1000m3液氨球罐设计及其有限元分析计算

1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 摘 要 本文介绍了球罐的发展背景及现状， 对球罐的型式、 一般分类等进行阐述， 并详细论述了球罐设计的全过程。 本文根据GB12337-1998 钢制球形储罐 对 1000m3液氨球罐进行总体设计， 其中包括球罐材料的选定， 球壳的型式， 支柱的结构型式和布置， 球罐的梯子型式和布置等； 对球罐质量、 载荷、 支柱、 拉杆、 地脚螺栓、 球壳与支柱连接处的焊缝及最低点的强度进行了计算及校核， 确定其满足使用要求， 并对各接管进行了开孔补强计算。此外，参照 JB4732-95钢制压力容器分析设计标准应用有限 元 分析软件ANSYS6.1 对球罐与支柱连接部位进行分析设计，并提交分析报告。 关键词 ：球罐, 常规设计, 分析设计,有限元分析， ANSYS I 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 Abstract This paper introduces the development background and present conditions of the spherical tank, and explains pattern and generally classifying etc. and describes the design course of the spherical tank in detail. 1000m3liquid ammonia spherical tank is designed based on GB12337-1998 steel spherical tanks, includes selection a material of spherical tank, the shelly pattern, the structure pattern and assigning of the pillar, ladder pattern and assigning of the spherical tank, etc. Some structures are calculated and checked, such as the quality, the load, the pillar, the pull rod, the foundation bolt, the welding line and the minimum point of spherical shell and the pillar junction, results show that it meets usage requests, and hole is mend strong calculation. Moreover, the conjunction position of the tank shell and pillar is designed based on JB4732-95 steel pressure vessel - design by analysis standard by FEA ANSYS6.1 system and analysis report is given out. Key words： spherical tank , design by rule, design by analysis， FEA, ANSYS II 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 目 录 第一章 前 言 .1 1.1 球罐的工程背景及发展现状 .1 1.2 球罐概述 .2 1.2.1 球罐 的特点 .2 1.2.2 球罐 的结构及型式 .3 1.3 本文的主要设计内容 .6 1.3.1 设计 内容概述 .6 1.3.2 采用 常规设计方法进行液氨球罐的设计 .7 1.3.3 运用 ANSYS软件对 液氨球罐球壳与支柱连接部位进行分析校核 .8 第二章 液氨球罐的设计计算 .10 2.1 设计参数 .10 2.2 液氨球罐的结构设计 .10 2.2.1 液氨 球罐的材料选择 .10 2.2.2 液氨 球罐的总体结构设计 .10 2.2.3 球壳 的设计 .11 2.2.4 支座 设 计 .18 2.2.5 拉杆 结 构 .19 2.2.6 人孔和 接管 .19 2.2.7 梯子 平 台 .36 2.3 液氨球罐的设计计算与校核 .38 2.3.1 球壳计 算 .38 2.3.2 球罐 质量计算 .40 2.3.3 地震 载荷计算 .41 2.3.4 风载 荷计算 .42 2.3.5 弯矩 计 算 .42 2.3.6 支柱 计 算 .43 2.3.7 地脚 螺栓计算 .48 2.3.8 支柱 底 板 .49 III 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 2.3.9 拉杆 计 算 .50 2.3.10 支柱 与球壳连接最低点a的应 力校核 .52 2.3.11 支柱 与球壳连接焊缝的强度校核 .53 第三章 对球壳与支柱连接部位进行应力分析 .55 3.1 应力分析总体说明 .55 3.1.1 载荷 分 析 .55 3.1.2 结构 分 析 .55 3.2 球壳与支柱连接有限元分析 .56 3.2.1 几何 模型与计算模型 .56 3.2.2 应力 计算边界条件 .57 3.2.3 ANSYS对球壳与支柱连接有限元模型的应力分析过程 .58 3.2.4 应力 评 估 .61 3.3 应力评估结论 .63 第四章 技术经济分析及结论 .64 4.1 技术经济分析 .64 4.2 结论 .65 参 考 文 献 .66 致 谢 .67附 录 .68IV 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 第一章 前 言 1.1 球罐 的工程背景及发展现状 六十年代开始， 是国外石油化学工业高速发展时期， 合成氨和乙烯装置走向大型化并规模建设。 据不完全统计， 1976 年发展中国家引进了 86 套合成氮装置， 年生产能力 2394 万吨； 26 套乙烯装置，年生产能力 562 万吨。美国 1976 年新建 13套年产 30-45 万吨规模的合成氨装置； 10 套年产 40-50 万吨乙烯装置。苏联 1976年新建 17 套 40-45 万吨规模的合成氨装置。与此同时引人注目的所谓“清洁的能源”液化天然气 (LNG)及液化石油气 (LPG)的需求日益增大，它不仅是日常生活中的民用燃料， 而且是化肥、 合成纤维、 合成材科、 合成橡胶的主要原料。 它从遥远的产地通过管道或海运送到需用地点， 运输距离往往达数千公里。 世界各国还拥有装设大型球罐以运输天然气或石油气的专用远洋巨轮。 工业的高速发展及液化天然气、 石油气大规模的运输、 储存， 产生了对球罐的大量需求， 要求球罐大型化。球罐不仅是石油化学工业储存原料，中间产品、成品的重要设备而且是运输、储存能源的重要手段。 它还广泛地应用于冶金工业储存氧气炼钢用压力氧气， 宇航工业储存火箭发射燃料； 在原子能工业也用球罐作反应堆的安全壳， 这种安全壳的直径达 61m，容积 119000 m3，是目前最大的球罐1。 七十年代初， 我国的化工、 石油等部门从国外陆续引近了一批大型石油化工装置，如年产 30 万吨合成氨装置、年产 11.5 万吨乙烯装置及年产 30 万吨乙烯装置等。这些装置主要来白日本、法国、西德、美国。这些装置中的原料与成品储罐，有些采用了球罐； 比较典型的有储存液化石油气、 液态丙烯、 液态乙烯的球罐及储存液态氦的球罐。 引进球罐的设计、压片、附件制造等均在国外进行，由外商提供全部球壳板、焊接材料、球罐的全部附件及配件，并在外国专家指导下，在国内进行现场组装、焊接、 检验等工作。 球罐的建造质量由我国验收部门按相应标准进行验收， 由外商保证球罐在运转中的安全可靠性以及各项工艺参数达到设计指标。 从引进球罐中， 使我们了解到国外部分球罐设计和计算方法、 常温及低温球罐选材的原则、 结构特点、 制造情况、 组装技术及焊接工艺、 检验方法， 学习了球罐整体热处理技术， 在球罐的设计、 选材、 制造、 组装、 焊接、 检测、 管理等方面积1 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 累了许多经验。目前，球罐的生产正向国产化发展，研究大型球罐具有重要意义。 1.2 球罐概述 1.2.1 球罐的特点 球罐具有许多特点而优于其他形状的压力容器，其主要特点如下： （ 1） 、与同等容量的圆筒形容器相比，球罐的表面积最少，因而在储运气体或液化气体介质时，冷量或热量损失最少，可减少能源消耗，降低储运成本； （ 2） 、球罐受力均匀，在相同直径和工作压力下，其薄膜应力仅为圆筒形容器环向应力的一半； 在相同直径与壁厚的条件下， 球罐承载能力提高一倍。 因此在高压装置中，球罐被广泛采用； （ 3） 、由于球罐表面积小壁厚薄、因而重量轻、耗材少，具有较好的经济性； （ 4） 、采用赤道正切柱式支承球罐，基础简单，工程量小，建造费用便宜； （ 5） 、球罐建造方便，组装周期短，维修容易，占地面积小，外形美观； （ 6） 、球罐的缺点是球壳板较多，焊缝长，焊接要求高，手工焊环境恶劣，劳动强度大，同时检验技术要的求高，施工管理严格。 1.2.2 球罐的结构及型式 1.2.2.1 球罐的各种型式 在工业领域中使用的球罐的型式是多种多样的， 1、按储存温度分类1： 球形容器一般用于常温或低温。只有极个别场合使用温度高于常温。 （ 1）常温球形容器 这类球罐，如液化石油气、氨、煤气、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压缩机的出口压力。 常温球罐的设计温度大于 -20 摄氏度。 （ 2） 低温球罐 这类球罐的设计温度低于常温 （即 =-20 摄氏度） ， 一般不低于 -100 摄氏度。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 设计温度在 -100 摄氏度以下。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4。 2、按储存的介质分类： （ 1）储存气体的球罐 2 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 用于储存氧气、氮气、氢气、空气、城市煤气等球罐； （ 2）储存液化气体的球罐 主要储存液化石油气 (LPG)、 液化天然气 (LNG)、 液态乙烯、 液态丙烯、 液氢、液氧、液氮、液氨等介质，在球罐内往往是气液两相共存； （ 3）储存液体的球罐 储存液体，如水、轻油等，一般使用压力很低。 3、按支柱形式分类 （ 1）支柱式 主要有赤道正切式、 V 形支柱式、三柱合一式等。 （ 2）裙座式 此外， 尚有按球罐壳体材料划分及按球罐结构形式划分两种情况， 下面我们将详细说明按球罐结构分类的情况。 1.2.2.2 球罐结构 根抿球罐储存物料的种类、 物性、 容量的大小及使用条件， 球罐可分为单层与双层两种， 目前国内建造的球罐均系单层结构； 且支承与球罐壳体的连接形式均为赤道正切式、此类球罐由以下几部分组成： 1、球壳2球壳以各种经纬线分割成各种球壳板组成， 目前常见的有桔瓣式 (参见图 l-1)、足球式、足球桔瓣混合式 (参见图 1-2)三种； (1)、纯桔瓣式 纯桔瓣式罐体使之球壳全部按桔瓣瓣片的形状进行分割成型后再组合的结构。纯桔瓣式罐体的特点是球壳拼装焊缝较规则， 施焊组装容易， 加快组装进度并可对其实施自动焊。由于分块分带对称，便于布置支柱，因此罐体焊接接头受力均匀，质量较可靠。 这种罐体适用于各种容量的球罐， 为世界各国普遍采用。 中国自行设计、 制造和组焊的球罐多为纯桔瓣式结构。 这种罐体的缺点是球瓣在各位置尺寸大小不一， 只能在本带内或上、 下对称的带之间互换； 下料及成型较复杂， 板材的利用率低；球极板往往尺寸较小，当需要布置人孔和众多接管时可能出现接管拥挤，有时焊缝不易错开。 (2)、足球瓣式 足球瓣式罐体的球壳划分和足球一样， 所有的球壳板片大小相同， 它可以由尺3 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 寸相同或相似的四边形或六边形球瓣组焊而成。 这种罐体的优点是每块球壳板尺寸相同， 下料成型规格化， 材料利用率高， 互换性好， 组装焊缝较短， 焊接及检验工作量小。 缺点是焊缝布置复杂， 施工组装困难， 对球壳板的制造精度要求高， 由于受钢板规格及自身结构的影响， 一般只适用于制造容积小于 120m3的球罐， 中国目前很少采用足球瓣式球罐。 (3)、混合式 混合式罐体的组成是：赤道带和温带采用桔瓣式，而极板采用足球瓣式结构。图 1-2 表示三带混合式球罐。由于这种结构取桔瓣式和足球瓣式两种结构之优点，材料利用率较高， 焊缝长度缩短， 球壳板数量减少， 且特别合适于大型球罐。 极板尺寸比纯桔瓣式大， 容易布置人孔及接管， 与足球瓣式罐体相比， 可避开支柱搭在球壳板焊接接头上， 使球壳应力分布比较均匀。 该结构在国外已广泛采用， 混合式球罐将在大型球罐上得到更广泛的应用3。 我国主要采用桔瓣式壳板。 其球壳通常由上、 下板、 上、 下温带， 赤道带 （上、下 )五部分球壳板构成。 图 1-1 桔瓣 式球壳结构简图 4 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 2、支承构件3球罐是由多种钢结构的支承件支承的，目前国内均为赤道正切支柱拉杆结构，支承构件包括支柱、 拉杆、 地脚螺柱等部件， 赤道正切式支柱稳定性较好 避开了赤道焊缝， 但连接处焊缝的应力复杂； 根据热处理工艺的要求， 支柱又分成单段式和分段式两种， 后者， 上段支柱在制造厂预先焊在球壳上， 并进行消除应力热处理，出厂后现场装配。 一般， 球罐的拉杆都在相邻支柱间配置。 对于大型球罐 (如容积为 8250 m3的液氨球罐） 拉杆是每间隔一个支柱配置的， 这种配置方法可减小拉杆与地面间的倾角，有利于发挥拉杆的承载能力。 图 1-2 混合 式球罐简图 3、人孔、接管及补强3人孔、 接管及补强是焊接于球壳上的受压元件。 一般在球罐上部和下部分别设置人孔一个， 而为了进入或输出介质以及液位、 温度、 压力测试等开设的接管也可5 1000m3液氨球 罐设计及其有限元分析计算 分为上部接管和下部接管两种。 根据钢材强度级别， 补强方式有两种， 对一般中等强度的钢材 (b 50kgf/mm2)常采用加补强板的方式， 对高强调质钢 (b 50kgf/ mm2)则采用整体锻件补强凸缘来解决补强问题。对于采用补强板方式加强的人孔或接管，常在制造厂组装焊接，并经热处理后运到现场。 4、附件设施3附件设施包括梯子平台、 内部转梯及平台、 喷淋设施、 绝热设施， 以及计测安全设施等。计测安全设施又包括安全阀 (异常安全阀及火灾安全阀 )、温度计、压力计、液位计及紧急切断装置。 1.3 本文 的主要设计内容 1.3.1 设计