球形贮罐的结构设计正文

1、目 录第1章 绪论41.1球形贮罐在工业中的作用与地位41.2球形贮罐的特点和分类41.2.1 球形贮罐的特点41.2.2 球形贮罐的分类41.3球形贮罐结构设计的基本要求61.4球形储罐历史及发展方向61.4.1 球形贮罐的发展历史61.4.2 球形贮罐的发展方向71.5设计任务与思想91.5.1 设计任务91.5.2 设计思想91.6本次设计的意义9第2章 材料的选用102.1材料选择准则102.1.1 球罐用钢的成分和性能特点102.1.2 球罐用钢的加工工艺性能112.1.3 球罐用钢的耐腐蚀性能122.1.4 经济性122.2选择材料122.2.1 钢板材料132.2.2 壳体用钢板

2、132.2.3 锻件用钢142.2.4 焊接材料14第3章 结构设计153.1设计参数153.2球罐本体153.2.1 坡口设计153.3支座设计163.3.1 设计准则163.3.2 赤道正切柱式支柱结构173.3.3 拉杆结构183.4人孔和接管183.4.1 人孔183.4.2 接管结构193.5球罐的附件193.5.1 梯子平台193.5.2 水喷淋装置213.5.3 隔热和保冷措施213.5.4 液位计223.5.5 压力表233.5.6 安全阀233.6球罐对基础的要求243.7球罐对抗震结构设计243.7.1 抗震结构设计要求253.7.2 抗震设计方法253.7.3 抗震结构措

3、施25第4章强度计算264.1球壳计算26符号说明264.1.2 球壳壁厚计算264.1.3 球壳允许承受内应力274.1.4 球壳的应力274.2球罐质量计算274.3球壳尺寸计算284.3.1 赤道板尺寸计算284.3.2 极板尺寸计算294.3.3 极边板尺寸计算294.3.4 极中板尺寸计算30极侧板尺寸计算314.4地震载荷计算324.4.1 自振周期324.4.2 地震力324.5风载荷计算334.6弯矩计算344.7支柱和拉杆的计算344.7.1 单个支柱的垂直载荷344.7.2 组合载荷354.7.3 单个支柱弯矩35支柱稳定性校核364.8地脚螺栓计算37拉杆作用在支柱上的水

4、平力37支柱底板与基础的摩擦力37地脚螺栓374.9支柱底板384.9.1 支柱底板直径384.9.2 底板厚度384.10拉杆计算394.10.1 拉杆螺纹小径的计算394.10.2 拉杆连接部位的计算394.10.3 耳板厚度394.10.4 翼板的厚度394.10.5 焊缝强度验算404.11支柱与球壳连接最低点a的应力校核404.11.1 a 点的剪切应力404.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核414.13开孔补强计算41第5章 球罐制造及现场组装425.1球罐的工厂制造425.1.1 原材料检验425.1.2 瓣片加工425.2现场组装435.2.1 组装方法445.2.2 组装设备

5、及工具445.3组装方案及准备445.3.1 组装方案445.3.2 组装准备455.4组装精度的控制455.4.1 支柱偏差的控制455.5组装安全措施45第6章 焊接466.1焊接工艺的确定466.2焊接施工程序466.3球罐的预热与后热476.3.1 预热温度的选择476.3.2 后热温度的选择47第7章 检查487.1焊接检验487.2球片的检验487.3支柱尺寸精度检查487.4无损检测487.5竣工检查497.5.1 压力试验497.6气密性试验497.7开罐检查50结 论51 致 谢51参考文献53第1章 绪论球形贮罐在工业中的作用与地位球形贮罐用于储存液体或气体的钢制球形容器。

6、随着我国石油、化工、轻纺、冶金及城市燃气工业的发展，球形贮罐等到了广泛的运用和迅速的发展，在石油企业、国防工业、冶金工业及城镇燃气中，用来贮存液氨、液化石油气（LPG即重碳氢化合物，如丙烷、丙烯、正丁烷、异丁烷及其混合物），液化天然气（LNG）、液氨、液氮、液氢以及贮存各种压缩空气等各种液体（或气体）原料。所以球形贮罐是石油、化工、粮油、食品、消防、交通、冶金、国防等行业必不可少的、重要的基础设施，我们的经济生活中总是离不开大大小小的球形贮罐，球形贮罐在国民经济发展中所起的重要作用是无可替代的。对许多企业来讲没有球形贮罐就无法正常生产，特别是国家战略物资储备均离不开球形贮罐。球形贮罐的特点和分

7、类 球形贮罐的特点球形贮罐一般由球壳板、支柱、拉杆、人孔、接管、梯子、平台等部件组成，球形贮罐具有以下优点：（1） 与同等容量的圆筒形贮罐相比，球形贮罐的表面积最小。（2） 球形贮罐受力均匀，在相同的直径和工作压力下，其薄膜压力为圆筒形容器的1/2，所以板厚度仅为圆筒形的1/2。（3） 由于球形贮罐的风力系数为0.3，圆筒形容器约为0.7左右，因此对于风载荷来说，球形贮罐比圆筒形容器安全的多。 因此，球形贮罐具有占地面积少、壁厚薄、质量轻、耗材少，成本低等优点。1.2.2 球形贮罐的分类（1）按球形贮罐的用途分为三类： 高、中压、常温情况下使用的球形贮罐。如贮存液化石油气、天然气、氨、氧、氮、

8、氢等气体的球形贮罐，使用压力大多为13MPa。 中、低压、低温情况下使用的球形贮罐。如贮存液氨、乙烯、丙烯等介质的球形贮罐，使用压力为0.42.0MPa，使用温度为-20100。 在低压、深冷情况下使用的球形贮罐，如贮存-100以下液化气等介质的球形贮罐，使用压力极底，使用温度为-100以下。为防止与大气接触进行热交换，以达到保冷效果，多数采用双重球形贮罐。（2）按支座结构形式分类 可分为支柱式、裙座式、锥形支撑式、筒形裙式及安装在混凝土基础上的半埋式，支柱式又可以分为赤道正切式、V形支柱式、三柱合一式等（3）从外观形状分类 可以分为圆球型、椭圆型球形贮罐。（4）按球壳板组合情况来分 可以分为

9、足球瓣型、桔瓣型和混合瓣型，如下图1-1所示 图1-1 足球瓣式罐体 桔瓣式罐体 混合式罐体（5）按球壳板厚度组合来分可以分为单层、多层、双金属层和双重（二个单层）壳球形贮罐等目前国内外较常用的是圆球型单层壳混合瓣型赤道正切的球形贮罐，这种球罐由如下几个部分组成：罐体（包括上下极板、上下温带板和赤道板）、支柱、拉杆、操作平台、盘梯以及各种附件（包括人孔、接管、液面计、压力计、安全泄放装置等）。在有些特殊场合，球罐内还设有内部转梯、外部隔热或保温层、防火水幕喷淋管等附属设施。这种球罐无论从设计还是制造、安装都有较成熟的经验，我国球形贮罐设计的国家标准GB12337-1998钢制球形储罐也规定采用

10、这种形式，混合瓣型集中采用了足球式分瓣法和桔瓣式的优点，板材利用率高，分块较少焊缝短，因此焊接及检验的工作量相应减少，所以目前国内外广泛采用桔瓣式和足球桔瓣混合式的排版形式。球形贮罐结构设计的基本要求根据国家压力容器安全技术规程要求，设计者通晓有关现行国家法令、法规、设计标准、规范及应力分析方法。目前国内球形贮罐的主要设计标准及相关标准有：GB12337-1998钢制球形储罐；GB150-1998钢制压力容器；GB/T17261-1998钢制球形储罐形式与基本参数；GB6654-1996压力容器用钢板；JB4716-1994压力容器用碳素钢和低合金钢锻件；GB50094-1998球形储罐的施工

11、及验收规范；SH3048-1999石油化工钢制设备抗震设计规范；压力容器安全技术监察规程。球形贮罐在设计中需要考虑的因素是多方面的，除了上面的标准规范以外，还需要设计的基础资料，包括：使用介质、建设地点、最高工作压力、工作温度、风速、地震、仪表的选择要求、消防、喷淋的要求、防雷、防静电等要求。球形储罐历史及发展方向 球形贮罐的发展历史19世纪末到20世纪初，球形贮罐就开始出现，当时只是储存低压气态介质，早期的球形贮罐为铆接结构，制造较为困难，材料浪费较大。因此，早期的球形贮罐的发展速度很缓慢的。第二次世界大战以后，随着焊接技术的发展，人们已经找到合适的焊接材料，球形贮罐的制造从铆接转变为焊接的

12、方法，球罐的制造得到飞速发展。1956年，日本用美国钢铁公司的T-L80钢制成了直径33.68m、容量为20000m3城市煤气贮罐，这是当时世界上最大的球形贮罐。1958年，德国公司用FB50高强度钢生产了一台直径47.3m、容积为55500m3、壁厚为30mm的大型球罐，这时期的球罐虽然体积可以座很大，但是压力较低，总的储气能力很低，面对与液化的气体贮罐，还不能做的很大。从60年代至今，球罐的制造技术得到了进一步的发展，在这段时期内日本的球罐发展较为突出，数据表1-1所示: 表1-1时 间容积/m3内径/m储存介质球壳材料设计压力MP球壳板厚mm19562000033.68煤气T-L8019

13、623000液化石油气19655000液化石油气196820000液化石油气1968400020.117液态乙稀5803-铝合金10-2519852670037.07液化石油气WEL-TEN80C0.7430.31988500021.22城市煤气WEL-TEN62CF0.8332.51983557522LPGN-TNF33N0.5926-30.519941415130.01城市煤气HW700.8831.319961030027天然气HW4900.8833.2根据以上历史发展可以看出，球罐的建造虽然较早，但是发展较慢，其进程现为低压、常温、气体逐渐过渡到中、高压，低温液化气体和大型化的方向发展。

14、19世纪50年代末，我国开始制造球形贮罐。1958年制造了第一台50m3的球形贮罐，1966年北京金属结构厂制造了直径为9.2m、容积为400m3、壁厚为20mm，质量为45t的球形贮罐。随着我国科学技术的发展，特别是改革开放以来，为了满足我国的国防、科研、石油化工、冶金、市政等工业对储存容器的要求，我国的球罐工业得到发展。目前我国已能够自行设计制造安装2000m3以下的液化石油气球罐和4000m3以下的低压球罐。1986年北京引进国外的球壳板由自己安装了5000m3的球罐，1988年又以同样方式引进了10000m3的球罐，1998年在大连我国又成功地利用引进日本的钢板，自行设计、制造和组焊的

15、体积为8000m3、储存介质为C4的我国最大的球形贮罐。1.4.2 球形贮罐的发展方向随着科学技术进一步发展，材料、焊接、制造、施工安装技术也不断提高，球罐也正向大型化、高参数、结构多样化方向发展。设计压力从0.093MPa的真空度到上百个大气压，工作温度从-250到850，球形贮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。（1）大型化的经济性表1-2 材料为16MnR,设计压力为1.72Mpa,设计温度为-19-50。表1-2 几种LPG球罐技术经济指标的比较技术指标200m3400m31000m32000m3贮罐几何尺寸mm7100X229200X3012300X3

16、815700X48贮罐总质量/t33.373163.5325贮罐投资/万元50110245500占地面积/m22023406251024投资指标/(元/m3)2500275024502440占地面积指标/m2/m31.010.850.6250.512从上表可以看出，投资指标和占地面积指标分析，球罐越大储存每立方米液化石油气所用的投资和占地面积就越少，并且小型球罐随着球罐的数量增加，罐的附件在球罐的总顿位数中所占的比率也将增加，同时随着台数的增多，球罐的表面积的增加，维护保养的工作量及有些球罐所要求的消防喷淋用水量也增加，这些，都导致了投资成本增加。所用球罐大型化的比较经济的，也是今后球罐的发展

17、方向。（2）大型化球罐的结构特点 支柱 大型气体球罐直径虽然很大，但是质量不大，故支柱尺寸较小，显得非常轻巧。于此相反，液相球形贮罐大型化后，由于储液量较多，单根支柱的生产载荷很大。因此，对于液相球罐来说支柱非常粗大。 球罐内部设有回转梯 为了检查方便，大型球罐内部一般设置回转梯，这是一种沿球顶部经赤道到球下部做成园弧状的梯子，它以球顶为中心沿赤道部的导轨作周向回转。随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源消耗急剧增长，石油和成品油的需求剧增。目前我国已变成石油进口大国，石油已成为国家重要的战略物资，它直接关系到我国的经济发展、社会稳定和国家安全，增加原油储备迫在眉睫，因此，我国对国家

18、石油储备库和成品油库的建设给予了高度重视，我国规划中到2011年将建成数千万立方米的石油战略储备能力，分期进行建设，大连国家石油储备库30台10万m3罐群已开始建设，我国大型储罐的施工建设进入了一个新的高速发展期。设计任务与思想 设计任务设计题目为球形贮罐的结构设计，设计包括结构设计和强度计算。结构设计需要选择适用合理、经济的结构形式，同时满足制造、检修、装配、运输和维修等要求；而强度计算的内容包括球壳的计算、支柱和拉杆的计算、球壳的开孔补强的计算，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性等要求，根据设计压力确定壁厚，使球形贮罐有足够的腐蚀裕度。 设计思想设计尽可能采用先进的技术、国家与行业标

19、准，使生产达到技术先进，经济合理的要求，符合优质、高产、安全、低消耗的原则，具体有如下几点：（1）根据目前国内球形贮罐的主要设计标准及相关标准为基础进行设计。（2）满足工艺和操作要求，所设计出来的流程和设备能保证得到质量稳定的产品，设计的流程与设备需要一定的操作弹性，可方便地进行检修安装。（3）满足经济上的要求，设计省热能和电能的消耗，减少设备材料与基础的费用，设计时要全面考虑，力求总费用尽可能低一些。（4）保证生产安全，保证球形贮罐具有一定的刚度和强度。设计中根据设计压力确定壁厚,再校核其他零件的强度,进行水压试验，容器是否有足够的腐蚀裕度。本次设计的意义为了争取更多的发展机遇；公司确定进行

20、扩建液化石油气储备工程。本设计就是根据公司安排，进行液化石油气球形贮罐的结构设计。第2章 材料的选用7.1 材料选择准则本设计是用球形贮罐储存液化石油气，由于储存的介质是易燃、易爆，因此，球形贮罐的安全性显得尤其重要。迄今为止，我国几乎全部采用钢制球罐。所以，球罐本体及其他受压元件都必须按照球形储罐设计规定等国家标准选择材料。球壳板必须采用压力容器专业钢，不能够采用普通结构钢。因为球罐的运用范围很广，工作条件也不相同，对合理选择钢材至关重要。球罐用钢的选择原则是在满足强度的前提下，应保证有良好的成型性，优良的焊接性能、足够好的缺口韧性值和长期可靠的使用性能，球罐用钢是球罐制造和设计的主要参数，

21、对其质量优劣具有举足轻重的影响。目前球罐的使用场合基本上属于低温和常温，合理重点介绍常温球罐用的材料的选材标准。 球罐用钢的成分和性能特点（1）化学成分 球罐用钢必须含碳量低的钢才能使用，一般要将碳的质量分数Wc控制在0.24%以下。对球罐用钢来说，除了必须保证必要的强度指标而外，尤为重要的是要保证塑性、韧度，以及良好的可成型性和焊接性。而提高含碳量会使钢材的强度和硬度提高，塑性和韧度下降，可成型性和焊接性变坏。球罐用钢的S、P含量应是越低越好。一般要求是Ws0.035%、Wp0.03%。这是为了尽量减少钢的热脆和冷脆倾向。此外，刚中的O、N、H等元素的含量必须控制在尽可能低的水平。（2）力学

22、性能球罐在服役过程中将承受不同的压力、温度和介质等的作用，以致使其发射过量的变形、断裂、甚至导致失效；更有甚者会引起球罐爆炸，造成灾难性后果。从宏观上讲，球罐用钢的强度是指其抵抗外加载荷而不致失效的能力。通常强度仅指材料在达到允许的变形成都或在断裂前所承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等。 抗拉强度是材料的主要强度指标之一，它是材料在拉伸受力过程中，从开始加载至断裂所能承受的最大应力，是决定材料许用应力的主要依据之一。GB 228金属抗拉伸试验方法中给出了抗拉强度的定义和试验方法。球罐建造工程中，首先遇见到的就是选择钢材和计算球壳壁厚的问题。选择钢材的主要依据是钢

23、材的力学性能，工艺性能（主要是成型形和焊接性）和经济性。而必须首先满足力学性能指标就是所选择钢材的强度，只要满足这一个指标，球罐才不至于早期失效。设计球罐壁厚以及校核安全寿命时所使用的许用应力，也必须由正确的强度指标推算出来。同样，在球罐用钢的评定时，强度也是主要指标。 屈服点是指呈现屈服现象的金属材料，在所加外载荷不再增加(保持恒定)，而材料仍继续伸长变形时所对应的应力。对于在压力容器行业中通常使用的材料，规定以残余伸长率02时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点GB 228中给出了试验方法。工程上常用屈强比，作为压力容器用钢安全可靠性的参考指标。对于依据弹性准则设计的压力容器元件，它表示承

24、载能力的裕度。1时，属极端情况，这时任伺微小的超载都会导致元件的失效断裂，因而不能用来制造压力容器当 小于0.6时。虽然超载能力大，安全可靠性增大，但钢材的利用率降低。 刚性是结构抗弯曲和翘曲的能力，是度量构件在弹性范围内受力时变形大小因素之一，它与钢材弹性模量和结构元件的截面形状(截面惯性矩)有关。弹性模量是钢材在弹性极限内应力与应变的比值。 韧性用来衡量材料的抗裂纹扩张的能力。 由于韧性指标繁多，因试验方法不同而不能统一。目前各国均以夏比V形缺口冲击试验的吸收能量(Akv)来衡量，以期达到简单方便的目的。冲击(吸收)功，即具有一定形状尺寸的金属试样在冲击载荷下折断时所吸收的功，单位为焦耳(

25、J)。在球罐设计时应注意这一问题，必要时应参考钢材的冲击载荷变形曲线(P-曲线)来选择钢材。 球罐用钢的加工工艺性能（1）良好的冷加工成形性 球罐用钢必须具有良好的冷热加工成形性，以便通过冷热加工成形，特别是冷加工成形来制备出合格的球壳板，这就需要球罐用钢具有足够的塑性和韧度储备，只有通过球罐用钢的塑性指标来加以保证。一般，热轧、正火板的伸长率应大于20%。（2）优良的焊接性 球罐用材料对可焊性要球罐比通常的压力容器用材料要球罐更高，大量的双曲面对接焊，并处于高空全位置(平焊、仰焊、横焊、立焊)焊接，绝大部分屑于隐蔽：工作面，因而在材料的选择上就要严格考虑可焊性。常用的标准规范用于评价高强度钢

26、的可焊性和对接焊裂纹敏感性，一般采用钢板的碳当量Ceq和裂纹敏感性指数Pc来进行。碳当量Ceq 国际焊接学会(W)推荐用于低合金结构钢的碳当量计算公式：（%）一般要球罐屈服限为490MPa级的低合金高强钢Ceq的控制在O.45，说明可焊性良好。国外有些标准，按钢板的强度级别和不同热处理情况来提供Ceq。但大量研究结果表明，以此判断裂纹出现的可能性还不够完全，因而将拘束度(材料厚度)和开裂性(焊缝中氢的含量)的因素考虑在内，则裂纹敏感性指数Pc的计算公式：（%）式中 h-钢板的厚度，mm；H-焊缝中氢含量，mL/100g。 大量的试验说明当Pc>0.35时，裂纹产生的几率就大；当Pc0.3

27、0时，裂纹发生的几率就小。 球罐用钢的耐腐蚀性能球罐储存介质环境所造成的腐蚀破坏是经常发生的。腐蚀会使球罐表面受到破坏，产生腐蚀坑、裂纹、改变组织结构，使钢材的力学性能恶化，造成重大安全事故。我国已经液氨球罐由于应力腐蚀而失效报废的实例。造成腐蚀的原因很多，类型多种多样，如一般腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、氢脆、应力腐蚀、腐蚀疲劳等。具有关统计资料显示，在球罐等压力容器的破坏事故中，应力腐蚀造成的破坏占40%以上，因此，球罐设计中腐蚀问题是必须解决的。必须认真考虑耐腐蚀性能。 经济性设计中对球罐用钢提出了各种条件，势必在经济上增加了成本。在球形罐用钢的选择上。经挤指标是要重点考虑的，因为钢材的价格在整

28、个球罐的投资上占了相当的比例。作为一个优秀的设计工作者，对于材料的选用应作全面考虑，恰当地选用合适的材料如果认为选材要求越高越好的话，则造成优材劣用的设计绝不是一个好的设计方案。对材料要求不合适地提高，不但增加了材料的成本。也导致整个施工价格的上升，是一种极大的浪费。在设计选材时，必须着眼于确保安全健用又要经济合理。7.2 选择材料球罐材料不仅按其储存物料的性质压力，温度等因素选定具有足够强度的材料，而且还应考虑到所选材料应具有良好的焊接性能和加工性能，同时还应考虑材料的供给可靠性及经济性等；并且符合GB12337-1998钢制球形储罐、压力容器安全技术监察规程规定或具有全国锅炉压力容器标准化

29、技术委员会办法的“锅炉压力容器用材料技术评审证书”的国内外材料；球壳板厚度不宜超过50mm。 钢板材料我国自行设计、制造的球罐用材主要是20R、16MnR、16MnDR、15MnVR、15MnVNR，由于屈服极限低，多建造容积为400 m1 000 m的球罐，远远不能满足石油、化学、城市煤气等工业发展的需要，所以出现大量引进大型球罐的局面。近10年来，国内研制的490 MPa WCF62钢(低焊接裂纹敏感性的钢种)，新钢号为：07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR，及16MnR(WH5l0)、15MnNbR(WH530)和BP460N已用于工程，主要用于建造氧气球罐和低温球罐。使球罐

30、用材方面增加了很大的选择性，拓宽了球罐的应用领域，为我国球罐大型化奠定了基础。球罐用钢板国外有两条选材原则：欧洲国家广泛采用屈服极限294441 MPa级 的中强钢，属于Mn-Si、Mn-V、Mn-Nb和Mn-Ni-V系钢，厚度不加控制，当厚度超过规定的界限时，对球罐进行焊后消除应力热处理；两种选材原则各有其优缺点。根据我国长期生产球罐数据显示，钢板的使用状态：厚度大于30 mm的20R和16MnR钢板，厚度大于16 mm的15MnVR钢板，任意厚度的15MnVNR钢板，其他受压元件(法兰、平盖等)用厚度大于50 mm的20R和16MnR钢板应在正火状态下使用。当球罐的设计温度低于0时，厚度大

31、于25 mm的20R钢板，厚度大于38 mm的16MnR、15MnVR和15MnVNR钢板及当设计温度低于-10时，厚度大于12 mm的20R钢板，厚度大于20 mm的16MnR、15MnVR和15MnVNR。 壳体用钢板 常用球罐钢板的化学成分(质量分数)/%钢板名称CPSV其他20R0.20.0350.0316MnR0.20.0350.0315MnVR0.180.0350.0315MnVNR0.20.0350.0307MnCrMoVR0.090.020.03常用球罐钢板的力学性能名称板厚/mm伸长率冷弯试验180°20R6-16400-5202452531d=2a>16-3

32、6235>36-60225>60-100390-5102052416MnR6-16510-6403452131d=2a>16-36490-62032521d=3a>36-60470-60030521>60-100460-59028520>100-120450-5802752015MnVR6-16530-6653901931d=3a>16-36510-64537019>36-60490-6253501915MnVNR6-16570-7104401834d=3a>16-36550-69042018>36-60530-6704001807M

33、nCrMoVR16-50610-7404901747d=3a综上所述，针对本论文的设计条件，如果采用16MnR板的厚度为42mm ,从使用经验来看，16MnR钢是国内较成熟的压力容器用钢，从其焊接性、韧性、耐杂质应力腐蚀、产量、价格等方面都很好，较易满足加工、生产、运行等工艺要求。 锻件用钢球罐的人孔、接管往往采用锻件。人孔结构采用锻件可避免补强结构。接管采用锻件，增大自身补强，达到减少应力突变的目的。人孔锻件级别不应低于级。人孔锻件材料选用时，必须考虑其力学性能不低干球壳板材料的力学性能，且可焊性良好，经消除应力退火后，强度和韧性没有明显下降。锻件采用15MnVR。 焊接材料 球壳的焊缝以及

34、与球壳焊接的焊缝，应选用低氢型焊条，并按批号进行扩散氢试验方法按GB/T396的规定进行，烘干后的实际扩散氢含量应符合相关规定。焊丝和焊剂应与所施焊的钢种匹配。焊丝和焊剂应分别符合GB/T8110、GB/T10045、GB/T12470相关规定。第3章 结构设计7.1 设计参数设计压力： 2.2MPa 设计温度： 50 球罐内径： 12.3m 充装系数：0.85 贮存物料 ：液化石油气 焊接接头系数： 1.0最高工作压力： 2MPa 地震设防烈度：8度支柱数目：8根 拉杆选用：56圆钢球壳材料密度： 支柱选用:水的密度： 基本风压值： 基本雪压值： 物料密度：球罐建造场地：类场土地、近震、B类

35、地区 球面的积雪系数：Cs=O.4 7.2 球罐本体球罐的形式由多种，但最常用的为圆球型单层壳混合瓣型赤道正切支柱支撑式的球罐，我国国家标准GB12337-1998钢制球形储罐也采用这种设计的方法，我国目前建造的球罐绝大部分也为这种形式。本论文也以这种形式为基础，进行球形贮罐的结构设计。球罐一般体积、直径较大、不能够整体运输，所以必须在制造厂压制球片，加工制造支柱、分瓣接管等部件，然后运到使用现场进行组装焊接。 坡口设计球壳都是由球片焊接而成，因此焊接坡口的设计是保证球形贮罐质量的重要环节。坡口设计的原则是：便于施工、便于检验，焊缝有足够的强度又经济合理。目前，国内、外球罐的焊缝系数都采用=1

36、，因此坡口的设计更加重要。坡口设计的影响因素： 采用的焊接方法有关 当采用手工焊时，采用不对称X形坡口或Y形（V形）坡口；当用自动焊或者气电垂直自动焊时，按所用的焊接情况选定适当的形式坡口。 球壳钢板的厚度有关 采用手工焊，当钢板的厚度小于20mm时，一般采用Y形（V形）坡口；当钢板的厚度大于20mm时，一般采用X形坡口。为了减少仰焊，也由壁厚38mm时也采用Y形坡口，但它的立足点是压迫反面刨坡口，然后再焊，其实质ue是不对称X形坡口。 焊缝所在的球壳部位（即焊工的操作位置）有关 当采用手工焊焊接不对称X形坡口时，一般适宜把上温带、上极板的纵缝及赤道带上环缝以上的所以环缝的大坡口放在内侧，小坡

37、口外侧；反之，把赤道带、下温带和下极带的纵缝及赤道带下环缝以下的所有环缝的大坡口放在外侧。小坡口在内侧。这样有利于碳弧气刨情根及渗透检验的操作，同时小坡口侧便于预热、定位焊工作。 焊接工艺有关 在手工焊不对称X形坡口时，我国及日本习惯于采用小间隙坡口结构。坡口的设计就是确定坡口结构的三个要素，即角度、间隙及饨边尺寸大小（包括误差）。图3-1为球罐采用的Y形（V形）坡口和不对称X形坡口的结构形状及尺寸。图3-1典型坡口形状及尺寸7.3 支座设计球形贮罐支座是球罐中用以支撑本体质量和储存物料质量的结构部件。由于球罐壳体呈圆球状，给支座设计带来一定的困难，它既要支撑较大的质量，又由于球罐放于室外，需

38、要承受各种自然环境影响，如风载荷、地震载荷和环境温度的变化作用。为了对付各种影响因素，结构形式比较多，设计计算比较复杂。支撑主要可以分成柱式支撑和裙式支撑两大类。柱式支撑中又以赤道正切柱式支撑为国内外普遍采用。本论文也将采用这种结构。3.3.1 设计准则（1）赤道正切柱式支座必须能够承受作用于球罐的各种载荷，（壳体及附件重量、储存物料重量、风载荷和地震载荷）支柱构件要有足够的强度和稳定性。（2）支柱与球壳连接部分，既要能够充分地传递应力，又要求局部应力水平尽量低，因此焊缝必须有足够的焊接长度和强度，并要采取措施减少应力集中。（3）支柱是否能经受由于焊接后整体热处理。（4）支柱上部柱头是否需要与

39、壳体采用同样材质？由于相当数量的球罐用于储存低温物料，低温球罐要求球壳材质能耐低温，因而同样要求柱头也采用耐低温材料。因此，赤道正切柱式支柱有分段结构问题。如果不是特殊材质的球罐，则可采用不同材质制造支柱的上柱头及球壳。（5）支柱在球罐储存易燃介质时，必须考虑防火隔热问题，要设置防火隔热层，以保证在灌区发生火灾场合下，使球罐不至于在短时间内塌毁而造成更大的灾难。3.3.2 赤道正切柱式支柱结构 赤道正切柱式支柱结构特点：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近乎相切而焊接起来。支柱支撑球的重量，为了承受风载荷和地震载荷，保证球罐的稳定性，在支柱之间设置拉杆相连，这种支柱的

40、优点是受力均匀，弹性好，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修也方便；并且适用于多种规格的球罐。它的确定主要是重心高，稳定性较差。 （1）支柱结构 支柱由圆管、底板、端板三部分组成，分单段式及双段式两种。（2）支柱与球壳的连接 主要分为有垫板和无垫板两种结构，有垫板结构可以增加球壳板的刚性，但又增加了球壳上的搭接焊缝，在低合金高强钢的施焊中由于易发生裂纹，探伤检查又困难。故应该尽量避免采用垫板的结构。目前国内球罐的标准设计中都采用无垫板结构，引进球罐中大部分采用无垫板结构。支柱与球壳连接端部结构分为平板式及半球式两种。半球式受力较合理，抗拉断能力较强。平板式结构超成边角的高应力状态，结构

41、不合理。支柱与球壳连接的下部结构，分为直接连接和有托板连接两种。有托板结构，可以改善支撑和焊接条件，便于焊缝检验。 拉杆结构 7.4 人孔和接管3.4.1 人孔3.4.2 接管结构在本球罐的设计中接管的尺寸分别是DN25，DN40，DN150，所有接管均进行补强，并对与DN25以上的接管均采用整体凸缘补强。（5）提高接管的抗疲劳性能措施 球壳与接管的连接焊缝，除了应具有足够的强度外，还应该具有抗疲劳的能力。以克服进出料时的冲击、管道的振动、操作压力的波动和工艺配管应力等因素引起的疲劳破坏。7.5 球罐的附件 梯子平台为了便于日常操作、检修以及安全阀的定期校验，球罐一般设有顶平台及直达平台的梯子

42、。由于球罐的工艺接管及人孔大部分都设置在上极板处，顶部平台作为工艺操作用的平台，中间平台是作为检查球罐赤道部位外部情况用的。球罐的梯子和平台结构往往与球罐的数量，现场布局和工艺操作要求，有不同结构形式。大型球罐，一般采用每以台球罐以个单独的梯子，梯子结构分成：上部盘梯和下部斜梯。上部盘梯的较好形式是把它造成近似于球面螺线形。因为近似于球面螺线形盘梯具有以下特点： 由赤道处中转平台可以一直连接到容器顶部的圆形平台，中间不再需要增加中转平台，行程较短行走舒适，没有陡升陡降的感觉。 耗用钢材较少。 梯子与球面的距离始终保持不变。这样，不仅梯子与球面曲率协调一致，美观大方，还有利于保温工程的施工。近似

43、球面螺线形盘梯的设计计算如下：(1)R1的计算 一假想圆球的半径； R一球罐的内半径；球罐壁板厚度，t梯子或顶平台板与球面最小距离。取=42；R=6150；t=200 可得：=6150+42+200=6392mm(2)的计算-顶平台最大半径；-顶平台板厚度；b1-梯子侧板宽；R2-顶部平台半径 取=5mm，b1=180mm，（3）Z1的计算（4）r的计算r盘梯中心回转半径；b梯子宽度（包括测板宽度）。b=712mm（6）的计算=-盘梯圆柱中心轴线与球心的距离 X0在坐标中的值为负。（7）的计算=1000以下的小型球罐不必设置内部旋梯，可以采用直梯，架设若干脚手架来实现内侧焊缝的检查。本设计将不

44、采用内部旋梯。1000以上的中型球罐可设置内部转梯，满足球罐投料运转后，经常开罐检查裂纹和腐蚀情况的需要，但是由于转梯较复杂、耗材大；又减少了物料的装填量。4000以上的大型球罐设置转梯很困难，可以在球罐内灌水，检测人员乘坐橡皮艇进行检查，这种方法较简单。但是有焊缝防锈问题。 水喷淋装置球罐上装设水喷淋装置是为了内盛的液化石油气哦、可燃性气体及毒性气体的隔热需要、同时也可以起消防保护作用。但是，隔热和消防保护有不同要求，一般淋水装置的构造为环形冷却水管或导流式淋水装置。（1）淋水管的设计 淋水管原则上要求采用镀锌水管或具有同等以上耐热性，耐腐蚀性及强度的钢管。淋水管的洒水孔口径为4mm以上。以

45、防止水垢，灰尘堵塞洒水孔。 淋水环形管洒水孔的个数按下式确定：洒水环行管的设计计算：球罐直径：=12300mm；壁厚=42mm；设计压力P= 2.2Mpa；洒水量Q=10L/min.m2水压：0.1 MPa（2）所需洒水量球罐外表面：所需洒水量：Q=475.02×10=4750.2 L/min（3）洒水管的口径水流速：V=2m/s=120m/min所需管径：（4）洒水孔数式中：N-洒水孔数； d-洒水孔径，mm；Q-所需淋水量，Kg/min 。 隔热和保冷措施（1） 隔热设施 储存液化石油气、可燃性气体和有毒气体的球罐壳体和支柱，应该设置隔热设施。隔热设施可以采用水喷淋装置或者采用不

46、燃性绝热材料覆盖。水喷淋装置上面已经介绍，据日本有关规定：当采用不然性绝热覆盖方式隔热时，对球罐本体用5mm以上的玻璃纤维或者具有同等以上性能的不然性绝热材料覆盖，再于绝热材料外侧用0.6mm以上厚度的钢板或具有同等以上强度的材料覆盖。对高度为1m以上的支柱，用厚度50mm以上的耐热混凝土覆盖。（2）保冷设施 在球罐中储存须保持低温的物料时，应设置保冷装置。保冷结构应充分防止外界热量侵入储罐本体。由于一些物料的沸点很低，蒸发潜热相当低，要保持这些物料的液态，不至于蒸发是相当困难的。除此之外，保冷结构要在地震、风压力、雨、消防用水的压力等影响下，能保证绝热的效果，不至于破坏。液化石油气、可燃性气

47、体及毒性气体的有保冷设施的球罐，其保冷层表面采取如下措施。 一般应该用耐热材料覆盖在保冷材料表面。 在外表设有喷淋水等有效防火装置时，耐热材料的要求可降至具有200保温30min的性能。 不然性保冷材料如具有900、30min以上的耐热性能时，可只加适当的外部装饰，而不必另加耐热材料覆盖。 不然性或难然性的保冷材料如不具有900、30min以上的耐热性能时，表面应该覆盖不然性耐热材料，该不然性耐热材料的厚度，按使用的要求考虑。 在使用不然性保冷材料的场合，或耐热此阿里的保持温度可以考虑为200时，则可使用难然性材料作外层装饰。如果球罐的物料不要求隔热措施时，则上述五点措施规定是不必要的。保冷材

48、料有不然性和难然性两种。不然性保冷材料有珍珠岩、石棉、成型玻璃棉、玻璃棉等；难然性保冷材料有经难燃处理的塑料成型板、塑料布等。本球罐设计采用聚氨基甲酸乙酯做保温层。3.5.4 液位计储存液体和液化气体的球罐中应该装现场和远程液位计。目前，球罐中采用的液位计主要有浮子-齿带液位计、玻璃板式液位计、雷达液位计、超声波液位计等多种。浮子-齿带液位计一般都敷设有可以指示高液位和低液位的玻璃板式液位计。由于浮子-齿带液位计操作安全、可靠、灵敏度高、读数方便、准确，是比较理想的球罐用液位计；玻璃板式液位计直观性好，在上下接管处装有可自动切断的阀门，上下阀内最小通道5mm，阀内装有钢球，当玻璃板意外事故破坏

49、时，钢球在容器内压力作用下，起自动密封作用，防止容器内液体外流。雷达液位计是利用超高频电磁波经天线向被探测容器内的液面发射，当电磁波碰到液面后反射回来，仪表检测出反射波及回波的时差，从而计算出液面高度。超声波液位计是利用超声的各种特性来测量液位。如利用声波碰到液面发射反射波的原理，测出发射波及回波的时差，从而计算出液面高度，可以用于连续测量。液位计设置时要在高、低液位线有报警装置，防止装载过量、抽空、以免发生事故，特别在装载液化气时更要慎重。 压力表为了测量球罐的压力，球罐应设置压力表。考虑到压力表由于各种原因而发射故障，或由于仪表检查而取出等情况，应在球壳上部和下部各设一个以上的压力表。压力

50、表的最大刻度为正常运转压力的1.5倍以上，但是不要超过3倍；为了使压力表读数尽可能正确，压力表的表面直径应大于150mm。压力表前应安装截止阀，以便在仪表校时可以取下压力表。 安全阀（1）安全阀的种类、数量及可设置的位置 为防止球罐运转异常造成内压超过设计压力，应在气相部分设置一个以上的安全阀。以便及时排出部分气相物料，自动地将内压回复到设计压力以下。同时，在气相部分还要设置一个以上的辅助的火灾安全阀，使得由于火灾而使球罐内物料温度及压力上升时，能自动发生作用，排泄物料，确保球罐不超压。安全阀的型式通常采用直接载荷弹簧式。（2）泄放压力 安全阀开启压力应根据不同工艺操作压力而定。一般取Pz（）

51、P;当Pz0.18Mpa时，可以适当提高Pz对P的比值。其中Pz为安全阀开启压力，P为球罐的工作压力。本设计的球罐工作压力为2Mpa,取开启压力为2.1Mpa。 操作用安全阀的开启压力 至少有一个安全阀的开启压力不应大于设计压力。 火灾用安全阀的开启压力 应使容器内的超压限度不大于设计压力的16%。（3）安全阀的排泄量介质为易燃液化气体或位于在有可能发生火灾的环境下工作时的非易燃液化气体，有完善的绝热保温层时，（4） 安全阀的选用 一般安全阀的选择，由操作压力选定安全阀的公称压力，由操作温度确定安全阀的使用温度范围，由计算出的安全阀的定压值确定弹簧的调压范围，在根据操作介质确定安全阀的材质和结

52、构形式，然后根据安全阀泄放量计算出安全阀的喷嘴面积。7.6 球罐对基础的要求球罐的基础用于支撑球罐本体、附件及操作介质和水压试验时水的重量。 一般采用钢筋混凝土结构。球罐基础主要是承受静载荷的作用。由于土壤的土质构造不同会产生不均匀沉降问题，这是般静设备的基础都共有的基本问题。 (1)日前绝大多数球罐都是采用赤道正切柱式支撑，支撑作用点集中在数量不多的支柱底板处。一般球罐容积比较大，而且容器做水压试验时重量较大。分配在每根支柱上的重量也是很大的。(2)球罐体积大，一般都要在现场组焊成球，现场的组装基准是从基础上找的，因此，球罐的基础要求比较高。(3)球罐采用柱式支撑，当地基发生局部下陷的时候，

53、将会引起支柱载荷不均匀。有资料介绍，在1mm不均匀下沉的情况下，一跟支柱就要产生比其他支柱高10左右的应力。为了尽可能达到均匀下沉。应把基础设计成耐扭曲的环形基础。另外，对设置在地震区的球罐采用环形基础也是必要的。7.7 球罐对抗震结构设计我国是个地震分布较广的国家，最近几年又处在地震活动高潮期，连续发生辽南海城地区（1975年）、唐山地区（1976年）、四川汶川地区（2008年）等数起强烈地震，使人民生命财产遭到严重损失。球罐作为工业设备一种，由于它多用于贮存易燃、易爆的物料、贮量又大，如何防止它在地震中不发生严重损坏及引起危及人身和生产安全的次生灾害，抗震设计是一个重要的课题。赤道正切支柱式支撑的结构，由于在各相邻支柱之间设计了拉杆，故它除了能经受风力载荷作用外，还能经受地震水平载荷作用，因而具有一定得抗震能力。根据对唐山和汶川地区进行震害的调查资料表明，这种球罐在经受7-9度地震强度后，球体都完好无损。只有个别球罐的