【小型便攜式乙炔氣瓶的設(shè)計6100字（論文）】

４小型便攜式乙炔氣瓶的設(shè)計摘要：乙炔是重要的化學(xué)原料，乙炔氣又名電石氣，廣泛應(yīng)用于氣焊和氣切等方面。

隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展，小型移動乙炔發(fā)生器停止了使用，并改變成溶解乙炔氣瓶。

溶化乙炔的煤氣瓶，因其具有節(jié)能、危險性小、安全性高、使用方便等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。乙炔氣瓶的制造構(gòu)造種類有很多，有焊接氣瓶、無縫氣瓶、溶解乙炔氣瓶等，在各個方面都有應(yīng)用。

乙炔氣瓶是全焊接結(jié)構(gòu)，同時對工藝和性能有很多要求。本次的“20升小型便攜式乙炔氣瓶的設(shè)計”主要包含了筒體和封頭的設(shè)計、附件的選擇、焊接設(shè)計、材料選擇、強度校核等知識。每一個步驟都按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，最終設(shè)計出合格的乙炔氣瓶的過程。關(guān)鍵詞：乙炔氣瓶、設(shè)計、焊接目錄TOC\o"1-2"\h\u30354引言 1192521乙炔氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介 1138241.1乙炔容器瓶的結(jié)構(gòu)組成及制造關(guān)鍵點 1183732乙炔氣瓶材料的選擇 290262.1乙炔氣瓶材料的性能要求 2228662.2材料的確定 232272.3乙炔瓶筒體材料 344163圓筒的設(shè)計 328193.1圓筒的選擇 374413.2設(shè)計參數(shù)的確定 3230433.3設(shè)計計算 4299584封頭及密封裝置 4216074.1封頭的選擇 463294.2封頭的計算 440905附件選擇 5325295.1螺栓 5172565.2法蘭 597375.3密封裝置設(shè)計 5315895.4法蘭壓緊面 5107935.5高壓密封 6248435.6開孔補強 6239655.7支座 6115626強度校核 6297396.1測壓 614196.2筒體軸向應(yīng)力校核 775167確定焊縫與接頭 8127677.1焊縫的數(shù)量和布置要求： 8304997.2焊接接頭： 968777.3焊接接頭的選擇 985268焊接設(shè)計 1052598.1焊接工藝 10259048.2焊后處理及檢驗 1031090總結(jié) 1218875參考文獻(xiàn) 1311978 15引言乙炔氣瓶作為獨特的壓力容器，需要氣瓶中填料。用來保存和運輸乙炔，在化工行業(yè)中，乙炔氣瓶被廣泛使用。乙炔是無色、易燃的氣體，其化學(xué)性質(zhì)活潑，通過一定的反應(yīng)，可以生產(chǎn)出許多化工生產(chǎn)中的重要原料，在不同領(lǐng)域中都對乙炔氣體有大量的需求，所以乙炔氣瓶的制造必不可少，對安全性的要求也越來越高，乙炔氣瓶的設(shè)計也越來越完善。但是乙炔具有很高的危險性，所以設(shè)計的壓力容器為特種設(shè)備。我國發(fā)展的這些年，通過國家對壓力容器的重視，壓力容器的生產(chǎn)方面有了顯著提高，如果壓力容器發(fā)生泄漏、損壞等，會造成不可估計的影響，同時壓力容器的材料和結(jié)構(gòu)種類太多，我們不能隨意使用，所以要保證壓力容器的質(zhì)量，就要從設(shè)計開始把關(guān)，嚴(yán)格服從國際標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計，同時壓力容器也脫離不了技術(shù)的支承。本次的“20升小型便攜式乙炔氣瓶的設(shè)計”就是按照國際標(biāo)準(zhǔn)，從應(yīng)力分析，來設(shè)計筒體、封頭以及附件等，再進(jìn)行焊接等操作。通過強度校核對筒體和封頭進(jìn)行校核，只有合格才能通過設(shè)計，每一個步驟都要保證了氣瓶的安全。1乙炔氣瓶設(shè)計簡介溶解乙炔氣瓶是便于乙炔儲藏和運輸?shù)膲毫θ萜?，乙炔的氣瓶和液化石油氣瓶和氧氣瓶有很多區(qū)別。乙炔的氣瓶是實心的，其他兩個都是空心的。在瓶子中使用多孔性固體石英鈣進(jìn)行填料。乙炔的氣瓶里含有易熔栓，保證瓶壁的溫度不超過一定的范圍。溫度超過范圍的話，保險絲會融化，排出氣體的壓力會下降，保護氣瓶防止爆炸。乙炔的氣瓶上涂上白色的漆，顯示著“乙炔”和“火不靠近”的紅色文字。帽子固定在外面。閥門安裝在瓶子的上部。閥下面有檢修標(biāo)記。檢修標(biāo)記在上面。根據(jù)《溶解乙炔氣瓶的安全監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，乙炔氣瓶每3年進(jìn)行一次檢查，不經(jīng)過檢查或不合格不能投入使用。1.1乙炔氣瓶的結(jié)構(gòu)組成及制造關(guān)鍵點1.1.1、組成主要部分由筒體、封頭及附件（螺栓、支座）等組成。其中筒體、封頭是乙炔氣瓶制造的關(guān)鍵部分[1]。1.1.2、制造關(guān)鍵點關(guān)鍵點是筒體和封頭的制造，橢圓形封頭的材料是整塊鋼板，在油壓機上，用凸凹模制作而成。筒體是用筒節(jié)焊接做成的。筒節(jié)用自動裝置切斷鋼料，在切割之前先畫線，筒體經(jīng)過三卷板機的加工制成[2]。2乙炔氣瓶材料的選擇乙炔壓力容器是全焊接結(jié)構(gòu)，條件嚴(yán)格，過程要求高。乙炔的氣瓶出現(xiàn)裂紋，會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此乙炔氣瓶要保證安全。使用乙炔氣瓶的鋼材，要求焊接性、耐腐蝕性等，還需要有適應(yīng)熱處理的性質(zhì)。為保證乙炔氣瓶長時間安全運輸，必須從材料入手，選擇符合要求的鋼材來制造乙炔氣瓶。2.1乙炔氣瓶材料的性能要求2.1.1焊接性要求由于氣瓶制作中包含焊接，需要保證材料性能。C、S、P等元素是影響材料焊接性的重要成分，S和P元素會致使焊縫裂縫。所以在保證材料強度的同時，必須減少C、S、P的含量[3]。2.1.2強度的要求強度要求可通過鋼材拉伸試驗進(jìn)行測量。現(xiàn)代工業(yè)對氣瓶的工作壓力要求高，強度低的鋼材無法滿足需求。所以鋼板需要達(dá)到一定的厚度，同時加上厚度會給加工帶來不便，也會造成資源浪費現(xiàn)象。為了解決這個矛盾，需要高強度材料。2.1.3塑性要求氣瓶在制作過程中涉及沖壓和彎曲等，氣瓶材料需要高塑性。根據(jù)用鋼標(biāo)準(zhǔn)，為了保證氣瓶的整體性和強度要求，為了保證氣瓶材料的制作方便，使用的鋼材最低生長率要高于18%。2.1.4沖擊韌度要求材料本身鋼材缺口的沖擊韌性越高，氣瓶本身的耐脆性越強。為了確保氣瓶的安全性，鋼材要保證一定的沖擊韌性。《壓力容器用鋼板》內(nèi)容中提到，乙炔氣瓶用鋼板在常溫下的V字形凹槽的沖擊吸收不能低于34J。2.2材料的確定在乙炔氣瓶的化學(xué)成分上，要注意碳、磷、硫等元素對氣瓶的焊接是不利的，所以需要控制他們的含量。鎳、錳、硅等元素，含量在一定區(qū)間內(nèi)的時候?qū)馄夸摬牡暮附邮怯欣模恳膊灰诉^高。相關(guān)合金合適的元素范圍[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乙炔瓶筒體材料元素含量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鋼的元素含量根據(jù)元素含量的范圍，壓力容器選擇16MnR作為氣體瓶瓶體材料，因低合金的高強度，瓶頸用低碳鋼20R，還有熔融。用16MnR鋼塑性更好，氣瓶的壁厚可以減少。16MnR的碳含量低，焊接性能好。乙炔氣瓶的瓶頸和易熔座的壓力比較小，對強度要求不高，使用16MnR和20R兩種材料可以達(dá)到乙炔氣瓶的要求標(biāo)準(zhǔn)。3圓筒的設(shè)計3.1圓筒的選擇常見的圓筒包含單層式、圓筒層板包扎式、熱套式、繞板式等。單層式的優(yōu)點：圓筒整體性強，硬度高，可以保證筒體的強度要求。缺點：有設(shè)備要求、浪費多、有較大的縱、環(huán)焊縫，不便于后續(xù)操作。圓筒層板包扎式優(yōu)點：設(shè)備要求低、可預(yù)防筒體出現(xiàn)裂紋、厚度較薄，力學(xué)性能良好，在使用過程中不會發(fā)生裂紋。缺點：操作過程繁瑣，層板多導(dǎo)致層板浪費。熱套式的優(yōu)點是套合層數(shù)少，費用低、效益高，焊縫質(zhì)量易達(dá)標(biāo)。缺點：只使用于短筒，各個筒節(jié)之間都有較深焊縫，對筒體的整體性要求高，同時對制造也有很多要求。根據(jù)各個圓筒的優(yōu)缺點，為了保證筒體的強度和整體性要求，同時又簡單方便的筒體，筒體選擇單層式圓筒。3.2設(shè)計參數(shù)的確定表2設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力P設(shè)計溫度t焊縫系數(shù)φ壁厚負(fù)偏差許用應(yīng)力[σ]6Mpa50℃10.3mm189Mpa3.3設(shè)計計算3.3.1單層圓筒直徑計算根據(jù)規(guī)定，壓力容器的L/D=3~6，V=0.02m根據(jù)V=π(D/2)2h,D=204mm圓筒直徑為204mm3.3.2壁厚計算設(shè)計厚度：δd=δ+C名義厚度：δn=δd+有效厚度：δe=δn-4封頭及密封裝置4.1封頭的選擇封頭包含半球形、橢圓形、碟形、錐形封頭等，乙炔氣瓶選擇橢圓形封頭，橢圓封頭的可以保證氣瓶強度，不會產(chǎn)生突變，改善焊縫受力狀況，且封頭深度不高，易于沖壓成型，適用于小型便攜式氣瓶。4.2封頭的計算4.2.1尺寸設(shè)計在不同封頭的對比中，選擇受內(nèi)壓力均勻的橢圓形封頭作為乙炔氣瓶的封頭，橢圓形封頭設(shè)計計算；因為公稱直徑為204mm，厚度為6mm，橢圓形殼內(nèi)直徑Di根據(jù)材料為200mm曲面高度h：50mm，容積L=600mm，誤差小于5%，所以設(shè)計合格4.2.2封頭厚度計算設(shè)計厚度：δd=δ+C名義厚度：δn=δd+C有效厚度：δe=δn-C1圖1橢圓形封頭5附件選擇5.1螺栓螺栓是法蘭密封步驟中的重要部分，要求其整體性能和機械性能強。螺栓強度要求高，螺栓硬度材料比螺母高HB30以上。對于常溫下的螺栓，螺栓選用低合金鋼。5.2法蘭法蘭結(jié)構(gòu)類型有整體式和松式法蘭等，根據(jù)法蘭標(biāo)準(zhǔn)，選用承插式發(fā)蘭，因為此法蘭適用于小尺寸管徑，可用于壓力偏高管道的導(dǎo)流。5.3密封裝置設(shè)計螺紋連接和螺栓法蘭連接等都是氣瓶的密封裝置，乙炔氣瓶使用螺栓法蘭連接，它是氣瓶最好的密封方式，其整體性強、安裝無特殊要求、操作簡單。它的組成有法蘭和螺栓等。墊片形狀有平面形墊片、O形墊片、波形墊片，橢圓形墊片等選擇平面形墊片。墊片的材料包含很多種類：銅、鋁、低碳鋼等。墊片選擇低碳鋼強度好，變形能力強同時彈性也滿足需求。5.4法蘭壓緊面常用的壓緊面有凹凸面、突面、環(huán)連接面等，因為凹凸壓緊面裝備時容易置于中間位置，墊片安裝緊密，用于公稱壓力小于等于6.4mpa的法蘭，所以法蘭選擇凹凸壓緊面。5.5高壓密封平墊密封是高壓密封的首要選擇，它相比較其他密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是穩(wěn)定、密封性能好，在常溫常壓和極端條件下也可保證密封性，同時整體性強，易操作，平墊密封需要加金屬墊片才能保持其安全性能，在適和的范圍下，平墊密封整體性強、制作簡單、使用經(jīng)驗豐富，在小型氣瓶和壓力低的場合使用廣泛，且安全可靠。5.6開孔補強由于乙炔氣瓶上需要接管，所以開孔是必不可免的，開孔就需要在附近進(jìn)行補強。選用厚壁接管補強，焊接成效明顯，整體性強，裝置簡單，同時補強效果強。5.7支座支座可以支撐容器，并固定于某一位置的附件，種類也有很多包括立式容器支座（耳式、支承式等）。其中支承式易于設(shè)計，適用于高度不大且具有凸型封頭的氣瓶，乙炔氣瓶采用支承式支座，選擇材料Q345R。6強度校核6.1測壓為了檢測容器的宏觀強度以及密封點和焊縫的密封情況。乙炔氣瓶使用水壓試驗檢測。查閱資料可知，試驗壓力為設(shè)計及壓力的1.25倍，則η=1.25，所以，溫度為50℃時，可知σ=σ可得試驗壓力：水壓試驗進(jìn)行時的應(yīng)力校核：50℃時屈服強度為，所以可知水壓試驗許用應(yīng)力：>191.25MPa，所以合格。6.2筒體軸向應(yīng)力校核由《化工機械手冊》查表知，最大軸向應(yīng)力應(yīng)出現(xiàn)在跨中面，校核跨中面的應(yīng)力。6.2.1筒體軸向彎矩計算由彎矩引起的軸向應(yīng)力在圓筒中間的截面上，代入公式，可計算得到公式中，F(xiàn)表示支座反力，F(xiàn)=1469.4KN.Rm表示封頭的長軸外半徑，L表示封頭切線距離，計算得L=650mmA表示封頭切線到支座的中心線的距離，A=50mmhi表示封頭短軸內(nèi)半徑，支座截面處彎矩，6.2.2軸向應(yīng)力與校核圓筒中間橫截面上，由壓力以及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力，最高點處：最低點處：支座圓筒截面最高點：=16.15MPa支座圓筒截面最低點：筒體軸向需用壓縮應(yīng)力：根據(jù)查閱GB150,B=76.25MPa6.2.3筒體和封頭切向應(yīng)力校核查表得知此時K3=0.924，而K4=0.325。已知圓筒中：MPa，因此圓筒切向剪應(yīng)力的校核合格封頭：MPa封頭切向應(yīng)力校核合格，。7焊縫與接頭設(shè)計7.1焊縫的數(shù)量和布置要求：筒體是整塊鋼板制成，所以不需要與其他筒體焊接，封口和管板使用鋼板整體。需要接合的情況下，密封件、管板的內(nèi)徑Di≤2200mm的情況下，焊接焊縫為一個。壓力元件的主要焊接焊縫及其周邊區(qū)域應(yīng)避免焊接部件，開孔、焊縫、轉(zhuǎn)角各個之間保證一定的角度。焊縫和開孔端中間的距離是開孔時實際氣瓶壁厚的3倍以上，也就是18mm以上，圖2是乙炔氣瓶的焊接工程設(shè)計圖。甲方案乙方案圖2兩種工藝方案簡圖甲方案使用環(huán)焊縫，瓶體強度差，安全性低，加工要求高，經(jīng)濟花費高；乙方案為垂直且長的縱焊縫，一塊鋼板加工制成，焊接方便，過程簡單，效益高，所以乙方案更合理，乙炔氣瓶選擇乙方案。7.2焊接接頭：根據(jù)書本所學(xué)知識的焊縫連接形式：筒間的環(huán)焊縫和板間的縱焊縫應(yīng)該分別采用單面焊對接和雙面焊對接接頭[5]，氣瓶的縱焊縫和環(huán)焊縫應(yīng)分別采用全焊透雙面焊對接和全焊透的雙面對接接。7.3焊接接頭的選擇7.3.1筒體與封頭的接頭選擇由于乙炔的氣瓶是密封的整體容器，筒體和密封之間需滿足強度，筒體和密封之間的焊接接頭應(yīng)采用對接接頭。7.3.2封頭與附件的接頭選擇封頭與易熔座、法蘭等之間常常是管板相接。為了乙炔氣瓶設(shè)計的整體性和焊接性的安全，這個時候附件與封頭之間不能常規(guī)的管板相接，應(yīng)該采用角接接頭來保證整體強度。綜上所述，在乙炔氣瓶的設(shè)計中，瓶頸、易熔座的焊接焊縫應(yīng)采用角接焊縫。瓶體的環(huán)焊縫采用對接接頭。7.3.3坡口的設(shè)計常規(guī)條件下，焊接厚度在7mm以下的鋼材時，不需要設(shè)置坡口就得到滿足要求的焊縫，保證兩板之間有間隙，保證金屬填滿整個間隙，才能達(dá)到預(yù)期的焊接效果。鋼板的厚度為6mm滿足條件，所以不需要設(shè)置坡口[6]。7.3.4焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計本次板厚為6mm，屬于薄板，所以不需要開坡口，只需要鋼板之間保留間隙，筒體與瓶頸封頭保留焊接間隙，保證焊接焊透，筒體與易容座之間不需開坡口[6]。8焊接設(shè)計8.1焊接工藝氣瓶中部分（瓶頸、易熔座等）的焊縫可采用焊條電弧焊，操作過程簡便，要求低，經(jīng)濟花費低。技術(shù)靈活，供應(yīng)源充足。對位置沒有特別要求，對鋼材適普適性高，大部分鋼都可以使用[7]。小型便攜式乙炔氣瓶的焊接量不多，筒體的環(huán)、縱向焊縫需要通過使用CO2氣體保護焊。因為此工藝具有鋼絲熔融效率高。生產(chǎn)率是焊接棒電弧焊接的兩倍，焊接位置沒有特別要求的同時，CO2可以冷卻焊接部位，焊接變形較小，耐裂性好[8]。焊接棒電弧焊接用的焊接棒，種類可以分為碳鋼和低合金的焊接棒等。由于需要對焊接的氣瓶后長時間的熱處理，其中金屬的強度削弱。所以使用E7015級強度級比較強的低合金焊縫。焊接過后需要二保焊，那么所需氣體CO2含量高于99.6%。要求焊縫的機械密封性能優(yōu)秀的同時，要求焊絲含碳量不高于0.10%和含有一定的脫氧元素，必須要求選用H08Mn2Si[8]。 將需要的每一個工件整理出來，根據(jù)設(shè)備要求裝配，再將各個需要的部位清洗干凈，最后把焊機的檢查與調(diào)試。8.2焊后處理及檢驗焊接后采取退火熱處理方式來消除殘余應(yīng)力，先將材料加熱，然后冷卻，過程保證不用人為降熱自行降溫，處理后的材料便于加工，可以使材料更好的投入使用[9]。射線探傷采用X射線探傷，可以直觀的看出瓶體是否有傷痕，對傷痕的表現(xiàn)明顯易觀察，且記錄可以保存便于后期查閱，適用于厚度薄的容器且在壓力容器中應(yīng)用廣泛，所以采取射線探傷對焊縫進(jìn)行焊后檢驗?？偨Y(jié)乙炔本身的危險性高，為了便于運輸，常用壓力容器來運輸，這就涉及到壓力容器的設(shè)計，這次畢業(yè)設(shè)計就是壓力容器，我們需要從氣瓶的尺寸設(shè)計開始入手，先是筒體和封頭的尺寸，然后是對筒體和封頭材料的選擇，和一些附件的選擇比如法蘭、螺栓等再進(jìn)行高壓密封和強度校核保證強