10000立球罐设计说明(共55页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要 球形压力容器（以下简称球罐）具有占地少、受力情况好、承压能力高，可分片运到现场安装成形、容积的大小基本不受运输限制等其它压力容器无可比拟的优点，在石油、化工、城市燃气、冶金等领域广泛用于存储气体和液化气体。近年来我国球罐的大型化和高参数化工程技术水平有了长足的进步，通过对引进球罐的消化、吸收和创新，很多高参数球罐已经实现了国产化，为我国的经济发展做出了积极的贡献。为满足我国石油液化气存储需求，同时也满足石油、化工、轻纺、冶金等行业对球罐大型化的需要，迫切需要发展有自主知识产权的特大型球罐核心技术。球罐的大型化是一个复杂的系统工程，它涉及到多个学科和技术领域。针

2、对10000m3大型石油液化气球罐设计、制造中的几个关键技术：球罐选材、结构设计和应力分析等方面进行了研究，完成了如下工作： （1）阅读大量国内外文献，在系统了解球罐结构设计及制造方法的基础上，完成文献综述的撰写。 （2）对球罐选材进行分析比较，最终确定采用15MnNbR；对球罐进行工艺结构设计和尺寸计算；根据GB12337-98钢制球形储罐对球罐进行结构与强度设计计算。 （3）进行球罐图纸绘制，完成球罐装配图及各主要零部件图。 （4）使用压力容器分析设计系统（VAS2.0）对球罐进行强度分析，对球壳和支座连接处进行应力分析和强度评定。关键词：球形储罐；容器用钢；结构；应力分析专心-专注-专业

3、Design of 10000m3 Spherical Tank for Liquefied Petrolem GasAbstract Because of its unexampled advantages such as less floor area covering, high-pressure capability and transport facilitates,Spherical pressure tanks (hereinafter referred to as the“storage tank”)used for storage of gas and liquefied g

4、as more widely than other storage tanks in the oil,chemical,city gas,metallurgy and other fields. In recent years,China engineering and technical level of spherical tank has made great progress through the introduction,absorption and innovation of foreign spherical tank technology.To meet the demand

5、 of our countrys liquefied petrolem gas storage,and meet the demand of large-scale tank in the petroleum,chemical,textile,metallurgical and other industries,it is urgent to develop the core technique of large-scale spherical tank with our own intellectual property rights.Construction of increasingly

6、 larger spherical tank is a complex and systematicproject,which involves a number of disciplines and technical fields. in view of research of key design and manufacture technology of 10000 m3 large-scale liquefied petrolem gas tank,from the perspectives such as evaluation and selection of main mater

7、ial , structure design theory and stress analysis,we have solved several key technology of spherical tank construction.This article has completed the primary research work coverage,which was shown as follows:(1) Based on well understanding of structure design and manufacturing methods of spherical t

8、ank , I write literature summary after reading a large number of domestic and foreign literature.(2) Through analysis and comparison of the materials,I finally select 15MnNbR;After the structural design of process and dimension calculation,I complete the calculation of structure and strength accordi

9、ng to GB12337-98.(3) The drawings of the tank include an assembly drawing and several parts drawings.(4) For the junction between spherical shell and stanchion, stress analysis and strength assessment is completed by the system of Design by Analysis for pressure vessels(VAS2.0).Key Words：Spherical t

10、ank；Steel for pressure vessels ；structure ；stress analysis目 录1 文献综述1.1 课题研究的工程背景及理论、实际意义 随着我国石油、化工、轻纺、冶金及城市燃气工业的发展，作为存储容器的球罐，得到了广泛的应用和迅速的发展，在石化企业、国防工业、冶金工业及城市燃气中，用于储存液态丙烷、丁烷、丙烯、丁烯及其混合物(LPG)、液化天然气(LNG)、液氧、液氮和液氨、液氢等物料。 球形储罐与其他型式的压力容器比较，有许多突出的优点。如与同等容量，相同工作压力的圆筒形压力容器比较，球罐具有表面积小，所需钢板厚度较薄，因而具有耗钢量少，重量轻的优点

11、。此外，球罐还有制造方便，易于大型化、占地面积小、操作管理和检修方便等特点。由于这些特点，再加上球罐基础简单、受风面小、外形美观，可用于美化工程环境等原因，使球罐的应用得到很大发展1,2。 国内外球罐技术发展的方向都是高参数大型化，球罐大型化可以降低单位容积存储能力的投资，节省占地，也节省了辅助设施的费用，同时便于管理。国外先进工业国家开展石油液化气球罐大型化工作较早，技术水平较高，建造10000-25000m3大型球罐已相当普遍，如文献3介绍，日本1968年制成了容量20000 m3的大型球罐，1985年日本新日铁公司为日本西部瓦斯用本公司生产的WEL-TEN80C型高强度钢制造一台大型球罐

12、，设计压力0.75MPa、直径为37.07m、容积为26700 m3。而我国由于特大型（10000m3以上）球罐关键技术还没有完全解决，已生产制造的最大石油液化气球罐只有5000m3。因此，为满足我国石油液化气存储需求，同时也满足石油、化工、轻纺、冶金等行业对球罐大型化的需求，迫切需要开发具有我国自主知识产权的特大型球罐核心技术4。 球罐是一个大型、复杂的焊接壳体结构，它涉及到材料科学、壳体结构理论、塑性加工技术、焊接技术、热处理技术、无损检测技术、断裂力学等多学科和技术领域，对球罐设计方法和理论、选材和材料评价体系、高性能材料的焊接及热处理技术、大板片球罐制造技术的理论和实际都有重要作用。1

13、.2 球罐用钢1.2.1 球罐用钢基本要求分析 球罐存储的介质一般为压缩气体或液化气体，大部分为易燃、易爆有毒物质。因此球罐用钢的安全可靠性是最重要的，球罐用钢必须满足国务院颁发的锅炉压力容器安全监察暂行条例和国家质检总局颁发的固定式压力容器安全技术监察规程等法规和规范，及GB1505、GB123376等国家标准的要求，必须是压力容器专用钢。 球罐用钢选择主要从两方面考虑：一是技术性和安全性，即加工及使用性能，在满足强度要求的前提下，应保证良好的成型性，优良的焊接、热处理性，足够高的缺口韧性值和长期可靠的使用性能；二是经济性，即应在确保安全的前提下经济合理，因为钢材的价格在球罐投资上占有较大的

14、比例，对球罐用钢提出过高的要求，势必会增加成本，难以保证经济性。1.2.2 国内外球罐的常用钢种我国球罐选用的材料主要是国产钢材，在役国产球罐用材主要有：A3F、A3、A3R、20R、16Mn、15MnV、15MnVR、15MnVN、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR及从国外引进的各种球罐材料。到二十世纪末为止，我国建设的球罐主要选用16MnR，约占总量的85%左右，进入21世纪以后据国家标准GB12337-98钢制球形储罐规定，球罐用材可选20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR，国产低温球罐可选用07MnCrMoVR、07MnNiCrMo

15、VDR（CF钢）。引进球罐选用的高强度钢主要是SPV490Q（日本）、WEL-TEN610CF（新日铁）、RIVERACE610（川崎制铁）、NK-HITEN610U（日本钢管），低温球罐选用低温高强度钢N-TUF490（新日铁）以及SA537CL.1（法国） 7。 国外球罐用钢的典型钢种有美国的A517F、日本的WEL-TEN62CF、HW70、WEL-TEN80、WEL-TEN80C、SPV36等8。 1.2.3 几种典型球罐用钢的优劣对比 （1）16MnR钢板是我国目前使用最多、最普遍的一种低合金高强度压力容器用钢。钢材的焊接性能较好，广泛用于建造各类压力容器和中小型球罐，具有一定的抗H

16、2S腐蚀性能，但是强度较低，且16MnR板厚效应严重，其强度和韧性随板厚的增加下降较大，厚度为48mm时，16MnR钢板实物的韧性储备量不高，在设计厚度50mm时使用。 （2）07MnCrMoVR钢是我国“七五”期间开发出来的新钢种，该钢的力学性能相当于WEL-TEN62CF钢的实际水平。07MnCrMoVR钢采用低碳多元微合金以严格控制碳当量(Ceq 0.42 )和焊接裂纹敏感性组织(Pcm 0.2)，并通过合理的调质热处理获得最佳强韧比的组织结构，从而从根本上保证了其焊接性能和优良的低温韧度。07MnCrMoVR的力学性能及其稳定性好，国内大部分设计、制造和组焊单位掌握其特性，具有成熟的经

17、验，但对贮存液化石油气介质中的硫化氢含量有较严的要求，此外钢厂提供宽板能力有限，不能满足大型球罐的制造要求9。 （3）15MnNbR是GB150-1998国家标准第1号修改单新增钢号，它是低合金钢领域中的新一代钢种(350MPa级)，其强度和韧性优于16MnR，同时也优于日本SPV355N，厚板韧性也较好，而焊接性能及抗硫化氢性能与其相近。该钢种采用先进的冶炼工艺，钢材的化学成分、力学性能及冷弯性能得到很好的保证。15MnNbR具有良好的综合性能，可大大提高球罐使用的安全可靠性，该钢性价比较高，是大型球罐的理想钢种。该钢材取代进口钢板后，能满足我国大型液化气球罐用钢的迫切需求10。（4）日本产

18、610CF钢是近年来推出的具有低裂纹敏感性和韧度较高，焊接性能优良的钢种，钢的碳当量Ceq和焊接裂纹敏感性系数Pcm 均相对较低，因此焊接性能优良，且国内部分设计、制造和组焊单位已较好掌握该钢种的特性。引进日本球壳板，国内安装的10000m3北京天然气球罐即选用该钢种11。 表1.1列出了国产16MnR、07MnCrMoVR、15MnNbR钢板与引进的日本WEL-TEN610CF钢板化学成分和力学性能技术指标对比。 表1.1 几种典型球罐用钢力学性能技术要求对比标准或技术条件钢号交货状态板厚mm 拉伸试验冲击试验MPaMPa%试验温度及取样方向/JGB6654-199616MnR正火61634

19、5510640210(横向)311636325490620GB19189-200307MnCrMoVR调制126049061073017-20(横向)47GB6654-1996第一号修改单15MnNbR正火101637053065020-20(横向)3416363605306503660350520640新日铁企业标准WEL-TEN610CF调质125049061073019-20(横向)471.3 球罐设计1.3.1 球罐设计的执行标准及法规 球罐设计执行的国家标准及法规主要有固定式压力容器安全技术监察规程2009版、锅炉压力容器安全监察暂行条例及其实施细则2009版、GB150-1998钢

20、制压力容器、GB12337-1998钢制球形储罐及相关标准。在制造、检验、验收中还应执行GB50094-1998球形储罐施工及验收规范、GB6654-1996压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板、JB4726-2000压力容器用碳素钢和低合金钢锻件、JB4730-2005压力容器无损检测、JB4708-2000钢制压力容器焊接工艺评定、HG/ZQ1.787球形储罐质量等级评定及检查细则，球罐安装质量要达到SHJ-514 石油化工设备安装工程质量检验评定标准中第八章“球型储罐安装工程”中优良工程要求。1.3.2 球壳结构 球壳结构形式主要分为足球瓣式、桔瓣式和混合式3种(如图1.1)。 （1）足球瓣

21、式球罐球壳用均分法划分，每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，材料利用率高且互换性好，组装焊接接头较短，焊接检验工作量小，但焊接接头布置复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高。 （2）桔瓣式球壳像桔子瓣(或西瓜瓣)，焊接接头布置简单，组装容易，球壳板制造简单，但材料利用率低，对接焊缝总长度长，检验工作量大12。 （3）混合式球罐的球壳组成是：赤道带和温带采用桔瓣式，极板采用足球瓣式。它集中了桔瓣式和足球瓣式两种结构的优点，在国外已被广泛采用，从国外引进的球罐大量采用了该结构。不同结构形式对球罐的制造、安装质量以及投用后的安全可靠性都会带来重大的影响。先进合理的结构，既可合理地利用材料，减少

22、浪费，降低成本；又可有效地减少焊缝总长，减少制造和安装过程中的工作量，提高使用中的安全可靠性。不同分瓣形式分带的数量一般不同，混合式的分带数一般会比桔瓣式少；由于混合式球罐极带有7块板组成，桔瓣式只有3块，两极相加多8块，因此如果两种分瓣形式的支柱和带数完全相同，混合式球罐的球壳板数量反而比桔瓣式多一些。因此一台球罐结构形式的先进与否不能简单看是用混合式还是桔瓣式，而要从焊缝的总长、钢材利用率和制造安装难度来考虑，它同时受钢厂供货尺寸和运输条件的限制。对于小型球罐如400m3或650m3的球罐往往采用桔瓣式结构更合理。而大中型球罐采用混合式分瓣方法优势更为明显13。 1.3.3 支座结构 球罐

23、支座是球罐中用以支承球壳及其附件和储存物料重量的结构部件，有柱式和裙式两种形式。在柱式支承中，国内外普遍采用了赤道正切柱式支承，此外还有V形和三柱会一柱式支承。裙式支承有圆筒裙式、锥式以及用钢筋混凝土连续基础支承的单埋式支承和锥底支承等14。GB12337-1998钢制球形储罐中规定支柱与球壳连接采用赤道正切形式。赤道正切柱式支座的结构特点是：多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近似相切(相割)而焊接起来。该支座具有受力均匀、弹性好、能承受热膨胀的变形、安装方便、施工简单、容易调整及检修方便等优点，适用于多种规格的球罐，但重心高、稳定性差，并存在局部应力。我国建造的球罐全部采

24、用赤道正切柱式支座。 图1.1 球罐分瓣形式 a )足球式 b )桔瓣式 c )足球桔瓣混合式1.3.4 拉杆结构 GB12337-98中规定了可调式与固定式两种拉杆。 （1）可调式拉杆(如图1.2a)采用圆钢加工而成，拉杆与支柱采用销钉连接，2根拉杆立体交叉处留有间隙。该种结构受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修方便。可调式拉杆虽能调节松紧，有利于施工，但若施工后发生锈蚀则不起调节作用。（2）固定式拉杆(如图1.2b)一般采用钢管，拉杆与支柱的连接采用焊接结构，拉杆与拉杆的交叉处采用固定板焊接结构或直接焊接结构。其特点是：钢管焊接在支柱上，形成较

25、稳固的刚性结构，能有效防止横向载荷造成的破坏；可省去大量零部件，不需任何机械加工，制造比较简单，现场安装方便；支柱受力情况较好，能承受拉伸和压缩载荷(可调式只能承受拉伸载荷)。当承受垂直载荷时，拉杆支承了部分载荷，因而下段支柱所受的压缩力就小，当承受横向载荷时，固定式所受的拉力仅为可调式的一半，下段支柱所受的压缩力明显减小，比较安全；抗弯能力大，特别适合于大型球罐；固定式拉杆可设计成受压形式，于是拉杆的截面比可调式的大，刚性也大，因此球罐横向载荷产生的水平位移和偏移量均小，对球罐上的接管有利；固定式拉杆在施工时调好，使用中不必再调整。固定式拉杆结构在国外已大量采用，我国从国外引进的球罐也有相当

26、一批采用了此结构。但到目前，我国自行设计和制造的球罐还极少采用该结构15。 a)可调式拉杆 b)固定式拉杆图1.2 拉杆结构形式 1.3.5 支柱与球壳连接下部结构在支柱与球壳相接的球壳局部区域中，受力及变形相当复杂，应力数值高，变化梯度大，是整个球罐中的高应力区。支柱与球壳相焊焊缝的最低点是重点应力校核部位。支柱与球壳连接下部结构一般分连接处下端加托板、翻边和U形柱结构(见图1.3)。（1）加托板结构是在球壳与支柱连接部下端加一托板，可以方便焊接，消除焊接死角。该结构制造工艺简单，已被大多数制造厂采用。但由于该结构是由两个零件组成，变形不协调，存在较大的局部应力。（2）翻边结构是将与球壳连接

27、处下端的支柱翻边，增加与球壳的连接长度，并改善焊接接头的施焊情况，所以能够保证焊接质量。支柱为一体变形协调，对球壳的局部应力有所改善。但因翻边的宽度有限，且会减薄支柱管壁，对改善支柱与球壳连接最低点的应力作用不明显。（3）U形柱结构是用钢板卷制成U形管与球壳连接，使支柱与球壳连接逐渐过渡，避免急剧变化，特别适合于低温球罐与支柱连接的要求。该结构制造工艺简单，施焊方便，没有工艺难点，不存在焊接死角，在三种结构中与球壳的连接长度最长，这样对局部应力的改善也最有效。球罐的局部应力是不可避免的，只能靠改进结构来减小，如增加支柱与球壳的接触面积，减少支柱的刚性，支柱与球壳的连接避免急剧变化，使其逐渐过渡

28、等方法，U形柱结构则集中了这些特点。GB12337-98增加了U形柱结构，解决了低温球罐支柱连接无法解决的难题。 图1.3 支柱与球壳连接下部结构1.3.6 接管补强结构 大型球罐的接管补强一般采用两种结构型式，第一种型式为厚壁管补强结构(如图图1.4a)；第二种采用锻制凸缘（如图1.4b），在应力集中部位局部加厚的密集补强型式，与球壳板的连接采用对接焊缝。 凸缘补强优点是它和球壳板形成的连接是对接焊缝，便于焊接及焊缝的无损检测。厚壁管插入式补强优点是结构简单、节省材料，缺点是因开孔较小，角焊缝底部清根困难，又难以进行射线、超声等方法的内部检测，容易产生未焊透等缺陷。由于插式接管焊缝是近年来球

29、罐质量中出现问题最多的部位之一，在设计时要求制造厂从坡口开制工艺到焊接工艺及清根方法在工艺上保证完全焊透16。 图1.4 球罐的补强形式 a) 厚壁管补强 b) 整体锻件凸缘补强 1.3.7 球罐的设计方法 球壳的设计计算有两种方法，即常规设计方法与分析设计方法。我国球罐设计标准GB12337-98是常规设计方法的标准，目前，大部分球罐均按这个标准进行设计、制造、安装。我国分析设计法的标准有JB4732-95钢制压力容器应力分析法设计标准，这是个通用性的标准，目前我国尚无球罐设计专用的分析设计标准。随着球罐的大型化方向发展，外国已开始采用分析设计法设计球罐，大型球罐采用分析设计法设计更为科学、

30、经济合理，因此，利用分析设计法设计大型球罐有着广阔的前景。 （1）常规设计方法 常规设计方法是基于弹性失效原则，即认为容器内，某最大应力点一旦进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效。常规设计只考虑单一的“最大载荷”工况，按一次施加的静载荷处理，不考虑交变载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。常规设计一般是以材料力学及板壳薄膜理论的简化公式为基础，再加上一些经验系数，未对容器重要区域的实际应力进行严格而详细的计算。因此，在给出计算公式的同时，又往往对结构尺寸、形状、工作条件等有明确的限制。 （2）分析设计方法分析设计方法，就是放弃了传统的“弹性失效”准则，而采用以极限载荷、安定荷载和疲劳寿命为界限的“塑性

31、失效”与“弹塑性失效”准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位作有限寿命的设计。分析设计方法根据导致结构破坏的危险性不同而对应力进行分类，对各类应力取不同的许用值进行应力评定，取较低的安全系数，但不降低设计的安全可靠性。采用分析设计法可得到常规设计方法无法得到的合理的设计结果。搞清了应力分布情况，对症下药，该薄处薄，该厚处厚。采用分析设计一般要比采用常规设计节省材料，但分析设计法的设计和加工费用较高。表1.2 常规设计法与分析设计法的主要区别比较对象 常规设计方法 分析设计方法设计原则弹性失效；不允许出现塑性变形，一但出现塑性变形，就认为容器已经失效塑性失效，弹塑性失效；允许出

32、现塑性变形，但必须是局部的，可控制。对于一次加载要计算极限载荷。对于交变载荷，要计算安定载荷；如计算出的载荷极限载荷，认为是局部的控制；安定性载荷主要针对疲劳和棘轮现象载荷非交变（静载荷）可以考虑交变载荷（疲劳失效）分析方法材料力学方法，薄膜理论；简化公式+经验系数弹性式塑性力学分析；理论方法（即解析法）；数值方法（即有限方法）；实验方法（即电测法，实测法）应力评定应力不分类；许用应力一样；第一强度理论；安全系数大应力分类；用应力强度来评定；第三强度理论；安全系数小；材料一般要求优质、延性好、性能稳定必须是压力容器用钢钢材应是国标规定并列入JB4732，同时取消推荐材料代用钢材使用温度下限为0

33、，如低于0应作缓冲扩大超探范围 增加了夏比（V形缺口）冲击试验(包括对螺柱用材) 制造全焊透，100%探伤塑性体、连续性、相贯性、光滑过渡；全焊透，100%探伤 常规设计与分析设计的总体思想都是将材料选用、结构考虑、强（刚）度计算、制造、检验、试验、使用等各个环节紧密联系，但由于采用了不同的设计准则（即考虑了不同的失效方式），因而在材料选用、结构考虑、强（刚）度计算、制造、检验、试验、使用和适用范围、授权证书、钢印标志等方面都相应自成系统，两者不能混淆，不能套用，尽管某些内容或因采用相同的失效准则（如受外压容器设计）或因历史沿用原因（如法兰设计）而采用基本相同的设计公式，但从总体上说，二者是完

34、全不同的。 由于常规设计与分析设计采用了不同的设计准则，所以在某些结构规定上也有所不同，例如前者允许采用对接、角接和搭接焊缝，并允许部分焊透的结构，在各元件的壁厚计算公式中根据焊缝结构型式、无损检测的程度而引入不同的焊缝系数；后者则不允许采用搭接焊缝，基本不允许采用各种形式的未焊透结构，对各焊缝都要求100无损检测并取焊缝系数为1.0。分析设计提高了应力强度许用极限，降低了基本安全系数（对应抗拉强度的安全系数，常规设计取3，分析设计取2.6），容器壁厚相对减薄，一般可节约材料15%20%。同时在选材、制造、检验等方面提出了比常规设计更严格的要求。采用分析设计不仅减少壁厚，而且安全合理，该薄处薄

35、，该厚处厚。分析设计特别适用于大型容器、高温高压容器及常规设计难以解决的问题，如容器大开孔和交变载荷下的疲劳等17。 另外，众所周知常规设计采用弹性失效准则而不适用于要求进行疲劳分析的容器，而分析设计采用了包括疲劳失效准则在内的多种失效准则，因而在必要时可以进行疲劳分析。分析设计需要以详尽的应力分析报告为依据，需要近代的分析计算工具和实验技术为手段，常规设计法与分析设计法的主要区别详见表1.2。 1.4 球罐制造 球罐不同于一般压力容器，由于球罐容积较大，不可能在制造厂一次制造完成，首先要在制造厂压制成瓜片形状，再运到到现场进行组装、焊接、检验和试验最终完成建造。在制造厂的核心工作是球壳板的压

36、制成形、坡口加工及零部件的制造。 国内外普遍采用的球瓣成形技术是冲压成形，它一般可分为冷压成形、温压成形和热压成形。其它一些成形方法也在发展之中，如液压成形、爆炸成形等无模成型方法18。对于液压成形、爆炸成形等无模成型法，由于对材料的损伤较大，主要还是停留在理论研究方面，实现应用较少；热压和温压成型是早年压力机能力不够时的权宜之计，由于对材料有损伤、球壳板减薄量大及需要设置大型加热炉等因素，也基本停止使用。目前使用最普遍的还是冷压成形，占球罐成形的90%以上。冷压成形是钢板在常温下，经冲压变形成为球面球壳板的过程。冷压成形采用点压法，其特点是小模具、多压点，钢板不必加热、成型美观、精度高、无氧

37、化皮，对钢材的损伤小、壁厚减薄量少。目前国内外球罐冷压成形技术主要还是依靠制造厂的经验，根据经验选择一定曲率的胎具试压确定胎具的曲率，压制时结合加钢垫局部调整使球壳板达到要求的曲率，因此不同厂家冷压球片的精度和效率差别很大。国外在球罐大型化制造技术研究方面开展较早，对大板片球罐的制造技术和精度控制较为成熟，国内大型化制造技术发展也很快，近年来对球罐制造技术研究工作也开展了很多，包括下料技术、大板片、薄板压制技术等等，但特大型大板片（30m2以上）制造精度还没有很好地掌握。 下料和坡口加工技术，是球片制造的重要环节之一，其质量对组装效果和后面的焊接质量将带来直接影响。由于球面是不可展开面，因此精

38、确下料从理论上只能在球壳板压制成形后进行，因此球壳板的精确下料往往和坡口加工工序合二为一，坡口加工时必须同时满足球壳板几何尺寸的要求。目前采用最多的技术是二次下料的方法：即先对成型前的平面钢板近似下料，保证留下坡口加工余量，压制成形后再按精确尺寸放样加工坡口。二次下料法技术比较精确和成熟，但要留出二次的切割余量，材料利用率相对低一些，尤其对大型球罐板面尺寸较大，制造切割胎具还要占用很多材料，环向切割胎不能互用，不同的分带角还要制造不同的环向切割胎。1.5 球罐安装及检验技术 球罐现场安装是球罐建造的关键环节之一，包括组装、焊接、热处理、检验、试验等工作，内容多、工作量大，对球罐最终质量起到至关

39、重要的作用。组装技术随着球罐的大型化、球瓣尺寸的大型化，组装技术从早期的分带组装或分块组装向整体组装发展，目前国内外球罐组装技术都是以整体组装为主。整体组装的优点是组装速度快，几何精度高，便于对称施焊、焊接变形小等；缺点是卡具要求多，焊接全部为高空作业，劳动强度大等。 球罐安装中焊接工作量大，焊接质量要求高，不同的球罐钢有不同的焊接特点和工艺要求，要严格按评定合格的焊接工艺执行。球罐的焊接方法除手工焊外还有自动焊，在国外前苏联、德国、日本美国等国家都较早采用了大型球罐自动焊，我国上世纪90年代开始大型球罐自动焊试验研究，并应用于球罐的建造中，主要是自保护和气保护全位置自动焊工艺。但从目前总体上

40、看，国内外球罐焊接方法主要还是以手工焊接为主，原因是球罐是全位置焊接，手工焊质量相对可靠，自动焊提高一次合率、减少返修工作量还是今后球罐焊接要研究的工作之一。压力容器常用的无损检测方法在球罐上都有应用，常用的有：射线检测（RT）、超声波检测（UT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）等，也有将声发射技术应用于球罐安全监控的。近年来TOFD及相共振等无损检测新技术在球罐上也有应用。总体目的是通过不同的方法对比和增加检测比例，提高缺陷的检出率。1.6 球罐的发展趋势和面临的问题1.6.1 球罐发展趋势 随着材料、焊接、制造、施工安装技术不断提高，球罐也正向大型化、多结构、高参数的方向发展。设计压力

41、从0.093MPa的真空度到上百个大气压力，工作温度从-250到850，球罐结构从单层到多层，品种非常广泛。其中，最主要的是向大型化方向发展。目前，国外最大的球罐已作到压力为67MPa，体积为m3左右的大型球罐。1.6.2 球罐的大型化面临的问题由于大型化的经济性十分明显，已成为世界各国优先重视的重要课题。球罐大型化的进程在不同国家、不同时期受着不同因素的制约。随着相应技术的发展，这些制约因素不断得到解决，又促使球罐大型化的发展。从国内情况看，目前限制球罐向大型化方向发展的影响因素主要有：（1）球罐用钢由于国内冶炼技术方面的因素，压力容器专用钢种的种类较少，钢材综合性能较差，制造不了大规格，大

42、吨位的钢板。因此要发展球罐的大型化必须着重于发展球罐用钢的研制工作。高强度的钢材对于球罐大型化是至关重要的，国际上对此也都做了大量工作，如美、日等国都分别研制了(s690MPa) 的高强钢种：SA517GrF和WEL-TEN80。但值得重视的是，若高强钢不具有好的综合力学性能和焊接性能，则并不能解决大型化的问题。因此国内应加强高性能高强度球罐用钢的研制、开发工作，以促进球罐的大型化。 （2）球罐现场组装和焊接问题 由于大型球罐均为现场组装，施工条件差、人员流动性大，所以在大型球罐施工时应进行严格的质量管理，建立完善的质量保证体系。目前，国内已部分采用并将大量采用s490MPa的高强钢，这种钢焊

43、接时裂纹敏感性相对较差，因此必须严格执行焊接工艺（包括焊条、预热、后热等），并对上岗焊工进行严格的培训。 （3）球罐现场热处理 随着球罐向大型化方向发展，球壳板壁厚的增加有可能超过不进行整体热处理的板厚上限，大型球罐的整体热处理势在必行。因此，必须深入探讨和研究大型球罐的热处理设备和工艺措施，并在标准规范中予以体现。 （4）球壳板尺寸精度 大型球罐球壳板块数相当多，以天然气球罐球壳板为例：5000m3总数为156块，37000m3总数为234块。为提高其组装尺寸精度、改善施焊条件、避免强力组装，应更好和有效地提高球壳板尺寸精度和组装间隙尺寸精度等。 （5）吊装运输能力 球罐大型化后，单块球壳板

44、的厚度、规格尺寸和重量均随之增大，必将涉及至吊装及其运输能力。因此在对大型球罐设计施工时，对此问题也应进行充分的考虑。2 10000m3石油液化气球罐设计说明2.1 基本参数 公称容积 10000 m3 公称内径 26800mm 最高工作压力 0.42MPa 最高工作温度 12 球罐基础高度 200mm 罐底距地面高度 1.8m 使用寿命 40年2.2 基础资料2.2.1 安装与运行地区气象环境条件 （1)）大气温度 年平均气温 18.3 最高气温 42.2 最低气温 -18 最热月月平均气温 33 最冷月月平均气温 -8 （2）大气湿度 最热月平均相对湿度 75% 最冷月平均相对湿度 82%

45、 （3）大气压力 夏季 100.3kPa 冬季 101.1kPa （4）基本雪压 250 Pa （5）大气流速（地面） 基本风压 400Pa 夏季平均风速 1.2m/s 冬季平均风速 1.0m/s 30年一遇最大风速 16.9m/s 季风最多风速平均值 1.8m/s2.2.2 场地条件 安装场地海拔高度： 天津临港工业区 3.3m 地震设防烈度 7度近震 球罐安装场地 已平基，类场地土 地面粗糙度类别 B类露天环境2.2.3 工作介质球罐储存的石油液化气气主要理化性质参数如下： 石油液化气的组成(摩尔)为：丙烯占20%、丙烷占40%、正丁烷占30%、异丁烷占10%，12时石油液化气的饱和蒸汽压

46、为0.42MPa。物料中硫化氢含量1010-6ppm。 平均分子量50 密度560 kg/m3 比重0.56（水为1） 运动粘度2.4107m2/s 绝热指数1.122.2.4 运行要求全天候、全时段（24h、365d连续运转）连续运行。2.3 球罐主要设计参数的确定2.3.1 设计压力和设计温度参照压力容器安全技术监察规程对设计压力和设计温度的规定，确定本次10000m3石油液化气球罐主要设计压力和设计温度如下：球罐的设计压力一般按不低于安全阀开启压力选取常取1.051.1倍存储压力（工作压力），本次设计压力为0.5MPa，安全阀开启压力为0.45 MPa，最高工作压力0.4090.428M

47、Pa，最终取工作压力0.42 MPa(石油液化气12时的饱和蒸汽压)。设计温度分上限和下限两种极端的情况分别考虑：设计温度分上限是介质的最高操作温度，即12。考虑到最热月月平均气温33，大于介质的最高工作温度，球罐应覆盖保冷层，保冷层厚度为50mm，材料为聚氨基甲酸酯；设计温度下限受环境温度的限制，壳体的金属温度取绝于大气环境气温，其最低设计温度可按该地区气象资料，取最低气温，对于天津临港最低气温为-18。故确定设计温度为-19+12，钢材及焊接接头的所有验收指标都按-20验收。2.3.2 人孔、接管位置及尺寸的确定为检修方便，每台球罐需设置上、下各1个人孔，一般人孔内径尺寸为500600mm

48、，最终确定选500mm人孔。考虑到本球罐较大，内部检修时需设置内部旋梯，为便于内部旋梯的固定和安装，确定将上下各一个500mm的人孔各置于上下极中央。 上极板接管共有7个，都布置在R1900的圆周上，其中包括：DN150的气相返回接管N1；DN150安全阀接管N2A和N2B；DN50的压力表接管N3；DN50的液位计接管N4A；DN80的远传液位计接管N9A；DN50的远传压力表接管N3。下极板接管共有6个，分别布置在R1900和R2800的圆周上，其中布置在R1900圆周上的有：DN50的液位计接管N4B；DN30的排污口接管N6；DN50的温度计接管N7；DN80的远传液位计接管N9B；布

49、置在R2800圆周上的有：DN350的液化气进口接管N8A和出口接管N8B。2.3.3 腐蚀余量的确定球罐设计使用寿命40年，考虑均匀腐蚀情况下腐蚀率按0.05mm/年考虑，球壳板及人孔、接管等主体受压元件腐蚀余量取2mm。支柱底板及拉杆部位腐蚀余量按3mm选取。2.4 设计原则2.4.1 设计规范的确定国内外球罐通常采用的设计标准或规范有二类：一类是常规设计标准，主要有中国GB12337标准和美国ASMEDiv1；第二类是分析设计标准，主要有法国CODAP规范、中国JB4732标准、日本JIS B8270标准（第一类容器）及美国ASMEDiv2。本次球罐设计只考虑国内标准，由于JB4732为

50、压力容器分析设计的通用性标准，而GB12337为球罐设计的专用标准，且安全系数较大，计算结果偏于安全，因此采用常规设计标准GB12337。球罐设计、制造、安装、检验和验收，执行我国现行的相关规范，主要有：固定式压力容器安全技术监察规程2009版、GB150-1998、GB12337-1998及相关标准。在各标准之间本着科学、从严原则，力求可靠。2.4.2 压力试验方法压力试验是压力容器投用前进行强度考核的重要方法，目前球罐压力试验的方法主要有水压试验法和气压试验法。如果采用水压试验方法必须考虑装满1万吨水时对受压元件、支柱、拉杆和基础的承载能力。水压试验时强度校核见计算书。根据GB12337-

51、98和GB150-98规定要求，球罐制造完成后必须进行水压试验。同时根据GB12337-98中3.10.1.b的要求对球罐进行气密性试验，合格后进行100%表面检测，不得有任何裂纹，并符合JB4730-2005规定的级要求。 水压试验压力 MPa气密性试验压力 MPa2.5 球壳设计2.5.1 材料选用 根据操作条件，选用球罐材料15MnNbR，使用状态为正火状态。该材料b=530 MPa ，s=360 MPa，常温许用应力t=177 MPa。满足GB12337-98中4.1基本要求。根据GB150-98中4.2及GB12337-98中4.2.9的要求，15MnNbR在正火状态下使用，由于钢板

52、厚度大于25mm，应逐张按JB4730的规定进行超声波探伤检查，极为合格。2.5.2 球罐支柱数和分带角的确定本次设计的球罐采用混合式的结构。根据GB/T172611998钢制球形储罐型式与基本参数，同时充分考虑钢板厂货供尺寸，制造厂的球片压制能力，以及安装单位现场的安装能力。最终确定采用5带14支柱混合式结构。赤道带由28瓣球壳板组成，分带角39；上、下温带各由28瓣球壳板组成，分带角38；极带上下各由7瓣组成，宽度方向分带角13。结构形式如图2-1所示，罐体焊缝总长1118米/台。与7带14支柱桔瓣式相比，每台球罐的焊缝总长由原来的1290米，缩短了170多米。2.5.3 混合式结构的排板

53、计算混合式结构的排版计算分为足球瓣式极板计算、桔瓣式温带板和赤道板计算。极板尺寸按文献1中的方法，温带板和赤道板尺寸按文献14中的方法，计算结果列于表2.1，球罐共有球壳板98块，其中：极中板2块，尺寸见球图2.2；极边板4块，尺寸见图2.2；极侧板8块，尺寸见图2.3；赤道板28块，尺寸见图2.4；温带板56块，尺寸见图2.4。图2.1 球罐结构形式简图 图2.2 极中板和极边板尺寸 图2.3 极侧板尺寸 图2.4 赤道板和温带板尺寸表3.1 10000m3球罐各带瓣片几何尺寸（mm） 名称长度方向宽度大头宽度小头对角线方向弦长弧长弦长弧长弦长弧长弦长弧长赤道板8946.029116.473001.303005.432829.202833.049382.779585.86温带板8725.2388