球罐毕业设计总说明书（非常详尽）

吉林化工学院毕业设计（说明书）PAGEPAGE16目录前言 1第1章概论 21.1球罐的特点 21.2球罐分类 21.2.1按储藏温度 21.2.2按结构形式分类 21.3球罐的建造历史 3第2章材料的选用 42.1球罐的选材准则 42.1.1钢材的力学性能 42.1.2经济性 52.2选材 52.2.1钢板 62.3壳体用钢板 62.3.1力学性能及工艺性能 62.4锻件用钢 7第3章结构设计 83.1概况 83.2球壳的设计 103.2.1各种球罐的特点 103.2.2混合式球罐的瓣片设计和计算 123.2.3坡口设计 173.3.1赤道正切柱式支座设计 183.3.2赤道正切柱式支柱结构 193.3.3拉杆结构 203.4人孔和接管 213.4.1人孔结构 213.4.2接管结构 213.5球罐的附件 213.5.1梯子平台 213.5.2水喷淋装置 233.5.3保冷设施 243.5.4附件 243.6球罐对基础的要求 25第4章强度计算 264.1设计条件 264.2球壳计算 274.3球罐的质量计算 274.4地震载荷计算 284.4.1自振周期 284.4.2地震力 294.5风载荷计算 294.6弯距计算 294.7支柱的计算 304.7.1单个支柱的垂直载荷 304.7.2组合载荷 304.7.3单个支柱弯距 314.8地脚螺栓计算 334.9支柱底板 334.9.1支柱底板直径 334.9.2底板厚度 344.10拉杆计算 344.10.1拉杆载荷计算 344.10.2拉杆连接部位的计算 344.10.3翼板的厚度 354.10.4焊缝强度验算 354.11支柱与球壳连接最低点a的应力校核 354.11.1a点的应力 354.11.2a点的应力校核 364.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核 364.13开孔补强计算 37第5章工厂制造及现场组装 385.1工厂制造 385.1.1原材料检验 385.1.2瓣片加工 385.2现场组装 395.3组装方案及准备 395.5组装精度的控制 39第6章焊接 406.1焊接工艺的确定 406.2焊后热处理 40第7章检查 427.1支柱尺寸精度检查 427.2竣工检查 427.3气密性试验 437.4开罐检查 43致谢 44参考文献 45前言乙烯被称为“石化工业之母”，乙烯的生产能力往往被看作是一个国家经济实力的体现。以乙烯为龙头的石油化工工业在国民经济和社会发展中占有重要地位，能够引导、带动其他相关产业乃至整个国民经济的发展，具有较强的支撑、辐射和带动作用。美国、西欧、日本等发达国家和一些发展中国家和地区，在经济起飞阶段，无不把石油化工工业作为支柱产业加快发展。乙烯的发展必然促进乙烯装备的发展。随着世界各国的综合国力和科学技术水平的提高，球形储罐的制造水平也正在高速发展。近年来，我国在石油化工、合成氨、城市燃气的建设中，大型化球罐得到了广泛的应用。球罐作为一种工业使用储存介质的压力容器，是开始于上世纪二三十年代。但是在半个多世纪的发展，球罐已经成为一种有效的，经济的压力容器而广泛的应用。在世界上美国是最早使用球罐的国家，早在1910年美国建造了世界上第一台工业用球罐，至今全世界在役各类工业用球罐已有大约60000余台。中国在1958年建成第一台600m3压缩空气球罐，至1999年的近40余年里已建成在役各类工业用球罐4000余台，约占世界总数的6%。目前世界各国建造球罐主要厂商约有50余家，每年建造工业球罐700～800台，中国具有制造球罐能力的厂商现有20余家，每年建造各种工业球罐200～250余台，约占世界球罐建造增长量的30%左右。本课题的设计是基于国内外球罐的结构形式进行的，球罐材料选用我国自行研制的国产CF-62钢，即低焊接裂纹敏感性钢，它除具有良好的焊接性能外，还具有较好的低温韧性。球罐造价大大降低。这种钢材也处于世界领先水平。但在本次设计中由于作者水平有限，时间较短，所以难免会出现漏洞和不足，望指正。第1章概论1.1球罐的特点球罐是生产实际中应用比较广泛的压力容器。与圆筒形储罐相比，球罐的优点是：（1）当二者容积相同时，其表面积最小；（2）当压力和直径相同时，其壁厚仅为圆筒形罐的一半左右；当直径和壁厚相同时，其承压能力约为圆筒形罐的两倍，因而它可大量节省钢材，减少占地面积，适于制造中压容器。但另一方面，球罐壳体为双向曲面，现场组装比较困难，劳动条件差，对焊工的技术要球罐高，制造成本高。球罐主要用于储存液化石油气、丙烷、丙烯、丁烯及其他低沸点石油化工原料和产品。在炼油厂、石油化工厂、城市燃气供应部门都有广泛应用。1.2球罐分类1.2.1按储藏温度球罐一般用于常温或低温，只有极个别场合，如造纸工业用的蒸煮球罐，使用温度高于常温。常温球罐如液化石油气（LNG）、氨、煤气、氧等球罐。一般说这类球罐的压力较高，取决于液化气的饱和蒸汽压或压缩机的出口压力。常温球罐的设计温度大于-20℃。低温球罐这类球罐的设计温度低于或等于-20℃，一般不低于-100℃。深冷球罐设计温度-100℃以下，往往在介质液化点以下储存，压力不高，有时为常压。由于对保冷要球罐高，常采用双层球壳。目前国内使用的球罐，设计温度一般在-40℃~501.2.2按结构形式分类按形状分有圆球形、椭球形、水滴形或上述几种形式的混合。圆球形按分瓣方式有橘瓣式、足球瓣式、混合式三种。圆球形按支撑方式分有支柱式、裙座式两大类。1.3球罐的建造历史截至2005年底，世界炼油能力42.6亿t/a，其中北美、亚太和西欧地区分别占24%、26%和18%；世界乙烯生产能力1.2亿t/a，其中北美占世界总能力的30%，亚太和西欧地区分别占27%和21%。亚太地区的五大通用合成树脂、合成化纤和合成橡胶的产量已超过北美，居世界第一位。未来五年，中东和包括中国在内的亚太地区将是全球炼油和石化产能增长最快的地区，亚洲将成为世界最大的石化市场。据初步预测，到2010年我国需新增80万～100万吨级乙烯成套装置约8套，到2020年需再新增约9套。而建设1套百万吨级大型乙烯成套装置，总投资一般在200亿元以上。在乙烯建设项目中，设备成本占总投资的30%左右，每套大型乙烯设备成本将达到70亿元左右，因此"十一五"期间将有560亿元左右的设备市场需球罐，"十二五"期间将有630亿元的设备市场需球罐。目前，我国已经获批建设的大型乙烯项目主要有：浙江镇海石化100万吨/年乙烯工程，总投资215亿元，2009年建成；福建泉州80万吨/年乙烯工程，总投资266亿元，2008年建成；天津石化100万吨/年乙烯工程，总投资201亿元，2008年建成；四川成都80万吨/年乙烯工程，总投资210亿元，2010年建成；兰州60万吨/年乙烯改造工程，总投资63亿元，2006年建成；新疆独山子石化100万吨/年乙烯工程，总投资262亿元，2008年建成。另外，正在做前期准备的乙烯项目有广州石化80万吨/年乙烯工程、抚顺石化80万吨/年乙烯工程、武汉石化80万吨/年乙烯工程、大连80万吨/年乙烯工程等。第2章材料的选用2.1球罐的选材准则球罐是压力容器的一种结构形式，因而在选择的材"料的基本要球罐方面与压力容器相同，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，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。2.1.1钢材的力学性能1．抗拉强度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。GB228《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。2．屈服点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0．2％时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点．GB228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。3．刚性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。4．韧性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(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。5．可焊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(ⅡW)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Pc≤0.30时，裂纹发生的几率就小。2.1.2经济性对球罐用钢提出了各种要球罐，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．如果认为选材要球罐越高越好的话，则造成优材劣用的设计绝不是一个好的设计方案。对材料要球罐不合适地提高，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。2.2选材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。2.2.1钢板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294--441MPa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。两种选材原则各有其优缺点。国内研制的490MpaWCF62钢(低焊接裂纹敏感性的钢种)．这钢号为07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR及16MnR(WH5l0)、15MnNbR<WH530)和BP46ON，已用于工程，主要用于建造氧气球罐和低温罐．使球罐用材方面增加了很大的选择性．拓宽了球罐的应用领域，为我国的球罐大型化奠定了基础。2.焊接材料随着球建造的不断进步，在施工现场手工电弧焊焊接球罐的传统工艺受到挑战。近五年来在引进装备的基础上，用气体保护自动焊代替于工焊的逐渐增多，因此GBl2337对气体保护自动焊焊丝的要球罐予以规定。2.3壳体用钢板2.3.1力学性能及工艺性能钢号交货状态钢板厚度mm拉伸实验冲击实验冷弯实验抗拉强度MPa屈服点MPa伸长率%温度℃V形冲击功AkvB=2a1800不小于不小于低温低合金钢钢板16MnDR正火或正火+回火6-16>16-36>36-60>60-100490-620470-600450-580450-58031529527525521-40-3024D=3a07MnNiCrMoVDR调制16-50610-74049017-4047D=3a09Mn2VDR正火或正火+回火6-16440-57029022-5027D=2a>16-36420-560270注：表中b为宽度；a为钢材厚度；d为弯心直径。2.3.2许用应力钢号钢板标准使用状态厚度常温强度在下列温度下的许用应力MPaMPa2010015020016MnDRGB3531正火6-16490３１５163163163156>16-36>36-60470450２９５２７５157150157150156147147138>60-100450２５５15014713812807MnNiCrMoVDR调质16-5061049020320320320309Mn2VDRGE353正火+回火6-16440290147147>16-36430270143143总上所述，本课题球罐材料选用我国自行研制的国产CF-62钢，即低焊接裂纹敏感性钢，它除具有良好的焊接性能外，还具有较好的低温韧性。CF-62钢(即07MnNiCrMoVDR)是综合性能较高的新一代高强度钢。国产CF-62钢板保证值为:－40℃，三个标准试样低温冲击功平均值Akv≥47J，单个值≥33J。国产CF-62钢板具有较低的焊接裂纹敏感性组成(Pcm≤0.21)，所需预热温度较低，焊接施工环境可得到明显改善，采用国产CF-62钢板，球罐造价大大降低。这种钢材也处于世界领先水平。2.4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Ⅲ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08MnNiCrMoVDR。第3章结构设计3.1概况球罐的结构型式是多种多样的．根据不同的使用条件（介质．容量、压力．温度)，使用不同的材料，球罐的设计和制造水平的差异，有不同的结构型式。我国现行使用的球罐，多以球壳扳的组合方案不同分为橘瓣式和足球瓣与橘瓣组成的混合式两种，以拉杆形式不同分为可调式和固定式两种。按GBl2337《钢制球形储罐》规定，球罐和支柱各部分名称如图3—1和图3—2所示：球罐的结构并不复杂，但它的制造和安装较之其他形式储罐困难，主要原因是它的壳体为空间曲面。压制成型、安装组对及现场焊接难度较大。而且，由于球罐绝大多数是压力容器，它盛装的物料又大部分是易燃，易爆物．且装载量大，一旦发生事故，后果不堪设想。国内外球罐的事故事例很多。有些造成重大的人身财产损失。查其事故原因，除了操作和安装失误之外，结构设计不尽合理也是原因之一。因此，球罐结构设计要围绕如何保证安全可靠而实施。球罐结构的合理设计必须考虑多种因素：盛装物料的性质、设汁温度和压力，材质、制造装备和技术水平、安装方法，焊接和检验要求、操作方便可靠性．自然环境的影响(风载荷，地震载荷作用，大气的自然腐蚀)等。要做到满足各项艺要求，具有足够的强度和稳定性，结构尽可能简单和检修实施容易。球罐的结构设计应包括如下的内容：(1)根据工艺参数的要求确定球罐结构的类型及几何尺；(2)确定球壳的排板方法(分带、分片)；(3)确定球壳板的几何尺寸；(4)支撑结构的确定：(5)人孔和工艺接管的选定、布置以及开孔补强的设计；(6)球罐的附件，如内外盘旋梯、爬梯、平台的设计；(7)有要求时，对保冷结构设汁；(8)刘基础的技术要求；(9)有要求时，对防地震、防雷的设计等3.2球壳的设计球壳是球罐的主体，它是储存物料和承受物料工作压力和液柱压力的构件。球壳几何尺寸较大，用材量大，它必须由许多瓣片组成．球壳设计要按照如下的设计准则进行：(1)必须满足所储存物料在容量、压力、温度方面要求，且安全可靠；(2)受力状况最佳；(3)考虑瓣片加工机械(油压机或水压机)的跨度大小，运箱条件的可能，尽量采用大的瓣片结构，使焊缝长度最小，减少安装工作量，(4)考虑钢板的规格，增强球壳板的互换性，尽量提高板材的利用率。国内自行设计、制造、组装焊接的球罐多为橘瓣式和混合式排板组成的球壳。其基本结构参照G/T17261。3.2.1各种球罐的特点1.橘瓣式球壳的设计橘瓣式球壳组装焊缝较为规则．施工简便。多数采用偶数支柱．分块分带对称，因此组装应力及焊接内应力较均匀，较易保证球罐质量。当球壳按等强度设计，用不同的分带去承受不同液柱高度的附加压力时，产生不等厚的球片结构。橘瓣式结构较灵活，按照原材料的大小及压机跨度的尺寸，可设计成不同球心夹角的分带和分块，以满足结构和制造工艺的要求。橘瓣式结构适用于任何大小球罐，是世界各国普遍采用的结构。2.混合式球壳的设计混合式球壳，其赤道带和温带采用橘瓣式，极板采用足球瓣式。由于此种结构取橘瓣式和足球瓣式两种结构形式的优点，所以材料利用率高，焊缝长度缩短，球壳扳数量减少，适合大型球罐。随着我国石油、化工、城市煤气等工业的迅速发展，国内曾引进了许多混合式结构的大型球罐，通过对引进球罐的消化、吸收，开发研究、施工、捡测，已基本掌握了这种结构形式的设计、制边、组装和焊接技术。大型球罐一般均采用了这种混合排板的形式。3.橘瓣式和混合式球壳结构形式球壳的具体的分带和分块数量参照GB／T17261。(1)橘瓣式见图3-3和图3-7(2)混合式见图3—8一图3—104.足球瓣式和足球橘瓣混合式球壳足球瓣式球壳(见图3-4)其优点是：球瓣的结构尺寸相同或者相近。制造另片(下料)较简单。省料。其缺点是：①焊接缝交接处有Y型或T型焊缝，焊接难度较大，质量较难保证；②可能有部分支柱会搭在球壳的横焊缝上，造成该处焊接应力较复杂，=3\*GB3③组装较困难(与纯橘瓣相比较)。足球橘瓣混合式球壳(见图3-5)结构特点是：球体赤道带的球瓣按橘瓣式分割，上，下极带采用与赤道球瓣近似的尺寸分割成3块，上、下温带采用足球式球瓣(每带四块)，五带拼装成球体。图3-4足球瓣式球壳图3-5足球橘瓣混合式球壳总上所述，虽然混合式排版组装校正比较麻烦，对于焊接质量要求严格，但是由于以上显著的优越性，这次设计才用足球橘瓣混合式球壳3.2.2混合式球罐的瓣片设计和计算1．符号说明R—球罐半径mm；R=7100N一赤道带分瓣数，N=16—赤道带周向球心角， =22.5(o)0--赤道带球心角，0=67.5(o)；1—极中板球心角，1=22.5(o)；2--极侧扳球心角，2=22.5(o)；3--极边板球心角，3=22.5(o)；其他符号按下面各图中标示。2．赤道板(见图3—6)尺寸图3—6弧长==弦长弧长弦长弧长弦长弦长=14200=8218.84mm弧长=8760.453.极板尺寸计算弧长=7197.76弦长=弧长=10749.26弧长弦长对角线弦长与弧长的最大间距：H=39极中板尺寸计算弧长弦长弧长弦长弦长弧长弦长弧长对角线弦长与弧长的最大间距:A=弦长弧长（2）极侧板尺寸计算弦长弧长弦长弧长=7197.76弧长弦长弦长弧长弦长弧长式中A、H—同上；4.极边板尺寸计算弧长弦长弦长弧长=7197.76弧长弦长弧长=弦长弧长弦长弧长弧长=8201.38弦长式中：=3.2.3坡口设计球壳都是由球片焊接而成的，因此焊接坡口的设计是保证球罐质量的重要环节。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趋向于采用＝1．因此坡口的设计就更为重要。坡口设计的影响因素：（1）与采用的焊接方法有关当用手工焊时，采用不材称X形坡口或Y形(V形)坡口；当用自动焊。半自动焊或气电垂直自动焊时，按所用焊机情况选定适当形式坡口。（2）与球壳钢板的厚度有关采用手工焊，当钢板厚度小于20mm时．一般采用Y形(V形)坡口；当钢板厚度大于20mm)时，一般采用X形坡口(不对称或对称)。为了减少仰焊，也有墅厚38mm时也采用Y形坡门，但它的立足点是要反面刨坡口，然后再焊，其实质也是不对称x形坡口。（3）与焊缝所在球壳的部位(即焊工操作位置)有关当采用手工焊焊接不对称x形坡口时，一般适宜于把上温带(包括上寒带)，上极板的纵缝及赤道带上环缝以上的所有环缝的大坡口放在内侧，小坡口在外侧；反之，把赤道带、下温带(包括下寒带)和下极板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。(4)与焊接工艺有关坡口的设计就是确定坡口结构的三个要素，即角度(包括角度误差)、间隙(包括间隙误差)及钝边尺寸大小(包括误差)。图3-9为一种球罐上采用的Y形(V形)坡门和不对称X形坡门的结构形状及尺寸。在本次的坡口设计参照下列表标准进行：GB985--1988《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式及尺寸》GB986—1988(埋孤焊焊缝坡口的摹本形式及尺寸》JB／T47092000《钢制压力容器焊接规程》等。图3-9总结引进的球罐的坡口结构发现，绝大多数球罐的坡口为不对称X形。3.3支座设计球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。为了对付各种影响因素，结构形式比较多，设计计算也比较复杂。支撑主要可分成柱式支撑和裙式支撑。此外，还有V形柱式支撑、三桩合一形柱式支撑，裙式支撑<包括圃筒形裙式支撑和锥形裙式支撑)、锥底支撑(也是裙式支撑)、钢筋混凝土连续基础支撑，半埋式支撑、高架式支撑(也有柱式和裙式之分)、可胀缩的支撑(柱式支撑的变种)。3.3.1赤道正切柱式支座设计(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(静载荷包括壳体及附件重量、储存物料重量；动载荷包括风载荷和地震载荷)，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，井要采取措施减少应力集中。(3)支柱是舌能经受由于焊后整体热处理或冷缩热胀而造成的径向浮动，这种浮动是短暂的还是经常的呢？要分情况加以对付。(4)支柱上部柱头是否需要与壳体采用同样材质?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，赤道正切柱式支柱就有分段结构问题。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。3.3.2赤道正切柱式支柱结构结构特点是：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(相割)而焊接起来。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。支柱与球壳的连接主要分为有垫板和无垫板两种结构，本次设计也采用无垫板设计。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。平板式结构造成边角的高应力状态，结构不合理。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．本球罐设计采用有有托板结构。其结构图如下：图3-11无补强板平扳顶有托板结构的柱头1—端板，2一托板：3一支柱：4一球片支柱的防火安全结构主要是在支柱上设置肪火层及易熔塞结构。对于高度为1m以上的支柱，用厚度50mm以上的耐热混疑上或具有相当性能的不然性绝热材料覆盖。对于液化石油气或易燃性液化气球罐更为必要。这种防火隔热层的设置见图3—12。防火隔热层不应发生干裂，其耐火性必须在1h以上。图3—12支柱防火隔热结构1--支柱壁，2一防火隔热层，3一易熔塞接管4—防火层夹子，5一易熔塞，6一螺母3.3.3拉杆结构拉杆是作为承受风载荷及地震载荷的部件，增加球罐的稳定性而设置．拉杆结构可分为可调式和固定式两种。目前，国内自行建造的球罐和引进球罐的大部分采用可调式拉杆。本球罐的支承结构采用单层可调式拉杆结构，如图（3-13）图3—13单层交叉可调式拉杆1一支柱，2一支耳，3一长拉杆，4—调节螺母，5一短拉杆3.4人孔和接管3.4.1人孔结构通常球罐上应设有两个人孔。人孔与球壳相焊部分应选用与球壳相同或相当的材质。补强可采用整体锻件凸缘补强及补强板补强两种。本球罐设计中上下人孔选择DN500的回转盖结构如图（15）所示：图15回转盖及水平吊盖3.4.2接管结构由于工艺操作需要有各种接管，球罐接管部分是强度的薄弱环节，国内较多事故都是从接管焊接处发生的。为了提高该处安全性．国外制造的球罐采用厚壁管或整体锻件凸缘等补强措施，以及在接管上加焊筋杀支撑等办法宋提高刚度和耐疲劳性能，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。3.5球罐的附件3.5.1梯子平台1．概述球罐外部设有顶部平台．中间平台以及为了从地面进入这些平台的斜梯、直梯或盘梯，由于球罐的工艺接管及人孔绝大部分都设置在上极板处。顶部平台即作为工艺操作用的平台．中间平台的设置是为了操作人员上下顶部平台时中间休息，或者是作为检查球罐赤道部位外部情况用的。球罐的梯广和平台结构往往与球罐的数量(单个或多个)。大型球罐，—般采用每一台球罐一个单独的梯子。2．近似球面螺线形盘梯的设计计算(1)R1的计算一假想圆球的半径；R一球罐的内半径；—球甲壁板厚度，t—梯子或顶平台板与球面最小距离。取=42；R=7100；t=200=7100+42+200=7342mm(2)的计算顶平台最大半径—一顶平台板厚度；b1——梯子侧板宽。取=5mm，b1=180mm，式中R2顶部平台半径。（4）Z1的计算（5）r的计算r==3702.858mmr—盘梯中心回转半径；b—梯子宽度（包括测板宽度）。（6）的计算=3995.14mm--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=1000m3.5.2水喷淋装置1．概述球罐上装设水喷淋装置是为了内盛的液化石油气，可燃性气体及毒性气体(氯、氨除外)的隔热需要，同时也可起消防的保护作用．但是，隔热和消防保护有不同的要求，一般淋水装置的构造为环形冷却水管或导流式淋水装置。2．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：=14200壁厚t=42mm设计压力P=2.16MPa洒水量Q=10L/min.m2水压：0.1MPa所需洒水量球罐外表面：所需洒水量：Q=647.81×10=6478.1L/min洒水管的口径水流速：V=2m/s=120m/min所需管径：（3）洒水孔数：个3.5.3保冷设施本球罐设计采用聚氨基甲酸乙酯做保温层，其性能参数如下：3.5.4附件贮存液体和液化气球罐中应装液面计。目前，球罐中采用的液面计主要有浮子—齿带液面计(又称浮子—钢带液面计)和玻璃板式液面计两种。本设计采用浮子—齿带液面计。为了测量容器内压力，球罐应设置压力表。考虑到压力表由于某种原因而发生故障或由于仪表检验而取出等情况。应在球壳的上部和下部各设一个以上的压力表。压力表的最大刻度为正常运转压力的1．5倍以上(不要超过三倍)。为使压力表读数尽可能正确，压力表的表面直径应大寸150mm。压力表前应安装截止阀，以便在仪表标校时可以取下压力表。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（1）安全阀开启压力，=1.88MPa为球罐的工作压力，取开启压力为2.0Mpa。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，q为乙烯的潜热q=278000KJ/kg为常温下绝热材料的热导率，KJ/（m.h.℃）；为保温层厚度，m；㎡安全阀的排气能力G为安全阀的排泄能力，㎏/hK为排放系数，对于全启式K=0.6；=2.0为安全阀的排放压力，A为安全阀最小排气截面积，M为气体的摩尔质量，M=28T为气体的温度，T=253KZ为气体在操作温度压力下的压缩系数，Z=0.6C为气体特性系数，C=330；1196830=A××0.6×2.0×330A=98.28c㎡全启式，即，;98.28=,=111.9m㎡安全阀选择A44Y-40，公称压力=4，DN=150㎜，强度实验压力6。3.6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。—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。第4章强度计算4.1设计条件1500m3设计压力：P=2.16Mpa操作压力：1.88Mpa介质密度：Kg/m32=432.7腐蚀裕量：/mm1.5焊接接头系数：1.0充装系数k：K=0.9地震设防烈度/度7基本风压/N.m-2450基本雪压//N.m-2750支柱数目n=8球壳内直径/mmD=14200支柱底板面至球罐中心/mm8800水压实验压力/Mpa=3.24气压实验压力/Mpa2.3807MnCrMoVR的许用应力[]t=203Mpa4.2球壳计算液柱的高度H：H=K1R=1.6084×7100=11419.64mm；液体的净压力P=11419.640.048Mpa计算压力：Mpa球罐的壁厚：mm对于07MnCrMoVR取负偏差mm，（设备设计），C=2mm设计厚度C=39.75mm，圆整后可取=42mm。4.3球罐的质量计算球壳平均直径：DCP=14200+42=14242mm；球壳材料密度：1=7850Kg/m3充装系数：K=0.9水的密度：3=1000㎏/m3球外壳直径：D0=14284mm基本雪压值：q=750/N.m-2球面积雪系数：=0.4球壳质量m1==3.14×14242×42×7850×10-9=2.100×105㎏。物料质量：m2=×K=×142003×432.7×0.9×10-9=5.84×105㎏液压实验时液体的质量：m3=1.35×106㎏积雪质量：m4==3.14/（4g）×142842×750×0.4×10-6=4903㎏保温层质量：材料：泡沫聚氨基甲酸乙脂。密度：=45㎏/m3厚度：50mm，附件质量：400㎏。=+400=3.14×（14284+50）2×50×45×+400=1851㎏；支柱和拉杆的质量：m6=11103㎏附件质量：=9750㎏操作状态下的球罐的质量：2.100×105+5.84×105+4903+1851+11103+9750=821607㎏液压状态下的球罐的质量：=2.100×105+1.35×106+11103+9750=1580853㎏球罐的最小质量：=2.100×105+11103+9750=230853㎏4.4地震载荷计算4.4.1自振周期支柱底板面至球壳中心的距离:H=8800mm支柱数目：n=8支柱材料20R的常温弹性模量=192×MPa支柱外直径＝526mm；支柱内直径：＝506mm；支柱横截面的惯性矩：支柱底板面至拉杆中心线与支柱中心线交点处的距离：=5720mm。拉杆系数可由下表求出：=0.282球罐的基本自振周期T==0.79s4.4.2地震力综合影响系数：=0.45；地震影响系数的最大值：=0.23；特征周期：=0.3；以上数据来源于《化工设备设计手册》对应与自振周期T的地震影响系数：球罐水平地震力：4.5风载荷计算风载体形系数：风振系数：。基本风压值：q=450N/㎡风压高度变化系数：=1.0；球罐附件引起的受风面积增大系数：=1.1；=4.912×N。4.6弯距计算与的较大值：=682961.1+0.25×49120=695241.1N=49120N=695241.1N力臂：L=H-=8800-5720=3080㎜由水平地震力和水平风力引起的最大弯距：695241.1×3080=2.14×N.㎜4.7支柱的计算4.7.1单个支柱的垂直载荷操作状态下的重力载荷：=1.01×液压实验状态下的重力载荷：=1.94×下段支柱的重力载荷：支柱中心圆半径：最大弯距对支柱产生的垂直载荷的最大值：X表示系数，可以根据支柱数目n和支柱方位角查下图：=0.25×（2.14×/7100）=75352.112N.㎜拉杆作用在支柱上的垂直载荷的最大值：以上两力之和的最大值：4.7.2组合载荷操作状态下的支柱的最大垂直载荷：液压实验状态下支柱的最大垂直载荷：=1944029.86N4.7.3单个支柱弯距（1）偏心弯距操作状态下赤道线的液柱高度：4319mm液压实验条件下赤道线的液柱高度：=7100mm；操作状态下赤道线的液柱净压力：液压状态下赤道线的液柱净压力：球壳的有效厚度：；操作状态下赤道线的薄膜应力：液压状态下赤道线的薄膜应力：Mpa球壳的内半径：R=7100mm；球壳材料的波松比=0.3；球壳材料07MnCrMoVR的弹性摸量：E=206×106操作状态下支柱的偏心弯距：=4891869.798N.㎜液压状态下支柱的偏心弯距：=9306779.66N.㎜（2）附加弯距操作状态下支柱的附加弯距：=N.㎜液压状态下支柱的附加弯距：=1.154×N.㎜(3)总弯距操作状态下支柱的总弯距：14691869.798N.㎜液压状态下支柱的总弯距：=20846779.66N.㎜4.7.4支柱稳定性校核计算长度系数：=1支柱的惯性半径：单个支柱的横截面积：A=支柱的长细比：支柱材料20R的屈服点：弯距作用平面内的轴心受压支柱稳定系数：==1.66(2.11-1.625)=0.805等效弯距系数：；截面朔性系数：=1.15单个支柱的截面系数：欧拉临界力：支柱许用应力：操作状态下支柱稳定性校核：92.014+6.714=98.728Mpa<163液压状态下支柱稳定性校核：=149-33.715=115.3<163MPa稳定性校核通过。4.8地脚螺栓计算1．拉杆作用在支柱上的水平力2．支柱底扳与基础的摩擦力支柱底板与基础的摩擦因数支柱底板与基础的摩擦力：3.地脚螺栓因,球罐需设置地脚螺栓，地脚螺纹根径按下式计算：选用材料为Q=235的M20螺栓4个。4.9支柱底板4.9.1支柱底板直径基础采用钢筋混凝土，其许用压应力：地脚螺栓直径：d＝20mm支柱底板直径：㎜。选取底板；选取=800㎜4.9.2底板厚度底板的压应力：底板外边缘至支柱外表面的距离：底板材料：Q-235-A，底板材料的许用弯曲应力：底扳的腐蚀裕量底板厚度：㎜选取底板厚度=45mm。4.10拉杆计算4.10.1拉杆载荷计算拉杆的最大拉应力：N 拉杆材料10号钢，,采用直径为219×8。长杆与短杆之间用直径300×400圆钢。材料的许用应力：。拉杆的腐蚀裕量：。拉杆螺纹小径的计算：㎜选取拉杆螺纹的公称直径：40mm。4.10.2拉杆连接部位的计算销子材料：35销子材料的剪切应力：销子直径：选取销子直径：=30mm。耳板的厚度计算：耳板材料Q235-A耳板材料许用应力：耳板的厚度：=19.47取耳板的厚度：=22mm。4.10.3翼板的厚度翼板材料：Q235-A翼板的厚度：。取翼板的厚度：14mm。4.10.4焊缝强度验算耳板与支柱的焊缝A所受的剪切力校核：=0.4×205×0.6=49MPa焊缝焊角尺寸：。焊缝长度：=9㎜。=0.6为角焊缝系数：27.24Mpa<=49MPa4.11支柱与球壳连接最低点a的应力校核4.11.1a点的应力操作状态下a点的剪切应力：=3054mm，球壳的a点的有效厚度=40mm；液压状态下a点的剪切应力：操作状态下点的液柱高度：=7319mm液压试验状态下a点的液柱高度：=10100mm操作状态下物料在a点的液柱静压力：=0.0311MPa液压试验状态下液体在a点的液柱静压力：=0.099MPa操作状态下a点的纬向应力：=170.088MPa液压状态下a点的纬向应力：=176.131MPa4.11.2a点的应力校核操作状态下a点的组合应力：170.088+4.44=174.528MPa液压试验状态下a点的组合应力：176.131+7.96=184.091MPa应力校核：=174.528<=184.091<0.9=220.5MPa校核通过。4.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核N==1945323.759N和之中较大值：W==1945323.759N支柱与球壳焊缝焊角尺寸：S=9mm。支柱与球壳的连接焊缝的剪切力：MPa支柱或球壳屈服点较小值：焊缝的许用剪切力：<，校核通过。4.13开孔补强计算球罐上开孔补强件的最小截面积按下试计算：A=dtF试中：A-补强元件最小截面积，m㎡d-纵轴方向上的开孔直径，㎜。t-焊缝系数取1时，壳体的计算厚度，㎜F-系数，截面与纵轴夹角为零时得1。对于人孔：d=500mm，t=42mm，A=dtF=500×42×1=21000m㎡。实际锻件的补强面积为（有效面积）A‘=2（A1+A2+A3）2（A1+A2）=2（65×150×0.5+110×65）=24050>A则有效补强面积A‘>A,补强面积足够。d=150mm的开孔的锻件补强。有效补强h=2.5×42=105mm。最小补强面积：A=dtF=150×42×1=6300m㎡有效补强面积：2A=2（A1+A2+A3）=2（34×35×0.5+30×70+0.5×42×43）=2（595+2100+903）=7196m㎡>A补强面积足够。第5章工厂制造及现场组装球罐一般在现场组装、施焊。工厂中的制造主要是指球壳板瓣片的下料成型，坡口加工、极板与接管的组焊、赤道板与支柱的组焊及其他附件的加工，以及相应的焊后消除应力热处理．球瓣加工后尚需对坡口进行防锈处理，出厂前必须对球壳板瓣片进行妥善包装，以保证在运输过程中球壳板瓣片不产生变形及损伤。5.1工厂制造5.1.1原材料检验钢板的状态与使用状态相符合则应按技术要求进行化学或物理性能检验，其主要有：(1)化学成分。(2)拉伸试验。(3)弯曲试验。(4)冲击试验。(5)尺寸及外观检查。(6)超产波探伤检验。(7)其他技术要求中规定材料拉验。如有确实的证明(如钢厂质量保证书)材料符合技术要求，则上述检验可不作或适当抽查检验。当钢板拉验后证明达到设计要求时，应在每张钢板上作上适当的标志并且要求在以后的制造加工过程中仍保持这些标志，以备识别查考。5.1.2瓣片加工1.球瓣的成型操作采用冷压冷压优点为：①加工精度最高；②无较长的加热过程；③不产生氧化皮；④加工人虽可以不用特殊的防护服。这些优点造成了冷压被广泛应用。2.瓣片的放样及坡口加工(1)瓣片的放样球壳是双曲面．不可能在平面上精确展开。因此瓣片不可能一次精确下料。通常光按近似展开作初步下料，在压制成型后再进行第二次下料(立体下料)。(2)坡口加工圆柱形壳可先开坡口，再成型；而球瓣就不行。各球瓣的焊接坡口，必须在球瓣压制成型后加工．亦可与瓣片第二次下料结合进行。3.瓣片的测量在设计图纸上已给出球瓣的精确尺寸。在成型时，根据需要随时检验有关尺寸。成品检验一般作瓣片四边弦长检验；对角线尺寸检验及瓣片曲率拉验。瓣片曲率检验，采用内侧样板。要求弦长不小于1m。5.2现场组装本球罐就采用单片组装法。设备为：1.汽车起重机2.中心柱3.工具夹4.脚手架5.3组装方案及准备组装方案包括以下内容：1.组装方法的选定。2.编制组装程序主要的准备工作还有下述各项内容。基础检查验收如地脚螺栓采用二次浇灌，则以竣工的球罐支柱底板作为定位模板，以保证螺栓中心距的尺寸。5.5组装精度的控制5.5.1支柱偏差的控制按GB12337《钢制球形储罐》规定。依照下表：第6章焊接钢材的可焊性，即指材料在焊接时，在一定的设备、工艺(如预热，焊后热处理)条件下，其焊接接头呈现的质量和性能。6.1焊接工艺的确定球壳的材料07MnCrMoVR的碳当量≤0.4，所以具有良好的可焊性。在焊接前要对材料做裂纹试验，并依照GB-12337-90中的有关规定进行。（1）球罐的结构形式球罐为赤道正切支柱，支柱与拉杆间采用铰接连接。（2）材质球壳07MnCrMoVR；支柱上支柱与球壳相同，上支柱：20号钢。拉杆Q235-A人孔、接管与壳板性能相进或相同的材料。（3）焊接方法采用手工电弧焊。（4）焊接分类：壳板-壳板对接焊，外坡口（X型）；壳板-支柱填角焊，不开坡口；耳板-支柱填角焊，不开坡口；翼板-拉杆填角焊，不开坡口；壳板-附件填角焊，不开坡口；（5）焊接设备交流500A焊机焊接用；交流300A焊机定位焊；直流600A-800A焊机电弧气刨；干燥器600℃，300℃烘烤焊条测温器、温度计、预热设备、湿度计。6.2焊后热处理对球罐来说，焊后热处理主要用于制作过程。除结构部件的热处理可考虑采用炉内热处理外．由于球罐的体积较大故一般球罐的整体热处理都采用现场内燃法热处理，内燃法热处理是