3000m3球罐毕设报告

1、 毕业设计论文学生姓名： 学 号：所在学院：专 业：设计题目： 3000m3球罐及附件设计 指导教师： 年 月 日摘 要 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。本文设计了在常温下工作的3000m3液化石油气球罐及附件，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

2、基础上，总结了球罐设计的一些注意点。 （2）对球罐选材进行分析比较，最终确定采用q345r；根据球罐储量、工作条件并依据gb17261 钢制球形储罐型式与基本参数决定采用三带混合式瓣片结构；支柱形式为赤道正切式，支柱根数为10；拉杆形式采用可调式拉杆；并根据gb12337-1998钢制球形储罐对球罐进行结构与强度设计计算；最后进行球罐盘梯、水喷淋装置等附件的设计。 （3）进行球罐图纸绘制，完成球罐装配图及各主要零部件图。 关键词：球形储罐；容器用钢；结构；应力分析 abstract because of its unexampled advantages such as less floor

3、area covering, high-pressure capability and transport facilitates,spherical pressure tanks used for storage of gas and liquefied gas 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

4、has made great progress through the introduction,absorption and innovation of foreign spherical tank technology.3000m3 lpg spherical tank and accessories which work at normal temperature is designed,completed the primary research work as follows:(1) based on well understanding of structure design an

5、d manufacturing methods of spherical tank , 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;according to tank reserves, working conditions and gb/t 17261-2011 decided to adopt a

6、hybrid structure of three band limb;pillar is in form of equatorial tangent type and the number of pillar is 10; then complete the calculation of structure and strength according to gb12337-98;finally, design the tray ladder, water spray etc. (3) the drawings of the spherical tank include an assembl

7、y drawing and several parts drawings. key words：spherical tank；steel for pressure vessels ；structure ；stress analysis 目录第1章 绪论11.1 课题研究的工程背景11.2 球罐用钢11.2.1 球罐用钢基本要求分析11.2.2 国内外球罐的常用钢种21.3 球罐设计21.3.1 球罐设计的执行标准及法规21.3.2 球壳结构21.3.3 支座结构31.3.4 拉杆结构41.3.5 支柱与球壳连接下部结构51.3.6人孔和接管61.3.7 球罐的设计方法71.4 球罐制造81.5

8、 球罐安装及检验技术9第2章 球罐结构设计112.1 基本参数112.2 基础资料112.2.1 安装与运行地区气象环境条件112.2.2 场地条件122.2.3 工作介质122.3 球罐主要设计参数的确定132.3.1 设计压力和设计温度132.3.2 人孔、接管位置及尺寸的确定132.4 设计原则142.4.1 设计规范的确定142.4.2 压力试验方法142.5 球壳设计142.5.1 材料选用142.5.2 球罐支柱数和分带角的确定152.5.3 球瓣尺寸的计算162.5.4 球壳相关分析212.5.5 开孔补强222.5.6 安全泄放设计222.5.7 法兰密封232.6 球罐支柱与

9、拉杆232.6.1 球罐连接结构型式的确定232.6.2 支柱结构232.6.3 拉杆232.6.4 支柱和拉杆设计计算232.7 制造要求242.7.1 球壳板242.7.2 坡口242.7.3 焊条242.7.4 组焊242.7.5 焊后热处理252.7.6 其他要求25第3章 球罐的强度计算263.1 设计条件263.2 球壳计算273.2.1 计算压力273.2.2 球壳各带的厚度计算283.2.3 球壳强度校核293.3 球罐质量计算303.4 地震载荷计算323.4.1 自振周期323.4.2 地震力323.5 风载荷计算333.6 弯矩计算333.7 支柱计算333.7.1 单个

10、支柱的垂直载荷333.7.2 组合载荷343.7.3 单个支柱弯矩343.7.4 支柱稳定性校核363.8 地脚螺栓计算373.8.1 拉杆作用在支柱上的水平力373.8.2 支柱底板与基础的摩擦力383.8.3 地脚螺栓383.9 支柱底板383.9.1 支柱底板直径383.9.2 底板厚度393.10 拉杆计算403.10.1 拉杆螺纹小径的计算403.10.2 拉杆连接部位的计算40第4章 球壳附件设计424.1梯子平台424.2 水喷淋装置434.3 安全阀444.3.1 安全阀排泄量444.3.2 安全阀排放面积的计算45第5章 总结与展望465.1 总结465.2 展望46致 谢第

11、1章 绪论1.1 课题研究的工程背景随着我国石油、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。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

12、程环境等原因，使球罐的应用得到很大发展1-2。 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5000-25000m3大型球罐已相当普遍，如文献3介绍。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。 1.2 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g

13、b1505、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：q245r、q345r、q370r、16mndr、15mnnidr、15mnninbdr、09mnnidr、07mnm

14、ovr、07mnnivdr等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q345r，约占总量的85%左右，国产低温球罐可选用07mncrmovr、07mnnicrmovdr（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

15、.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、gb150-2011压力容器、gb12337-1998钢制球形储罐及相关标准9-11。 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)。 图 1.1 球罐分瓣形式figure 1.1 spherical split forma )足球式 b )桔瓣式 c )足球桔瓣混合式 1.足球瓣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

16、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13。 1.3.3 支座结构 支撑主要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。此外，还有v形柱式支撑、三桩合一形柱式支撑，裙式支撑（包括圆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、

17、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）。 赤道正切柱式支座设计 1.赤道正切柱式支柱结构 赤道正切柱式支柱结构特点是：球壳由很多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，且适用于多种规格的球罐。它的缺点主要是重心高，稳定性较差14。 1.3.4 拉杆结构 gb12337-1998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

18、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

19、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。 图 1.2 拉杆结构形式figure 1.2 structure of tie rod forma) 可调式拉杆 b)固定式拉杆 1.3.5 支柱与

20、球壳连接下部结构16-19 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

21、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，使其逐渐过渡等方法，u形柱结构则集中了这些特点。gb12337-1998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

22、壳连接下部结构figure 1.3 substructure of pillars connected with the spherical shell 1.3.6人孔和接管 1.人孔球罐的人孔是操作人员进出球罐进行检验及维修用的；在现场组焊需要进行焊后整体热处理的球罐，人孔又成为进风、燃烧口烟气排出烟囱用。因此人孔直径的选定必须考虑操作人员携带工具进出球罐方便（在北方还要考虑冬天作业时操作人员穿棉工作服能进出），以及热处理时工艺气流对截面的要求20。一般选用dn600较适宜。通常球罐上应设有两个人孔，分别在上、下极带上（若球罐必须焊后整体热处理，则人孔应设置在上、下极带的中心）。人孔与球壳相

23、焊部分应选用与球壳相同或相当的材质。 2.接管 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或整体锻件凸缘等补强措施，以及在接管上加焊筋条支撑等办法来提高刚度和耐疲劳性能，值得借鉴。下面介绍几个与接管结构设计有关的问题。 图1.4 球罐的补强形式 figure 1.4 spherical form of reinforcementa) 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gb12337-1998是常规设计

24、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21-26。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、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

25、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

26、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。 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，二者是完全不同的27。 1.4 球罐制造 球罐不同于一

27、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28。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

28、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

29、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

30、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29-30。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

31、，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

32、加检测比例，提高缺陷的检出率。 第2章 球罐结构设计 2.1 基本参数 公称容积 3000m3几何容积 3054 m3公称内径 18000mm 支柱底板板面至球壳中心距离 11000mm 球壳分带数 3 最高工作压力 0.68mpa 最高工作温度 40 球罐基础高度 200mm 罐底距地面高度 2m 使用寿命20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 15.4 最高气温 40 最低气温 -8 最热月月平均气温 33 最冷月月平均气温 0 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% 3.大气压力 夏季 100.3kpa 冬

33、季 101.1kpa 4.基本雪压 400 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 1.5m/s 30年一遇最大风速 16.9m/s 季风最多风速平均值 1.8m/s 2.2.2 场地条件 1.安装场地海拔高度： 南京大厂区 3.3m 2.地震设防烈度 7度 3.球罐安装场地 已平基，类场地土 4.地面粗糙度类别 b类 5.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： 1. 平均分子量50 2.密度519.25 kg/m3 3.比重0.52（水为1） 4.运动粘度2.410-7m2/s 5.绝热指数1.12 2

34、.3 球罐主要设计参数的确定 2.3.1 设计压力和设计温度 参照固定式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3000m3石油液化气球罐主要设计压力和设计温度如下： 球罐的工作压力为可能达到的最高工作温度下异丁烷的饱和蒸气压力，设计压力约为1.051.1倍工作压力，本次设计压力为0.79mpa，安全阀开启压力为0.8 mpa，最高工作压力0.68mpa，最终取工作压力0.65 mpa(异丁烷40的饱和蒸气压力)。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20。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

35、层厚度为30mm，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，对于南京最低气温为-8。故确定设计温度为-10+12，钢材及焊接接头的所有验收指标都按-10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，最终确定选600mm 人孔。上极板接管共有7个，其中包括：dn80的备用接管b1；dn100排气接管c；dn100 的液位计接口g；dn50 的压力表口j；dn100 的安全阀口k1,2；dn50 的液位计口f。下极板接管共有5个，

36、其中有：dn50 的物料进、出口a、d；dn80 的备用口b；dn100 的方敬口h；dn50 的液位计接口f。中级板有接管1个，dn40的温度计接口i。2.3.3 腐蚀裕量的确定 球罐设计使用寿命20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 本次球罐设计只考虑国内标准，由于jb4732 为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

37、、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、gb150-2011、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3千吨水时对受压元件、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gb12337-1998和gb150-2011规定要求，球罐制造完成后必须进行水压试验。同时根据gb12337-1998中的要求对球罐进行气密性试验，合格后进行

38、100%表面检测，不得有任何裂纹，并符合jb4730-2005规定的级要求。 2.5 球壳设计2.5.1 材料选用根据操作条件，选用球罐材料q345r，使用状态为调质状态。该材料常温许用应力t=185 mpa。满足gb12337-1998中基本要求。 sss根据gb150-2011及gb12337-1998的要求q345r在正火状态下使用，由于钢板厚度大于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/t17261-2011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

39、能力，以及安装单位现场的安装能力。最终确定采用3带10支柱混合式结构。赤道带由20瓣球壳板组成，分带角75；极带上下各由7瓣组成，分带角105。结构形式如图2-1 所示，球罐共有球壳板34块，其中：极中板2块，尺寸见球图2.2；极侧板4块，尺寸见图2.2；极边板8块，尺寸见图2.3；赤道板20块，尺寸见图2.4。 图2.1 球罐结构形式简图 figure 2.1 structure diagram of spherical form 图2.2 极中板 图2.3 极侧板 图2.3 极边板尺寸 2.5.3 球瓣尺寸的计算 1.符号说明 r球罐半径，mm； 9000mm n赤道带分瓣数； 20赤道带

40、周向球心角； 18 a赤道带球心角，()； 75 b极中板球心角，()； 21 b极侧板球心角，()； 21 b极边板球心角，()； 21 b其他符号按下面各图标示。 2. 赤道板尺寸计算 弧长mm 弦长10957.7mm弧长2243.1mm弦长2233.9mm弧长2827.4mm弦长2815.2mm弦长11183.1mm弧长12066.8mm3.极板尺寸计算弧长7622.2mm弦长7622.2mm弧长11557.3mm弦长10779.4mm弦长9405.0mm弧长9896.0mm对角线弦长与弧长的最大间距 1.234mm（1） 极中板尺寸计算弧长3298.7mm弦长3280.24mm弧长98

41、96.0mm弦长9405.0mm弦长9289.7mm弧长9761.1mm弦长2809.6mm弧长2821.2mm对角线弦长与弧长的最大间距：0.9955mm（2） 极侧板尺寸计算 弦长9289.7mm弧长9761.1mm弦长7622.2mm弧长7870.6mm弧长3298.7mm弦长3280.2mm弧长2524.3mm弦长2516.0mm弦长8414.9mm弧长8756.1mm式中:a、 h同前 16.072809.6mm4. 极边板尺寸计算 弧长11215.8mm弦长10097.7mm弦长7622.2mm弧长7870.6mm弧长3298.7mm弦长3280.2mm弧长2467.7mm弦长24

42、56.0mm弦长9111.4mm弧长9553.7mm弧长9360.1mm弦长8944.1mm式中： 15.7189.2959.610779.4mmh、d0同前。2.5.4 球壳相关分析1.球壳设计载荷 设计时，考虑了以下载荷： (1)设计压力； (2)球罐自重以及正常操作条件或试验条件下内装介质的重力载荷； (3)液体静压力； (4)附件重量； (5)雪载荷； (6)风载荷； (7)地震载荷； 具体计算结果参见计算书。 2.厚度附加量c c = c1 + c2 c1钢板负偏差 mm c1 = 0 c2腐蚀余量 mm c2 = 2mm c = 2 mm 3.许用应力根据gb150-2011 中，

43、q345r 材料厚度1636mm。常温许用应力 t=185 mpa4.焊缝系数f球壳全部焊缝采用双面焊全焊透结构，100%无损探伤，按gb12337-1998 和gb150-2011规定要求，取焊缝系数=1.0。2.5.5 开孔补强 在文献3中介绍对于开孔直径较小的孔，在满足以下条件时可不进行补强：设计压力小于或等于2.5mpa；相邻开孔中心的间距不小于两孔直径和的两倍；接管公称外径小于或等于89mm；接管最小壁厚满足某一基本规定。对比该条件，接管不用进行补强。 2.5.6 安全泄放设计 选用安全阀作为超压泄放装置，安全泄放设计计算遵循gb150-2011 附录b 的要求， 具体设计计算见计算

44、书。 2.5.7 法兰密封 法兰密封采用突面密封结构，法兰采用hg20592-2009pn1.0 系列法兰结构。 2.6 球罐支柱与拉杆 2.6.1 球罐连接结构型式的确定 按gb12337-1998中要求支柱与球壳的连接为赤道正切式。 在gb12337 标准中推荐了三种正切式支柱与球罐连接结构型式，目前主要是采用加托板的结构和u形上支柱加连接板结构型式。大型球罐采用加托板支柱还是u形支柱更好一直有所争议。由于加托板结构制造工艺简单，已被大多数制造厂采用，设计和制造技术比较成熟，本次设计采用加托板连接结构。 2.6.2 支柱结构支柱分两段制造，上支柱和下支柱材料采用88016mm 的q345r

45、制造，两段的环向连接焊缝采用全熔透结构。支柱包有防火涂层。 f支柱上设置了易熔塞，火灾时，通气用。2.6.3 拉杆 设计采用可调式拉杆结构。 2.6.4 支柱和拉杆设计计算 支柱和拉杆的设计计算遵循gb12337-1998。设计计算结果见计算书。 2.7 制造要求 2.7.1 球壳板 用弦长不小于2000mm 的样板进行球壳板曲率检验，样板与球壳板面间隙e 不得大于3mm。 几何尺寸偏差： 1.长度方向弦长允差不大于2.5mm； 2.宽度方向弦长允差不大于2.5mm； 3.对角线弦长允差不大于3mm； 4.两对角线应在同一平面上。用两直线对角测量时，两直线的垂直距离偏差不得大于5mm。 2.7

46、.2 坡口 1.坡口表面粗糙度ra25m，平面度b0.025n=0.02528=0.7mm。 d 2.坡口表面进行磁粉或渗透探伤。 3.球壳板周边100mm范围内按jb4730-2005的规定进行超声波探伤检查，以级为合格。2.7.3 焊条 凸缘与极中板的对接焊缝、定位焊、直接与球壳板焊接的焊缝均应采用与q345r 钢板相匹配的pp.j557r 或jq.j557r 高韧性低氢型焊条。pp.j557r 或jq.j557r 焊条应具有质量合格证明书。 2.焊条熔敷金属扩散氢含量的测定：焊条经350400烘干12 h后，按gb/t 3965-2012中的甘油法进行，扩散氢的含量0.025 ml/g为

47、合格。 2.7.4 组焊 支柱与赤道板的组焊在制造厂进行。焊后用弦长不小于1000mm的样板检查赤道板曲率，最大间隙3mm。 人孔、接管与极板的组焊在制造单位进行，焊后应符合下列条件： 1.人孔、接管的开孔位置及外伸高度允差5mm。 2.开孔球壳板周边100mm的范围内及距开孔中心一倍开孔直径处，用弦长不小于1000mm的样板检查极板曲率，最大间隙不得大于3mm。 3.支柱的直线度偏差不得大于10mm。上支柱与赤道板组焊后，用弦长不小于1000mm的样板检查赤道板的曲率，最大间隙不得大于3mm。 4.支柱与底板的组焊应垂直，垂直度偏差2mm。2.7.5 焊后热处理 对于5000m3这样的特大球

48、罐，国内外均没有整体热处理的经验，风险较大。但由于液化石油气中含有h2s，按照gb150-2011中的要求，必须进行焊后整体热处理。 热处理工艺由施焊单位提供，热处理后不得再施焊。 2.7.6 其他要求 试板，产品零部件的油漆、包装、运输、铭牌遵循gb12337-1998中的要求。 组装检验和验收遵循gb12337-1998中的有关规定。 第3章 球罐的强度计算 3.1 设计条件 图3.1 球罐结构参数简图 figure 3.1 schematic of structural parameters for sphere tank设计压力： p = 0.8mpa 设计温度：t = 20 水压试验

49、压力：pt = 1 mpa 球壳内直径：di = 18000 mm( 3000 m3)储存物料：液化石油气 充装系数：k = 0.9 充装高度：h=14475.6mm 地震设防烈度：7度 10 m高度处的基本风压值：q0= 400 n/m2 支柱数目： n = 10 支柱选用 88016 钢管 f拉杆选用 70 圆钢 f球罐建造场地：类场地土 3.2 球壳计算 3.2.1 计算压力 图3.2 球壳各带物料高度简图 figure 3.2 sketch for material height of each band设计压力： p = 0.8 mpa 球壳各带物料的高度（如图3.2）： h1= 0

50、 h2= 10954.5mm h3= 14475.6 mm 物料密度：= 519.25 kg/m3 r重力加速度：g = 9.8 m/s2 球壳各带的计算压力： mpa=0.856mpampa3.2.2 球壳各带的厚度计算 球壳.直径：di = 18000 mm 设计温度下球壳材q345r的许用应力：= 185 mpa s 焊缝系数1厚度附加量：c = c1 + c2 = 0 + 2 = 2 mm mm圆整后可取n1 = 24mm mm圆整后可取n2= 26mm mm圆整后可取n3= 26mm 3.2.3 球壳强度校核由gb150-2011可知，球壳强度校核可以按照第一强度理论校核，其强度条件

51、可以写成，其中为球罐所受的最大当量应力，为球馆材料的许用应力，球壳当量应力来源于球壳气体压力和液柱压力。图3.3 球壳受力形式figure 3.3 force in the form of a spherical shell 1.气体压力形成的应力mpa 2.液柱压力形成的应力上极带：无赤道带及下极带： (）此函数在区间内为单调减函数，所以h=0时最大 mpa （）此函数在区间内为单调减函数，所以h=0是最大mpa球罐最大应力在罐底：mpampa所以球罐瓣片强度合格。3.水压试验压力 =mpa4.气密性试验压力 =mpa3.3 球罐质量计算 球壳平均直径：dcp =18026 mm；球壳材料密

52、度： r 1 = 7850 kg/m3；充装系数：k = 0.9；水的密度： r 3 = 1000 kg/m3；球壳外直径：do = 18052 mm；基本雪压值：q= 400 n/m2；球面的积雪系数：cs = 0.4；保温层厚度：b = 30 mm；球壳质量：kg介质质量：kg液压试验时液体质量：kg积雪质量：kg保温层质量： kg附件质量：kg 支柱质量：kg拉杆质量：kg支柱拉杆总质量：kg操作状态下球罐总质量：kg液压状态下球罐总质量：kg球罐最小质量：kg3.4 地震载荷计算 3.4.1 自振周期 支柱底板底面至球壳中心的距离：h0 = 11000 mm 支柱数目：n = 10 支

53、柱材料q345r 钢的常温弹性模量：es = 206103mpa 支柱外直径：do = 880mm 支柱内直径：di = 848mm 支柱横截面的惯性矩： mm4支柱底板底面至拉杆中心线与支柱中心线交点处的距离：l = 8000 mm 拉杆影响系数：查gb12337-2010得 = 0.17541 球罐的基本自震周期： s3.4.2 地震力 综合影响系数：cz = 0.45 地震影响系数的最大值：= 0.23( 查gb12337-98 表14 得) 对应于自振周期t 的地震影响系数： 球罐的水平地震力： n3.5 风载荷计算 风载形体系数：k1 = 0.4 系数1 = 1.3（按gb12337-2010 选取） 风振系数：k2 = 1 + 0.351 = 1 + 0.351.3= 1.455 10m 高度处的基本风压值：q0 = 400 n/m2 支柱底板底面