 92.1.1筒体设计 92.1.2封头设计 92.3筒体厚度计算 102.4封头厚度计算 10第三章零部件的确定 123.1开孔和选取法兰分析 123.1.1人孔的设计 123.1.2接管和法兰 133.1.3垫片 153.1.4螺栓(螺柱)的选择 153.1.5液位计的设计 163.2鞍座选型和结构设计 173.2.1鞍座选型 173.2.2鞍座位置的确定 183.3开孔补强 193.3.1补强及补强方法判别 193.3.2开孔所需补强面积 203.3.3有效补强范围 203.3.4有效补强面积 21第四章应力校核 234.1圆筒轴向弯矩计算 234.1.1圆筒中间截面上的轴向弯矩 234.1.2支座截面处的弯矩 244.2圆筒轴向应力计算并校核 254.2.1圆筒中间截面上的轴向应力 254.2.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算并校核 254.2.3圆筒轴向应力校核 264.3切向剪应力的计算及校核 264.4鞍座应力计算并校核 274.5地震引起的地脚螺栓应力 294.5.1倾覆力矩计算 294.5.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力 304.5.3由地震引起的地脚螺栓剪应力 30第五章水压数值模拟 315.1设定分析作业名和标题 315.1.1定义工作文件名 315.1.2定义工作标题 315.1.3更改工作文件储存路径 315.1.4定义分析类型 315.2实体建模 315.2.1生成椭圆封头截面 315.2.2建立椭圆局部坐标系 315.2.3生成成容圆柱部分截面 315.2.4生成1/4罐体 325.2.5工作平面旋转 325.2.6激活总体直角坐标系,映射几何体 335.3网格划分 335.3.1定义单元类型 335.3.2选择单元体 335.3.3定义材料属性 335.3.4切分容器罐模型 345.3.5自定义网格 345.4添加位置约束 355.4.1设计压力为1.77MPA的模拟过程 355.4.2最高工作压力为1.6MPA的模拟过程 365.5求解 375.6后处理查看变形图 375.6.1设计压力为1.77MPA的后处理模拟 375.6.2最高工作压力为1.6MPA的后处理模拟 415.7结论 45第六章焊接工艺参数的选择 466.1母材焊接性 466.2母材碳当量估测 46第七章焊接方法的选择 477.1焊接方法的选择 477.2焊接设备 477.2.1手弧焊机 477.2.2埋弧焊机 48第八章焊接材料选择 508.1焊接材料选用原则 508.2焊条电弧焊焊接材料 518.3埋弧焊焊接材料选择 518.3.1焊丝的选择 518.3.2焊剂的选择 52第九章焊接工艺参数的选择 539.1埋弧焊工艺参数的选择 539.1.1焊接电流 539.1.2电弧电压 539.1.3焊接速度 539.1.4焊丝直径与伸出长度 539.1.5其它 539.2焊条电弧焊焊接工艺参数选择 549.2.1确定焊条直径 549.2.2焊接电流的确定 549.2.3焊接电压的确定 559.2.4焊接速度V的确定 559.2.5层数的确定 559.2.6焊钳,焊接电缆的确定 56第十章焊接顺序 5710.1焊缝位置及说明 5710.2焊接顺序 58第十一章焊接工艺 5911.1铁板弯曲成筒的焊接焊缝 5911.1.1工艺要求 5911.1.2工艺顺序 5911.2筒体环向焊缝 6011.2.1工艺要求 6011.2.2工艺顺序 6011.2.3焊接操作 6011.3法兰与接管焊缝 6111.4筒体与接管焊缝 63第十二章焊材的消耗及造价 6512.1原材料花费 6512.2焊接相关花费 6512.3人工花费 6612.4工程预算表 66第十三章焊接工艺实施阶段 6813.1焊前准备 6813.2成型 6813.2.1筒体成型(卷板) 6813.2.2封头 6913.3焊后处理 7013.3.1检验 7013.3.2技术要求 7013.3.3焊后热处理 7113.3.4涂装 7113.3.5返修 71结论 72参考文献 73谢辞 74

第一章设计参数的选择1.1液化石油气参数的确定液化石油气的主要组成部分由于石油产地的不同,各地石油气组成成分也不同。取产自新疆克拉玛依油田的液化石油气,其具体成分如下:表1.1液化石油气组成成分组成成分异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷乙炔各成分百分比0.012.2547.323.4821.963.791.190.02对于设计温度下各成分的饱和蒸气压力如表1.2:表1.2各温度下各组分的饱和蒸气压力温度,℃饱和蒸汽压力,MPa异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戊烷正戊烷乙炔-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设计温度根据本设计工艺要求,使用地点为天津市的室外,用途为液化石油气储配站工作温度为-19~50℃,介质为易燃易爆的气体。从表中我们能够明显看出,温度从50℃降到-25℃时,各种成分的饱和蒸气压力下降的很厉害,能够推断,在低温状态下,由饱和蒸气压力引起的应力水平不会很高。由上述条件选择危险温度为设计温度。为保证正常工作,对设计温度留一定的富裕量。因此,取最高设计温度t=50℃,最低设计温度t=﹣25℃。根据储罐所处环境,最高温度为危险温度,因此选t=50℃为设计温度。1.3设计压力该储罐用于液化石油气储配供气站,因此属于常温压力储存。工作压力为相应温度下的饱和蒸气压。因此,不需要设保温层。根据道尔顿分压定律,我们不难计算出各种温度下液化石油气中各种成分的饱和蒸气分压,如表1.3:表1.3各种成分在相应温度下的饱和蒸气分压温度,℃饱和蒸气分压,MPa异辛烷乙烷丙烷异丁烷正丁烷异戍烷正戍烷乙烯-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有上述分压可计算再设计温度t=50℃时,总的高和蒸汽压力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)因为:P异丁烷(0.2)<P液化气(1.25901)<P丙烷(1.744)设计压力为1.77MPa,最高工作压力为1.6MPa。1.4设计储量参考相关资料,石油液化气密度一般为500-600Kg/m3,取石油液化气的密度为510Kg/m3,盛装液化石油气体的压力容器设计储存量为:表1.4液化石油气主要成分在50℃的密度Kg/m3温度℃丙烷异丁烷正丁烷50446520542参考化工原理:(1.2)故设计存储量为:W=øVρt=0.9×80×510=36720t(1.3)1.5主要元件材料的选择1.5.1筒体材料的选择选用筒体材料为Q345R鞍座地脚螺栓均选用Q345R的材料1.5.2鞍座材料的选择该卧式容器采用双鞍座式支座,根据工作温度为-19~50℃,按国家标准JB/T4712.1-选择鞍座材料为Q345R,使用温度为-20~250℃,许用应力为[σ]sa=185MPa。1.5.3地脚螺栓的材料选择根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷,选择合适的螺柱材料。计算螺栓直径与个数,按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345R。

第二章容器的结构设计2.1筒体和封头的设计对于承受内压,且设计压力Pc=1.77MPa<4MPa的压力容器,根据<化工工艺设计手册>常见设备系列,采用卧式椭圆形封头容器。2.1.1筒体设计查GB150-1998为了有效的提高筒体的刚性,一般取L/D=3~6,为方便设计,此处取L/D=4(2.1)(2.2)由(2.1)(2.2)连解得:D=3000mm2.1.2封头设计查标准JB/T4746-<钢制压力容器用封头>中表B.1EHA椭圆形封头内表面积、容积得:表2.1EHA椭圆形封头内表面积、容积公称直径DN/mm总深度H/mm内表面积A/容积/300079010.13293.8170图2.1椭圆形封头由2V+L/4=V=80(2.3)得L=11000mm则L/D=3.67>3(2.4)符合要求。则v计=v筒+2×v封=L/4+2×v封=87.63m3(2.5)根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性,存放温度为-19~50℃,最高工作压力等条件。根据GB150-表4.1,选用筒体材料为低合金钢Q345R(钢材标准为GB713)选用Q345R为筒体材料,适用于介质含有少量硫化物,具有一定腐蚀性,壁厚较大(≥8mm)的压力容器。Q345R钢板,根据GB150,初选厚度为6~20mm,最低冲击试验温度为-20℃,热轧处理,[σ]=185Mpa;面焊接;钢板负偏差由<化工设备机械基础>表14.5查得:腐蚀裕量由GB150.1-4-查得:考虑容器运输和安装过程中的稳定性,壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度:a)对碳素钢、低合金钢制容器,不小于3mm;b)对高合金钢制容器,一般应不小于2mm。本筒体材料Q345R为碳素钢,则壁厚附加量C=0.8+3=3.8mm。(2.6)2.3筒体厚度计算根据介质的易燃易爆、有毒、有一定的腐蚀性等特性,存放温度为-20~48℃,最高工作压力等条件。根据GB150-1998表4.1,选用筒体材料为低合金钢Q345R,适用于介质含有少量硫化物,具有一定腐蚀性,壁厚较大(≥8mm)的压力容器。根据GB150,初选厚度为6~25mm,最低冲击试验温度为-20℃,热轧处理。由GB150附录B中的式(B.1)可知筒体的计算公式为:(2.7)(2.8)对Q345R,钢板负偏差,可取名义厚度2.4封头厚度计算根据GB150封头厚度计算公式(5.1)可知:(2.9)(2.10)对Q345R,钢板负偏差,为便于取材可取封头名义厚度

第三章零部件的确定3.1开孔和选取法兰分析液化石油气储罐应设置排污口,出液口,进液口,人孔,液位计口,温度计口,压力表口,安全阀口,排空口等。图3.1液化石油气储罐结构图3.1.1人孔的设计查<压力容器与化工设备实用手册>,因筒体长度11000mm>6000mm,需开两个人孔,选回转盖带颈平焊法兰人孔。由使用地为室外,确定人孔的公称直径DN=500mm,以方便工作人员的进入检修。配套法兰与上面的法兰类型相同,根据HG/T21518-回转盖带颈平焊法兰人孔,查表3.1,由PN=2.5MPa选用凹凸面的密封形式MFM,采用8.8级35CrMoA等长双头螺柱连接。其明细尺寸见表3.1:表3.1人孔尺寸表单位:mm密封面型式凹凸面MFMD7304330公称压力PN/MPa2.566048螺柱数量20公称直径DN500280A405螺母数量40123B200螺柱尺寸M33x2x170d506b44L300总质量302图3.2回转盖带颈平焊法兰人孔3.1.2接管和法兰根据设计压力PN=1.77MPa,查HG/T20592-97<钢制管法兰>,选用PN=2.5MPa板式平焊钢制管法兰(PL),由介质特性和使用工况,查密封面型式的选用。选择密封面型式为平面,压力等级为1.0~4.0MPa,接管法兰材料选用Q345R。根据各接管公称通径,查得各法兰的尺寸如下表3.2:图3.3板式平焊钢制管法兰表3.2接管及法兰尺寸序号名称公称通径DN钢管外径B连接尺寸法兰厚度C法兰高度H法兰颈法内兰径B1坡口宽度b法兰理论质量Kg法兰外径DD螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺栓通径a液位计口3238140100188M161830603952.02b放气管8089200160188M1624401189164.86c安全阀口8089200160188M164401189164.86d排污口8089200160188M1624401189164.86e液相出口8089200160188M1624401189164.86f液相回流管8089200160188M1624401189164.86g液相进口8089200160188M1624401189164.86h气相管8089200160188M1624401189164.86i压力表口202510575144M121626452641.03j温度计口202510575144M121626452641.033.1.3垫片查HG/T20592-20635-<钢制管法兰、垫片、紧固件>,知板式平焊钢制法兰的尺寸,根据设计压力为Pc=1.77MPa,采用金属包覆垫片,选择法兰的密封面均采用平面密封。金属材料为纯铝板L3,标准为GB/T3880,最高工作温度200℃,最大硬度40HB。填充材料为非石棉纤维橡胶板,代号为NAS,最高工作温度为290℃。得对应垫片尺寸如表3.3:图3.4平面型垫片表3.3垫片尺寸符号管口名称公称直径DN(mm)内径D1(mm)外径D2(mm)厚度δ(mm)a液位计口3261.5823b放气管80109.51423c安全阀80109.51423d排污口80109.51423e液相出口80109.51423f液相回流管80109.51423g液相进口80109.51423h气相管口80109.51423i压力表2045.5613j温度计2045.56133.1.4螺栓(螺柱)的选择根据密封所需压紧力大小计算螺栓载荷,选择合适的螺柱材料。计算螺栓直径与个数,按螺纹和螺栓标准确定螺栓尺寸。选择螺栓材料为Q345R。查HG/T20592-20635-200<钢制管法兰、垫片、紧固件>得螺柱的长度和平垫圈尺寸,如下表3.4:表3.4螺栓尺寸符号管口名称公称直径(mm)螺纹螺柱长(mm)a液位计口32M1685b放气管80M16100c安全阀80M16100d排污口80M16100e液相出口80M16100f液相回流管80M16100g液相进口80M16100h气相管口80M16100i压力表口20M1280j温度计20M1280图3.5双头螺柱图3.6螺母3.1.5液位计的设计根据容器的工作温度-19~50℃,设计压力Pc=1.77MPa,介质密度,查<化工容器及设备设计简明手册>,玻璃管液面计适用工作工作压力小于1.6MPa,并不满足工作的需求,因此选用价格稍高的磁性液面计,根据测量范围300~10000mm,工作压力:(高压型)<4.0MPa,介质温度:(标准型)-20~150℃,介质密度,选择了L5770T顶装式的磁性液面计。根据法兰标准和液面计的型号标准综合考虑,选用公称直径为φ32的液面计,其接管法兰也用公称直径为φ32的平面法兰,其尺寸与压力表连接法兰一致。图3.7磁性液面计3.2鞍座选型和结构设计3.2.1鞍座选型该卧式容器采用双鞍座式支座,根据工作温度为-19~50℃按JB/T4731-表5.1选择鞍座材料为Q345R,许用应力为[σ]sa=185MPa。估算鞍座的负荷:计算储罐总重量m=m1+2m2+m3+m4。其中:m1为筒体质量:对于Q345R普通碳素钢,取ρ=7.85×103kg/m3∴m1=πDLδ×ρ=π×3×11×20×103×7.85×103=16268.34kg(3.1)m2为单个封头的质量:查标准JB/T4746-<钢制压力容器用封头>中标B.2EHA椭圆形封头质量,可知m2=πDLδ×ρ=1564.1kg(3.2)m3为充液质量:ρ液化石油气<ρ水故m3(max)=ρ水×V=1000×V=1000×80=80000kg(3.3)m4为附件质量:选取人孔后,查得人孔质量为331kg,其它接管质量总和估为400kg。综上述:总质量m=m1+2m2+m3+m4=16268.34+2×1564.1+80000+331×2+400=100458.54kg。(3.4)∴每个鞍座承受的重量为G/2=mg/2=(100458.54×9.8)/2=492.25kN。(3.5)由此查JB4712.1-容器支座。选取轻型,焊制A,包角为120°,有垫板的鞍座.,筋板数为6。查JB4712.1-表得鞍座尺寸如表3.6,示意图如下图3.7:表3.6鞍座支座结构尺寸公称直径DN3000腹板δ210垫板b4660允许载荷Q/kN785筋板l3340δ412鞍座高度h250b2316e120底板l12180b3410螺栓间距l21940b1360δ310螺孔/孔长D/l28/60δ116弧长3490重量kg462图3.8鞍座3.2.2鞍座位置的确定因为当外伸长度A=0.207L时,双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等,从而使上述两截面上保持等强度,考虑到支座截面处除弯矩以外的其它载荷,面且支座截面处应力较为复杂,故常取支座处圆筒的弯矩略小于跨距中间圆筒的弯矩,一般取尺寸A不超过0.2L值,为此中国现行标准JB4731<钢制卧式容器>规定A≤0.2L=0.2(L+2h),A最大不超过0.25L.否则由于容器外伸端的作用将使支座截面处的应力过大。由标准椭圆封头(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)由于接管比较多,因此固定支座位于储罐接管较多的左端。另外,由于封头的抗弯刚度大于圆筒的抗弯刚度,故封头对于圆筒的抗弯刚度具有局部的加强作用。若支座靠近封头,则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面的加强作用。因此,JB4731还规定当满足A≤0.2L时,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)综上述:A=755mm图3.9鞍式支座卧式容器3.3开孔补强:3.3.1补强及补强方法判别强判别根据<化工设备设计>表知,允许不另行补强的最大接管外径为,按HG/T21518-,选用回转盖带颈平焊法兰人孔,开孔外径等于530mm,需另行考虑其补强。2.补强计算方法判别设:厚度附加量c=3mm开孔直径d=di+2c=500+2×3=506mm(3.11),(3.12)满足等面积法开孔补强计算的使用条件,故可采用等面积法进行开孔补强计算。3.3.2开孔所需补强面积1.筒体计算厚度(3.13)接管和筒体材料选用Q345R号钢,接管厚度δnt=12mm,许用应力[δ]t=185MPa,筒体厚度δn=20mm,许用应力[δ]t=185MPa,故强度削弱系数:(3.14)故取强度削弱系数。根据GB150-中,=506×14.42=7296.52mm2(3.15)3.3.3有效补强范围1.有效宽度B的确定按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.有效高度的确定(1)外侧有效高度的确定根据GB150中式8.8,得:(3.19)(3.20)h1=max(h1’,h1”)=280mm(3.21)(2)内侧有效高度的确定根据GB150-中式8.9,得:(3.22)h2"=0(3.23)(3.24)3.3.4有效补强面积根据GB150中式8.10~式8.13,分别计算如下:Ae=A1+A2+A3(3.25)1.筒体多余面积

(3.26)2.管的多余面积接管计算厚度:(3.27)(3.28)3.焊缝金属截面积焊角取6.0mm(3.29)4.有效补强面积2因为,因此开孔需另行补强。(3.30)补强圈设计:根据JB/T4736-取补强圈外径D’=840mm。因为B>D’,因此在有效补强范围。补强圈内径d’=530+10=540mm(3.31)补强圈厚度:(3.32)圆整取名义厚度为16mm。根据GB-150,JB/T4736-,补强圈焊接形式——D型,如图3.9,尺寸如表3.7:D1=d0+(6～12)(3.33)图3.10补强圈焊接形式表3.7补强圈补强接管公称直径DN/mm外径D2/mm内径D1/mm厚度()/mm重量/Kg5008405401641.5图3.11开孔补强

第四章应力校核4.1圆筒轴向弯矩计算4.1.1圆筒中间截面上的轴向弯矩圆筒的平均半径Ra=Di/2+δn/2=1510mm,座反力F=497kN根据JB/T4731-式(7.2)得:=(4.1)化简得:M1=F(C1L-A)(4.2)其中C1=(4.3)Mi=F(C1L-A)=884.7kN·m(4.4)其中,剪力弯矩图如下图4.1所示(圆筒轴向最大弯矩位于圆筒中间截面或鞍座平面上):图4.1容器载荷、支座反力、剪力及弯矩图4.1.2支座截面处的弯矩根据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圆筒轴向应力计算并校核4.2.1圆筒中间截面上的轴向应力根据JBT4731-中的式(7.4)和(7.5)分别计算截面最高点和最低点应力:计算截面最高点(压应力)σ1===56.49MPa(4.9)计算截面最低点(拉应力)σ2==76.26MPa(4.10)4.2.2由压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算并校核鞍座平面上,由压力及轴向弯矩引起的轴向应力,根据JBT4731-中的式(7.6)和(7.7),按下式计算:1.当圆筒在鞍座平面上或靠近鞍座处有加强圈或被封头加强(即)时,轴向应力位于横截面最高点处.取鞍座包角,查JBT4731-表7.1得,.则:鞍座横截面最高点轴向应力(拉应力)σ3===68.62MPa(4.11)2.在横截面最低点处的轴向应力鞍座很截面最低点处轴向应力(压应力)σ4===64.13MPa(4.12)图4.2支座处圆筒轴向应力位置4.2.3圆筒轴向应力校核根据JBT4731-中的式(4.3)可知:A==1.25×10-3(4.13)根据JBT4731-中的式(4.4)和查<过程设备设计>得,则B=EA=×2×105×1.25×10-3=166.67Mpa(4.14)压应力不应超过[σ]tcr=min([σ]t,B)=min(0.8×166.67)=133.33MPa(4.15)在操作工况条件下,轴向拉应力不得超过材料在设计温度下的许用应力φ[σ]t,压应力不应超过轴向许用临界应力[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)在水压试验条件下,轴向拉应力不得超过0.9φRel=0.9×0.9×185=149.85MPa(4.18)压应力不应超过min{0.8Rel,B}=min{0.8×185,166.67}=149.85MPa(4.19)σ1,σ2＜[σ]t=166.67MPa合格(4.20)压应力:|σ1|,|σ4|<[σ]tcr=133.33MPa合格(4.21)

σT<[σ]cr=133.33MPa合格(4.22)4.3切向剪应力的计算及校核因A≤0.5Rm,带来的加强作用,根据包角θ=120°查JB/T4731-中表7.2得K3=0.88,K4=0.401,其最大剪应力位于2Δ=2(θ/2+β/20)的支座角点处。根据JB/T4731-中式(7.9)得τ=K3=0.88×=14.58MPa(4.23)圆筒的切应力不应超过设计温度下的许用应力的0.8倍。即τ≤0.8[σ]t=0.8×185=148MPa合格(4.24)根据JB/T4731-中式(7.10)得圆筒被封头加强()时,其最大剪应力τh=K4=0.401×=6.64MPa(4.25)根据JB/T4731-中式(7.12),由内压引起的拉伸应力(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鞍座应力计算并校核1.水平应力由包角θ=120°,查JB/T4731-表7.5可知,K9=0.204根据JB/T4731-中式(7.25)得水平分力Fs=K9F=0.204×497=101.39kN(4.28)2.腹板水平拉应力计算高度Hs=min(H,Ra/3)=min(250,)=250mm(4.29)鞍座腹板厚度b0=10mm鞍座实际宽度b4=430mm,鞍座垫片有效宽度b2=b+1.56=631mm,鞍座有效断面平均应力,对于无垫板或者垫板不起加强作用的情况。根据JB/T4731-中式(7.26)得σ9===64.056MPa(4.30)3.应力校核对于Q345R鞍座材料的许用应力[σ]sa=185MPaσ9=64.056<[σ]sa=123.3MPa合格(4.31)4.板组合截面应力计算及校核圆筒中心线至基础表面距离:(4.32)根据JB/T4731-中表7.6,地震强度为7度(0.1g)时,水平地震影响系数则轴向力(4.33)钢底板对水泥基础的静摩擦系数则(4.34)筋板面积:A1=b2+δ3=316+10=326mm(4.35)腹板面积:(4.36)(4.37)(4.38)(4.39)则:(4.40)(4.41)(4.42)(4.43)(4.44)腹板与筋板组合截面断面系数:(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地震引起的地脚螺栓应力4.5.1倾覆力矩计算(4.51)4.5.2由倾覆力矩引起的地脚螺栓拉应力根据下面方程计算(4.52)其中n为承受倾覆力矩的地脚螺栓个数,;为筒体轴线两侧的螺栓间距;为每个地脚螺栓的横截面面积,;则(4.53)取载荷系数,,则(4.54)由于,因此强度符合要求。4.5.3由地震引起的地脚螺栓剪应力根据JB/T4731-第2节中式7-35计算(4.55)其中为承受剪应力的地脚螺栓个数,;(4.56)则(4.57)(4.58)由于故符合强度要求。

第五章水压数值模拟5.1设定分析作业名和标题5.1.1定义工作文件名执行File-ChangJobname,定义文件名为tank。5.1.2定义工作标题执行File-ChangeTitle,定义标题为TheTankModel。5.1.3更改工作文件储存路径执行File-ChangDirector。5.1.4定义分析类型执行MainMenu-Preferences。5.2实体建模5.2.1生成椭圆封头截面生成4个关键点:执行MainMenu-Preferences-Modeling-Create-Keypoint上-InActiveCS命令,输入4个关键点坐标。将工作平面移动4.5个单位距离,执行UnitityMenu-Workplain-OffsetWPbyIncrements命令。5.2.2建立椭圆局部坐标系创立椭圆线,拾取关键点连线,生成椭圆封头截面。5.2.3生成成容圆柱部分截面执行MainMenu-Preferences-Modeling-Create-Rectangle-ByDimensions命令.合并两个界面上的重合关键点。5.2.4生成1/4罐体执行MainMenu-Preferences-Modeling-Operate-Extrude-Areas-AboutAxis命令,拾取关键点,旋转180度。生成结果如图5.1。图5.15.2.5工作平面旋转将工作平面旋转90度,工作平面与直角坐标系重合,创立空心圆柱体,执行所有几何体互分运算,打开体编号,删除多余的体,生成结果如图5.2。图5.25.2.6激活总体直角坐标系,映射几何体执行MainMenu-Preferences-Modeling-Reflect-Volumes命令,拾取几何体,分别沿X-Zplane、X-Yplane旋转,合并几何体边界上的重合关键点,生成结果如图5.3。图5.35.3网格划分5.3.1定义单元类型5.3.2选择单元体执行MainMenu-Preprocessor-ElementType-Add弹出ElementType对框,选择brick8node185单元体。5.3.3定义材料属性执行Mainmenu-Preprocessor-MaterialProps-Materialmodels,在Definematerialmodelbehavior对话框中,双击Structual-Linear-Elastic-Isotropic。依次单击Structural-Linear-Elastic-Isotropic,展开材料属性的树形结构。打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框,在对话框的EX文本框中输入弹性模量2.06e11,在PRXY文本框中输入泊松比0.3。5.3.4切分容器罐模型MainMenu-Preferences-Modeling-Operate-Booleans-Divide-VolubyWorkPlabe命令,出现拾取框,单击PickAll按钮,完成切分,生成结果如图5.4。图5.45.3.5自定义网格执行MainMenu-Preprocessor-meshing-MeshTool命令,打开MeshTool(网格工件)自定义网格形式,单击Global域Set按钮,打开选择对话框,在GlobalElementSizes对话框中输入0.1,单击OK按钮,回到工具栏,在Mesh工具栏中选择Sweep选项,弹出VolumeSweeping拾取框,在对话框中选择PickAll,ANSYS网格划分结果如图5.5。图5.55.4添加位置约束本次模拟将针对压力容器罐在设计压力1.77MPA和最高工作压力1.6MPA两种载荷情况下进行分析。5.4.1设计压力为1.77MPA的模拟过程1.设定分析类型设定分析类型为系统默认的稳态分析。2.创立群组把容器罐内壁表面创立为一个群组。3.施加约束条件执行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Displacement-onLines出现选择对话框,选择最下端的容器内部的四条线线,单击OK按钮出现ApplyU,ROTonLines对话框,在Lab2的选择栏中选择AllDOF按钮,即约束三个方向上的自由度,单击OK按钮。4.施加载荷执行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Pressure-OnAreas命令,弹出对话框,在VALUE对话框中输入1.77E6,单击OK按钮。施加完成,载荷与约束后如图5.6。图5.65.4.2最高工作压力为1.6MPA的模拟过程1.设定分析类型设定分析类型为系统默认的稳态分析。2.创立群组把容器罐内壁表面创立为一个群组。3.施加约束条件执行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Displacement-onLines出现选择对话框,选择最下端的容器内部的四条线线,单击OK按钮出现ApplyU,ROTonLines对话框,在Lab2的选择栏中选择AllDOF按钮,即约束三个方向上的自由度,单击OK按钮。4.施加载荷执行Mainmenu-Solution-DefineLoad-apply-structural-Pressure-OnAreas命令,弹出对话框,在VALUE对话框中输入1.77E6,单击OK按钮。施加完成,载荷与约束后如图5.7。图5.75.5求解执行Mainmenu-Solution-Solve-CurrentLS,求解。5.6后处理查看变形图5.6.1设计压力为1.77MPA的后处理模拟1.查看容器罐变形情况执行MainMenu-General-Postproc-PlotResults-DeformedShape对话框,选择Def+undefedge,单击OK,即输出变形图如图5.8。图5.8根据变形图能够得到最大位移DMX=0.0000162m从变形图能够看出,储油罐发生横向收缩,结果与预期的估计相一致,储油罐能够安全使用。2.查看容器罐位移云图执行MainMenu-General-Postproc-PlotResults-ContourPlot-NodaSolu命令,弹出选择框,依次选择NodaSolution-DOFsolution-Displacementvectorsum,单击OK按钮,位移云图如图5.9。图5.93.查看Mises应力执行MainMenu:GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-Nodal命令对话框,打开对话框依次选择NodaSolution-Stress-vonMisesstress,然后单击OK按钮,生成结果如图5.10。图5.10根据应力图能够得到最大应力SMX=0.141×108pa=14.1Mpa最小应力SMN=1260.84pa=0.00126084Mpa最大变形DMX=0.0000162m从应力云图能够看出,在储油罐接管处,由于存在结构不连续,发生微小应力集中现象,结果与预期的估计相一致,储油罐能够安全使用。4.等比例显示执行UnitityMenu-PlotCctrs-Style-DisplacementScaling命令,弹出对话框,在框中选择项中选择1.0(truescale),然后单击OK按钮,生成的结果即正式的变形图如图5.11。图5.115.查看三维立体图从应用菜单中选择UtilityMenu:PlotCtrls>Style>SymmetricExpansion>2DAxi–Symmetric命令,打开2DAxi-Symmetric对话框,分别选择Allexpansion和Noexpansion,单击OK按钮,生成结果如图5.12、图5.13。图5.12图5.135.6.2最高工作压力为1.6MPA的后处理模拟1.查看容器罐变形情况执行MainMenu-General-Postproc-PlotResults-DeformedShape对话框,选择Def+undefedge,单击OK,即输出变形图如图5.14。图5.14根据变形图能够得到最大位移DMX=0.0000147m从变形图能够看出,储油罐发生横向收缩,结果与预期的估计相一致,储油罐能够安全使用。2.查看容器罐位移云图执行MainMenu-General-Postproc-PlotResults-ContourPlot-NodaSolu命令,弹出选择框,依次选择NodaSolution-DOFsolution-Displacementvectorsum,单击OK按钮,位移云图如图5.15。图5.153.查看Mises应力执行MainMenu:GeneralPostproc-PlotResults-ContourPlot-Nodal命令对话框,打开对话框依次选择NodaSolution-Stress-vonMisesstress,然后单击OK按钮,生成结果如图5.16。图5.16根据应力图能够得到最大应力SMX=0.127×108pa=12.7Mpa最小应力SMN=1139.69pa=0.00113969Mpa最大变形DMX=0.0000147m从应力云图能够看出,在储油罐接管处,由于存在结构不连续,发生微小应力集中现象,结果与预期的估计相一致,储油罐能够安全使用。4.等比例显示执行UnitityMenu-PlotCctrs-Style-DisplacementScaling命令,弹出对话框,在框中选择项中选择1.0(truescale),然后单击OK按钮,生成的结果即正式的变形图如图5.17。图5.175.查看三维立体图从应用菜单中选择UtilityMenu:PlotCtrls>Style>SymmetricExpansion>2DAxi–Symmetric命令,打开2DAxi-Symmetric对话框,分别选择Allexpansion和Noexpansion,单击OK按钮,生成结果如图5.18、图5.19。图5.18图5.195.7结论经过有限元对储油罐进行了三维静力学分析,理论计算结果与有限元分析结果基本一致,符合储油罐的设计满足安全要求。根据位移图分析可得,最大位移为0.0162mm。根据应力图分析可得,压力容器罐在设计压力1.77MPA和最高工作压力1.6MPA两种载荷情况下最大应力为14.1MPA和12.7MPA,压力容器满足强度,储油罐能够安全使用。

第六章焊接工艺参数的选择6.1母材焊接性根据9月1日实施的<GB713-锅炉和压力容器用钢板>Q345R是普通低合金钢,是锅炉压力容器常见钢材。交货状态分:热轧或正火,属低合金钢,其塑性、焊接性及加工工艺性能良好,且质量稳定,可用于-40℃以下寒冷地区的各种结构。性能与16Mn的(16mm钢板的屈服强度大于345Mpa)性能相近,抗拉强度为(510-640)之间,伸长率大于21%,零度V型冲击功大于34J。Q345R工艺参考标准GB713-。作为屈服强度为340MPa级的压力容器专用板,它具有良好的综合力学性能和工艺性能。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板16Mn钢,除抗拉强度、延伸率要求比16Mn钢有所提高外,还要求保证冲击韧性。由于加入了少量合金元素,Q345R钢的冷裂纹倾向较大,因此在较低温度下或刚性大、壁厚结构的焊接时,需要考虑采取预热措施,预防冷裂纹的产生。另外,由于加入的合金元素能细化晶粒,大大提高了钢的韧性,钢的综合机械性能得到较大提高。当前,它是中国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。6.2母材碳当量估测碳当量=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%式中:C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为钢中该元素含量。随着碳当量的增加,钢材的焊接性会变差,一般当碳当量小于0.4%时,不需要预热(板厚太大时也得预热)。当碳当量值大于0.4%—0.6%时,冷裂纹的敏感性将增大,焊接时需要采取预热。Q345R是C<0.2%的一种低合金钢,查表得出化学成分表6.1Q345R化学成分元素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计算Ceq=0.49%,大于0.45%,可见Q345R钢焊接性能不是很好,需要在焊接时制定严格的工艺措施。

第七章焊接方法的选择7.1焊接方法的选择手工电弧焊的优点:焊接设备价格低,简单;焊条品种齐全,能够焊接多种不同的金属,包括最常见的金属和合金;在狭窄空问焊接的场合,采用手工电弧焊比较方便、实用;对于同样的焊接设备,采用不同的电流设置,获得满足使用要求的焊缝;适合各种位置的焊接;与气体保护焊相比,不易受到风的影响;对焊接金属的最大厚度没有限制;在大多数天气情况下都能够进行焊接。手工电弧焊的缺点:不适合焊接厚度小于1.5mm的薄板;负载率和总的熔敷效率一般比送丝焊接方法低,当焊条消耗完毕或需要更换焊条时,焊接过程也暂时中断;并非整根焊条都能够充分利用,焊钳中被夹持的部分必须丢弃,一般要浪费25～50mm长度的焊条;频繁地更换焊条也增加了焊接缺陷的产生。埋弧自动焊的优点是:生产效率高。埋弧自动焊的生产率可比手工焊提高5～10倍。因为埋弧自动焊时焊丝上无药皮,焊丝可很长,并能连续送进而无需更换焊条。故可采用大电流焊接(比手工焊大6～8倍),电弧热量大,焊丝熔化快,熔深也大,焊接速度比手工焊快的多。板厚30毫米以下的自动焊可不开坡口,而且焊接变形小;焊剂层对焊缝金属的保护好,因此焊缝质量好;节约钢材和电能。钢板厚度一般在30毫米以下时,埋弧自动焊可不开坡口,这就大大节省了钢材,而且由于电弧被焊剂保护着,使电弧的热得到充分利用,从而节省了电能;改进了劳动条件。除减少劳动量以外,由于自动焊看不到弧光,焊接过程中发出的气体量少,这对保护焊工眼睛和身体健康是有益的。埋弧自动焊的缺点是适应能力差,只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径的环焊缝。综合考虑,由于手工电弧焊设备简单,操作方便适合全位焊接的特点,因而空间狭小、板较薄的部分手工电弧焊,而厚板接头要增加熔深,提高生产率,采用埋弧焊。最终采用焊接方法为:手工电弧焊+埋弧焊。7.2焊接设备7.2.1手弧焊机手弧焊用的焊机是一台额定电流500A以下的弧焊电源:交流变压器或直流发电机;辅助设备有焊钳、焊接电缆、面罩、敲渣锤、钢丝刷和焊条保温筒等。1.焊钳焊钳用以加持焊条进行焊接的工具,应安全、轻便、耐用,根据<焊接方法及设备>54页,表3.2表7.1手工电焊机的型号型号型号型号额定电流(A)焊接电缆孔径(mm)适用的焊条直径(mm)重量(kg)外形尺寸(mm)G352300142-50.5250x80x40G582500184-80.7290x100x452.焊接电缆焊接电流应采用多股细铜线电缆,一般选用YHH型电焊橡皮套电缆或YHHR型电焊橡皮套特软电缆。根据焊接方法及设备54页,表3-3选择。焊接电缆长度一般不超过20-30mm根据<焊接方法及设备>表3.3额定电流与相对应的铜芯电缆最大断面积的关系表7.2额定电流与相对应的铜芯电缆最大断面积的关系额定电流(A)100125160200250315400500630电缆断面积(mm2)161625355070951201503.面罩面罩是为了防止焊接的飞溅、弧光及其它辐射对焊工面部及颈部损伤的一种遮蔽工具,有手持式和头盔式。根据焊接方法及设备54页,表3.4,选择护目镜片。表7.3焊工护目遮光镜片选用表工种遮光镜片号焊接电流<30>30-75>75-200>200-400电弧焊5-67-88-1011-12碳弧气刨10-1112-14焊接辅助工3-47.2.2埋弧焊机埋弧焊机分为自动焊机和半自动焊机两大类1．半自动埋弧焊机半自动埋弧焊机的主要功能(1)将焊丝经过软管连续不断地送入电弧区(2)传输电焊电流(3)控制焊接启动和停止(4)向焊接区铺施焊剂因此它主要由送丝机构、控制箱带软管的焊接手把及焊接电源组成。软管式半自动埋弧焊兼有前述自动埋弧焊的有点及手工电弧焊的机动性。在难以实现的自动焊的工件上(例如中心线不规则的焊缝、短焊缝、施焊空间狭小的工件)可用这种焊机进行焊接。2自动埋弧焊机自动埋弧焊机的主要功能是(1)连续不断地向焊接区送焊丝(2)传输焊接电流(3)使电弧沿接缝移动(4)控制电弧的主要参数(5)控制焊接的启动与停止(6)向焊接区铺施焊剂(7)焊接前调节焊丝端位置常见的自动埋弧焊机有等速送丝和变速送丝两种。它们一般都由机头、控制箱、导轨(或支架)以及焊接电源组成。等速送丝自动埋弧焊机采用电弧自身调节系统。变速送丝自动埋弧焊机采用电弧电压自动调节系统。