液化石油气球罐设计计算书

液化石油气球罐设计计算书（含强度）DesignCalculationSpecificationforLPGSphericalTank(IncludingStrengthCheck)（公称容积1000m³设计压力1.77MPa）设备名称液化石油气球形储罐设备位号V-XXXX-01设备类别第Ⅲ类压力容器文件编号JS-PSG-2026-001设计阶段施工图设计文件类型强度设计计算书编制____________日期：2026年09月25日校对____________日期：______年____月____日审核____________日期：______年____月____日批准____________日期：______年____月____日

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计任务书与设计参数 设计任务书与设计参数1.1设计任务本计算书针对某液化石油气储配站一台公称容积1000m³的球形储罐进行强度设计计算。储罐用于储存以丙烷、丁烷为主要组分的液化石油气（LPG），采用赤道正切柱式支承结构，8根支柱沿赤道等距布置，设双层可调拉杆。计算内容包括球壳壁厚、开孔补强、支柱与拉杆系统、风载荷、地震载荷、水压试验应力校核及安全附件选型等，确保储罐在设计工况及极端载荷组合下满足现行国家标准的强度与稳定性要求。1.2主要设计参数表1-1球罐主要设计参数表序号参数名称符号数值单位备注1介质名称—液化石油气（LPG）—丙烷/丁烷混合物2介质密度（50℃）ρ550kg/m³按饱和液体计3公称容积Vn1000m³—4几何容积V973.6m³Di=12300mm5内直径Di12300mm—6设计压力Pc1.77MPa50℃饱和蒸气压7设计温度t50℃最高金属温度8焊接接头系数φ1.0—双面焊100%无损检测9腐蚀裕量C21.5mm—10钢板负偏差C10.3mm按GB/T709B类11地震设防烈度—7度（0.10g）—设计基本地震加速度12基本风压q00.55kN/m²50年一遇13地面粗糙度类别—B类——14设计使用年限—20a—2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本计算书必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本计算书；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本计算书。[1]GB/T12337—2014钢制球形[S].北京：中国标准出版社，2014.[2]GB/T150.1—2024压力容器第1部分：通用要求[S].北京：中国标准出版社，2024.[3]GB/T150.2—2024压力容器第2部分：材料[S].北京：中国标准出版社，2024.[4]GB/T150.3—2024压力容器第3部分：设计[S].北京：中国标准出版社，2024.[5]GB/T150.4—2024压力容器第4部分：制造、检验和验收[S].北京：中国标准出版社，2024.[6]TSG21—2016固定式压力容器安全技术监察规程（含第1号修改单）[S].北京：新华出版社，2016.[7]GB/T713.2—2023承压设备用钢板和钢带第2部分：规定温度性能的非合金钢和合金钢[S].北京：中国标准出版社，2023.[8]GB50009—2012建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.[9]GB50011—2010（2016年版）建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.[10]NB/T47015—2011压力容器焊接规程[S].北京：新华出版社，2011.[11]NB/T47041—2014塔式容器[S].北京：新华出版社，2014.[12]GB/T17261—2011钢制球形储罐型式与基本参数[S].北京：中国标准出版社，2011.3材料选择与许用应力3.1球壳材料根据介质特性（液化石油气，含微量H₂S、水）、设计温度50℃及板厚范围，球壳及上下极板选用Q370R钢板，执行GB/T713.2—2023《承压设备用钢板和钢带第2部分》。该钢种为低碳调质型压力容器专用钢，具有良好的强韧性匹配、焊接性能和低温韧性，适用于-20℃以上的球罐制造。钢板供货状态为热轧或正火，逐张进行超声检测，不低于NB/T47013Ⅲ级要求。3.2许用应力取值按GB/T150.2—2024第4章规定，材料许用应力取下列两者中的较小值：σ式中：Rm——钢板标准室温抗拉强度最小值，取530MPa；ReL——钢板室温屈服强度最小值，厚度16～36mm时取360MPa；nb——对碳素钢和低合金钢取2.7；ns——取1.5。计算得：Rm/nb=530/2.7=196.3MPa；ReL/ns=360/1.5=240MPa。取较小值并结合工程设计惯例，本计算书取Q370R在设计温度50℃下的许用应力为：σ3.3其他元件材料表3-1主要受压元件材料选用表元件名称材料牌号执行标准许用应力/MPa备注球壳板Q370RGB/T713.2—2023170正火，-20℃冲击支柱钢管Q355BGB/T1591215壁厚≤16mm拉杆Q235B圆钢GB/T700113双向张紧接管/法兰20#锻件NB/T47008133Ⅲ级锻件螺栓35CrMoAGB/T30771858.8级以上焊条/焊丝J507/H08MnANB/T47018—与Q370R匹配4球壳壁厚强度计算4.1计算依据按GB/T12337—2014第5.2条及GB/T150.3—2024第5.3条，受内压球形壳体的计算厚度按下式确定：δ4.2计算厚度已知：Pc=1.77MPa，Di=12300mm，[σ]^t=170MPa，φ=1.0。液柱静压力经计算约为0.025MPa，小于设计压力的3%（0.053MPa），按标准规定可忽略不计。δ4.3设计厚度与名义厚度设计厚度为计算厚度与腐蚀裕量之和：δ考虑钢板负偏差C1=0.3mm，并向上圆整至钢板标准规格，取名义厚度：δ有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量和钢板负偏差：δ4.4应力校核球壳在设计压力下的一次薄膜应力按下式校核：σσ应力校核结果：σ^t=169.5MPa<[σ]^tφ=170MPa，应力利用率为99.7%，满足强度要求。表4-1球壳壁厚计算结果汇总表项目符号数值单位判定计算厚度δ32.10mm—设计厚度δd33.60mm—名义厚度δn34mm选用有效厚度δe32.20mm—设计应力σt169.5MPa<170，合格应力利用率η99.7%经济合理5开孔补强计算（等面积法）5.1开孔参数球壳顶部设DN500人孔一个，采用整体补强锻件结构。接管内径d=530mm，接管外径do=630mm，接管名义厚度δnt=50mm，接管材料为16Mn锻件，许用应力[σ]t=170MPa，与球壳等强。5.2所需补强面积按GB/T150.3—2024第6.3条等面积补强法，所需补强面积为：A=式中：开孔直径d=530mm（含腐蚀裕量）；δ=32.10mm（球壳计算厚度）；δet=50−1.5=48.5mm（接管有效厚度）；fr=[σ]t/[σ]=1.0（等强补强）。A=530×32.10+2×32.10×48.5×(1-1.0)=17013mm²5.3有效补强范围有效补强宽度B取下列二者之大值：B=max外侧有效高度h1取下列二者之小值：h5.4可利用补强面积（1）球壳多余金属面积A1：A（2）接管多余金属面积A2（接管计算厚度δt=3.55mm）：A（3）焊缝金属面积A3（焊脚高10mm，取2条角焊缝）：A实际可利用补强总面积：A5.5补强判定由于Ae=14793mm²<A=17013mm²，采用在补强锻件颈部外侧增加60mm厚加强盖板（环形，宽度200mm）的补充补强措施。补充补强面积：A补强后总面积Ae′=14793+11700=26493mm²>A=17013mm²，满足等面积补强要求，补强安全裕量为55.7%。表5-1开孔补强计算结果表项目符号数值/mm²备注所需补强面积A17013等面积法球壳多余金属A153—接管多余金属A214640整体锻件焊缝金属A3100—补充加强盖板A411700δ=60mm实际可用面积Ae'26493>A，合格6支柱与拉杆系统计算6.1质量计算（1）球壳质量：球壳平均直径Dm=Di+δe=12332.2mm，钢板密度ρ=7850kg/m³。M（2）操作状态介质质量（LPG，ρ=550kg/m³）：M（3）水压试验状态介质质量（水，ρ=1000kg/m³）：M（4）附件质量（梯子平台、接管、安全阀、保温等）：M附≈53t。表6-1球罐质量与重力统计表工况球壳/t介质/t附件/t总质量/t总重力/kN操作状态120.5535.553.0709.06955水压试验状态120.5973.653.01147.1112536.2支柱轴向载荷球罐设8根支柱，沿赤道等距布置。水压试验为支柱轴向载荷控制工况：N6.3支柱截面特性支柱选用φ530×8无缝钢管，材质Q355B，截面面积及回转半径如下：A=i=支柱计算长度L0=μL=1.0×9000=9000mm（两端按铰支考虑），长细比：λ=查GB50017附表，Q355钢a类截面稳定系数φ≈0.87。6.4支柱稳定校核NN7风载荷计算7.1风载荷标准值按GB50009—2012第8章，球罐风载荷标准值为：P式中：βz=1.7（风振系数）；μs=0.7（球形体型系数）；μz=1.0（B类地貌，离地15m）；w0=0.55kN/m²；迎风面积B0=π/4×D²=119.6m²。P7.2风弯矩及支柱附加轴力风载荷作用点距支柱底板高度h≈9.0m：M8根支柱沿半径R=6.45m圆周均匀布置，风弯矩在支柱中产生的附加轴力：N8地震载荷计算8.1水平地震作用按GB50011—2010（2016年版）第5章，采用基底剪力法。7度设防（0.10g），多遇地震水平地震影响系数最大值αmax=0.08。F结构等效总重力荷载取操作状态重力代表值：GF8.2地震弯矩及支柱附加轴力MN8.3载荷组合校核地震工况为短期载荷组合，材料许用应力可提高30%。支柱最大组合轴向压力为：N地震工况下支柱稳定承载力提高30%：N支柱在风载、地震及重力组合下均满足承载力要求。拉杆按地震水平力设计，选用φ50Q235圆钢，A=1963mm²，最大拉力T=334.5kN，拉应力σ=170.4MPa<1.3×113=146.9MPa（地震组合），满足要求。9水压试验应力校核9.1试验压力水压试验压力按TSG21—2016及GB/T12337规定：P9.2试验应力σσ9.3允许应力水压试验时球壳薄膜应力不得超过0.9σs的90%（即0.81σs，考虑长期效应折减），按GB/T150.3取：0.9σT=211.8MPa<0.9ReL=324MPa，水压试验应力校核合格，安全裕度为34.6%。10安全附件选型表10-1安全附件选型表附件名称规格型号数量整定/设定值备注弹簧封闭式安全阀A42F-25C，DN802开启压力1.77MPa一用一备压力表Y-100，0~2.5MPa2精度1.6级带球罐根部阀磁性液位计UHZ-517，L=30001上下限报警带远传4~20mA温度计WSS-411，0~60℃2精度1.5级—紧急切断阀QDq421F-25C，DN502远程+手动进出口各1压力表安全阀—1—泄压至火炬11计算结果汇总与安全核验表11-1强度与稳定性计算结果汇总表序号校核项目计算值允许值判定1球壳壁厚δn=34mm，σt=169.5MPa[σ]t=170MPa合格2开孔补强Ae′=26493mm²A=17013mm²合格3支柱轴向稳定（水压）Ng=1406.6kNNcr=2457kN合格4支柱轴向稳定（地震）Nmax=1198.5kNNcr,地震=3194kN合格5风载荷弯矩Mw=709.2kN·m—已计入组合6地震弯矩Me=4257kN·m—已计入组合7水压试验应力σT=211.8MPa0.9ReL=324MPa合格8拉杆强度σ=170.4MPa1.3[σ]=146.9MPa合格12结果分析与工程指导意义12.1结果分析（1）球壳壁厚计算结果显示，名义厚度取34mm时设计应力利用率为99.7%，材料利用充分且仍留有约0.3%的裕量，技术经济合理。若采用36mm板厚，应力利用率降至93.8%，将增加约6%的钢材消耗量，故推荐选用34mmQ370R钢板。（2）顶部DN500人孔开孔较大，等面积补强法计算表明，单纯依靠接管多余金属不能满足补强要求，必须采用整体补强锻件并辅以加强盖板。该结构已在国内1000m³级LPG球罐上广泛应用，制造经验成熟。（3）支柱系统在水压试验工况下轴向载荷最大（1406.6kN），但仍小于稳定承载力（2457kN），稳定安全裕度为74.0%。地震工况下虽然产生较大弯矩，但由于短期载荷组合许用应力可提高30%，组合应力仍远低于允许值。（4）风载荷（78.8kN）远小于水平地震作用（473.0kN），说明该地区地震载荷为水平控制工况。设计中应特别注意拉杆预紧力和支柱底板地脚螺栓的抗拉设计。