400m球罐设计毕业设计解析

400m3摘要球罐球壳结构材料橘瓣式本次毕业设计的课题是400m3丁烷球罐的设计，球罐的直径为9200mm本次400m3球罐的设计计算，充分考虑了各种载荷的影响，包括：设计内压、球罐自重、储存介质的重力载荷、附属设备的重力载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷以及支柱对球壳的反作用力等，充分考虑支柱与球壳连接最低处的组合应力（薄膜应力+剪切应力）的校核和管口补强校核，并对球罐的附件（如梯子平台、喷淋装置和安全阀等）和球罐的支柱进行了较为全面的核算，TOC\o"1-3"\h\u10606摘要 I108281概论 1257611.1球罐的特点 120491.2球罐的分类 1195262球罐的优化设计 2125342.1橘瓣式球罐 2131852.2混合式球罐 385732.3总结 382863材料的选用 331203.1球罐的选材的基本原则 316773.1.1钢材的力学性能 4144423.1.2经济性 5288373.2选材 631823.2.1钢材 686673.2.2焊接材料 6175773.3壳体用钢 668303.4锻件用钢 7261824结构设计 8163124.1概况 8202614.1.1球罐的分类 872354.1.2球罐的构造 858044.2球壳的设计 9180074.2.1各种球罐的特点 9199874.2.2桔瓣式球罐的瓣片设计和计算 11226154.2.3坡口设计 17256214.3支座设计 18216094.3.1球罐支座的结构和特点 18202744.3.2拉杆的设计 19103004.4人孔和接管 20314534.5球罐的附件 20317254.5.1梯子平台 2059694.5.2水喷淋装置 2233504.5.3安全阀的设计 23104705强度计算 2480105.1设计条件 25233155.2球壳计算 2555205.2.1计算压力 25318755.2.2球壳各带得厚度计算 2793715.3球罐质量计算 28299355.3.1计算系数 28194055.3.2计算过程 28190925.4地震载荷的计算 29295145.4.1自震周期 29154825.4.2地震力 29162905.5风载荷计算 30245625.6弯矩计算 31286405.7支柱计算 31253215.7.1单个支柱的垂直载荷 312585.7.2组合载荷 33251015.7.3单个支柱弯矩 33271635.7.4支柱稳定性校核 35309295.8地脚螺栓计算 3778655.8.1拉杆作用在支柱上的水平力 3789155.8.2支柱底板与基础的摩擦力 37126105.8.3地脚螺栓 373065.9支柱地板 38320935.9.1支柱底板直径 39276045.9.2底板厚度 39170775.10拉杆计算 39137485.10.1拉杆螺纹小径的计算 3967865.10.2拉杆连接部位的计算 4011885.11支柱与球壳连接最低点a的应力校核 42181205.11.1a点的剪切应力 42246245.11.2a点的纬向应力 4241425.11.3a点的应力校核 43308495.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核 43204335.13孔和开孔补强 44280185.13.1公称直径小于100的管口的开孔补强 44277895.13.2DN500人孔 44243745.13.3DN100开孔补强（平衡口、安全阀、储罐气出口） 4639685.13.4DN150开孔补强（备用口、放空口） 4974865.13.5DN200开孔补强（气体出口、入口） 51127736工厂制造及现场组装 53115836.1工厂制造 53303196.1.1球壳板用钢板的验收 53295846.1.2对板壳的下料和成形 5448116.2现场组装 54202707焊接 54291788焊后热处理 55202649竣工检查 55160249.1压力试验 5551989.1.1液压试验 55154419.1.2气压试验 56187589.2气密性试验 5621015致谢 5711397参考文献 581概论1.1球罐的特点球形储罐（简称球罐）是一种储存气体、液体或液化气体的球形压力容器，一般由球壳、支柱拉杆、人孔接管、梯子平台等部件组成。球罐与圆筒形储罐相比，球罐的优点是：与同等体积的圆筒形容器相比，球罐的表面积最小，故钢板用量最少。球罐受力均匀，且在相同的直径和工作压力下其薄膜应力为圆筒形容器的1/2，故板厚仅为圆筒形容器的1/2由于球罐的风力系数为0.3，而圆筒形容器约为0.7，因此对于风载荷来讲，球罐比圆筒形容器安全。与同等体积的圆筒形容器相比，球罐占地面积少、壁厚薄、重量轻、用材少、造价低等有点。1.2球罐的分类球罐可根据其储存的物料、支柱型式、球壳型式进行分类。（1）按储存物料分类按储存物料球罐分为储存液相物料和气相物料两大类。其中，储存液相物料的球罐又可根据其工作温度分为常温球罐和低温球罐。低温球罐又可分为单壳球罐、双壳球罐及多壳球罐。（2）按支柱又可分类按支柱型式又可分为支柱式、裙座式、锥底支撑以及安装在混凝土基础上的半埋式，其中，支柱式又可分为赤道正切式、V形支柱式、三柱合一式。按拉杆分类又可分为可调式拉杆、固定式拉杆。（3）按球壳型式分类按球壳型式可分为足球瓣式、桔瓣式和足球瓣式与桔瓣式相结合的混合式。（4）按球壳层数分类按球壳层数可分为单层球壳、多层球壳、双金属层球壳和双重壳球罐。2球罐的优化设计图2.1橘瓣式球罐图2.2混合式球罐2.1橘瓣式球罐从图2.1可以看出该球形储罐共分为四带，现计算其焊缝接头长度：对上温带共分为16块球壳板球壳板的对接接头长度：所以16条焊接接头的长度为：对赤道带共分为16块球壳板球壳板的对接接头长度：所以16条焊接接头的长度为：上温带和赤道带与上下极带之间的两条环焊接接头的长度为：所以以上焊接接头总长合计为：128161mm2.2混合式球罐从图2.2可以看出该球形储罐共分为三带，现计算其焊缝接头长度：对赤道带共分为12块球壳板球壳板的对接接头长度：所以12条焊接接头的长度为：赤道带和极带之间的两条环焊接接头的长度为：极带共分七块，极带之间的两条环焊接接头的长度为：所以以上焊接接头总长合计为：146564.4mm2.3总结从以上结果可以看出，橘瓣式球罐的焊接接头长度比混合式球罐的焊接接头长度短，在加上橘瓣式球罐的加工简单、方便。所以本次设计采用橘瓣式结构。3材料的选用3.1球罐的选材的基本原则球罐是压力容器的一种结构型式，因而在选材的基本要求方面与压力容器相同。球罐与其他压力容器相比有其特殊性。首先，球罐容积较大，应尽可能减少焊缝长度，要求钢板具有足够的宽度、长度和厚度；其次，球罐的安全性要求更高，一旦发生安全失效，影响和危害极大，要求材料要有更高的塑性和韧性储备；第三，球罐是现场组焊、焊缝多、局部应力高，对焊材的可焊性要求高。因为球罐固有的特点，就必定会对材料提出特殊的要求，球罐的选材主要应考虑球罐的使用条件（如设计温度、设计压力、结构特性等）、材料的焊接性能、球罐的制造工艺和组焊要求以及经济合理性。球罐用钢应是镇静钢，决不允许用沸腾钢。3.1.1钢材的力学性能3.1.1.1强度级别强度级别主要指材料的屈服点及抗拉强度。目前，国际上有以屈服点作为材料级别的分类依据，也有以抗拉强度作为材料级别的分类依据，并且近年来以后者居多。如、、等。抗拉强度抗拉强度是材料的主要强度指标之一，它是材料在拉伸受力过程中，从开始加载至断裂所能承受的最大应力，是决定材料许用应力的主要依据之一。GB228《金属抗拉伸试验方法》中给出了抗拉强度的定义和试验方法。屈服点屈服点是指呈现屈服现象的金属材料，在所加外载荷不再增加（保持恒定），而材料仍继续伸长变形时所对应的应力。对于在压力容器行业中通常使用的材料，规定以残余伸长率0．2％时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点．GB228中给出了试验方法。工程上常用屈强比，／作为压力容器用钢安全可靠性的参考指标。对于依据弹性准则设计的压力容器元件，它表示承载能力的裕度。＝1时，属极端情况，这时任伺微小的超载都会导致元件的失效断裂，因而不能用来制造压力容器．当小于0.6时。虽然超载能力大，安全可靠性增大，但钢材的利用率降低。相同规格的球罐，选用较高级别的材料，球壳板厚度就较薄，球壳重量就较轻，但较高级别的材料单价高，成形、组焊难度也高，焊接性能较差，故选用何种级别的材料应根据球罐的容器大小、储存物料的性质、球壳板的厚度等几个方面综合考虑。3.1.1.2韧性指标韧性是保证材料避免产生裂纹，防止快速断裂的重要指标，对球罐来讲，显得尤为重要。韧性指标很多，有考虑“转折温度”的V形缺口冲击实验、落锤实验（NDT温度）、管板拉伸实验，有考虑“断裂韧性”的COD及K1c等。由于韧性指标繁多，相互因实验方法不同而不能统一，但世界上各国从实用上将各种韧性指标与V形缺口冲击实验的吸收能量相联系，以期达到简单方便的目的。球罐从安全性考虑，应有较高的韧性储备。3.1.1.3塑性指标球罐在成形加工进程中必须经受各种变形，钢材良好的塑性是保证球壳板制造的前提条件，应具有一定的塑性，即要求有一定的伸长率（）和断面收缩率（）。3.1.1.4可焊性钢材的可焊性指标有一下几种。碳当量国际焊接学会（ⅡW）推荐用于低合金结构钢的碳当量计算公式：一般要求抗拉强度为610MPa级的低合金高强度钢的控制在小于等于0.40。裂纹敏感性指数碳当量与焊缝热影响区硬度有一定的关系，但大量研究结构指出，以此来判断裂纹出现的可能性不够全面，因而采用考虑拘束度（材料厚度）和开裂性（焊缝中的含氢量）的裂纹敏感性指数。式中：。在的情况下裂纹发生概率很大，而则裂纹发生概率较小（还应考虑预热影响）。由于尚可得出Y形坡口拘束试验中防止裂纹产生的预热温度及其经验关系为：式中：T——为防止Y形坡口拘束试验产生裂纹的预热温度，℃裂纹敏感系数裂纹敏感性指数包括了板厚与焊缝金属中扩散氢量两项，与材料的关系不大，因而在考虑板材焊接裂纹时略去了该两项，该两项取消后引出了裂纹敏感性系数。实际上也是一种碳当量计算式，特别适用于屈服点大于390MPa级的高强度钢。3.1.1.5耐腐蚀性能储存物料对球罐造成的腐蚀破坏是非常严重的，腐蚀会使球罐表面受到破坏，产生腐蚀坑、沟槽甚至裂纹，有的甚至腐蚀到金属内部并改变其组织，使钢材的力学性能恶化，严重的可能使球罐因腐蚀而失效，甚至酿成重大事故。造成腐蚀的原因有多种，因而腐蚀类型也多种多样，如一般腐蚀、晶间腐蚀、点蚀、碱脆、应力腐蚀、腐蚀疲劳等。应当注意，近年来应力腐蚀已成为球罐腐蚀破坏的主要形式，所以，从选材上一定要考虑耐腐蚀的问题，物料中如含有，应尽可能选择强度级别比较低的钢材。3.1.2经济性对球罐用钢提出了各种特殊要求，必将会在经济上增加成本。球罐用钢材的价格在整个球罐投资中占的比例较大，故在球罐选材上，经济性是必须重点考虑的问题。3.2选材球罐材料不仅按其储存物料的性质．压力，温度等因素选定具有足够强度的材料，而且还应考虑到所选材料应具有良好的焊接性能和加工性能，同时还应考虑材料的供给可靠性及经济性等。目前，我国球罐用钢品种还较小，按GB12337标准规定，主要有20R、16MnR、15MnNbR、07MnCrMoVR、16MnDR、09MnNiDR7个钢号。3.2.1钢材球罐用钢板国外有两条选材原则，欧洲国家广泛采用屈服极限294--441MPa级的中强钢。属于Mn-Si、Mn-V，Mn-Nb和Mn-Ni-v系钢，厚度不加控制。在国内，随着我国球罐高参数化（大容量，高压力）的发展，对材料强度级别和冲击韧性的要求不断提高。球罐受压元件所采用的材料必须符合GB150-1998《钢制压力容器》、HG20581-1998《钢制化工容器材料选用规定》以及HG20585-1998《钢制低温压力容器技术规定》的要求。非受压元件所用材料必须是列入国标和冶标的材料。鉴于现在对球罐安全性能的要求，现阶段我国常用的材料有：20R，16MnR，15MnVR，15MnVNbR，SPV355，CF62，07MnCrMoVR等。下面有几种材料的对比表：表3.1材料对比表钢号交货状态板厚mm16MnR热轧或正火36—60305470SPV355热轧或控轧36—60355520CF62调制20—5049061015MnNbR正火16—36>36—60360350530—630520—6203.2.2焊接材料鉴于球罐是在安装现场进行焊接组装，现阶段以气体保护焊居多，焊接材料的选用应严格按照GBl2337对气体保护自动焊焊丝的规定。3.3壳体用钢表3.2力学性能及工艺性能钢号标准号交货状态钢板厚度/mm抗拉强度屈服点伸长率冲击功冷弯180º不小于16MnRGB6654-1996热轧控轧或正火6—16510—6403452131d=2a>16—36490—620325d=3a>36—60470—600305>60—600460—59028520>100—120450—580275表3.3使用性能钢号钢板标准使用状态厚度常温强度在下列温度下的许用应力MPaMPa2010015020016MnRGB6654正火6-16510345170170170156>16-36490325163163163156>36-60470305157157156147>60-100460285150150147138>100-120450275150147138128综上所述，本课题选用16MnR钢，它是我国球罐和压力容器的基础钢种，它发展最早，最成熟稳定，产量也最大，属345MPa及的低合金钢。它生产工艺简单，综合的力学性能，冷热成型性和焊接性能都很好，时效脆化敏感性不高，处于世界领先水平。3.4锻件用钢球罐的人孔、接管往往采用锻件。人孔结构采用锻件可避免补强结构。接管采用锻件，增大自身补强，达到减少应力突变的目的。人孔锻件级别不应低于Ⅲ级。人孔锻件材料选用时，必须考虑其力学性能不低干球壳板材料的力学性能，且可焊性良好，经消除应力退火后，强度和韧性没有明显下降。锻件采用16MnⅢ。4结构设计4.1概况球形储罐（简称球罐）是一种储存气体、液体或液化气体的球形压力容器。由于它具有其他型式的储罐无法比拟的优点，因而被石油、化工、城镇燃气、冶金等工业领域和其他行业广泛运用。按GBl2337《钢制球形储罐》规定，球罐和支柱各部分名称如图3—1和图3—2所示：图4.1球罐各部分名称4.1.1球罐的分类（1）按形状分为圆球形和椭球形。（2）按壳体层数分为单层壳体和双层壳体。（3）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（4）按支承结构分为柱式支承和裙式支承。4.1.2球罐的构造球罐由本体、支柱（承）及附件组成。（1）球罐本体。球壳有环带式（橘瓣式）、足示瓣式、混合式等结构形式。（2）球罐支柱（承）有柱式及裙式两种结构。（3）球罐的附件有梯子平台、人孔和接管、水喷淋装置、隔热和保冷设施、液面计、压力表。图4.2支柱各部分名称橘瓣式球罐的球壳划分就像橘瓣，是一种最通用的形式。优点是焊缝布置简单，组装容易，球壳板制造简单，缺点是材料利用率低，焊缝较长。对球罐的结构设计应包括以下几点要求：（1）根据工艺参数的要求确定球罐结构的类型及几何尺（2）确定球壳的分带和分片的型式（3）确定各球壳板的几何尺寸（4）支撑型式的确定（5）人孔和接管的选定和布置（6）球罐各附件的设置（包括安全阀的计算）等4.2球壳的设计球壳是球罐的主体，它是储存物料和承受物料工作压力和液柱压力的构件。4.2.1各种球罐的特点球壳的具体的分带和分块数量参照GB／T17261。（1）橘瓣式见图4.3和图4.4（2）混合式见图4.5和图4.6图4.3四带球罐图4.4五带球罐图4.5三带球罐图4.6四带球罐4.2.1.1橘瓣式球壳的设计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。纯橘瓣式球壳结构有赤道带，球罐支承大多数为赤道正切柱式支承。4.2.1.2混合式球壳的设计混合式球壳球壳。其优点是球瓣的尺寸相同或相近，制作开片简单省料。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。4.2.1.3橘瓣式和混合式球壳结构形式橘瓣式和混合式球壳。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，另处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。总上所述，橘瓣式球罐结构灵活，易保证球罐的焊接质量，适用于任何大小的球罐。因此这次设计才用足球橘瓣混合式球壳。4.2.2桔瓣式球罐的瓣片设计和计算图4.7各带对应的球心角4.2.2.1符号说明内直径；上极板球心角，分块数，板厚上温带球心角，分块数，板厚赤道带球心角，分块数，板厚下级带球心角，分块数，板厚上下极板中心板球心角4.2.2.2外表面弧长计算（1）上极板弧长计算图4.8上极板结构尺寸示意图式中：——上极板中板大圆外半斤，mm——上极板边板大圆外半径，mm——上极板小圆外半径，mm上温带极板计算图4.9上温带板结构尺寸示意图赤道带极板计算图4.10赤道带板结构尺寸示意图（4）下极板计算见上极板弧长计算；与上极板弧长计算计算结果相同4.2.2.3球壳各带面积计算（1）上极板各板的面积式中：上极板中板的面积：图4.11上极板结构尺寸示意图CC1O0三点间的球面面积：式中：CT1C1三点间的球面面积：式中：上极板边板板的面积：上温带极板面积计算上温带单片球壳板的面积：（3）赤道带极板面积计算赤道带单片球壳板的面积：（4）下极板面积计算见上极板各板的面积；与上极板各板的面积计算相同4.2.3坡口设计球壳都是由球片焊接而成的，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：便于施工、便于检验，焊缝有足够的强度又经济合理。目前，国内。外球罐的焊缝系数都趋向于采用＝1．因此坡口的设计就更为重要。球壳坡口有以下几种形式（1）对接接头：对接接头是各种焊接结构中采用最多，也是最完善的一种接头形式，例如，锅炉锅筒的纵、环焊缝都是对接接头。一般情况下，手工电弧焊焊接6mm以下和自动焊焊接14mm的焊件时，采用V形坡口，V形坡口加工较方便，但焊后工件容易发生变形；钢板厚度为12～60mm时，可采用X形坡口，X形坡口比V形坡口好，在同样厚度下，它能减少焊着金属量约1/2，另外，由于焊缝对称，焊件变形小，它主要用于大厚度以及要求变形较小的结构中；U形及双U形坡口的焊着金属量更少，焊接变形也少，但这种坡口加工较复杂，一般只在较重要的及板厚较大的结构中采用，如电站锅炉锅筒用电弧焊焊接的环缝常采用这种形式。在工业锅炉制造中，因受加工条件限制，一般采用V形坡口和不对称的X形坡口，对于小直径锅筒筒体，内侧不便用自动焊施焊时，常采用V形坡口。（2）T形接头：板厚在30mm以下时可以不开坡口，若接头需承受载荷，则应按钢板厚度和对结构强度要求，可分别选用单边V形、K形或双U形等坡口形式，保证焊透，对于工作压力≥9.8MPa的锅炉，其锅筒或集箱与管子进行角焊缝连接时，则无论厚度如何都必须在管端或锅筒、集箱上开坡口。（3）角接接头：小型锅炉中锅筒和封头连接就属于这种形式，根据焊件厚度和坡口准备不同，角接接头可分为不开坡口、单边V形、V形以及K形4种形式。（4）搭接接头：搭接接头的优点是不需要开坡口，同时接头装配时的尺寸要求不严格。坡口的形式又分为单面坡口和双面坡口（见图4.12）。由于球罐采用现场安装，一般情况下都采用手工焊。手工焊的焊接缝的坡口形式可参见GB12337—1998。（见表4.1）图4.12坡口形式表4.1球壳对焊接缝的坡口形式指示坡口形式3坡口尺寸埋弧焊手工焊综上我们可以了解到绝大多数球罐的坡口为不对称X形。4.3支座设计球罐支座是球罐中用以支撑球壳及附件和储存物料重量的结构部件。支座形式有柱式和群式两大类。柱式支撑有赤道正切式支撑，V形柱式支撑和三柱合一柱式支撑。群式支撑包括圆筒群式支撑、锥形支撑及用钢筋混凝土连续基础支撑的半埋式支撑、锥底支撑。其中，柱式支撑中以赤道正切式支撑为国内外普遍采用。4.3.1球罐支座的结构和特点赤道正切柱式支座的结构特点是球罐由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近似相切（相割）而焊接起来。这种支座的优点式受力均匀、弹性好，能承受热膨胀的变形，组焊方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修也方便，且适用于多种规定的球罐。缺点是重心高、稳定性较差。球罐国家标准GB12337选用的支座形式就是赤道正切柱式支撑。支柱与球壳的连接分有垫板连接和无垫板连接两种结构形式；其连接端部结构分平板式、半球式和椭圆式三种；其连接下部结构一般分直接连接、连接处下端加托板、U形柱和翻边四种（见图4.13）。图4.13支柱与球壳连接下部结构支柱与球壳连接下部结构：直接连接结构（见图4.13（a））对大型球罐可采用该结构。加托板结构（见图4.13（b））支柱与球壳连接下端部，由于夹角小，间隙狭窄难以施焊，采用此种结构，以弥补难以施焊而削弱的部分。U形柱结构（见图4.13（c））即避免了支柱与球壳连接部下端由于夹角小而造成焊接的困难，又保证了支柱与球壳焊接质量的可靠性。U形柱由钢板弯制，还特别适合于低温球罐对支柱材料的要求。翻边结构（见图4.13（d））它不但解除了连接部位下部施焊困难，确保了焊接质量，对该部位的应力状态也有所改善。4.3.2拉杆的设计拉杆结构分为可调式和固定式两种。可调式拉杆（见图4.14（a））采用圆钢加工而成，拉杆与支柱采用销钉连接。两拉杆的立体交叉处应留间隙，不得焊死。拉杆张紧程度应均匀，拉力不宜过大。固定式拉杆（见图4.14（b））一般不采用钢管，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板结构。图4.14拉杆形式固定式拉杆与可调式拉杆相比，制造加工简单，不需机械加工，施工方便，由于拉杆也可承受拉伸和压缩载荷，可大大提高支柱承载能力，降低支柱受力1/3以上，但由于支柱刚性加大，球罐地震力增大，结构受力也相应增大。4.4人孔和接管为了实现物料的进出，温度压力及液位的测量，检修人员的进出和安全运行，球罐上必须开孔，一般球罐上开有物料进出口、温度计、压力表口、安全阀口、排污口、放空口、液位计口、人孔等。按球罐国家标准GB12337的规定，必须开直径为500mm的人孔两个，分布在球罐的上下极的极带中板上。开孔是球罐上应力较大的部位，在设计、制造时都必须给予高度重视。开孔必须补强，开孔补强结构形式有补强圈补强、厚壁管补强和锻造凸缘补强三种，不同的球罐应选用不同的补强形式。在本球罐的设计中接管的尺寸分别是DN25，DN80，DN100，DN150，DN200所有接管均进行补强管补强，并对与DN80以上的接管均采用整体凸缘补强。4.5球罐的附件4.5.1梯子平台4.5.1.1概述为了便于日常操作，检修以及安全阀的定期校验，球罐一般都设有顶平台及直达顶平台的梯子。连接顶平台的梯子有两种形式：一种是联合梯子平台，即在球罐之间共有一个斜梯或楼梯式走梯，直达球罐赤道线以上，然后接一个连接平台，再用一个斜梯与顶部平台连接。另一种是单独配置的梯子，首先用一个斜梯直达球罐赤道线部位，然后采用盘梯或斜梯直达顶部平台。4.5.1.2近似球面螺线形盘梯的设计计算（1）R1的计算R1—假想圆球的半径R—球罐的内半径—球甲壁板厚度t—梯子或顶平台板与球面最小距离。取=14；R=4600；t=200=4600+14+200=4814mmR2的计算顶平台最大半径—一顶平台板厚度；b1—梯子侧板宽。取=5mm，b1=180mm，（3）R2的选取用式中R2顶部平台半径。Z1的计算（5）r的计算r—盘梯中心回转半径；b—梯子宽度（包括测板宽度）。的计算--盘梯圆柱中心轴线与球心的距离X0在坐标中的值为负。的计算本设计为400m34.5.2水喷淋装置4.5.2.1概述球罐的喷淋装置有消防喷淋和降温喷淋两种。降温喷淋具有简单，易操作，降温效果明显，直观的特点，但也存在锈蚀球罐表面的缺点，使球罐外表面就像穿了一件大黄袍。另外，水资源浪费严重，水源无法二次利用。为了解决降温喷淋的不足，近年来对于液化石油气球罐普遍采用了涂刷凉凉隔热胶的技术。4.5.2.2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。淋水环形管洒水孔的个数按下式确定：洒水环行管的计算：球罐的直径：壁厚：设计压力：洒水量：水压：所需洒水量：球罐外表面：所需洒水量：洒水管的口径：水流速：所需管径：洒水孔数：式中：n——喷水孔的数量d——喷水孔的直径Q——所需喷水量——流量参数，——膨胀参数，——喷淋管内外的压力差，MPa4.5.3安全阀的设计安全阀是一个用于防止储存物料压力超过允许值，且能随着压力的变动而自动启闭的多次使用的安全泄放装置。由于其动作可以只随储存物料压力或温度而变化，而不必依赖于任何外界因素，因而通常将安全泄压装置看作为球罐的最终保护装置。图4.15全起式安全阀4.5.3.1泄放压力安全阀开启压力，为球罐的设计压力，取开启压力为。4.5.3.2安全泄放量的计算kg/h式中：W——质量泄放量，Kg/hF——系数，对于地面上的容器，F=1At——湿润面积，m2Hl——泄放条件下汽化热，KJ/Kg、4.5.3.3安全泄放能力计算G为安全阀的排泄能力，㎏/hK为排放系数，对于全启式K=0.6；=0.7为安全阀的排放压力，A为安全阀最小排气截面积，M为气体的摩尔质量，M=58T为气体的温度，T=333KZ为气体在操作温度压力下的压缩系数，Z=0.74C为气体特性系数，C=326；本设计采用全启式安全阀（见图3.5.3）即，，,安全阀选择A44H-16P，公称压力为=1.6MPa，DN=100㎜；强度实验压力：6。5强度计算图5.1桔瓣式球形储罐5.1设计条件（1）400m3储存物料：液化丁烷球罐体积：400m安装地点：南京（2）400m3设计压力：设计温度：℃工作温度：℃—℃水压实验压力：球壳内直径：充装系数：地震设防烈度：8度基本风压：基本雪压：支柱数目：支柱选用：钢管拉杆选用：钢管球罐建造场地：Ⅱ类场地土、近震、B类地区球罐壳体材料：以上未知条件均在《化学工艺手册》、《化学工业物性数据手册，有机卷》、GB17261—1998《球形储罐型式及基本参数》、《石油化工储运系统罐区设计规范》、GB12337—1998《钢制球形储罐》、《压力容器安全技术监察规程》等书中查询可得。5.2球壳计算5.2.1计算压力（1）设计压力：（2）球壳壳体上焊缝之间的距离：球壳的体积：计算过程：图5.2球罐计算尺寸综上所述得：（3）球壳各带得物料液柱高度：物料的体积：球壳内物料的体积公式：下半球：上半球：计算过程：解方程得：上寒带：上温带：赤道带：下寒带：综上所述得：（4）球壳各带的计算压力：物料的密度：重力加速度：球壳各带的计算压力的计算公式：上寒带：上温带：赤道带：下寒带：综上所述得：5.2.2球壳各带得厚度计算球壳内直径：设计温度下球壳材料16MnR的许用应力：焊缝系数：厚度附加量：球壳各带的厚度的计算公式：上寒带：上温带：赤道带：下寒带：综上所述得：球壳的名义厚度：5.3球罐质量计算5.3.1计算系数球壳平均直径：球壳材料密度：充装系数：水的密度：球壳的外直径：基本雪压值：球面积雪系数：5.3.2计算过程球壳质量：物料质量：液压试验时液体的质量：积雪质量：保温层的质量：支柱和拉杆质量：附件质量：操作状态下的球罐质量：液压试验状态下的球罐质量：球罐的最小质量：5.4地震载荷的计算5.4.1自震周期支柱地板底面至球壳中心的距离：支柱数目：支柱材料20号钢的常温弹性模量：支柱外直径：支柱内直径：支柱横截面的惯性矩：支柱地板底面至上支耳销中心的距离：拉杆影响系数：球罐的基本自振周期：5.4.2地震力综合影响系数：地震影响系数的最大值：（地震设防烈度：8度）GB12337-1998表5.1设防烈度789XEαmax0.230.450.9特征周期：（球罐建造场地：Ⅱ类场地土、近震、B类地区）GB12337-1998表5.2场地土近震远震Ⅰ0.20.25Ⅱ0.30.40Ⅲ0.40.55Ⅳ0.650.85对应于自振周期T的地震影响系数：球罐的水平地震力：5.5风载荷计算风载体形系数：系数：（球罐的基本自震周期：T＝0.63s）GB12337-1998表5.3T,S<0.250.511.522.534≥5ξ111.41.72.02.32.52.73.03.2注：中间值用内差发计算风震系数：基本风压值：GBJ9,全国基本风压分布图的规定省市名城市名海拔高度m10年一遇风压KN/m250年一遇风压KN/m2100年一遇风压KN/m2江苏南京8.90.250.40.45支柱底板底面至球壳中心的距离：风压高度变化系数：（球罐建造场地：Ⅱ类场地土、近震、B类地区）GB12337-1998表5.4地地面粗糙度类别f1距离地面高度H0mABC5101520301.171.381.521.631.800.801.001.141.251.420.540.710.840.941.11注：1中间值用内插法计算2地面粗糙度A类系近海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；B类系指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城镇和大城市郊区；C类系指有密集建筑群的大城市市区；3若采用当地气象部门资料时，对A类地区高度变化系数f1，应取B类地区系数，B类和C类地区不变。球罐附件增大系数：球罐的水平风力：5.6弯矩计算力臂：由水平地震力和水平风力引起的最大弯矩：5.7支柱计算5.7.1单个支柱的垂直载荷5.7.1.1重力载荷操作状态下的重力载荷：液压试验状态下的重力载荷：5.7.1.2支柱的最大垂直载荷支柱形式：八根支柱，相邻两支柱间拉杆连接支柱中心圆半径：GB12337-1998表5.5拉杆连接方式支柱数目NNN所有相邻两支柱间拉杆连接40.5000a0.5000b0.5000a+0.5000bA向2号柱50.3236a0.3236b0.3236a+0.3236bA向2号柱60.3333a0.3333b0.3333a+0.3333bA向3号柱80.2500a0.3266b0.1768a+0.3018bA向3号柱100.2000a0.3236b0.1176a+0.3078bB向4号柱120.1666a0.3220b0.0833a+0.3110bA向4号柱140.1429a0.3210b0.0620a+0.3129bB向5号柱160.1250a0.3204b0.0478a+0.3142bA向5号柱每隔一支柱用拉杆连接80.2500a0.2500b0.2500a+0.2500bA向4号柱100.2000a0.2000b0.2000a+0.2000bA向5号柱120.1667a0.1667b0.1667a+0.1667bA向7号柱140.1429a0.1646b0.1429a+0.1429bA向7号柱160.1250a0.1633b0.0694a+0.1602bB向6号柱注：最大弯矩对支柱上的垂直载荷的最大值：拉杆作用在支柱产生的垂直载荷的最大值：以上两力之和的最大值：5.7.2组合载荷操作状态下支柱的最大垂直载荷：液压实验状态下支柱的最大垂直载荷：5.7.3单个支柱弯矩5.7.3.1偏心弯矩操作状态下赤道线的液柱：液压实验状态下赤道线的液柱高度：操作状态下物料在赤道线的液柱静压力：液压实验状态下在赤道线的液柱静压力：球壳的有效厚度：操作状态下球壳赤道线的薄膜应力：液压实验状态下球壳赤道线的薄膜应力：球壳内半径：球壳材料的泊松比：球壳材料16MnR的弹性模量：操作支柱的偏心弯矩：液压实验状态下支柱的偏心弯矩：5.7.3.2附加弯矩操作状态下支柱的附加弯矩：液压实验状态下支柱的附加弯矩：5.7.3.3总弯矩操作状态下支柱的总弯矩：液压实验状态下支柱的总弯矩：5.7.4支柱稳定性校核计算长度系数：单个支柱的横截面面积：支柱的惯性半径：支柱长细比：支柱材料20号钢的常温屈服点：支柱换算细比：求得：系数（轧制钢管截面）：弯矩作用平面内的轴心受压支柱稳定系数：注：当时，按下式计算：当时，按下式计算：GB12337-1998系数的选取轧制钢管截面焊接钢管截面0.410.650.9860.9650.1520.3等效弯矩系数：截面塑性发展系数：单个支柱的截面系数：支柱材料的许用应力：操作状态下支柱的稳定性校核：液压实验状态下的支柱的稳定性校核：稳定性校核通过5.8地脚螺栓计算5.8.1拉杆作用在支柱上的水平力拉杆和支柱间的夹角：拉杆作用在支柱上的水平力：5.8.2支柱底板与基础的摩擦力支柱底板与基础的摩擦系数：注：钢－钢：钢－混凝土：支柱底板与基础的摩擦力（钢－混凝土）：5.8.3地脚螺栓因，球罐必须设置地脚螺栓每个支柱上的地脚螺栓个数：地脚螺栓材料：Q235-A地脚螺栓材料的许用剪切应力：地脚螺栓的螺纹小径：选取的地脚螺栓注：GB/T799－1998地脚螺栓螺纹规格dM30bmaxmin8072Xmax8.8D45h192L1L+1655.9支柱地板图5.3支座5.9.1支柱底板直径基础采用钢筋混凝土，其许用应力：地脚螺栓的直径：选取底板直径：5.9.2底板厚度底板的压应力：底板外边缘至支柱外表面的距离：底板材料：Q235-A，底板材料的许用弯曲应力：底板的腐蚀裕量：底板厚度：选取底板厚度：5.10拉杆计算5.10.1拉杆螺纹小径的计算拉杆的最大拉力：拉杆材料：20号钢，拉杆材料的许用应力：拉杆的腐蚀裕量：拉杆螺纹小径：选取拉杆的螺纹公称直径为5.10.2拉杆连接部位的计算5.10.2.1销子直径销子材料：，销子材料的许用剪切应力：销子直径：选取销子直径：5.10.2.2耳板厚度耳板材料：Q235－A，耳板的许用压应力：耳板的厚度：选取耳板的厚度：5.10.2.3翼板厚度翼板材料：Q235-A，翼板厚度：选取翼板厚度：5.10.2.4连接焊缝强度演算A焊缝单边长度：A焊缝焊脚尺寸：支柱或耳板材料屈服点的较小值：脚焊缝系数：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：图5.4拉杆B焊缝单边长度：B焊缝焊脚尺寸：拉杆或翼板材料屈服点的较小值：焊缝许用剪切应力：拉杆与翼板连接焊缝B的剪切应力校核：5.11支柱与球壳连接最低点a的应力校核5.11.1a点的剪切应力支柱与球壳连接焊缝单边的弧长：球壳a处的有效厚度：操作状态下a点的剪切应力：液压实验状态下a点的剪切应力：5.11.2a点的纬向应力操作状态下a点的液柱高度：液压实验状态下a点的液柱高度：操作状态下物料在a点的液柱静压力：液压实验状态下液体在a点的液柱静压力：操作状态下a点的纬向应力：液压实验状态下a点的纬向应力：5.11.3a点的应力校核操作状态下a点的组合应力：液压实验状态下a点的组合应力：应力校核：校核通过5.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核取两者中的较大值支柱与球壳连接焊缝焊脚尺寸：支柱与球壳连接焊缝的剪切应力：支柱或球壳材料屈服点的较小值：焊缝的许用剪切应力：应力校核：则通过校核5.13孔和开孔补强5.13.1公称直径小于100的管口的开孔补强由于温度计接口、排污口、压力计接口、预充N2接口、液位计接口满足下列四个条件：设计压力小于或等于两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和接管公称外径小于或等于89mm接管最小厚壁满足下表要求接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0所以无需另行补强5.13.2DN500人孔5.13.2.1型式选用当开孔位于球壳时EQ球壳的计算厚度：球壳的名义厚度：厚度附加量：强度削弱系数：开孔外壳体需要补强的当量厚度：当量压力计算公式球壳的设计压力：补强管材料在设计温度下的许用应力：当量压力：按照的原则查HG21630-1990补强管表4，表5可知选用B型单侧补强管查下表可知选取：HG21630-1990A、B、C型补强管公称直径dN外径壁厚补强管外伸或内审最小长度理论重量A型B型C型A型B型C型A型B型C型500Φ5309.5Φ53028Φ530347011712812.234.741.6补强及补强方法的判别开孔直径：本球壳开孔直径，满足面积法开孔补强计算的运用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。5.13.2.2开孔所需的补强面积的计算开孔所需的补强面积的计算：球壳的计算厚度：削弱系数：接管的有效厚度：开孔所需的补强面积：5.13.2.3有效补强范围（1）有效宽度B外侧有效高度取较大值：（2）有效高度①外侧有效高度：取较小值：②内侧有效高度：取较小值：5.13.2.4有效补强面积（1）壳体多余面积（2）接管多余金属面积接管设置厚度：接管多余金属面积：有效补强面积：补强满足要求,接管补强成功5.13.3DN100开孔补强（平衡口、安全阀、储罐气出口）5.13.3.1型式选用（1）当开孔位于球壳时球壳的计算厚度：球壳的名义厚度：厚度附加量：强度削弱系数：开孔外壳体需要补强的当量厚度：（2）计算当量压力球壳的设计压力：补强圈材料在设计温度下的许用应力：当量压力：（3）按照的原则查HG21630-1990补强管表4，表5可知，选用D型单侧补强管查下表可知选取：HG21630-1990D型补强管公称直径接管段外径补强管内径补强段外径补强段壁厚接管段壁厚理论重量补强段外伸或内伸的最小长度补强段接管段10010899133174.54.8631.14943（4）补强管补强段长度取选取（5）补强及补强方法的判别开孔直径：本球罐开孔直径：，满足面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。5.13.3.2开孔所需的补强面积的计算开孔所需的补强面积的计算：球壳的计算厚度：削弱系数：接管的有效厚度：开孔所需的补强面积：5.13.3.3有效补强范围（1）有效宽度B外侧有效高度取较大值：（2）有效高度①外侧有效高度：取较小值：②内侧有效高度：取较小值：5.13.3.4有效补强面积（1）壳体多余面积（2）接管多余金属面积接管设置厚度：接管多余金属面积：（3）接管区焊缝面积有效补强面积：补强满足要求,接管补强成功5.13.4DN150开孔补强（备用口、放空口）5.13.4.1型式选用（1）当开孔位于球壳时球壳的计算厚度：球壳的名义厚度：厚度附加量：强度削弱系数：开孔外壳体需要补强的当量厚度：（2）计算当量压力球壳的设计压力：补强圈材料在设计温度下的许用应力：当量压力：（3）按照的原则查HG21630-1990补强管表4，表5可知，选用C型单侧补强管查下表可知选取：，HG21630-1990A、B、C型补强管公称直径dN外径壁厚补强管外伸或内审最小长度理论重量A型B型C型A型B型C型A型B型C型150φ1597φ15911φ159163340472.64.05.6（4）补强管补强段长度选取（5）补强及补强方法的判别开孔直径：本球罐开孔直径：，满足面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。5.13.4.2开孔所需的补强面积的计算开孔所需的补强面积的计算：球壳的计算厚度：削弱系数：接管的有效厚度：开孔所需的补强面积：5.13.4.3有效补强范围（1）有效宽度B外侧有效高度取较大值：（2）有效高度①外侧有效高度：取较小值：②内侧有效高度：取较小值：5.13.4.4有效补强面积（1）壳体多余面积（2）接管多余金属面积接管设置厚度：接管多余金属面积：（3）接管区焊缝面积有效补强面积：补强满足要求,接管补强成功5.13.5DN200开孔补强（气体出口、入口）5.13.5.1型式选用（1）当开孔位于球壳时球壳的计算厚度：球壳的名义厚度：厚度附加量：强度削弱系数：开孔外壳体需要补强的当量厚度：（2）计算当量压力球壳的设计压力：补强圈材料在设计温度下的许用应力：当量压力：（3）按照的原则查HG21630-1990补强管表4，表5可知，选用D型单侧补强管查下表可知选取：HG21630-1990D型补强管公称直径接管段外径补强管内径补强段外径补强段壁厚接管段壁厚理论重量补强段外伸或内伸的最小长度补强段接管段200219195245251213.566.12672（4）补强管补强段长度取选取（5）补强及补强方法的判别开孔直径：本球罐开孔直径：，满足面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积法进行开孔补强计算。5.13.3.2开孔所需的补强面积的计算开孔所需的补强面积的计算：球壳的计算厚度：削弱系数：接管的有效厚度：开孔所需的补强面积：5.13.3.3