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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11

1.5.2温度12

1.5.3厚度12

1.5.4设计的一般规定14

1.5.5许用应力14

1.5.6焊接接头系数14

1.5.7压力试验15

1.5.8气密性试验

2.材料选用16

2.1球罐材料准则16

2.2壳体用钢板17

2.3锻件用钢21

2.4钢管的选用21

2.5螺柱和螺母21

2.6焊接材料21

3.结构设计・

3.1概况

3.2球壳的设计

3.3支座的设计

3.4拉杆结构

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33

4.1设计条件33

4.2球壳计算33

4.3球罐的质量计算35

4.4地震载荷计算36

4.4.1自振周期36

4.4.2地震力37

4.5风载荷计算38

4.6弯矩计算38

4.7支柱的计算39

4.7.1单个支柱的垂直载荷39

4.7.2组合载荷40

4.7.3单个支柱弯矩40

4.7.4支柱稳定性校核42

4.8地脚螺栓计算44

4.9支柱底板45

4.9.1支柱底板直径45

4.9.2底板厚度46

4.10拉杆计算46

4.10.1拉杆载荷计算46

4.10.2拉杆连接部位的计算47

4.10.3翼板的厚度47

4.10.4焊接强度验算48

4.11支柱与球壳连接最低点a的应力校核49

4.11.1a点的应力49

4.11.2a点的应力校核50

4.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核50

5.工厂制造及现场组装50

5.1工厂制造51

5.2现场组装51

5.3组装方案51

6.焊接51

6.1焊接工艺的确定51

6.2焊后热处理52

7.检査51

8.结论40

参考文献42

谢辞41

1500M3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。

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。

⑵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、同样圧力下的圆通形容器省料。

⑶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-20°Co

（2）低温球罐这类球罐的设计温度低于或等于-20°C,一般不低于

-100°Co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-100°C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-40°C〜50°C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。

1・4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：

％二400N/nr

基本雪压值：

g二300N/加$

支柱数日:

n=10

支柱选用：

16MnR（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。

（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K]R

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

整至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

差。

5e=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lmm°

1.5.5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/

，3・0'/1.6j71.6

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

许用应力，MPa

碳素钢

热轧、正火

6s，/2.7

M24~M48

巧2.5

低合金钢

调质

巧3.5

M24〜M48

>M52

巧2.7

1.5.6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0-0.85o

1.5.7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：

rPT（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；

5e—球壳的有效厚度，mmo

。

丁应满足下列条件：

液压试验时，oT<0.9os0

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540MPa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-20°C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200°C时，其许用应力值按GB150的规定。

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30mm的20R和16MnR；厚度大于16mm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50mm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60mm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0°C时，厚度大于25mm的20R,厚度大于38mm的16MnR、loMnVR

2设计温度低于T0°C时，厚度大于12mm的20R,厚度大于20mm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，MPa

°b

MPa

°s

MPa

<20

100

150

200

20R

GB665

热轧，

正火

6^16

400

245

133

132

123

>16~36

400

235

133

132

126

116

>36-60

400

225

133

126

119

110

>60~100

390

205

128

115

110

103

16MnR

GB665

热轧，

正火

6^16

510

345

170

>16-36

400

325

163

159

>36-60

470

305

157

150

>60〜100

460

285

153

150

141

>100-120

450

275

150

147

138

15MnVR

GB665

热轧，

正火

6^16

530

390

177

>16-36

510

370

170

>36-60

490

350

163

15MnVNR

GB665

正火

6^16

570

440

190

>16-36

550

420

183

>36-60

530

400

177

07MnCr

MoVR®

——

调质

16〜50

610

490

203

16MnDR

GB353

正火

6^16

490

315

163

156

>16~36

470

295

157

156

147

>36-60

450

275

150

147

138

>60〜100

450

255

150

147

138

128

07MnNi

CrMo

VDR°

——

调质

16〜50

610

490

203

钢号

钢板标准

卑度,mm

常温强度指

标

在下列温度（°C）下的许用

应力，MPa

°b

MPa

°s

MPa

<20

100

150

200

09Mn2VD

GE353

正火，正火加回火

6~16

440

290

147

——

>16-36

430

270

143

——

①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-20°C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，°C

16MnR

热轧

6-25

-20

正火

6-120

07MnCrMoVR

调质

16-50

-20

16MnDR

正火

S36

-40

>36〜100

-30

07MnNiCrMoVR

调质

16〜50

-40

09Mn2VDR

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30mm的20R和16MnR钢板；

2卑度大于25mm的15N!

nVR和loMnVNR钢板；

3卑度大于20mm的16MnDR和09Mn2VDR钢板；

4调质状态供货的钢板；

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-20°C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，

常温强度指标

在下列温度（°C）下的许用

应力，MPa

°b

MPa

°S

MPa

<20

100

150

200

JB4726

<100

370

215

123

119

113

104

16Mn

JB4726

<300

450

275

150

147

135

20MnMo

JB4726

<300

530

370

177

>300-500

510

355

170

>500-700

490

340

163

16MnD

JB4727

<300

450

275

150

147

135

20MnMoD

JB4727

<300

530

370

177

>300^500

510

355

170

>500-700

490

340

163

08MnNiCrMoVD

JB4727

<300

600

480

200

09Mn2VD

JB4727

<200

420

260

140

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，°C

16MnD

正火加回火，调质

<200

-40

>200

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