锅炉锅筒设计说明书

前言一、课程设计内容和要求主要内容：1、主要包括产品的形状设计和制造工艺。

其中以产品制造工艺中的焊接工艺制定为主。

2、学生在接到设计题目后，应按照所指定的产品类型、产品形状和工作要求作出合理的产品工艺分析，制定出相应的制造工艺和焊接工艺，同时对几种拟定的设计方案加以比较，选出最合理的一种，完成设计图设计要求：要求绘制设计图纸一张，编写设计说明书一份，制造工艺卡和焊接工艺卡各一份。

1、绘制A1号图一张，图纸应符合规定的标准，选取恰当的比例进行绘制，确保绘图准确和图面清洁；2、工艺卡作为产品制造的依据，应包括详细的工序号和工序名称，加工要求，参照标准，加工设备和工艺以及必要的计算公司和附录；3、设计说明书应包括：设计题目、目录和前沿、正文、结束语、参考文献。

说明书中应按照设计步骤详细叙述设计的主要内容，设计过程和计算过程，包括方案的拟定、方案比较、最终方案的确定，并附有设计计算草图；设计公式及设计参照的标准必须注明来源或参考资料。

二、课程设计的目的本课程设计的目的是综合应用以前学过的焊接理论知识，对锅炉锅筒进行简单的设计，学习设计方法，熟悉焊接工艺、装配过程、焊接检验等方面的知识，培养学生分析问题解决问题的能力。

使学生对所学专业的理论知识与实际工程应用融会贯通，能够独立运用所学知识完成一个较完整的计算和设计过工程。

三、课程设计的概况学习本门课程设计钱，学生应学过机械工程制图、理论力学、材料力学、焊接结构与生产、弧焊方法与工艺、焊接结构学、金属焊接性、焊接检验等专业课程。

同时应单进行生产实习，参观过相关的焊接产品的生产工艺过程。

整个设计过程分为四个阶段，第一阶段为：文献的查阅和设计的基本计算及草图的绘制；第二阶段为：整理说明书、前沿目录等；第三阶段：完成焊接工艺卡及焊接工艺卡制定依据；第四阶段：完成整理所有资料。

目录前言 (2)目录 (3)课程设计任务书 (4)1、钢材的选择 (5)2、板材尺寸及成分 (5)3、锅炉的尺寸计算 (6)4、封头的选择及校核 (9)5、封头开孔要求 (10)6、孔的减弱系数 (11)7、筒体水压试验最高许用压力 (12)8、封头水压试验最高许用压力 (12)9、未加强孔的计算 (12)10、锅炉筒体焊缝承载能力校核 (14)11、锅炉的成本计算 (17)12、结束语 (20)13、参考文献 (20)太原理工大大学材料科学与工程学院课程设计任务书1、钢材的选择由于Pe=2.8MPa可知Pe＜3.8MPa，是低压锅炉。

低压锅炉可以用20R 即是Q345R钢，是钢板中的一大类－－容器板，具有特殊的成分与性能，主要用于做压力容器使用，针对用途，温度，耐腐的不同，所应该选用的容器板材质，也不尽相同特点：Q345R钢是屈服强度σs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Q345(16Mn)钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345(16Mn)钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。

它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

Q345R钢中可添加铌，钒，钛元素，其含量应填写在质量证明书中，上述3个元素含量总和应分别不大于0.050%、0.10%、0.12%。

综上所述，对于该课程设计选择Q345R的刚擦既满足使用条件。

2、板材20R成分及各项性能由国标GB 713-1997中可知公称厚度范围是6-150，宽度范围是650-3800.20R 钢的化学成分、力学性能和冷弯性能、高温屈服强度、需用应力如下表：钢的化学成分钢板的力学性能和冷弯性能钢板的高温屈服强度钢板的许用应力有上述数据可知选材满足设计使用条件。

3.锅炉的尺寸计算锅炉个给想尺寸及其计算如下表：锅炉尺寸计算表[2+()2]=23、 封头的选择及校核有附录1及书P58可知选择椭圆形封头时D0=根据封头直边高度：h=25mm S ≤8mmh=40mm 10mm ≤S ≤18mmh=50mm S≥20mm所以选择D内为1200mm，则h内为300mm，h=50mm，封头的展开尺寸为D0=1564mm，又由国标GB 713-1997可知道有满足封头尺寸的钢材，所以封头可用一块钢板冲压成型。

其中筒体封头各项校核数据如下表：锅筒凸形封头强度校核计算[2+()2]其中锅筒筒体允许的最小减弱系数等于封头最高允许工作压力[P]==3.16，最高允许压力[P] =3.16, ＜Pa=3.04，所以凸形封头的压力强度合格。

锅筒筒体允许最小减弱系数为[ψ]= =0.619，所以锅筒减弱系数ψ=0.7＞[ψ]= 0.619，所以满足条件减弱系数合格。

管子的最高允许工作压力[P]=，所以蒸汽管的最高允许工作压力[P蒸]==39.312MPa﹥﹥工作压力P=3.04，所以蒸汽管符合工作条件。

同理可得水冷壁和下降管的最大允许工作压力均大于实际工作压力，也符合工作条件。

4、封头开孔要求人孔和头孔尺寸设计及校核：（1）、锅炉受压元件上，椭圆人孔不得小于280×380，由资料4查得法兰标准尺寸有υ400，则取对应大小υ400mm的圆孔为人孔；（2）、锅炉受压元件上，手孔短轴不得小于80mm，由资料4查得法兰标准尺寸有υ100，则取υ100mm的手孔；（3）、锅炉受压元件上，椭圆形头孔，尺寸不得小于220×320，由资料4查得法兰标准尺寸有υ350，则取υ350的头孔；（4）、开υ400mm的人孔时，==2.35＜0.35，人孔边缘到封头边缘的距离最大可为：(1200-400)/2=450,要求最小距离为0.1S=148mm 所以满足条件；（5）、υ400mm的人孔使用条件：==0.25＞0.2，所以封头不能太偏，最好在正中间，避免大的弯曲应力；=0.02＜0.1，不能太厚，满足条件，避免内外温度应力；==0.333＜0.6，开孔直径不能太大，满足条件，保证街头的强度；（6）、υ100mm的头孔使用条件：==0.25＞0.2，所以封头不能太偏，最好在正中间，避免大的弯曲应力；=0.02＜0.1，不能太厚，满足条件，避免内外温度应力；==0.25＜0.6，开孔直径不能太大，满足条件，保证街头的强度.；（7）、凸形封头的计算压力2.94MPa＜最高工作压力[P]= 3.16，即P＜[P]，封头强度满足条件合格；（8）、筒体筒体允许最小减弱系数[ψ]===0.64，封头减弱系数ψ=0.667＞0.64满足条件合格；综上所述υ400mm的人孔，υ100mm的头孔均满足使用条件。

5、孔桥的减弱系数筒体的展开图如下图：锅筒下降管在锅筒6点钟下方，给水管和水冷壁分别在通体3点和11点半方向，蒸汽管在筒体12点钟方向。

其中水冷壁管与水平夹角是30°，且向6点钟方向偏。

水冷壁管沿水平纵向均匀分布20根管。

给水管沿水平纵向均匀分布4根管。

水冷壁相邻两孔的截距t==4200/(20+1)=200mm，水冷壁t0=dp+2=51+2=401＞t=200mm，所以水冷壁等直径纵向相邻两孔的孔桥减弱系数按下式计算：ψ=（s-d）/s=(200-51)/200=0.745。

给水管相邻两孔的截距t==4200/(4+1)=840mm，给水管t0=dp+2=75+2=75+350=425＜t=840，所以无需减弱系数；同理下降管和蒸汽管的两孔截距明显大于t0，所以都没有孔桥减弱系数。

纵向的蒸汽管和水冷管或给水管两类孔之间的最小截距分别为：t1==906，t2==1073.1水冷壁的t01=dp+2=（140+51）/2+350ψswσs其中β=445.5mm＜t=906mm，给水管的t02=dp+2=（140+75）/2+350=457.5mm＜t=1073.1mm，所以均没有孔桥减弱系数。

同理下降管和蒸汽管和水冷管的之间也没有孔桥减弱系数。

6、筒体水压试验最高许用压力锅筒筒体水压试验最高允许压力不许超过下列规定值：P sw=0.45ψswσs其中β=1+=1.04 σs =340MPa ψsw 中焊缝的减弱系数为Ψmin=ψh1×ψh2由表6取ψh1=0.9，ψh2=0.9所以Ψmin=0.81 ，孔桥减弱系数ψ=0.81，所以ψsw选取两者中最小值ψsw=ψ=0.745，所以计算得P sw=8.725MPa＞Pa=3.04MPa，满足使用条件，合格。

7、封头水压试验最高许用压力锅筒封头水压试验最高许用压力不许超过下列规定值：P sw=0.9=1+=1. 04常温下σs =340MPa同筒体水压试验选取孔桥减弱系数ψ=0.745，焊缝的最小减弱系数Ψmin =0.81，所以ψsw选取两者中最小值ψsw=ψ=0.745，计算得P sw=9.2MPa＞Pa=3.04MPa，满足使用条件，合格。

8、未加强孔的计算：筒体最大加强孔径计算的过程表格如下表：由于D0=8.1，其中==0.633，所以D 0=8.1=187.13mm 。

又由书P 61的公式最大加强孔径使用条件：DnSy ≤130×103，[d]≤200mm ；如果D n S y ≥130×103或[d] ＞200mm ，则取DnSy=130×103，[d] =200mm ，所以由以上计算可得D 0=187.13＜[d],即取D 0=187.13。

蒸汽管的直径：υ=140+2×4=148＜187.13，所以满足条件无需加强； 水冷管的直径：υ=51+2×2.5=56＜187.13，所以满足条件无需加强； 给水管的直径：υ=75+2×3=81＜187.13，所以满足条件无需加强； 下降管的直径：υ=120+2×5=130＜187.13，满足条件，无需要加强；综上所述，所有的管均不需要加强。

由书P 60可知，孔桥互不影响节距t 0为401mm ，对于孔桥节距小于的水冷壁管的减弱系数为0.745，此减弱系数与筒体的Ψmin 比较，Ψmin ＞t0=0.7，所以孔桥是安全的不需要采取加强措施。

9、 锅筒筒体焊缝承载能力校核由草图可知不同种类的焊缝有11种，如下草图10.1对接焊缝筒体是由两块板拼接而成，所以焊缝B1、B2是对接环焊缝，焊缝A1是对接纵焊缝，对于这两个焊缝计算如下：对接环焊缝的强度校核公式为：σe＜0.9[σ]Sσe====36.86MPa＜0.9[σ]S=0.9×101=90.9MPa对接纵焊缝的强度校核公式为：σe＜0.9[σ]Sσe=====73MPa＜0.9[σ]S=0.9×101=90.9MPa所以对于封头横焊缝焊缝、锅筒筒体的横焊缝和锅筒筒体纵焊缝都满足条件。

10.2角接焊缝蒸汽管、水冷壁管、给水管、下降管和封头人孔、头孔都是角接焊缝，即焊缝C1、C2、C3、C4、D1、D2都是角接焊缝，都选用插入是管接头，插入式管接头焊缝的一般形式如下图所示：10.2.1、角接头焊缝的强度校核按照下列公式验算：σe≤0.74[σ]/η式中σe是按第三强度理论计算的当量应力，[σ]焊件在计算温度下的许用应力，η是许用应力修正系数按η=0.00122σs+0.4073；10．2.2、内压力作用下管接头对焊缝的作用力按下列公式计算：F zl =，式中P是计算压力，di是管接头内径；10.2.3、管道系统上作用于焊缝上的机械力分量再求载荷分量为：Fx ，Fy，Fz，M x ,My，Mz，按下列公式计算：Fx=Fx0cos（x，x）+Fy0cos（x，y）+Fz0cos（x，z）Fy=Fx0cos（y，x）+Fy0cos（y，y）+Fz0cos（y，z）Fz=Fx0cos（z，x）+Fy0cos（z，y）+Fz0cos（z，z）Mx=Mz0cos(x,x)+My0cos(x,y)+Mz0cos(x,z)My=Mz0cos(y,x)+My0cos(y,y)+Mz0cos(y,z)Mz=Mz0cos(z,x)+My0cos(z,y)+Mz0cos(z,z)式中括号表示夹角，Fx ，Fy，Fz，Mx，,My，Mz分别为x，y，z轴的力的分量；管接头焊缝所承受总载荷示意图如下所示：10.2.4、两种作用力系分别进行焊缝的强度校核计算公式如下：A：Fx ，Fy=F+Fy1，Fz=Fz1+ Fz2，Mx，My，MzB：Fx ，Fy= Fy1，Fz=F+Fz1+Fz2，Mx，My，MzA式中F与Fy1相同，B式中F与Fz1+ Fz2方向相同，Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz方向同管接头焊缝所承受总载荷示意图；10.2.5、焊缝计算长度按下列公式计算：L=πd0，式中d是管接头外径10.2.6、焊缝计算厚度截面积按下列公式计算：A=a L，式中a是焊缝计算厚度，l是焊缝计算长度；10.2.7、焊缝抗弯截面系数按下列公式计算：W=，式中a是焊缝计算厚度，d是管接头外径；10.2.8、焊缝抗扭截面系数按下列公式计算：W k =，式中其中a是焊缝计算厚度，d是管接头外径；10.2.9、应力分量按下列公式计算：A点：τ1Fx ,σ1Fy，τ1Fz，τ1Mx, τ1Mz；B点：σ2Fx,σ2My，τ2Fz，τ1My, τ1Mz；10.2.10、焊缝强度按下列公式计算：A点：σe=＜0.74[σ]/ηB点：σe=＜0.74[σ]/η筒体上蒸汽管最大，焊缝出现缺陷的可能性最大，对蒸汽管的强度校核如下：焊缝计算长度：L=πd=π×140=439.82mm；焊缝计算厚度截面积：A=a L=0.028×0.43982=0.01231496m2；焊缝抗弯截面系数：W===0.000431；焊缝抗扭截面系数：Wk===0.000862；焊缝的强度校核： 0.74[σ]/η=0.74×110/（0.00122×110+0.407）=150.4MPa；内压力对焊缝的作用力：Fzl===0.0453N；F x0=0.0453N；Fy0=0.0453N；Fz0=0；F x =0.0906，Fy=0.0906，Fz=0.0906，Mx=0，My=0，Mz=0；A点：τ1Fx =0.736，σ1Fy=0.736，τ1Fz =0.736，τ1Mx=0，τ1MzB点：σ2Fx =0.736,σ2My=0.736，τ2Fz =0.736，τ1My=0,τ1Mz=0A点：σe==4.875MPa＜＜0.74[σ]/η=150.4MPaB点：σe==4.875MPa＜＜0.74[σ]/η=150.4MPa由以上计算的强度远远满足使用条件，所以同理可计算水冷管、给水管、下降管、人孔和头空的焊缝强度校核都远远满足使用条件。