毕业论文-2000立方米液化丙烯气球形储罐设计

2000立方米液化丙烯气球形储罐设计1文献综述1．1概述第三次工业革命以来，现代工业技术得到不断的进步，球形容器的设计制造水平也在不断地提高。球形容器是常见的工业介质存储容器，它容量大，能承受一定的压力，在石油化工行业、合成氨工业和城市燃气建设中应用十分广泛。它可以作为液化气体，比如液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）、液氮、液氨、液氧等产品或者中间介质的存储容器，也可以被设计成核电安全壳应用在原子能发电站中。球罐存储的介质为易燃易爆介质，存储压力为常压或者中等压力，所以相关国家标准将它划分为第三类压力容器。球罐是一种比较复杂的焊接壳体结构，它的设计制造会涉及到多个学科和技术领域，比如材料力学、无损检测、断裂力学、热力学、机械设计、机械制图等。球罐作为大直径压力容器，在现场施工方面面临着独特的挑战，尤其对现场吊装设备提出了巨大的考验[1]。所以球罐的设计安装体现了一个国家的工业实力。球罐的制造最早可以追溯到20世纪初期，当时由美国和德国建造几个铆接小型低压球罐，后来，随着焊接技术、装备技术和新材料的发展，大型球罐逐渐出现，结构也由单层壳向双层壳发展，温度也由常温向低温球罐甚至深冷球罐发展，球罐不仅出现在陆地，也开始进入海洋。总之，相信随着物流运输的进步，球罐会有更大的发展。1．2球罐的特点1.2.1优点（1）球罐的表面积最小，与立式圆筒形储罐相比在相同容量下球罐所需钢材面积最少。（2）和圆筒形容器相比，球罐板材的承载能力要大一倍，也就是说在直径、压力相同的情况下，球形储罐的壁内应力最小，而且均匀。如果采用同样钢板，球罐的板厚只有圆筒形容器板厚的一半，这样可以大大降低材料费用。（3）球罐占地面积小，在安装建设时，基础工程量小，并且球罐可向空间高度发展，所以能节省土地面积。（4）球罐的基础较为简单、工程量不大，且建造费用也较为便宜[2]。1.2.2缺点（1）球罐受原材料供应（其中包括板材的厚度、规格尺寸和性能等）的限制程度严格。球罐经常使用进口材料，限制较大。（2）球罐和圆柱形容器相比，它的制造、安装相对比较困难，需要更多的技术支持和人力资源。（3）球罐几乎全部是现场组装和焊接，所以安装条件差，但是技术要求却没有降低。现场作业需要大型吊装设备，偏远地区比较困难。（4）由于国内钢材品种少，规格尺寸偏小，球罐板幅小，使得焊缝多而长，增加了工作量[3]。1．3球罐分类球罐可按不同方式分类，如按储存温度、结构形式等。1.3.1按储存温度分类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。（1）常温球罐 如液化石油气（LPG）、氨气、氧气、氮气等球罐。一般来说这类球罐的设计压力较高，它们的设计压力通常取决于液化气的饱和蒸气压力或者压缩机的出口压力。常温球罐的设计温度应该大于零下20摄氏度。（2）低温球罐

这类球罐的设计温度低于或等于零下20摄氏度，一般不应该低于零下100摄氏度。低温球罐的压力属于中等压力（视该温度下储存介质的饱和蒸气压而定）。低温球罐和常温球罐相比多了一层保温层。（3）深冷球罐

这类球罐的设计温度在零下100摄氏度以下。深冷球罐存储的介质往往在介质液化点以下，它的压力不高，有时甚至为常压。由于对保冷要求高，因此深冷球罐常采用双层球壳结构。目前国内使用的球罐，设计温度一般在-40℃到50℃之间。1.3.2按结构形式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、湿度等）有不同的结构形式。通常按照外观形状、壳体构造和支承方式的不同来分类。（1）按形状分，可以分为圆球形球罐和椭球形球罐。（2）按壳体层数分，可以分为单层壳体球罐和双层壳体球罐。（3）按球壳的组合方式分，可以分为纯橘瓣式球罐、纯足球瓣式球罐和足球橘瓣混合式球罐[4]。如图1.1所示。图1.1球罐类型桔瓣式球罐的球壳划分就像桔子瓣一样，是一种最常见最通用的划分形式。它的优点是焊缝布置简单，组装起来容易，球壳板制造也简单，缺点是材料利用率低。足球瓣式球罐的球壳划分方法又叫均分法。它的优点是材料利用率高，组装时需要焊接的焊缝较短，焊接工作量和检验工作量都小，缺点是焊缝布置复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求很高。由于受到钢板规格及自身结构的影响，足球瓣式球罐一般只适用于容积小于120m3的情况。混合式球罐结合了桔瓣式和足球瓣式两种结构形式的优点，材料利用率较高，焊缝长度缩短，球壳板数量减少，特别适用于大型球罐的设计制造。本设计采用混合式四带结构，如图1.2所示。图1.2混合式四带结构球罐的分块方法与成本往往密切相关，随着钢板切割和焊接的价格逐年上涨，球罐的建造费用也越来越高。采用不同的壳角分块方法就意味着不同的材料利用率和不同的焊接长度[5]。相同的球罐建造费用往往不一定相同。所以在设计球罐结构的过程中对结构进行优化以实现成本控制是十分必要的。（4）球罐按支承结构可分为柱式支承、裙式支承、半埋入式支承和高架支承等。1.4球罐用钢1.4.1球罐用钢基本要求球罐存储的介质一般为压缩气体或液化气体，这些介质大部分易燃、易爆或者有毒。因此球罐用钢的安全可靠性是十分重要的，球罐用钢必须满足国家相关的法律法规和国家标准。比如国务院颁发的《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》，及GB150[6]、GB12337[7]等，球罐用钢必须是压力容器专用钢。

球罐用钢的选择原则是：在满足弧度要求的前提下，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。球罐用钢是球罐设计和制造的主要参数，钢材的性能对球罐的质量具有举足轻重的影响[8]

。

球罐用钢选择还要考虑两方面的要求：一是技术性和安全性上的，即在满足强度要求的前提下，保证良好的成型性，优良的焊接性能和热处理性能；二是经济性上的，即在确保球罐安全的前提下降低建造费用，不至于成本过高。1.4.2国内外球罐用钢情况作为存储类容器，球罐主要工作在常温和低温下,因此球罐用钢往往以常温钢和低温钢为主。发达国家很早就对球罐用钢进行相关研究中，随着研究的进行，逐渐发展出两条技术路线:美国和日本倾向于采用屈服极限为500～800MPa的高强度钢,它的优点是球壳薄、经济性好,缺点是焊接及热处理等制造工艺条件苛刻；而法国、英国、德国等欧洲国家则更乐意采用屈服极限为500MPa以下的中、低强度钢,它的优点是制作难度小、运行安全、事故少,但是球罐球壳厚、费用较高,一般需要对整体进行热处理来消除残余应力[9]。随着技术水平的提高,两条技术路线区别已经不是很明显，球罐用钢的发展都体现出以下几个特点：(1)钢质越来越纯净,S,P等杂质元素含量降到很低的程度,在实物中一般可以达到S≤0.010%,P≤0.015%；对性能不利的气体元素O,N,H等含量的控制也越来越严格；(2)C,P等影响焊接性能的化学成分含量逐渐下降,说明钢材的焊接性能越来越好；(3)强度指标波动范围更小,一批材料屈服极限和强度极限波动一般都不超过15%；(4)塑性指标伸长率实物水平更高,具有更好的冷加工性能；(5)冲击韧性实物水平Akv一般在200J左右,一般达到标准验收指标的5倍以上；(6)钢板板幅也较大(14000mm×3300mm左右),有利于大型球罐合理排板和分带,减少焊缝总长[10]。根据国家标准GB12337-2014《钢制球形储罐》规定，国内球罐用钢可选碳素钢和低合金钢Q245R、Q345R、Q370R、16MnDR、07MnCrMoVR、15MnNiDR等，高合金钢S304、S316等，国产低温球罐可选用07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR（CF钢）等。在本次设计中采用高强度钢，表1.1是我国开发的高强度及低温高强第球罐用钢的力学性能，以供设计参考。表1.1我国开发的高强度及低温高强度球罐钢力学性能要求牌号交货状态拉伸试验冲击试验（横向）冷弯实验ReL/MPaRm/MPaA/%温度/℃Akv/Jb=2a,180°07MnCrMoVR调质≥490610～730≥17-20≥47d=3a07MnNiMoVDR调质≥490610～730≥17-40，-50≥47d=3a08MnNiCrMoVD调质≥480600～770≥17-40≥47-10Ni3MoVD调质≥480600～770≥17-50≥47-12MnNiVR调质≥490610～730≥17-10，-20≥54,≥47d=3a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[11]。这类钢具有一些特点，它们的碳当量较低(Ceq≤0.42%)，焊接裂纹敏感性Pcm也不高(Pcm≤0.20%),采用相应的焊接材料施焊时,钢板厚度即使达到50mm也可不预热或低预热而不产生焊接冷裂纹。20世纪70年代中期,这些钢种相继应用于各种大型球罐[12]。但是，使用国外钢种也有许多不便之处。国家质量技术监督局有相关规定，国内厂商使用进口材料需要到有关单位办理相关手续，进口材料的生产单位必须要经过全国压力容器标准化技术委员会的审批和认定,才能在国内使用[13]。这些规定给使用进口钢种增加了一些限制，也给选材带来了不便。为了支持国家钢铁产业，增强民族自信心，近年来，越来越多的大型化工装置开始使用国产钢材，所以，下面重点介绍几种国内常用的国产压力容器用钢。1.4.3几种典型国产球罐用钢的优劣对比Q345R钢板作为一种压力容器专用钢板，是我国目前用途最广、用量最大的。Q345R钢板具有良好的综合力学性能和工艺性能。和低合金高强度钢板Q345(16Mn)钢相比，它的磷、硫含量要更小一些，不仅在抗拉强度和延伸率上优于Q345(16Mn)钢，冲击韧性也要更好些。Q370R钢是近年研制出的新型钢种，它的强度比Q345R要高，韧性和Q345R相近，它的焊接性能和抗硫化性能和Q345R差不多。Q370R具有良好的综合性能，是建设大型球罐的理想材料[14]。通常用于厚度小于60mm的情况。07MnCrMoVR钢是我国“七五规划”期间开发出来的新钢种，现在已经纳入GB150－2011中。该钢的力学性能和WEL－TEN62CF钢相当。07MnCrMoVR钢采用低碳多元微合金结构来严格控制碳当量（Ceq≤0.42%）和焊接裂纹敏感性组织（Pcm≤0.20％），通过合理的调质热处理以获得强韧比最佳的组织结构，从而从源头上确保了其焊接性能和低温韧性。但是该钢种对储存介质中的H2S含量要求很严格。一般在设计厚度不大于50mm时使用。07MnNiMoVDR是多元微量合金化的低碳低合金高强度钢，以Cr-Ni-Mo为合金化基础，辅以V、B等微量合金元素，通过合理的调质热处理制度，能获得理想的组织结构和力学性能[15]。与常温用高强度球罐用钢07MnCrMoVR相比，07MnNiMoVDR钢中Ni元素的含量固定在0.20-0.50之间，Mo元素的含量仅要求≤0.30，两种材料的强度要求相同，但冲击温度要求不同，07MnNiMoVDR在-40℃时，冲击吸收功仍能达到80J以上[15]。07MnNiMoVDR含碳量低，碳当量和冷裂纹敏感指数都不是高，淬硬倾向小，产生冷裂纹的倾向小，且强度高，韧性好，焊接性优良。1.5课题研究方案本次设计的球罐公称容积为2000m3,工作压力为2.05MPa，存储介质为液化丙烯气，球罐球壳结构为混合式四带结构。在选择材料时考虑丙烯泄放时会产生低温，所以选用低温材料07MnNiMoDR，支柱材料也选用07MnNiMoVDR的钢板卷制。本次设计的主要内容包括以下几个方面：球罐材料的选用，球罐设计温度和设计压力的确定，球罐球壳结构的设计和外形几何尺寸的计算，球罐支座的设计，球罐接管的设计，球罐附件的选用，球罐的强度计算和应力校核，球罐的开孔补强和超压泄放计算，球罐制造工艺的确定等。[1]AntalffyLP，MillerGA，KirkpatrickKD，etal.DesignConsiderationfortheErectionofHeavyWallandLargeDiameterPressureVessels[J].ScienceDirect,2015,130:17-31.[2]徐英，杨一凡，朱萍,等.球罐和大型储罐[M].北京：化学工业出版社,2004.

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第二章结构设计2.1基础条件2.1.1安装地区的环境条件（1）大气温度最高气温38.7℃最低气温0.2℃（2）基本雪压0Pa（3）基本风压0.7KN/2.1.2场地条件（1）安装地点广东深圳（2）地震设防烈度7度近震（3）安装场地已平基，Ⅱ类场地土（4）地面粗糙度类别B类（5）露天环境2.1.3工作介质球罐工作介质为液化丙烯气。丙烯化学式为C3H62.1.4运行要求24小时连续运行2,1,5预期使用年限25年2.2球罐的主要设计参数2.2.1设计压力和设计温度根据《固定式压力容器安全技术监察规程》3.9.3规定，在常温下储存液化气体的压力容器的设计压力，应该以规定温度下的工作压力为基础确定。见表1.2。查表可知，设计压力为设计温度下工作介质的饱和蒸汽压。查找相关资料知50摄氏度下丙烯的饱和蒸汽压为2.05mpa，设计时考虑1.05的安全系数，故球罐的设计压力为2.16mpa。设计温度分为上限温度和下限温度两个情况考虑，丙烯球罐的最高设计温度取为50摄氏度，考虑到球罐超压泄放时工作介质气化降温，导致金属温度急剧下降，容易出现低温脆断事故，故取最低设计温度为-45摄氏度，球罐钢材和焊接接头的验收指标按-50摄氏度验收。表1.2常温下液化气体压力容器规定温度下的工作压力2.2.2钢板的腐蚀裕量腐蚀裕量C2C式中 K—腐蚀速率，mm/a; B—球罐设计寿命，a；参考HGT20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》【】，结合当地的自然条件和球罐的材料特性，K取0.05，已知设计寿命为25年，故C2=0.05×25=1.25mm，球罐球壳板、接管和人孔等元件受压取腐蚀裕量为1.5mm2.3基本结构设计2.3.1材料的选用根据操作条件和工作介质，考虑到丙烯的超压泄放带来的低温工况，本次球罐的材料选择为高强度低温压力容器用钢07MnNiMoDR，钢板标准为GB19189，使用状态为调制，适用的设计厚度为10~50mm，室温下的强度指标为σb=610MPa，σs=490MPa，设计温度50℃下的许用应力为226MPa。材料的使用必须满足GB12337-根据GB12337-2014附录E2.1.1的规定，低温球罐受压元件用钢板和锻件必须是氧气转炉或电炉冶炼的镇静钢，同时还应采用炉外精炼工艺。[引文号]根据GB12337-2014，调制热处理钢板应该进行拉伸和夏比V型缺口冲击试验[引文号]，冲击试验要求-50℃冲击，材料的使用温度下限也为-50℃。钢板应逐张按JB4730的有关规定进行超声波检测，质量等级为Ⅰ极。2.3.2混合式球壳设计根据设计任务书的规定，这次设计的球形储罐采用混合式结构。根据GB/T17261—2011《钢制球形储罐型式与基本参数》的有关规定，考虑到钢板供货状态，我国钢板压制能力，并结合现场安装的要求，本次的球罐结构确定为混合式四带十支柱结构，如图所示。本次设计采用的混合式球罐结构基本参数由GB/T17261—2011查得，如图所示，球壳内直径15700mm，几何容积2026m3，上极带球心角为90℃，由七块板组成，上温带球心角为40℃，由20块板组成，赤道带球心角为50℃，由20块板组成，下极带球心角为90℃表2.4混合式球罐基本参数公称容积m球壳内直径或球罐基础中心圆直径mm几何容积m支柱底板底面至球壳中心的距离mm球壳带数支柱根数各带球心角（°）∕各带分块数上极上温带赤道带下极2000157002026980041090/740/2050/2090/72.3.3混合式结构排板计算混合式球罐排板计算主要参考文献16中的方法，计算内容主要分为极带板结构尺寸计算，温带板结构尺寸计算，赤道带板结构尺寸计算和各带板表面积计算。几何尺寸计算1.符号说明R—球罐球半径，mm；t—球罐球壳板钢板厚度，mm；θ1—极带球心角θ—极带球心角10等分，每等分的角度，°；θ2—温带球心角θ3—赤道带球心角n1—极带分块数n2—上温带分块数n3—赤道带分块数极带板结构尺寸计算将极带投影到平面，可以发现，极带分割线均为标准圆、椭圆和直线。俯视图如图2所示。图中各自对应的曲线方程如下：AAAA球面方程：X通过图3可以看到，要想获得各极板尺寸，需要C1，B1，已知R=7850通过联立上述方程，带入已知参数，可以得到各点三维坐标，具体的推导过程不再赘述，三点的三维坐标计算如下：S1SSS故S1的三维坐标为B1BBB故B1的三维坐标为C1CCC故C1的三维坐标为极中板结构尺寸计算极中板结构尺寸如图4所示，各段弧长和弦长计算公式和计算结果如下：⌒C⌒C⌒C⌒⌒⌒C2)极边板结构尺寸计算极边板结构尺寸如图5所示，极边板的弧长和弦长计算如下：⌒C⌒C⌒C⌒C⌒C3)极侧板结构尺寸计算极侧板结构尺寸如图6所示，极侧板各弧长和弦长计算如下：⌒C⌒C⌒C⌒C⌒C极带的AUTOCAD应用混合式球罐计算最难的部分在于极带板的计算，如果采用传统的计算方法来获得极带各板的外形几何尺寸，不仅费时费力，而且其计算结构也不是特别准确，随着计算机科技的发展，越来越多的软件能帮助我们进行工程设计，这样不仅大大缩短了设计时间，降低了设计难度，其设计结果也往往更加可靠。于是，我通过查找相关文献，发现了混合式球罐极带板计算能使用计算机辅助软件AUTOCAD来获得结果，其主要是利用AUTOCAD的三维建模功能来模拟球壳形状，然后通过测量相应的弦长和弧长来获得想要的结果，这样，我们可以得到更加精确的数据结果，图7就是我所制作的极带板的三维视图。这样可以更直观地看到极带结构，得到的结果也更加精确。图7极带三维模型温带板结构尺寸计算温带板机构尺寸计算如图8所示，温带板各弧长和弦长计算如下：⌒C⌒C⌒C⌒C赤道板结构尺寸的计算赤道板结构尺寸如图9所示，赤道板各个弧长和弦长计算如下：⌒C⌒C⌒C⌒C2.3.4坡口设计球罐是一种焊接体结构，球壳是由球壳板焊接而成，因此焊接坡口的设计是保证球罐质量的重要环节。国内球罐普遍采用不对称X形坡口，故本次设计也采用这种坡口。如图所示。具体尺寸参见GBT985-2008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口》表2。2.4其它结构设计2.4.1球罐支座设计球罐支撑主要有两种，一种是柱式支撑，另一种是裙式支撑。本次设计采用国内普遍采用的赤道正切式柱式支撑。支柱结构采用双段式结构，按照低温球罐的设计要求，与球壳相连的支柱要选择与球壳相同的材料，因此支柱分为上下两端，上段采用与球壳相同的材料，长度约占支柱总长度的30%到40%，这段支柱在制造厂内与球瓣进行组对焊接，并对焊缝进行热处理以消除焊接热应力。下段采用普通的材料如Q345R，上下两段都用ϕ540×10无缝钢管，连接焊缝采用全熔透结构。每根支柱支柱设置易熔塞，直径在6mm以上。支柱表面设置耐火层，顶部设置球形防雨盖板，底板中心设置通孔。GB12337-2014中介绍了三种支柱与球壳的连接方式，直接连接的结构形式，加U形托板的结构形式和长圆形结构形式。这里选择加U型托板的结构形式。如图所示。拉杆采用双层交叉可调式拉杆结构。拉杆选用ϕ56圆钢。2.4.2人孔和接管设计（1）人孔人孔是操作人员进出球罐检修的主要通道，在现场组焊时又成为通气孔。所以人孔既要考虑人员进出方便，又要保证热处理时的空气流通。通常球罐设置两个人孔，分别在上极带和下极带中心各设置一个，直径选用ϕ500mm，人孔与球壳的焊接部分选用与球壳相同的材质。人孔采用回转盖整体锻件凸缘补强人孔，如图所示，人孔法兰采用带颈对焊法兰，密封面采用凹凸面密封。（2）接管接管材料选择和球罐相同的材料07MnNiMoDR。接管均采用无缝钢管制作。开孔位置应尽量设置在上下极中板上，尽可能减少球罐底部的开口数量，以便于集中控制，并使接管焊接能在制造厂完成，便于进行焊后热处理以消除热应力，保证接管焊接部位的质量。开孔要与焊缝错开，间距不小于三倍的球壳壁厚，且要大于100mm。接管开口包括：人孔，放散口，安全阀口，气体出口，压力表接口，液面计口，自控液位计口，液体进口，液体出口，取样口，温度计口，排放口。法兰标准为HGT20592~20635-2009。上极板接管有7个，布置在R1000和R800的圆周内，其中布置在R1000圆周内的有：DN150的自控液位计口一个，DN150的安全阀口一个，DN150的放散口一个，布置在R800圆周上的有：DN25的压力计口两个，DN50的液位计口一个。上极板中心处还设有DN100的气体出口。下极板接管有7个，分别布置在R1000圆周和R800圆周上，布置在R1000圆周上的有，DN250的进料口，DN250的出料口，DN25的取样口，布置在R800圆周上的有：DN80的远传液位计口，DN40的温度计口两个。下极板中心处还设有DN100的排放口。2.4.3球罐安全附件及附属设施设计（1）超压泄放装置因为本球罐储存的是易燃易爆介质，所以设置两个安全阀。在安全阀后设置泄放导管，将泄放物引至安全的地点。（2）紧急切断装置进出口设置紧急切断装置（3）压力表为了测量球罐内的压力，需要设置压力表。考虑到压力表可能发生故障，或者由于仪表检查而取出等情况，应该在球壳的上下分别各设置一个以上的压力表。压力表的最大刻度为工作压力的1.5倍以上（不超过三倍）。为使读数准确，压力表表面直径应该大于150mm。（4）液位计储存液体或者液化气体的球罐需设置液位计，本次设计选择浮子—齿带液位计，它的特点是操作安全、可靠、灵敏度高，读数也方便、准确。液位计设置时要在高、低液位线设置警报装置，防止装载过量、抽空，以免发生事故。（5）温度计温度计选用万向型温度计。（6）梯子平台球罐外部设置有顶部平台、中间平台和从地面进入平台的斜梯、直梯或盘梯，由于球罐的工艺接管和人孔大都布置在上极板，所以顶部平台又作为工艺平台使用，而中间平台是为了方便操作人员休息或者检修球罐使用的。大型球罐一般单独设置梯子，梯子由上部盘梯和下部斜梯两部分组成。梯子平台踏步宽度为800mm，倾斜角为30度，踏步间距200mm。梯子平台护栏高度1200mm。（7）耐火隔热设施球罐中如果盛装的是易燃易爆或者毒性气体时，则需要设置水喷淋装置来隔热和消防保护。淋水装置采用环形冷却水管。（8）接地装置接地装置为8个，接地电阻为10Ω。（9）沉降测量板球罐每根支柱焊接沉降测量板，并处于同一高度。2.4.5球罐的基础球罐的基础的作用是支撑球罐本体、附件、操作介质以及水压试验时的重量，基础材料通常采用钢筋混凝土。基础结构采用耐扭曲的环形基础结构。基础上设置预留孔。3.球罐的强度计算3.1基本设计条件设计压力P：P=2.16MPa;设计温度T：T=50℃;球壳材料密度ρ1：ρ1=7850kg/球壳内直径Di：D液化丙烯密度ρ2：ρ充装系数K：K=0.9;厚度附加量C：C=C1—钢板负偏差，mmC2—腐蚀裕量，mm根据GB713-2014《锅炉和压力容器用钢板》的规定，压力容器用钢板厚度负偏差应该符合GB_T709-2006《热轧钢板和钢带的尺寸外形》B类偏差，所以C1=0.3mm。所以，钢板厚度附加量C=0.3+1.5=3.2计算压力和耐压试验压力计算压力指的是在相应设计温度下，用来确定球壳和受压元件厚度的压力，计算压力包括了液柱静压力等附加载荷。为方便计算，将球壳视为薄壁球壳，而且只考虑内压和液柱静压这两个主要因素。所以，计算压力Pci=设计压力P+液柱静压力P要求液柱静压力，首先要知道液柱高度，参考文献【】，可以得到H=H—液柱高度，mm；R—球罐半径，mm；系数K1与球罐的充装系数K有关，查文献【】表1-3可知，系数K1=1.6084所以PP当元件承受的液柱静压力小于5%时，可以忽略不计【文献】。所以计算压力Pci液压试验压力Pσ—球壳材料在试验温度下的许用应力，MPa；σt—球壳材料在设计温度下的许用应力，MPa3.3球壳厚度计算设计温度下球壳的计算厚度δ=δ—计算厚度，mm；Pci—计算压力，MPaDi—球罐内直径，mmσt—设计温度下球壳材料的许用应力，MPaϕ—焊接接头系数；将数据Pci=δ=所以计算厚度：δ=37.603mm设计厚度：δ名义厚度：δ向上圆整后δn有效厚度：δe设计温度下球壳的计算应力σσt─设计温度下球壳的计算应力，MPa设计温度下球壳的最大允许工作压力PPw—设计温度下球壳的最大允许工作压力，MPa3.4球罐质量计算球壳平均直径D球壳外径D球壳质量m1，mρ1—球壳材料的密度，kg/介质质量m2，m k—装量系数液压试验时液体的质量m3m ρ3—液压试验时液体的密度，积雪质量m保温层质量m支柱和拉杆质量m附件质量m7操作状态下球罐的质量m液压试验状态下的球罐质量m球罐最小质量m3.5地震载荷计算3.5.1自振周期计算支柱底板底面至球壳中心的距离H0：111支柱数n：10支柱外径do：54支柱内径di：520支柱底板底面至上支耳销子中心的距离l：7480mm支柱材常温弹性模量Es：球罐可以视为一个单质点体系，其基本自振周期为：T=π式中： ξ—拉杆影响系数，按下式计算ξ=1-支柱横截面的惯性矩，mm4,按I=3.5.2地震载荷抗震设防烈度和设计基本地震加速度的关系如下表所示抗震设防烈度789设计基本地震加速度0.10g(0.15g)0.20g(0.30g)0.40g球罐水平地震力：F式中：a—对应于球罐自振周期T的地震影响系数，按下图选取。所以a=图中：αmax—水平地震影响系数的最大值，参考文献【】表18选取，α Tg—各类场地的特征周期，参考文献【】表19选取，T γ—曲线下降段的衰减指数，由下式确定：γ=0.9+ 式中： ζ—阻尼比，取0.035； η2—η综合上述条件，球罐水平地震力为：F3.6风载荷计算风载荷的水平风力按下式计算：F式中：k1—风载荷体形系数，取0.4k2—kξ1参考文献【】表20选取，q0—基本风压值，取700，N/f1—风压高度变化系数，按文献【】表21选取1.026f2—球罐附件增大系数，取1.1综合上诉条件，水平风力为：F3.7弯矩计算将地震载荷和风载荷看做作用于球罐中心的集中水平载荷，则球罐的弯矩计算如下：M式中：Fmax—最大水平力，FeL—力臂，mm，L=3.8支柱计算3.8.1单个支柱的垂直载荷3.8.1.1重力载荷操作状态下的重力载荷：G液压试验下的重力载荷：G3.8.1.2最大弯矩对支柱产生的垂直载荷F式中：Fi—最大弯矩对i支柱产生的垂直载荷，Nθi—支柱的方位角，°A向受力时支柱方位角：θB向受力时支柱方位角：θ易知，当θi所以最大弯矩对支柱产生的最大垂直载荷为F3.8.1.3拉杆作用在支柱上的垂直载荷P所有相邻支柱都用拉杆连接，如图所示A向受力时支柱方位角：θB向受力时支柱方位角：θ易知，当θi所以拉杆作用在支柱上的最大垂直载荷为P3.8.1.4支柱的最大垂直载荷Fi+PF支柱位置在B向4号柱。所以操作状态下的最大垂直载荷为：W液压试验状态下支柱的最大垂直载荷：W3.8.2单个支柱弯矩3.8.2.1偏心弯矩操作状态下赤道线的液柱高度：h液压试验状态下赤道线的液柱高度：h操作状态下物料在赤道线的液柱静压力：p液压试验状态下物料在赤道线的液柱静压力：p球壳有效厚度δ球壳材料的室温弹性模量E=206×球壳材料泊松比μ=操作状态下的偏心弯矩M式中：σoe—操作状态下球壳赤道线的薄膜应力，MPaσpoe—操作状态下介质在赤道线的液柱静压力，MPa液压试验状态下支柱的偏心弯矩：M式中：σTe—液压试验状态下球壳赤道线的薄膜应力，MPaσpTe—液压试验状态下介质在赤道线的液柱静压力，MPa3.8.2.2附加弯矩操作状态下支柱的附加弯矩：M液压试验状态下支柱的附加弯矩：M3.8.2.3总弯矩操作状态下的总弯矩：M液压试验状态下的总弯矩：M3.8.3支柱稳定性校核计算长度系数k单个支柱的横截面积：A=支柱的惯性半径：r支柱长细比：λ=支柱材料07MnNiMoDR,室温下的屈服强度支柱换算长细比：-系数α2=0.986弯矩作用平面内的轴心受压支柱稳定系数：ϕ等效弯矩系数：β截面塑性发展系数：γ=单个支柱的截面系数：Z=欧拉临界力：W支柱材料的许用应力：σ操作状态下的支柱稳定性校核：W液压试验状态下的支柱稳定性校核：W所以，无论在操作状态下还是在液压试验状态下，支柱的稳定性都没有问题。3.9地脚螺栓计算3.9.1拉杆作用在支柱上的水平力拉杆与支柱间的夹角：β=F3.9.2支柱底板与基础的摩擦力F式中：fs—支柱底板与基础的摩擦系数。钢-混凝土：f3.9.3地脚螺栓因为Fs>F每个支柱的定位地脚螺栓数：n定位地脚螺栓材料：Q245R选取定位地脚螺栓直径：M363.10支柱底板3.10.1支柱底板直径基础材料为钢筋混凝土，其许用压应力为：σ地脚螺栓直径：d=36mm支柱底板直径：DD选取底板直径980mm。3.10.2底板厚度底板压应力：σ底板外边缘到支柱外表面的距离（如图）：l底板材料：Q245R，R底板材料的许用弯曲应力：σ底板腐蚀裕量：C底板厚度：δ选取底板厚度60mm。3.11拉杆计算3.11.1拉杆螺纹小径计算拉杆最大拉力：F拉杆材料：Q245R，R拉杆材料的许用应力：σ拉杆腐蚀裕量：C拉杆螺纹小径：d拉杆螺纹的公称直径选用M42。3.11.2拉杆连接部位计算（1）销子直径销子材料：35，R销子材料的许用剪切力τ销子直径：d采用圆柱销，公称直径取M28（2）耳板厚度耳板材料：Q245R，R耳板材料的许用应力：σ耳板厚度：δ选取耳板厚度为24mm。（3）翼板厚度翼板材料：Q245R，R翼板厚度：δ取翼板厚度为12mm。（4）焊缝强度验算A焊缝单边长度：LA焊缝焊脚尺寸：S支柱或耳板材料的屈服强度的较小值：R角焊缝系数：ϕ焊缝的许用剪切应力：τ耳板与支柱的焊缝A所承受的剪切应力校核F代入数据得：1.337×B焊缝单边长度：LB焊缝焊脚尺寸：S拉杆或翼板材料的屈服强度的较小值：R角焊缝系数：ϕ焊缝许用剪切应力：τ拉杆与翼板的焊缝B所承受的剪切应力校核F带入数据得：1.337×所以焊缝强度足够。3.12支柱与球壳连接最低点a的应力校核结构如图所示3.12.1a点的剪切应力由于当有效厚度为38.2mm时操作状态下的应力校核没有通过，所以，支柱与球壳的连接处加一块10mm的垫板，以增强连接处的强度。支柱与球壳连接焊缝单边的弧长：L球壳a点的有效厚度：δ操作状态下a点的剪切应力τ代入数据：G0=1.179×106N，τ液压试验状态下a点的剪切应力τ代入数据：GT=2.247×106N，δea=48.2mmτ3.12.2a点的纬向应力操作状态下介质在a点的液柱静压力：P液压试验状态下介质在a点的液柱静压力：P操作状态下a点的纬向应力σ带入数据P=2.16MPa，Poa=0.0387MPa，σ液压试验状态下a点的纬向应力σ代入数据PT=2.7MPa，PTa=0.0542σ3.11.3a点的应力校核3.11.3.1a点的组合应力计算操作状态下a点的组合应力：σ代入数据σo1=179.593MPaσ液压试验状态下a点的组合应力：σ代入数据σT1=224.968MPaσ3.11.3.2应力校核试验温度下球壳材料的屈服强度：Rel=490σσ3.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核W=支柱与球壳连接焊缝焊脚尺寸：S=10焊缝许用剪切应力：τ支柱或球壳材料的屈服强度的较小值：R球壳与支柱连接焊缝所承受的剪切应力τ3.13开孔补强计算大型球罐由于其结构特殊，它的接管受到各种因素影响，开孔附近容易成为破坏源，造成安全事故，所以应当对球罐的接管开孔进行开孔补强设计。GB150中6.1.3小节规定当壳体开孔满足以下条件时可不另行补强：1.接管外径小于等于89mm；2.设计压力不大于2.5MPa；3.两个相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和；4.接管满足某些基本规定。然而在球罐中不宜采用这条规定，由于球罐容积大，球壳壁厚比接管壁厚大得多，为了保证焊接质量，即使对于小直径接管，也最好采用厚壁管焊接结构进行补强。接管补强结构主要有三种结构：1.补强圈补强；2.厚壁管补强；3.整体凸缘补强。一般在球罐当中，开孔直径小于80mm时采用厚壁管补强，对于直径大于等于80mm开孔则采用凸缘结构补强，它们的结构如图所示。但是厚壁接管补强结构中焊接接头是T型焊接接头，它相对于凸缘补强结构的对接焊接接头来说，应力分布更加复杂，不能进行射线和超声检测，容易出现缺陷，影响球罐的质量。而对接焊接接头受力状况更好，应力更加分散，焊缝无损检测也更方便，焊接质量有保证。所以，球罐接管补强尽量采用凸缘补强结构。根据HGT20583-2011中9.2节有关规定，当压力容器采用高强度钢制造，壁厚大于等于38mm时，应该采用整体补强或者局部整体补强元件的方法。所以，考虑到这一点，本球罐也应该采用整体凸缘补强结构。球壳开孔应该尽量避开焊接接头。在实际补强结构的设计中，为了避免工艺管道产生附加应力，并考虑到安装管道的方便性，接管的法兰面需要保持水平，但是，GB150规定，对于球壳开孔，补强元件的轴心要通过球心，这时，法兰面和补强元件就存在一个夹角，为解决这个夹角差，在两者之间加上一段弯管，这样可以避免焊缝缺陷，保证焊接质量。开孔补强的材料最好和球壳的材料相同或者性能接近，当接管材料和球壳材料不一样时，引入强度削弱系数fr球罐的接管采用无缝钢管制作，当接管直径大于300mm时，可以考虑用钢板卷制。接管采用内壁平齐式接管，即内伸长度统一取0。所有凸缘和厚壁管都是锻件，根据GB12337中4.4节有关规定，材料选择低温用锻件10Ni3MoVD，该材料的力学性能参数如下：强度极限R屈服极限R常温许用应力σ冲击试验要求-50℃，使用温度下限-50℃等面积补强法是压力容器开孔补强计算的常用方法，该方法从承载截面积的角度来补强，压力容器因为开孔，承载截面积减少，这就需要补偿具有相同承载能力的截面积，补偿的截面积应该位于开孔接管的高应力区。等面积补偿法是从无限大平板上开小孔为模型得出的，随着球罐的直径越大，球罐上的接管开孔就越接近无限大平板开