焊接结构课程设计压力容器

前言１第1部分储罐设计分析2第1章储罐总体分析2
1.1 储罐基本设计要求2
1.2 储罐材料2
1.３储罐用钢板3
1.4 配用锻件5
1.5 配用螺栓、螺母5第2章储罐罐底设计6
2.1 储罐罐底板尺寸6
2.2 罐底结构7第3章罐壁结构设计10
3.1 罐壁的排板与连接10
3.2 罐壁厚度11
3.3 罐壁加强圈12第4章罐顶结构设计13第2部分储罐的焊接工艺分析14第5章压力容器的焊接接头14
5.1 压力容器焊接接头的分类14
5.2 圆筒形容器焊接接头的设计15第6章压力容器的焊接方法17
6.1 熔化极氩弧焊17
CO气体保护焊17
6.2
2
6.3埋弧焊19第7章压力容器的焊接工艺21第3部分储罐的组装与检验22第8章储罐的安装施工顺序22
8.1储罐底板的焊接顺序22
8.2储罐壁板的焊接顺序22
8.3储罐固定顶的焊接顺序23第9章储罐焊缝的检验与修补24
9.1焊缝检测24
9.2焊缝修补25设计体会26参考文献27
前言
大型油气储罐是油气产品储存运输最方便、廉价的方式之一。

储罐的形式可跟据盖顶的样式不同分为浮顶式储罐（包括气柜）和固定顶式储罐（包括内浮顶式储罐），而固定顶式储罐又包括锥顶式储罐和拱顶式储罐两种。

目前原油的储罐使用中浮顶式储罐在不断减少，液化气储运主要是球罐和立式筒形低压储罐。

常用的几种灌顶形式为双子午线网客机构拱顶、辐射网壳结构拱顶、短程线网壳结构拱顶和梁柱支撑结构拱顶，见图1。

本次课程设计主要讨论立式固定顶筒形钢制焊接储罐的施工工艺。

其中包括储罐的材料选择、加工工艺路线选择、相关组件形式选择、机械加工装配、施焊成型、焊后检测调试等相关生产内容。

第1部分储罐设计分析
第1章储罐总体分析
1.1 储罐基本设计要求
由石油化工立式筒形钢制焊接储罐设计规范SH 3046-1992，储罐的设计条件不得少于以下内容：
（一）地震设防烈度、风载、雪载等气候条件及地质条件；
（二）储罐的操作温度及操作压力（正负压）；
（三）介质的种类及密度；
（四）腐蚀裕量；
（五）储罐的容积；
（六）灌顶形式；
（七）开口接管尺寸、形式、数量及法兰规格；
（八）附件的安装位置。

对于固定顶式储罐，设计压力范围一般为-490Pa~6000Pa，设计温度不超过250°C，而最低设计温度应大于-2°C。

1.2 储罐材料
储罐用钢的选择必须考虑到储罐的使用条件，材料的焊接性能、加工制造工艺以及经济的合理性.
由液化石油气钢瓶国标GB 5842-2006一般规定钢瓶主体（指筒体、封头等受压元件）材料，必须采用平炉、电炉或氧气转炉冶炼的镇静钢，具有良好的冲压和焊接性能。

材料必须有相关制造许
可证书和质量合格证书（原件）。

主体材料力学性能应符合国标GB 6654《压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板》的规定，主体材R R不得大于0.80。

主体材料的化学成分应符合料的屈强比()
e L m
下列范围：
碳C ………不大于0.18% 硅Si ………不大于0.10%
锰Mn ………0.70~1.50% 硫S ………不大于0.020%
磷P ………不大于0.025% 硫S+磷P……不大于0.040%
根据上述要求并考虑储罐压力不是很大和制造成本的问题，选择16MnR钢代替焊接钢瓶专用钢板。

它是一种普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。

它的强度较高、塑性韧性良好。

常见交货状态为热轧或正火。

属低合金高强度钢，含Mn量较低。

性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%差。

它的主要化学成分如表1-1。

表1-1 16MnR低合金结构钢的主要化学成分
1.３储罐用钢板
储罐用钢板的适用范围应符合表1-2.
表 1-2 钢板的适用范围
16MnR钢的屈服强度见表1-3。

表 1-3 钢板的许用应力
1.4 配用锻件
储罐用锻件应符合JB 755《压力容器用锻件技术条件》的要求。

见表1-4。

表 1-4 锻件的许用应力
1.5 配用螺栓、螺母
螺栓、螺母的用钢标准及许用温度标准，见表1-5。

表 1-5 螺栓螺母材料的许用温度
第2章储罐罐底设计
2.1 储罐罐底板尺寸
储罐罐底板尺寸不包括腐蚀裕量的罐底中幅板的钢板规格厚度应不小于一定尺寸，见表2-1。

表 2-1 螺栓螺母材料的许用温度
不包括腐蚀裕量的罐底边缘钢板规格厚度应不小于表2-2的规定，其材质应与底圈罐壁相同。

表 2-2 螺栓螺母材料的许用温度
罐底边缘板沿罐半径方向的尺寸应不小于700mm，对于软弱地基，边缘板的径向尺寸应适当加大。

2.2 罐底结构
罐内径小于12.5m时，罐底宜采用条形排板，如图4-1。

图 2-1 条形排板罐底
罐内径大于或等于12.5m时，罐底宜采用弓形边缘板，如图4-2。

图2-3 弓形边缘板罐底
罐底边缘板伸出罐壁外表面的宽度应不小于50mm。

罐底板的焊接接头可采用搭接、对接或者搭接与对接组合，如
图4-3。

图 2-4(a) 罐底板的搭接接头
图 2-4(b) 罐底板的对接接头
边缘板与罐壁相焊接的部分应做成平滑支撑面，如图4-5。

图2-5(a) 搭接罐底边缘板
图2-5(b) 对接罐底边缘板三层底板重叠处，应将上层底板切角，如图4-6.
图2-6 对接罐底边缘板
罐底板任意两个相邻焊接接头之间的距离以及边缘板焊接接头距底圈罐壁焊缝的距离均不应小于300mm。

底圈罐壁板与边缘板之间的链接应采用两侧连续角焊，焊脚高度等于二者中较薄件的厚度，且不应大于13mm。

如图2-7
图2-7 焊脚
第3章罐壁结构设计
3.1 罐壁的排板与连接
上层壁板的厚度不得大于下层壁板的厚度，相邻两层壁板的纵向接头应相互错开，最小间距应大于下层壁板厚度的5倍，且不得小于100mm。

罐壁纵向接头、环向接头均应采用全熔透的对接形式，顶部包边角钢与最上一圈罐壁板之间可采用搭接接头连接。

对于固定顶罐及内浮顶罐的罐壁上端，应设的包边角钢的选用最小尺寸见表3-1。

表3-1 包边角钢最小尺寸
储罐内径（m）包边角钢最小尺寸（mm）
D≤5 ∠50×5
5<D≤10 ∠63×6
10<D≤20 ∠75×8
20<D≤60 ∠90×9
D>60 ∠100×12
包边角钢自身的对接焊缝必须全焊透、全熔合，接头对接、搭接均可。

对于浮顶罐，角钢的水平肢必须向外，而固定顶罐不做严格要求。

如图3-1
图3-1 包边角钢
3.2 罐壁厚度
罐壁设计厚度按下列公式计算，且取其中较大值。

t1=0.0049+C1+C2 （3.2-1）
t2=4.9+C1 （3.2-2）式中t1 ——储存介质时的设计厚度（mm）
t2 ——储存水时的设计厚度（mm）
ρ——储液密度（kg/m3）
H ——罐高（m）
D ——储罐内径（m）
[σ]t——设计温度下罐壁钢板许用应力（MPa）
[σ]——常温下罐壁钢板许用应力（MPa）
φ——焊缝系数，一般取0.9
罐壁的设计厚度应向上圆整至钢板的规格厚度，且不小于表3-2中的规定。

表3-2 罐壁最小壁厚
储罐内经（m）
钢板最小规格厚度（mm）碳素钢不锈钢
D≤16 5 4 16<D≤35 6 5 35<D≤60 8
60<D≤75 10
D>75 12
3.3 罐壁加强圈
罐壁筒体的临界压力计算：
P cr=16000()2.5 (3.3-1)
H E=ΣH ei (3.3-2)
H ei=h i()2.5 (3.3-3)
式中P cr——罐壁筒体的临界压力（Pa）
H E——罐壁筒体的当量高度（m）
t min——顶层罐壁板的规格厚度（mm）
H ei——第i圈罐壁板的当量高度（m）
h i——第i圈罐壁板的实际高度（m）
t i——第i圈罐壁板的规格厚度（mm）加强圈取数目：
n=INT(P0/P cr) （3.3-4）设置加强圈后每段罐壁高度：
L e=H E/（n+1）（3.3-5）加强圈的最小截面，见表3-3.
表3-3加强圈的最小截面尺寸
储罐内径（m）最小截面尺寸（mm）D≤20 ∠100×63×8
20<D≤36 ∠125×80×8
36<D≤48 ∠160×100×10
D>48 ∠200×125×12
第4章罐顶结构设计
常用固定顶按其支柱可分为自支承拱顶、自支撑锥顶和柱支撑锥顶，顶板的规格厚度（不包括腐蚀裕量）和支撑构件的规格厚度不应小于4.5mm，罐顶和罐壁连接处的有效面积应满足下式要求：
A>0.001PD2/tanθ(4.1-1)
式中A—罐顶与罐壁连接处的有效面积（mm2）
P—罐顶的设计压力（Pa）
θ—罐顶起始角。

若选取的包边角钢不符合上式的要求应加大包边角钢的截面尺寸，或在距离角钢16倍罐壁厚度范围内的罐壁上增加环形加强构件，环形加强构件自身的拼接焊缝应全熔透。

如图4-1。

图4-1 罐顶与包边角钢连接处的有效面积
罐顶板与包边角钢之间的连接应采用薄弱连接，外侧采用连续焊，焊脚高度不应大于顶板厚度的3/4，且不得大于4mm，内侧不得施焊。

顶板本身的拼接可采用对接，若搭接厚度不可超过5倍板厚，且不得小于25mm，罐顶板外表面的搭接焊缝应采用连续焊。

第2部分储罐的焊接工艺分析
第5章压力容器的焊接接头
5.1 压力容器焊接接头的分类
图5-1 压力容器焊接接头的分类
A类接头：圆柱形壳体筒节的纵向对接接头，球形容器和凸形封头瓜片之间的对接接头，球形容器的环向对接接头，与筒体封头之间的对接接头，大直径焊接三通支管与母管相接的对接接头。

B类接头：圆柱形、锥形筒节之间的环向对接接头，接管与筒节间及其与法兰相接的环向对接接头，除球形封头外的各种凸形封头与筒身相接的环形接头。

C类接头：法兰、平封头、端盖、管板与筒身、封头和接管相连的角接接头，内凹封头与筒身间的搭接接头以及多层包扎容器层板间纵向接头等。

D类接头：接管、人孔圈、手孔盖、加强圈、法兰与筒身及封
头相连接的T形或角接接头。

E类接头：包括吊耳、支撑、制作及各种内奸与筒身或封头相接的角接接头。

F类接头：在筒身、封头、接管、法兰和管板表面上的堆焊接头。

5.2 圆筒形容器焊接接头的设计
图5-2 立式储油罐（1）圆筒形容器的纵向焊缝必须与母材等强度，环向焊缝的工作应力只有纵向焊缝的一半，故对于环向焊缝的
强度要求较低，可以采用较软的填充金属材料。

各
筒节之间的环向焊缝以及筒节和封头间的环向焊缝
一般都采用埋弧焊方法。

（2）对于容器上的支管连接，支管连接处开口后应力集中较大，对于大壁厚圆筒可采取贯穿型直接插入式，双
面焊缝焊透为佳；也可以采取平置式安放支管，焊
缝单面焊透。

（3）管板连接的焊接接头经常承受交变载荷。

在大多数焊接时是把管子插入管板的孔中，从外面施焊。

为了降
低焊缝的拘束度，在管板上加工一个环形沟槽。

卫
士管接头与管板更紧密结合，在施焊前吧管子前段
向外扩张，焊后管子端部在进行一次扩张以消除残
余应力。

（4）由于工艺要求和检修方便，石油化工的容器的筒体或封头上会开设很多孔洞，会减弱纵向断面的强度，则
一般会对其进行补强。

为提高材料的利用率，空可
以补强。

孔补强措施有管补强（增加管子壁厚）、基
体补强（基体材料壁厚全部增加）、增设补强圈（外
加钢圈）和孔补强（孔周边材料基体壁厚增加）。

如
果不采取孔的补强措施，就必须增加壁厚才能保证
生产要求。

在工作温度超过300°C或壁厚超过
40mm的容器上不宜采用补强圈形式。

孔径在超过一
定尺寸时必须进行补强，否则无法保证其强度，且
此时增加壁厚效果不大。

如果管过于密集而必须避
开A、B两类接头时，则必须对开孔部位的焊缝作
探伤检测。

壁厚大于50mm时，在焊接接管之前应
将开孔区焊缝作消应力处理。

第6章压力容器的焊接方法
6.1 熔化极氩弧焊
焊丝通过丝轮送进，导电嘴导电，在母材与焊丝之间产生电弧，使焊丝和母材熔化，并用惰性气体氩气保护电弧和熔融金属来进行焊接。

与其它焊接方法相比，熔化极氩弧焊的特点有：
（1）可以焊接几乎所有的金属。

既可以焊接碳钢、合金钢、不锈钢，还可以焊接铝及铝合金、铜及铜合金、钛合金等容易被氧化的非铁金属；
（2）焊丝和电弧的电流密度大，焊丝熔化速度快，对母材的熔敷效率高，焊接生产率高；
CO电弧焊相比，熔化极氩弧焊电弧状态稳定，容地（3）与
2
过渡平稳，几乎不产生飞溅，熔透也较深；
（4）由于惰性气体本质上不与熔化金属产生冶金反应。

熔化极氩弧焊的不足：
CO电弧焊高，生产效（1）由于使用氩气保护，焊接成本比
2
CO电弧焊；
率也低于
2
（2）焊接准备工作要求严格，包括对焊接材料的清理和焊接区的清理等。

（3）厚板焊接中的封底焊焊缝成形质量不是很好。

CO气体保护焊
6.2
2
以二氧化碳气为保护气体，进行焊接的方法。

在应用方面操作
简单，适合自动焊和全方位焊接。

在焊接时不能有风，适合室内作业,由于它成本低，二氧化碳气体易生产，广泛应用于各大小企业。

由于二氧化碳气体的0热物理性能的特殊影响，使用常规焊接电源时，焊丝端头熔化金属不可能形成平衡的轴向自由过渡，通常需要采用短路和熔滴缩颈爆断，因此与MIG焊自由过渡相比，飞溅较多。

但如采用优质焊机，参数选择合适，可以得到很稳定的焊接过程，使飞溅降低到最小的程度。

由于所用保护气体价格低廉，采用短路过渡时焊缝成形良好，加上使用含脱氧剂的焊无内部缺的刘质量焊接接头。

因此这种焊接方法目前已成为黑色金属材料最重要焊接方法之一。

CO气体保护焊的特点有：与其它焊接方法相比，
2
（1）焊接生产率高；
（2）焊接成本低；
（3）焊接能耗低；
（4）适用范围广，可采用自动焊或半自动焊对任何角度、任何位置、任何长度及复杂的曲面焊缝都可焊接；
（5）焊缝含氢量低，抗裂纹性好；
（6）焊后不需清渣，明弧焊接便于监视，有利于机械化操作；
（7）焊接保护效果好。

CO气体保护焊的缺点和不足：
2
CO焊不能用于非铁金属的焊接，只能用于低碳钢和低（1）
2
合金钢等黑色金属的焊接；
CO焊熔滴过渡不如MIG焊稳定，飞溅量较大；
（2）
2
CO焊产生很大的烟尘，操作环境不好。

（3）
2
6.3埋弧焊
利用在焊剂层下燃烧的电弧进行焊接的方法，如图6-1。

在焊接过程中,焊剂熔化产生的液态熔渣覆盖电弧和熔化金属，起保护、净化熔池、稳定电弧和渗入合金元素的作用。

埋弧焊分为自动埋弧焊和半自动埋弧焊两种。

前者应用较广泛,焊接电流可达600～2000安，焊接效率很高。

埋弧焊是一种适于大量生产的焊接方法，广泛用于焊接各种碳钢、低合金钢和合金钢，也用于不锈钢和镍合金的焊接和表面堆焊。

为了提高焊接效率和扩大使用范围，埋弧焊的电极可采用双丝、三丝、带极(用于堆焊)，还可在焊剂中添加金属粉等。

焊剂层下的电弧与焊件接口的对正和调整，可用工业电视观察或用激光跟踪等方法探测。

图6-1 埋弧焊
与其它焊接焊接方法相比，埋弧焊有如下优势：
（1）焊接生产率高；
（2）焊接金属的品质良好、稳定；
（3）焊接外观非常美观；
（4）焊接成本低；
（5）操作环境好。

埋弧焊存在的问题：
（1）设备费用高；
（2）对坡口精度要求高；
（3）焊接姿势受到限制；
（4）适用于碳素钢、低合金钢、不锈钢等材料的焊接，有色金属焊接困难；
（5）焊缝金属的冲击韧性普遍不好；
（6）主要用于自动焊、长缝焊、中等以上厚度板的焊接。

通过上面三种焊接方法的优缺点对比，熔化极氩弧焊对焊接坡
CO焊需要焊前打底焊较麻烦而口精度要求较高而且成本较高，
2
且焊接生产环境不好，相比之下选择埋弧自动焊接比较合适，在内部加衬垫焊接，适合于大批量生产而且焊缝质量较好。

第7章压力容器的焊接工艺
上、下封头的焊接采用对接接头，为保证环焊缝开设60°的正面V形坡口，在钢瓶内部装上衬垫，用手工电弧焊完成封头的定位焊接和衬垫与筒体的连接，装配时间隙为0~1mm，如图7-1。

然后清理干净手工电弧焊药皮，并且将焊点用磨光机打磨平整。

图7-1 瓶体焊坡口及衬垫
焊前，坡口两侧各10mm范围内的铁锈，应打磨干净，露出金属光泽。

用丙酮清洗坡口附近的油污。

焊剂和焊条按规定烘干，300~350℃保温2h。

注意焊剂中不要混入铁屑、碎石等杂物。

不要强行组装，避免应力过大；引弧板要对齐焊缝，地线连接牢固。

埋弧自动焊时焊丝选用H10Mn2，直径Ø4mm；定位焊及衬垫的焊接的焊条为J507.埋弧焊焊剂选用SJ101烧结焊剂。

筒体开V形坡口，由于埋弧焊焊接板厚较厚，可只焊接一道。

第3部分储罐的组装与检验
第8章储罐的安装施工顺序
定顶立式圆筒形钢制焊接储罐的安装普遍采用倒装法施工工艺，即在罐底铺设、焊接之后，先组装焊接顶层壁板及包边角钢，再组装焊接罐顶，然后自下而上依次组装焊接每层壁板，直至底层壁板。

8.1储罐底板的焊接顺序
边缘板对接焊缝中第一圈壁板底部80mm焊缝先焊接（供组装用）→中幅板短焊缝焊接→第一圈壁板与底板间环角焊缝焊接→边缘板其余对接焊缝焊接→中幅板封闭焊缝焊接→边缘板与中幅板间龟甲焊缝焊接。

相互平行的焊缝采用隔行焊接法，各焊条均采用从中间向两端施焊，各焊缝均采用分段退焊法施焊，长焊缝由两名焊工同时施焊，罐底角焊缝焊接，应由数对焊工从罐内外沿同一方向进行分段焊接。

8.2储罐壁板的焊接顺序
壁板立缝焊接→组对第一圈与第二圈壁板间的环缝→组对立缝焊接活口→第一二圈间环缝焊接→立缝焊接活口→下一圈壁板立缝焊接，依次类推。

分段退焊法，立缝可分三段分段退焊，第一段至焊缝顶端预留150mm暂不施焊，将环焊缝焊接后将其补焊完成。

采用交叉焊接的方法，减小焊接角变形，先焊大坡口后焊小
坡口，为了控制变形应将大坡口填平后清根，再焊小坡口，小坡口完成后再将大坡口盖面焊完。

8.3储罐固定顶的焊接顺序
先焊短焊缝，后焊长焊缝；先焊内侧焊缝，后焊外侧焊缝，径向的长焊缝宜采用隔缝对称施焊法，并由中心向外分段退焊；顶板与包边角钢焊接时，焊工应对称均匀分布，并沿圆周同一方向分段退焊。

第9章储罐焊缝的检验与修补
9.1焊缝检测
1.外观检查：
①检查前将熔渣、飞溅物清理干净，焊缝及热影响区不得有裂纹、气孔、夹渣或弧坑等缺陷；
②焊缝表面质量标准缝合设计要求，见表9-1。

表9-1 焊缝表面质量
③屈服点大于390MPa或厚度大于25mm的低合金钢的地圈壁板纵缝不得有咬边；
④屈服点大于390MPa的钢板，表面焊疤应在磨平后进行渗透探伤或磁粉检测，无裂纹为合格。

2.无损检测
9.2焊缝修补
①深度超过0.5mm的划伤、电弧擦伤、焊疤等有害缺陷，应打磨平滑，打磨修补后的钢板厚度用大于等于钢板名义厚度扣除负偏差；缺陷深度或打磨深度查过1mm时应进行补焊并打磨。

②屈服点大于390MPa的低合金钢缺陷清理后应进行探伤，确认无缺陷后进行补焊，修补后打磨平滑再做探伤；焊缝修补宜采用回火焊道。

③根据缺陷的探测埋深确定缺陷的清除面，清除深度不宜大于板厚的2/3.
④焊缝的修补必须严格按焊接工艺，严格控制线能量，修补长度不应小于50mm。

⑤顶板的焊缝缺陷因其板材较薄可直接修补。

⑥同一部位返修次数不宜超过2次。

设计体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生能力的具体训练和考察过程。

在现在的各项领域中焊接装置的应用试非常常见的，可以说是无处不在，因此我觉得掌握好焊接这门技术是很有必要的，这次对钢制储罐的课程设计是对以前学习的知识的一次检验和理论与实践的结合，更是一次工作的前奏。

在这次对储罐设计中出现了不少的问题，更学到了很多知识。

这次课程设计基本接近尾声，在指导老师的帮助和组员的共同努力下，这次课程设按期完成了，再次对给予我们帮助的老师和同学表示忠心的感谢，由于我的水平有限，设计难免会出现错误之处，希望老师给予批评指正。

参考文献
《石油化工立式筒形钢制焊接储罐设计规范》SH 3046-1992 《碳素结构钢》GB700
《压力容器用碳素结构钢和低合金钢厚钢板》GB6654
《压力容器锻件技术条件》JB755
《碳钢焊条》GB5117
《低合金钢焊条》GB5118
《焊接用钢丝》GB1300
《压力容器用钢板超声波探伤》ZBJ 74003-88
《钢结构设计规范》GB J 17-88
《立式筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》GB50128-2005 《固定顶油罐的罐顶结构》孔昭瑞
《机械设计课程设计手册》吴宗泽罗圣国
《焊接冶金学》张文钺
《焊接结构学》方宏渊
《焊接结构设计及应用》张延华
《钢结构焊接制造》王国凡张元彬
《焊接结构与生产》贾安东
《长输管道焊接技术》李颂宏
《立式筒形钢制焊接储罐焊接变形的控制》韩继东王丽
《不等厚板对接焊疲劳寿命结构形状影响分析》李其朋陈国华《焊缝对拼焊板纵向拉伸成形性能的影响规律》林建平陈水生。