400M3丙烯球罐设计（机械CAD图纸）

1、 摘 要本次设计中的400m球罐用于贮存氧气，其球壳板的材质为16MnR,本文对其母材的焊接性做了简要的分析，并在次基础上选择了球罐焊接前的预热温度，以及焊接方法和焊接材料。预热温度为120-140，焊接方法为焊条电弧焊，焊条为E5015。 根据工厂的生产经验和相关标准编制了400m球罐的生产工艺流程。在整个生产过程中，球壳板的压制成形，球罐的组装与球罐的焊接属于生产中的重点与难点，在本文中都进行了详细的分析和论述。 球壳板成形采取布局成形的方法，必须在现场进行。本文根据球罐上每条焊缝的不同特点，制定了各个焊缝的具体焊接方法，并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

2、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 成形 组装 焊接 AbstractThe design of the 400m spherical container used for store oxygen ,its spherical shell plate material is 16MnR .In this paper, the welding of the base metal was analysed briefly ,and on this foundation ,the preheat temperature

3、 before the spherical container for welding ,the welding process ,and the welding material were selected . The preheat temperature is 120-140 ，the welding process is the shield metal are welding, the covered electrodes are E5015 .The produce technologic course of the 400 mspherical container was com

4、piled according to the experience of the manufacturing plant and related standards .In the entire production process ,the press of forming spherical shell plate ，the installation and welding of spherical container belong to important and difficult in the production . In this paper ,they were carried

5、 out a detailed analysis and exposition .the methods of forming the spherical shell plate was part forming . The of the spherical container was divided two parts, they are the parts installation method ,and it should be conducted at the scene. According to the different character of each weld on the

6、 spherical container ,in this paper ,the concrete welding process of every weld was complied ,and the welding procedure parameters were chose .After the installation and welding of the spherical container ,there need to conduct process when the welding finished ,which include non-destructive testing

7、 , post weld heat treatment ,and the pressure test ,and so on .In the paper , they were conducted a brief analysis and exposition ,and were introduced the corresponding resolve methods and attention matters .Key words :Spherical container forming installation welding目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc

8、25111 绪 论 PAGEREF _Toc25111 1 HYPERLINK l _Toc31127 1.1球形容器的特点 PAGEREF _Toc31127 1 HYPERLINK l _Toc8928 1.2球形容器分类 PAGEREF _Toc8928 1 HYPERLINK l _Toc16659 1.3国内球罐建造情况 PAGEREF _Toc16659 2 HYPERLINK l _Toc7172 第一章 材料选用 PAGEREF _Toc7172 3 HYPERLINK l _Toc8071 1.1材料的选择原则 PAGEREF _Toc8071 3 HYPERLINK l _

9、Toc31018 1.2壳体用材料 PAGEREF _Toc31018 4 HYPERLINK l _Toc7211 1.3锻件用钢 PAGEREF _Toc7211 5 HYPERLINK l _Toc19991 1.4螺栓、螺母和支撑结构的选材 PAGEREF _Toc19991 5 HYPERLINK l _Toc10102 1 PAGEREF _Toc10102 5 HYPERLINK l _Toc20003 1.4.2支承结构（支柱、拉杆等）选材 PAGEREF _Toc20003 5 HYPERLINK l _Toc303 第二章 结构设计 PAGEREF _Toc303 7 HY

10、PERLINK l _Toc29821 2.1概述 PAGEREF _Toc29821 7 HYPERLINK l _Toc12334 2.2球壳设计 PAGEREF _Toc12334 7 HYPERLINK l _Toc19325 2.3球壳的分带，分块及分角 PAGEREF _Toc19325 8 HYPERLINK l _Toc8411 2.4纯桔瓣球壳的瓣片设计和计算 PAGEREF _Toc8411 8 HYPERLINK l _Toc13200 2 PAGEREF _Toc13200 8 HYPERLINK l _Toc26864 3 PAGEREF _Toc26864 9 HY

11、PERLINK l _Toc20104 3.5坡口设计 PAGEREF _Toc20104 15 HYPERLINK l _Toc25099 3.6支座设计 PAGEREF _Toc25099 15 HYPERLINK l _Toc6734 3 PAGEREF _Toc6734 15 HYPERLINK l _Toc6675 3. PAGEREF _Toc6675 16 HYPERLINK l _Toc24139 3.7人孔和接管 PAGEREF _Toc24139 16 HYPERLINK l _Toc20349 3. PAGEREF _Toc20349 16 HYPERLINK l _To

12、c26889 3 PAGEREF _Toc26889 16 HYPERLINK l _Toc8430 3.8球罐的附件设计 PAGEREF _Toc8430 16 HYPERLINK l _Toc18387 3 PAGEREF _Toc18387 16 HYPERLINK l _Toc4823 3. PAGEREF _Toc4823 16 HYPERLINK l _Toc12383 3 PAGEREF _Toc12383 17 HYPERLINK l _Toc25336 3 PAGEREF _Toc25336 17 HYPERLINK l _Toc21707 PAGEREF _Toc21707

13、 17 HYPERLINK l _Toc8428 2 PAGEREF _Toc8428 17 HYPERLINK l _Toc23661 第四章 强度计算 PAGEREF _Toc23661 19 HYPERLINK l _Toc31790 4.1球壳壁厚计算 PAGEREF _Toc31790 19 HYPERLINK l _Toc20557 4 PAGEREF _Toc20557 19 HYPERLINK l _Toc31547 4.1.2计算各带壳板厚度时的计算压力，最大的物料成装体积 PAGEREF _Toc31547 19 HYPERLINK l _Toc64 各带球壳板的厚度计算

14、PAGEREF _Toc64 19 HYPERLINK l _Toc11445 4.2支柱计算 PAGEREF _Toc11445 20 HYPERLINK l _Toc19960 4 PAGEREF _Toc19960 20 HYPERLINK l _Toc10936 PAGEREF _Toc10936 24 HYPERLINK l _Toc9892 支柱弯矩及偏心率计算 PAGEREF _Toc9892 29 HYPERLINK l _Toc10615 a 偏心弯矩 PAGEREF _Toc10615 29 HYPERLINK l _Toc13847 4.2.4 支柱稳定性验算 PAGER

15、EF _Toc13847 31 HYPERLINK l _Toc14383 查表得 PAGEREF _Toc14383 31 HYPERLINK l _Toc22703 4.2.5 地脚螺栓计算 PAGEREF _Toc22703 32 HYPERLINK l _Toc26311 PAGEREF _Toc26311 34 HYPERLINK l _Toc487 4.3.1 拉杆强度计算 PAGEREF _Toc487 34 HYPERLINK l _Toc25529 4.3.2 拉杆连接部位计算 PAGEREF _Toc25529 34 HYPERLINK l _Toc23134 4.4 支柱

16、和球壳连接最低处a点的应力验算 PAGEREF _Toc23134 36 HYPERLINK l _Toc16654 4.4.1 符号说明 PAGEREF _Toc16654 36 HYPERLINK l _Toc4178 4.4.2 单项应力计算 PAGEREF _Toc4178 37 HYPERLINK l _Toc12029 4.4.3 合成应力计算 PAGEREF _Toc12029 39 HYPERLINK l _Toc10821 4.4.4 强度验算 PAGEREF _Toc10821 39 HYPERLINK l _Toc31873 4.5 支柱与球壳连接焊缝强度验算 PAGER

17、EF _Toc31873 39 HYPERLINK l _Toc7107 4.6 支柱间的允许沉降差 PAGEREF _Toc7107 40 HYPERLINK l _Toc5510 4.7 人孔锻件设计和强度校核 PAGEREF _Toc5510 41 HYPERLINK l _Toc5458 PAGEREF _Toc5458 41 HYPERLINK l _Toc13217 PAGEREF _Toc13217 42 HYPERLINK l _Toc4300 PAGEREF _Toc4300 44 HYPERLINK l _Toc23922 PAGEREF _Toc23922 45 HYPE

18、RLINK l _Toc26045 4.7.5 法兰应力计算 PAGEREF _Toc26045 46 HYPERLINK l _Toc29211 PAGEREF _Toc29211 46 HYPERLINK l _Toc19830 第五章 工厂制造及现场组装 PAGEREF _Toc19830 47 HYPERLINK l _Toc10613 PAGEREF _Toc10613 47 HYPERLINK l _Toc15605 5.1.1 原材料检验 PAGEREF _Toc15605 47 HYPERLINK l _Toc27349 5.1.2 瓣片加工 PAGEREF _Toc27349

19、 47 HYPERLINK l _Toc27681 PAGEREF _Toc27681 48 HYPERLINK l _Toc18906 PAGEREF _Toc18906 48 HYPERLINK l _Toc25032 PAGEREF _Toc25032 48 HYPERLINK l _Toc17631 第六章 焊接与检查 PAGEREF _Toc17631 49 HYPERLINK l _Toc8292 6.1 钢材的可焊性 PAGEREF _Toc8292 49 HYPERLINK l _Toc12076 6.2 焊接工艺的确定 PAGEREF _Toc12076 49 HYPERLI

20、NK l _Toc20413 PAGEREF _Toc20413 50 HYPERLINK l _Toc13438 PAGEREF _Toc13438 51 HYPERLINK l _Toc27474 6.3.2 焊后热处理 PAGEREF _Toc27474 51 HYPERLINK l _Toc11843 PAGEREF _Toc11843 51 HYPERLINK l _Toc11028 PAGEREF _Toc11028 51 HYPERLINK l _Toc12259 PAGEREF _Toc12259 52 HYPERLINK l _Toc2852 PAGEREF _Toc2852

21、 52 HYPERLINK l _Toc27137 6.5.1 焊接检验 PAGEREF _Toc27137 52 HYPERLINK l _Toc12920 6.5.2 球瓣的检验 PAGEREF _Toc12920 52 HYPERLINK l _Toc17694 6.5.3 上、下极板的检查 PAGEREF _Toc17694 53 HYPERLINK l _Toc31578 PAGEREF _Toc31578 53 HYPERLINK l _Toc8939 PAGEREF _Toc8939 54 HYPERLINK l _Toc22269 PAGEREF _Toc22269 54 HY

22、PERLINK l _Toc9762 6.6.1 预组装检验 PAGEREF _Toc9762 54 HYPERLINK l _Toc29587 6.6.2 焊接质量检验 PAGEREF _Toc29587 55 HYPERLINK l _Toc9167 6.6.3 焊接工作完成后的检查 PAGEREF _Toc9167 55绪 论近几十年来球形容器在国外发展得很快，我国的球形容器建设在七十年代才得到了飞速发展。通常球形容器作为大容积，高压存储容器，在各工业部门中作为液化石油气（L，P，G），液化天然气（L，N，G），液氨，液氮，液氢，液氧及其他中间介质的存储。在原子能工业中球形容器还作为安全

23、壳使用。总之随着工业的发展，球形容器的适用范围也就必然会越来越广泛。由于球形容器多数作为有压贮存容器，故又称球罐。球形容器与常用的圆筒形容器相比具有下列的一些特点：球形容器的表面积最小，即在相同容量下球形容器所需钢材面积最小。球形容器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，采用同样钢板时，求形容器的板厚只需圆筒形容器板厚的一半。球形容器占地面积小，且可向高度发展，有利于地表面积的利用。由于这些特点，再加上球形容器基础简单，外观漂亮，受风面小等原因，是球形容器的应用得到扩大。球形容器可按不同方式，如按贮存温度，结构形式等分类。按贮存温度分类:球形容器一般用于常温或低温。只有极个

24、别的场合，如造纸工业用的蒸煮球等，使用温度高于常温。（1）常温球形容器 如液化石油气，氨，煤气，氧，氮等球罐。一般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。它的设计温度大于-20C。（2）低温球罐 这类球罐的设计温度低于常温（即 -20C），一般不低于-100C压力属中等。（3）深冷球罐 设计温度在-100C以下。往往在介质液化点以下贮存，压力不高有时为常压。由于对保冷要求高，常采用双层球壳。目前国内使用的球馆，设计温度一般在-40C50C之间。按结构形式分类：按形状分有圆球形，椭圆形，水滴形或上述几种形式的混合；圆球形按分瓣方式分有桔瓣式，足球瓣式，混合瓣式等；圆球形按

25、职称方式分有支柱式，裙座式，V形支撑等。我国最早建造球罐在1958面以后，至1980年已运行的各类球罐约为1000台左右。回顾我国近三十年的建造球罐的历史，历史较短，但发展速度较快。目前我国建球技术水平仅仅达到世界先进建球国家的五十年代的水平，至于近年来引进国外的球罐技术水平也仅仅是六十年代初期的水平，我国在建球领域的某些技术也有达到七十年代的技术水平，但是综合技术水平还是较落后的，球罐的质量不能很快提高是技术管理水平低，大容器球罐尚不能建造主要是缺少球罐的专门用材。由于目前的一些问题主要都出现在焊接接头上，所以应采取措施把焊缝的质量提高到国际水平。应从焊缝磨削、球罐热处理、人孔接管产生的应力

26、进行处理。第一章 材料选用1.1材料的选择原则球罐是压力容器的一种结构形式，因而在选用材料的基本要求方面与压力容器相同。球罐与一般圆筒形压力容器比较有某特殊之处：首先，球罐容量较大，目前国内较为一般的容量为400m3,最大的约有9000m3，失效的影响大;其次，球罐壳板承受相同的双向拉应力，而圆筒形容器轴向应力仅为周向应力的一半；第三，球罐装配比较复杂，且在现场组装，组装对口多（焊缝多）角变形可能性大，局部应力也大；第四，球形容器在现场施焊，焊接条件苛刻，因而对材料的可焊性要求高。总之，由于球形容器的固有特点，就必定会对材料提出特殊的要求。球罐在使用时的主要失效模型有五种，对这五种失效模型起控

27、制作用的物理及力学性能如下：控制性能弹性模量弹性模量屈服强度屈服强度韧性失 效 模 型弹性失稳过渡的弹性变形整体塑性变形拉伸失稳快速断裂此可见要求材料必须具有一定的强度（s，b）刚度（E），韧性（冲击韧性，无延性转折温度，断裂韧性等）。球罐在成形加工过程中必须经受各种变形，因而要具有一定的塑性，及要求有一定的伸长率（）断面收缩率（）。对材料的可焊性要求，母线以控制材料的碳当量（Ceq），焊接裂纹敏感性指数（Pc）及焊接裂纹敏感性组成（Pcm）等为基准。目前,球罐的使用场合基本上属于常温及低温，因而重点介绍常温，低温球罐用材料的选材准则。1.强度指标主要指材料的屈服强度s及抗拉强度bo。习惯上以

28、屈服强度作为材料级别分类依据。材料的屈服强度与韧性有关，往往是强度越高，人性越差。此外高强度材料对成型，组装,焊接也带来了一些新的问题。选择材料的强度级别时a)要考虑现行设计规定材料与用应力安全系列的规定。b)要考虑钢材的质量（板厚效应），我国钢厂生产的中板以40mm以下的综合性能较好。从我国引进的多层高雅容器，倾向于采用30mm左右的板材。故而建议在选用材料的强度级别时应尽可能把材料厚度控制在 30mm左右或 40mm以下。c)要考虑施工的方便，目前可采用的高强度材料以50kgf/mm2级为限，更高屈服强度级别的材料在施工中将遇到共遇到的困难。采取一定措施后，球形容器焊后不进热处理的厚度界限

29、可达40mm。这也是考虑采用较高强度级别的因素。 韧性使保质材料避免产生裂纹，防止快速断裂的重要性能，对球形容来说这一指标更为重要。作为材料的验收方法，将各种韧性指标与V形缺口冲击试验的吸收能量相联系，以期达到简单方便的目的。韧性要求应随着材料强度级别的高而提高。材料的韧性不仅与化学成分，冶炼工艺，使用状态有关，经与材料的厚度有关。 目前常用的压力容器用钢，均属中，低强度钢，起塑性指标均能满足要求。 球形容器用材料对可焊性要求比通常的压力容器用材更为高。因而在材料的原则上就要考虑可焊性。常用的考虑可焊性的指标有碳当量，裂纹敏感性指数。 在球形容器用钢的选择上，经济指标是要重点考虑的。因为钢材的

30、价格在整个球形容器的投资上占了相当的比例。1.2壳体用材料我们所设计的球形容器是属于常温球形容器。选择壳体用材料时应满足强度指标，韧性指标，塑性指标，可焊性要求以及经济指标等要求。因进口钢材价格昂贵，所以 400m3球罐均由我国自行设计制造，并按我国的技术规范向厂组装。球壳板材料以 16MnR,A3R为主。经比较可知，16MnR更满足各种要求且其经验丰富，技术成熟。故选用 16MnR为本设计所用的球壳材料。16MnR的补充技术要求。厚度大于20mm时应保证超声波探伤质量。厚度大于20mm时应按锅炉钢板要求进行断口检验。对正火状态钢板应该明正火热处理状态。使用温度下V形缺口冲击试样的冲击吸收能量

31、不小于：三个试样平均值单个试样最低值16MnR化学成分有C，Si, Mn, P, S16MnR的可焊性碳当量 Ce q =C+% (2.1)所以 Ce q =0.19+故满足要求故 C控制在 0.19以下，Mn控制在 1.40以下，Si控制在 0.40以下。1.3锻件用钢球形容器的人孔，接管等往往采用锻件。人孔结构采用锻件可避免补强结构，使人孔以对接焊的形式与球壳板连接，达到减少结构应力的目的。接管采用锻件，增大补强，达到减少应力突变的目的。因而,再有条件的情况下应尽量采用锻件形式。对高强度钢材制造的球罐，或低温下使用的球罐更应采用锻件结构。锻件的选用应按JB755-73压力容器锻件技术条件，

32、一般来说球形容器上锻件的盈利相对地比丘刻板低，故在选用锻件材料是在强度上可略低于球壳板材料，但人性要求与相应级别的球壳板材料相同。16MnR配用16Mn锻件，故锻件材料选用16Mn。1.4螺栓、螺母和支撑结构的选材1螺栓螺母的选用螺栓材料可选用 A3。钢材标准：GB700-79。使用温度范围-20C利螺母的硬度比螺栓低，故可选用：A3F。表2-1 支撑结构选材表1支承结构（支柱、拉杆等）选材构件名称钢号钢材标准支柱钢材A3GB700-79拉杆A3GB700-79支柱底板A3GB700-79支柱圆盖A3GB700-79销子A3GB700-79松紧结16MnGB1591-79第二章 结构设计2.1

33、概述球罐结构形式是多种多样的，根据不同的使用条件（介质，容量，压力，温度）使用不同，球罐设计和制造水平的差异，有不同的结构形式，通常可按照不同的外观形状，壳体的构造方式和支撑方式的不同进行分类，从几何形状看有圆球形和椭圆球形之分，从壳体层数看有单层壳球和双层壳球之分，从壳层的组成看有单层双层，多层之分；从球壳的组合方案看有桔瓣式，足球瓣式和足球桔瓣混合式之分；从支撑结构看有支柱式支撑，筒形或锥形支撑之分。球罐的结构并不复杂，但是它们的制造和安装较其他形式贮罐难，主要原因是它的壳体为空间曲面压制成型，安装组队以及现场焊接难度较大。而且，由于球罐大多数是压力或低温容器，它盛装的物料又大部分是易燃，

34、易爆物，且装载量大，一旦事故发生，后果不堪设想。因此，球罐结构设计要围绕如何保证安全可靠而实施。球罐结构设计合理必须考虑各种因素：装载物料的性质；设计温度和压力；材质；制造技术水平和设备安装方法；焊接和试验要求；操作方便和可靠，自然环境的影响等等，要做到满足各项工艺要求，有足够的强度和稳定性，且结构尽可能简单，使其在压制成型，安装组队，焊接和检验，操作，监测和检修容易实施，这些就是结构设计的重要性所在。2.2球壳设计球壳是球罐的主体，它是贮存物料和承受物料工作压力和液柱静压力的构件。而且由于球壳几何尺寸较大，用材量大，它必须由许多瓣片组成。球壳设计需要按照以下设计准则；（1）必须满足所储存物料

35、在容量，压力，温度等方面的要求，安全可靠（2）受力状况最佳；（3）考虑了压机（球瓣成型的加工机械）的开档大小，尽量采用大的球瓣结构，使焊缝长度最小，减少安装工作量；（4）考虑钢板的规格，尽量提高钢板利用率。纯桔瓣球壳的设计的球壳是将球壳按桔瓣结构进行分割的组合结构。这种球壳的特点是球壳拼装焊缝较规则，施工简便，加快组焊进度，便于采用自动焊。由于分块分带对称，因此装配应力及焊接内应力较均匀。可以采用大瓣设计，减少环带和焊接，较容易保证球罐质量。同时，这种球壳可以按照等强度设计，用不同的分带去承受不同的附加压力，产生不等厚的球瓣结构。纯桔瓣式球壳结构由于由赤道带，而球罐支撑又大多数为赤道正柱式支撑

36、，所以要对赤道带球瓣数加以限制，使其与支柱数成整数倍关系，就能使支柱错开焊缝，布置在赤道球瓣的中间，成为受力状态均匀，焊接质量易保障的合理结构形式。这也是纯桔瓣式结构的另外一个优点。此外，纯桔瓣式结构较灵活，按照原材料的大小以及压机开档的尺寸，可以设成不同的球心夹角的分带和分块，以满足结构和制造工艺的要求。2.3球壳的分带，分块及分角纯桔瓣式球壳分带，分块，分角的形式多种多样，下面是一些典型的结构形式 90型球壳：全球分成上下极三带，每带球心夹角 90，上下极板各分成三块。 45型球壳：全球分成五带；上下极带，上，下温带以及赤道带，分带球心夹角为45 36型球壳：全球在赤道线上切成两半球，因此

37、有一条正赤道环缝，球壳分为六个带，上，下赤道带，上，下温带，上，下极带，每带球心夹角为 36上下极板各分四块m乙烯球罐，全球分为五带，上，下极带以及赤道带球心夹角各为 60上下温带球心夹角各为 30上下极带各为三块板。在本设计中采用的球壳分带分块分角的形式为45型球壳。全球分割为五带，上下温带，上下赤道带以及赤道带。球心分角为 45每带分瓣数;上，下极带各分成三瓣，上下温带各分为 16瓣，赤道带分成16瓣。2.4纯桔瓣球壳的瓣片设计和计算2瓣片设计纯桔瓣球壳在确定分带分片以后，既要进行每块球壳瓣片的设计，确定每块球瓣的几何尺寸。按照我国过去习惯，一般是在设计施工图纸中只标注出每块球瓣的厚度和四

38、个周边的弧长。每块球瓣的尺寸大小与下列因素有关：钢板规格大小，压机开档大小，冲压成型的方式和工艺等。3纯桔瓣球瓣的计算本设计采用以赤道平面为基准的计算公式。符号说明： Ni分带序数（Ni=1为赤道带，Ni=2为温带，Ni=3为寒带） Sn=i 各个球瓣测量点的总数（赤道带球瓣若对称于赤道平面时候S取该瓣测量点总数的一半）; i各个球心夹角（i=1，i为赤道带夹角，i=2，2为温带夹角） G极带口直径，mm 极带弧长，mm D 球罐内经，mm; n球壳分带总数; 极带中间瓣的半球心夹角； 第i球带的球瓣的经向弧长，mm； 极板中间瓣的经向弧长，mm； 球瓣上两经线边缘与过m点的球心截面圆周相交点

39、的距离，mm； 球瓣上与各m C 弧长相应的弧长，mm; 球瓣测量各点的顺序号； 各带球瓣下弦口弧长，mm； 各带球瓣下弦口弦长，mm； 各带球瓣上弦口展开半径，mm; 各带球瓣对角线弦长，mm； 各带球瓣对角线弧长，mm。各带纬向截面圆下弦口直径 =() (3.1)因为所以各带弧长 （3.2）同理 球半径（半球以上）各点弧长一般把球瓣分成10等份来测量故取10因各带球心角相等故 （3.3）对赤道带 所以 同理 对温带 同理 球瓣相应于Cm的弧长 （3.4）同理得 球半径边缘各测点弧长Cm （3.5） 球瓣径向边缘相应于Cm的弧长之一半当求赤道带的 时有关式中 S赤、S温分别表示赤道球瓣（赤道

40、平面以上）,温带球瓣的测量点数。对赤道带令、 、 ；对温带:令 、 以此类推。 同理得 当求温带 时 (3.7)同理得 各带球瓣弦口弧长和弦长 （3.8） （3.9） 各带球瓣弦口展开半径 因为各带球心夹角相等 所以 （3.10） 极带几何尺寸计算 （3.11） （3.12）当 时 （3.13） （3.14）因为各带球瓣对角线弦长和弧长固赤道带对称于赤道平面故赤道带对称于赤道平面 （3.15） （3.16）3.5坡口设计球壳都是以瓣片焊接而成，因此焊接坡口的设计是保证球罐质量的重要环节。坡口设计的原则是要便于施焊，便于检验，以此来达到焊缝有足够强度而又经济合理。目前国内，外球罐的焊缝系数都趋向

41、于采用=1因此坡口设计就更为重要。坡口设计就是决定坡口结构的三个要素：角度（包括角度误差）；间隙（包括间隙误差）；钝边尺寸大小（包括误差）。在本设计中根据球形储罐设计规定选用不对称 x型坡口形式。3.6支座设计在本设计中，选用赤道正切柱式支座结构。3支座结构支柱由圆管、底板、端板三部分组成。分单段式和双段式，本设计采用双段式支柱。支柱与球壳的连接主要分为有垫板和无垫板两种结构，本设计中采用无垫板结构。支柱与球壳连接端部结构，分为平板式及半球式两种，本设计中采用半球顶有托板结构。支柱的防火安全结构主要是在支柱上设置防火层及可熔塞结构。每根支柱上开设排气孔，使支柱管子内部的气孔在火灾时能够及时逸出

42、，保护支柱。球壳应按有关规定安装单个接地电阻为 20欧姆，总合电阻为 10欧姆以下的接地设备。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。本设计中采用可调式拉杆结构。3.7人孔和接管3.人孔结构球罐用的人孔是作为操作人员进出球罐以进行检验及维修用的。因公称容积小于 1000m3，故本设计中开设 Dg500的人孔。在有压力情况下人孔法兰一般采用带颈对焊法兰。密封面采用凹凸面形式。采用整体锻件补强的人孔结构较为合理。3接管结构1.接管材料：与球壳相焊的接管材质选用与球壳相同的材料。2.开孔位置：开孔应设计在上、下极带上，便于集中控制，

43、并使接管焊接能在制造厂完成，保证接管焊接部位的质量。3.孔的补强：因球罐容积大，一般其壳体壁厚都较接管厚，为保证焊接质量，应加后接管管壁。3.8球罐的附件设计3梯子平台在本设计中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下部斜梯、上部盘梯。3.水喷淋装置1. 概述球罐上装置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的隔热需要，同时也可起消防的保护作用。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。（1 ）所需洒水量在本设计中所用的洒水量为 6l/m2min贮槽外表

44、面积：所需洒水量：（2 ）洒水管口径水流速: 所需管颈: （3 ）洒水孔数的决定 3隔热设施贮存液化石油气，可燃性气体和它的液化气以及有毒气体的球罐壳体和支柱应该设置隔热设施。隔热设施可采用水喷淋装置或采用不燃性绝热材料覆盖。3页面计本设计中采用玻璃板式页面计考虑压力表由于某种原因而发生的故障，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压力表。压力表的最大刻度为正常运转压力的 1.5倍以上。2安全阀为防止球罐运转异常造成内压超过设计压力，应在气相部分设置一个以上的异常时用安全阀，以便及时排出部分气相物料，自动的将内压回复到设计压力以下。安全阀的排气量因为贮罐的保温实际上是保冷，所

45、以不用绝热材料作保温层 (3.18)其中F=1对于球形容器：千卡、千克所以: 千克/小时安全阀排气能力的计算： (3.19)选择全启安全阀，取 X=244可得 2 (3.20)所以 d1=54mm，安全阀喉部直径为54mm第四章 强度计算4.1球壳壁厚计算球壳的分带数和各带中心角的确定4符号说明 设计压力，； 球壳内直径，mm ； 球壳材料的许用应力，； 焊缝系数； 壁厚附加量，mm 。4.计算各带壳板厚度时的计算压力，最大的物料成装体积各带球壳板的厚度计算球壳板壁厚附加量 (4.1)取=30mm取=30mm同理: 取 取 取4.2支柱计算4载荷计算符号说明 球壳的平均直径，m ； 球壳内直径

46、，m ； 球壳外直径，m ； 支柱数目； 支柱材料常温弹性模数，； 支柱横截面惯性矩 （2）重量载荷计算a 单项重量载荷计算球壳重量：取 S=32mm （4.2）式中 1球壳材料重度,物料重量：式中 2物料重度，K装料系数。水压试验时水的重量 （4.4）代入数得:式中：3水的重度，；积雪重量 （4.5）代入数得式中 ：基本亚雪值， C保温层重量 （4.6）代入数得 b. 组合重量载荷计算 支柱选用的钢管，拉杆采用 的圆钢支柱和拉杆重量.附件重量球罐操作状态F的重量 球罐最小重量式中 ：支柱和拉杆的重量，； 附加重量，包括：人孔，接管，液面计，内件，喷淋装置，安全阀，梯子和平台等， 风载荷和地震

47、载荷计算 a. 自振周期 取 L=1600mm . （4.7）代入得 水平位移： (4.8)式中 （4.9）代入得基本自振周期： (4.10)代入得 秒上写式中：重力加速， 在球罐中心处作用单位水平力时，该处所引起的 水平位移； 支柱底板底面至球罐中心的距离，cm； 拉杆影响系数； 支柱底板底面至拉杆与支柱中心线交点处的距离，cm；b. 风载荷由表查得： 经表查得： （4.11）式中： 风载荷系数，取； 10米高处得基本风压值，； 风压高度变化系数； 球罐附件增大系数，取； 系数c. 地震载荷查表得 （4.12）代入得 (4.13)代入得 式中： 综合影响系数，取 相当于球罐基本自振周期下的地

48、震影响系数值； 地震影响系数支柱计算 (1) 符号说明 支柱中心圆半径，cm; 单根支柱的金属横截面积，; 支柱材料的屈服点，; 球壳内半径，cm; 操作状态下球壳的应力，; 水压试验状态下球壳的应力，; 球壳材料常温弹性模量，; 单根支柱断面模数，; 等于H0-l,cm; 取和Fe中的较大值。（2 ）各支柱的垂直载荷单项载荷计算重量载荷 操作状态下：水压实验状态下：由水平风载荷或水平地震载荷引起的推倒弯矩对支柱产生的垂直载荷(a) 推倒弯矩 由于Fe 取 =FeM=*L=18989.4154*160=3038306.464kgf cmMd=*L=1752.8631*160=280458.09

49、6kgf cm(b) 垂直载荷 (4.14)式中的下标 i表示支柱的顺序号，顺序号为 0，1，2，顺序号从俯视图的水平中心线开始，在 180范围内编号。i 支柱的方位角A向受力 得数前加“”表示受向上的力B向受力 拉杆在支柱上产生的垂直载荷 拉杆和相邻两支柱连接 （4.15）式中Ci-j的下标j表示拉杆的顺序号，顺序号为a,1,2, 顺序号 从俯视图的水平中心线开始，在180范围内编号 i-j拉杆的方位角A向受力B向受力（）max,(Ci-j)max值和（+Ci-j）max的计算 表4-1 A 向受力表 表4-2B向受力表b. 组合载荷计算 操作状态下支柱承受的最大垂直载荷 q 0max=q0

50、+( 水压试验状态下支柱承受的最大垂直载荷 （4.16）代入得 支柱弯矩及偏心率计算 支柱在操作和水压试验时，在内压力作用下，球壳直径增大，使支柱承受偏心弯矩和附加弯矩 a 偏心弯矩 操作状态 (4.17)代入得 （4.18） 水压试验状态 （4.19） (4.20)代入得 b 附加弯矩 操作状态 （4.21） 水压试验状态b）偏心率 EQ oac(,1)操作状态 (4.23)代入得 式中 (4.24)代入得 EQ oac(,2) 水压试验状态 (4.25)代入得 支柱稳定性验算a. 应力计算 符号说明 PO和PT分别为操作状态和水压试验状态下的稳定系数， 分别按o，T 和 值查表 支柱的波长

51、比 K计算长度系数，取K=1 i支柱的惯性半径. 操作状态查表得 时 时 时 水压试验状态 查表得 时 时 时 b. 稳定验算 取OC和TC中较大值作为 故 上式中：C支柱材料的许用应力，kgf/cm2 S支柱材料的屈服点， 所以选用的支柱尺寸满足要求 地脚螺栓计算a 当 时，不必进行地脚螺栓的计算。只设置适当直径的定位的地脚螺栓即可。b 当 时，球罐必须用地脚螺栓固定，每个支柱由两根地脚螺栓固定时，其直径按下式计算 （4.26）式中；fs支柱基础板与基础之间的摩擦系数； FT拉杆水平； 地脚螺栓材料的剪切许用应力； C 地脚螺栓的腐蚀裕量 ，cm ； S 地脚螺栓的屈服点 ， (4.27)代

52、入得 式中： 故球罐必须用地脚螺栓固定地脚螺栓螺纹根径： （4.28）代入得 b基础板材料的许用弯曲应力 l b基础板外边缘至支柱外表面的距离 S基础板材料的屈服点 拉杆强度计算拉杆承受的最大载荷 （4.29）代入得 式中拉杆和支柱间的夹角。 (4.30)代入得 式中 拉杆材料的屈服点所以取拉杆螺纹的公称直径为M30 拉杆连接部位计算 销子直径 （4.31）代入得 所以取销子的直径为25mm式中： 销子材料的许用剪切应力 销子材料的屈服点，b. 耳板的厚度或翼板的厚度 耳板或翼板选用A3材料 耳板的厚度 （4.32）代入得 取耳板的厚度为16mm ，每块翼板的厚度为 10mm 式中 耳板或翼板

53、的材料挤压许用应力 耳板或翼板材料的屈服点，取两者中较小值FORMTEXTc. 焊缝强度验算 式中 角焊缝许用剪切应力 角焊缝焊缝系数 取 被连接件的材料中之较小屈服点kgf/cm2 EQ oac(,1)耳板和支柱连接焊缝 焊缝承受的剪切应力 （4.33)代入得 EQ oac(,2)拉杆和翼板连接焊缝 焊缝承受的剪切应力 (4.34)代入得 式中L1，L2单边焊缝长度，cm ； 1，2焊缝较小直边长度，cm ；4.4 支柱和球壳连接最低处a点的应力验算 符号说明 l支柱与球壳连接焊缝单边长度，cm ； 球壳a点处的壁厚，cm ； Poa操作状态下介质在a点处的静压力， ； 水压试验状态下水在a

54、点出的静压力，； Laa点至球罐中心水平线的垂直距离，cm ； PT 水压试验压力 ，； Di球壳内直径 ，cm ； DCP球壳的平均直径 ，cm ； C 壁厚附加量 ，cm ； RCP球壳的平均半径 ，cm . 单项应力计算球壳a点处的剪切应力 EQ oac(,1) 操作状态 （4.35） 代入得 式中l的求算La=1500mm故1 实际焊缝长度取170cm EQ oac(,2) 水压试验状态 （4.36） 代入得 b 球壳a点处的径向压力 EQ oac(,1) 操作系统 a点处介质静压力a点以下介质重量 （4.37）a点以下球壳重量 (4.38)通过a点的水平面截得球壳金属横截面积Aa (

55、4.39)代入得 (4.40) EQ oac(,2)水压试验状态a点以下水的重量c. 球壳a点处的纬向应力 EQ oac(,1)操作状态 EQ oac(,2)水压试验状态2 合成应力计算 EQ oac(,1)操作状态 （4.42） EQ oac(,2)水压试验状态 （4.43） 强度验算 EQ oac(,1)操作状态 EQ oac(,2)水压试验状态 式中s 球壳材料在常温下的屈服点4.5 支柱与球壳连接焊缝强度验算 支柱与球壳连接焊缝承受剪切应力，最大剪切应力发生在角焊缝45横截面上。该截面承受的剪切应力按下面公式计算 （4.44）代入得 式中焊缝较小直角边长度，cm ； 和中的较大者因为故

56、 =式中焊缝剪切许用应力 S 被连接件的材料中之较小屈服点，kgf/cm2 角焊缝的焊缝系数，取所以 4.6 支柱间的允许沉降差支柱承受的垂直载荷达到一定值后，可能引起支柱下沉。由于每个支柱对应基础的承载能力或实际承受的垂直载荷不可能完全相同，因而可能造成各支柱的下沉量不同，为使下沉量少的支柱承受额外的载荷在允许范围内，应限制支柱间的沉降差值。当某一支柱的沉降量大于相邻两个支柱，且和相邻两支柱具有等量沉降差，而相邻两支柱又只承受此等量沉降差产生的额外垂直载荷时，此等量沉降差的允许值按下式计算。 (4.45)式中Ho支柱底板底面至球罐中心的距离，cm; E支柱材料常温弹性模量， ； A 一个支柱

57、的金属横截面积，cm2； 支柱允许承受的垂直载荷 式中P取PO和PT之中较小值 c支柱材料的许用应力 故相邻两支柱间的许用沉降差为2.0611mm.4.7 人孔锻件设计和强度校核人孔锻件设计因球罐的公称容积小于1000故在本设计中球罐开设Dg500的人孔两个接管壁厚t （4.46）代入得 式中 (4.47)代入得 但接管壁厚太薄，焊接时容易烧穿，另外有腐蚀性物料流过时，经长时间的冲刷易将其蚀穿，故规定采用厚壁管在本设计中，取=12mm 等面积补强法是一种经验性的设计准则，使用最早，适用范围广，当补强金属能集中于开孔接管根部时，补强效果良好。故在本设计中采用等面积补强法。补强计算壳体因开孔而削弱

58、的截面积A为补强范围 ：B=950mm 筒体壁厚的多余截面接管壁厚的多余截面凸缘部分的面积因此 式中 di考虑腐蚀后的开孔内直径； Si壳壁的计算厚度（不包括壁厚附加量）； 接管的实际壁厚； C 接管的壁厚附加量； Sc壳壁的实际壁厚； 接管的实际与计算壁厚。所以 故满足补强要求上部人孔用凹面密封面（代号：Y）下部人孔用凸面密封面（代号：Y）法兰强度校核垫圈的选择中温，中压或中，低压情况下多采用非金属垫圈，非金属垫圈简单易得，密封性良好，是常用的垫圈，非金属垫圈材料中用得最多的是石棉橡胶垫，他的优点主要是柔软和耐腐蚀，耐温和压力的性能较金属差，通常普通用于常，中温和中，低压设备与管道的法兰密封

59、。故在本设计中选用石棉橡胶板为垫圈。选用的石棉橡胶板厚为3mm ，垫圈系数m为2.00，预紧密封比压为112kg/cm2。螺栓材料应选择强度高韧性好的钢材，为了避免螺栓于螺母要死或胶合，通常采用不同的材料或选择不同的热处理条件，使其具有不同的硬度。一般螺栓材料的硬度应比螺母高 30HB以上由资料查得螺栓材料为35号钢 GB699-65配用螺母材料 A3设计温度 垫圈：根据JB1161-82 压力容器法兰用非金属软垫片标准，选垫片尺寸为565*515*3 接触宽度： 垫圈的有效密封宽度与计算宽度为计算直径 垫圈的预紧密封比压及垫圈系数查表得y =112kg/cm2 m=2(1)螺栓载荷计算预紧时

60、按式 （4.48）代入得 操作时按式 （4.49） 螺栓强度校验查螺栓许用应力表，35号钢的预紧时螺栓所需的总截面积操作时螺栓所需的总截面积A2A1 故螺栓所需的总截面积 A02实际的螺栓总截面积：查螺栓标准GB196-63,M24螺钉的有效截面积为2故 AA0 故采用35号钢螺栓满足要求螺栓间的中心距 （4.50）代入得 BB max 故螺栓间距满足要求 符号说明： W1,W2 预紧和操作时的螺栓载荷，kg; l 预紧时即常温下螺栓材料的许用应力kg/cm2 l t操作时即设计温度下螺纹材料的许用应力法兰外力矩计算 预紧时外力矩 (4.51) 代入得 式中 操作时的外力矩 式中轴间力 力臂