1500M^3球型儲罐設計-畢業(yè)設計論文

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1、 1500立方米球罐 目錄 1.前言…………………………………………………………………………… 1.1球罐的國內外發(fā)展情況………………………………………………… 1.2球罐的特點………………………………………………………………… 1.3球罐的分類…………………………………………………………………… 1.3.1 按儲藏溫度分類…………………………………………………… 1.3.2 按結構形式分類…………………………………………………… 1.4 球罐的設計要求………………………………………………………… 1.5 球罐的設計參數…………………………………………………………… 1.

2、5.1 壓力…………………………………………………………………11 1.5.2 溫度…………………………………………………………………12 1.5.3 厚度…………………………………………………………………12 1.5.4設計的一般規(guī)定………………………………………………………14 1.5.5許用應力………………………………………………………14 1.5.6焊接接頭系數………………………………………………………14 1.5.7壓力試驗……………………………………………………………15 1.5.8氣密性試驗……………………………………………………… 2.材料選用…………………

3、…………………………………………………16 2.1 球罐材料準則…………………………………………………………16 2.2殼體用鋼板………………………………………………………………17 2.3 鍛件用鋼………………………………………………………………21 2.4鋼管的選用………………………………………………………………21 2.5螺柱和螺母………………………………………………………………21 2.6焊接材料………………………………………………………………21 3.結構設計……………………………………………………………… 3.1概況………………………………………………………………

4、 3.2球殼的設計……………………………………… 3.3支座的設計……………………………………… 3.4拉桿結構……………………………………… 3.5人孔和接管……………………………………… 3.5人孔和接管……………………………………… 3.5.1人孔結構……………………………………… 3.5.2接管結構……………………………………… 4.強度計算…………………………………………………………………………33 4.1 設計條件……………………………………………………………………33 4.2 球殼計算…………………………………………………………………33 4.3 球罐的質量計

5、算……………………………………………………………35 4.4 地震載荷計算………………………………………………………………36 4.4.1 自振周期…………………………………………………………36 4.4.2 地震力……………………………………………………37 4.5 風載荷計算…………………………………………………………………38 4.6 彎矩計算……………………………………………………………………38 4.7 支柱的計算………………………………………………………………39 4.7.1 單個支柱的垂直載荷…………………………………………………39 4.7.2 組合載荷…………

6、……………………………………………………40 4.7.3 單個支柱彎矩………………………………………………………40 4.7.4 支柱穩(wěn)定性校核……………………………………………………42 4.8 地腳螺栓計算……………………………………………………………44 4.9 支柱底板………………………………………………………………45 4.9.1 支柱底板直徑…………………………………………………………45 4.9.2 底板厚度…………………………………………………………………46 4.10 拉桿計算……………………………………………………………………46 4.10.1 拉桿載荷計算

7、…………………………………………………………46 4.10.2 拉桿連接部位的計算…………………………………………………47 4.10.3 翼板的厚度……………………………………………………………47 4.10.4 焊接強度驗算…………………………………………………………48 4.11 支柱與球殼連接最低點a的應力校核……………………………………49 4.11.1 a點的應力………………………………………………………………49 4.11.2 a點的應力校核………………………………………………………50 4.12 支柱與球殼連接焊縫的強度校核…………………………………………50

8、5.工廠制造及現(xiàn)場組裝……………………………………………50 5.1 工廠制造 ……………………………………………………………51 5.2現(xiàn)場組裝 ……………………………………………………………51 5.3 組裝方案……………………………………………………………51 6.焊接 ………………………………………………………………………………51 6.1 焊接工藝的確定 ……………………………………………………………51 6.2 焊后熱處理 …………………………………………………………………52 7.檢查 ………………………………………………………………………………51 8.結論 …

9、…………………………………………………………………40 參考文獻 …………………………………………………………………42 謝 辭………………………………………………………………………41 1500球型儲罐設計 1.前言 球罐在我國的國防、科研、石油、化工、冶金等企業(yè)中有著廣泛的應用。利用球罐貯存液氮、液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氫以及貯存各種壓縮氣體等。在城市建筑中，球形容器可用于遠距離高壓輸送氣體管網；在鋼鐵廠利用球形容器貯存壓縮氧。此外，在原子能發(fā)電站，球罐用作安全容器；在造紙上用作蒸煮球；在化學工廠用作反應器等。隨著我國工業(yè)建設的發(fā)展，球罐的應用會

10、越來越廣泛。 1.1 國內外發(fā)展情況 中國球罐產業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產業(yè)結構不合理、產業(yè)集中于勞動密集型產品；技術密集型產品明顯落后于發(fā)達國家，生產要素決定性作用正在削弱，產品能源消耗大、產出率底、環(huán)境污染嚴重、對自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模縮小、技術創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。 中國球罐產業(yè)發(fā)展研究報告闡述了世界球罐產業(yè)的發(fā)展歷程，分析了中國球罐產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與差距，開創(chuàng)性地提出了“新型球罐產業(yè)”及替代品產業(yè)概念，在此基礎上，從四個維度即“以人為本”“科技創(chuàng)新”“環(huán)境友好”和“面向未來”準確地界定了“新型球罐產業(yè)”及替代產品的內涵，根據“新型球罐產業(yè)”及替代品的評

11、價體系和量化指標體系，從全新的角度對中國球罐產業(yè)發(fā)展就進行了全面的研究。 從目前來看球罐向大型化發(fā)展是必然的趨勢，球罐建造正向著大型化、結構多樣化、高參數的方向發(fā)展。由于大型化的經濟性十分明顯，以成為世界各國優(yōu)先重視的重要課題。球罐不同時期受著不同因素的制約。隨著相應技術的發(fā)展，這些制約因素不斷的得到解決，又促使球罐大型化的發(fā)展。從國內情況看，目前限制球罐向大型化方向發(fā)展的影響因素有： （1）設計制造規(guī)范； （2）球罐用鋼； （3）球罐現(xiàn)場組裝和焊接問題； （4）球罐現(xiàn)場熱處理； （5）球殼板尺寸精度； （6）吊裝運輸能力。 總的來說球罐的發(fā)展還有很多問題需要我們來解決，正因為

12、球罐的發(fā)展面臨很多問題才使得球罐未來的發(fā)展前景很廣闊。 1.2 球罐的特點 球罐與常用的圓筒形容器相比有以下特點： ⑴ 球罐的表面積最小，即在相同容量下球罐所需要的鋼材面積最小。 ⑵ 球罐殼板承載能力比圓筒形容器大一倍，即在相同直徑、相同壓力下，采用同樣鋼板時，球罐的板厚只需圓筒形容器板厚的一半。 以上兩個特點使球罐在用材上遠比同樣容量、同樣壓力下的圓通形容器省料。 ⑶ 球罐占地面積小，且可向空間高度發(fā)展，有利于地表面積的利用。 由于這些特點，再加上球罐基礎簡單、受風面積小、外觀漂亮，可用于美化工程環(huán)境等原因，使球罐的應用得到很大的發(fā)展。 1.3球罐的分類 球罐可按

13、不同方式分類，如按儲存溫度、結構形式等。 1.3.1按儲存溫度分類 球罐一般用于常溫或低溫。只有極個別場合，如造紙工業(yè)用的蒸煮球罐，使用溫度高于常溫。 ⑴ 常溫球罐 如液化石油氣（LPG）、氨、氧、氮等球罐。一般說這類球罐的壓力較高，取決于液化氣的飽和蒸氣壓或壓縮機的出口壓力。常溫球罐的設計溫度大于-20。 ⑵ 低溫球罐 這類球罐的設計溫度低于或等于-20，一般不低于-100。壓力屬于中等（視該溫度下介質的飽和蒸氣壓而定）。 ⑶ 深冷球罐 這類球罐的設計溫度在-

14、100以下。往往在介質液化點以下儲存，壓力不高，有時為常壓。由于對保冷要求高，常采用雙層球殼。 目前國內使用的球罐，設計溫度一般在-40之間。 1.3.2按結構形式分類 按形狀分有圓球形、橢球形、水滴形或上述幾種形式混合。圓球按分瓣方式分有橘瓣式、足球瓣式、混合瓣式三種。圓球形按支撐方式分有支柱式、裙座式、半埋式、V形支撐等。 1.4球罐的設計要求 在材料方面 用碳素鋼和低合金鋼制球罐，不適用于高合金鋼及有色金屬球罐。因為采用高合金鋼等鋼板制造單層球罐或制造雙金屬復合板單層球罐，在我國還沒有實踐，有關技術沒有掌握，在現(xiàn)階段標準不易列入。 設計壓力不大于4MPa. 過去的球罐標準對球

15、殼壁厚做出了小于或等于50mm的限定，實際上也是對設計壓力的限定。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，壓力容器用鋼板的厚度早已超出50mm,認為50mm以上厚度的鋼板質量部穩(wěn)定和不能保障質量供貨的觀點應淘汰，鋼板厚度無論多少，只要能滿足標準（GB12337-1998）中材料的有關規(guī)定，就可以制造球罐。 球殼結構為桔瓣式或混合式，支座為支柱支撐。球殼結構沒有采用足球瓣式是因為它適用于只在溶劑較小的球罐，不適用于制造較大容積的球罐，應用場合少。而且這種組裝和焊接比較困難，在我國沒有實踐經驗。 混合式球罐的球殼結兼容了足球瓣式和橘瓣式球殼的優(yōu)點，故混合式球殼結構最優(yōu)。 輻射作用對人體有極大的危害性，因此對儲存

16、輻射介質的球罐在設計制造方面和安全防護上須有嚴格的要求。而且，長期遭受中子輻射的鋼材，其性能也會有所改變，因此，在選材上也應從嚴要求。對于受輻射作用的球罐，規(guī)定是遠遠不夠的，故不適用于受輻射作用的球罐。 1.5球罐設計參數 設計壓力：p=1.77MPa 設計溫度：常溫 水壓試驗壓力： 球殼內直徑=14200mm(1500) 儲存物料：聚氨酯 充裝系數:k=0.85 地震設防烈度7度 基本風壓值:=400 N/ 基本雪壓值:=300 N/ 支柱數目:n=10 支柱選用: 16MnR(熱軋) 拉桿選用:20圓鋼 球罐建造場地:Ⅱ類場地土、近震,B類地區(qū) 1.5.

17、1壓力 除注明者外，壓力均指表壓力。 （1）工作壓力 工作壓力指在正常工作情況下，球罐頂部可能達到的最高壓力。 （2）設計壓力 設計壓力指設定的球罐頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。 球罐上裝有超壓泄放裝置時，應按 GB150 附錄B“超壓泄放裝置”的規(guī)定確定設計壓力。 對于盛裝液化氣體的球罐，在規(guī)定充裝系數范圍內，設計壓力應根據工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。 （3）計算壓力 計算壓力指在相應設計溫度下，用以確定球殼各帶厚度或受壓元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。 液柱高度

18、 (1-1) 式中 H—液柱高度； K—充裝系數； R—球罐半徑。 將式（1-1）指的中括號部分設定為，則變?yōu)椋篐= 查表可得當K=0.85時， （4）試驗壓力 試驗壓力指在壓力試驗時，球罐頂部的壓力。 （5）最大允許工作壓力 最大允許工作壓力系指在設計溫度下，球罐頂部所允許承受的最大表壓力。該壓力是根據球殼的有效厚度計算所得，且取最小值。 1.5.2溫度 除注明者外，溫度均指攝氏溫度。 （1）設計溫度 設計溫度指球罐在正常工作情況下，設定的受壓元件的金屬溫度(沿元件金屬截面溫度平均值)。設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷條件。

19、 設計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)下可能達到的最高溫度。對于 0℃以下的金屬溫度，設計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。 低溫球罐的設計溫度按GB12337《鋼制球形儲罐》附錄A(標準的附錄)確定。 標志在銘牌上的設計溫度應是是球殼設計溫度的最高值或最低值。 元件的金屬溫度可用傳熱計算求得?；蛟谝咽褂玫耐惽蚬奚蠝y定，或按內部介質溫度確定。 （2）試驗溫度 試驗溫度指壓力試驗時，球殼的金屬溫度。 1.5.3厚度 （1）計算厚度（） 計算厚度指按公式計算得到的厚度。需要時，應計入其他載荷所需的厚度。 （2）設計厚度（） 設計厚度指計算厚度與腐蝕裕量之和。

20、 (1-2) （3）名義厚度 名義厚度指設計厚度加上鋼材厚度負偏差后，向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度。即標注在圖樣上的厚度。（不包括加工裕量）。 (1-3) （4）有效厚度 有效厚度指名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負偏差。

21、 (1-4) 1.5.4設計的一般規(guī)定 （1）對有不同工況的球罐，應按最苛刻的工況設計，并在圖樣或相應技術文件中注明各工況的壓力和溫度值。 （2）載荷 設計時應考慮以下載荷： ①壓力； ②液體靜壓力； ③球罐自重(包括內件)以及正常工作條件下或壓力試驗狀態(tài)下內裝物料的重力載荷； ④附屬設備及隔熱材料、管道、支柱、拉桿、梯子、平臺等的重力載荷； ⑤風載荷，地震力，雪載荷。 需要時，還應考慮下列載荷： ⑥支柱的反作用力； ⑦連接管道和其他部件的作用力； ⑧溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力； ⑨包括壓力急劇波動的沖擊載荷； ⑩沖擊反

22、力，如由流體沖擊引起的反力等。 （3）厚度附加量 厚度附加 (1-5) 式中 C—厚度附加量，mm； —鋼材厚度負偏差，mm； —腐蝕裕量，mm。 其中鋼材厚度負偏差是指鋼板或鋼管的厚度負偏差，其值按鋼材標準的規(guī)定。當鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，負偏差可忽略不計。 腐蝕裕量為防止球罐元件由于腐蝕、機械磨損而導致厚度削弱減薄，應考慮腐蝕裕量，具體規(guī)定如下： ①對有腐蝕或磨損的元件，應根據預期的球罐壽命和物料對金屬材料的腐蝕速率確定腐蝕裕量； ② 球罐

23、各元件受到的腐蝕程度不同時，可采用不同的腐蝕裕量； ③ 腐蝕裕量取值不小于1mm。 1.5.5許用應力 許用應力是根據材料各項強度性能分別除以標準中規(guī)定的安全系數來確定的。 本標準所用材料的許用應力按第4章選取。確定許用應力的依據為：我國球罐鋼材(螺栓材料外)許用應力按表1-1，螺栓材料許用應力按表1-2 表1-1 我國球罐鋼材的許用應力 材料 許用應力 取下列各值中的最小值，MPa 碳素鋼、低合金鋼 注:表中—鋼材標準抗拉強度下限值，MPa；—鋼材標準常溫屈服點，MPa； —鋼材在設計溫度下的屈服點，MPa。 表1-2螺栓材料許用應

24、力 材料 螺栓直徑,mm 熱處理狀態(tài) 許用應力，MPa 碳素鋼 熱軋、正火 M24M48 低合金鋼 調 質 M24M48 1.5.6焊接接頭系數 焊接接頭系數是用來補償元件焊接連接部分的強度削弱。焊接接頭系數的大小與焊縫形式，焊接工藝及焊縫無損檢測的嚴格程度有關。 雙面焊全焊透對接接頭的焊接接頭系數按下列規(guī)定選擇： 100%無損檢測 =1.00； 局部無損檢測 =0.85。 1.5.7壓力試驗 （1）試驗壓力 壓力試驗的壓力應符合設計圖樣的要求，試驗壓力的最低值按下述規(guī)定： 液壓試驗

25、 (1-6) 式中 P—設計壓力，MPa； —試驗壓力，MPa； —球殼材料在試驗溫度下的許用應力，MPa； —球殼材料在設計溫度下的許用應力，MPa。 （2）壓力試驗前的應力校核 壓力試驗前，應按下列校核球殼應力： (1-7) 式中 —試驗壓力下球殼的應力，MPa； —試驗壓力，MPa； —球殼內直徑，mm； —球殼的有效厚度，mm。 應滿足下列條件：

26、 液壓試驗時， 式中 —球殼材料在試驗溫度下的屈服點，MPa； 球殼的焊接接頭系數。 液壓試驗后，符合下列條件為合格： ①無滲漏； ②無可見的變形； ③試驗過程中無異常的響聲； ④試驗過程規(guī)定值下限大于等于540 MPa的材料，表面經無損檢測抽查未發(fā)現(xiàn)裂紋。 1.5.8氣密性試驗 如果圖樣有要求，還應進行氣密性試驗。氣密性試驗應在壓力實驗合格后進行。氣密性試驗是檢驗球罐嚴密性的重要手段。盛放毒性程度為極度和高度危害的物料，易燃的壓縮氣體或液化氣體的球罐，應進行氣密性試驗。 氣密性試驗時，升壓速度應緩慢均勻，升壓至試驗壓力的一半左右時停止升壓，檢查所有接管法蘭處有

27、無泄漏，在不漏的情況下繼續(xù)緩慢升壓至試驗壓力。保持壓力15分鐘，檢查壓力表有無降壓，用肥皂水涂刷所有焊縫和接管法蘭口檢查有無泄漏。檢查合格后降壓。氣密性實驗的氣體是氮氣。 介質為混合物時，應以介質組分并按毒性程度或易燃介質的劃分原則，由設計單位的工藝設計或使用單位的生產技術部門提供介質毒性程度或是否屬于易燃介質的依據，無法提供依據時，按毒性程度或爆炸危險程度最高的介質確定。 氣密性試驗壓力按下式確定： (1-8) 式中 P—設計壓力，MPa； —試驗壓力，MPa。

28、 2.材料選用 2.1球罐材料準則 球罐材料不僅按其儲存物料的性質、壓力、溫度等因素選定具有足夠強度的材料，而且還應考慮到所選材料應具有良好的焊接性能和加工性能，同時還應考慮材料的供給可靠性及經濟性等。 球罐的設計溫度低于或等于-20℃時，鋼材還應符合附錄A 的規(guī)定。 當對鋼材有特殊要求時(如要求特殊冶煉方法、較高的沖擊功指標、提高無損檢測要求、增加力學性能檢驗率，考慮介質對鋼材腐蝕的要求等)，設計單位應在圖樣或相應技術文件中注明。 當設計溫度高于2OO℃時，其許用應力值按GB 150 的規(guī)定。 2.2殼體用

29、鋼板 （1）凡符合下列條件的鋼板，應在正火狀態(tài)下使用： ①球殼用鋼板 厚度大于 30 mm 的 20R 和16MnR； 厚度大于 16 mm 的 15MnVR； 任意厚度的 15MnVNR； ②其他受壓元件(法蘭、平蓋等)用厚度大于50 mm 的20R 和16MnR。 （2）符合下列條件的球殼用鋼板，應逐張進行拉伸和夏比(V 型缺口)常溫或低溫沖擊試驗。 ①調質狀態(tài)供貨的鋼板； ②厚度大于60 mm 的鋼板。 （3）用于球殼的下列鋼板，當球罐的設計溫度和鋼板厚度符合下列情況時，應每批取一張鋼板進行夏比(V 型缺口)低溫沖擊試驗。試驗溫度為球罐的設計溫度或按圖樣的規(guī)定

30、，試樣取樣方向為橫向。 ①設計溫度低于0℃時，厚度大于25 mm 的20R，厚度大于38 mm 的16MnR、15MnVR ②設計溫度低于-10℃時，厚度大于12mm 的20R，厚度大于20 mm 的16MnR、15MnVR和15MnVNR。 低溫沖擊功的指標根據鋼板標準的抗拉強度下限值按附錄 A 相應的規(guī)定。 鋼板的標準、使用狀態(tài)及許用應力按表2-1的規(guī)定。 表2-1 許用應力 鋼號 鋼板標準 使用狀態(tài) 厚度,mm 常溫強度指標 在下列溫度（）下的許用應力，MPa MPa MPa 100 150 200 20R GB6654 熱軋，正火

31、 400 245 133 133 132 123 400 235 133 132 126 116 400 225 133 126 119 110 390 205 128 115 110 103 16MnR GB6654 熱軋，正火 510 345 170 170 170 170 400 325 163 163 163 159 470 305 157 157 157 150 460 285 153 153 150 141 450 275 150 150 1

32、47 138 15MnVR GB6654 熱軋，正火 530 390 177 177 177 177 510 370 170 170 170 170 490 350 163 163 163 163 15MnVNR GB6654 正火 570 440 190 190 190 190 550 420 183 183 183 183 530 400 177 177 177 177 — 調質 610 490 203 203 203 203 16MnDR GB35

33、31 正火 490 315 163 163 163 156 470 295 157 157 156 147 450 275 150 150 147 138 450 255 150 147 138 128 — 調質 610 490 203 203 203 203 鋼號 鋼板標準 使用狀態(tài) 厚度,mm 常溫強度指標 在下列溫度（）下的許用應力，MPa MPa MPa 100 150 200 09Mn2VDR GE353 正火, 正火加回火 440 290

34、 147 147 — — 430 270 143 143 — — ①該鋼板技術要求見GB150附錄A“材料的補充規(guī)定”。 注：中間溫度的許用應力，可按本表的應力值用內插法求得。 (4)球罐的設計溫度低于或等于-20℃時，鋼板的使用狀態(tài)及最低沖擊試驗溫度應符合表2-2的規(guī)定。 表2-2 鋼板的使用狀態(tài)及最低沖擊試驗溫度 鋼號 使用狀態(tài) 厚度,mm 最低沖擊試驗溫度，℃ 16MnR 熱軋 -20 正火 07MnCrMoVR 調質 -20 16MnDR 正火 -40 -30 07MnNiCrMoVR 調質 -4

35、0 09Mn2VDR 正火,正火加回火 -50 (5) 凡符合下列條件的球殼用鋼板，應逐張進行超聲檢測： ①厚度大于30 mm 的20R 和16MnR 鋼板； ②厚度大于25 mm 的15MnVR 和15MnVNR 鋼板； ③厚度大于20 mm 的16MnDR 和09Mn2VDR 鋼板； ④調質狀態(tài)供貨的鋼板； ⑤上下極板和與支柱連接的赤道板。 鋼板的超聲檢測應按 JB 4730 的規(guī)定，熱軋、正火狀態(tài)供貨的鋼板質量等級應不低于Ⅲ級，調質狀態(tài)供貨的鋼板質量等級應不低于Ⅱ級。 2.3鍛件用鋼 球罐的人孔、接管往往采用鍛件。人孔結構采用鍛件可避免補強結構，使人孔以對接焊

36、的形式與球殼板連接，達到減少結構應力的目的。接管采用鍛件，增大自身補強，達到減少應力突變的目的。 人孔鍛件級別不應低于Ⅲ級。 鍛件的標準及許用應力按表2-3的規(guī)定。 當球罐的設計溫度低于或等于-20℃時，鍛件的熱處理狀態(tài)及最低沖擊溫度按表2-4的規(guī)定。 表2-3 鍛件的標準及許用應力 鋼號 鍛件標準 公稱厚度，mm 常溫強度指標 在下列溫度（）下的許用應力，MPa MPa MPa 100 150 200 20 JB4726 370 215 123 119 113 104 16Mn JB4726 450 275 150 1

37、50 147 135 20MnMo JB4726 530 370 177 177 177 177 510 355 170 170 170 170 490 340 163 163 163 163 16MnD JB4727 450 275 150 150 147 135 20MnMoD JB4727 530 370 177 177 177 177 510 355 170 170 170 170 490 340 163 163 163 163 08MnNiCrMoVD

38、JB4727 600 480 200 200 200 200 09Mn2VD JB4727 420 260 140 140 注：中間溫度的許用應力值，可按本表的壓力值用內插法求得。 表2-4 鍛件的熱處理狀態(tài)及最低沖擊溫度 鋼號 熱處理狀態(tài) 公稱厚度，mm 最低沖擊試驗溫度，℃ 16MnD 正火加回火，調質 -40 -30 09Mn2VD 正火加回火，調質 50 20MnMoD 調質 -30 -20 08MnNiCrMoVD 調質 -40 2.4鋼管的選用 鋼管的標準及許用應力按表2-5

39、的規(guī)定。 15MnV、09Mn2VD和09MnD鋼管應在正火狀態(tài)下使用。 當球罐的設計溫度 時，鋼管的使用狀態(tài)及最低沖擊試驗溫度應符合表2-6的規(guī)定。 因尺寸限制無法制備小尺寸沖擊試樣的鋼管，免做沖擊試驗，各鋼管的最低設計溫度按表2-7的規(guī)定。 表2-5 鋼管的標準及許用應力 鋼號 鋼管標準 壁厚， mm 常溫強度指標 在下列溫度（）下的許用應力，MPa MPa MPa 100 150 200 10 GB/T8163 GB 9948 GB 6479 335 335 335 335 205 205 205 195

40、112 112 112 112 112 112 112 110 108 108 108 104 101 101 101 98 20 GB/T8163 GB 9948 390 410 245 245 130 137 130 137 130 132 123 123 20G GB 6479 410 410 245 235 137 137 137 132 132 126 123 116 16Mn GB 6479 490 490 320 310 163 163 163 16

41、3 163 163 159 153 15MnV GB6479 510 510 350 340 170 170 170 160 170 170 170 170 400 240 133 133 128 119 ①該鋼管的技術要求見GB150附錄“材料的補充規(guī)定”。 注：中間溫度的許用應力值，可按本表的壓力值用內插法求得。 表2-6 鋼管的使用狀態(tài)及最低沖擊試驗溫度 鋼號 使用狀態(tài) 壁厚，mm 最低沖擊試驗溫度，℃ 10 正火 -30 20G 正火 -20 16Mn 正火 -40 09M

42、nD 正火 -50 表2-7 鋼管的最低設計溫度 鋼管名義厚度，mm 最低設計溫度,℃ 焊后狀態(tài)使用 焊后熱處理狀態(tài)使用 8 -20 -35 6 -25 -40 4 -40 -45 鋼管名義厚度，mm 最低設計溫度,℃ 焊后狀態(tài)使用 焊后熱處理狀態(tài)使用 2 -45 -45 2.5螺柱和螺母 螺柱用鋼的標準、使用狀態(tài)及許用應力按表2-8 的規(guī)定。 表2-8 標準、使用狀態(tài)及許用應力 鋼號 鋼材標準 鋼材使用狀態(tài) 螺柱規(guī)格，mm 常溫強度指標 在下列溫度（）下的許用應力，MPa MPa MPa 100 150

43、 200 Q235-A GB/T 700 熱軋 375 235 87 78 74 69 35 GB/T 699 正火 530 315 117 105 98 91 510 295 118 106 100 92 40MnB GB/T 3077 調質 805 685 196 176 171 165 765 635 212 189 183 180 40MnVB GB/T 3077 調質 835 735 210 190 185 179 805 685 228 206 19

44、9 196 40Cr GB/T 3077 調質 805 685 196 176 171 165 765 805 212 189 183 180 30CrMoA GB/T 3077 調質 765 550 157 141 137 134 660 500 167 150 145 142 660 500 185 167 161 157 35CrMoA GB/T 3077 調質 855 735 210 190 185 143 660 685 228 206 199 196

45、 805 685 254 229 221 218 735 590 219 196 189 185 40CrMoA GB/T 3077 調質 930 825 306 291 281 274 注：中間溫度的許用應力值，可按本表的壓力值用內插法求得。 低合金鋼螺柱用毛胚，經調質熱處理后進行力學性能試驗。 同一鋼號、同一爐號、同一斷面產品、同一熱處理制度、同時投產的螺柱毛胚為一批，每批取一件進行試驗。 試樣的取樣方向為縱向，直徑不大于40mm 的毛坯，試樣的縱軸應位于毛坯中心；直徑大于40 mm 的毛坯，試樣的縱軸應位于毛坯半徑的1/2 處。

46、試樣距毛坯端部的距離不得小于毛坯的直徑，但拉伸試樣的頭部(或夾持部分)不受此限制。 每件毛坯上取拉伸試樣一個，沖擊試樣三個。拉伸試驗方法按GB/T 228 的 規(guī)定。沖擊試驗方法按 GB/T 229 的規(guī)定。試驗結果應符合表2-9 的規(guī)定，表中沖擊功的規(guī)定值系三個試樣試驗結果的平均值，允許有一個試樣的試驗結果小于規(guī)定值，但不得小于規(guī)定值的 70％。對鋼號和規(guī)格符合JB 4707 標準的低合金鋼螺柱用鋼材，其力學性能可按該標準驗收。 表2-9 實驗結果 鋼號 回火溫度 規(guī)格 mm MPa MPa J 40MnB 40M

47、nVB 40Cr 30CrMoA 35CrMoA 40CrNiMoA 低合金鋼螺柱，當設計溫度低于或等于-20℃時，應進行設計溫度下的低溫沖擊試驗。低溫用螺柱的鋼號及沖擊試驗要求按表2-10的規(guī)定。 表2-10 鋼號及沖擊試驗要求 鋼號 規(guī)格，mm 最低沖擊試驗溫度，℃ 30CrMoA -100 35CrMoA -100 -70 40CrNiMoA -

48、70 -50 與各螺柱用鋼組合使用的螺母用鋼可按表2 -11選用。 表2-11 螺母用鋼 螺柱鋼號 螺母用鋼 螺母鋼號 鋼材標準 使用狀態(tài) 使用溫度下限，℃ Q235-A Q215-A ，Q235-A GB/T 700 熱軋 35 Q235-A GB/T 700 熱軋 20，25 GB/T 699 正火 40MnB 35，40Mn，45 GB/T 699 正火 40MnVB 35，40Mn，45 GB/T 699 正火 40Cr 35，40Mn，45 GB/T 699 正火 30CrMoA

49、 40Mn，45 GB/T 699 正火 30CrMoA GB/T 3077 調質 35CrMoA 40Mn，45 GB/T 699 正火 30CrMoA 35CrMoA GB/T 3077 調質 40CrNiMoA 35CrMoA 40CrNiMoA GB/T 3077 調質 2.6焊接材料 焊接材料包括焊條、焊絲、焊劑、氣體、電極和襯墊等。 焊條應具有質量證明書。質量證明書應包括熔敷金屬的化學成分、力學性能、 擴散氫含量等。各項指標應符合GB/T 5117、GB/T 5118、GB/T 984 等標準的有關規(guī)定。 球殼的焊縫

50、以及直接與球殼焊接的焊縫，應選用低氫型藥皮焊條，并按批號 進行擴散氫復驗。擴散氫試驗方法應按GB/T 3965 的規(guī)定進行。烘干后的實際擴散氫含量應符合表2-12的規(guī)定。 表2-12 擴散氫含量 焊接材料 擴散氫含量，mL/100g 焊接材料 擴散氫含量，mL/100g E4315、E4316 E6015-X、E6016-X E5015、E5016 J607RH E5515-X、E5516-X 藥芯焊絲 3 結構設計 3.1 概況 球罐結構的合理設計必須考慮多種因素：盛裝物料的性質、設汁溫度和壓力，材質、制造裝備和技術水平、安裝方

51、法，焊接和檢驗要求、操作方便可靠性、自然環(huán)境的影響(風載荷，地震載荷作用，大氣的自然腐蝕)等。要做到滿足各項藝要求，具有足夠的強度和穩(wěn)定性，結構盡可能簡單和檢修實施容易。 球罐的結構設計應包括如下的內容： (1)根據工藝參數的要求確定球罐結構的類型及幾何尺； (2)確定球殼的排板方法(分帶、分片)； (3)確定球殼板的幾何尺寸； (4)支撐結構的確定： (5)人孔和工藝接管的選定、布置以及開孔補強的設計； (6)球罐的附件，如內外盤旋梯、爬梯、平臺的設計； (7)有要求時，對保冷結構設汁； (8)留基礎的技術要求； (9)有要求時，對防地震、防雷的設計等。 3

52、.2球殼的設計 球殼設計要按照如下的設計準則： ◆必須滿足所儲存物料在容量、壓力、溫度方面要求，且安全可靠； ◆受力狀況最佳； ◆考慮了瓣片加工機械（油壓機或水壓機）的跨度大小，運輸條件的可能，盡量采用大的球瓣結構，使焊縫長度最小、減少安裝工作量； ◆考慮了鋼板的規(guī)格，增強球殼板的互換性，盡量提高板材利用率。 國內自行設計、制造、組裝焊接的球罐多為橘瓣式和混合式排板組成的球殼。 ⑴橘瓣式球殼的設計（圖3-1） 橘瓣式球殼組裝焊縫較為規(guī)則，施工簡便。多數采用偶數支柱，分塊分帶對稱，因此組裝應力及焊接內應力較均勻，較易保證球罐質量。當球殼按等強度設計，用不同的分帶去承受不同液柱高度

53、的附加壓力時，產生不等厚的球片結構。 橘瓣式結構較靈活，按照原材料的大小及壓機跨度的尺寸，可設計成不同球心夾角的分帶和分塊，以滿足結構和制造工藝的要求。 橘瓣式結構也有其缺點：由于球片在各帶位置尺寸大小不一，只能在本帶內或在上、下對稱帶之間進行互換；下料成型較復雜，原材料利用率較低；球極板往往尺寸較小，當需要布置人孔和眾多接管時可能出現(xiàn)接管擁擠，有時焊縫不易錯開。 （2）混合式球殼的設計（圖3-2） 混合式球殼，其赤道帶和溫帶采用橘瓣式，極板采用足球瓣式。由于此種結構取橘瓣式和足球瓣式兩種結構形式的優(yōu)點，所以材料利用率高，焊縫長度縮短，球殼板數量減小，適合大型球罐。隨著我國石油、化工、

54、城市煤氣等工業(yè)的迅速發(fā)展，國內曾引進了許多混合結構的大型球罐，通過對引進球罐的消化、吸收、開發(fā)研究、施工、檢測，已經基本掌握了這種結構形式的設計、制造、組裝和焊接技術。大型球罐一般采用這種混合排板的形式。 圖3-1 橘瓣式球殼 圖3-2混合式球殼 本設計球殼采用的是混合式球罐，赤道帶是橘瓣式，上、下極是足球式，共三帶。如圖（3-3）。 圖3-3三帶混合球罐 圖3-4 支柱各部部分名稱 1-極邊板；2-極側板； 1-地腳螺栓；2-下支耳；3-通氣口

55、； 3-極中板；4-上板； 4-球殼；5-蓋板；6-上段支柱； 5-赤道帶；6-支柱；7-下極 7-上支耳；8-防火層；9-下段支柱； 10-沉降測定板；11-接地板；12-底板；13-基礎 3.3支座的設計 支柱的各部分名稱如圖3-4。 球罐支座是球罐中用以支撐本體質量和儲存物料質量的結構部件。由于球罐殼體呈圓球狀，給支座設計帶來一定的困難，它既要支撐較大的質量，又由于球罐設置于室外，需承受各種自然環(huán)境影響，如風載荷，地震載荷和環(huán)境溫度變化的作用。為了應對各種影響因素，結構形式比較

56、多，設計計算也比較復雜。 支撐主要可分成柱式支撐和裙式支撐兩大類。柱式支撐中又以赤道正切柱式支撐為國內外普遍采用。此外，還有V形柱式支撐，三樁合一形柱式支撐，裙式支撐（包括圓筒形裙式支撐和錐形裙式支撐），錐底支撐（也是裙式支撐），鋼筋混凝土連續(xù)基礎支撐，半埋式支撐，高架式支撐（也有柱式和裙式之分），可脹縮的支撐（柱式支撐的變種）。 本球罐的支柱形式采用赤道正切柱式支座。赤道正切柱式支柱結構特點：球殼由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置，與球殼相切或近乎相切（相隔）而焊接起來。支柱支撐球的重量，為了承受風載荷和地震載荷，保證球罐的穩(wěn)定性，在支柱之間設置拉桿相連。這種支柱的優(yōu)點是受力均勻

57、，彈性好，安裝利便，施工簡單，容易調整，現(xiàn)場操作和檢修也方便，且適合于多種規(guī)格的球罐。他的缺點主要是重心高，穩(wěn)定性較差。 支柱應采用鋼管制作。 下段支柱可分段，分段的長度不宜小于支柱總長的1/3。段間的環(huán)向接頭應全焊透。可采用沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板的對接接頭。 支柱頂部應設有球形或橢圓形的防雨蓋板。 支柱應設置通氣口，對儲存易燃物料及液化石油氣的球罐，還應設置防火層。 支柱底板中心應設置通孔，如圖3-5所示。 支柱底板的地腳螺栓孔應為徑向長圓孔。 圖3-5 支柱底板中心通孔設置 3.4拉桿結構 拉桿結構可分為有可調式（圖3-6）和固定式（圖3-

58、7）兩種。本設計采用可調式拉桿，這主要是考慮到可調式拉桿采用圓鋼加工而成，拉桿與支柱采用銷釘連接。兩拉桿的立體交叉處應留間隙，不得焊死，拉桿張緊程度應均勻，拉力不宜過大。日常球罐運行總應注意液體進出，冬夏溫度變化和小地震引起的拉桿松動，應即使調節(jié)松緊。 雖然固定式拉桿與可調式拉桿相比，制造加工簡單，不需機械加工施工方便，拉桿也可承受拉伸和壓縮載荷等優(yōu)點，但由于支座剛性加大，球罐地震增大，結構受力也相應增大，綜合考慮取可調式拉桿。 圖3-6可調式拉桿 圖3-7固定式拉桿 3.5人孔和接管 3.5.1人孔結構 球罐的人孔是操作人員進出球罐進行檢查及維修

59、用的；在現(xiàn)場組焊需要進行焊后整體熱處理的球罐，人孔又成為進風，燃燒口及煙氣排出煙囪用。因此人孔直徑的選定必須考慮操作人員攜帶工具進出球罐方便（在北方還要考慮冬天作業(yè)時操作人員穿棉工作服能進出），以及熱處理時工藝氣流對截面的要求。一般選用DN500較適宜。通常球罐上應設有兩個人孔，分別在上，下極帶上（若球罐必須焊后整體熱處理，則人孔應設置在上，下極帶的中心）。 3.5.2接管結構 由于工藝操作需要有各種接管，球罐接管部分是強度的薄弱環(huán)節(jié)，國內較多事故都是從接管焊接處發(fā)生的。為了提高該處安全性，國外制造的球罐采用厚壁管或整體鍛件凸緣等補強措施，以及在接管上加焊筋條支撐等辦法來提高剛度和耐疲勞性

60、能，值得借鑒。 4.強度設計 4.1設計條件 設計壓力： p=1.77MPa 設計溫度： 常溫 水壓試驗壓力： 球殼內直徑: 14200mm(1500 儲存物料： 聚氨酯 充裝系數: k=0.85 地震設防烈度: 7度 基本風壓值: 基本雪壓值: 支柱數目: n=10 支柱選用: 16MnR(熱軋) 拉桿選用:

61、20圓鋼 球罐建造場地: Ⅱ類場地土、近震,B類地區(qū) 4.2球殼計算 (1)計算壓力 根據設計參數，球殼選取混合式三帶球罐。 靜液柱高度按 將式中的中括號部分設定為，則變?yōu)椋篐= 查表可得當K=0.85時， 解得H=10729.5mm 設計壓力：p=1.77MPa 球殼各帶的物料液柱高度(如圖4-1所示)。 圖4-1 球罐靜液位示意圖 =0 =3010.7 =8649.9 物料密度: =602.6kg/ 重力加速度:g=9.81 球殼各帶的計算壓力： 1.77+0=1.77MPa 1.79MPa 1.82MP

62、a 1.83MPa ⑵球殼各帶的厚度計算 球殼內直徑 設計溫度下球殼材料: 16MnR(正火)的許用應力： 焊縫系數：.00 厚度附加量: 取球殼名義厚度: 球殼有效厚度: (3) 液壓實驗 ①實驗壓力最低值 ②壓力實驗前的校核球殼應力 液壓實驗 所以 符合設計要求。 4.3球殼的質量設計 球殼平均直徑: 球殼材料密度: 充裝系數:k=0.85 水的密度: 球殼外直徑:：=14200+2=14392 基本雪壓值: 球面的積雪系數: ⑴球殼質量 ⑵物

63、料質量 ⑶液壓試驗時液體的質量 ⑷積雪質量 ⑸保溫層質量 ⑹支柱和拉桿的質量 ⑺附件質量 ⑻操作狀態(tài)下的球罐質量 操作狀態(tài)下的球殼質量kg； ⑼液壓試驗狀態(tài)下的球罐質量 : 液壓試驗狀態(tài)下的球罐質量kg； ⑽球罐最小質量 ：球罐最小質量kg 4.4地震載荷計算 圖4-1球罐簡圖 4.4.1自振周期 支柱底板底面至球殼中心的距離

64、: 支柱數目: n=10 支柱材料20號鋼的常溫彈性模量：MPa 支柱外直徑: 支柱內直徑:510 ⑴支柱橫截面的慣性矩: 支柱底板底面至拉桿中心線與支柱中心線交點處的距離: ⑵拉桿影響系數 ⑶球罐的基本自振周期 4.4.2地震力 綜合影響系數: 地震影響系數的最大值:（查GB 12337-1998表15) 特征周期: (查GB 12337-1998表16) 對應于自振周期T的地震影響系數: 球罐的水平地震力： 4.5 風載荷計算 風載體形系數: 系數:（查G

65、B 12337-1998表17選?。? 風振系數: 基本風壓值: 支柱底板底面至球殼中心的距離: 風壓高度變化系數: (按GB 12337-1998表18選取) 球罐附件增大系數: 球罐的水平風力： 4.6 彎矩計算 力臂： 由水平地震力和水平風力引起的最大彎矩： 4.7支柱的計算 4.7.1單個支柱的垂直載荷 重力載荷 操作狀態(tài)下的重力載荷: 液壓試驗狀態(tài)下的重力載荷： 支柱的最大垂直載荷 支柱中心圓半徑: 最大彎矩對支柱產生的垂直載荷的最大值(按GB 12337-1998表19計算)： 拉桿作用在支柱上的垂直載荷的最大值

66、(按GB 12337-1998表19計算)： 以上兩力之和的最大值(按GB 12337-1998表計算)： 4.7.2組合載荷 操作狀態(tài)下支柱的最大垂直載荷： 液壓試驗狀態(tài)下支柱的最大垂直載荷： 4.7.3單個支柱彎矩 ⑴偏心彎矩 操作狀態(tài)下赤道線的液柱高度: 液壓試驗狀態(tài)下赤道線的液柱高度: 操作狀態(tài)下物料在赤道線的液柱靜壓力： 液壓試驗狀態(tài)下液體在赤道線的液柱靜壓力： 球殼的有效厚度： 操作狀態(tài)下球殼赤道線的薄膜應力: 液壓試驗狀態(tài)下球殼赤道線的薄膜應力: 球殼內半徑: 球殼材料的泊松比: 球殼材料Q345R的彈性模量: 操作狀態(tài)下支柱的偏心彎矩: 液壓試驗狀態(tài)下支柱的偏心彎矩: ⑵附加彎矩 操作狀態(tài)下支柱的附加彎矩: 液壓試驗狀態(tài)下支柱的附加彎矩: ⑶總彎矩 操作狀態(tài)下支柱的總彎矩 液壓試驗狀態(tài)下支柱的總彎矩 4.7.4支柱穩(wěn)定性校核 計算長度系數: ⑴單個支柱的橫截面積：