8000m3液氨球罐结构.docx

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8000m3液氨球罐结构

目录

1引言1

1.1球罐的发展趋势1

28000m3石油液化气球罐设计说明1

2.1基本参数2

2.2基础资料2

2.2.1安装与运行地区气象环境条件2

2.2.2场地条件2

2.2.3工作介质2

2.3球罐主要设计参数的确定3

2.3.1设计压力和设计温度3

2.4设计原则3

2.4.1设计规范的确定3

2.4.2压力试验方法3

2.5球壳设计3

2.5.1材料选用4

2.5.2球罐支柱数和分带角的确定4

2.5.3混合式结构的排板计算4

2.5.4球壳6

2.6球罐支柱与拉杆6

2.6.1球罐连接结构型式的确定6

2.6.2支柱结构7

2.6.3拉杆7

2.6.4支柱和拉杆设计计算7

2.7制造要求7

2.7.1球壳板7

2.7.2坡口7

2.7.3组焊7

2.7.4其他要求8

3球罐的强度计算9

3.1设计条件9

3.2球壳计算9

3.2.1计算压力9

3.2.2球壳各带的厚度计算10

3.2.3球壳薄膜应力校核10

3.2.4球壳许用外压力11

3.2.5球壳压应力校核11

3.3球罐质量计算12

3.4地震载荷计算13

3.4.1自振周期13

3.4.2地震力13

3.5风载荷计算14

3.6弯矩计算14

3.7支柱计算14

3.7.1单个支柱的垂直载荷14

3.7.2组合载荷15

3.7.3单个支柱弯矩15

3.7.4支柱稳定性校核16

3.8地脚螺栓计算17

3.8.1拉杆作用在支柱上的水平力17

3.8.2支柱底板与基础的摩擦力17

3.8.3地脚螺栓17

3.9支柱底板18

3.9.1支柱底板直径18

3.9.2底板厚度18

3.10拉杆计算19

3.10.1拉杆螺纹小径的计算19

3.10.2拉杆连接部位的计算19

3.11支柱与球壳连接最低点a的应力校核20

3.11.1a点的剪切应力20

3.11.2a点的纬向应力21

3.11.3a点的应力校核21

3.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核21

4焊接结构设计23

4.1焊缝布置及焊接顺序23

4.1.1支柱与赤道板的组焊工艺25

4.1.2上、下人孔凸缘对接焊缝的焊接工艺25

4.1.3接管角焊缝的焊接工艺25

4.1.4赤道带纵缝焊接工艺25

4.1.5上下温带纵缝的焊接工艺26

4.1.6上下极板拼接焊缝的焊接工艺26

4.1.7上下温带与赤道带环缝的焊接工艺26

4.1.8极板与温带环焊缝的环焊工艺27

4.2焊接顺序27

5坡口和焊接方法的的选择28

5.1支柱的坡口和焊接方法的选择28

5.2纵缝的坡口和焊接方法的选择28

5.3环缝的坡口和焊接方法的选择28

5.4支柱与赤道板组合焊缝坡口和焊接方法的选择29

参考文献30

1引言

1.1球罐的发展趋势

随着材料、焊接、制造、施工安装技术不断提高，球罐也正向大型化、多结构、高参数的方向发展。

设计压力从0.093MPa的真空度到上百个大气压力，工作温度从-250℃到850℃，球罐结构从单层到多层，品种非常广泛。

其中，最主要的是向大型化方向发展。

目前，国外最大的球罐已作到压力为6～7MPa，体积为300000m3左右的大型球罐。

球罐是一个大型、复杂的焊接壳体结构，它涉及到材料科学、壳体结构理论、塑性加工技术、焊接技术、热处理技术、无损检测技术、断裂力学等多学科和技术领域，对球罐设计方法和理论、选材和材料评价体系、高性能材料的焊接及热处理技术、大板片球罐制造技术的理论和实际都有重要作用。

28000m3石油液化气球罐设计说明

2.1基本参数

公称容积8000m3

公称内径24800mm

最高工作压力1.6MPa

最高工作温度-20~40℃

使用寿命40年

2.2基础资料

2.2.1安装与运行地区气象环境条件

（1）基本雪压400Pa

（2）基本风压450Pa

2.2.2场地条件

①安装场地海拔高度沈阳38~45m

②地震设防烈7度近震

③球罐安装场地已平基，Ⅱ类场地土

④地面粗糙度类别B类

⑤露天环境

2.2.3工作介质

球罐储存的液氨主要理化性质参数如下：

①液氨，又称为无水氨，是一种无色液体，有强烈刺激性气味。

氨作为一种重要的化工原料，为运输及储存便利，通常将气态的氨气通过加压或冷却得到液态氨。

②平均分子量17

③密度665kg/m3（-20℃时液氨密度）

2.2.4运行要求

全天候、全时段（24h、365d连续运转）连续运行。

2.3球罐主要设计参数的确定

2.3.1设计压力和设计温度

参照《压力容器安全技术监察规程》对设计压力和设计温度的规定，确定本次8000m3石油液化气球罐主要设计压力和设计温度如下：

球罐的设计压力为1.6MPa最高工作压力1.56MPa，最终取工作压力1.56MPa（液氨40℃时的饱和蒸汽压）。

设计温度为-20~40℃

2.4设计原则

2.4.1设计规范的确定

国内外球罐通常采用的设计标准或规范有二类：

一类是常规设计标准，主要有中国GB12337标准和美国ASMEⅧDiv1；第二类是分析设计标准，主要有法国CODAP规范、中国JB4732标准、日本JISB8270标准（第一类容器）及美国ASMEⅧDiv2。

本次球罐设计只考虑国内标准，由于JB4732为压力容器分析设计的通用性标准，而GB12337为球罐设计的专用标准，且安全系数较大，计算结果偏于安全，因此采用常规设计标准GB12337。

球罐设计、制造、安装、检验和验收，执行我国现行的相关规范，主要有：

《固定式压力容器安全技术监察规程》2009版、GB150-2011、GB12337-2014及相关标准。

在各标准之间本着科学、从严原则，力求可靠。

2.4.2压力试验方法

压力试验是压力容器投用前进行强度考核的重要方法，目前球罐压力试验的方法主要有水压试验法和气压试验法。

如果采用水压试验方法必须考虑装满1万吨水时对受压元件、支柱、拉杆和基础的承载能力。

水压试验时强度校核见计算书。

根据GB12337-2014和GB150-2011规定要求，球罐制造完成后必须进行水压试验。

同时根据GB12337-2014中3.10.1.b的要求对球罐进行气密性试验，合格后进行100%表面检测，不得有任何裂纹，并符合JB4730-2005规定的Ⅰ级要求。

水压试验压力

气密性试验压力

2.5球壳设计

2.5.1材料选用

根据操作条件，选用球罐材料13MnNiMoR，使用状态为正火加回火状态。

该材料

b=570MPa，

s=390MPa，常温许用应力[

]t=211MPa。

满足GB12337-2014中4.1基本要求。

根据GB150-2011中4.2及GB12337-2014中4.2.9的要求，13MnNiMoR在正火状态下使用，由于钢板厚度大于25mm，应逐张按JB4730的规定进行超声波探伤检查，Ⅲ极为合格。

2.5.2球罐支柱数和分带角的确定

本次设计的球罐采用混合式的结构。

根据GB/T17261—2011《钢制球形储罐型式与基本参数》，同时充分考虑钢板厂货供尺寸，制造厂的球片压制能力，以及安装单位现场的安装能力。

最终确定采用5带14支柱混合式结构。

赤道带由28瓣球壳板组成，分带角39°；上、下温带各由28瓣球壳板组成，分带角38°；极带上下各由7瓣组成，宽度方向分带角13°。

2.5.3混合式结构的排板计算

混合式结构的排版计算分为足球瓣式极板计算、桔瓣式温带板和赤道板计算。

极板尺寸按文献[1]中的方法，温带板和赤道板尺寸按文献[14]中的方法，计算结果列于表2.1、2.2、2.3，球罐共有球壳板98块，其中：

极中板2块，极边板4块，极侧板8块，赤道板28块，温带板56块。

表2.18000m3球罐温带和赤道带瓣片几何尺寸（mm）

上温带

赤道带

上弧长

1495.065

上弦长

1491.930

上弧长

2782.448

上弦长

2776.613

下弧长

2782.448

下弦长

2776.613

下弧长

1495.065

下弦长

1491.930

对角弦长

12007.294

对角弦长

12194.332

母线弧长

8223.991

母线弦长

8074.090

母线弧长

8440.412

母线弦长

8278.410

赤道弦长

2776.719

表2.28000m3球罐极带侧板、中板瓣片几何尺寸（mm）

侧板

中板

上弧长

1276.520

上弦长

1275.957

上弧长

2653.360

上弦长

2648.301

下弧长

1276.520

下弦长

1275.957

下弧长

2653.360

下弦长

2648.301

中弧长

2813.471

中弦长

2807.440

中弧长

2813.471

中弦长

2807.440

左弧长

9665.023

左弦长

9422.219

左弧长

8390.214

左弦长

8231.074

右弧长

7989.981

右弦长

7852.473

右弧长

8390.214

右弦长

8231.074

中心弧长

8440.412

中心弦长

8278.410

表2.28000m3球罐极带边板瓣片几何尺寸（mm）

边板

上弧长

2668.311

上弦长

2663.166

下弧长

2668.311

下弦长

2663.166

中弧长

2813.471

中弦长

2807.440

左弧长

7989.981

左弦长

7852.473

右弧长

8390.214

右弦长

8231.074

2.5.4球壳

（1）球壳设计载荷

设计时，考虑了以下载荷：

①设计压力；

②球罐自重以及正常操作条件或试验条件下内装介质的重力载荷；

③液体静压力；

④附件重量；

⑤雪载荷；

⑥风载荷；

⑦地震载荷；

具体计算结果参见计算书。

（2）厚度附加量C

C=C1+C2

C1—钢板负偏差mmC1=0mm

C2—腐蚀余量mmC2=0mm

C=0mm

（3）许用应力

根据GB713-2014中表4-1

强度极限

屈服极限

常温许用应力

（4）焊缝系数

球壳全部焊缝采用双面焊全焊透结构，100%无损探伤，按GB12337-2014和GB150-2011规定要求，取焊缝系数

。

2.6球罐支柱与拉杆

2.6.1球罐连接结构型式的确定

按GB12337-2014中5.3.1要求支柱与球壳的连接为赤道正切式。

在GB12337标准中推荐了四种正切式支柱与球罐连接结构型式，目前主要是采用加托板的结构和U形上支柱加连接板结构型式。

大型球罐采用加托板支柱还是U形支柱更好一直有所争议。

由于加托板结构制造工艺简单，已被大多数制造厂采用，设计和制造技术比较成熟，本次设计采用加托板连接结构。

2.6.2支柱结构

支柱分两段制造，上支柱和下支柱材料采用1036×18mm的16Mn制造，两段的环向连接焊缝采用全熔透结构。

支柱顶部设有球形防雨盖板。

2.6.3拉杆

设计采用可调式拉杆结构。

2.6.4支柱和拉杆设计计算

支柱和拉杆的设计计算遵循GB12337-2014中6.1～6.12节。

设计计算结果见计算书。

2.7制造要求

2.7.1球壳板

用弦长不小于2000mm的样板进行球壳板曲率检验，样板与球壳板面间隙e不得大于3mm。

几何尺寸偏差：

①长度方向弦长允差不大于±2.5mm；

②宽度方向弦长允差不大于±2.5mm；

③对角线弦长允差不大于±3mm；

④两对角线应在同一平面上。

用两直线对角测量时，两直线的垂直距离偏差不得大于5mm。

2.7.2坡口

①坡口表面粗糙度Ra≤25μm，平面度B≤0.025

n=0.025×28=0.7mm。

②坡口表面进行磁粉或渗透探伤。

③球壳板周边100mm范围内按JB4730的规定进行超声波探伤检查，以Ⅲ级为合格。

2.7.3组焊

支柱与赤道板的组焊在制造厂进行。

焊后用弦长不小于1000mm的样板检查赤道板曲率，最大间隙≤3mm。

人孔、接管与极板的组焊在制造单位进行，焊后应符合下列条件：

①人孔、接管的开孔位置及外伸高度允差≤5mm。

②开孔球壳板周边100mm的范围内及距开孔中心一倍开孔直径处，用弦长不小于1000mm的样板检查极板曲率，最大间隙不得大于3mm。

③支柱的直线度偏差不得大于10mm。

上支柱与赤道板组焊后，用弦长不小于1000mm的样板检查赤道板的曲率，最大间隙不得大于3mm。

④支柱与底板的组焊应垂直，垂直度偏差≤2mm。

2.7.4其他要求

试板，产品零部件的油漆、包装、运输、铭牌遵循GB12337-2014中7.3～7.5的要求。

组装检验和验收遵循GB12337-2014中8.1～8.11的有关规定。

3球罐的强度计算

3.1设计条件

设计压力P=1.6MPa

设计温度T=-20~40℃

水压试验压力PT=2MPa

球壳内直径Di=24800mm

储存物料液氨

充装系数K=0.9

地震设防烈度7度

10m高度处的基本风压值q0=400N/m2

支柱数目n=14

支柱选用1036×18钢管

拉杆选用90圆钢

球罐建造场地Ⅱ类场地土

3.2球壳计算

3.2.1计算压力

设计压力：

P=1.6MPa

球壳各带物料的高度：

h1=0

h2=3411mm

h3=11679mm

h4=17703mm

h5=19945mm

物料密度：

=665kg/m3

重力加速度：

g=9.8m/s2

球壳各带的计算压力：

Pc1=1.6+0=1.6MPa

Pc2=1.6+3411×665×9.8×10-9=1.62MPa

Pc3=1.6+11679×665×9.8×10-9=1.68MPa

Pc4=1.6+17730×665×9.8×10-9=1.72MPa

Pc5=1.6+19945×665×9.8×10-9=1.73MPa

3.2.2球壳各带的厚度计算

球壳内直径：

Di=24800mm

设计温度下球壳材料13MnNiMoR的许用应力：

焊缝系数

；

厚度附加量：

C=C1+C2=0+0=0mm

圆整后可取δn1=52mm；

圆整后可取δn2=52mm；

圆整后可取δn3=52mm（考虑了与支座连接的影响）；

圆整后可取δn4=52mm；

圆整后可取δn5=52mm；

3.2.3球壳薄膜应力校核

球壳应力计算见公式3.1～3.4。

赤道线以上区域：

赤道线以下区域：

将球壳各带分别按操作和液压试验两种情况计算其最大应力，结果列于表3.1。

球壳的许用应力值：

操作条件下：

[

]t=211MPa

液压试验条件下：

0.9s=0.9×370×1=324MPa

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。

表3.1球壳各带应力计算值

分带号

1

2

3

4

5

各带有效厚度mm

50

50

52

52

52

操作状态

内压应力（MPa）

187.64

162.40

148.95

148.95

148.95

液压应力（MPa）

0

19.67

37.10

42.374

44.05

总应力（MPa）

187.64

192.07

186.05

191.33

193.00

液压试验

内压应力（MPa）

200.55

192.50

171.19

171.19

171.19

液压应力（MPa）

9.43

36.41

68.679

78.445

81.55

总应力（MPa）

210.98

228.91

239.87

249.63

252.74

3.2.4球壳许用外压力

系数

查GB150-1998图6-5得：

B=240

许用外压力：

3.2.5球壳压应力校核

许用临界压应力：

操作条件下赤道壁压应力：

=

=23.05782MPa

其中：

下半球壳质量m1==248372.7kg

下半球存储介质质量m2=

=2820596kg

水压试验条件下赤道壁压应力：

==23.67201MPa

下半球水的质量m3=

=5.36778kg

、

均小于

。

3.3球罐质量计算

球壳平均直径：

Dcp=24852mm；

球壳材料密度：

=7850kg/m3；

充装系数：

K=0.9；

水的密度：

=1000kg/m3；

球壳外直径：

Do=248904mm；

基本雪压值：

q=400N/m2；

球面的积雪系数：

Cs=0.4；

球壳各带球心角：

T=65°，TT=38°，E=39°，BT=38°，B=65°

球壳质量：

m1=mT+mTT+mE+mET+mB

=792038kg

物料质量：

m2=Di3ρ2K×10-9=×248003×665×0.9×10-9=478407kg

液压试验时液体的质量：

m3=Di3ρ3×10-9=×248003×1000×10-9=7986448kg

积雪质量：

m4=Do2qCs×10-6=×249042×400×0.4×10-6=7978kg

支柱和拉杆的质量：

支柱质量：

mz=93173.22kg

拉杆质量：

ml=17511.907kg

支柱和拉杆的总质量：

m6=mz+ml=93173.22+17511.907=110686kg

附件质量：

m7=18000kg

操作状态下球罐质量：

m0=m1+m2+m4+m5+m6+m7

=792038+478407+7978+110686+18000

=1407109kg

液压试验状态下的球罐质量：

mT=m1+m3+m6+m7

=79204+7986448+1106856+25000=9276708kg

球罐最小质量：

mmin=m1+m6+m7

=792038+1800+110686=904524kg

3.4地震载荷计算

3.4.1自振周期

支柱底板底面至球壳中心的距离：

H0=14000mm

支柱数目：

n=14

支柱材料16Mn钢的常温弹性模量：

Es=206×103MPa

支柱外直径：

do=1036mm

支柱内直径：

di=1000mm

支柱横截面的惯性矩：

I=（do4-di4）=（10364-10004）=7.459×109mm4

支柱底板底面至拉杆中心线与支柱中心线交点处的距离：

l=10000mm

拉杆影响系数：

ξ=0.17541（查GB12337-2014表13得）

球罐的基本自震周期：

T=

=0.569s

3.4.2地震力

综合影响系数：

Cz=0.45

地震影响系数的最大值：

max=0.23（查GB12337-2014表14得）

对应于自振周期T的地震影响系数：

=0.121；

球罐的水平地震力：

Fe=Czm0g=0.45×0.121×792038×9.8=3.78×106N。

3.5风载荷计算

风载形体系数：

K1=0.4

系数ξ1=1.5（按GB12337-2014表20选取）

风振系数：

K2=1+0.35ξ1=1+0.35×1.5=1.525

10m高度处的基本风压值：

q0=450N/m2

支柱底板底面至球壳中心的距离：

H0=14m

风压高度变化系数：

f1=1.42

球罐附件增大系数：

f2=1.1

球罐的水平风力：

Fw=Do2K1K2q0f1f2×10-6

=24904×0.4×1.525×450×1.42×1.1×10-6

=2.08×105N

3.6弯矩计算

（Fe+0.25Fw）与Fw的较大值Fmax：

Fe+0.25Fw=3.78×106+0.25×2.08×105=3.83×106N

Fw=2.08×105N

Fmax=3.83×106N

力臂：

L=H0-l=14000-10000=4000mm

由水平地震力和水平风力引起的最大弯矩：

Mmax=FmaxL=3.83×106×4000=1.532×1010N/mm

3.7支柱计算

3.7.1单个支柱的垂直载荷

（1）重力载荷

操作状态下的重力载荷：

G0=

=

=4.86×106N

液压试验状态下的重力载荷：

GT=

==6.494×106N

（2）支柱的最大垂直载荷

支柱中心圆半径：

R=Ri=12400mm；

最大弯矩对支柱产生的垂直载荷的最大值：

（Fi）max=0.1429

=0.1429×

=1.735×105N

拉杆作用在支柱上的垂直载荷的最大值：

（Pi-j）max=0.321

=0.321×

=9.74×105N

以上两力之和的最大值（按GB12337-2014表17计算）：

（Fi+Pi-j）max=0.062

+0.3129

=1.025×106N

3.7.2组合载荷

操作状态下支柱的最大垂直载荷：

W0=G0+（Fi+Pi-j）max=5.642×106N

液压试验状态下支柱的最大垂直载荷：

WT=GT+0.3（F