1000m3球罐的焊接结构和工艺设计毕业论文

1、摘 要1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3000m3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18000mm 、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

2、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IAbstractThe designOf 3000m3 liquidammonia isbasison both theGB12337-2010 and GB150-2011 designof considering the existing manufacturing technology of tanks both at home and aIn the principles of of pro

3、duct quality and construction feasibility,isdesignedfornominal diameter wall thickness 44mm. The selection of materials in this desiis in consideration, compared with some different has be choosen.Also, the design and selection of the spherical support is considerfinally hybrid strucure and adjustab

4、le tension support seems to be the most reasonablthe strength and stability test, the result shows this design of structure is safe anBased on the spherical tank welding materials analysis to determine the welding matand welding methods. According to different characteristics of each weld, developed

5、 aspecific welding seam of each sequence and groove type, and selected welding parameteAfter the installation and welding of the spherical container, there need to conducwhen theweldingandthesoon.Inthewereconductedaexposition, and were introduced the corresponding resolve methods and attention matte

6、Keywords:spherical weldingII1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1.5课题研究方案552 3000m球罐的结构设计62.1 3000m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2.4.1支柱2.4.2底板2.4.3拉杆141415152.5人孔和接管152.5.1

7、人孔结构2.5.2接管结构15152.6球罐的附件162.6.1梯子平台162.6.2液位计2.6.3安全阀1616III2.6.4溢流阀162.7球罐对基础的要求163 焊接性分析173.1材料的焊接性分析173.1.1 173.1.2Q345R 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）3.3焊接方法与填充材料的选择18204 球罐强度计算及稳定性校核204.1设计条件4.2球壳计算20204.2.1计算压力204.2. 224.3球罐质量计算4.4地震载荷计算22234.5风载荷计算244.6弯矩计算4.7支柱计算25254.7.1单个支

8、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30IV4.10.1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 的剪切应力4.11.2 的纬向应力4.11.3 的应力校核3232334.12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

9、.2进出料及安全阀365 工厂制造及现场组装405.1 球罐生产的准备工作5.2材料的进厂入库检验40405.3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5.4.1毛坯尺寸下料5.4.2二次精确下料4141415.4.3球瓣的压制415.5现场装配与焊接5.5.1施工准备42425.5.2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456 球罐的焊接工艺466.1焊接工艺评定466.2焊工资格46V6.3施焊环境6.4焊前准备46466.5焊件的预热476.6定位焊和工装夹具焊接476.7

10、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6.9焊后热处理52537 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附录B6178VI1绪论1.1引言工工艺手段。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

11、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，随之年我国球罐约11001985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1000m 仅用材消耗量就比同

12、容积圆筒形容器节3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50m 容积的球罐，直径3就达到4.6m，已不适于整体常规运输，须在现场组装焊接，而100m 容积的卧（立）3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

13、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。11.2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3 MPa以下。球罐的特点：(1) 容器节约30 %40 %的钢材。(2) 相同内压条件下，

14、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(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

15、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 5万余40 500600 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500500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1976 年已建成容量为m 61m 的核0.190.24 38 mm 236 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 m液氨球罐 0.5

16、20 mm ,球罐质量274.6 目前我国在役球罐主要参数：容量为5010000 m，内径为4.6 常压至4MPa，设计温度为-10460。我国球罐容量1000m 以下的占总量的90%左右、其中100400m 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

17、瓣混合型。世界各国在役球罐平均每10年发生2370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%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

18、证质量的关键。1.3.2焊接设备应用现状强国，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3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

19、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

20、接设备的效率况且，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，但由于重新立项对其进行开发与应用研究。中国石化总公司第三建设公司自1993年8月率先将自保焊和气保焊自动化焊接工艺技术进行工艺开发。并在球壳的纵缝、环缝、仰焊位置进行试验及焊接工艺评定，于1993年12年12月至1994年55台容积为1000 m 3年10月至1995年31000 m 液化石油气球罐自动焊；31996年3月至1996年9月，完成了镇海炼化公司的4台容积为4000 m 球罐的全位

21、置3年12月至1997年3月又完成了苏州两台1000 m 3劳动监察、设计等部门确认验收、投入运行；一次焊接合格率达 95%以上，最高达到98.7 在开发研究大型球罐全位置自动焊接工艺技术的实践过程中，可以看到、只有着重4解决焊接设备、焊接材料、焊接工艺三方面的问题才能顺利实现球罐全位置启动焊。1.4课题主要内容1 球罐材料的选用；2 球罐的结构设计；3 球罐的强度计算；4 工厂制造及现场组装；5 球罐的焊接；6 球罐的检查。1.5课题研究方案本文设计的是一个容积为3000m，工作压力为1.6MPa的球罐，介质为液氨，球罐的材料为Q345R 钢，支柱材料选用Q235B 钢。本文设计的主要内容包

22、括以下几个方面：球罐的几何尺寸的计算与校核、受压元件装配的设计、气密性试验和无损探伤的设计，最后完成整个装配图和零件图的设计。通过对Q345R 和Q235B 手工电弧焊的焊条选用J507和及设计坡口形式。522.1 3000m球罐的参数2.1.1主要技术参数（一） 设计温度（二） 设计压力罐内储存液氨，取设计压力P=1.6MPa。焊缝系数球罐进行100% =1.02.1.2球罐用钢的基本要求分析材料是球罐设计、制造的基础，材料的性能和质量的优劣直接影响着球罐的质量和安全使用。在球罐的设计参数中指定存储的介质为液氨，设计温度为 GB12337-2010钢制压力容器为设计依据，在以安全为原则的基础

23、上综合考虑经济适用性、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选用球罐材料。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，选择原则是在满足强度要求的前提下，应保证良好的成型性、优良的焊接性能、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。2.1.3球罐用钢的确定由于本球罐为常温球罐，且公称容积为 3000m ，根据我国球罐钢材实际生产使用情况等因素确定此次设计的球罐球壳采用Q345R 这种材料。2.2球罐的结构设计要求球

24、罐的结构设计要做到在满足工艺要求的基础上，具有足够的强度和稳定性，结构尽可能简单，使其压制成型、安装组对焊接和检测实施容易。本设计为常温球罐，在满足普通球罐的结构设计要求下，还要充分考虑常温球罐要6遵循的设计原则。常温球罐的结构设计要求应有足够的柔性，需充分考虑以下因素：1、结构应尽量简单，减少焊接件的约束程度；2、结构各部分截面应避免产生过大的温度梯度；3、应尽量避免结构形状的突变，接管、凸缘端部应打磨成圆角，使其内、外拐角均呈圆滑过渡。2.3球壳的设计2.3.1球罐结构型式的选择两种形式。对于容积等于 3000m 的球罐，采用混合式球壳有板材利用率高，球壳板制造厂的成本低，运输方便的优点，

25、同时混合式球壳要比橘瓣式球壳的焊缝总长度短很多，这对也减少了焊缝的检测量。并且由于焊缝球罐壳体的薄弱部分，因此，焊缝减少以后也使得球罐的质量和安全性有所提高。综合考虑以上影响因素，决定本球罐球壳选用混合式排板结构。2.3.2混合式结构排板计算GBT+17261-2011 钢制球形储罐型式与基本参数表2，得：R球罐半径，9000mm ；N赤道带分瓣数，24；赤道带周向球心角，15；赤道带球心角，105；0极中板球心角，21；1极侧板球心角，9；2极边板球心角，18。372上温带板图R 弧长L16485mm0105弦长L 2Rsin 2 9000sin14280mm0222R2 9000 105c

26、os弧长BcosN 202421105 15弦长B 2Rcos sin 2 9000cos sin 02 22 212R 2 弧长B2355mm15N2弦长B 2Rsin 2 9000sin 222弦长 D 2R 1 22 1 20222222RD 9000 arcsin弧长D arcsin90 2R901800083赤道带图R 弧长L7065mm045弦长L 2Rsin 0 2 9000sin6888222R2 9000 45cos 弧长BcosN 20242145 15弦长B 2Rcos sin 2 9000cos sin 02 22 212R 2 弧长B2355mm15N2弦长B 2Rs

27、in 2 9000sin 222弦长 D 2R 1 22 1 20222222RD 9000 arcsin弧长D arcsin90 2R901800094.极板图2-3极板示意图对角线与弧长最大间距：H 1 1 9 221222R122 2弦长BmH1RB弧长B 11 2R弦长D 2B 2 10RD弧长D 02R0R 2 2 9弧长B122弦长B 2Rsin2 9000 122210（1）极中板图2-4极中板示意图对角线弦长与弧长A 1 21 21212222R 弧长B12弦长B 2Rsin 2 9000 122R 2 弧长L122弦长L 2Rsin2 9000 12222R 12 212 2

28、2弦长LmA1弦长B 2Rsin cos2 9000 112 21RB弧长B 21 2R弦长D L B 21212211RD弧长D arcsin 314 arcsin902R18000（2）极侧板图2-5极侧板示意图弦长L 1)弧长L 12R122 2弦长LmH2RL22R弧长L 22R 9弧长B2弦长B 2Rsin 2 9000 222L22RK 82R1K 2Rsin cosA 2 9000 112 22R弧长Bmm1112弦长B 2Rsin 2 9000 121弦长D B L L 22121RD18000弧长D arcsin 314 arcsin90 2R5极边板图2-6极边板示意图R弧

29、长L 02 21弦长L 2R 2 021弦长L 3弧长L 3R 弧长B 2826mm23弦长B 2Rsin 322D 002R222132 2RH122 2 2MM 2R023422 2 2 32 22 2 R 弧长B12弦长B 2Rsin 2 9000 sin2221弦长D B LL 2121 3RD18000弧长D arcsin 314 arcsin90 2R)R 9000 弧长L41801802弦长L 2Rsin2 9000 sin32222.4支座设计支座，支柱与球壳的连接为赤道正切型式。赤道正切柱式支座结构特点：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布风载等外载荷。为保证球罐的稳

30、定性，在支柱之间用拉杆相连。2.4.1支柱罐，应采用双段式支柱形式。上下两段支柱采用相同尺寸圆管或圆筒组成，且上段设计高度不宜小于支柱总长的1/3。按常温球罐设计要求，上段支柱采用与壳体相同的常温材料，下段支柱可采用一般碳钢。因此确定上段支柱的材料为Q235B 钢管，下段支柱14的材料为Q235B 钢管。的突变，半球式结构受力合理，圆滑过渡。支柱与球壳连接下部结构，采用直接连接的结构形式。2.4.2底板支柱底板上开设地脚螺栓孔时，应为径向长圆孔，以便于球罐整体焊后热处理过程中，由于热胀冷缩使支柱径向移动。底板的材料选用Q235B 钢板。底板中心应设置通孔。2.4.3拉杆拉杆是作为承受风载荷及地

31、震载荷的部件，增加球罐稳定性而设置。本球罐选用单层交叉可调式拉杆，拉杆分成长短两段，用可调螺母连接，以调节拉杆的松紧度。拉杆的材料选用Q235B 钢。2.5人孔和接管2.5.1人孔结构1、人孔结构的作用初选球壳板厚度大于16mm ，根据文献规定，球壳板厚度大于或等于16mm 的低合金钢制常温球罐应进行焊后整体热处理。2、人孔结构的选用本球罐设有两个人孔，分别设置在上下极带的中心，直径选用DN500。本设计为工作压力1.6MPa 的常温球罐，在上极带采用水平吊盖整体锻件凸缘补强人孔，在下Q345R。2.5.2接管结构在上极带只开设两个安全阀口，其余管口均开设在下极带上。为了保证焊接质量，接管均采

32、用厚壁管补强，接管材料选用Q235B。152.6球罐的附件2.6.1梯子平台在球罐设计时，为了使球罐便于日常操作、检修，在球罐外部一般设置顶平台及直 以下2.6.2液位计根据球罐储存介质、设计压力、温度等条件选用 B 型防霜液位计，公称压力PN4.0MPa，翅片涂紫色标志，布置在球罐的下极带。2.6.3安全阀为防止球罐运转异常造成内压超过设计压力，应在气相部分设置安全阀。本球罐在上极带设置两个安全阀。安全阀型号为A41Y/F，A41 型弹簧微启式安全阀(封闭型)，该类型安全阀采用弹簧直接载荷式，法兰连接，整体封闭式结构。2.6.4溢流阀系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统压力

33、超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加。本球罐选用直动型溢流阀。2.7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。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，球罐的基础精厦要求比较高。(3)球罐采用柱式支

34、撑，当地基发生局部下陷的时候，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。1633.1材料的焊接性分析3.1.1 球壳板采用Q345R 低碳低合金钢，其化学成分和力学性能分别见表3-1和表表CPS 表 ） ）sb Q345R 与碳钢有差别，主要是焊接热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹有敏感性较大，含有碳、氮化合物形成元素的低合金高强度钢还存在再热裂纹的危险等。其含C量小于等于 含量在

35、Si的含量在Ni、Mo、Cr、Nb、Al、V含量都为零。S的含量小于等于的含量小于等于低合金高强度钢中W（C）一般控制在0.20%以下，为了却保钢的强度和韧性，通过添加适量的Mn、Mo 等合金元素及V、Nb等微量合金化元素，配合适当的好的焊接性、优良的可成形性及较低的制造成本，因此，被广泛的应用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、机械海洋结构、船舶等制造中，已成为大型焊接结构中最主要的结构材料之一。Q345R 使用。3.1.2Q345R 的焊接性1.热裂纹：对于此类钢，一般含碳量都较低，含锰量又较高，因而w（Mn）/w(S)硫量很高时，也会出现热裂纹。2.冷裂纹：此类钢由于含有少量的合金元素而增加了

36、淬硬性，其冷裂倾向比低碳钢17要大一些。其在焊接快冷时会出现少量的铁素体、珠光体及贝氏体和大量的马氏体。因此，其冷裂倾向比低碳钢大。3.再热裂纹：此类钢由于不含强炭化物形成元素，因而对再热裂纹不敏感。4.层状撕裂：层状撕裂往往出现在钢制结构的施焊或使用过程中，是轧制板材中存在层状夹杂物条件下，在板材厚度方向受到较大拉应力时产生的。一般来讲，层状撕裂16mm 以下就不易产生层状撕裂。5.脆化和软化：其产生脆化的原因是因为含碳量不同而异。当碳的质量分数偏于下限（0.353.3焊接方法与填充材料的选择焊接方法为手工电弧焊。焊接材料如下：球壳板主体焊接采用J507焊条，球罐附件焊接采用J427焊条，关

37、于焊条的具体要求见表表3-3焊接材料表1944.1设计条件设计压力：p=1.06MPa球壳内直径：D 18000mm0储存物料：液氨接管材料选：Q345B支柱材料选：Q235B拉杆选：40MnB底板选：Q235B4.2球壳计算4.2.1计算压力静夜柱高度按1 2K 13H 代入数据解得H=13600mm设计压力：P=1.6MPa20图球壳各带的物料静夜柱高度h=0mm1h=1155mm2h=8043mm3h=11739mm4h=13600mm5物料密度 =480kg/m32重力加速度g=9.81m/s2球壳各带计算压力：p p h g 109cii 2p p p h g 99c22 2p p

38、h g 99c33 2p p h g 99c44 2p p h g 1 99c55 2214.2. D球壳内直径，18000mm ；i设计温度下球壳材料Q345R 的许用应力，157MPa；C厚度附加量，C C C 1 1 2mm ；12p D i p 180004 157 C2 d1d2d3d4d5tp Dc2 i p 180004 157 C2 tc2c3c4c5p Dc3 i p 180004 157 CCC2 2 2 tp Dc4 i 180004 157 ptp Dc5 i p 180004 157 t取球壳的名义厚度 44mmn4.3球罐质量计算球罐平均直径： D 18044mmc

39、p球壳材料密度; 7850kg31充装系数：K=0.85水的密度： 1000kg33球壳外径：D 18088mm0基本雪压：q 300N （以沈阳地区五十年一遇最大雪压选取）2球面积雪系数：C s球壳质量：m D 9 2 92cp1n 122物料质量：m D K 1018000 480 10 1245248kg39396i622液压试验是的质量： m D 1018000 1000 10 3052080kg39396i633积雪质量：mD C q 3 3 664g0c4g4支柱和拉杆质量：支柱选12l=10100mm。材料为Q235B 号钢。m ) 222665操作状态下球罐质量：m =m +m

40、 +m +m =353116+1245248+3143.6+9400=161090720145液压试验下球罐质量：m =m +m =353116+3052080=34051961T3球罐的最小质量：m = m =3531161min4.4地震载荷计算支柱底板面至球壳中心距离：H =10800mm0支柱数目：n=12支柱材料Q235B 钢常温弹性模量：E 2.010MPa3s支柱外径：d 600mm0支柱内径：d 564mmi支柱截面惯性矩：I d ) ) 44i44940支柱底板面至拉杆中心线与支柱中心线交点处距离：l=7300mml 7300 2 73002拉杆影响系数： 1 ( )(3 )

41、 1 ( )(3H) 0.188210100 10100H00球罐的基本自振周期：23m H 3333T0554sIs3 59综合影响系数; C 0.45z SH3048-2010表maxGB12337-2010 表14、图9查得 =0.12max对应于自振周期T的地震影响系数：TgT2 max 球罐的水平地震力：F m geoF 497397 473304Ne4.5风载荷计算k1GB12337-2010表171k风振系数，k221q基本风压值，550N/m ；0H 支柱底板底面至球壳中心的距离，8m；0fGB12337-2010表181f2球罐的水平风力：F D kkq ff 420 1 2

42、 0 1 26wF N2 6 44w244.6弯矩计算F F wmaxew比较得F =F =3.2x10N646maxew力臂：L H l 10100 7300 2800mm0由水平地震力和水平风力引起的最大弯矩：M F L 10 2800 10N69maxmax4.7支柱计算4.7.1单个支柱的垂直载荷 N6液压试验下的重力载荷 N6TTB.支柱最大垂直载荷：支柱中心园的半径：R=R =9000mmi按GB12337-2010表17计算最大弯矩对支柱产生垂直载荷的最大值（F） M 10 10 N95i maxmax拉杆作用在支柱上的垂直载荷的最大值 ） N65i j maxmax以上两力之和

43、的最大值（F P ） ii j maxmaxmax 10 7300 10 10 N965操作状态下支柱的最大载荷W G P ) N66500ii j 25液压试验状态下支柱的最大垂直载荷F 104 106W G 0 P ) 10 105 106w6FT0ii j max4.7.max2 单个支柱弯矩 偏心弯矩操作状态下赤道线液柱高度：h 4600mmoe液压试验状态下赤道线的液柱高度：h 9000mmTe操作状态下物料在赤道线的液柱静压力：P h g 99oeoe 2液压试验状态下液体在赤道线的液柱静压力P h g 9 99TeTe 3球壳的有效壁厚C 44 2 42mmen操作状态下物料在球

44、壳赤道线的薄膜应力： P ) 42)oeie44 42oee液压试验状态下液体在球壳赤道线的薄膜应力： P ) 42)TTe4ie4 Tee球壳内半径R=9000mmi球壳材料泊松比 0球壳材料弹性模量E 105操作状态下支柱的偏心弯矩RWoe i 0 106 105M ) N 7E01液压试验状态下支柱的偏心弯矩RWTe i T 106M ) N 7E 105T1 附加弯矩：操作状态下支柱的附加弯矩6EI R6 2 108 10 90005 8M ) 10 N mm8soe iH E10100 1002225026液压试验状态下支柱的附加弯矩6EI R 6 10 10 900058M ) 1

45、0 N mm8sTe iH E10100 2 102 5T220 总弯矩：操作状态下支柱的总弯矩M M M N 87800102液压试验下支柱总弯矩M M M 10 10 2 10 N mm788TT1T24.7.3支柱稳定性校核支柱的偏心率计算单个支柱的横截面积A d ) ) 2202i244单个支柱的截面系数 d ) 580)4032d4i44Z 10632 6000操作状态下支柱的偏心率M A 10 2755370W Z 10 100660液压状态下支柱的偏心率M A 10 275538TW Z 10 10T66T稳定性校核：计算长度系数K 13I支柱惯性半径ri AK H 10100支

46、柱细长比3 0r i操作状态下偏心受压支柱的稳定系数，查表得op液压试验状态下偏心受压支柱的稳定系数，查表得Tp27支柱材料Q235B205MPa137MPass c操作状态下稳定性校核W 10693MPa137MPa0A 32895 cop液压试验状态下支柱稳定性校核W2 106130MPa137MPaTA 32895 cTp支柱稳定性校核通过4.8地脚螺栓计算4.8.1拉杆和支柱之间的夹角 拉杆作用在支柱上的水平力F p tan 10 10 N55ci jmax4.8.2支柱底板与基础的摩擦力底板基础选钢筋混凝土基础与地板的摩擦系数f s底板与基础的摩擦力m g Ff s 5ns4.8.3

47、地脚螺栓因为FF故罐必需设地脚螺栓sc每个支柱上的地窖螺栓个数：n 4d地脚螺栓材料Q235B235MPa地脚螺栓材料的许用剪切应力 235 94MPaBs28地脚螺栓腐蚀余量C =3mmB地脚螺栓的螺纹小径F Fs 105d C 3 n4 94BBdB选取M30 的地脚螺栓4.9支柱底板计算4.9.1支柱底板直径基础采用钢筋混凝土，其许用压力 bc地脚螺栓直径d=30mm支柱底板直径W 83D D d 600 840900mmb20选底板直径为D 1100mmb4.9.2底板厚度，底板的压应力 4 106maxD 1100bc2b2底板外边缘至支柱处表面距离 l250mmb2底板材料选Q23

48、5B底板材料弯曲许用应力235MPas156MPas b底板腐蚀余量C b底板厚度3 C3 22C3 m bbbb29选底板厚 65mmb4.10拉杆计算4.10.1拉杆螺纹小径计算：拉杆的最大拉力D4 105cos F 10 N5i jmaxT拉杆材料40MnB635MPas拉杆材料许用应力T 拉杆腐蚀余量 C 2mmT拉杆螺纹小径F 5d TC T2 rT选取拉杆螺纹为M444.10.2拉杆连结部位的计算 销子直径销子材料选择40MnB635MPas销子材料的许用剪切应力 635 254MPapsF 5销子直径d p37mmrp选取销钉直径为 d 40mmp4.10.3耳板厚度材料40Mn

49、B635MPas耳板材料许用压应力 0577MPaF 105耳板厚度rd38 223cpc取耳板厚度为28mm30翼板材料选40MnB635MPas2814mmc s2 2n2s焊缝强度验算：图焊缝单边长度：L 800mm1 焊缝角尺寸：S 12mm1支柱或耳板材料屈服点较小值： 205MPas角焊缝系数： a焊缝许用剪切应力： 205 0 49MPaws aF 105TS 700 9w1 1 焊缝单边长度：L 200mm2 焊缝角尺寸：S 10mm1拉杆或翼板材料屈服点较小值 635MPas焊缝许用剪切应力 0 635 0 152MPaws a拉杆与翼板接焊缝的剪切应力校核 105S 200

50、 10Frw2 2314.11支柱与拉杆连接最低点a点应力计算图4.11.1 的剪切应力支柱与球壳连结焊缝单边的弧长：L 3375mmw球壳a点处有效厚度： 42mmea操作状态下a点的剪切应力：G F 106 1040i max2L2 3375 420w ea液压试验状态下a点的剪切应力F 104 106G Fw 10 1064FTi maxmax2L2 3375 42Tw ea4.11.2 的纬向应力操作状态下a点的液柱高度 h oa液压试验下a点高度h 12298mmTa操作状态下物料在a点处静压力P h g 99oaoa 2液压试验下a点处静压力P h g 9 99TaTa 332操作

51、状态下a点的纬向应力P P D1 18000 42oaiea44 42 101ea压力试验状态下a点的纬向应力P P D 18000 424 42 1254MPaTtaiea4T1ea4.11.3 的应力校核操作状态下a点的组合应力 液压试验状态下a点的应力组合254 490 t0TaT1Ts则通过应力校核a点安全4.12支柱与球壳，连结焊缝强度FW G ) 0)TwF0i i W max 10 1066W 6N支柱与球壳连结焊缝角尺寸 S=18mm支柱与球壳连结剪应力：W 106 S 3375 18ww支柱与球壳屈服点较小值： 205MPas焊缝许用剪切应力 205 0 49MPaws a应

52、力校核：则通过ww334.13开孔补强校核接管材料选择Q235B，球罐没有用补强圈的，人孔用凸缘补强，其余的接管用厚壁管补强4.13.1人孔开孔补强计算开孔补强计算采用等面积法:设计压力 P1.6MPa ，设计温度 D 18000mm ，壳体材料选用iQ345R，腐蚀余量为2mm ； 人孔直径DN500 ，材料为Q235B，下极板承受液柱压力为:P gh 1000 18000 10 10 36i因 为0.18MPa所 以 计 算 压 力P c则壳体计算厚度为:P D 18000ci P 4 189 tcC 2 壳体名义厚度 44mmn式中: 体计算厚度,mm; 体开孔处的名义厚度,mm;n 度

53、附加量，mm ，这里C2mm; 接接头系数，这里 1; 体材料在设计温度下的许用应力,MPa 这里189MPatt接管计算厚度:P D 500 ,ci2 125 t PtncC 2 ,t式中： 管计算厚度,mm;t 管材料在设计温度下的许用应力，MPa 这里 125MPattnnDN500 钢管的外径为530mm 所以接管名义厚度 取15mmnt参考文献(SHT 3138-2003球形储罐整体补强凸缘),34则人孔整锻件结构如图4-4所示图3开孔补强计算开孔直径d d 500 2 2 504mmi式中 2倍厚度附加量,mmd D 9000mm i按照GB150 三部分 部分为壳体, 部分为接管

54、,部分为接管与壳体的焊缝 如图2所示补强宽度B2d1008mm,整锻件的外径是1000mm,所以整锻件的补强在有效补强范围内。为了减少应力集中，在 800处分别向壳体侧和接管侧削边1）开孔所需最小补强面积A d 2 f) 2 5 2) ) 2r式 中接管的有效厚度41.5mmetf强度削弱系数等于设计温度下接管材料r与壳体材料许用应力之比 这里f125/189r2）壳体多余补强面积 -d)( ) 2 ( ) f)eeetr125 504) 2 2) ) 189235式中：B开孔补强的有效宽度.mm.这里B2d1008mm;壳体开孔处的有效厚度, 42 mm;eA2 2h (C)f 2h ( C

55、 C ) f1ettr2et2r2 2 2式中h 接管外侧高度1外侧有效高度h1h d ;1内侧有效高度h2h接管内侧高度,mm, h022 强区内的焊缝面积补强区面积即图4-5中 GB150 等面积法模型的焊缝金属截面积 可以利用Autocad的查询面积功能 按图11的比例查询这部分的面积A3 100302 20060mm 2A1A2A3A 所以满足补强要求图4.13.2进出料及安全阀设计压力 t=-2040C球罐内径 D =18000mm =44mm 厚度为45mmin的厚壁插入式接管，开孔未通过焊缝。36球壳厚度附件量 C =1mmC =1mmC=2 mmC=2mm12接管厚度附件量 C

56、 =1mmC =1mm12接管外伸高度 h=150mm ，接管内伸高度 h=100mm12材料：球壳 Q345Rt 接管 Q235B(1) 补强及补强方法判别125M Patn根据GB150 P DN 为89mm 。本接管公称直径DN=273 mm 89 mm，故须考虑另行其补强。开孔直径d=d+2C=273+2 2=277 mmiD =i9000 mm，满足GB150 6.1.1b条的计算方法适用条件，2故采用GB150 6.5条（等面积法）的开孔补强计算方法进行计算。(2) 开孔所需补强面积球壳计算厚度PD i4PtP D1 18000开孔所需补强面积 ci i4 125 1 1.64Pt

57、ci开孔所需补强面积AA=d f 41.7=11550.9mm2etr(3) 有效补强范围有效补强宽度BB=2d=2 =取最大值B=d+2 +2 =277+2 44+2 44=ntn故B=554mm外侧有效高度h137h d 277 45 m取小值1h 1560mm1故取 =112mmh1b内侧有效高度h2h d m取小值2h 0mm2故 =0mmh2(4) 有效补强面积球壳有效厚度： C=44-2=42 mmen球壳多余金属面积按GB150 的公式计算A d 2 f) e1er ) 2 42(42 )f强度削弱系数 等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比r这里f125/189rb.接管

58、多余金属面积接管计算厚度pd1 154t2 125 1 1.62 ptn接管多余金属面积A 按GB150 的公式计算，得2A 2h )f 2h C )fnt21nttr22r1251892 112 5 ) 1 2 0 9858m2(5)补强区内焊缝面积（焊脚取44 mm）1A 2 44 44 1936mm223(6)补强结果有效补强面积38A A A A 1936 mm2e123补强结果A A 22e符合要求，补强合格。395 5.1球罐生产的准备工作根据设计图纸，对每块球壳板用计算机放大样，根据放样后的实样，提出球壳板的备料计划，要求备料球壳板的同时，要考虑到球罐焊接产品的实板用量，需复验的

59、材质要求和安装用胎具用量以及球壳板所需的工艺余量和加工余量等，并且应尽量节省材料。球壳板的备料除外形尺寸必须准确无误外，同时要求各项技术参数必须写清楚，以便购料。对于球罐附件的备料，要求各项技术参数，参照技术标准，相关图纸号以及数量等必须明确、清晰。球壳板毛胚规格见表表 2 48对于球罐的一些标准附件，如开口销、垫圈等，在采购时，要求购买的数量要多于图纸上的规定数量，以便互换使用和方便维修。此外，球罐的焊接主要是采用手工电弧焊，所以要求准备足够的J507焊条，并按照要求做好焊前准备及处理。5.2材料的进厂入库检验结构材料和焊接材料验收合格后，应按企业标准，分别存放在金属材料库和焊接材料库。金属

60、材料主要存放各种钢材、有色金属和外购铸、锻件等，不允许露天堆放。不锈钢板、钢管和有色金属材料，应分别单独存放并妥善保管。5.3钢材的预处理钢材的预处理包括钢材的矫正和表面清理两个方面。5.3.1钢板的矫正钢板在轧制、吊装、运输和存放过程中，由于自重、支撑不当、或装卸条件不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面凹凸不平等变形。当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、剪裁及其他加工带来困难，而且会影响到成形零件的40尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量。所以，划线、下料前必须进行钢板的矫平。5.3.2钢板的表面清理钢材表面的氧化物、铁锈和油污，对焊缝的质量会产