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1、1500m3球型储罐设计毕业设计论文1500立方米球罐1.前言 l.i球罐的国内外发展情况 1.2球罐的特点 1.3球罐的分类 1.3. 1按储藏温度分类 1.3.2按结构形式分类 1.4球罐的设计要求 1.5球罐的设计参数 1.5.1 压力 111.5.2温度 121.5.3厚度 121.5.4设计的一般规定 141.5.5许用应力 141.5.6焊接接头系数 141.5.7压力试验 151.5. 8气密性试验 2.材料选用 162.1球罐材料准则 162.2壳体用钢板 172.3锻件用钢 212.4钢管的选用 212.5螺柱和螺母 212.6焊接材料 213.结构设计3.1概况3.2球壳的

2、设计 3.3支座的设计 3.4拉杆结构 3.5人孔和接管 3.5人孔和接管 3. 5. 1人孔结构 3. 5. 2接管结构 4.强度计算 334.1设计条件 334.2球壳计算 334.3球罐的质量计算 354.4地震载荷计算 364.4. 1自振周期 364.4.2地震力 374.5风载荷计算 384.6弯矩计算 384.7支柱的计算 394.7. 1单个支柱的垂直载荷 394. 7. 2组合载荷 404. 7. 3单个支柱弯矩 404. 7.4支柱稳定性校核 424. 8地脚螺栓计算 444.9支柱底板 454. 9. 1支柱底板直径 454. 9. 2底板厚度 464. 10拉杆计算 4

3、64. 10. 1拉杆载荷计算 464. 10. 2拉杆连接部位的计算 474. 10.3翼板的厚度 474. 10.4焊接强度验算 484. 11支柱与球壳连接最低点a的应力校核 494. 11. 1 a点的应力 494. 11.2 a点的应力校核 504.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核 505.工厂制造及现场组装 505.1工厂制造 515.2现场组装 515.3组装方案 516. 焊接 516.1焊接工艺的确定 516.2焊后热处理 527. 检査 518. 结论 40参考文献 42谢 辞 411500M3球型储罐设计仁前言球罐在我国的国防、科研、石油、化工、冶金等企业中有着广泛的应用

4、。利 用球罐贮存液氮、液化石油气、液化天然气、液氧、液氢以及贮存各种压缩气体 等。在城市建筑中，球形容器可用于远距离高圧输送气体管网；在钢铁厂利用球 形容器贮存压缩氧。此外，在原子能发电站，球罐用作安全容器；在造纸上用作蒸煮球；在化学工厂用作反应器等。随着我国工业建设的发展，球罐的应用会越 来越广泛。中国球罐产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、 产业集中于劳动密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达国家，生产要素决 定性作用正在削弱，产品能源消耗大、产出率底、环境污染严重、对自然资源破 坏力大；企业总体规模缩小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。中国球罐产业发展研究报告阐

5、述了世界球罐产业的发展历程，分析了中国 球罐产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型球罐产业”及替代品产业概念, 在此基础上，从四个维度即“以人为本”“科技创新”“环境友好”和“面向未来” 准确地界定了 “新型球罐产业”及替代产品的内涵，根据“新型球罐产业”及替 代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国球罐产业发展就进行了全 面的研究。从U前来看球罐向大型化发展是必然的趋势，球罐建造正向着大型化、结 构多样化、高参数的方向发展。山于大型化的经济性十分明显，以成为世界各国 优先重视的重要课题。球罐不同时期受着不同因素的制约。随着相应技术的发展, 这些制约因素不断的得到解决，乂促使球罐大型

6、化的发展。从国内情况看，LI前 限制球罐向大型化方向发展的影响因素有：（1） 设计制造规范；（2） 球罐用钢；（3） 球罐现场组装和焊接问题；（4） 球罐现场热处理；（5） 球壳板尺寸精度；（6） 吊装运输能力。总的来说球罐的发展还有很多问题需要我们来解决，正因为球罐的发展面临很多问题才使得球罐未来的发展前景很广阔。1.2球罐的特点球罐与常用的圆筒形容器相比有以下特点：（1）球罐的表面积最小，即在相同容量下球罐所需要的钢材面积最小。球罐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，釆用同样钢板时，球罐的板厚只需圆筒形容器板厚的一半。以上两个特点使球罐在用材上远比同样容量、同样圧力下

7、的圆通形容器省料。球罐占地面积小，且可向空间高度发展，有利于地表面积的利用。山于这些特点，再加上球罐基础简单、受风面积小、外观漂亮，可用于美化工程环境等原因，使球罐的应用得到很大的发展。1.3球罐的分类球罐可按不同方式分类，如按储存温度、结构形式等。1.3.1按储存温度分类球罐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罐，使 用温度高于常温。（1）常温球罐 如液化石油气（LPG）、氨、氧、氮等球罐。一般说这类球 罐的压力较高，取决于液化气的饱和蒸气压或圧缩机的出口压力。常温球罐的设 计温度大于-20Co（2） 低温球罐 这类球罐的设计温度低于或等于-20C, 一般不低于-100C

8、o压力属于中等（视该温度下介质的饱和蒸气压而定）。（3） 深冷球罐这类球罐的设计温度在-100C以下。往往在介质液化点以 下储存，压力不高，有时为常压。由于对保冷要求高，常采用双层球壳。LI前国内使用的球罐，设计温度一般在-40C50C之间。1.3.2按结构形式分类按形状分有圆球形、椭球形、水滴形或上述儿种形式混合。圆球按分瓣方式 分有橘瓣式、足球瓣式、混合瓣式三种。圆球形按支撑方式分有支柱式、裙座式、 半埋式、V形支撑等。14球罐的设计要求在材料方面用碳素钢和低合金钢制球罐，不适用于高合金钢及有色金属球 罐。因为釆用高合金钢等钢板制造单层球罐或制造双金属复合板单层球罐，在我 国还没有实践，有

9、关技术没有掌握，在现阶段标准不易列入。设计压力不大于4MPa.过去的球罐标准对球壳壁厚做出了小于或等于50mm 的限定，实际上也是对设汁压力的限定。随着冶金工业的发展，压力容器用钢板 的厚度早已超出50mm,认为50mm以上厚度的钢板质量部稳定和不能保障质量供 货的观点应淘汰，钢板厚度无论多少，只要能满足标准（GB12337-1998）中材料 的有关规定，就可以制造球罐。球壳结构为桔瓣式或混合式，支座为支柱支撑。球壳结构没有釆用足球瓣式 是因为它适用于只在溶剂较小的球罐，不适用于制造较大容积的球罐，应用场合 少。而且这种组装和焊接比较困难，在我国没有实践经验。混合式球罐的球壳结兼容了足球瓣式和

10、橘瓣式球壳的优点，故混合式球壳结 构最优。辐射作用对人体有极大的危害性，因此对储存辐射介质的球罐在设计制造方 面和安全防护上须有严格的要求。而且，长期遭受中子辐射的钢材，其性能也会 有所改变，因此，在选材上也应从严要求。对于受辐射作用的球罐，规定是远远 不够的，故不适用于受辐射作用的球罐。1 5球罐设计参数设计压力：p=l. 77MPa设计温度：常温水压试验压力：Pp = L25P需二2.22MPa球壳内直径 D：二 14200mm （1500?）储存物料：聚氨酯充装系数:20. 85地震设防烈度7度基本风压值：二400 N/ nr基本雪压值：g二300 N/加$支柱数日:n=10支柱选用：1

11、6MnR（热轧）拉杆选用：20圆钢球罐建造场地：1【类场地土、近震,B类地区1.5.1压力除注明者外，压力均指表压力。（1） 工作压力 工作压力指在正常工作情况下，球罐顶部可能达到的最高压力。（2） 设讣压力 设讣压力指设定的球罐顶部的最高圧力，与相应的设计温度 一起作为设讣载荷条件，其值不低于工作压力。球罐上装有超压泄放装置时，应按GB150附录B “超圧泄放装置”的规定确定设计压力。对于盛装液化气体的球罐，在规定充装系数范圉内，设计压力应根据工作条 件下可能达到的最高金属温度确定。（3）计算压力 计算压力指在相应设讣温度下，用以确定球壳各带厚度或受 压元件卑度的压力，其中包括液柱静压力。（

12、1-1）式中H液柱高度；K充装系数：R球罐半径。将式（1-1）指的中括号部分设定为K”则变为：H二KR查表可得当K二0. 83时， = 1.5112（4） 试验压力试验压力指在压力试验时，球罐顶部的压力。（5） 最大允许工作压力最大允许工作压力系指在设计温度下，球罐顶部所 允许承受的最大表压力。该压力是根据球壳的有效卑度计算所得，且取最小值。 1.5.2温度除注明者外，温度均指摄氏温度。（1）设计温度 设计温度指球罐在正常工作情况下，设定的受压元件的金属 温度（沿元件金属截面温度平均值）。设讣温度与设讣压力一起作为设计载荷条 件。设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度。对于0C

13、以 下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。低温球罐的设讣温度按GB12337钢制球形储罐附录A（标准的附录）确定。标志在铭牌上的设计温度应是是球壳设讣温度的最高值或最低值。元件的金属温度可用传热讣算求得。或在已使用的同类球罐上测定，或按内 部介质温度确定。（2）试验温度 试验温度指压力试验时，球壳的金属温度。1.5.3厚度（1） 计算厚度（） 计算厚度指按公式计算得到的厚度。需要时，应计入 其他载荷所需的耳度。（2） 设计厚度（6卫 设计厚度指计算厚度与腐蚀裕量之和。 d = 6 +C2（1-2）（3） 名义厚度（6 ） 名义厚度指设计厚度加上钢材厚度负偏差后，向上圆n整至

14、钢材标准规格的厚度。即标注在图样上的厚度。（不包括加工裕量）。n = （1 + 5十4（1-3）（4） 有效厚度（6 ） 有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏e差。5 e = 5n _ C2_C1（1-4）1.5.4设计的一般规定（1） 对有不同工况的球罐，应按最苛刻的工况设计，并在图样或相应技术文件 中注明各工况的压力和温度值。（2） 载荷 设计时应考虑以下载荷：1压力；2液体静压力；3球罐自重（包括内件）以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力 载荷;4附属设备及隔热材料、管道、支柱、拉杆、梯子、平台等的重力载荷；5风载荷，地震力，雪载荷。需要时，还应考虑下列载荷：6支柱的

15、反作用力；7连接管道和其他部件的作用力；8温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；9包括压力急剧波动的冲击载荷；10冲击反力，如山流体冲击引起的反力等。(3)厚度附加量 厚度附加 C = Ci+C2(1-5)式中C厚度附加量，mm：C钢材片度负偏差，mm；C2腐蚀裕量，mmo其中钢材片度负偏差C是指钢板或钢管的片度负偏差，其值按钢材标准的规 定。当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的6%时，负偏差可忽 略不计。腐蚀裕量C2为防止球罐元件由于腐蚀、机械磨损而导致耳度削弱减薄，应考 虑腐蚀裕量，具体规定如下：1对有腐蚀或磨损的元件，应根据预期的球罐寿命和物料对金属材料的腐蚀速 率确定

16、腐蚀裕量；2球罐各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；3腐蚀裕量取值不小于lmm1.5.5许用应力许用应力是根据材料各项强度性能分别除以标准中规定的安全系数来确定的。本标准所用材料的许用应力按第4章选取。确定许用应力的依据为：我国球罐钢材（螺栓材料外）许用应力按表1-1,螺栓材料许用应力按表1-2表1-1我国球罐钢材的许用应力材料许用应力取下列各值中的最小值，MPa碳素钢、低合金钢6/ 阳/，30 /1.6j 71.6注:表中6匕一钢材标准抗拉强度下限值，MPa； s钢材标准常温屈服点，6S-钢材在设计温度下的屈服点，MPao表1-2螺栓材料许用应力材料螺栓直径,mm热处理状态许用

17、应力，MPa碳素钢 M22热轧、正火6s，/2.7M24M48巧2.5低合金钢 M52巧2.71.5.6焊接接头系数焊接接头系数是用来补偿元件焊接连接部分的强度削弱。焊接接头系数的大小与焊缝形式，焊接工艺及焊缝无损检测的严格程度有关。双面焊全焊透对接接头的焊接接头系数0按下列规定选择:100%无损检测 0=1. 00；局部无损检测 0-0. 85o1.5.7压力试验(1)试验压力 压力试验的压力应符合设计图样的要求，试验压力的最低值按 下述规定：液压试验 Pr = 1.25P暑(1-6)式中P设计压力，MPa；试验压力，MPa；。球壳材料在试验温度下的许用应力，MPa；2球壳材料在设计温度下的

18、许用应力，MPa。(2)压力试验前的应力校核压力试验前，应按下列校核球壳应力：r PT(DZe)T= 化(1-7)式中 T试验压力下球壳的应力，MPa：片一试验压力，MPa；Dj一球壳内直径，mm；5 e球壳的有效厚度，mmo。丁应满足下列条件：液压试验时，o T 0.9 o s0式中Os球壳材料在试验温度下的屈服点，MPa：0球壳的焊接接头系数。液压试验后，符合下列条件为合格：1无渗漏；2无可见的变形；3试验过程中无异常的响声；4试验过程规定值下限大于等于540 MPa的材料，表面经无损检测抽查未发现 裂纹。1.5.8气密性试验如果图样有要求，还应进行气密性试验。气密性试验应在压力实验合格后

19、进 行。气密性试验是检验球罐严密性的重要手段。盛放毒性程度为极度和高度危害 的物料，易燃的压缩气体或液化气体的球罐，应进行气密性试验。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。介质为混合物时，应以介质组分并按毒性程度或易燃介质的划分原则，山设 计单位的工艺设汁或使用单位的生产技术部门提供介质毒性程度或是否属于易 燃介质的依据，无法提供依据时，按毒性程度或爆炸危险程度最高的介

20、质确定。气密性试验压力按下式确定：Pr = 1.OP(1-8)式中P设计压力，MPa；玲一试验压力，MPa。2.材料选用2.1球罐材料准则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 虑材料的供给可靠性及经济性等。球罐的设讣温度低于或等于-20C时，钢材还应符合附录A的规定。当对钢材有特殊要求时（如要求特殊冶炼方法、较高的冲击功指标、提高无损 检测要求、增加力学性能检验率，考虑介质对钢材腐蚀的要求等），设计单位应 在图样或相应技术文件中注明。当设计温度高于200C时，其许用应力值按GB 150的规定。

21、2. 2壳体用钢板（1）凡符合下列条件的钢板，应在正火状态下使用：1球壳用钢板卑度大于30 mm的20R和16MnR； 厚度大于16 mm的loMnVR；任意厚度的ISMnVNR；2其他受压元件（法兰、平盖等）用厚度大于50 mm的20R和16MnR。（2） 符合下列条件的球壳用钢板，应逐张进行拉伸和夏比（V型缺口）常温或低 温冲击试验。1调质状态供货的钢板；2厚度大于60 mm的钢板。（3） 用于球壳的下列钢板，当球罐的设讣温度和钢板网度符合下列情况时，应 每批取一张钢板进行夏比（V型缺口）低温冲击试验。试验温度为球罐的设计温度 或按图样的规定，试样取样方向为横向。1设计温度低于0C时，厚度

22、大于25 mm的20R,厚度大于38 mm的16MnR、 loMnVR2设计温度低于T0C时，厚度大于12mm的20R,厚度大于20 mm的16MnR、 loNfnVR 和 ISMnVNR。低温冲击功的指标根据钢板标准的抗拉强度下限值按附录A相应的规定。 钢板的标准、使用状态及许用应力按表2-1的规定。表2-1许用应力钢号钢板 标准使用 状态卑度,mm常温强度指 标在下列温度（C）下的许用 应力，MPabMPasMPa 1636400235133132126116 36-60400225133126119110 6010039020512811511010316MnRGB6654热轧，正火61

23、6510345170170170170 16-36400325163163163159 36-60470305157157157150 60100460285153153150141 100-12045027515015014713815MnVRGB6654热轧，正火616530390177177177177 16-36510370170170170170 36-6049035016316316316315MnVNRGB6654正火616570440190190190190 16-36550420183183183183 36-6053040017717717717707MnCrMoVR调质1

24、6 5061049020320320320316MnDRGB3531正火616490315163163163156 1636470295157157156147 36-60450275150150147138 6010045025515014713812807MnNiCrMoVDR调质16 50610490203203203203钢号钢板 标准2卑度,mm常温强度指标在下列温度(C)下的许用应力，MPabMPasMPa 16-36430270143143该钢板技术要求见GB150附录A “材料的补充规定” o 注：中间温度的许用应力，可按本表的应力值用内插法求得。(4)球罐的设计温度低于或等于

25、-20C时，钢板的使用状态及最低冲击试验温度应符合表2-2的规定。表2-2钢板的使用状态及最低冲击试验温度钢号使用状态厚度,mm最低冲击试验温 度，C16MnR热轧6-25-20正火6-12007MnCrMoVR调质16-50-2016MnDR正火S36-40 36100-3007MnNiCrMoVR调质16 50-4009Mn2VDR正火，正火加回火6-36-50(5)凡符合下列条件的球壳用钢板，应逐张进行超声检测:1厚度大于30 mm的20R和16MnR钢板；2卑度大于25 mm的15N!nVR和loMnVNR钢板；3卑度大于20 mm的16MnDR和09Mn2VDR钢板；4调质状态供货的

26、钢板；5上下极板和与支柱连接的赤道板。钢板的超声检测应按JB4730的规定，热轧、正火状态供货的钢板质量等级应不低于III级，调质状态供货的钢板质量等级应不低于H级。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U的。接管采用锻件,增大自身补强，达到减少应力突变的H的。人孔锻件级别不应低于II级。锻件的标准及许用应力按表2-3的规定。当球罐的设计温度低于或等于-20C时，锻件的热处理状态及最低冲击温度 按表2-4的规定。表2-3锻件的标准及许用应力钢号锻件标准公称厚度，mm常温强度 指标在下列温度（C）下的许用应

27、力，MPabMPaSMPa 2010015020020JB4726 10037021512311911310416MnJB4726 30045027515015014713520MnMoJB4726 300-500510355170170170170 500-70049034016316316316316MnDJB4727 30045027515015014713520MnMoDJB4727 300500510355170170170170 500-70049034016316316316308MnNiCrMoVDJB4727 30060048020020020020009Mn2VDJB4727 200420260140140注：中间温度的许用应力值，可按本表的压力值用内插法求得。表2-4锻件的热处理状态及最低冲击温度钢号热处理状态公称厚度，mm最低冲击试验温 度，C16MnD正火加回火，调质 200