1000立方米天然气球罐设计【全套含CAD图纸+文档全套资料】
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机械工程学院毕业设计 1.球罐简介11.1 球罐的特点11.2 球罐的分类12. 总体结构设计方案确定22.1 主要设计参数的确定：22.2设计支柱的结构：33.球壳球瓣结构尺寸计算53.1混合式结构排板的计算：53.1.1符号说明53.1.2赤道板尺寸计算：54.坡口设计125.球壳计算145.1 壁厚的计算与确定14(1). 确定实验压力145.2 压力实验校核155.3 罐体球壳的质量计算与确定：155.4 地震力的计算与确定175.5 风载荷185.6 弯矩的计算195.7 支柱的计算205.8 地脚螺栓计算255.9 支柱底板265.10关于拉杆的计算305.11罐体支柱与球壳间连接处最低点a的应力校核335.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核366. 附件的设置377. 制造及组装407.1 材料要求407.2 罐体球壳板的下料、成型与运输427.3 现场组装437.4 焊接工艺447.5无损检测457.6焊后整体热处理457.7压力试验和气密性试验468. 英文文献翻译48参考文献56谢 辞57引 言 天然气中甲烷占大多数，还有少量其它乙、丙、丁烷等烷烃，天然气被誉为最环保、最安全的绿色燃料之一。天然气的比重比空气还轻，它无毒且不含一氧化碳，燃烧时安全且无污染。天然气的蕴藏丰富，所以天然气逐渐取代煤气、石油等传统能源，这样能很大程度上缓解能源短缺问题并有效减少二氧化碳的排放并缓解全球性的温室效应。我国的天然气分布主要在南部和东部，北部和西部相对稀少，天然气探明可采储量大约在3.1万亿立方米，到2020年，我国天然气累计探明可采量可达6万亿立方米以上，天然气的年产量将从目前的700亿立方米增加到1200亿立方米至1500亿立方米。就天然气的价格而言，目前我国现行的天然气价格普遍在2-3元/立方米，相对于其他能源而言有着一定的价格优势，所以其作为一种新能源具备一定的市场优势，是广大消费者优先选择的能源之一。天然气不会自身爆炸，必须满足一定要求它才会燃烧，就是其在空气中的浓度要达到一定要求后才可燃烧。另外，天然气对人体无危害，因为其中不含类似一氧化碳等有毒物。由于天然气比重比空气轻所以及易扩散，在发生泄漏事故的时候会很快地扩散从而减少爆炸的危险性，这相对于其它燃料更加具有安全性。天然气普遍采用燃气管道运输方式，那样更方便更快捷，省去了运输过程中带来的各种问题，燃气可直接通往每家每户，给居民生活带来极大的方便。天然气不仅环保、价格便宜，其成分简单，相对其它燃料燃烧更彻底，燃烧获得的能量多，燃烧利用率更高，燃烧和运输方便，不需要使用复杂的设备，燃烧后的主要成分是水和二氧化碳，不会产生其它运输不便的废物和废渣，因此节省了大量的人力、物力成本。 V1.球罐简介1.1 球罐的特点 1000立方米天然气球罐为本次的设计任务，与常用的圆筒形容器相比球罐具有以下优势： （1）对比表面积与占地面积方面，球罐都比较小，这就代表在同等条件下球罐的空间要求较小和耗材量较小，这样有利于资源的充分利用。 （2）受力均匀 （3）对于承载能力方面球罐同样占有一定优势，即在材料相同、直径相当、内压相同等情况下，圆筒形容器所需的厚度为球罐容器的2倍，所以球罐容器具有节省材料的优点。 球罐的缺点在于其加工、制造及安装较为复杂。 1.2 球罐的分类 球罐具有复杂多样的结构，一般按照其形状、支承方式和构造不同进行分类，不同的使用条件下（湿度、温度、地震、压力等）具有不一样的形式。（1）根据球罐支承结构分为裙式、柱式、高架、半埋入式支承等 （2）根据球罐球壳的不同组合方式可分为纯足球瓣式球罐、纯橘瓣式球罐和足球橘瓣混合式球罐（3）按球罐的壳体层数分为单层和双层壳体（4）按球罐外形的形状可分为椭球和圆形第 1 页 共 61 页2. 总体结构设计方案确定2.1 主要设计参数的确定： 介质：天然气 球罐内径：D=12300mm 公称容积：V=1000m3 设计温度：40 设计压力：P=1.7MPa 球壳分带数：N=3 支柱根数：F=8 各带球心角/分块数： 上极：112.5/7 赤道：67.6/16 下极：112.5/7 1.极边板 2.极侧板 3.极中板 4.上极 5.赤道带 6.支柱 7.上极 图2-1：混合式排板结构球罐 罐体球壳的内直径约为11981mm，按标准可使用混合式三带排板-根据GB/T17261，可分为上极、下极、赤道带（如上图）,支柱8根，支柱选用材料为钢管。2.2设计支柱的结构：（1）连接方式： 球壳、支柱间根据GB12337采赤道正切式支承的连接方式。 （2）受力特点： 支柱支撑具有受力均匀的特点，它承受着整个容器的重量，而且其设计结构便于施工及组合，也能对罐体进行简单的调整，操作起来极为方便，使用范围很广泛，其弹性范围较大，能够承受较大程度的变形。（3）防火设计： 因为球罐内一般装有易燃气体，为了防范火灾发生时突然情况，在罐体上方应当设计安全通气孔。当遇到火灾时才不至出现由于罐体内的温度及压力升而导致罐体塌陷、支柱断裂及爆炸等危险情况。为了避免火灾的发生，在罐体内表层可以附上一层防火性能较好的防火材料，那样也能有效的防范火灾的发生。（4）附件设计： 球罐设计出了最重要的罐体设计外，其附件的设计也尤为重要，附件的安全及连接性直接影响到整个球罐的性能。常有附件有接管、法兰、盘梯、洒水孔、人孔、压力表及安全阀等等，其设计思路在后文会进行详细讲述。（5）支柱结构： 由于支柱有上述特点，所以在本次设计中可选用U型托板并选取赤道正切的形式。3.球壳球瓣结构尺寸计算3.1混合式结构排板的计算：3.1.1符号说明 R-球罐半径6225 mm -赤道带周向球角22.5 （360/16） N-赤道分瓣数16 (如上图) -极中板球心角44 -赤道带球心角70 -极侧板球心角11 -极边板球心角223.1.2赤道板尺寸计算： = 2001.4 = 7601.4 图2-2赤道板 弧长= =7601.4mm 弦长=2Rsin()=2x6225sin()=7141mm 弧长=cos()=cos=2001.4mm 弦长=2Rcos()sin()=2x6225cos35sin=1989.6mm 弧长=2443.3mm 弦长=2Rsin=2x6225sin(）=2428.9mm 弦长=2R =2x6225x = 7413.0mm弧长=arcsin()=arcsin() = 7936.4mm极板（图2-3）尺寸计算：= 6204.1=7167.1=9731.7 图2-3极板 对角线弧长与弦长最大间距： H= = 1.139mm 弦长=5953.3mm 弧长=arcsin()=arcsin()=6204.1mm 弦长=6204.1=8774.0mm 弧长=arcsin()=arcsin()=9731.7mm 弦长=2Rsin()=2x6225xsin()=6780.8mm 弧长=7167.1mm 1） 极中板（图2-4）尺寸计算：= 4065.2=4663.9=7167.1=6744.0 图2-4 对角线弦长与弧长的最大间距： A=0.979mm 弧长=4778.0mm 弦长=2Rsin()=4663.9mm 弧长=7167.1mm 弦长=2Rsin()=6780.8mm 弦长=6421.9mm 弧长=arcsin()=6744.0mm 弦长=3995.3mm 弧长=arcsin()=4065.2mm 弦长=7563.3mm 弧长=arcsin()=8124.5mm(2） 侧极板（图2-5）尺寸计算：= 1069.6=1194.5=5953.3=6744.0 图2-5 极侧板 弦长=2Rcos()sin()/A=6421.9mm 弧长=arcsin（）=6744.0mm 弦长 =2Rsin()/H=5953.3mm 弧长 =arcsin()=6204.0mm K=2Rsin()cos()/A=3995.3mm 式中 A.H 同前 =arcsin()-arcsin（）=9.85mm 弧长=1194.5mm 弦长=2Rsin()=1193.3mm 弧长=1069.6mm 弦长=6183.5mm 弧长=arcsin()=6467.7mm (3).极边板（图2-6）尺寸计算： = 1107.6=1194.5=6204.1=8005.8 图2-6 极边板 弧长=cos()=8005.8mm 弦长=Rcos()=7210.3mm 弦长=2Rsin()/H=5953.3mm 弧长=arcsin()=6204.1mm 弧长=1194.5mm 弦长=2Rsin()=1193.3mm 式中 =arcsin()=10.2 M=Rsin()/H=8419.2 =90-+arcsin()=97.55 =2 arcsinsin()=64.25 弧长=1107.6mm 弦长=2Rsin()=1106.7mm 弦长=4600.2mm 弧长=arcsin()=4709.4mm 弧长=6977.0mm 弦长=Rsin()=6621.3mm4.坡口设计 坡口设计原则及重要性： 球罐的组装连接大部分主要靠焊接，而焊接环节中坡口的设计尤为重要，所以坡口设计需要合理，其主要依据原则为方便安装，检验容易，而且性价比要高，坡口焊缝处的连接强度一定要满足要求，这样才能保证罐体的稳定性及强度要求。 焊缝系数的确定： 焊缝系数为坡口设计中很重要的因素，因此确定焊缝系数成为很重要的一项任务，现阶段，焊缝系数大都采用=1的结构设计，这样才能满足罐体连接强度要求和其它指标。 影响坡口的各种因素： （1）焊接方法对坡口的影响： 采用自动焊时：视情况而定可采取不同的坡口，这需要看所选用的焊接的具体情况，一一对应来进行。 采用气电垂直自动焊时，这也需要根据焊接的具体情况来选择不同的坡口形式，具体同自动焊一样。 采用手工焊接时：其坡口形式可选择X或者Y型等不对称的坡口形式，具体是焊接情况而定。 （2）罐体球壳材料厚度对坡口的影响： 采用不对称的X型坡口的情况： 在球壳材料厚度较小的情况下，其坡口的立足点要进行反面抛处理，而后才能进行焊接处理，这样才能保证其强度和设计达到所需要求。 采用Y型坡口的情况： 在球壳材料厚度低于30mm的情况下，同时采用手工焊的情况下，这时候一般选择Y型坡口，这样才能保证其结构达到设计要求，才能表现出设计的力学性能要求。 （3）焊缝所在位置对坡口的影响 当焊缝焊接方式采用手工焊接时，同时采用不堆成的X型坡口时，一般情况都把小坡口设计在外侧，一般把全部环峰的坡口放在内侧以及把处于赤道带环峰和上级板上纵缝的坡口放在内侧。反过来的情况，把处于下级带的纵缝、赤道带上的环峰的大坡口放在外侧为宜。 （4）焊接的工艺对坡口的影响下图为X型坡口和Y型坡口的结构和尺寸要素，坡口设计需要根据一定的标准来进行，坡口的三要素也最为重要，它包括间隙、钝边尺寸及角度的大小三个要素，确定此三要素后才能确定坡口的结构尺寸。一般在实际工程应用中常采用的坡口形式为不对称的X型坡口。坡口的设计标准有GB986-1988、 和GB985-1988等等。 图4-1 坡口形式5.球壳计算5.1 壁厚的计算与确定 (1). 确定实验压力 由于本次设计任务中给定的设计压力为1.6MPa 给定任务中的设计温度为 40 1.6 + H*g*10-6 根据上式可求出试验压力为 1.76MPa(2).球罐壳壁的厚度计算 球罐的壳体材经上面选定为1Gr17 此材料的抗拉强度为b=450MPa 此材料的许用应力为t=150MPa.（常温条件下） 此材料的焊缝系数可选取为：=1.01（P110） 此材料的腐蚀裕量可选定为C=2mm 此材料的厚度负偏差可知为C=0mm， 所以其厚度附加量可得： C=C+C=2mm.（） 可得液柱的高度H为： H=K1R=1.6084*6225=9960mm 可得液体的静压力为： P=gH = 6225*9.8*9960*10-9 =0.061MP 可得计算压力为 Pc = 1.76+0.061 = 1.821MP 综上所述可求得罐体球壳壁厚为：=38mm 1=35.2 + 2 = 37.2mm 圆整后得=38mm5.2 压力实验校核 计算水压条件下试验压力值 有上面式中：P=1.7MPa 可得：=157MPa进行压力试验前需要对球壳的应力进行校核： 罐体球壳的有效厚度必须满足以下几个条件应满足： 在进行液压试验时，； 在上式中得：球壳材料的常温屈服点为305，此值是在常温条件情况下查表所得。 可查表知焊缝系数为1.0可得液压试验压力为188.2MPa综上所述可得校核结果为合格，满足设计要求。5.3 罐体球壳的质量计算与确定： 平均直径计算式： D=12450+42=12492mm 罐体球壳计算式： M1 =D2* 可得球壳质量=3.14*124922x38 x10-9x7900Kg/m3 162.6 (吨) 然气满载情况下质量计算（实际情况按90%计算）： M2 = 1000 x 714kg/m3 x10-9x 0.9 642.6(吨) 进行液体压力实验时液体的重量计算式： M3=1000*1000Kg/m3 *0.9=900吨 雪压的质量计算式：M4=（/4g）D2 qCs*10-6= 4.55(吨) 保温层的计算质量式： M5=(D+ t)2 可得t*10-9 +400 = 1.5吨 支柱质量与拉杆质量的总和： M6=11.103吨 罐体中附件的质量总和确定： M7=9.750吨 处于工作条件下的球罐质量计算式： M0 = M1+M2+M4+M5 +M7=740.8吨 进行液压工作状况下的球罐质量： Mf = M1+ M3+ M6+M7 = 1083.5吨 满足条件下球罐所需的最小质量确定式： Mmin = M1+M6+M7=183.45吨 球罐单根支柱所受的均布静载荷计算式： G0 = = = 907480N 罐体处于液压试验状况下的计算式： 进行液压实验时罐内液体的质量计算： M3=1000*1000Kg/m3 *0.9=900吨 Mt = M1+M3+M6+M7 Gt = = = 1327吨5.4 地震力的计算与确定(1). 罐体所受的地震水平方向载荷 拉杆对地震力的影响系数的确定式： = 1 ()2 (3-) = 1- ()2 (3-) = 0.384 中心位置处单位力对水平方向位移的影响： v = *103 =0.384*103 = 2.3*10-8(2).基本自震周期的确定 T= 2 = 0.82 S 表5-1 地震影响系数的最大值max 本次天然气球罐设计中取常用的地震烈度7度，有上表可知道其影响系数最大可取0.23，这样就能确定地震力对整个球罐设计的影响。 可得地震力影响系数为：= ()0.9max = 0.093(3).地震水平力大小的确定 有地震水平力的计算公式可得： Qz = Czm0g = 0.45*0.093*740800*9.8 = 303824N5.5 风载荷 下图为风载荷的风压高度变化系数表和动载系数表，通过图表4-9可以很清楚的反应不同高度在不同地面粗造度的情况下的变化系数，通过图表4-10可以很直接的反应不同自震周期下的动载系数，这样就能确定不同情况下风载荷对球罐的影响。 表5-2 风压高度变化系数f1 表5-3动载系数 球罐罐体基本风压值为： q0 = 600N/m2 风压值高度变化系数的确定： 查表4-9，f1 = 1.00, 动载荷系数的确定： 查表4-10，= 1.58， 风振系数的确定 k2 = 1+m=1.553 计算水平风力： Qf = (D0 + 2t)2 k1k2q0f1f2*10-8 =*3.14*(12450 + 2*65)2 0.4*1.553*600*1.0*1.1*10-6 = 50933N Qz Qf 计算水平载荷的大徐爱 F = Qz = 303824N5.6 弯矩的计算 由弯矩计算式： M=FL2 = 303824* 2500 = 7.6108 N*mm 弯矩对各支柱产生的垂直力 Fi = = Fa = = 30522N Fb = = 21579N Fc = = 0N 由剪切力形成的支柱的垂直载荷： 如图4-8所示， 水平力F的方向为A向，拉杆构架的方为角AB =22.5， AC=67.5 于是有： Cij = Cab = = 33555N Cbc = =80410N Tijmax = = = 91009.5N5.7 支柱的计算(1).单个支柱的垂直载荷 i.支柱的重力载荷处于工作状态下的重力载荷： 处于液压试验情况下的重力载荷： ii.支柱的垂直最大载荷 支柱中心圆半径：最大弯矩对支柱产生的垂直载荷的最大值(按GB 12337-1998表19计算) ： 拉杆作用在支柱上的垂直载荷的最大值(按GB 12337-1998表19计算)： 上面二力相加的最大值为(按GB 12337-1998表计算)： (2).组合载荷的计算 工作状态下支柱所受最大垂直载荷： 进行液压试验时支柱所受最大垂直载荷： (3).单个支柱弯矩 i.偏心弯矩 处于工作条件时赤道线的液柱所在高度： 处于液压试验条件下赤道线的液柱所在高度： 处于工作条件下物料在赤道线上的液柱静压力： 处于液压试验条件下液体在赤道线上的液柱静压力： =0.06MPa 罐体球壳的有效厚度： 处于工作条件下的球壳赤道线上的薄膜应力， 处于液压试验条件下罐体球壳赤道线上的薄膜应力， 罐体球壳的内半径： 罐体球壳材料的泊松比： 罐体球壳材料16MnR的弹性模量： 查表： 工作条件下支柱所受的偏心弯矩： 处于液压试验情况下支柱所受的偏心弯矩：ii.附加弯矩的计算 处于工作状态时支柱所受的附加弯矩： 处于液压试验条件下支柱所受的附加弯矩： iii.总弯矩 处于工作条件下支柱所受总弯矩的计算： 处于液压试验条件下支柱所受的总弯矩计算： (4).支柱稳定性校核 长度系数的确定: 每一根支柱所在的横截面积： 支柱的惯性半径计算式： 支柱长细比的计算式： 上式中的长度系数为1 支柱材料16MnR钢的常温屈服点: 支柱换算长细比的确定： 其中 系数： 位于弯矩作用所在平面内的轴心处所受压力的支柱稳定系数： =0.808 支柱的等效弯矩系数： 支柱的截面塑性发展系数： 每一根支柱的截面系数， 欧拉临界力： 支柱所选材料的许用应力： 工作条件操下对支柱的稳定性校核： 进行液压试验条件下对于支柱的稳定性校核： 综合上述内容可得结论： 球罐的支柱稳定性校核满足要求。5.8 地脚螺栓计算(1).罐体支柱所受拉杆上的水平力 拉杆和支柱间的夹角： 拉杆作用在支柱上的水平力： (2).支柱底板与基础的摩擦力 支柱地板与基础的摩擦系数的确定： 支柱底板与基础的摩擦力的计算： (3).地脚螺栓的选取由于，所以设计时必须对设置地脚螺栓才能满足球罐的设计要求。 每一个支柱上的地脚螺栓的数目 : 地脚螺栓所采用的材料: 地脚螺栓材料的许用剪切应力: 地脚螺栓的螺纹小径: 综合上述可得结论： 可选取型号为M36的地脚螺栓。5.9 支柱底板 球罐的支座形式和结构相对多，其相关的设计与计算也较为复杂，是因为支座对于整个罐体是相对重要的部件，是用来支撑整个罐体重量和储存在罐体的物料重量的部件，其关键到真个罐体的强度和设计要求，其重要性可想而知。 支柱的形式多种多样，按其支撑方式主要可以分成柱式与裙式支撑两类，除此之外还有很多其它的支撑形式，比如还有此外，还有锥底支撑、三桩合一型柱式支撑、V型柱式支撑、可胀缩的支撑三桩合一型柱式支撑、半埋式支撑等等。 关于赤道正切柱式的支座结构设计用赤道正切柱式作为支座的结构需要保证一定的强度性与稳定性，需要能承受住球罐所受的各种形式和一定大小的载荷，那样才能满足球罐整体的设计要求。 关于拉杆的结构：球罐的拉杆的设计是为了增强球罐整个的稳定程度而设定的，其栏杆的结构一般可以分成可调式与固定形式，拉杆是作为承受风载荷与地震载荷作用力而存在的重要组成部件。现阶段我国自主研发和建造的球罐与从国外引进的先进球罐的拉杆结构大都同样采用可调式形式，本次的球罐拉杆也同样采用可调式拉杆结构，其拉杆层数为单层结构，如下图所示结构：d0 = 526d1=506L=8000N = 8 = 30 图5-1 单层交叉可调式拉杆 1 -支柱 2 - 支耳 3 长拉杆 4 调节螺母 5 段拉杆 支柱的外直径大小为： d0 = 526mm； 支柱的内直径大小为： d1=506mm支柱的计算长度大小为： L=8000mm支柱的金属横截面积的大小为 ： A=648096mm2支柱的横截面的惯性矩大小为： (d04-d14) = 5.4*108mm4基本雪压值q大小为： 550N/m2支柱所选的材料为： 支柱所选材料的屈服极限s查表为： 235Mpa支柱的数目n为: 8 根 图5-2 支柱与底板简图(1).支柱底板直径 基础采用钢筋混凝土，其许用应力： 地脚螺栓直径：d=36mm选取底板直径:(2).底板厚度 确定底板的压应力大小： 底板外边缘至支柱外表面的距离： 底板材料为Q235-B，其常温屈服点的确定： 底板材料的许用弯曲应力大小为： 底板的腐蚀裕量数值的确定，一般为： 支柱底板的厚度大小为： 综上所述可圆整得地板的厚度大小为： 5.10关于拉杆的计算(1).拉杆螺纹小径的计算 确定拉杆的最大拉力的公式： 上式中，拉杆和支柱间的夹角 。 拉杆所采用的材料为20钢管，其常温屈服点大小查表得： 拉杆材料的许用应力： 关于拉杆的腐蚀裕量，查表一般可确定其大小 ： 拉杆螺纹小径大小的确定式： 综上所述：可选择选拉杆的螺纹公称直径为： M48.(2).拉杆连接部位的计算 i.销子直径 确定销子直径的大小： 确定销子的屈服轻度： 由于销子的材料为35号钢，查表可得销子的屈服强度为： 销子所选材料的许用剪切应力大小的计算式： 销子直径大小的计算式： 圆整后可确定销子直径大小为: ii.耳板厚度 耳板所选用的材料为Q235-B，其屈服强度大小查表得： 耳板所选用材料的许用压应力计算式： 耳板厚度大小的计算式: 综上所述：圆整后可确定耳板的厚度大小为18mm。 iii.翼板厚度 由于翼板所选用的材料为Q235-B，查表可得其屈服强度大小为： 由翼板厚度计算式可确定其大小为： 综上所述：圆整后可确定翼板厚度的大小为11mm. iv.连接部位的焊缝强度校核 下图为罐体支柱与球壳之间的结构图，罐体支柱与拉杆之间的结构图以及罐体支柱底座的结构图等。 图5-3 支柱与耳板、翼板的连接 支柱和耳板之间的焊缝处A所受的剪切应力大小的确定： 焊缝A的单边长度大小为： 焊缝A的焊脚尺寸大小为: 罐体支柱或者耳板材料屈服点的较小值: 角焊缝系数大小为: 焊缝的许用剪切应力大小为： 支柱与耳板连接处的焊缝A的剪切应力校核公式: 支柱和耳板之间的焊缝处B所受的剪切应力大小的确定: 焊缝B的单边长度大小为: 焊缝B的焊脚尺寸大小为: 罐体拉杆或者翼板所选用的材料屈服点的较小值: 焊缝处的许用剪切应力大小为: 罐体翼板与拉杆连接处的焊缝B的剪切应力校核公式： 5.11罐体支柱与球壳间连接处最低点a的应力校核 图 5-4 支柱与球壳连接处图中a点一定要进行应力校核，现在主要的校核依据为GB12337-90中关于a点的应力计算式来计算其应力大小，因为此点a处为球壳与支柱连接较弱的部分，为了保证整个罐体的强度达到设计要求，这一个应力校核环节也显得尤为重要。(1).支柱与球壳连接处最低点a的剪切应力 罐体支柱与球壳的连接处焊缝单边的弧长大小为: 罐体球壳处a点的有效厚度大小为: 处于工作条件下a处所受的剪切应力大小为: 处于液压试验条件下a处所受的剪切应力大小为: (2). 支柱与球壳连接处最低点a的纬向应力 处于工作条件下a点处的液柱高度为： 处于液压试验条件下物料在a点处的液柱高度为： 处于工作条件下物料在a处所受的液柱静压力大小： 处于液压试验条件下液体（水）在a处所受的液柱静压力大小为： 处于工作条件下a点所受的纬向应力大小： 处于液压条件状态下a处所受的纬向应力大小为： (3). 最低点a处的应力校核 工作条件下a点所受的组合应力计算式： 进行液压试验条件下a处所受的组合应力计算式： 对a处进行应力校核: 综上所述：最低点a处的组合应力达到要求，应力校核合格。5.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核 罐体支柱与球壳的连接处焊缝所承受的剪切应力大小的确定： 取和两者之中的较大值： 故取剪切应力大小： 罐体支柱与球壳连接处焊缝的焊脚尺寸大小确定： 罐体支柱与球壳连接处焊缝所受的剪切应力大小计算式： 根据支柱或者球壳所选材料，查表可得其屈服点的较小值为: 焊缝处所受的许用剪切应力大小为： 对其应力进行校核： 综上所述：应力校核通过，满足要求。6. 附件的设置 球罐设计中很重要的一个环节还有附件设计，附件包含的部件相对较多，其大致包括液位计、温度计、温度计、安全阀、压力表及紧急切断阀等等。其中比较重要的要属安全附件，安全附件的设计和选择有一定的要求并有一定的选择依据，大致设计思路分别有： 压力表的选择： 依据选取压力表的相关规定可选择压力表的型号和规格为： 型号：YA-150 压力表承压范围：04MPa 其压力表的精度确定为1.5级。 温度计的选择与确定： 温度计分为上温度计和下温度计两个部分， 根据相关规矩可选取的温度计型号为： 型号为：温度计WS-71 插入深度：250。 液位计的选择与确定： 在球罐的设计中，为了预防和避免事故的发生，在设计中一定要设计现场液位计和远传液位计，同时液位计中也要设置高低位报警与带联锁的高液位报警装置，那样才能达到所需要求。由于液位计的直径相对较大，而且液位计的规格也有一定选择要求，根据相关选择依据和设计要求，本次选定了练个功型号的液位计来满足设计需求。 型号：HG/T21584-199， 形式：磁性液位计。 型号：UZ4.0M-6000-0.6AF304/A 形式：现场液位计。 安全阀的选择与确定： 安全阀为安全附件重比较重要的附件之一，同时因为介质的缘故，其必须保证每一个安全阀都能同时达到发生事故条件下的最大泄放量之上。 型号：CA42F-25安全阀DN150 开启压力：1.7MPa 数量：2个。 其相关数据的具体计算为： 其容器二安全泄放量（WSI）， 式中：为天然气密度0.65kg/ V为天然气进口管的流速30m/s D为压力容器进口管内径100mm 单个DN100安全阀排气能力， ：整定压力 ：出口侧压力 ：排放压力（绝压） ：气体绝热系数，查表得：k= C：气体特征系数，查表：C=348 K：排放系数，按全启式安全阀取K=0.65 A：安全阀最小排气截面积， ：安全阀喉径，DN100喉径为65mm M：气体摩尔质量，M=24kg/kmol T：气体温度，T=273+40=313K Z：气体在操作温度压力下的压缩系数取1.0 综上所述得： 两个型号为DN100的安全阀可以达到设计要求。 接地板的设计： 接地板的材料选取： 按相关设计要求可选取材料为1Cr18Ni9。 接地电阻大小：10 操作方式：梯子平台式现场操作 7 制造及组装7.1 材料要求 对于所有原材料进行检验： 材料制造厂一定要按照相关技术要接并结合图纸对制造过程中所使用的钢板及其它材料都进行一个全面的检测，这样才能保证设计和制造出来的产品符合要求，否则一切设计都是徒劳。检验过程有一定的依据，最重要的是先要根据当初材料的使用状态和现阶段进厂的刚才状态是否保持一致，如果对比情况下使用状态是一致的则后续要根据相关的技术指标对钢材进行一些化学的或者物理的性能方面检测，包含的检测方面大致有以下几点： （1）对其化学成分进行检测。 （2）进行拉伸性能试验。 （3）进行弯曲性能试验。 （4）进行冲击性能试验。 （5）对其尺寸及外观进行仔细检查。 （6）采用超声波对其进行探伤检查。 ( 7) 进行其它相关技术要求的规定材料检验。 每当钢板材料检验之后符合相关设计和制造要求的，需要在该材料上做一定的可识别的标志，那样才能很方便的在日后供工作人员考察。同时，如果有确切的证明材料达到设计和制造要求的，那么上述的要求可以不检验或者做部分的抽检。 瓣片成型的方法 球壳板的瓣片设计要求必须考虑每次设备的材料厚度、曲率半径、强度、材料种类及设备的能力等等很多方面的因素，瓣片成型法具体情况是钢板材料通过冲压机的冲压而形成一定的形状来满足设计要求的方法，其方法较为成熟且简便，本次的球罐设备设计根据要求选择常用的温压成型法。这种成型法可以有效的防止一些材料所产生的相对地应力脆性的破坏，此种方法同时还可以解决工厂内压机的加工能力缺陷，因为通过加热的方式可以使材料的屈服极限有所降低。温压与冷压相比较有很多优势，冷压加热时间较长，氧化皮较多，而温压相比之下有加热时间较短，氧化皮较少等等许多长处。温压与冷压相比没有脆性破坏的危险，温压成型的条件选择很重要，其处于热压与冷压之间，所以其成型时的温度控制和时间长短控制较为严格，这样才能保证在后续的加工中达到所要的成型温度及热处理效果。本次球罐瓣片要考虑所使用的材料在此次时间段内会不会导致性能降至达不到设计要求，而且要把预计的焊后热处理时间与成型的保温时间总和起来，同时也要限制温度，限制标准是处于焊后热处理温度之后。在这个时候也要注意不能大幅度降低材料的韧性，这就要求必须仔细注意并观察材料的脆化效用情况。 瓣片的放样及坡口加工： （1)瓣片的放样： 由于球壳表面构造为双曲面，就其构造而言达不到在平面精确展开的要求，现阶段我国采用二次立体下料法比较多。所谓二次立体下料法就是首先按照近似展开进行初步的下料，等待压制成型之后，然后再进行二次下料，下料方式也必须是立体下料。 （2）坡口的加工 各球瓣的焊接坡口加工，加工时可以多种方法相结合进行，但是必须首先等球瓣成型之后方可加工，或者也可以和瓣片第二次下料一起进行。同时坡口加工也可单独采用机械加工及火焰切割等方法，其中的火焰切割在切割后必须采用辅助方法例如打磨或者其它方法来消除切割所产生的热影响区，同时，采用火焰切割方法切割时为了有效避免裂纹的发生还要对厚度比较大或者强度比较高的钢材进行预热。 坡口加工相对于其它加工方式有很多优点，例如它不会造成局部变形和硬化也不会在坡口的表面产生氧化皮，这比火焰切割等方式要更有优势，所以此坡口加工方式是最好的机械加工方法之一。同时加工后的坡口表面应当涂上一层防护层，这样才能在后续过程中即不影响焊接效果又能直接进行施焊，现今已经有预防坡口生锈的专门性涂层了，最后在坡口的加工完成之后要进行全方位且细致的检查，以保证坡口没有分层等致命的缺陷。 瓣片的测量 球瓣的尺寸已经有设计图纸上给定了，这已经是比较精确的尺寸了。成型时要做一系列的检测，例如要做对角线的尺寸检测、瓣片曲率检测及瓣片四边弦长检测，这些检测都能为以后检查相关尺寸留下依据。精确尺寸。这些检测都有一定的要求，必须按照相关长度尺寸标准及曲率标准进行设计，同时需保证弦长不低于1米，也需要采用内侧样板的形式，这样才能满足要求。7.2 罐体球壳板的下料、成型与运输 （1）对球壳所使用的材料做可识别的标记，同时制作关于下料工序的示意图； （2）用水压机对材料进行冷压成型法，严格检查并剔除有皱边及包边等不良情况的材料，同时检查并保证任意间隙低于2毫米。 (3）按照要求标识可识别的切割线，切割线形式要按照二次样板来进行划分，切割时要严格按照切割线所示方向进行切割，那样切割出来的球壳才可以，切割出来的表面一定要保证一定的要求，即平面度B1.0mm，粗糙度25un，同时也必须保证切割表面要有一定光滑度，不能够太粗糙。加工后的坡口一定不能有分层、夹渣、裂纹等明显的缺陷。 (4)按照JB/T4730-2005标准III对每一块球壳的坡口附近周边一定范围内（大约100mm）进行全方位仔细的检查，以确保达到要求。 (6）按照要求对其对角线的公差、宽度和长度方向的弦长公差做一个全面的仔细的检查方可。 (7）在一定范围内对一定不问涂抹可焊性涂料： 这些范围大致为坡口的表面与机器内、外表面50mm范围。 (8）在对罐体的球壳板进行运输时，为了保证球壳板在此过程中不会变形，需要为其量身定制便于运输过程中保护的包装架，这必须依据球壳球片的曲率来进行一一对应的设计。7.3 现场组装(1).检验主要尺寸标志是否清晰并确定各零件数目。(2).对定位块进行组焊：为了保证所有定位块的对应于调整卡工具的方便使用，在焊前就必须画出所在的焊接位置线，而且定位块允许有一定的偏差，定位块须在球壳板吊装前焊接完成。在允许范围之内，为了稳定并加固伞形架，可以加钢丝绳或者型钢来进行必要的固定。（3）球罐赤道板插入法： i.为了确保赤道板处在同一个水平度上面，在进行安装工作之前就应该划好中心线，那样才能有所保证。可以使用钢丝绳来吊装赤道板，此赤道板带有支柱，这样能准确定位，可以让底板中心线与座板的中心线一一相对应。为了防止倾倒，可以采用临时的加固方法，就是采用加装处在柱间拉杆的形式，这样才方便控制垂直度来达到要求。 ii.吊装其它赤道板，安装组装夹具进行固定，根据球壳板复检计算调整间隙、错边、棱角度、端口水平度。 iii.等到组对成环完成后，依据相关规定与方法对其进行适当的检验与改正，着重在于上环扣与下环扣椭圆度、周长的调适，为了更便于上极带与下极带间进行组装，同时在支柱下端用仪器测得水准线，从而便于对赤道线的水平度进行一个调整。（4）进行上极带板组装步骤等待上极带板到达相关位置的情况下，用相关夹具使赤道带的上端与板壳的上端进行连接，将伞形架挂在壳板下端来调节下口直接和球台的高度，等到组装过程完成之后才拆掉。（5）进行下极带板的组装步骤 等待下极板到达相关位置的情况下，用相关夹具使赤道带的下端与板壳的下端进行连接，将伞形架挂在壳板下端来调节下口直接和球台的高度，等到组装过程完成之后才拆掉。7.4 焊接工艺 （1）关于焊接的方法选择 在工程实际应用中最常用的焊接方法主要有埋弧焊和焊条电弧焊 （2）关于坡口的制作 首先进行预热，将各个口边加热至一千五百摄氏度以上，进行热切割所在的边缘必须要检测表面是不是有裂纹存在，可以采用常用的磁粉探伤形式，同时加工时也要采用机械加工的方法为宜。在坡口加工后应涂上防护层， 焊接前也要适当清除氧化皮和熔渣，然后要使之圆滑，要达到这样的要求可以继续使用砂轮机进行进一步打磨处理，最后要清理表面，避免有油渍等情况的发生。7.5无损检测 按相关技术和标准要求必须对焊后的焊缝进行无损检测，要进行的检测有超声检测、射线检测与磁粉检测，检测范围都是全范围检测，其中检测的标准有所不同，超声检测依据的是JB/T4730-2005，检测级别为I级方达到要求，射线和磁粉的检测依据是JB/T4730-2005，检测级别为II级方达到要求。磁粉检测的检测范围是所有焊缝，要进行百分之20的磁粉检测，检测时间须在水压试验完成之后方可。7.6焊后整体热处理 为了提高接头的整体力学性能，尤其是为了提高整体结构的抗应力腐蚀与抗脆性断裂能力，要在焊后进行热处理，这样才能达到上述要求。这样做不仅能提高接头性能、塑型及断裂韧性，还能够很好的稳定其结构与尺寸，从而能有效延缓裂纹的发生。 按照国家相关标准规定，本次设计之后要进行消氢处理。 图7-1 1000立方米球罐的焊后热处理工艺图 现在使用较多的焊后热处理方法为安全电加热法与燃油法。以内燃法为主，电加热方法进行辅助加热的方法来保证达到所需效果。同时对结构也做了一些调整，在罐体外面附加了保温层，以此确保在加热时均匀加热。 材料的提供： 各六块性质相同的材料，凑成三队，各种焊接形式各一对。 试板要求： 其焊接工艺依据相关要求进行，焊接需进过检查，要按相关标准进行检测，并符合一定标准方法合格，同时也要进行热处理及机械性能试验，其检测标准是JB/T4730-2005，达到RT II级，UT I 级即可，检测范围和方式为100%RT+100%UT检测。 7.7压力试验和气密性试验 （1）压力实验： 进行压力实验时，要在罐体内充满洁净的温度为5 以上的水，这样就能排除气体的影响，整个过程要使得罐体外部干燥。要在罐的顶部与底部都安装一个压力表，其精度必须大于1.5级，其表盘的直径需为150mm，同时它的量程要在04MPa。进行水压试验时，应使其压力的一般保持一刻钟，实验压力为2.13MPa，其压力数值以灌顶的数值为标准。同时要检测各个部分有没有泄漏的情况，当每一处都没有泄漏之后继续加压，当压力升到百分之九十后又保持半个小时，然后降压至设计压力再进行漏检，无漏则为合格。至此实验完毕。 （2）气密性实验 实验需要压力表，压力表的精度、表盘直径及量程等数据同压力实验的一致，它所需要的还有温度为15空气，实验压力为，所需要的空气必须是干燥的洁净的。 试验要求：进行气密性试验时，充气使得压力值慢慢的上升，等到压力升到实验所定压力的一般之后保持这个压力十分钟，然后对所有的连接部分及焊缝等特殊部位进行漏检，如果没有泄漏的情况下继续上升压力。 等到压力上升到给定试验压力时，使这种情况持续10分钟，检查过后如果确定没有渗漏则视为气密性满足要求。 8. 英文文献翻译 The use and introduction of the heat exchangerA heat exchanger is a device built for efficient heat transfer from one medium to another, whether the media are separated by a solid wall so that they never mix, or the media are in direct contact. They are widely used in space heating, refrigeration, air conditioning, power plants, chemical plants, petrochemical plants, petroleum refineries, and natural gas processing. One common example of a heat exchanger is the radiator in a car, in which the heat source, being a hot engine-cooling fluid, water, transfers heat to air flowing through the radiator . Heat exchangers may be classified according to their flow arrangement. In parallel-flow heat exchangers, the two fluids enter the exchanger at the same end, and travel in parallel to one another to the other side. In counter-flow heat exchangers the fluids enter the exchanger from opposite ends. The counter current design is most efficient, in that it can transfer the most heat from the heat (transfer) medium. See countercurrent exchange. In a cross-flow heat exchanger, the fluids travel roughly perpendicular to one another through the exchanger.For efficiency, heat exchangers are designed to maximize the surface area of the wall between the two fluids, while minimizing resistance to fluid flow through the exchanger. The exchangers performance can also be affected by the addition of fins or corrugations in one or both directions, which increase surface area and may channel fluid flow or induce turbulence.The driving temperature across the heat transfer surface varies with position, but an appropriate mean temperature can be defined. In most simple systems this is the log mean temperature difference (LMTD). Sometimes direct knowledge of the LMTD is not available and the NTU method is used. Shell and tube heat exchangerShell and tube heat exchangers consist of a series of tubes. One set of these tubes contains the fluid that must be either heated or cooled. The second fluid runs over the tubes that are being heated or cooled so that it can either provide the heat or absorb the heat required. A set of tubes is called the tube bundle and can be made up of several types of tubes: plain, longitudinally finned, etc. Shell and Tube heat exchangers are typically used for high pressure applications (with pressures greater than 30 bar and temperatures greater than 260C. This is because the shell and tube heat exchangers are robust due to their shape.There are several thermal design features that are to be taken into account when designing the tubes in the shell and tube heat exchangers. These include: Tube diameter: Using a small tube diameter makes the heat exchanger both economical and compact. However, it is more likely for the heat exchanger to foul up faster and the small size makes mechanical cleaning of the fouling difficult. To prevail over the fouling and cleaning problems, larger tube diameters can be used. Thus to determine the tube diameter, the available space, cost and the fouling nature of the fluids must be considered. Tube thickness: The thickness of the wall of the tubes is usually determined to ensure: o There is enough room for corrosion o That flow-induced vibration has resistance o Axial strength o Ability to easily stock spare parts costSometimes the wall thickness is determined by the maximum pressure differential across the wall. Tube length: heat exchangers are usually cheaper when they have a smaller shell diameter and a long tube length. Thus, typically there is an aim to make the heat exchanger as long as possible. However, there are many limitations for this, including the space available at the site where it is going to be used and the need to ensure that there are tubes available in lengths that are twice the required length (so that the tubes can be withdrawn and replaced). Also, it has to be remembered that long, thin tubes are difficult to take out and replace. Tube pitch: when designing the tubes, it is practical to ensure that the tube pitch (i.e., the centre-centre distance of adjoining tubes) is not less than 1.25 times the tubes outside diameter Tube corrugation: this type of tubes, mainly used for the inner tubes, increases the turbulence of the fluids and the effect is very important in the heat transfer giving a better performance. Plate heat exchangerAnother type of heat exchanger is the plate heat exchanger. One is composed of multiple, thin, slightly-separated plates that have very large surface areas and fluid flow passages for heat transfer. This stacked-plate arrangement can be more effective, in a given space, than the shell and tube heat exchanger. Advances in gasket and brazing technology have made the plate-type heat exchanger increasingly practical. In HVAC applications, large heat exchangers of this type are called plate-and-frame; when used in open loops, these heat exchangers are normally of the gasketed type to allow periodic disassembly, cleaning, and inspection. There are many types of permanently-bonded plate heat exchangers, such as dip-brazed and vacuum-brazed plate varieties, and they are often specified for closed-loop applications such as refrigeration. Plate heat exchangers also differ in the types of plates that are used, and in the configurations of those plates. Some plates may be stamped with chevron or other patterns, where others may have machined fins and/or grooves.Regenerative heat exchangerA third type of heat exchanger is the regenerative heat exchanger. In this, the heat (heat medium) from a process is used to warm the fluids to be used in the process, and the same type of fluid is used either side of the heat exchanger (these heat exchangers can be either plate-and-frame or shell-and-tube construction). These exchangers are used only for gases and not for liquids. The major factor for this is the heat capacity of the heat transfer matrix. Also see: Countercurrent exchange, Regenerator, EconomizerAdiabatic wheel heat exchangerA fourth type of heat exchanger uses an intermediate fluid or solid store to hold heat, which is then moved to the other side of the heat exchanger to be released. Two examples of this are adiabatic wheels, which consist of a large wheel with fine threads rotating through the hot and cold fluids, and fluid heat exchangers. This type is used when it is acceptable for a small amount of mixing to occur between the two streams. See also: Air preheater.Plate Fin heat exchangerThis type heat exchanger uses sandwiched passages containing fins to increase the effectivity of the unit. The designs include crossflow and counterflow coupled with various fin configurations such as straight fins, offset fins and wavy fins.Fluid heat exchangersThis is a heat exchanger with a gas passing upwards through a shower of fluid (often water), and the fluid is then taken elsewhere before being cooled. This is commonly used for cooling gases whilst also removing certain impurities, thus solving two problems at once. It is widely used in espresso machines as an energy-saving method of cooling super-heated water to be used in the extraction of espresso.Dynamic scraped surface heat exchangerAnother type of heat exchanger is called dynamic heat exchanger or scraped-surface heat exchanger. This is mainly used for heating or cooling with high-viscosity products, crystallization processes, evaporation and high-fouling applications. Long running times are achieved due to the continuous scraping of the surface, thus avoiding fouling and achieving a sustainable heat transfer rate during the process.The formula used for this will be Q=A*U*LMTD, whereby Q= heat transfer rate.Phase-change heat exchangersIn addition to heating up or cooling down fluids in just a single phase, heat exchangers can be used either to heat a liquid to evaporate (or boil) it or used as condensers to cool a vapor and condense it to a liquid. In chemical plants and refineries, reboilers used to heat incoming feed for distillation towers are often heat exchangers. Distillation set-ups typically use condensers to condense distillate vapors back into liquid.Power plants which have steam-driven turbines commonly use heat exchangers to boil water into steam. Heat exchangers or similar units for producing steam from water are often called boilers or steam generators.In the nuclear power plants called pressurized water reactors, special large heat exchangers which pass heat from the primary (reactor plant) system to the secondary (steam plant) system, producing steam from water in the process, are called steam generators. All fossil-fueled and nuclear power plants using steam-driven turbines have surface condensers to convert the exhaust steam from the turbines into condensate (water) for re-use. In order to conserve energy and cooling capacity in chemical and other plants, regenerative heat exchangers can be used to transfer heat from one stream that needs to be cooled to another stream that needs to be heated, such as distillate cooling and reboiler feed pre-heating.This term can also refer to heat exchangers that contain a material within their structure that has a change of phase. This is usually a solid to liquid phase due to the small volume difference between these states. This change of phase effectively acts as a buffer because it occurs at a constant temperature but still allows for the heat exchanger to accept additional heat. One example where this has been investigated is for use in high power aircraft electronics 换热器的使用和介绍 换热器是一种热量从一种介质流向另一种介质的高效换热设备，两种介质之间相隔一隔离板，使两者不混合，或两种介质直接接触。换热器产品广泛的应用于空间供暖，制冷，空调，发电厂，化工厂，化工厂，炼油厂以及天然气加工等等。其中换热器的一个非常常见的例子就是汽车散热器，它的热源存在热的发动机，其冷却液为水，它流过散热器从而将热量传递给空气。换热器的分类可以根据其流动方式来。可分为平行流换热器和逆流换热器。平行流换热器：两种流体在同一端进入热交换器，在互相平行的另一边流出。逆流换热器：其中的流体分别从换热器的两端进入。两种换热器中逆流的设计是最有效的，因为它可以从最快地让传热介质转让。在叉流换热器，流体流向大致相互垂直的通过一个交换机。为了提高效率，可以将换热器最大限度地增大两种流体之间的墙的面积，同时最大限度地减少流体流动的阻力。换热器的性能，也可以通过在一个或两个方向影响，增加表面积和可流动或引起动荡。驱动其温度在传热表面不同的位置，但需要一个适当的平均温度来定义。最简单的方法就是对数平均温差（法）。有时的对数平均温差直接的结果是不可用的，需要用NTU法。管壳式换热器 管壳式换热器由一系列的管组成。一套包含这些管的流体要么加热或冷却。而第二流体运行在正在加热或冷却的流体周围，以便于它可以提供的热量或吸收的热量所需的管。一套管称为管束，管的几种类型有：平，纵肋等等。管壳式换热器一般用于高压和高温的环境。.这是因为管壳式换热器强大的结构
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