异丁烯球罐学士义学位论文

1、沈阳理工大学学士学位论文1 绪论球罐为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于市政建设、燃气储存、石油、化工、冶金等各种工业生产领域中。它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮、丙烯、丁烯、丙烷、乙烯及其他介质的储存容器。也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。我国在石油化工、合成氨、城市燃气建设中，大型化球罐得到了广泛应用。例如：在石油、化工、冶金城市煤气等工程中，球形容器被用于储存液化石油气、液化天然气、液氧、液氮、液氢、氧气、氮气、天然气、城市煤气、压缩空气等物料；在原子能发电站，球形容器被用作核安全壳；在造纸厂被用作蒸煮球等。总之，随着工业的发展，球罐容器的使

2、用也来越广泛。1.1 球罐的特点 球罐与常用的圆筒形容器相比具有以下特点： (1)球罐的表面积最小，即在相同容量下球罐所需钢材面积最小 (2)球罐壳板承载能力比圆筒形容器大一倍，即在相同直径，相同压力下，采用相同钢板时，球罐的板厚只需要圆筒形容器壁厚的一半。 (3)球罐占地面积小，且可向空间高度发展，有利于地表面积的利用。由于这些特点，再加上球罐基础简单，受风面积小，外形美观，可用于美化工程等原因，是球罐的应用得到很大的发展。1.2 球罐分类 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、储存温度)有不同的结构形式。 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

3、 (1)纯橘瓣式球壳是按橘瓣结构形式(或称西瓜皮瓣)进行分割组合的，这种结构形式称纯橘瓣球壳。这种球壳的特点是球壳拼装焊缝较规则，施工简单。 (2)足球瓣式球壳。其优点是球瓣的尺寸相同或相近，制作球片简单省料。缺点是组装比较困难，有部分支柱搭在球壳的焊缝上造成该处焊接应力较复杂。 (3)足球橘瓣混合式球壳。其结构特点是赤道带采用橘瓣式，上下极板是足球瓣式。优点是制造球皮工作量小，焊缝短，施工进度快，另外可以避免支柱搭在球壳焊缝上带来的不足，缺点是两种球瓣组装校正麻烦，球皮制造要求高1。 按储存温度及用途分类a.在高压常温中使用的球罐，贮存液化石油气、氨和氧等。压力大多为1.04.0 mpa,在

4、常温下使用。一般说这类球罐的压力比较高，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。 b.在中压低温中使用的球罐，贮存乙烯等液化气为目的而制造的，压力1.82.0 mpa，温度大多在-20-100的范围。这类球罐的设计温度低于或等于-20，一般不低于-100。压力属于中等（视该温度下介质的饱和蒸汽压而定）。 c.低压、深冷（极低温）中使用的球罐，贮存-100以下的液化气为目的而制造的，使用压力极低，因为使用的温度是极低温。为了防止与大气温度接触以便保冷，多数都是双层球罐。1.3 球罐用钢球罐是储存气体或液体介质的固定式压力容器，他们均被固定于露天场地，不作相对运动

5、。他们长期承受静载荷或低周波疲劳载荷。为使球罐能在静载和低周疲劳载荷下长期工作，结构保持长期稳定，球罐应具有较高的刚度；不允许产生塑性变形和断裂，因此要求球罐用钢应具有较高的屈服点和抗拉强度、塑性和韧度均较好；由于它们要长期在介质环境下工作，球罐用钢应具有足够的耐腐蚀性，某些低温球罐的用钢还具有足够低的脆性转化温度。球罐用钢主要有： (1)低合金钢国内外对耐腐蚀性要求不是很高的球罐，都采用低合金钢，如耐大气腐蚀的含铜、磷、钒、稀土的低合金钢，耐硫化物腐蚀破裂的含铬、铝、钼、钒、钨的低合金钢等。 (2)低碳调质钢为了提高钢材的抗裂性和低温韧度，降低钢的含碳量十分有效，但却降低了钢的强度。为了将钢

6、的强度提高上去，可以通过加入多种微量元素。因此低碳调质钢具有足够高的强度和韧度，与同等强度级别的一般低合金高强钢相比，具有低碳和裂纹敏感性指数低的特点。国外已经普遍采用这类钢制造煤气和天然气或其它气体球罐。 (3)不锈钢在轻工、食品工业中，使用较多的是奥氏体不锈钢，由于奥氏体不锈钢的cr、ni含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐腐蚀性。奥氏体不锈钢的塑韧性优良，冷、热加工性能俱佳，焊接性优于其他类型的不锈钢，在球罐制造中得到了一定的应用。 (4)低温用钢低温用钢主要用于低温下工作的容器、管道和结构，如液化石油气储存、冷冻设备及石油化工低温设备等。按照规定，将低于-20下

7、使用的钢材称为低温用钢。对于低温用钢主要应考虑的问题是低温脆性2。1.4 课题目的及意义本次设计为1000 m，储存介质为异丁烯，设计压力位0.79 mpa的球罐。主要以球罐的结构设计和焊接工艺设计为主。结构设计包括球罐的壳板尺寸的计算、球壳壁厚的计算、支座形式的选取与校核、开孔的结构选择与补强计算校核，连接部位的强度计算（地脚螺栓、拉杆、支柱与球壳连接最低点的应力校核，支柱与球壳连接焊缝强度校核）等；工艺设计包括组装工艺的确定、焊接方法的选择、焊接参数的设定，焊接顺序的安排等。在进行结构设计与焊接工艺设计的同时，要了解球罐设计的基本方法与基本要求，材料的下料加工方法及其设备，焊接的装配与夹具

8、，焊后检验等知识。通过本次设计，制造出工艺合格，结构合理的设计方案，使其具有一定的可行性。2 结构设计2.1 概况我国现行使用的球罐，多以球壳板的组合方案不同分为橘瓣式和足球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。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，它盛装的物料有大部分是易燃、易爆物，且装载量大，一旦发生事故，后果不堪设想。球罐结构的合理设计必须考虑多种因素：盛装物料的性质、设计温度和压力、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

9、可靠性、自然环境的影响等。2.2 球壳的设计 2.2.1 结构的选取球壳是球罐主体，是装载物料的受压构件，球罐的几何尺寸比较大，用材量大，不能整体运输，因而球壳必须由许多瓣片组成，在制造厂进行球瓣的压制等预制加工后运至施工现场组焊。本次球罐的壳版选用混合式球壳结构。其结构如图2.1所示。混合式球壳的组成是赤道带和温带采用橘瓣式球壳板，极板采用足球瓣壳版。足球瓣和橘瓣混合式球壳结构的优点：足球瓣结构尺寸小相同或相近，制造下料较简单，互换性好，克服了橘瓣极板尺寸小、球板规格多的缺点。2.2.2 壳板尺寸计算1、符号说明r球罐半径，r=6150 mm；n赤道带分瓣数；n=16赤道带周向球心角，=22

10、.5；0赤道带球心角，0=67.5；1极中板球心角，1=24.5；2极侧板球心角，2=22；3极边板球心角，3=22；图2.1 混合式球壳 1. 极中板；2.极侧板；3.极边板；4赤道板2、 赤道板（见图2.2）尺寸计算弧长弦长弧长弦长弧长弦长弦长弧长图2.2 赤道板3、 极板（见图2.3）尺寸计算 图2.3 极板弦长弧长弧长弦长弧长弦长对角线弦长与弧长的最大间距 （1）极中板（见图2.4）尺寸计算弧长图2.4 极中板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 弦长弧长（2）极侧板（见图2.5）尺寸计算弦长弧长弦长弧长弧长弦长弧长弦长弦长弧长式中a、h同前图2.5 极侧板（3）极边

11、板（见图2.6）尺寸计算图2.6 极边板弧长弦长弦长弧长弧长弦长弧长弦长弦长弧长 弧长 弦长式中2.3 支座和拉杆的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。它同时又承受各种风载荷、地震载荷、雪载荷等外载荷。本次球罐设计采用赤道正切柱式支座。其结构特点是：支柱与球壳相切或接近相切（相割）而焊接起来。支柱支撑球罐的重量，同时承受地震、风载等外载荷。为保证球罐的稳定性，支柱之间用拉杆相连接。这种支座的优点是受力均匀，弹性好，能承受弹性变形，组焊方便，施工简单，易于调整，现场操作和检修方便。 （1）支柱支柱采用单段式支柱结构形式。支柱总长8000mm，采用q235b无缝钢管。球壳

12、与支柱连接按照gb-12337选用赤道正切式（受力均匀，弹性好，安装和施工方便，容易调整）支柱与球壳连接处主要分为有垫板和无垫板结构本次采用无垫板直接连接结构型式，这种结构避免了有垫板中的搭接焊缝从而降低焊接裂纹的产生，并且探伤简便。支柱与其上端在制造厂加工成与球壳相接的圆弧状（圆弧状受力合理，抗拉断能力强），下端与底板焊好，然后运到现场与球瓣进行组装和焊接。由于所储存介质为异丁烯具有易燃特性，所以每根支柱应设置排气孔，孔上采用易熔塞。还应设置防火层。支柱底板的地脚螺栓孔应为径向长圆孔。查gb12337-2010中混合式球壳参数表，得支柱长度为8000mm。根据（球罐和大型储罐）中支柱高于1m

13、，用厚度50mm以上的耐热混凝土或具有相当性能的不燃性绝热材料覆盖，尤其对于易燃性气体更为必要。 （2）拉杆拉杆是作为球罐承受风载荷及地震载荷的部件，为了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。可调式拉杆分为单层交叉可调式拉杆、双层交叉可调式拉杆和三拉杆可调式。本次球罐的采用拉杆结构为单层交叉可调式拉杆，采用材料q235b钢管。直径mm。2.4 开孔2.4.1 人孔结构球罐人孔是作为工作人员进出球罐进行检验及维修之用。施工时，用于罐内通风、烟尘的排除、脚手架施工用具的搬运；进行热处理时，上人孔用于调节空气和排烟，下人孔用于放置喷火嘴及其燃料接管。本次球罐的人孔选择pn2.5、

14、dn500回转盖整体锻件凸缘补强的人孔。位置在上、下极带的中心。法兰选用16mn二级锻件，法兰盖为q345r，密封面选用mfm（凹凸面）。具体尺寸在装配图中标出3。2.4.2 接管结构本次球罐设备的接管凡是dn89mm的补强均采用厚壁管插入式整体补强结构。厚壁管插入式补强的优点是结构简单、节省材料，并且在球罐上采用厚壁管补强可以避免补强圈补强时的角接焊缝。人孔采用16mn三级锻件，厚壁管、法兰等均用材料16mn二级锻件锻制而成。各项尺寸要符合图纸要求。锻制凸缘整体补强按照中石化标准sh/t 3138-2003球形球罐整体补强凸缘进行设计4。球罐开孔情况及法兰选择5见表2.1。2.5 球罐附件温

15、度计、压力表、安全阀的选取6见表2.1表2.1 附件型号表名称型号数量备注安全阀a47h-161压力表yz-150ztq2温度计wtz-2801各附件尺寸及进出料口、排污孔的尺寸见表2.2表2.2 各件尺寸表名称法兰外伸长度备注安全阀pn1.6mpa dn100mm100mm压力表pn1.6mpa dn25mm100mm测量范围0.11.5mpa温度计pn1.6mpa dn25mm100mm测量范围进、出料口pn1.6mpa dn150mm100mm排污孔pn1.6mpa dn50mm100mm 外部梯子在赤道带以下采用角的直梯，上部为与球壳同样弧度的外转梯。由于本次设计的球罐体积为所以内部不

16、需设置转梯。2.6 球壳壁厚的确定2.6.1 设计条件公称容积：1000m（内径di=12300 mm）球壳材料：q345r，= t=185mpa储存物料：异丁烯物料密度：1=670 kg/m设计压力：p=0.79 mpa设计温度：t=-14.150射线探伤检验：100%地震设防烈度：7度基本风压值：600 n/ 基本雪压值 350n/球罐建造场地：iii类场地，近震，b类地区支柱数量：n=8（材料q235b426mm钢管）拉杆：选取508 mm钢管，材料为圆钢。2.6.2 球壳壁厚计算 （1）计算压力存储介质为气体，所以计算压力=设计压力=0.79mp （2）设计温度下球壳的计算厚度 （2.

17、1） 与初选的q345r厚度范围1636mm相矛盾，所以改选厚度范围为316mm 许用应力为189mpa，再次进行计算 钢板负偏差是腐蚀裕量，球壳的计算厚度为12.867 mm，设计厚度为12.867+1.5=14.367 mm，考虑到钢板生产单位能生产的钢板厚度，选择球壳板的名义厚度为16 mm。2.7 球罐质量计算球壳平均直径：dcp=12308 mm球壳材料密度：2=7810 kg/m水的密度：3=1000kg/m（1）操作状态下的球罐质量m0（2）液压试验条件下球罐的质量mt（3）球罐最小质量式中：球壳质量，kg 物料质量，kg 液压试验时液体的质量，kg 积雪质量，kg 支柱和拉杆的

18、质量，kg 附件质量，kg 2.8 支柱、拉杆计算2.8.1 地震载荷计算7 （1）自振周期支柱底板面至球壳中心的距离：h0=8000 mm；支柱底板面至拉杆中心线与支柱中心线交点处的距离：l=5600mm；支柱数目：n=8；支柱选用分段式支柱；支柱材料：采用q235b支柱内径：408 mm；支柱外径：426mm；球罐的基本自振周期 t= （2.2）式中： 拉杆影响系数由表6-14查取得，=0.216； 支柱横截面惯性；=mm4 （2）水平地震力 （2.3）式中： 综合影响系数，取=0.45式中 地震影响系数的最大值，=0.08 各类场地的特征周期 =0.45 2.8.2 风载荷计算水平风力

19、（2.4）式中：k1 风载体形系数；取k1=0.4风振系数=1+0.35=1+0.351.7=1.595=600n/m2 风压高度变化系数 =1.14，球罐附件增大系数 取=1.12.8.3 弯矩计算 （2.5）式中： 最大水平力 取（）与的较大值； = =57458.56 力臂，2.8.4 支柱计算 (1)单个支柱垂直载荷操作状态下的重力载荷： （2.6）液压试验状态下的重力载荷： （2.7） 最大弯矩对支柱产生的垂直载荷 （2.8）式中： 最大弯矩对支柱产生的垂直载荷， 支柱的方位角，（）a向受力时：支柱的方位角 b向受力时：支柱的方位角 各支柱受力见表3.2。 (2)拉杆作用在支柱上的垂

20、直载荷 所有相邻两支柱间用拉杆连接时,拉杆作用在支柱上的垂直载荷 （2.9）a向受力时支柱方位角 （2.10）b向受力时支柱方位角 （2.11） (3)支柱的最大垂直载荷操作条件下支柱的最大垂直载荷 （2.12）液压试验状态下支柱的最大垂直载荷 （2.13） (4)单个支柱弯矩a.偏心弯矩球壳材料的泊松比 球壳材料的弹性模量： 操作条件下的支柱的偏心弯矩 （2.14）式中： 操作状态下球壳赤道线的薄膜应力 （2.15） 操作状态下物料在赤道线的液柱静压力 液压试验状态下支柱的偏心弯矩 （2.16）式中：液压试验状态下球壳赤道线的薄膜应力， （2.17） 式中：液压试验状态下的液体在赤道线的液柱

21、静压力， b. 附加弯矩操作状态下支柱的附加弯矩 （2.18）液压状态下支柱的附加弯矩 （2.19）c.总弯矩 操作状态下支柱的总弯矩 液压试验状态下支柱的总弯矩 (5)支柱稳定性校核支柱的惯性半径 （2.20）支柱的细长比 （2.21）式中：计算长度系数，取换算长细比 （2.22）支柱材料q235b 支柱材料的许用应力操作状态下支柱的稳定性校核 （2.23）液压试验状态下支柱的稳定性校核 （2.24）式中弯矩作用平面内的轴心受压支柱稳定系数 （2.25）轧制钢管截面 等效弯矩系数 取截面塑性发展系数，取单个支柱的截面系数 （2.26）欧拉临界力 （2.27）2.9 各连接部位的强度计算 2.

22、9.1 地角螺栓的计算拉杆作用在支柱的水平力 （2.28） 支柱底板与基础的摩擦力 （2.29）式中： 支柱底板与基础的摩擦系数 时 球罐不需要设置地脚螺栓，但是为了固定球罐位置，应设置一定数量 的定位地脚螺栓。取直径30mm。 2.9.2、支柱底板的计算（见图2.1）（1）支柱底板直径取两式中的较大值 （2.30） 实际取700mm 混凝土基础材料的许用应力实取（2）底板的厚度 （2.31） 实取：式中 ：底板的压应力 图 2.1 支柱底板 底板外边缘至支柱外表面的距离mm 底板材料q235b，许用弯曲应力 底板的腐蚀裕度 取即底板厚度取35mm2.10 拉杆计算2.10.1 拉杆螺纹小径计

23、算 拉杆最大应力 （2.32） 拉杆材料q235b 拉杆材料的许用应力 拉杆腐蚀余量 拉杆螺纹小径 （2.33） 选取拉杆的螺纹公称直径为2.10.2 拉杆连接部位的计算销子直径销子材料： 35，销子材料许用剪切应力销子直径：选取销子直径20mm耳板厚度耳板材料q235b，耳板材料的许用压应力： 耳板厚度： （2.34）耳板厚度选翼板厚度翼板材料：q235b，翼板厚度： （2.35）取翼板厚度为10mm2.11 连接焊缝强度校核a焊缝单边长度：=a焊逢焊脚尺寸：=支柱和耳板材料屈服点最小值：角焊缝系数：焊缝许用剪切应力：耳板与支柱连接焊缝a的剪切应力校核： （2.36） a焊缝单边长度： b焊

24、缝焊脚尺寸： 拉杆与翼板材料屈服点的最小值： 焊缝许用剪切应力：拉杆与翼板连接焊缝的剪切应力 （2.37）2.12 支柱与球壳连接最低点a的应力校核 2.12.1 a点的剪切应力支柱与球壳连接焊缝单边的弧长：球壳a点处的有效厚度为操作状态下a点的剪切应力：液压试验状态下a点的剪切应力：2.12.2 a点的纬向应力操作状态下的a点的液柱静压力：液压试验状态下a点的液压静压力：操作状态下a点的纬向应力： （2.38）液压试验状态下a点的纬向应力 （2.39）2.12.3 a点应力校核操作状态下a点的组合应力：液压试验状态下a点的组合应力：应力校核： 2.13 支柱与球壳连接焊缝的强度校核 和 两者

25、中的最大值： , 支柱与球壳连接焊缝焊脚尺寸：焊缝许用剪切应力支柱与球壳连接焊缝所承受的剪切应力： （2.40）校核通过。 2.14 厚壁管补强计算设计压力 p=0.79，设计温度 t=-14.150球罐内径 =12300mm，名义厚度 =16mm，设置进出料口的 厚度为20mm的厚壁插入式接管，开孔未通过焊缝。球壳厚度附件量 c1=0 mm c2=1.5mm c=1.5 mm接管厚度附件量 c1=0 mm c2=1.5mm c=1.5 mm接管外伸高度 h1=100mm，接管内伸高度 h2=50mm材料：球壳 q345r 接管 q345r (1) 补强及补强方法判别 a.补强判别根据gb15

26、0 6.1.3条,允许不另行补强的最大接管公称直径dn为89 mm。本接管公称直径dn=150 mm89 mm，故须考虑另行其补强。 b.补强计算判别开孔直径d=di+2c=150+21.5=153 mm本开孔直径d=153 mm=6150 mm，满足gb150 6.1.1b条的计算方法适用条件，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 开孔所需补强面积开孔所需补强面积a按gb150 式（6.3.3.3外压容器）a=15312.867=1968.651mm2(3) 有效补强范围（1）有效宽度有效补强宽度b按gb150式（66）确定取

27、最大值故b=306mm（2）有效高度a 外侧有效高度 gb150 式（67）确定取小值故取=60mmb 内侧有效高度 gb150 式（68）确定取小值故=0mm(4) 有效补强面积a.球壳多余金属面积球壳有效厚度：=16-1.5=14.5 mm球壳多余金属面积按gb150 式（610）计算 （2.41）b.接管多余金属面积接管计算厚度 （2.42）接管多余金属面积a2按gb150式（6.27）计算 （2.43）（3）补强区内焊缝面积（焊脚取14 mm）（4）有效补强面积(5) 补强结果 并且 刚好符合了球壳壁厚在1020mm范围内，留有25%余量的要求，满足补强要求。同样：计算 厚度为13mm

28、的厚壁插入式安全阀接管，开孔未通过焊缝。球壳厚度附件量 c1=0 mm c2=1.5mm c=1.5 mm接管厚度附件量 c1=0 mm c2=1.5mm c=1.5 mm接管外伸高度 h1=100mm，接管内伸高度 h2=50mm材料：球壳 q345r 接管 q345r 再次进行补强计算得留有余量为24%基本符合要求，补强合格。其余开孔如：温度计开孔、压力计开孔和排污空由于其开孔直径小于89mm所以按照gb150-2010中6.1.3（不另行开孔直径）中的论述其接管壁厚选择如下表2.38： 表2.3 mm名称温度计开孔压力计开孔排污孔接管外径252550接管壁厚444.5913 工厂制造及现

29、场组装3.1 工厂制造 3.1.1 原材料检查 球壳的结构形式应符合图样设计。每块球壳板本身不得拼接。制造厂提供的球壳板不得有裂纹、气泡、结疤、折叠和夹杂等缺陷。球壳厚度应该抽查，实测厚度不应小于名义厚度减去钢板负偏差，抽查数量为球壳板数量的20%，且没带不得少于两块，上下级不应小于一块；每个球壳板的检测不应少于5点，抽查不合格，应加倍抽查；若仍有不合格，应对球壳板进行逐张检测。本次检测采用的方法：用于球壳之钢板在热轧状态下使用并每批取一张钢板进行-15的低温冲击试验,冲击功不小于34j.板材应逐张进行100%超声检测按jb/t4730-2005 iii级合格。3.1.2 瓣片加工(1) 材料

30、的切割由于切割球壳板的最大钢板尺寸为长7242mm、宽2414mm的长方形钢板，所以选用通用切割设备数控火焰等离子切割机中的omnimat系列9。具体数据如下表 表3.1通用数控切割机技术数据 系列型号轨距/mm切割宽度/mm整机宽度/mm驱动速度/mmomnimat9000810011000024 切割长7400mm、宽2500mm的钢板赤道带16块，上、下极带共14块，总共30块。(2) 球瓣的压制采用冷压成型的方法。冷压成型就是钢板在常温状态下，经冲压变形成为球面壳板的过程。优点为小模具、多压点，加工精度高；无较长加热过程；不产生氧化皮；加工人员可不用特殊的防护服。选用y322000吨四

31、柱液压机。冷压应注意以下几点： a.冷压钢板边缘因经火焰切割，需要消除热影响区硬化部分的缺口。 b.当冬季环境温度低于以下时，或钢板较厚时，在冷压时应将钢板预热到 ，在炉内加热，或采用气体燃烧器。 本次设计厚度为16mm较薄。 c.当冷压时钢板外层纤维应变量，碳钢大于4%、低合金钢大于3%时应作中间热处理。d.在冲压过程中，每个压点不能一次压到底，应多次冲压，一般要冲压十余次以上，使钢板逐渐产生塑性变形，避免产生局部过大突变和折痕。冲压后需焊接支柱或其他附件的球壳板，其冲压曲率要相对增大一些，以补偿焊接收缩变形。球壳板成型曲率一般应保持正偏差即样板两端有间隙，当球罐焊接组装时，通过收缩变形可获

32、得较好的几何形状。 3.1.3 瓣片的放样及坡口加工 (1)瓣片放样 球壳是双曲面，不可能在平面上精确展开。因此，目前国内是以二次立体下料法为主。二次立体下料法即先按近似展开作为初步下料，在压制成型后进行第二次下料（立体下料）。 (2)坡口加工 球壳各球片的焊接坡口，必须在球片压制成型后加工，亦可与瓣片第二次下料结合进行。 坡口加工采用火焰热切割并清除表面的氧化层，坡口表面应平滑，坡口加工后必须检查坡口表面，不得有分层、开裂或影响焊接质量的缺陷。并且涂上防护层。 本次球罐所用的钢板材料的抗拉强度下限值为510mpa540mpa，所以无需对坡口进行磁粉检测。球壳板周边100 mm的范围内应按照j

33、b4730的规定进行超声检测。 3.1.4 支柱检查支柱全长长度允许偏差为3mm，支柱底板焊接后应保持垂直其垂直度允许偏差为2mm，支柱全长的直线度偏差应小于或等于全长的1/1000，且不应大于10mm10。3.2 现场组装3.2.1 球罐组装(1)组装方法采用整体组装法中的单片组装形式，即把单片球瓣逐一组装成型的方法。这种方法由于单片组装，故不需要很大吊起能力的机具和安装场地，准备的工作量小，组装速度快，且球体的组装精度易于保证，组装应力小。但是高空作业较多，要求全位置焊接技术较严格且需要相当量得夹具。(2)球罐组装时，采用工装卡具调整球壳板组对间隙和错边量，不得进行强力组装(3)由于本次焊

34、接采用的是手工电弧焊接，所以球壳板组对间隙宜为mm；球壳板组对b错边量不应大于球壳板名义厚度的1/4，且不得大于3mm。(4)球罐赤道带组装后，每块球壳板的赤道带水平误差不宜大于2mm；相邻两球壳板的赤道线水平误差不宜大于3mm；任意两块球壳板的赤道线水平误差不宜大于6mm。(5)球罐组装时，相邻两带的焊缝、支柱与球壳的角焊缝至球壳板的对接焊缝、球罐人孔、接管、连接板的连接焊缝至球壳板的对接焊缝及其之间的焊缝不应小于球壳板厚度的3倍，且不应小于100mm。(6)球罐组装时应对球罐的最大直径与最小直径之差进行控制，组装完成后其差值宜小于球罐设计内径的3%，且不应大于50mm。(7)支柱用垫铁找正

35、时，每组垫铁高度不应小于25mm。3.2.2 组装设备及工具 (1)起重设备 选用汽车起重机汽车起重机机动性能好便于相距较远之间的工作点间调动，提升高度大，升吊和回转灵活，是一种高效、先进的起吊工具。 (2)工夹具 工夹具主要是用于使相邻球瓣连接安全牢固，是相邻球瓣之间的尺寸得以方便地调整。 本次设计采用日字型夹具日字形夹具是由日字形卡码、方形卡帽和圆锥销配套而成。具有结构简单、选材制造方便、经济性好、重量轻，这些优点给现场装拼，特别是高空作业带来很大方便。 组装夹具的拆除，必须在焊接完毕后进行，定位块不能强力拆掉，切割时应保留不小于2mm的余量，用磨光机磨平后按无损检测工艺要求进行检验。 (

36、3)脚手架 搭设脚手架是球罐组焊过程一项必要的设施，它是从安装、焊接到检验全部工程高空作业时工作人员的主要工作平台。脚手架搭设合理与否对作业条件，安全生产，建设速度有密切关系。组装操作用脚手架大部分采用三角脚手架形式。三角托架采用角钢制作，预先固定在壳板所设的挂鼻上，并在层间铺设钢跳板作为操作平台。为了方便球罐的组装操作，球罐赤道带板及以下各带壳板的组装采用在罐内侧作业的方法，球罐赤道带板以上各带壳板的组装采用在罐外侧作业的方法。据此，赤道带板及其下部壳板三角脚手架设置于球壳内部，赤道带以上壳板的脚手架设置于球壳的外部。3.3 组装准备3.3.1 基础检查验收不论采用何种安装手段，基础尺寸的精

37、度直接影响到该球罐的质量和施工进度。 (1) 使用经纬仪测量确定各支柱间的夹角 (2) 由于本次设计基础直径较小，所以用钢卷尺测量基础直径(3) 采用水平仪测量基础水平度3.3.2 球瓣的几何尺寸检查和理化检验球瓣的曲率及外形尺寸的好坏，会直接影响球罐的安装质量和施工进度。检查时应把球瓣吊到胎具上进行，对不合格的壳板要进行调校。球罐材质的理化检验一般在制造厂做妥，并出具证明书。组装前由安装单位确认制造厂的产品合格证书3.3.3 其他地面准备工作由于本次设计采用整体组装法，所以在地面应该进行球壳板的预组对工作。此外，组装用的三角挂架的勾鼻子，工卡具的拧紧螺母和起吊用的吊耳应先焊在球瓣上，尽量减少

38、高空作业的工作量，给安装工作提供便利条件，以加快工作进度，提高工作质量。3.4 组装精度的控制3.4.1 支柱偏差控制支柱安装找正后，在球罐径向和周向两个方向的垂直度允许偏差由于支柱高度h=8000mm，所以。采用平垫铁组来保证支柱的偏差会得到比较好的效果。3.4.2 椭圆度、焊缝错边量和角变形在球罐的安装过程中，椭圆度、错边量和角变形是其主要控制对象之一。他们的出现往往是由于压制球瓣的精度不够以及运输过程的损坏或堆放不妥所造成。所以在组装前对球瓣的成型率和尺寸精度的检查是不能放松。对不合格的地方必须在组装前进行校正。本次采用的整体组装发由于焊接在整球组装后进行，所以它的调整性能好，基本避免了

39、强力组装，球体的成型精度好，容易达到偏差要求。另外，错边量、角变形等偏差都在接缝位置。因此，装夹具的正确选用，对控制偏差也起很大作用。4 焊接工艺4.1 钢材的可焊性4.1.1 低合金钢的概述低合金钢是碳素钢的基础上添加一定量的合金化元素而成，其合金元素的质量分数一般不超过5%，用以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性，或使钢具有某些特殊性能，如耐低温，耐高温或耐腐蚀等。4.1.2 低合金钢的分类常用来制作焊接结构的低合金钢可分为高强度钢、低温用钢、耐腐蚀用钢及珠光体耐热钢四种。按钢材的屈服强度及使用时的热处理状态分为以下三种： (1) 在热轧、正火或控冷控轧状态焊接并使用的，屈服强度为2

40、94490mpa的热轧、正火及控冷控轧钢。 (2) 在调制状态下焊接和使用的，屈服强度为490980mpa的低碳低合金钢调质钢。 (3) w（c）为0.25%0.50%，屈服强度为8801176mpa的中碳调质钢。4.1.3 低合金高强度钢的特性低合金高强钢中w（c）一般控制在0.2%以下，为了确保钢的强度和韧性，通过添加适量的mn、mo等合金元素及v、nb、ti、al等微合金话元素，配合适当的轧制工艺或热处理工艺来保证钢材具有优良的综合力学性能。由于低合金钢强度钢具有良好的焊接性、优良的可成型性及较低的制造成本，因此，被广泛地用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、机械、海洋结构、船舶等制造中，已成

41、为大型焊接结构中最主要的结构材料之一。低合金钢的强化机理与碳素钢不同，碳素钢主要通过钢中的碳含量形成珠光体、贝氏体和马氏体来达到强化：而低合金高强度钢的强化主要是通过晶粒细化、沉淀硬化及亚结构的变化来实现。4.1.4 低合金高强度钢的焊接性低合金高强度钢含有一定量的合金元素及微合金化元素，其焊接性与碳钢有差别，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。只有掌握各种不同低合金高强度钢焊接性特点和规律的基础上，才能制定正确的焊接工艺，保证低合金高强度钢的焊接质量。本球壳选用q34

42、5r为球壳钢板，球壳钢板的化学成分见表4.1，钢板的力学性能见表4.2。焊条选择按焊接手册3中熔敷金属抗拉强度mpa中的焊条选用全位置焊接中低氢钠型焊条对应牌号技术数据见表5.3牌号csimncrnimonbvpsaltq345r0.200.551.20-1.600.0250.0150.020表4.1 q345r钢板的化学成分表4.2 q345r钢板的力学性能交货状态板厚mm拉伸试验冷弯试验冲击试验rel（mpa）rm（mpa）a（%）d=2a 试验温度akv j正火 16 345 510 21 16 0 34表4.3焊条熔敷金属化学成分的技术要求（%）cmnpssimomo其他元素0.120

43、.900.0350.0350.600.400.650.30低合金高强度钢含有一定量的合金元素及微合金化元素，其焊接性与碳钢有差别，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，对氢致裂纹敏感性较大，所以选用低氢焊条。4.2 焊接工艺的选择 4.2.1 焊接方法和焊条的选择(1) 焊接方法本次球罐的焊接采用手工电弧焊，因为球罐现场大多需要全位置焊接。手工电弧焊使用方便，电弧的可见性好，适应各种位置，适应的厚度范围、成分范围、热输入量范围广，接头的接近性好。但是手工电弧焊效率低，焊工疲劳度大，对焊工的技术要求高。焊接设备：zx5400 型硅整流焊机。每台焊机必须配置经

44、校验合格的电流表、电压表；以便控制、记录和检查焊接时的线能量。每台焊机要有良好的接地线，并标注专机、专人的姓名和编号。球罐施焊的每位焊工应配有焊条保温筒(仅限于手工电弧焊用)、角向磨光机等工具。电流极性：直流反接。全部采用手工电弧焊，采取分段退焊法。(2) 坡口形式球壳板间的纵焊缝与球体环焊缝以及人孔与球壳体的焊接为对接焊缝全采用坡口形式为60上双面不对称x型坡口，钝边为2mm。小坡口h=4.3mm。温度计、压力计的接管与壳体间焊缝采用角焊缝钝边为1mm焊脚尺寸为4mm。排污孔、安全阀和进出料口的厚壁管与球壳体的焊缝坡口选为双单边v型坡口钝边为2mm。开孔角度上下均为所有的法兰选用带颈对焊法兰

45、，厚度4mm的接管与法兰间开y型坡口焊接，钝边为1mm11。(3) 焊条的选择为了有效的减少裂纹的发生，根据等强原则，现场采用与q345r低合金钢匹配的、规格为3.2mm和mm的j507焊条。j507焊条属于低氢钠性焊条，可以有效降低接头中的含氢量。按照焊条质量证明书对焊条进行验收。按照gb/t5118标准对焊条熔敷金属的化学成分和力学性能（焊条状态）进行复验。(4) 焊接材料管理由于氢是造成焊接裂纹的主要原因之一，所以必须对焊条熔敷金属进行扩散氢含量（h）的测定，分别按照gb/t3965中规定的甘油法进行，以h6.0ml/100g，气相色谱法h10.0ml/100g为合格。j507焊条使用前

46、按照gb/t5118中的规定应在3004302h烘干，然后置于100-150恒温箱内，随用随取。焊工应使用电加热的焊条筒领用，保温筒内焊条必须在4h内用完，否则应退库重新烘焙，但烘干次数不超过2次，超过2次的焊条不得用于球壳板焊接12。生锈、药皮脱落、发霉、受潮的焊条不得使用。严格执行焊条领用、发放、回收制度。 (5)焊接材料估算焊材所需体积包括：球壳板间纵、环焊缝+支柱与球壳壁焊缝+支柱与底板+人孔凸缘与球壳板+接管与球壳+接管与法兰+余量焊材质量为 4.2.2 焊接工艺的确定 (1) 焊接工艺参数 根据焊接工艺评定，使用焊条j507，焊接电流、电压、速度见表5.4：表4.4 4.0 j50

47、7焊条焊接工艺参数焊条直径mm焊接电流a电弧电压v焊接速度（）4.0平焊（160180）横焊、仰焊（150170）立焊（140160）2426平焊（2426）横焊（1518）仰焊（2021）立焊（2528） (2) 气候条件 在下述气候条件时，要加以控制保护，否则不得进行焊接 a.雨天，下雨时应停止焊接。 b.刮风，风速大于8m/s时焊接应停止，风速小于8m/s时，但对焊接有不利影响因素时也应停止焊接。 c.温度低于时不得进行焊接。 d.相对湿度大于90%时应停止焊接。(3) 焊前准备由于球罐在现场施焊，焊缝长度大，焊接位置多，故对焊工要求也高。因此进行球罐焊接的焊工必须进行焊工训练及评定。只

48、有通过评定的焊工才能进行球罐焊接工作。 a.焊工训练采用结构钢作为试板，焊条采用j507低氢钠焊条。试板尺寸为，厚度选用壳体相同厚度，只作立焊。要求试板通过射线照相实验，焊缝外观符合要求。 b.焊工评定 焊工能力评定要求按焊接工艺评定，即对其实际施焊的板材，采用的焊接材料、焊接位置进行焊接。每个焊工需作仰焊+平焊、立焊、横焊三种位置的焊接试板。试样尺寸为。焊工能力评定试验，只要通过射线照相检验。侧弯试验及外观检查。合格要求同焊接工艺评定实验的要求。 4.2.3 焊接顺序施焊时，其焊接顺序应遵循下列原则：先焊接纵向焊缝，后焊接环向焊缝；先焊短焊缝，后焊长焊缝；先焊坡口深度大的一侧，后焊坡口深度小的一侧。焊缝交叉部位时，应先将纵缝焊到环焊缝坡口内，然后将坡口内的焊肉打磨干净除去焊缝终端缺陷，焊接环焊缝时，不应在交叉部位引弧或灭弧。详细的焊接顺序为：首先进行支柱与赤道带的焊接赤道带x破口定位焊接赤道带纵缝大坡口焊接赤道带纵缝小坡口清根、探伤、焊接上、下极带小纵缝大坡口焊接上、下极带小纵缝小坡口清根、探伤、焊接上、下极带大纵缝大坡口焊接上、下极带大纵缝小坡口清根、探伤、焊接上、下极带环缝大坡口焊接上、下极带环缝小坡口清根、探伤、焊接赤道