毕业设计---500m3内浮顶汽油罐焊接结构和工艺设计.doc

500m3内浮顶汽油罐焊接结构和工艺设计1. 设计参数与材料确定 1.1内浮顶罐设计参数 表1 内浮顶罐设计参数工作压力 常压 操作容积 500m3设计压力 常压甲醇密度 720kg.m-3工作温度 -19-80 腐蚀裕量 1mm 焊接接头系数 0.85 设计地震烈度 7级设计风压 0.35mpa 设计雪压0.25mpa2储罐结构设计2.1 储罐结构参数的确定2.1.1 储罐直径与高度 由于给定的设计容积为530m3，储罐容积不是很大，所以直径与高度按等壁厚进行计算，从而得出用料较省，投资较少的经济尺寸。 r储罐半径； d储罐直径； s罐壁板厚度； h储罐高度； v储罐的设计容积； s罐顶板厚度； s罐底板厚度。 设罐底与罐顶为圆板（按投影面积），其金属体积之和为q1，则 令，则 设罐壁的金属体积为q2,则 若储罐金属的总体积为q,则 q=q1+q2=因为 所以 ,则 取q对h的一阶导数,并使其等于0 得 2-1上式左端为罐顶和底的金属体积之和， 式（2-1）右端为罐壁金属体积的一半， 由此可得一个结论：等壁厚储罐当顶和底的金属用量等于罐壁用量一半时，储罐金属用量最省，由（2-1）可得储罐经济高度： 所以 或 (2-2)对于容积不是很大的闭式储罐，其罐底和罐顶及罐壁厚度相等，则 代入（2-2）可得d=h 此时，储罐金属用量最省。由 可求出储罐直径。将v=500m代入，得 d=h=8.8m2.1.2 罐壁壁板高度与数目2.2 罐壁设计2.2.1 罐壁厚度计算罐壁是一个圆柱形的钢板焊接结构，每圈壁板随着外载荷(静水压)的变化由下至上逐层减薄。对于容积不是很大的储罐，采用定点法设计罐壁厚度，计算简便，结果也足够安全。定点法计算时选壁板上端作为计算高度进行设计，则不够安全，选在板下端又偏于保守。根据理论和实际测定，板的应力最大的地方通常在板的下端 0.300m处。所以定点法计算是以高出板下端 0.300m处的液体压力来确定板的厚度的方法。因此罐壁设计厚度应满足下式： 而 式中 t0罐壁计算厚度，mm； c1钢板负偏差，取c1=8.0mm； c2腐蚀裕量； h 所计算那一圈罐壁板底边至罐顶端的垂直高度，m； 焊接接头系数； 设计温度下钢板的许用应力，取 =157 mpa； 甲醇密度，kg/m由公式可知从罐底往上数，罐壁逐渐减少：第一圈：，故mm2.2.2 罐壁的设计厚度罐壁的设计厚度按下式计算，取其中的较大值。 式（2-3） 式（2-4） 式中：-储存介质时的设计厚度（mm）；-储存水时的设计厚度（mm）；-储液的密度()；h-计算的壁板底边至罐壁顶端的垂直距离(m)；d-储罐内直径(m)；-设计温度下罐壁钢板的许用应力(mpa)；-常温下罐壁钢板的许用应力(mpa)；-焊缝系数，取0.85；-钢板或钢管的厚度负偏差(mm), 取0.8mm；-腐蚀裕量(mm),取1mm；查得，常温下q235-a的许用应力，设计温度下的许用应力为，将d=13m，h=13.5m代入上式，分别得： 因储罐容积不太大，从材料的准备和液面上的壁板内外壁受腐蚀的情况考虑，采用等壁厚设计，即第一圈到第六圈壁板都采用相同厚度。 在确定壁板的名义厚度时,不能单纯地按计算结果考虑,因为计算公式只从满足罐体强度方面考虑了作用在罐壁上的液柱静压力、材料的许用应力以及焊接接头系数。根据gb50341-2003立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范 ：当油罐直径l2 m时，最小壁板厚度为6 mm；当油罐直径12 md15 m时，最小壁板厚度为7mm；当油罐直径15 md36 m时，最小壁板厚度为8mm。所以，选择壁厚选择6mm。2.3.1 罐壁的设计外压储罐的外压包括风压和罐内负压，对内浮顶罐，没有罐内负压。故设计外压为： 式（2-5）=2.250.740.35=0.58kpa=580pa 式中：-风压高度变化系数，对于有密集建筑群的大城市区，取0.74； -建罐地区的基本风压。2.4 罐壁板间的连接 罐壁板之间的连接采用焊接，焊接坡口的基本形式及尺寸均须符合有关标准的规定。由于内浮顶罐不但要满足强度更重要是保证内浮盘在罐壁上随液位升降上下运动，浮盘周边是一圈软密封圈，因此罐壁的纵、环焊缝须采用对接焊，焊缝必须磨平，余高小于 1mm。 贮罐冲液后，罐壁在液柱静压力的作用下，产生很大的环向应力。此环向应力使罐壁周向伸长，并沿半径方向向外扩张。由此可见，在液压作用下，罐壁的强度实际由罐壁的纵缝所决定的，因而罐壁的纵缝必须焊透。而罐壁环缝的强度则要求大于固定顶与罐顶包边角钢的连接焊缝的强度。因为一旦发生事故，首先在固定顶与罐顶包边角钢的连接焊缝处脱开，避免罐内介质外溢造成事故，因而罐壁的环缝也必须焊透。2.5 罐壁包边角钢 罐壁上端应设置包边角钢。包边角钢与罐壁的连接，可采用全焊透对接焊结构或搭接结构。本设计采用搭接结构。2.6.1 包边角钢的强度验算 自支承式的锥顶、拱顶储罐需要在罐壁连接处设置包边角钢，以承受从罐顶传来的横向力，此横向力是因为罐内或罐外压力而产生的水平分力。罐顶就靠拱顶周边支撑于焊在罐壁上的包边角钢上，因此认为与包边角钢相连的罐顶和罐壁各 16 倍板厚的截面可与包边角钢共同起加强作用，共同承受水平分力，此区的最小面积： 式中 包边角钢的许用应力，取=1.57108 pa； 母线与水平面夹角,为 30； d 储罐直径，m ； p储罐单位面积荷载； 焊接系数。p=75009.8（/4d2）+1200=2410pa，将之代入上式，得包边角钢尺寸采用l75756，其截面积a=11.50310-4m2 afmin，所以包边角钢的强度足够。2.6.2 拱顶的稳定性验算 拱顶球壳无内压作用，只校核外载荷作用下的稳定性。作用在拱顶不致由皱折造成失效的安全应力（拱顶许用临界应力）pcr为： 式中 e 弹性模量，取e=200gpa； t球壳厚度，mm（不包括腐蚀裕量）； d 储罐直径，m； 母线与水平面夹角；将数据代入公式，得： 而在罐顶中由动载荷和静载荷所引起的压力p=2410pa ppcr满足稳定性要求。3 罐顶设计3.1.1 罐顶厚度与结构罐顶按自支承式拱顶的弱顶结构设计。由于罐顶通过罐壁通气孔与大气相通，罐顶内外壁都要受到周围环境空气的腐蚀，腐蚀会比内浮盘遮盖下的罐体严重。因此，锥顶厚度应在计算厚度的基础上加上腐蚀裕量，其值不应低于罐体厚度。根据gb50341-2003立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范7.3要求：1. 罐顶坡度不得小于1/6，不得大于3/4；因此取坡度为1/2.2. 罐顶板的计算厚度应按下式计算： 式中 罐顶板的计算厚度（mm）； 罐顶与罐壁连接处，罐顶板与水平面之间的夹角。3. 罐顶板的最小公称厚度不应小于计算厚度加厚度附加量，所以 t= +0.8+1=5.5mm圆整后取6mm。4. 罐顶与罐壁连接处有效抗拉截面积应满足下式： =256.2mm24. 罐底设计根据gb50341-2003立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范5.1：油罐内径小于12.5m时，罐底可不设环形边缘板；不包括腐蚀裕量，油罐内径d10m时，罐底中幅板最小公称厚度不应小于5mm；罐壁内表面至边缘板与中幅板之间的连接焊缝的最小距离，不应小于下式的计算值，且不小于600mm. 底圈罐壁外表面沿径向至边缘板外缘的距离，不应小于50mm。中幅板与边缘板，采用对接焊，焊缝下面应紧贴垫板，垫板厚度不小于4mm，宽度不小于50mm。5. 载荷计算5.1 风载荷计算5.1.1 倾覆 取风载荷作用于贮罐重心位置，由风载荷使贮罐倾覆的力矩应小于由贮罐重量产生的抵抗力矩（取空罐时最危险的情况）。风载荷：q=其中： c形状系数，取 c=0.7； k风压高度变化系数，取 kz=1.15 w0 设计风压值， w0=0.35mpa a受压面积，即储罐的最大垂直投影面积，a=hd将上述代入式中，得 倾覆力矩：m抵抗力矩：m式中 h贮罐高度,h=8.8m； wr贮罐自重（包括附件及配件），wr=222200 ； wl贮液自重,空罐时取wl=0； ，安全。5.1.2 滑移由风载荷在罐底板下表面的滑移剪力应小于由底板和基础之间的摩擦抵抗力(取空罐时最危险的情况)。滑移剪力： 式中 -底板和基础之间的静摩擦系数,取=7.0，代入上式，得 ,，安全。5.2 地震载荷验证在 7 级地震烈度的设计地震载荷作用下，贮罐的强度和稳定性。5.2.1 水平地震载荷 式中 qo储罐的水平地震作用 n； cz综合影响系数，取 cz=0.4(为常压式储罐)； max水平地震影响系数,按 7 级地震烈度，max=0.23； w产生地震载荷的设备总重量，w=frw1； fr 动液系数，其中 hw贮罐底面至贮罐液面高度， 贮罐最高液面按设计容积 530m3 计算,hw=530m3； r自上往下数第一圈罐壁的半径，r=440mm；h双曲正切函数。，代入计算得 fr=0.47 ; w1贮罐内贮液重量，w1=530m3720kg/m3=381600kg固 w=frw1=0.471381600=179352 =0.40.231793529.8=161703.8kg5.2.2 地震弯矩水平地震载荷对贮罐底面的弯距： m1=5.2.3 第一圈罐壁底部的最大压应力 式中 n1第一圈罐壁底部的垂直荷载，按罐体自重的 80%计算； a1第一圈罐壁的截面积，a1= (m2) z1第一圈罐壁的截面抵抗距，z1=0.785 (m2) d1第一圈罐壁的平均直径，8.8m； 1第一圈罐壁的实际壁厚，1 =0.0060m。所以 2.5.3 第一圈罐壁的容许临界压力 临界许用压应力可按下式计算 式中： 临界许用压应力。 4.6105pa ，安全。3. 内浮顶的设计3.1 内浮顶所占容积和有效容积的估算3.1.1 内浮顶占罐体有效高度 根据内浮顶使用有关规定：放油时罐内应保持1.4m的高度，防止浮盘落架、卡盘，收油时油罐本身高度减少1.4m；进油时顶部有1.2m空间（不包括圆顶部分），因此h=1.4+1.2=2.6m。3.1.2 储罐的有效容积内浮顶占储罐的容积为：v=储罐有效容积为：v有效=500-147.7=352.33.2 内浮盘的浮力计算内浮盘所需的浮力至少是浮盘重量的两倍。边缘板和穿过单盘安装的任何开孔接管的最