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2000m3球罐设计


河北联合大学轻工学院
QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY

毕业设计说明书
设计(论文)题目:2000m?球罐设计 学生姓名:董文达 学 号:200915190232

专业班级:09 机械 7 班 学 部:工程教育部

指导教师:张光浩

r />2013 年 05 月 27 日

2000 立方米球罐设计

摘要
球罐作为大容量、有压贮存容器,在各工业部门中作为液化石油气、液化天然气、 液氧、液氮、液氢、液氨、及其他中间介质的贮存;也作为压缩空气、压缩气体的贮存。 在原子能工业中球罐还作为安全壳使用。 本课题是 2000m?低温球罐设计, 通过查阅相关 书籍,对该球罐的结构、强度进行详细的计算,从附件、可能引起的突发因素等多角度 考虑,以 GB12337-2011《钢制球形储罐》 ,GB150-2011《钢制压力容器》 ,GB50094-2011 《球形储罐施工及验收规范》作为设计、制造、检验和验收的规范标准对该球罐进行了 设计,最终完成了本课题设计。

关键词:设计、计算、球罐

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2000 立方米球罐设计

Abstract
Spherical tank used as a large capacity, pressure container, in the industrial sector as liquefied petroleum gas, liquefied natural gas, liquid oxygen, liquid nitrogen, liquid hydrogen, liquid ammonia, and other medium storage; also as compressed air, compressed gas storage. In the atomic energy industry in spherical tank also as safety shell. This topic is the 2000m low temperature spherical tank design, through consulting relevant books, on the spherical tank structure, intensity of the detailed calculation, from attachment, may cause unexpected factors and other point of view, to GB12337-2011" steel spherical tanks", GB150-2011" steel pressure vessel", GB50094-2011" code for construction and acceptance of spherical storage tank" as the design, manufacture, inspection and acceptance standard of the spherical tank is designed, the final completion of the project design. Through this design, I understand

Key words: design, calculation, spherical tank

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目录
摘要 .................................................................................................................................... 1 Abstract ............................................................................................................................. 2 第一章 1.1 1.2 绪论 .................................................................................................................... 6 球形容器的特点 .............................................................................................. 6 球形容器分类 .................................................................................................... 6
1.3.1 球罐建造的历史概论 .................................................................................................... 7 1.3.2 国内球罐建造概论 ....................................................................................................... 8

1.3 国内外球罐建造进展 .......................................................................................... 6

第二章 材料的选用 ........................................................................................................ 10 2.1 球罐的选材准则 ................................................................................................. 10 2.1.1 钢材的力学性能 .............................................................................................. 10 2.1.2 经济性 ............................................................................................................. 11 2.2 选材 .................................................................................................................... 11
2.2.1 钢板 ........................................................................................................................... 12 2.2.2 焊接材料 .................................................................................................................... 12

2.3 锻件用钢 ............................................................................................................ 12 2.4 壳体用钢板 ........................................................................................................ 13
2.4.1 力学性能及工艺性能 ............................................................................................... 13 2.4.2 许用应力 ..................................................................................................................... 13

第三章 结构设计 ............................................................................................................ 14 3.1 概况 .................................................................................................................... 14 3.2 球壳的设计 ........................................................................................................ 15 3.3 混合式球罐球壳的瓣片设计和计算 ................................................................. 15 3.4 3.5 3.6 坡口设计 .......................................................................................................... 18 支座设计 .......................................................................................................... 18 人孔和接管 ...................................................................................................... 20

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3.6.1 人孔结构 ................................................................................................................... 20 3.6.2 接管结构 ................................................................................................................... 21

3.7

球罐的附件设计 .............................................................................................. 21
3.8.1 梯子平台 ................................................................................................................... 21 3.8.2 水喷淋装置 ............................................................................................................... 21 3.8.3 隔热设施 ................................................................................................................. 22 3.8.4 液面计 ....................................................................................................................... 23 3.8.5 压力表 ....................................................................................................................... 23 3.8.6 安全阀 ....................................................................................................................... 23

第四章 强度计算 ............................................................................................................ 25 4.1 4.2 设计条件 .......................................................................................................... 25 球壳计算 .......................................................................................................... 25
4.2.1 球壳厚度 如图 1 .................................................................................................... 25 4.2.2 球壳薄膜应力校核根据式 ......................................................................................... 26

4.3

支柱载荷计算 .................................................................................................. 28
4.3.1 静载荷 ......................................................................................................................... 28 4.3.2 动载荷 ..................................................................................................................... 29

4.3.3.支柱稳定性校核 .......................................................................................................... 31

4.4 连接部位强度计算 ............................................................................................ 32
4.4.1 销钉直径计算 ............................................................................................................. 32 4.4.2 耳板和翼板厚度计算 ............................................................................................... 32 4.4.3 焊缝剪应力校核 ....................................................................................................... 32

第五章 工厂制造及现场组装 ........................................................................................ 35 5.1 工厂制造 ............................................................................................................. 35
5.1.1.原材料检验 ............................................................................................................... 35 5.1.2.瓣片加工 ................................................................................................................... 35

5.2 现场组装 ............................................................................................................. 36 5.3 组装准备 .......................................................................................................... 36
5.3.1 基础检查验收 ............................................................................................................. 37 5.3.2 球瓣几何尺寸检验和理化检验 ............................................................................... 37

5.4

组装精度的控制 .............................................................................................. 37
5.4.1 支柱偏差的控制 ......................................................................................................... 37 5.4.2 椭圆度,焊缝错边量和角变形 ............................................................................... 37

第六章 焊接与检查 ........................................................................................................ 38

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6.1 钢材的可焊性 .................................................................................................... 38 6.2 焊接工艺的确定 .............................................................................................. 38
6.2.1 焊接方法的选择 ....................................................................................................... 38 6.2.2 焊条,焊丝,焊剂的选择 ....................................................................................... 38 6.2.3 预热的选择 ............................................................................................................... 38

6.3

焊后热处理 ...................................................................................................... 39
6.3.1 焊后热处理的确定 ................................................................................................... 39 6.3.2 焊后热处理 ............................................................................................................... 39

第 7 章 检查 .................................................................................................................... 40 7.1 支柱尺寸精度检查 ............................................................................................ 40 7.2 竣工检查 ............................................................................................................ 40 7.3 气密性试验 ........................................................................................................ 41 7.4 开罐检查 ............................................................................................................ 41 结 论 .............................................................................................................................. 41 参考文献 .......................................................................................................................... 42 致 谢 .............................................................................................................................. 44

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第一章

绪论

近几十年来球形容器在国外发展很快, 我国的球形容器的引进和建设在七十年 代才得到了飞速发展。通常球形容器作为大体积增压储存容器,在各工业部门中作为液 化石油气和液化天然气,液氨,液氮,液氢及其他中间介质并存,也有作为压缩空气, 压缩气体贮存。在原子能工业中球形容器还作为安全壳(分隔有辐射和无辐射区的大型 球壳)使用。总之随着工业的发展,球形容器的使用范围也就必然会越来越广泛。 由于球形容器多数作为有压贮存容器,故又称球罐。

1.1

球形容器的特点

球形容器与常用的圆筒型相比具有以下的一些特点: 1.球形容器的表面积小,即在相同作用容量下球形容器所需钢材面积最小。 2.球形容器壳板承载能力比圆筒形容器大一倍。即在相同直径相同压力下,采用相 同钢板时,球形容器的板厚只需圆筒形容器板厚的一半。 3.球形容器占地面积小,且可向高度发展,有利于地表面积的利用。由于这些特点, 再加上球形容器基础简单,外观漂亮,受风面积小等等,使球形容器的应用得到扩大。

1.2

球形容器分类

球形容器可按不同方式,如储存温度,结构形式等分类。 按贮存温度分类: 球形容器一般用于常温或低温,只有极个别场合,如造纸工业用的蒸煮球等,使用 温度高于常温。 (1) 常温球形容器 如液化石油气, 氨, 煤气, 氧氮等球罐一般这类球罐的压力较高, 取决于液化气的饱和蒸汽压或压缩机的出口压力。他的设计温度大于-20 度。 (2) 低温球罐 这类球罐的设计温度低于常温(即〈=120 度) ,一般不低于-100 度, 压力偏于中等。 深冷球罐 设计球罐在-100 度以下。往往在介质液化点以下贮存,压力不 高,有时为常压。由于对保冷要求高,常采用双层球壳。 目前国内使用的球罐,设计温度一般在 -40 C ~ ?50 C 之间。 按形状分有圆球形,椭球形,水滴形或上述几种形式的混合。 圆球形按分瓣方式分有桔瓣式,足球瓣式,混合瓣式等,圆球形按支撑方式分 有支柱式,裙座式,半 C 里式,V 形支撑式。

1.3

球罐的设计参数

球罐的主要参数为设计压力和设计温度。这两个参数互有影响,对球罐的设计 影响很大,决定了材料的选用。 (1)设计压力 设计球罐时用来确定各部件的计算厚度或机械强度的压力。设计压
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力由工艺条件确定,要考虑如下方面: 1.贮存介质为液化气式设计压力由坐高设计温度决定; 2.装有安全阀时,设计压力取安全阀调定压力; 3.装有爆破膜时,设计压力取爆破膜和爆破压力; (2)设计温度与设计压力同时存在的球罐壁温为设计温度。 1.设计温度有工艺条件确定时根据工艺传热计算确定金属壁温为设计温度。 2.设计温度由大气环境确定时,参照以下方法: 最低气温——取当地月平均最低气温 最高温度——取当地月平均最高气温为依据。此值高于 27 摄氏度是区别最高温度 为 48 摄氏度,低于 27 摄氏度是区别最高温度为 40 摄氏度,当贮存液化气时,一般以 此作为设计温度并由此确定设计压力。 3.设计压力与设计温度的配合 当球罐操作时可能出现不同的压力和温度和配合, 则 应取最不利的同事出现的压力和温度配合作为设计依据。 但对其他可能出现的压力和温 度配合进行校核,以证明设计满足各种使用条件。

1.4 国内外球罐建造进展
1.4.1 球罐建造的历史概论 球罐作为一种工业贮存介质的压力容器,仅开始于本世纪的三十年代。 在三十年代出现的工业球罐,特点是:容量小,结构粗笨,耗材高,施工技术差, 施工管理也差, ,没有形成专业化生产,大部分是分散单片生产,主要采用热压球壳板, 铆接结构。即三十年代建造的球罐主要是铆接球罐。 在四十年代,由于焊接技术的出现,球罐建造出现较大的进度。但由于当时工业水 平较低,工业领域窄,因此球罐需求量也不大,受球罐材料的局限,顾发展水平不快。 在五十年代,由于焊接技术的进一步发展及高强度钢的出现,随着工业部门对球罐 的大量需求,球罐建造开始迅速发展起来。但由于五十年代建球技术并不先进,所以其 特点为:数量低,质量低。 在六十年代,随着冶金工业的发展,石油化工,原子能工业的发展,建球水平进入 了一个新的阶段,其特点如下: 对球罐的建造提出容量大,数量多,质量高的要求:使用工艺条件也较苛刻。 鉴于六十年代球罐多次脆性破裂事故,球罐的安全性得到足够重视。 球罐在建造中出现全面的质量控制和施工管理。 大容量球罐的经济性促进了开发高强度低合金钢, 开始研究由于采用高强度钢而带 来的焊接裂纹的防止。 各国开发球罐整体热处理技术,并行成了热处理专利及专门热处理的服务公司。 对球罐的使用中裂纹引起了足够的重视,并且开始防止球罐进行裂纹的研究。 在七十年代建造出现了不平衡的情况,由于各国发展了低温储存双层立式储罐,贮 存各种气体及液化气体的需要,球罐又在某些国家迅速发展,这时期特点如下:
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(1) 这时期建造球罐容量增加,质量得到较好的控制。 (2) 大型原子能发电站的建造,促进球形压力壳和安装壳的制造技术水平,一些超 大型球壳陆续建造完成。 (3) 大量液化气贮存事业发展,推动建球技术的发展。 (4) 各国压力容器规范开始注重对球罐制造的要求,出现一些球罐的专用规范,并 注意球罐的设计制造,施工检验的规范标准的制定及实施。 (5) 加强球罐施工现场管理,进行全面的质量控制。 (6)加强球罐的科研。 1.4.2 国内球罐建造概论 我国最早建造球罐在 1958 年以后,至 1980 年已运行的各类球罐约为 1000 台 左右。 回顾我国近三十年的建造球罐历史,历史较短,但发展速度较快,目前国内建 球技术水平仅仅达到世界先进国家的八十年代的水平, 至于近年来引进国外球罐技术水 平也有达到九十年代的技术水平,但是综合技术水平还是比较落后的,球罐的质量不能 很快提高是技术管理水平低,大容量球罐尚不能建造主要缺少球罐的专门材料。总结近 三十年的建球历史,可以用如下几个阶段来阐述: 第一阶段 1958 年——1972 年 这阶段是我国开始组建球罐阶段,其特点是自行设计阶段,分散组建中小型球 罐为主,最大容量为一千立方米。采用低合金钢 16MnR 球罐试制成功后,出现大容量的 16MnR,15MnVR 球罐,球壳和主要热压成型,由各施工单位组装焊接。球罐组建均设有 标准规范进行质量控制,无竣工验收标准,因此施工质量低劣,生产效率低,对球罐安 全性尚未被人们得到足够的认识。 第二阶段 1972 年——1979 年 这阶段是我国建造球罐最多,容量最大的时期。首先这阶段引进 32 台国外球 罐,建造 3 台 8250 立方米大型液氨球罐,2 台 5200 立方米液氨球罐,2 台 2200 立方米 丙烯球罐。在引进球罐设计制造,施工和检验技术的掌握下,我国建球技术有了较大的 提高。为我国赶超世界先进技术水平创造了良好的开端。其次,我国自行建造的 2000 立方米的大型球罐,并且组建配套工程球罐近百台左右,使国产球罐技术水平达到了一 个新水平。 第三阶段 1979 年——1982 年 这阶段是球罐建造调整阶段, 主要对全国现已运行的近 800 台球罐进行一次全面开 罐检查,消除重大事故的隐患,对新建球罐进行全面质量检查及控制,为迎接今后组建 大量城市煤气球罐打下基础。
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对提高国内球罐建造及安全使用的一些看法 由于目前的一些问题主要都出现在焊接接头上, 所以应该采用指把焊缝的质量 提高到目前的水平。 应从: (1) 焊缝磨削(2)球罐热处理(3)人孔接管产生的应力进行处理 这三个方面进 行考虑。 1.4.3 为使国产球罐向大型化发展应注意的问题 球罐用钢问题 由于球罐向大型化发展,相应的要求球罐用钢要向高强度钢发展。采用高强度钢制 造球罐有如下特点: (1) 对于相同容量的球罐,采用高强度钢可以减少壁厚,节约原材料的消耗。 (2) 经济性好,占地面积小,附件数量少,节省基础工程的设计费用,减少制造工 时,运输和安装也方便。 (3) 可以建成不用热处理的大容量球罐,因此可节省投资。 目前我国急需发展屈服强度为 50 公斤/cm 的高强度调制钢,以满足球罐需要, 特别是乙烯球罐用材的需要。 (4)球瓣自制问题 不管球罐的绝对容积是多大,大型化总有一条总的原则:就是必须尽量减少焊缝数 量即:尽量使球瓣尺寸趋于大型化。这样,不但焊缝工作量减少了,而且装配应力也相 应减少,建造周期可以缩短。

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第二章 材料的选用
2.1 球罐的选材准则
球罐是压力容器的一种结构形式,因而在选用材料的基本要求方面与压力容器相 同。球罐用钢的选择原则是在满足强度的前提下,应保证有良好的成型性、优良的焊接 性能、足够好的缺口韧性值和长期可靠的使用性能。球罐用钢是球罐制造和设计的主要 参数, 对其质量优劣具有举足轻重的影响。 目前球罐的使用场合基本上属于低温和常温, 合理重点介绍常温球罐用的材料的选材标准。

2.1.1 钢材的力学性能
1.抗拉强度 抗拉强度是材料的主要强度指标之一,它是材料在拉伸受力过程中,从开始加载至 断裂所能承受的最大应力,是决定材料许用应力的主要依据之一。GB 228《金属抗拉伸 试验方法》中给出了抗拉强度的定义和试验方法。 2.屈服点 屈服点是指呈现屈服现象的金属材料,在所加外载荷不再增加(保持恒定),而材料 仍继续伸长变形时所对应的应力。对于在压力容器行业中通常使用的材料,规定以残余 伸长率0.2%时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点。GB228中给出了试验方法。 工程上常用屈强比/σ s/σ b作为压力容器用钢安全可靠性的参考指标。对于依据弹 性准则设计的压力容器元件.它表示承载能力的裕度。σ s/σ b=1时,属极端情况,这时 任何微小的超载都会导致元件的失效断裂,因而不能用来制造压力容器。当σ s/σ b小于 0.6 时,虽然超载能力大,安全可靠性增大,但钢材的利用率降低。 3.刚性 刚性是结构抗弯曲和翘曲的能力, 是度量构件在弹性范围内受力时变形大小因素之 一,它与钢材弹性模量和结构元件的截面形状(截面惯性矩)有关。 弹性模量是钢材在弹性极限内应力与应变的比值。 4.韧性 韧性用来衡量材料的抗裂纹扩张的能力。 由于韧性指标繁多,因试验方法不同而 不能统一。目前各国均以夏比V形缺口冲击试验的吸收能量(Akv)来衡量,以期达到简单 方便的目的。冲击(吸收)功Akv,即具有一定形状尺寸的金属试样在冲击载荷下折断时所 吸收的功,单位为焦耳(J)。标准试验的方法有GB2106《金属夏比(V形缺口)冲击试验 方法》和GB4159《金属低温夏比冲击试验方法》 。在球罐设计时应注意这一问题,必要 时应参考钢材的冲击载荷—变形曲线(P- σ 曲线)来选择钢材。

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5.可焊性 球罐用材料对可焊性要求比通常的压力容器用材料要求更高,大量的双曲面对接 焊,并处于高空全位置(平焊、仰焊、横焊、立焊)焊接,绝大部分属于隐蔽工作面,因 而在材料的选择上就要严格考虑可焊性。 常用的标准规范用于评价高强度钢的可焊性和对接焊裂纹敏感性, 一般采用钢板的 碳当量Chq和裂纹敏感指数Pc来进行。 碳当量Ceq国际焊接学会(IIW)推荐用于低合金钢的碳当量计算公式: Mn Cr Mo Cu V Si ? ? ? ? ? Ceq=C+ (%) 6 5 4 13 5 24 一般要求屈服限为 490MPa 级的低合金高强度钢 Ceq的控制在≤ 0.45 ,说明可焊性良 好。国外有些标准,按钢板的强度级别和热处理情况,来提供Ceq。 裂纹敏感指数Pc: 碳当量与焊接热影响区硬度有一定的关系, 一般材料的强度越高, 其焊接热影响区的硬度也越高,出现裂纹的可能性就越大。但大量研究结果表明,以此 判断裂纹出现的可能性还不够完全,因而将约束度(材料厚度)和开裂性(焊缝中氢的 含量)的因素考虑在内,则裂纹敏感性指数Pc的计算公式: Si Mn Cu Ni Cr Mo V h H ? ? ? ? ? ? 5B ? ? Pc=C+ ? 30 20 20 60 20 15 10 600 60 式中h-钢板厚度,mm; H-焊缝中氢含量,mL/100g。 大量的试验说明当Pc>0.35时,裂纹产生的几率就大;当Pc≤0.30时,裂纹产生的 几率就小。 (%)

2.1.2 经济性
对球罐用钢提出了各种要求,势必在经济上增加了成本。在球形罐用钢的选择上, 经挤指标是要重点考虑的,因为钢材的价格在整个球罐的投资上占了相当的比例。 根据国际焊接协会的文件,材料的选用会影响很多工序,如设计计算中容器几何尺 寸,焊接工艺,材料的检验要求,焊接工艺评定,焊工考核,焊接准备工作,焊接过程 的管理,焊后的检验,焊后热处理要求,液压试验等。 作为一个优秀的设计工作者,对于材料的选用应作全面考虑,恰当地选用合 适的材料。如果认为选材要球罐越高越好的话,则造成优材劣用的设计绝不是一 个好的设计方案。对材料要求不合适地提高,不但增加了材料的成本,也导致 整个施工价格的上升,是一种极大的浪费。在设计选材时,必须着眼于确保安全 使用,又要经济合理。

2.2 选材
球罐材料不仅按其储存物料的性质、压力、温度等因素选定具有足够强度的材料, 而且还应该考虑到所选材料应具有良好的焊接性能和加工性能, 同时还应考虑材料的供
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给可靠性及经济性等。

2.2.1 钢板
在球罐用钢板国外有两条选材原则:欧洲国家广泛采用屈服极限 294~441MPa 级的 中强钢,属于 Mn-Si、Mn-V、Mn-Nb 和 Mn-Ni-V 系钢,厚度不加控制,当厚度超过规定 的界限时, 对球罐进行焊后消除应力热处理; 日本则选用高强钢, 一般球罐容积在 6000m3 以下采用抗拉强度 600MPa 级钢。容积超过 10000m3 采用抗拉强度 800MPa 级钢,壁厚通 常控制在不进行整体热处理的界限内。以上两种选材原则各有其优缺点。选用中强钢的 原则其优点是材料便宜,易获得,焊接工艺条件不苛刻,便于施工,还可以通过热处理 消除焊接残余应力,有利于防止应力腐蚀;缺点是相同容积的球罐钢材耗量大,不利于 球罐大型化。 选用高强度钢的原则其优点是可以降低钢材的消耗量, 有利于球罐大型化, 缺点是焊接工艺条件苛刻,易于产生焊接裂纹,不易进行应力腐蚀控制。考虑我国钢材 的状况,GB12337 选材原则与欧洲国家相同。 近十年来,国内研制的 490Mpa WCF62 钢(低焊接裂纹敏感性的钢种),新钢型号为 07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR 及 16MnR(WH5l0)、15MnNbR(WH530)和 BP460N,已用于工程, 主要用于建造氧气球罐和低温罐,使球罐用材方面增加了很大的选择性,拓宽了球罐的 应用领域,为我国的球罐大型化奠定了基础。 鉴于我国钢材生产情况,GB12337 对球壳板的选材主要从 GB6654-1996《压力容器 用钢板》 和 GB3531-1996《低温压力容器用低合金钢钢板》以及 GB150 中选取了 20R、 16MnR、15MnVR、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR、07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR 等八种钢 作为球壳用钢。

2.2.2 焊接材料
随着球建造的不断进步,在施工现场手工电弧焊焊接球罐的传统工艺受到挑战,近 年来在引进装备的基础上,用气体保护自动焊代替于工焊的逐渐增多,因此 GBl2337 对 气体保护自动焊焊丝的要求予以规定。 GB12337 还规定:手工电弧焊的球壳焊缝以及直接与球壳焊接的焊缝,必须选用低 氢碱性焊条。焊丝和焊剂应与所施焊的钢种相匹配。

2.3 锻件用钢
球罐的人孔、接管往往采用锻件。人孔结构采用锻件可避免补强结构,使人孔以对 接焊的形式与球壳板连接,达到减少结构应力的目的。接管采用锻件,增大自身补强, 达到减少应力突变的目的。人孔锻件级别不应低于Ⅲ级。 人孔锻件材料选用时,必须考虑其力学性能不低干球壳板材料的力学性能,且可焊 性良好,经消除应力退火后,强度和韧性没有明显下降。锻件采用 08MnNiCrMoVDR。
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2.4 壳体用钢板
2.4.1 力学性能及工艺性能
表 2-1 力学性能

2.4.2

许用应力
表 2-2 许用应力

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第三章 结构设计
3.1 概况
球罐的结构型式是多种多样的,根据不同的使用条件(介质、容量、压力、温度), 使用不同的材料,球罐的设计和制造水平的差异,有不同的结构型式。我国现行使用的 球罐,多以球壳扳的组合方案不同分为橘瓣式和足球瓣与橘瓣组成的混合式两种,以拉 杆形式不同分为可调式和固定式两种。 球罐的结构并不复杂,但它的制造和安装较之其他形式储罐困难,主要原因是它的 壳体为空间曲面,压制成型、安装组对及现场焊接难度较大。而且,由于球罐绝大多数 是压力容器,它盛装的物料又大部分是易燃、易爆物,且装载量大,一旦发生事故,后 果不堪设想。国内外球罐的事故事例很多,有些造成重大的人身财产损失。查其事故原 因,除了操作和安装失误之外,结构设计不尽合理也是原因之一。因此,球罐结构设计 要围绕如何保证安全可靠而实施。 球罐结构的合理设计必须考虑多种因素: 盛装物料的性质、 设汁温度和压力、 材质、 制造装备和技术水平、安装方法、焊接和检验要求、操作方便可靠性、自然环境的影响 (风载荷、地震载荷作用,大气的自然腐蚀)等。要做到满足各项艺要求,具有足够的强 度和稳定性,结构尽可能简单,使其压制成型、安装对焊接和检测、操作、监测和检修 实施容易。 球罐的结构设计应包括如下的内容: (1)根据工艺参数的要求确定球罐结构的类型及几何尺; (2)确定球壳的排板方法(分带、分片); (3)确定球壳板的几何尺寸; (4)支撑结构的确定;

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(5)人孔和工艺接管的选定、布置以及开孔补强的设计; (6)球罐的附件如内外盘旋梯、爬梯、平台的设计; (7)有要求时,对保冷结构设汁; (8)对基础的技术要求; (9)有要求时,对防地震、防雷的设计等。

3.2 球壳的设计
球壳是球罐的主体,它是储存物料和承受物料工作压力和液柱压力的构件。球壳几 何尺寸较大, 用材量大, 它必须由许多瓣片组成。 球壳设计要按照如下的设计准则进行: (1)必须满足所储存物料在容量、压力、温度方面要求,且安全可靠; (2)受力状况最佳; (3)考虑瓣片加工机械(油压机或水压机)的跨度大小,运箱条件的可能,尽量采用 大的瓣片结构,使焊缝长度最小,减少安装工作量; (4)考虑钢板的规格,增强球壳板的互换性,尽量提高板材的利用率。 国内自行设计、制造、组装焊接的球罐多为橘瓣式和混合式排板组成的球壳。其基 本结构参照G/T17261。

3.3 混合式球罐球壳的瓣片设计和计算
符号说明 R-球罐半径mm,R=7850 N-赤道带分瓣数,N=16 α -赤道带周向球心角,α =20° β 0-赤道带球心角,β 0=67.5° β 1-极中板球心角,β 1=22.5° β 2-极侧板球心角,β 2=22.5° β 3-极边板球心角,β 3=22.5°
图3-1 赤道板

赤道板尺寸计算 : ? R?0 3.14 ? 7850 ? 67.5 ? ? 9243.375mm 弧长 L ? 180 ? 180 67.5 ? 8722.435mm 弦长 L ? 2 R sin 0 ? 2 ? 7850 ? sin 2 2 ?0 2? R 2? ? 7850 67.5 cos( ) ? ? cos( ) ? 1712.635mm 弧长 B1 ? N ? 2 ? 16 2 弦长 B1 ? 2 R cos( 0 ) sin( ) ? 2 ? 7850 ? cos 33.75 ? sin10 ? 2266.8mm 2 2? R 2 2 ? 3.14 ? 7850 ? ? 6911.955mm 弧长 B2 ? N 16
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2000 立方米球罐设计

弦长 B2 ? 2 R sin

? 2 ? 7850 ? sin10 ? 2725.275mm 2 2? ? 弦长 D ? 2R 1 ? cos 0 cos2 ? 2 ? 7850 1 ? cos 2 33.75cos 2 10 ? 8999.43mm 2 7850 ?R D 2 3.14 ? 8999.43 arcsin ? arcsin ? 9583.60mm 弧长 D ? 90 2R 90 15700 极板尺寸计算

?

图 3-2 极板

对角线弦长与弧长的最大间距:
2 ?? H ? 1 ? sin 2 ( 1 ? mm 1 2 ) ? 1 ? sin 33.75 ? 1.144 2R sin( ? ? ) 2 2 15700 ? sin 33.75 2 弦长 B1 ? ? ? 7624.5mm 1.144 ? R H B1 3.14 ? 7850 7624.5 弧长 B1 ? arcsin ? arcsin ? 7961.38mm 90 2R 90 15700 弦长 D0 ? 2 B1 ? 2 ? 7624.5 ? 9804.74mm D ?R 3.14 ? 7850 9804.74 弧长 D0 ? arcsin( 0 ) ? arcsin( ) ? 12555.09mm 90 90 15700 ?1 2 R 弦长 B2 ? 2 R sin( ? ? 2 ) ? 15700 ? sin 37.5 ? 8722.45mm 2 ? R( ?1 ? 2 ? 2 ) 3.14 ? 7850 ? 67.5 ? ? 9248.07mm 弧长 B2 ? 180 180 极中板尺寸计算:

?

3.14 ? 7850 ? 22.5 ? 3082.69mm 180 ? 180 弦长 B2 ? 2 R sin( 1 ) ? 15700 ? sin11.25 ? 3062.92mm ? R( ?1 ?22? 2 ) 3.14 ? 7850 ? 67.5 ? ? 9248.07mm 弧长 L2 ? 180 180 ? 弦长 L2 ? 2 R sin( 1 ? ? 2 ) ? 15700 ? sin ? 8722.45mm 2 对角线弦长与弧长的最大间距:

弧长 B2 ?

? R?1

图 3-3

极中板

?

2 2 ?1 2 ( 1 ? A ? 1 ? sin 2 ( 1 ) sin ? mm 1 ? 2 ) ? 1 ? sin 11.25 ? sin 33.75 ? 0.9835 2R cos( )sin( ? ? ) 2 2 2 15700 ? cos11.25 ? sin 33.75 2 2 弦长 L1 ? ? ? 8698.38mm A 0.9835 L ?R 3.14 ? 7850 8698.38 1 ? 弧长 L1 ? arcsin ??1 arcsin ? 9219.12mm 2 R sin( 1 )2 cos( ?? 90 R 90 15700 ? cos33.75 2) 15700 ? sin11.25 2 2 弦长 B1 ? ? ? 2598.45mm A 0.9835 B ?R 3.14 ? 7850 2598.45 1 arcsin ? ? arcsin ? 2601.34mm 弧长 B1 ? 90 2 90 15700 2 2R 2 2 弦长 D ? L1 ? B1 ? 8698.38 ? 2598.45 ? 9078mm ?R D 3.14 ? 7850 9078 arcsin ? ? arcsin ? 10298.73mm 弧长 D ? 90 2R 90 15700 极侧板尺寸计算

?

?

弦长 L1 ?

2R cos

?1
2

sin( A

?1
2

? ?2 )

15700 ? cos11.25 ? sin 33.75 ? ? 8698.37mm 0.9835
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图 3-4 极侧板

2000 立方米球罐设计

L ?R 3.14 ? 7850 8698.37 ?1 1 ? arcsin ? arcsin ? 9219.12mm 2 R sin( ? ? ) 90 2 R 2 15700 90 ? sin 33.75 15700 2 弦长 L2 ? ? ? 7578.57mm 1.144 ? R H L2 3.14 ? 7850 7578.57

弧长 L1 ?

弧长 L2 ?

上;

arcsin ? ? arcsin ? 7908.84mm 90 90 15700 ?2 2R ? 15700 ? sin11.25 ? 3062.92mm 弦长 B2 ? 2 R sin 2 ? R? 3.14 ? 7850 ? 22.5 ? ? 3082.69mm 弧长 B2 ? ?1 2 ? 2R sin 180 cos( 1 ? ?2 ) 180 15700 ? sin11.25 ? cos33.75 2 2 K? ? ? 2589.45mm 0.9835 L2 A K 7578.57 2589.45 ?1 ? arcsin( ) ? arcsin( ) ? arcsin( ) ? arcsin( ) ? 19.37? 式中 A,H-同 2R 2R 15700 15700
3.14 ? 7850 ?19.37? ? 2653.85mm 180 ? 180 弦长 B1 ? 2 R sin 1 ? 15700 ? sin 9.685 ? 2641.225mm 2 弦长 D ? B1 ? L1 L2 ? 2641.225 ? 8698.37 ? 7578.57 ? 8120mm ?R D 3.14 ? 7850 8120 arcsin ? ? arcsin ? 8533.40mm 弧长 D ? 90 2R 90 15700 极边板尺寸计算

弧长 B1 ?

? R?1

?

? 弦长 L1 ? 2 R cos 0 ? 2 ? 7850 ? cos 33.75 ? 9230.62mm 2 3.14 ? 7850 ?0 ?R cos ?2 ? ? cos 33.75 ? 11392.12mm 弧长 L1 ? 22 R sin( 2 ? ?2 ) 2 15700 ? sin 33.75 2 弦长 L3 ? ? ? 7624.52mm 1.144 ? R H L3 3.14 ? 7850 7624.52 弧长 L3 ? arcsin ? ? arcsin ? 7961.37mm 90 90 15700 ?3 2 R ? 15700 ? sin11.25 ? 3062.92mm 弦长 B2 ? 2 R sin 2 ? R?3 3.14 ? 7850 ? 22.5 ? ? 3082.69mm 弧长 B2 ? 180 ? 180 20 ? 2956.03mm 弦长 B1 ? 2 R sin 2 ? 15700 ? sin 2 2 ? R? 2 3.14 ? 7850 ? 37.14 ? ? 6491.77mm 弧长 B1 ? 180 180 2 弦长 D ? B1 ? L1 L3 ? 4999 .872 ? 10254 .97 ? 5611 .40 ? 9085 .34mm ?R D 3.14 ? 7850 9085 .34 arcsin ? ? arcsin ? 9683 .78m m 弧长 D ? 90 2 R 90 15700 ? 97.86 ? 8368 .30m m 弦长 L2 ? 2 R sin 3 ? 2 ? 7850? sin 2 2 ?R? 4 3.14 ? 7850? 64.42 ? ? 8821 .60m m 弧长 L2 ? 180 180 式中: 180 ? ?0 D 180 ? 67.5 8820.8 ?2 ? ? arcsin 0 ? ? arcsin ? 10.43 2? 0 2R 2 15700 M 8447.59 ? 3 ? 90 ? ? arcsin ? 90 ? 33.75 ? arcsin ? 99.63 2 ? 2 2 15700 ? ?R 2 99.62 ? 4 ? 2 arcsin? ?1 sin 3 ? ? 2 ? arcsin( sin ) ? 63.38 2 2R sin(2 ? ?22 ) 2 2 ? 2 ? 2 2 ? 7850 ? sin 33.75 M? ? ? 10782.70mm H 1.144

图 3-5

极边板

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2000 立方米球罐设计

3.4

坡口设计

球壳都是以球瓣焊接而成,因次焊接坡口的设计是保证球罐质量的重要环节。坡口 设计的原则是要便于焊接,便于检验,以次来达到焊缝有足够的强度而又经济合理。目 前国内外球罐焊缝系数都趋向于采用 ? ? 1 ,因此坡口设计就更为重要。 坡口设计的影响因素: 与采用焊接方法有关,当用手工焊时采用不对称 X 型坡口或 Y 型 V 型坡口;当用自 动焊,半自动焊启电垂直按所用焊机情况选定适当形式坡口。 与球壳的钢板的厚薄有关,当钢板厚度大于 20mm 时,一般采用大型坡口(不对称 或对称)当钢板厚度小于 20mm 时而采用手工焊时,一般采用 Y 型(V 型)坡口。 与焊接所在球壳部位(即焊工操作位置)有关。 当采用手工焊焊接不对称 X 型坡口时, 一般适宜于把上温带, 上极板的焊缝及赤道 上环缝以上所有环缝的大坡口放在内侧,小坡口放在外侧;反之把赤道带,下温带和下 极板的主从缝及赤道带下环缝以下的所有环缝的大小坡口放在外侧,小坡口在内侧。这 样有利于碳弧气刨清根(或磨焊极)及着已检验的操作,同时小坡口侧便于预热,电焊 工作(所谓大坡口是指焊根部较深那边) 。 与焊接公艺有关 采用不对称 X 型坡口手工电弧焊时,采用小间隙坡口结构 (C=1~3mm)是我国和日本的习惯。 坡口的设计就是决定坡口结构的三个要素:角度(包括角度误差) ;间隙(包括间 隙误差) ;钝边尺寸大小。
图 3-6 坡口

在本设计中根据《球形储罐设计规定》选用不对称 X 型坡口形式。

3.5

支座设计

球罐支座是球罐中用以支撑本体重量和贮存物料重量的结构部件, 由于球罐壳 体呈圆球状,给支左设计带来一定的困难,它即要支撑较大的重量。又由于球罐设计在 室外,需承受各种自然环境影响;如风载荷,地震载荷和环境温度变化的作用。为了对 付各种影响因素,结构形式比较多,设计计算也比较复杂。 支撑可分成柱式支撑和裙式支撑两打类。 柱式支撑中又以赤道正切柱式支撑用 的最多,为国内外普遍采用。裙式支撑包括圆筒裙式支撑,锥形支撑。 在本设计中,参考国内外经验和我国目前的制造水平,选用了赤道正切形式支座结 构。 赤道正切柱式支座结构: 它的特点是:球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置,与球壳相
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2000 立方米球罐设计

切或近乎相切, (相割)而焊接起来。一般说相割时,支柱的轴心线与球壳交点与球心 连线与赤道平面的夹角约为 10 ~ 20 角支柱支撑球的质量,为了承受地震载荷和风载 荷;保正球罐的稳定性,在支柱之间设置拉杆相连。这种支座的优点是受力均匀,弹性 好,安装方便,施工简单,容易调整,现场操作和检修也方便。它的缺点主要是重心高, 稳定性较差。 (1) 支柱结构 支柱由圆管,地板,端板三部分组成,分单段式和双段式两种。 〈1〉单段式支柱 主柱由一根圆管或圆筒组成,某上端在制造厂加工成与球壳相接的圆弧状(为 达到密切接合也有采用翻边形式) ,下端与地板焊好,然后运到现场与球瓣进行组装和 焊接。它主要用于常温球罐。 〈2〉双段式支柱 这种支柱适用于低温球罐的特殊材料的支座。按低温球罐设计要求,与球壳相 连的支柱必须选用与壳体相同的低温材料,其设计高度一般为支柱总高度的 30~40%左 右,该段支柱一般在制造厂内与球瓣进行组对焊接,并对连接焊缝进行焊后热处理。下 段支柱可采用一般材料。 在常温球罐中也有由于安装方面希望改善柱头部位支座与球壳连接的应力状 况而采用双段式支柱结构。这时,不要求上段采用与壳体相同的材料。 双段式支柱本身结构较为复杂,但它在与壳体相焊处焊缝的受力水平较低,这 是一个显著的优点,故在国外得到广泛的应用。 故在本设计中采用单段式支柱。 〈3〉支柱与球壳的连接 主要分为有垫板和无垫板两种结构,有垫板结构可增加球壳板的刚性,但又增 加了球壳上的搭接焊缝,在第合金高强钢的施焊中由于易产生裂纹,探伤检查又困难, 故应尽量避免采用垫板结构。 故在本设计中采用垫板结构。 支柱与球壳连接端部结构,也分为平板式和半球式两种。半球式受力较合理, 抗拉断能力较强,平板式结构造成高应力的边角,连接不合理。支柱与球壳连接的下部 结构,分为直接连接和有托连接两种。有托板结构,可以改善支撑和焊接条件,便于焊 缝检验。 在本设计中采用半球顶有托板结构。 〈4〉支柱的防火安全结构 支柱的防火安全结构主要是在支柱上防火层及可熔塞结构。 当在灌区发生火灾时,为了防止球罐支柱在很短时间内被火烧塌,引起球罐破 坏使事故加剧, 除了对球罐体本身采用防火水幕喷淋以外, 对于高度为一米以上的支柱,

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2000 立方米球罐设计

用厚度 50mm 以上的耐热混凝土成具有相当性能的不燃性绝热材料覆盖。防火隔热层不 应发生干裂,其耐火性必须在一小时以上。 每根支柱上开设排气孔,使支柱管子内部的气体在火灾时能够及时溢出,保护 支柱。为了隔绝支柱管与外界接触,试压后在排气孔上采用可熔塞堵孔,可熔塞内填上 以 100 C 以下温度时能自行熔化的金属材料,易熔塞直径应在 6mm 以上。 支柱还必须具有较好的平密性,保证各处焊缝有足够的强度(尤其是在支柱与 球壳接头上) , (组装施焊后的支柱必须进行 5kgf / cm2 表压的空气气密试验) 球罐应按有关规定安装单个接地电阻为 20? ,总和电阻为 10? 以下的接地设 施。每台球罐至少应有两个接地凸缘。 (2)拉杆结构 拉杆是作为承受风载荷及地震载荷的部件,增加球罐的稳定性而设置。拉杆结 构可分为可调试和固定式两种。 可调试拉杆分成长短两段,有可调螺母连接,以调节拉杆的松紧度,大多数采 用高强度的圆钢或锻件圆钢制作 在本设计中采用可调试拉杆结构。

3.6
3.6.1

人孔和接管
人孔结构

球罐用的人孔是作为操作人员进出球罐以进行检查及维修用的。 本设计中的球 罐虽然不做焊后整体热处理,但人孔的选定必须考虑操作人员带工具进出球罐方便。一 般选用 DN500~600 较适宜。根据《球形储罐设计规定》本球罐开设 DN500 的人孔。 一般球罐上应该有两个人孔,分别设在上下极带上。上部人孔采用水平吊盖人 孔,下部人孔采用回转盖人孔。 原因:工作压力 P ? 16kgf / cm2 ,材质为低合金高强钢或低温球罐时,采用回 转盖整体锻件凸缘补强人孔,因为这种结构合理外,由于球罐极带配管集中,空间比较 紧张也是一个原因,但由于人孔盖较厚,顶部人孔的开启是很费力的,所以若极带空间 较宽裕的话,可选用水平吊盖人孔。 在有压力情况下人孔法兰一般采用带颈对焊法兰。密封面采用凹凸面形式。 采用整体锻件补强的人孔结构较为合理: 其优点是补强金属集中于开孔削弱应力最大的部位,应力集中系数最小,又采 用对接焊缝,并使焊缝及其热影响区离开最大应力点的位置,故抗疲劳性能好,疲劳寿 命只降低 10~15%节省材料,且壁厚大于或等于 30mm 的球罐,其人孔和接管的开孔补强 均应采用整体补强结构。 故在本设计中采用正锻件补强。
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2000 立方米球罐设计

3.6.2

接管结构

球罐由于工艺操作需要有各种接管。球罐接管部分是强度的薄弱环节,国内较多事 故是从接管焊接处发生的。 为了提高该处的安全性, 采用厚避管或整锻件凸缘补强措施。 1.接管材料 与球罐相焊的接管材料选用与球壳相同的材料。 2.开孔位置 开孔应该设计在上下极带上,便于集中控制,并使接管焊接能在制造厂完成, 保证接管焊接部位的质量。开孔应与焊接错开,其间距应大于三倍的板候,并且必须大 于 100mm。在球罐焊接缝上不应开孔。 3.孔的补强 因球罐容积大,一般其壳体避厚都较接管厚得多,为了保证焊接质量,应加厚 接管的管壁。即使对小直径接管。例如 DN20 也应采用壁厚管焊接结构。

3.7
3.8.1

球罐的附件设计
梯子平台

在本设计中球罐外部设有顶部平台, 中间平台以及为了从地面进入这些平台的下部 斜梯,上部盘梯。由于球罐的工艺接管及人孔绝大部分都设置在上级板处,顶部平台是 作为工艺操作用的平台。中间平台的设置是为了操作人员上下顶部平台时中间休息,或 者是作为检查球罐赤道部位外部情况用的。 在本设计中采用的梯子(上部盘梯)是球体和椭柱体相贯的相贯线,这种梯子 结构弥补了球面螺线盘体的刚开始梯子的上升角太大,后来上升角太大,后来上升角太 小的缺点,故这种结构行走舒适,没有陡升陡降的感觉。 3.8.2 1.概述 球罐上装射水喷淋装置是为了内盛的液化石油气, 可燃性气体及毒性气体 (氯, 氨除外)的隔热需要,同时也可起消防的 保护作用。但是隔热和消防保护有不同的要 求,一般淋水装置的构造为环形冷却水管和导流式淋水装置。 〈1〉隔热用淋水装置的要求 要求淋水装置可以向球罐整个表面均匀淋水 ,其淋水量按球罐本体表面积每 平方米淋水 2L/min 进行计算。 〈2〉消防用淋水装置的要求 要求淋水装置也能向球罐整个表面均匀淋水,其淋水量按球罐本体表面积
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水喷淋装置

2000 立方米球罐设计

6L/min m 2 当储存可燃性气体,液化气和液化石油气的球罐之间实际距离比安全规程缩 短时,洒水量要求增大至 10L/min m 2 . 2.淋水管的设计 淋水管原则上要求采用镀锌水管或具有同等以上耐热性, 耐腐蚀性及强度的钢 管。淋水管的洒水孔口径为 4mm 以上,以防止水垢,灰尘垢塞洒水孔。 3.有关计算 在本设计中所用的洒水量为 6L/ m 2 min 贮槽外表面积:
A ? ? D 2 0 ? 3.14 ? ?15.7 ? 0.022 ? ? 766.262m 2
2

〈1〉所需洒水量:
Q ? 766.262 ? 6 ? 4597.572 L / min

〈2〉洒水管口径 水流速: V=2m/s= 12 ?103 cm / min 4Q 4 ? 4579.572 ?103 所需管径: d ? ? ? 22.1cm ?N 3.14 ?12 ?103 〈3〉洒水孔数的决定: 1 Q N? 2? ?4 d 2.087 ?10 ? ? ?1 ? P 4579.572 1?P 2? ? 256 个 = 2 ?2 4 ? 6.667 ?10 ? 0.6 ?1.0 ? 1000 ? 0.1 3.8.3 隔热设施 (3.1) (3.2)

贮存液化石油气,可燃性气体和它的液化气以及有毒气体(氯,氨除外)的球壳体 和支柱应该设置隔热设施。 保冷设施 在球罐中储存须保持低温的物料(如储存乙烯、液化天然气、液氨等)时,应设置 爆冷装置。保冷结构应从分防止外界热量侵入储罐本体。 本球罐设计采用聚氨基甲酸乙酯做保温层,其性能参数如下:
表3-1 使用极限温度 (℃) 最 高 90 2 低 -26 约 45 .2 0 0.02 (20℃) 2 00 600~1 性 中 最 密 (kg/m?) 度 热 比 数 聚氨基甲酸乙酯性能参数 导热系 抗 碎强度 热 膨 胀系数 化 学反应

隔热设施可采用水喷淋装置或采用不燃性绝热材料覆盖。

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2000 立方米球罐设计

3.8.4

液面计

贮存液体和液化气球罐中应装液面计。 目前,球罐中采用的液面计主要有浮子——齿带液面计和玻璃板式液面计两 种。国外采用的都是前者。由于我国浮子——齿带液面计还处在试产阶段,一般都采用 玻璃板式液面计。 玻璃板式液面计直接性好,可以指示高液位和低液位。 这种结构定型规格长度较短,而球罐直径较大,要求装设许多个液面计才能看 到全液位,结构较为复杂,管接头增多,易渗透。 3.8.5 压力表

为了测量容器内压力,球罐应设计压力表。考虑到压力表由于某种原因而发生 故障,或由于仪表检验而取出等情况,应在球壳的上部和下部各设一个以上的压力表。 压力表的最大刻度为正常运转压力的 1。5 倍以上。 为使压力表的读数尽可能正确,压力表的表面直径应大于 150mm。压力表前应 安装截至阀,以便在仪表标校时可以取下压力表。 3.8.6 安全阀

1.安全阀的种类,数量及可设置的位置 为防止球罐运转异常造成内压超过设计压力, 应在气相部分设置一个以上的异 常时用安全阀, 以便及时排除部分气相物料, 自动的将内压回复到设计压力以下。 同时, 在气象部分还要设置一个以上的火灾安全阀, 使得由于火灾而使罐内物料温度及压力上 升时,能自动发生作用,排泄物料,确保球罐不超过。 2.安全阀的排泄量 对无绝缘材料保温层的液化气体球罐的安全泄放量: 61000FA0.82 61000 ?1.0 ?177.54050.82 G' ? ? ? 37542.946kgf / m ? 68.136 ' 式中: G ——球罐的安全的泄放量。 (3.3)

? ——在泄放压力下液化气体的气化潜热。
泄放压力 :
2 P ? 1.1P 设 ? 1.033 ? 1.1?16 ? 1.033 ? 18.633kgf / cm

丙烷单组分在 18.633kgf/ cm2 的泄放压力下的沸点: 52 C 。 丁烷单组分在 18.663kgf/ cm2 的泄放压力 F 的沸点: 103 C 。 查《化工工艺设计手册》 (二)P16-182 得:在本设计中丙烷〈90%,丁烷〈10%,且 丙烷的沸点远远低于丁烷的沸点。故以丙烷的蒸发潜热作为液化气体的气化潜热。
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2000 立方米球罐设计

F——系数, 球罐装在地面下用沙土覆盖的取 F=0.3, 球罐在地面上时, 取 F=1, 对设置在大于 10L/ m2 min 喷淋装置下时取 F=0.6,在本设计中 F=1。 A---球罐的受热面积 m 2 1 1 A1 ? ? D02 ? ? ? 9.262 ? 134.6237m2 2 2 2 A2 ? 2? Rh ? 2 ? ? ? 4.63 ? ? ??17.5 ? 6.024 ? ? 4.63? ? ? 177.54m A取A1和A2中较大的值 故取 A=177.54 m 2 1. 安全阀排气能力的计算 M , (3.4) G ? APC0 X ZT 因为我们所设计的球罐容积比较大, 容量大, 故在本设计中采用全启式安全阀,

一般易燃易爆或有毒介质应选用封闭式。 1 全启式安全阀 A= ? d12 4 因乙烯是多原子气体,故取 x=24.4, C0 ? 0.6~0.7, C0 取 0. 65。 T=273+520=325k 根据〈 〈化学工程手册〉 〉第一篇 P50 求:

Z ? Z ?0? ?Tr , Pr ? ? ?Z ?0? ?Tr , Pr ?
丙烷的临界点 Tc ? 369.8K 偏心因子: ? ? 0.125 查〈 〈化学工艺手册〉 〉第一篇 P170 T 273 ? 52 Tr ? ? ? 0.87885 介于 0.85 和 0.90 之间。 T 369.8 P 18.633 c 介 于 0.4 Pr ? ? ? 0.43 Pc 43.2827 ?0? Tr ? 0 . P 8 , Z1 0? . 4 0 . 0 6 6 1 r ? 5 时,
? ? Tr ? 0.90, P 时,Z2 ? 0.78 r ? 0.4
0

Pc =41.9mm

Vc ? 203cm3 / ml



0.6

之 间 。

? ? Tr ? 0.85, P 时,Z3 ? 0.0983 r ? 0.6
0

? ? Tr ? 0.9, P 时,Z4 ? 0.1006 r ? 0.6
0

? 0? ? 0? 其中 Z1?0? , Z2 Z3 都为液体的数据。

在本设计中所用的 Z 是球体在操作压温度压力下的压缩系数。

?取Z ? ? ? 0.78
0

同理: Z ? ? ? ?0.1118
1

?Z ? Z?

0?

M G ? APG0 X ZT 1 44 = ? d12 ?18.633 ? 0.65 ? 244 ? 977.181d12 4 0.763 ? 325 安全阀的排气能力 G ? 液化气体球罐的安全泄放量 G '

?Tr , Pr ? ? ? Z ?1? ?Tr , Pr ? ? 0.78 ? 0.152 ? ? ?0.1118? ? 0.763
(3.5)

977.181d12 ? 37542.946
24

2000 立方米球罐设计

d1 ? 61.983mm ? 61.983mm 在《化工工艺设计手册》第一册 P10—87 查得 A42H——
40 弹簧全启封闭式安全阀(阀体材料为碳钢)
表 3-2 安全阀

Dg
100

d0
65

d1
L
135 205

h

H

重量 号

配法总型

185

590

93

HG5016-5 8-40

第四章 强度计算
4.1 设计条件
:P=0.7Mpa :常温 :2000 m3 :2026.3 m3 :7 级 :15700 :450N/ m 2 :200N/ m 2 :II 类 近震 B 类地区

设计压力 设计温度 公称容积 几何容积 地震设计烈度 球壳内直径 基本风压值 基本雪压值 球罐建造场地

物料密度 :800kg/ m3

充装系数 :0.9
图 4-1 球壳分带

4.2
4.2.1

球壳计算
球壳厚度 如图 1

球壳各带的计算压力分别为:
25

2000 立方米球罐设计

P1 =0.7Mpa P2 =0.7Mpa
?6 P 3 =0.7+800 ? (5.165-3.074) ? 9.8 ? 10 =0.716Mpa

6 P 4 ? 0.7 ? 800 ? (15.55 ? 3.074) ? 9.8 ?10 ? 0.7002Mpa

p5 ? 0.7 ? 800 ? (13.863 ? 3.074) ? 9.8?10?6 ? 0.785MPa p6 ? 0.7 ? 800 ? (15.569 ? 3.074) ? 9.8?10?6 ? 0.798MPa
球壳材料采用 16MnR, ? s ? 325Mpa ,常温下许用压力为 ?? ? ? 163Mpa ;取焊缝系
t

p7 ? 0.7 ? 800 ? (15.7 ? 3.0740) ? 9.8?10?6 ? 0.799MPa

数:? ? 1.0 ,腐蚀余量 C2 ? 2.5mm(腐蚀性较强) ,钢板厚度负偏差 C1 ? 0mm ,故厚度附 加量 C ? C1 ? C2 ? 2.5mm 。 球壳各带所需壁厚: PD 0.7 ?15700 1 i ?1 = ?C ? ? 2.5 ? 19.37mm t 4[? ] ? ? P 4 ?163 ?1 ? 0.7 1 圆整后可取 ?1 ? 20mm ; P2 Di 0.7 ?15700 ?2 = ?C ? ? 2.5 ? 19.37mm t 4[? ] ? ? P 4 ?163 ?1 ? 0.7 1 圆整后可取 ? 2 ? 20mm ; P3 Di 0.716 ?15700 ?3 = ?C ? ? 2.5 ? 19.76mm t 4[? ] ? ? P 4 ?163 ?1 ? 0.716 1 圆整后可取 ?3 ? 20mm ; P4 Di 0.758 ?15700 ?4 = ?C ? ? 2.5 ? 20.77mm t 4[? ] ? ? P 4 ?163 ?1 ? 0.758 1 圆整后可取 ? 4 ? 24mm (考虑了与支座连接的影响); P5 Di 0.785 ?15700 ?5 = ?C ? ? 2.5 ? 21.43mm t 4[? ] ? ? P 4 ?163 ?1 ? 0.785 1 圆整后可取 ?5 ? 22mm 。 P6 Di 0.798 ?15700 ?6 = ?C ? ? 2.5 ? 21.74mm t 4[? ] ? ? P 4 ?163 ?1 ? 0.798 1 圆整后可取 ?6 ? 22mm 。 P7 Di 0.799 ?15700 ?7 = ?C ? ? 2.5 ? 21.76mm t 4[? ] ? ? P 4 ?163 ?1 ? 0.799 1 圆整后可取 ?7 ? 22mm 4.2.2 球壳薄膜应力校核根据式: h ? 3Rcp ? h ? ? PDcp ? R 2cp ? ? R2cp ? ? ? ? ?2 ? ; ?? ? ?H ? ? ;? ? 2 ? ? ? h ? ? ? 3R? ? ? 2? 3? 2 R ? ? R cp ? 4? h ? 3Rcp ? h2 R ? ? cp ? h ? cp cp ? ? ?? ? ?H ? ? ; ?? ? ?H ? ? 2? ? 2? ? 3 ? 2Rcp ? h ? ? 3 ? 2 Rcp ? h ? ? ? ? ? ? 球壳各带应力计算值如表 4—1
表 4—1 球壳各带应力计算值 分带号 各带有效厚度 1 17.5 2 17.5 3 17.5 4 21.5 5 19.5

(4.1) (4.2) (4.3) (4.4) (4.5)

? ?3Rcp ? h ? ? ?H ? ?; 3 ? 2Rcp ? h ? ? ? ? ?

Mpa
6 19.5 7 19.5

26

2000 立方米球罐设计

操 作 条件下

内 压 应力 液 压 应力 总 应 力

137.4

137.4

137.4

127.8

140.9

140.9

140.9

0

0

5.6

15.0

18.5

19.8

19.9

137.4

137.4

143.0

142.8

159.4

160.7

160.8

液 压 试验条件 下

内 压 应力 液 压 应力 总 应 力

196.3

196.3

196.3

159.7

176.1

176.1

176.1

0.4

6.1

18.0

24.2

29.2

30.8

31.0

196.7

202.4

214.3

183.9

205.3

206.9

207.1

球壳的许用应力值: 操作条件下: ?? ?? ? 162 Mpa 液压试验条件下: 0.9? s? ? 0.9 ? 325 ?1 ? 292.5Mpa 表中各带计算应力均小于上述许用应力,故强度条件得到满足。 (1) 球壳许用外压力 0.125 0.125 系数 A ? ? 0.000277 R0 7890 17.5 查 GB150——? 1998《钢制压力容器》第 33 页图 6-5 得:B=375
e

(4.6)

许用外压力: B 37.5 ? P? ? R ? 7890 ? 0.083Mpa 0 17.5 (2) 球壳压应力校核 ?
e

(4.7)

? 许用临界压应力: 0.18E e 0.18 ? 20600 ? 21.5 Rcp 7860 ? 33.8Mpa ? (4.8) ?? ?c ? m 3 操作条件下赤道壁压力: (m ? m2 ? m3 ) g [ p]Dcp (71218+810508) ? 9.8 0.083?15724 ?c ? 1 ? ? + =23.3MPa ? Dcp? e 4? e ? ?15724 ? 21.5 4 ? 21.5 下半球壳质量: 1 2 m1 ? ? Dcp ? n ?1 ?10?9 ? 71218kg (4.9) 2 下半球储存介质质量: 1 m2 ? ? D13 ? 2 ?10?9 ? 810508kg (4.10) 12 下半球保温隔热材料质量 m5 ? 0kg
操作条件下赤道壁压应力:
‘ ? c ?

(m1 ? m3 ) g (71218 ? 10 ? ? Dcp? e ? ?1572

27

2000 立方米球罐设计

(4.11) 下半球水的质量: 1 m3 ? ? Di3 ? 4 ?10?9 ? 1013135kg 12 ' 所以 ? c ,? c 均小于?? ?c (4.12)

4.3

支柱载荷计算

支柱外直径: ? 600mm 支柱内直径: ? 584mm 支柱计算长度 L: 9000mm 支柱金属横截面积 A:14879 mm2 支柱截面惯性矩 J: 6.25 ?108 mm4 支柱断面模数 W: 2.17 ?106 mm3 基本雪压值 q:250N/ m 2 支柱材料:Q235-A 支柱材料屈服极限 ? s : 235Mpa 支柱数目 n:12 4.3.1 静载荷 操作条件下 球壳质量:
2 m3 ? ? Dcp ?n ?1 ?10?9 ? 141608kg

(4.14) (4.15) (4.16)

储存介质质量: ? m2 ? Dt3 ? 2 k ?10?9 ? 1458915kg 6 积雪质量:
2 D0 qCs ?10?6 ? 1987.5kg 4g 保温隔热材料质量: m5 ? 0kg

m4 ?

?

附件质量: m7 ? 15000kg

m0 ? m1 ? m2 ? m4 ? m5 ? m6 ? m7
球罐每根支柱承受的静载荷: m g (141608 ? 1458915 ? 1987.5 ? 15000) ? 9.8 G0 ? 0 ? ? 1321040.2 N n 12 液压试验条件下: 水的质量: ? m2 ? Dt3 ?3 k ?10?9 ? 2026271kg 6
28

(4.17)

(4.18)

2000 立方米球罐设计

mT ? m1 ? m3 ? m6 ? m7
球罐每根支柱承受的静载荷: m g (141608 ? 2026271 ? 15000) ? 9.8 GT ? T ? ? 1782685 N n 12 4.3.2 动载荷 (4.19)

(1) 地震水平载荷 拉杆影响系数: 2 ? l1 ? ? 3l1 ? ? ? 1? ? ? ? 3 ? ? L ? ??2 ?L ? 2 ? 6000 ? ? 6000 ? =1 ? ? ? ??3? ? ? 0.26 9000 ? ? 9000 ? ? 球罐中心处单位力引起的水平位移: L3 ? ?? ? 103 12nEJ 90003 ? 0.26 ? ?103 ? 1.05 ??8 mm / N 12 ?12 ?192000 ? 6.52 ?10?8 基本自振周期:
T ? 2? m0? ? 2 ? ? ? 1617113 ?1.05 ?10?8 ? 0.82s

(4.20)

(4.21)

(4.22)

本球罐建造地的基础土质属于 II 类场土地。设计地震烈度为 7 级,按表 4-2,地震 影响系数的最大值 因此: ? max ? 0.23, 0.9 0.9 ? Tg ? ? 0.3 ? ? ? ? ? ? max ? ? ? ? 0.23 ? 0.093 s ?T ? ? 0.83 ? 地震水平力 (4.23) (4.24)

Qz ? Cz? m0 g ? 0.45 ? 0.093?1617113? 9.81 ? 663903N
(2) 风载荷 球罐建造地基本风压值: q0 ? 400N / m2 查表 4-9,风压值高度变化系数 f1 ? 1.0

查表 4-10,动载系数 ? ? 1.58 ,故风振系数 k2 ? 1 ? m? ? 1 ? 0.35 ?1.58 ? 1.553 水平风力: 1 2 Q f ? ? ? D0 ? 2t ? k1k2 q0 f1 f 2 ?10?6 4 1 2 = ? ? ?15700 ? 2 ? 24 ? ? 0.4 ?1.553 ? 400 ?1?1.1?10 ?6 ? 53238.2 N 4 因 Qz ? Qf , 取水平载荷F=Qz ? 663903N (3) 推倒弯矩形成的垂直力 推倒弯矩: (4.25)

M ? FL2 ? 663903? 3000 ? 2.0 ?109 N mm
由 M 对各支柱产生的垂直力: M cos ?i n ? ? ?6 Fi ? 2 ?? R109 ? cos 00 2.0 FA ? ? 42333N 6 ? 7874
29

(4.26) (4.27)

2000 立方米球罐设计

2.0 ?109 ? cos 300 ? 36662 N 97874 0 6 ? 2.0 ?10 ? cos 60 FC ? ? 21167 N 9 0 6 ? 7874 2.0 ?10 ? cos 90 FD ? ? 0N 6 ? 7874 (4).剪切力形成的支柱垂直载荷,水平力 F 的方向为 A 向,拉杆构架的方位角 FB ?

?AB ? 150 , ?BC ? 450 ,?cd ? 750 , 于是: L1F sin ?ij
o 180 nR sin? 6000 663903 ? sin150 n C AB ? ? 42287 N 0 0 180 6000 ? 663903 ? sin 45 CBC ? 12 ? 7850 ? sin 12 0 ? 115530 N 6000 ? 663903 ?180 sin 750 CCD ? 12 ? 7850 ? sin 12 0 ? 157817 N 180 12 ? 7850 ? sin (5).支柱附加压力载荷 12

Cij ?

(4.28)

本球罐无允许沉降差的数据, 为示范起见, 以允许沉降差为 1mm 计算附加压缩载荷, 操作条件如下: P L 1320642 ? 9000 ?L ? g ? ? 4.16 mm EA 192000 ? 14879 ? L ? a EA 4.16 ? 1 ? ? ?? ? ?192000 ?14879 ? 1003043 Pg' ? ?P L1320642 ? 10030439000 Pc ? g ? ? 158800 2 2 液压试验条件下: PL 1782685 ? 9000 ?L' ? t ' ? ? 5.62mm EA 192000 ? 14879 ? L ? a EA ? ? 5.62 ? 1 ? ? ?192000 ?14879 ? 1465266N ' P ? T ? ?P' L 1782685 ? 1465266 9000 Pc' ? t ? ? 158709 N 2 2 <6>.载荷组合 (4.29) (4.30) (4.31) (4.32) (4.33) (4.34)

在载荷组合中,以每根支柱都可以承受附加压缩载荷计,那么在操作状态下每根支 柱的载荷情况如表 4—2 表 4—2 支柱载荷计算值
支 载 荷 柱 编 号

单位:Mpa
D 132064 C 132064 2 0 157817 158800 21167 157817 158800 2 36663 115530 158800 B 132064 2 42333 84574 158800 A 132064

A 132064 2 2 -42333 0 158800

B 132064 2 -36662 42287 158800

C 132064 2 -21167 115530 158800

Pg
Fi

Cij
PC

30

2000 立方米球罐设计

E 9

143710 7

148506 5

157380 9

163725 6

165841 4

163163 9

160634

从计算结果可知,编号 C 的支柱承受最大压缩载荷

Qi max ? 1658416N
液压试验条件下:
' Qi' ? P T ?P C ? 1941394 N

4.3.3.支柱稳定性校核 本球罐按考虑偏心影响校核支柱的稳定性。 操作条件如下: 支柱顶端的偏心位移: ? R ?1 ? u ? e ? ?R ? ? ??tR (4.35) E 142.8 ? 7850 ? ?1 ? 0.3? ? 0 ? 4.09mm = 19200 偏心率: A 14879 ? ? e ? 4.09 ? ? 0.028 (4.36) W 2.17 ?106 支柱柔度: L 9000 (4.37) ?? ? ? 43.0 J 6.52 ?108 由 ? , ?查表4 ?11,经内插法得折减系数? ? 0.91,因此,稳定性许用应力为: A 14879 235 ? ? ?? ? ? 0.91? ? 142.5Mpa 1.5 Q 1658416 ? 111.5Mp 支柱压缩应力为: ? w ? i max ? (4.38) A 14879 ? w ? ? ?? ?, 满足条件 液压条件试验下: ? 'R e' ? ?1 ? ? ? ? ??t Re' E ? 7850 183.9 ? ?1 ? 0.3? ? 0 ? 5.26mm = 192000 A 14879 ? ' ? e' ? 5.26 ? ? 0.036 W 2.17 ?106 查表得: ? ? 0.89 稳定性许用应力: (4.39) (4.40)

? ?? ? ? 0.89 ? 0.9 ? 235 ? 188Mpa
支柱压缩应力: Q' 1941394 ? ' w ? i max ? ? 130.5Mpa A 14879 ? w ? ? ?? ? , 亦满足条件 4.3.2 拉杆计算 拉杆材料选 Q235 ? A 钢, 屈服极限? s ? 235Mpa 拉杆载荷: C Tij max ? ij max cos ?
31

(4.41)

(4.42)

2000 立方米球罐设计

157817 ? 190590 N 6000 拉杆直径:7246 Tij max d ?2 ?C ? ? ? ? 190590 ? 2 ? 41.4mm ? ? 2351.5 取拉杆直径为 ? 42mm

(4.43)

4.4 连接部位强度计算
球罐的支柱与拉杆,支柱与球壳以及支柱底座等结构 4.4.1 销钉直径计算 销钉材料选用 Q235 ? A钢。耳板和翼板厚度: 2Tij max d销 ? ? ?? ? ? 2? 190590 = ? 35.9mm ? ? ? 0.6?? ? ; ?? ? ? s ? 1.5 ? ? 0.6 ? 2351.5 36mm 。 取销钉直径为 ? 4.4.2 耳板和翼板厚度计算

(4.44)

耳板和翼板都选用 Q235 ? A 钢。耳板和翼板厚度: T ? 190590 ? ?挤 ? s ? 24.8mm t ? ij max ? ? 1.1 d销 ?? ?挤 36 ? 235 1.1 取耳板厚度为 26mm,翼板厚度为每块 13mm。 4.4.3 焊缝剪应力校核

(4.45)

1.焊缝的剪应力: T 190590 ?1 ? ij max ? ? 48.1Mpa 2ij ?max 2 ?190590 8 ? 350 T 1L 1 ?2 ? ? ? 33.7Mpa 2? 2 L2 2 ? 2 ? 8 ? 250 焊缝许用剪切应力: 235 ?? ? ? 0.6 ? 0.6 ? ? 55.2Mpa 1.5 ?1,? 2均小于?? ? 。 2.地角螺栓计算 球罐支柱承受的最小压缩力: m g ?141608 ? 15000 ? ? 9.8 Qi min ? min ? ? 127897 N n 12 摩擦力:

(4.46) (4.47) (4.48)

(4.49) (4.50) (4.51)

Fs ? f sQi min ? 0.4 ?127897 ? 51159 N
支柱承受的最大水平力(近似也按操作条件计算) : 4063 Fij' max ? Cij max tan ? ? 157817 ? ? 106868 N 6000
32

2000 立方米球罐设计

由此可见, Fs ? Fij' max , 应采用地角螺栓,并作地角螺栓直径计算。每根支柱采用 2 个地角螺栓,于是: 4 Fij' dB ? ? CB ? nd 4 ????106868 B = ? 3 ? 29.9mm 2 ? ? ? 0.6 ? 235 采用 M36 地角螺栓。 1.5 3.支柱地板的直径和厚度计算 查底版基础材料的许用压应力 ?? ?c ? 295Mpa 地板直径: 4Qi' Db1 ? 地板厚度: 支柱作用于地板上的压缩应力为: Qi' 1941394 ?c ? ? ? 2.92Mpa 2 2 2 ? ? 2 D ? 920 3? bcbb1 ? 920 4 ? 600 ? t ? 3 ?4 ? C b 2.91? ? ?? ?b ? 2 ? ? ? 2 ? 39.8mm = 235 1.5 取地板厚度为 40mm. 4.支柱与球壳连接处的应力验算 不带加强板,过 a 点的球壳水平横截面积: D2 2 Aa ? 2? ? Sa ? C ? ? la 4 148392 = 2 ? ? ? 24 ? 2.5? ? ? 26002 4 =1373273 mm2 A 点以下球壳质量:
msa ? 2? Rcp ? Rcp ? la ? S a ?1

(4.52)

4 ?1941394 ?102 ? 915.4mm ? ?? ? bc ? ? 295 取底版直径为 ? 920mm 。 ?

(4.53)

(4.54) (4.55)

(4.56)

(4.57)
?9

= 2? ? 7860 ? ? 7860 ? 2600? ? 24 ? 7850 ?10 =48940kg (4.58)

a 点以下储存介质的质量: 1 2 mla ? ? ? Ri ? la ? ? ?3Ri ? ? Ri ? la ? ? ? ?2 3 1 2 3 ? 7850 ? ? 7850 ? 2600 ? ? ? 800 ? 10?9 = ? ? ? ? 7850 ? 2600 ? ? ? ? ? 3 =422560kg a 点一下水的质量: 1 2 mwa ? ? ? Ri ? la ? ? ?3Ri ? ? Ri ? la ? ? ? ?3 3 1 2 mwa ? ? ? ? ? 7850 ? 2600 ? ? 3 ? 7850 ? ? 7850 ? 2600 ? ? ?1000 ?10?9 ? ? 3 =528200kg 在操作条件下 径向应力:

33

2000 立方米球罐设计

? a? ?
=

m ? mla ? m? a Pa D ? sa 4 ? Sa ? ?? C Aa ? 9.8 ?10 ?9 ? 15724 0.7 ? ? 800 ?10450
4 ? ? 24 ? 2.5 ?

=146.4Mpa

? 48940 ? 422560 ? ? 9.8 ? 1393273

(4.59)

周向应力: Pa D ? a? ? 4 ? S? ?C? ?10450 ? 9.8 ?10?9 ? ?15724 ? 0.7 a 800 = 4 ? ? 24 ? 2.5 ? =143.0Mpa 剪应力: Pg ?a ? 2l ? S1320642 a ?C? = ? 11.2Mpa 2 ? 2750 ? ? 24 ? 2.5? 主应力: 2 ? a? ? ? a? ? ? a? ? ? a? ? 2 ?a ? ? ? ? ?? a2 2 ? 143.0 ? ? 146.4 2 146.4 ? ? 143 ? 2 ? ? = ? ? 11.2 2 2 ? ? =156.0Mpa 球壳板材料许用应力:

(4.60)

(4.61)

(4.62)

?? ? ? 163Mpa ? a ? ?? ? , 满足强度条件
液压试验条件下: 径向应力: Pa' D m ? mwa ' ? a? ? ? sa 15724 0.875 4 ? Sa ? ?? C Aa ?10450 ? 9.8 ?10?9 ? ? 48940 ? 528200 ? ? 9.8 ? ? 1000 ? = 4 ? ? 24 ? 2.5 ? 1393273 =182.8Mpa 周向应力: Pa' D ' ? a? ? 4 ? Sa ? 0.878 ?C 1000 ? ?10450 ? 9.8 ?10?9 ? ?15724 ? = 4 ? ? 24 ? 2.5 ? =178.7Mpa 剪应力: P ' T ?a ? 2l ? S1782685 a ?C? = 2 ? 2750 ? ? 24 ? 2.5? =15.1Mpa (4.63)

(4.64)

(4.65)

主应力: 2 ' ' ' ' ? ?a ?a ? ? ? a? ? ? ? a? ? ' '2 (4.66) ?a ? ? ? ?? a ? ? ? 2 ? 178.7 ? 182.8 2 ? 182.8 178.7 2 ? 2 = ? ( ) ? 15.1 ? 196.0Mpa 2 2 ' ' ? ?? ? ,满足 液压试验条件下,球壳板材料许用应力 ?? ? ? 0.9 ? 325 ? 292.5Mpa ,? a
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2000 立方米球罐设计

强度条件。 5.支柱与球壳连接焊缝强度计算 焊缝剪切应力: P 1782685 ? ? max ? ? 45.8Mpa 2 lg 2 ? 2750 ?10 焊缝许用剪切应力: 325 ?? ? ? 0.6 ? 0.6 ? ? 78Mpa 1.5 ? ? ?? ? , 所以,焊缝满足强度要求。 (4.67)

第五章 工厂制造及现场组装
5.1 工厂制造
5.1.1.原材料检验 制造厂必须按照图纸及有关技术条件对制造球形容器的钢板进行检验。 首先必须了解钢板的使用状态, 其次要了解进场钢板的实际状态是否与使用状 态相符。 钢板的状态与使用状态相符和则应按技术要求进行化学或物理性能检验。 5.1.2.瓣片加工 1.球瓣成型方法 球壳瓣的瓣片是由钢板通过压机和压力加工而达到需要的状态。 这个过程成为 成型操作。球瓣的成型操作冷压,热压及温压。 成型方法取决于材料种类,厚度,曲率半径。热处理强度,延性和设备能力。 在本设计中采用冷压成型的加工方法。 为了提高球瓣的精度, 特别是适用于热处理状态使用的并以使用状态供货的钢 板,建议瓣片采用冷压成型。 2.瓣片的放样及坡口加工 〈1〉瓣片的放样 球壳是双曲面,不可能在平面上精确展开。因此瓣片不可能一次精确下聊。通常先 按近似展开作初步下料,在压制成型后再进行第二次下料。 〈2〉坡口加工 圆柱形壳可先开坡口,再成型;而球瓣就不行。各球瓣的焊接坡口,必须在球瓣压 制成型后加工,亦可与瓣片第二次下料结合进行。
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坡口加工可采用火焰切割,风铲,机械加工急打磨。亦可采用各种方法结合进 行。 加工坡口的最理想的方法是机械加工。 他不象火焰切割会在坡口表面上留下氧化皮, 也不会造成材料局部硬化和变形。坡口加工后必须仔细检验坡口表面,不得有分层,开 裂或影响焊接质量的缺陷。在坡口加工后应涂上防护层,目前已有专用于坡口防锈的涂 层。 3.瓣片的测量 在设计图纸上已给出球瓣的精确尺寸。在成型时,根据需要随时检验有关尺寸。成 品检验一般作瓣片四边弦长检验;对角线尺寸检验及瓣片曲率检验。

5.2 现场组装
组装方法: 单片组装法:又称散装法,即把单张球瓣逐一组装成型的方法,因弹片组装, 故不需要很大起吊能力的机具和安装场地,准备工作量小,组装速度快,且组装精度易 保证,组装应力小。 拼大片组装法:指在胎具上把已欲装编号后的各带块中,把邻近的两张或更多 的球瓣拼接成较大的一组合瓣,然后吊装各组合瓣成球。拼大片组装法由于部分球瓣在 地面进行施焊,故可采用自动焊。提高这部分的焊接质量,减少了高空作业量和工夹具 的数量。 拼环带组装法: a.把各环带的球罐在平台上组装焊接成环带, 然后组拼各环带。 组拼环带一般从下半球开始,吊装好的一环带,焊好焊缝,如此类推,把各环带拼焊成 块。b.把环或数环球瓣在平台上组装焊成中间环。把上极板与温带和下极板与下温带在 平台上分别装焊成上盖和下盖,然后分次序吊装拼焊成球。 拼半球组装法:它是分带组装法的一个形式,它一般是先在平台上用拼环带的 方法将球瓣分别组装成两个半球,然后在基础上将两个半球装拼成整球;或在回转胎架 上将两个半球组焊成整球再吊装于基础上。
1 2 分带,整体混合组装法:首先将各支柱截为两部分( 上部 ,下部 ) 。把上部 3 3 支柱与赤道环带在平台上组拼好,点固焊,必要时在主从缝两端焊一连码,以防起吊时

点焊爆裂,然后吊起赤道环,与已就位于基础上的下部支柱相对拼。然后以组装好的赤 道带为基准,用整体组装的方法,将其余的球瓣组装成球。

5.3

组装准备

组装前的准备工作很多,例如安装平台的铺设,设置拼片及检验用的胎具,电 源,水源,风源以及液化气管线的接通,各种组装设备的检查。此外还有:

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5.3.1 基础检查验收 不论采用何种安装手段,基础尺寸的精度直接影响到该球罐的质量和施工进 度。故在土建部门提供基础质量合格证书及施工许可手续后,应参照有关要求认真复合 基础的各结构尺寸,位置,标高,公差等。 5.3.2 球瓣几何尺寸检验和理化检验

在安装之前对球瓣的曲率及尺寸精度必须严格检查。 检查时应把球瓣吊到胎具 上进行,对不合格的壳板要进行调校。 此外,球瓣的外观质量对球罐的质量影响很大。故在球罐安装前,必须对球罐 逐张认真检查, 对发现的表面缺陷应按标准规定的方法修整和复查。 同时, 周边的皱折, 坡口成型及加工质量都必须根据有关的规范和要求严格控制。

5.4

组装精度的控制

5.4.1 支柱偏差的控制 目前,我国的一些规范中规定支柱的垂直偏差 ? 为:
H ? 8m时
? ? 10mm 1.5 H H ? 8m时 ? ? 且 ? 15mm 其中 ? ? / A1 ? A2 / 1000 采用平垫铁组来保证支柱的偏差会得到比较好的结果。 它只要利用不同厚薄的

平垫铁组来调整保证 y1 的误差。由于各平垫铁组在各其敦上达到标高及水平标准,所以 吊装支柱后,水平标高和铅锤度都自然达到规定要求。在某些情况下可混合采用平垫与 斜垫铁组,平垫铁安放在基墩中间,旁边再垫斜垫以备调整。 5.4.2 椭圆度,焊缝错边量和角变形

在球罐安装过程中,他们是主要的控制对象之一。他们的出现往往是由于压制 球瓣的精度不够,以及运输过程的损坏或堆放不妥所造成的。所以,在组装前对球瓣的 成形曲率和尺寸精度的检查是不能放松的。 正确选用组装方法对避免上述偏差起很大作用。另外,装夹具的正确选用,对 控制偏差起很大作用。当然,椭圆度与角变形最终还得由焊接工序来保证,但保证在焊 接前使偏差降到最小值是最终保证偏差的先决条件之一。

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第六章 焊接与检查
6.1 钢材的可焊性
一般说,一种材料,使用的焊接设备,采用的焊接工艺越简单,其接头的性能 越接近母材,则认为材料的可焊性好。反之则认为可焊性较差。钢材中的主要元素对焊 接热影响区的裂纹生成有很大影响。一般说碳当量值越大则可焊性越差。

6.2
6.2.1

焊接工艺的确定
焊接方法的选择

在球罐的建造中采用较多的是手工电狐焊及埋狐自动焊。 在选择时主要考虑材料的 性能,特别是韧性,以及焊接位置。对以热处理来获得缺口韧性的钢,为了保证热影响 区韧性,常选用热输入量低的焊接方法。此外,球罐的现场安装需要安全位置焊接,故 一般都采用手工电弧焊。 6.2.2 焊条,焊丝,焊剂的选择

要求填充金属能得出良好的焊缝,其强度和和韧性不亚于母材,一般就要求焊 缝金属有与母材相适应的化学成分。对低合金高强度钢的焊接,推荐采用低氢焊条甚而 超低氢焊条。但这时,对焊条的烘烤保管特别重要。否则适得其反。 6.2.3 预热的选择

预热是指施焊前,把焊接工件加热到比环境温度更高的某一温度,并在此温度 下进行焊接。预热的目的为:防止焊缝金属或热影响区裂纹产生;减少变形量;防止焊 缝金属或热影响区的塑性,韧性降低。预热减少了温度梯度,降低了冷却速度,因此减
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小了焊缝收缩的应力及变形,避免了裂纹。 通常预热温度随母材的厚度,含碳量,合金元素量的增加而提高,预热温度不 够高,因而对降低残余应力作用不大,当介质及环境有可能产生应力腐蚀时,就得进行 焊后热处理。

6.3
6.3.1

焊后热处理
焊后热处理的确定

1.依据现行的压力容器设计规范 各压力容器设计规范对材料在制作过程中的冷变形超过某一值时都要作中间 热处理。如碳钢某生变形量超过 5%或低合金钢其冷变形量超过 3%。其次,压力容器设 计规范也对材料超过某一厚度范围时要求作焊后热处理。 2.按贮存介质的要求 如贮存介质在操作条件下有应力腐蚀倾向时,则应考虑焊后热处理,以防出现 应力腐蚀开裂。 3.对结构部件的考虑 在球罐制作时存在人孔结构与球瓣的焊接结构,支柱与球瓣的焊接结构,开孔 补强与球瓣的焊接结构。这些结构由于施焊截面大,有必要对这些结构单独进行焊后热 处理。 6.3.2 焊后热处理

除结构部件的热处理可考虑采用炉内热处理外,由于球罐的体积较大,故一般球罐 的整体热处理都采用现场内燃法热处理。

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第 7 章 检查
检查和验收的标准除需按JB1127-80≤钢制焊接球形贮罐技术条件≥、B741—80≤ 钢制焊接压力容器技术条件≥,劳动人事部≤压力容器安全监察规程≥、≤球罐开罐检 查要点≥等有关文件外,并需遵守设计文件所提出之要求。

7.1 支柱尺寸精度检查
1、支柱总长度和不直度检查 支柱总长度公差mm ,支柱全长的不直度≤L/1000且<10mm。 2、支柱与底板的组焊应垂直,其垂直度允差不大于2mm。如图
图 7-1 焊接方式

7.2 竣工检查
球罐在制造、组装焊接完成交付使用前应经强度及严密性的竣工检查。水压强度试 验是对球罐设计、制造、组装焊接质量的综合考核,保证球罐能够承受设计压力、漏泄。 经过水压超载能够改善球罐的承载能力。球罐尽管在制造过程、组装焊接过程、焊后都 进行了严格的检验工作,但漏检的缺陷有可能在水比试验时引起事故。因此,对水压试 验要给予充分重视。 水压试验压力一般取球罐设计压力的1.5倍顶部压力表的读数为准。 罐底部的压力表读数应计及液柱静压头的影响。水压试验时,水应从下部注入球罐。灌 满后,从上部入孔溢流出来,然后封闭上部入孔。缓慢升压,升压速度应控制在每小时 3kgf/cm?以内。

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7.3 气密性试验
球罐经水压强度试验合格,并再次用磁粉探伤检查球罐内外焊缝,排除表面裂纹及 其他缺馅后进行球罐的气密性试验。 气密性试验时,升压速度应缓慢均匀,升压至试验压力的一半左右时停止升压。检 查所有接管法兰处有无泄漏,在不漏的情况下继续缓慢升压至试验压力。保持压力15分 钟,检查压力表有无降压,用肥皂水涂刷所有焊缝和接管法兰口检查有无泄漏。检查合 格后降压,气密性实验的气体是氮气。

7.4 开罐检查
球罐在投入生产以后。为了检在物料对球瓣及焊缝的腐蚀情况(包括一般性腐蚀及 应力腐蚀)以及延迟裂纹的发生、发展情况,应每隔一个时期进行开罐检查。第一次开 罐时间一般规定在投产后一年。以后的开罐检查时间可以这样决定。根据前一次开罐检 查测得的年腐蚀率及板的实际厚度。 开罐检查的内容如下: 1、壁厚测定 2、内、外表面宏观缺陷检查 3、射线或超声波探伤 4、磁粉或渗透探伤 磁粉或渗透探伤中发现的浅裂纹及小伤痕等缺陷可以打磨除去。打磨光滑即可。尽 量下进行堆焊补修。 只有当缺陷深度超过扣除腐蚀余度的板厚 7%或 1.5mm 之中的较小值 时, 才需要在磨去裂纹或伤痕后进行堆焊补修。 堆焊焊接时应完全遵照返修的焊接工艺。 补焊长度不宜小于 100mm,两补焊部位间的距离应大于 lOOmm。焊后应经磁粉或惨透探 伤,并应进行超声波或射线探伤。焊接部位应打磨光滑,不得有沟梢或棱角,两侧面斜 度不应小于 1.4。


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在 2000 m3 大型乙烯球罐的设计过程中,用户指定了工作压力、工作温度、球罐的 体积、物料密度等各项设备参数和地震烈度、基本风力、场地情况的环境参数。遵循客 户的设计要求,我主要依据 GB150-1998《钢制压力容器》和 GB151-1999《管壳式换热 器》对球罐壳体、支柱长度及重量作了大量的计算,对球罐连接部位支柱稳定性焊缝剪 应力支柱与球壳连接处作了大量计算校核,对标准件的型号和材料作了对比性的选取, 对焊接、检测和水压试验的工艺性作了初步的研究和讨论。经过结构设计后,我按照指 导老师的要求,用画图辅助工具 AUTO CAD 绘制了 A0 图纸一张、A1 图纸 2 张,A2 图 2 张 A3 图 4 张,清楚地表达纯桔瓣五代球罐设备的特点和性能。

参考文献
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2004.11 [2] GB 12337—1990.钢制球形储罐[S] .北京:中国标准出版社,2000.3.15 [3] 郑津洋, 董其伍, 桑芝富 主编.过程设备设计 第二版.北京: 化学工业出版社, 2005.5 [4]何提主.国外储存技术的发展与动向.石油化工设备技术.2003 [5]徐灏主编.机械设计手册(第四版).北京:机械工业出版社.1991 [6] 贺匡国.《化工容器及设备简明设计手册》.化学工业出版社.2002 年 8 月 10. [7] 邵金玲. 液化气储罐设计探讨[J]. 石油化工设备,1999 [8] 李启炎 主编.Solidworks 2003 三维设计教程.机械工业出版社, 2003 [9] Calibration of spherical storage tanks Photogrammetria, Volume 38,

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通过这次毕业设计,学到了不少知识。我们不但学到了很多实践知识,而且使 我们以前所学理论知识得到系统巩固和综合利用。并使之有所扩大和深化,我学会了解 决实际工程问题的方法。 提高理论联系实际的能力, 提高计算绘图技能, 外文翻译能力, 并为我们以后独立从事工程设计打下基础。 在次期间,在老师的指导和同学的帮助下按照毕业设计大纲要求,并在设计中 满足毕业设计的目的去做。设计中参考了有关设计方法及同类设备去优化选择,顺利的 完成了这次毕业设计。 在毕业设计过程中,得到了老师和同学们的大力指导和帮助,再次致以深切的 谢意。

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