摘 要150m3液氨储罐.doc

摘 要本次设计以GB12337-2010钢制球形储罐和GB150-2011钢制压力容器为设计依据，综合国内外现有的制造技术设计了150m3液氨储罐。在以安全为原则的基础上综合考虑产品质量、施工建造可行性、国内现有的建造技术等方面的因素，设计出公称直径为6600mm、壁厚为44mm的大型球罐。本设计在选材方面考虑了多种材料的特性，最后确定Q345R为本球罐的材料。同样，本设计在球罐选型及支撑方式的选择上也应用多种形式作比较最终确定混合式结构、可调式拉杆支撑最合理。最后进行强度及稳定性校核，校核结果显示本设计的结构既安全又经济。本文通过对球罐的材质的焊接性分析，确定焊接材料和焊接方法。根据每条焊缝有不同的特点，制定了各条焊缝的具体焊接顺序和坡口形式，并选择了焊接工艺参数。球罐组装、焊接之后，需要进行焊后处理，包括无损检测，焊后热处理，以及耐压试验等，本文也都进行了简要的分析和说明，并介绍了相应的处理方法和注意事项。关键词：球罐；安全；经济；焊接AbstractThe design Of 3000m3 liquid ammonia spherical tank is basis on both the GB12337-2010 steel spherical tanks and GB150-2011 design of steel pressure vessel, considering the existing manufacturing technology of tanks both at home and abroad. In the principles of safety ，consideration of product quality and construction feasibility, the existing building technology and other factors, at last the spherical tank is designed for nominal diameter 18000mm、 wall thickness 44mm. The selection of materials in this design is in consideration, compared with some different properties of materials，finally the Q345R has be choosen.Also, the design and selection of the spherical support is in consideration，finally hybrid strucure and adjustable tension support seems to be the most reasonable. Finally the strength and stability test, the result shows this design of structure is safe and economic. Based on the spherical tank welding materials analysis to determine the welding materials and welding methods. According to different characteristics of each weld, developed a specific welding seam of each sequence and groove type, and selected welding parameters. After the installation and welding of the spherical container, there need to conduct process when the welding finished, which include non-destructive testing, postweld heat treatment, and the pressure test, and so on. In the paper, they were conducted a brief analysis and exposition, and were introduced the corresponding resolve methods and attention matters.Keywords: spherical tank； safety；welding目录1绪论 . 11.1 引言 . 11.2 球罐介绍 . 21.3 国内外研究现状 . 21.3.1 球罐的发展和应用现状 . 21.3.2 焊接设备应用现状 . 31.3.3 球罐自动化焊接技术的进展 . 41.4 课题主要内容 . 51.5 课题研究方案 . 5 2 3000m3球罐的结构设计 . 62.1 3000m3球罐的参数 . 62.1.1 主要技术参数 . 62.1.2 球罐用钢的基本要求分析 . 62.1.3 球罐用钢的确定 . 62.2 球罐的结构设计要求 . 62.3 球壳的设计 . 72.3.1 球罐结构型式的选择 . 72.3.2 混合式结构排板计算 . 72.4 支座设计 . 142.4.1 支柱 . 142.4.2 底板 . 152.4.3 拉杆 . 152.5 人孔和接管 . 152.5.1 人孔结构 . 152.5.2 接管结构 . 152.6 球罐的附件 . 162.6.1 梯子平台 . 162.6.2 液位计 . 162.6.3 安全阀 . 162.6.4 溢流阀 . 162.7 球罐对基础的要求 . 16 3 焊接性分析 . 173.1 材料的焊接性分析 . 173.1.1 Q345R的化学成分和力学性能 . 173.1.2 Q345R的焊接性 . 173.2 焊接性分析 . 183.2.1 碳当量（CE） . 183.2.2 裂纹敏感性指数（Pc） . 183.3 焊接方法与填充材料的选择 . 20 4 球罐强度计算及稳定性校核 . 204.1 设计条件 . 204.2 球壳计算 . 204.2.1 计算压力 . 204.2. 2 球壳各带的厚度计算 . 224.3 球罐质量计算 . 224.4 地震载荷计算 . 234.5 风载荷计算 . 244.6 弯矩计算 . 254.7 支柱计算 . 254.7.1 单个支柱的垂直载荷 . 254.7.3 支柱稳定性校核 . 274.8 地脚螺栓计算 . 284.8.1 拉杆和支柱之间的夹角 . 284.8.2 支柱底板与基础的摩擦力 . 284.8.3 地脚螺栓 . 284.9 支柱底板计算 . 294.9.1 支柱底板直径 . 294.9.2 底板厚度，底板的压应力 . 294.10 拉杆计算 . 304.10.1 拉杆螺纹小径计算：拉杆的最大拉力 . 304.10.2 拉杆连结部位的计算 . 304.10.3 耳板厚度 . 304.11 支柱与拉杆连接最低点a点应力计算 . 324.11.1 a点的剪切应力 . 324.11.2 a点的纬向应力 . 324.11.3 a点的应力校核 . 334.12 支柱与球壳，连结焊缝强度 . 334.13 开孔补强校核 . 344.13.1 人孔开孔补强计算 . 344.13.2 进出料及安全阀 . 36 5 工厂制造及现场组装 . 405.1 球罐生产的准备工作 . 405.2 材料的进厂入库检验 . 405.3 钢材的预处理 . 405.3.1 钢板的矫正 . 405.3.2 钢板的表面清理 . 415.4 放样、划线与号料 . 415.4.1 毛坯尺寸下料 . 415.4.2 二次精确下料 . 415.4.3 球瓣的压制 . 415.5 现场装配与焊接 . 425.5.1 施工准备 . 425.5.2 组装准备 . 435.5.3 上下支柱的连接 . 445.5.4 内脚手架、外防护棚的搭设 . 455.5.5 球罐的安装程序 . 45 6 球罐的焊接工艺 . 466.1 焊接工艺评定 . 466.2 焊工资格 . 466.3 施焊环境 . 466.4 焊前准备 . 466.5 焊件的预热 . 476.6 定位焊和工装夹具焊接 . 476.7 焊接工艺的选择 . 476.7.1 焊接方法的选择 . 476.7.2 焊接材料选择 . 476.7.3 坡口设计 . 486.7.4 坡口加工方法及清除 . 496.7.5 焊条的选择 . 496.7.6 焊接工艺参数 . 496.7.7 焊接顺序 . 506.8 焊缝的类型 . 526.9 焊后热处理 . 537 焊件的质量检查 . 557.1 焊缝外观质量检查要求 . 557.2 焊接接头的无损检测 . 557.3 致密性检查，水压试验和气密性试验 . 557.4 结构整体的耐压试验 . 567.5 去锈、涂装 . 567.6 球罐成品验收 . 568 结论 . 59 致 谢 . 59 参考文献 . 60 附录A . 61 附录B . 781绪论1.1 引言随着现代工业生产的迅猛发展，焊接已成为机械制造等行业中一种越来越重要的加工工艺手段。目前，焊接已广泛用于能源、石油化工、航空航天、原子能、海洋、交通等重大工程项目，同时亦遍及工业生产的各个领域。由于石油、化工、石油化工、燃气（液氨、液化石油气）等事业的迅速发展，随之而建造的球罐增长速度很快，1981年我国球罐约1100台，到1985年增加至约1800台，至1996年全国有近5000台球罐，这4年间平均每年建造约400台球罐。迄今为止，我国现有各种球罐已愈万台。球罐建造的增长速度如此之大，是因为人们越来越认识到使用球罐比圆筒形容器更加合理。与同容积的圆筒形容器相比，球罐的表面积最小，受力均匀，在相同直径和工作压力下，其所受内应力最小。同时球罐还具有占地面积小，高度低，底座基础工作量小，所以建造球罐时，可节省钢材，降低成本，因而在各工业领域得到了广泛的应用，在单罐容积大于1000m3仅用材消耗量就比同容积圆筒形容器节省三分之一以上（容积越大越显著），其经济效益显得十分突出。这是当前市场经济中人们十分关注的问题。但是，球罐制造较困难，加工费用高。表现为下料工序较复杂；从冲压到拼装尺寸要求严格；超差变形矫正困难。此外，球罐直径通常较大，如50m3容积的球罐，直径就达到4.6m，已不适于整体常规运输，须在现场组装焊接，而100m3容积的卧（立）式贮罐，则尚可在制造厂中预制。球罐现场组装焊接，施工费用高；施焊条件差；装配尺寸与精度难以保证；器壁拘束度较大，会产生较大的残余应力，甚至诱发裂纹；施工质量受风雨、温度和湿度等环境因素的影响。目前，虽然我国的球罐制造业发展很快，但总体制造水平偏低，某些加工手段及工艺措施还相对保守。但是，其基本制造工艺还是比较稳定的，所以球罐的制造技术应该被广泛的应用，并在原基础上有所突破创新。近年来，在石油、化工、冶金、核电等领域中，球罐得到了广泛应用。例如：球罐被用于储存液化石油气、液化天然气、液氧、液氮、液氢、丙烯、氧气、氮气、液氨、城市煤气、压缩空气等物料；在原子能发电站，球罐被用作核安全壳；在造纸厂被用作蒸煮球等。总之，随着工业的发展，球形容器的使用范围必将越来越广泛。1.2 球罐介绍球罐为大容量、承压的球形储存容器，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器。也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。操作温度一般为-5050，操作压力一般在3 MPa以下。球罐的特点：(1) 球罐的表面积最小，即在相同容量下球罐所需钢材面积最小，一般要比圆筒形容器节约30 %40 %的钢材。(2) 球罐壳板承载能力比圆筒形容器大一倍，即球罐的承载能力最高，在相同直径、相同内压条件下，采用同样钢板时，球形容器所需要壁厚仅为同直径、同材料的圆筒形容器壁厚的1/2（不考虑腐蚀裕度）。(3) 在相同直径情况下，球罐壁内应力最小，而且均匀。由于这些特点，再加上球罐基础简单、受风面小、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发展。其主要缺点是制造施工比较复杂。球罐的结构是多种多样的，根据不同的使用条件（介质、容量、压力湿度）有不同的结构形式。通常按照外观形状、壳体构造和支承方式的不同来分类。（1）按形状分为圆球形和椭球形（2）按壳体层数分为单层壳体和双层壳体（3）按球壳的组合方式分为纯橘瓣式、纯足球瓣式和足球橘瓣混合式（4）按支承结构分为柱式支承和裙式支承，半埋入式支承、高架支承等1.3 国内外研究现状1.3.1 球罐的发展和应用现状早在1910 年美国建造了世界上第一台球罐 ,至今全世界役各类工业球罐约 5万余台,国外主要球罐制造厂商约40 余家,年建造增约500600 台。中国最早建造球罐开始于1958 年。至1990年全国在役各类工业球约2200余台（其中：石油300余台 、化工500余台,石油化工500余台、冶金200余台、城市煤气400余台、其他工业部门300余台 。目前中国球罐制造厂商约20余家，年建球罐增长量约100150台。约占世界球罐建造增长量的1/5至1/4。美国早在1976 年已建成容量为11.88万m3,直径为61m 的核反应堆球形安全壳,设计压力为0.190.24 MPa ,壳体壁厚控制在38 mm以内,这是目前世界上较大容量球罐。我国尚未建造球形安全壳,我国已建成直径为36 m，壁厚为38 mm 的球形封头式的核反应堆安全壳。国产最大容量球雄是由金州重型机器厂于1989年为河南中原化肥厂建造的4000 m3液氨球罐 ,设计压力0.5 MPa，内径20.1，板厚20 mm ,球罐质量274.6 t 。目前我国在役球罐主要参数：容量为5010000 m3，内径为4.6 26.74 ,设计压力为常压至4 MPa，设计温度为-10460 。我国球罐容量1000 m3以下的占总量的90%左右、其中100400 m3球罐占70 % 左右。储存介质为液化石油气、液氨及城市煤气 ，氧气和氮气，乙烯和液氨，液氨，其他介质。球罐材料只要有国产A3F,A3,A3R,20R,Q345B,Q345R,15MnV,15MnVR,15MnVN, 15MnVNR及从国外引进的各种球罐材料，我国球罐选用Q345R为主，约占总量90% ，球罐结构主要采用赤道正切式支承纯正圆单层球罐，约占99%；球壳结构为桔瓣型及足球桔瓣混合型。世界各国在役球罐平均每10年发生23次灾难性爆炸事故，据报道日本70年代球罐事故发生率约为1% 。我国70年代球罐事故统计，其发生率约为2%。80年代全国各部门从1979年吉林液化石油气球罐群爆炸灾难性事故中吸取教训，在国家劳动安全监察部门监督下，对全国 930余台在役旧球罐及1000余台新建投用球罐逐台进行开罐检查及全面修复，历时10年，耗资近3亿元人民币，动用4万人次，80万工日，报废球罐约占总开罐数的10%，返修球罐约占总开罐数的80%从1980年至1990年全国在役2200余台球罐灾难性事故降到0，球罐运行破裂爆炸事故降到0球罐耐压破裂事故 降到1/1000。从而使我国球罐安全性达到世界领先水平。制造球罐的材料要求强度高，塑性特别是冲韧性要好，可焊性及加工工艺性能优良。球罐的焊接、热处理及质量检验技术是保证质量的关键。1.3.2 焊接设备应用现状制造业是一个国家综合经济实力的重要基础，没有强大的制造业就不可能成为经济强国，也难有强大的国防力量。装备制造业是制造业的核心，因为它是为各行各业提供各种装备的产业。随着科学技术的发展， 焊接逐步成为制造业，尤其是装备制造业中的重要加工手段。上世纪90年代末， 美国和德国的专家在对20世纪前20年焊接技术发展前景的预测中认为，到2020年， 焊接仍将是制造业的重要加工工艺，它是一种精确、可靠、低成本，并且是采用高科技连接材料的方法。目前还没有其他方法能够比焊接更为广泛地应用于金属的连接，并对所焊的产品增加更大的附加值，可见，焊接在已经完成工业化的发达国家中仍是一种不可取代的工艺，对于我们这样的发展中国家来说，焊接更是一项蓬勃发展的技术。对于国内，尽管从焊接设备拥有量和焊接材料消耗量来看，我国已经是一个焊接的大国， 但从先进技术应用的深度与广度、焊接自动化率、焊接机器人拥有量、大型复杂焊接系统的自主开发能力、原创性科研成果数量、劳动生产率和生产管理水平等方面看，我国还不是一个焊接的强国。国内以焊接为主要生产工艺的企业，焊接自动化水平相对较低。多数仍然是手工生产或者半自动化生产。同时，国内焊接自动化水平分布不均，自动化程度最高的是汽车制造业，其次是航空航天、车辆和造船业，而大部分中小企业，受到投资成本的限制，对焊接自动化呈现可望而不可及的态度。出现这种现象的根本原因是国内劳动力成本低廉，多个焊工同时焊接一条焊缝，自动化焊接设备的效率并不占有优势，除非要求焊接质量一致性比较高的情况下，不得不采用自动化焊接设备。况且，自动化系统的使用和维护，还提高了操作人员的知识水平的要求以及焊接工件装配精度的要求口。1.3.3 球罐自动化焊接技术的进展我国大型球罐的现场自动焊接，于80年代在石化行业进行了试验性研究，但由于焊接设备与焊丝等问题而延误了该项研究。90年代初随着改革开放球罐建造