2000m3球罐设计Word下载.doc
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steelsphericaltanks"
GB150-2011"
steelpressurevessel"
GB50094-2011"
codeforconstructionandacceptanceofsphericalstoragetank"
asthedesign,manufacture,inspectionandacceptancestandardofthesphericaltankisdesigned,thefinalcompletionoftheprojectdesign.Throughthisdesign,Iunderstand
Keywords:
design,calculation,sphericaltank
目录
摘要 1
Abstract 2
第一章绪论 5
1.1球形容器的特点 5
1.2球形容器分类 5
1.3国内外球罐建造进展 6
1.3.1球罐建造的历史概论 6
1.3.2国内球罐建造概论 7
第二章材料的选用 9
2.1球罐的选材准则 9
2.1.1钢材的力学性能 9
2.1.2经济性 10
2.2选材 11
2.2.1钢板 11
2.2.2焊接材料 11
2.3锻件用钢 12
2.4壳体用钢板 12
2.4.1力学性能及工艺性能 12
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 14
3.3混合式球罐球壳的瓣片设计和计算 15
3.4坡口设计 20
3.5支座设计 21
3.6人孔和接管 23
3.6.1人孔结构 23
3.6.2接管结构 23
3.7球罐的附件设计 24
3.8.1梯子平台 24
3.8.2水喷淋装置 24
3.8.3隔热设施 25
3.8.4液面计 26
3.8.5压力表 26
3.8.6安全阀 26
第四章强度计算 29
4.1设计条件 29
4.2球壳计算 29
4.2.1球壳厚度如图1 29
4.2.2球壳薄膜应力校核根据式 31
4.3支柱载荷计算 32
4.3.1静载荷 33
4.3.2动载荷 34
4.3.3.支柱稳定性校核 36
4.4连接部位强度计算 38
4.4.1销钉直径计算 38
4.4.2耳板和翼板厚度计算 38
4.4.3焊缝剪应力校核 38
第五章工厂制造及现场组装 43
5.1工厂制造 43
5.1.1．原材料检验 43
5.1.2．瓣片加工 43
5.2现场组装 44
5.3组装准备 44
5.3.1基础检查验收 44
5.3.2球瓣几何尺寸检验和理化检验 44
5.4组装精度的控制 45
5.4.1支柱偏差的控制 45
5.4.2椭圆度，焊缝错边量和角变形 45
第六章焊接与检查 46
6.1钢材的可焊性 46
6.2焊接工艺的确定 46
6.2.1焊接方法的选择 46
6.2.2焊条，焊丝，焊剂的选择 46
6.2.3预热的选择 46
6.3焊后热处理 47
6.3.1焊后热处理的确定 47
6.3.2焊后热处理 47
第7章检查 48
7.1支柱尺寸精度检查 48
7.2竣工检查 48
7.3气密性试验 48
7.4开罐检查 49
结论 50
参考文献 51
致谢 52
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~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：
（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。
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。
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。
GB228《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/σs/σb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。
σs/σb=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σs/σb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。
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：
Ceq=C+（%）
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：
Pc=C+（%）
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490MpaWCF62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。
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
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
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