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1、 培黎石油工程学院课程设计 课程名称 油气储运 题 目 350 m3丙烷球罐设计 系 部 培黎石油工程学院油气储运工程系 专 业 油气储运工程 班 级 2011级3班 学生姓名 程建斌 学 号 20111801050303 指导教师 徐菁 张艳丽 2014年 11 月 13 日培黎石油工程学院课程设计任务书题目名称350 m3丙烷球罐设计系 部培黎石油工程学院油气储运工程系专业班级油气储运工程2011级3班学生姓名程建斌一、 课程设计的内容储罐设计包括工艺设计和机械设计两部分:1、工艺设计:是根据化工生产任务提供的工艺条件:包括压力、温度、产量、物料性能等,通过工艺计算和生产经验确定设备的结构
2、型式、设备总体尺寸及管口尺寸和方位。2、机械强度设计:是在工艺设计的基础上,进行强度、刚度和稳定性设计和校核计算, 对设备的内、外附件进行选型和结构设计计算，最后绘制设备的装配图和零部件图。二、课程设计的要求与数据1. 设计条件物料：丙烷地震设防烈度： 8度安装地区：兰州球罐建造场地：类，近震温度：35丙烷饱和蒸汽压：1.231Mpa丙烷密度：474 kg/m32. 课程设计辅导资料：“压力容器设计手册”、“管道及储罐强度设计”、“固定式压力容器安全技术监察规程”、“化工容器”等；三、课程设计应完成的工作1. 课程设计时间：4周；2. 课程设计内容： 储罐设计包括工艺设计和机械设计两部分:(1
3、)工艺设计:是根据化工生产任务提供的工艺条件:包括压力、温度、产量、物料性能等,通过工艺计算和生产经验确定设备的结构型式、设备总体尺寸及管口尺寸和方位。(2)机械强度设计:是在工艺设计的基础上,进行强度、刚度和稳定性设计和校核计算, 对设备的内、外附件进行选型和结构设计计算，最后绘制设备的装配图和零部件图。3. 课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：1) 目录；2) 摘要；3) 通过工艺计算和生产经验确定设备的结构型式；4) 设备总体尺寸及管口尺寸和方位；5) 在工艺设计的基础上,进行强度、刚度和稳定性设计和校核计算；6) 对设备的内、外附件进行选型和结构
4、设计计算；7) 绘制设备的装配图和零部件图8) 总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；9) 课程设计的心得体会（至少500字）；10) 参考文献（不少于5篇）；11) 附录。四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。学生确定选题，明确设计要求，查阅与设计有关的资料。24002014年11月10日至2014年11月14日2撰写课程设计说明书，进行工艺计算、绘制设备的装配图和零部件图。图书馆2014年11月17日至2014年11月21日3课程设计初稿的修订，上交课程设计说明书。图书馆2014年11月24
5、日至2014年11月28日4课程设计进行答辩24002014年12月1日至2014年12月5日五、应收集的资料及主要参考文献（1）董大勤，袁凤隐，压力容器设计手册化学工业出版社；（2）丁伯民、黄正林，化工容器，化学工业出版社出版；（3）徐英、杨一凡、朱萍，球罐和大型储罐，化学工业出版社；（4）帅健、丁桂杰，管道及储罐强度设计，石油工业出版社。（5）TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程。指导教师：（签名） 年 月 日 系部主任：（签名） 年 月 日教学院长：（签名） 年 月 日摘 要部件球罐是一种工业使用储存介质的压力容器，作为一种有效的，经济的压力容器而广泛应用。球罐具有
6、占地少，受力情况好、承压能力高，分片运输到现场安装成形、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。球罐的大型化是一个复杂的系统工程，它涉及到多个学科和技术领域。本文针对1160m3丙烷气球罐设计、制造中的几个关键技术球罐选材、结构设计和强度校核等方面进行了研究，完成了如下工作：查阅有关球罐设计的文献，在系统了解球罐结构设计及制造方法的基础上，完成文献综述的撰写；对球罐选材进行分析比较，最终确定采用16MnR；对球罐进行工艺结构设计和尺寸计算，根据GB12337-2010钢制球形储罐对球罐进行结构与强度设计计算；进行球罐
7、图纸绘制，完成球罐装配图及各主要零图。AbstractSpherical tankis astoragemediumindustrial useof pressure vessels, as an effective, economicalandwidely usedpressure vessel. Sphericalwith asmall footprint, the force ofgood, high-pressure capability, transportationto the siteinstallationsliceshape, sizelargely unaffected b
8、ytransportcapacityconstraintsand otherpressure vesselsunparalleledadvantages.Inpetroleum, chemical,city gas, metallurgyand other fieldswidelyused to storegasandliquefied gases.Thelarge-scaletankisacomplicated systematic project, which involves multipledisciplines andtechnical fields.In this paper,11
9、60m3balloonpropanetankdesign and manufactureof severalkey technologies-tankmaterial selection, structural design andstrength check ofother aspects ofthe study, completethe followingtasks:access to thetankdesignliterature, in thesystematic understanding of theballtankdesignandmanufacturing methods, b
10、ased on the literature reviewcompletedwriting; analysis and comparisonof thespherical tankselection, and ultimately determine the use of16MnR;theprocessoftankdesignandsizing,according toGB12337-2010 steel spherical tankstructural and strengthofspherical tankdesign calculations; forsphericaldrawings,
11、 assembly drawingsand thecompletion ofthe maincomponentssphericalmap.目录设计任务书摘 要第1章 绪 论1第2章 设计参数确定及材料选择第3章 结构设计第4章 壁厚计算和强度校核第5章 球罐受力分析.第6章 强度及稳定性校核.主要参考文献附 录结束语25图纸（球罐装配图A2）教师评分表 第 1 章 绪 论1.1球罐的特点球罐是生产实际中应用比较广泛的压力容器。与圆筒形储罐相比，球罐的优点是：（1）当二者容积相同时，其表面积最小；（2）当压力和直径相同时，其壁厚仅为圆筒形罐的一半左右；当直径和壁厚相同时，其承压能力约为圆筒形罐的
12、两倍，因而它可大量节省钢材，减少占地面积，适于制造中压容器。采用球罐，可大幅度减少钢材的消耗，一般可节省钢材30%45%；此外，球罐占地面积较小，基础工程量小，可节省土地面积。但另一方面，球罐壳体为双向曲面，制造、焊接和组装要求很严，检验工作量大，所以现场组装比较困难，对焊工的技术要求高，制造成本也高。球罐为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、丙烷、丙烯、丁烯、液氧、液氨、液氮及其他低沸点介质的储存容器。也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。在炼油厂、石油化工厂、城市燃气供应部门都有广泛应用。1.2球罐分类球罐绝大
13、多数为单层球壳。低温低压下贮存液化气体时则采用双重球壳，两层球壳间填以绝热材料。采用最广泛的为单层圆球型球罐。球壳是由多块压制成球面的球瓣组焊而成。球罐的支撑结构最常见的为赤道正切式，其次为对称式、裙座式、半埋地式和盆式。椭球型球罐通常用于常温下贮存饱和蒸气压比大气压稍高的、挥发性强的液态烃（如汽油等）,操作压力为0.120.3MPa，容积一般在5006000m3范围内。更大容积时,应采用复式椭球型球罐。按形状分有圆球形、椭球形、水滴形或上述几种形式的混合。圆球形按分瓣方式有橘瓣式、足球瓣式、混合式三种。圆球形按支撑方式分有支柱式、裙座式两大类。1.3球罐的构造球罐由本体、支柱（承）及附件组成
14、。（1）球罐本体，球罐本体是球罐结构的主体，它是球罐储存物料承受物料工作压力和液体静压力的构件。由于球壳体直径大小不同，球壳板的数量也不一样，球壳有环带式（橘瓣式）、足球瓣式、混合式结构三种形式。（2）球罐支柱（承），球罐支柱（承）是用于支承球罐本体重量和储存物料重量的结构部件，有柱式、裙式半埋入式及高架式支座多种。（3）球罐的附件1）梯子平台。一般球罐设置顶部平台和中间平台，顶部平台是工艺操作平台。2）人孔和接管。人孔是为了操作人员进出球罐进行检验和维修而设置的，同时也用于现场组装焊接球罐时进行焊后整体热处理、进风、燃烧口和烟气排出等。3）水喷淋装置。球罐上装设水喷淋装置是为了贮存的液化石油
15、气、可燃气体和毒性气体的隔热需要，同时也可起消防保护作用。4）隔热和保冷设施。隔热和保冷一般是为了保证贮存介质的一定温度。储存液化石油气、可燃性气体和液化气及有毒气体的球罐和支柱，应该设置隔热设施。球罐储存低温物料（如乙烯、液氨等）时应设保冷装置。5）液面计。为了观测球罐内液位情况，一般在储存液体和液化气体的球罐中装置液面计。6）压力表。为了测量球罐内的压力而设置压力表。考虑到压力表由于某种原因而发生故障或由于仪表检查而取出等情况，应在球壳的上部和下部各设一块压力表。1.4的发展球罐历史1.4.1球罐制造的发展球形储罐最早出现在19世纪末到20世纪初，开始时只是储存低压气态介质，早期的球罐为铆
16、接结构。这种结构形式制造较为困难，材料的浪费也较大，例如，在1936年做了一台直径为21.3、工作压力位0.49MPa、壁厚为19mm、材质为st52的铆接球罐，可质量为816.5t。其中铆及搭接部分所需的板材就为36.6t，占壳体总质量的17%，铆钉质量为12t，占总质量的5.5%，而且一旦其中有一部分铆接不合格，只得重装新铆接。因此，早起的球罐发展速度是缓慢的。第二次世界大战后，随着焊接技术的发展，人们已经找到合适的焊接材料，球罐的制造也从铆接改为焊接的方法，球罐的制造得到了飞速的发展。1956年，日本用美国钢铁公司的T-L80钢制成了直径33.68、容量为20000m3城市煤气储罐。19
17、58年，德国M.A.H公司用FB50高强度钢生产了一台直径为47.3m、容积为55500m3、壁厚为30mm的大型储罐，这时期的球罐虽然体积很大，但压力较低，总的储气能力也很低，而对于液化的气体储罐还不能做的很大。从60年代开始至今，球罐的制造技术得到了进一步发展，在这段时间内日本的球罐发展较为突出，日本在1962年以前液化石油气球罐的几何容积都在2000m3以下，1962年制成了容积为3000m3的液化石油气储罐，1956年达到5000m3的大型球罐。1985年日本新日钢铁公司为日本西部瓦斯用本公司生产的WEL-TEN80C型高强度钢制造一台大型球罐，设计压力位0.75MPa、直径为37.0
18、7m、容积为26700m3。双重壳低温、深冷球罐于1962年，由美国芝加哥桥梁钢铁公司用5803-0铝镁合金制成，其内径直径12m、壁厚38mm、容积为900m3，它是一台液态氢双重球壳，外球壁为碳钢。日本从1966年开始制造双重球罐，1967年在德山市建造的双重球罐容积达到2000m3，1968年石川岛播磨重工业公司用5803-0铝合金制造液态乙烯双重球罐，其内径达到20.117m，铝板厚度1025mm，内球容器达4000m3，外球径为21.964m。自称这是当时最大的低温球罐。由以上历史发展概述还可以看出，球罐的建造虽然较早，但发展较慢，其进程先为低压、常温、气体，其后逐渐过渡到中、高压。
19、低温液化石油气体和大型化的方向发展。1.4.2我国球罐的发展现状我国制造球罐始于50年代末期。1958年开始制造第一台50m3的球罐，1966年北京金属结构长制造了直径为9.2m、几何容积400m3、壁厚为20mm，质量为5t的球罐。随着我国科学技术进一步发展，特别是改革开放以来，未来满足我国的国防、科研、石油化工、冶金、市政等工业对储存容器的要求，我国的球罐工业得到发展。目前我国已能自行设计制造安装2000m3以下的石油液化气球罐和5000m3的球罐，1988年又以同样的方式引进了10000m3的球罐，1998年在大连我国又成功地利用引进日本的钢板，自行设计并压制成功了8000m3的储存介质
20、为C4的球罐。我国的球罐发展虽然发展较快，但是起步较晚，目前同国际先进水平还是有不少差距。目前建造5000m3以上的大型球罐多数还是进口国外的球壳板，由国内组装完成。第 2 章 设计参数确定及材料选择2.1设计参数2.1.1压力除注明者外，压力均指表压力。工作压力 工作压力指在正常工作情况下,球馆顶部可能达到的最高压力。设计压力设计压力值指设定的球罐顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。球罐上装有超压泄放装置时，应按GB150钢制压力容器附表B“超压泄放装置”的规定确定设计压力。对于盛装液化气体的球罐，在规定的充装系数范围内，设计压力应根据工作条件下可能达到
21、的最高金属温度确定。液化气体或混合液化石油气的设计压力，按国家质量技术监督局压力容器安全技术监察规定第34条的规定执行，见表1-1和表1-2。12表2-1 液化气体的设计压力液化气体临界温度设计压力，Mpa无保冷设施有可靠保冷设施无试验实测温度有试验实测最高工作温度且能保证低于临界蒸气压力5050饱和蒸汽压可能达到的最高工作温度下的饱和蒸气压力异丁烷50饱和蒸气压力丙烷50饱和蒸气压力等于50丙烷的饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下丙烷的饱和蒸气压力丙烷50饱和蒸气压力等于50丙烯的饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下丙烯的饱和蒸气压力注：液化石油气指国家标准GB11174规定的混合液化石油
22、气；异丁烷、丙烷、丙烯、50的饱和蒸气压力应按相应的国家标准和行业标准的规定确定。2.1.2温度设计温度 与设计压力同时存在的球罐壁温为设计温度。设计温度由工艺条件确定时，即根据工艺传热计算确定的金属壁温为设计温度；设计温度由大气环境温度确定时，参照以下方法：最低温度-取当地月平均最低气温；最高温度-取当地月平均最高气温作为依据。此值高于27时取最高温度为48；低于27时取最高温度为40。当贮存液化气时，一般以此作为设计温度并由此确定设计压力。2.2丙烷的性质丙烷是一个三碳的烷烃，化学式为，通常为气态，但一般经过压缩成液态后运输。丙烷的分子结构是C原子以sp3杂化轨道成键、分子为非极性分子。分
23、子量是44.10。原油或天然气处理后，可以从成品油中得到丙烷。丙烷通常用来作为发动机、烧烤食品及家用取暖系统的燃料。在销售中，丙烷一般被称为液化石油气，其中也混有少量的丙烯、丁烷和丁烯。为了便于发现意外泄露，商用液化石油气中一般也加入恶臭的乙硫醇。丙烷的物理性质如下表：表2-3 物理性质国标编号CAS号74-98-6中文名称丙烷英文名称propane别名分子式外观与性状无色气体，纯品无臭分子量44.10饱和蒸汽压1.231MPa/35闪点：-104熔点-187.6沸点：-42.1溶解性微溶于水，溶于乙醇、乙醚密度474 kg/m3稳定性稳定危险标记4(易燃气体)主要用途用于有机合成在低温下容易
24、与水生成固态水合物，引起天然气管道的堵塞。丙烷在较高温度下与过量氯气作用，生成四氯化碳和四氯乙烯CLC=CCL；在气相与硝酸作用，生成1-硝基丙烷CHCHCHNO、2-硝基丙烷(CH)CHNO、硝基乙烷CHCHNO和硝基甲烷CHNO的混合物。上丙烷可从油田气和裂化气中分离得到。在空气中燃烧化学方程式:CH + 5O点燃3CO + 4HO。丙烷常用作烧烤、便携式炉灶和机动车的燃料。丙烷通常被用来驱动火车，公交车，叉车和出租车，也被用来充当休旅车和露营时取暖和做饭的燃料。在北美的一些农村，人们用丙烷来填充炉灶、热水器和干手机等产热的器具。截至2000年，690万美国家庭以丙烷作为主要燃料。商用的“
25、丙烷”燃料，或称液化石油气，是不纯的。在美国和加拿大，其主要成分是90%的丙烷外加最多5%的丁烷和丙烯以及臭味剂。这是美国和加拿大的国内标准，通常写作HD-5标准。需要注意的是，从甲烷（天然气）制备的液化石油气不包含丙烯，只有从原油精炼过程中得到的丙烷才含有。同样，在一些其他国家，比如墨西哥，丁烷的标准含量会高一些。丙烷的其他用途包括：蒸汽裂化制备基础石化产品的给料在某些火焰喷射器中充当燃料或加压气体，生产丙醇的原料，热气球的主要燃料，导体工业中用来沉淀金刚砂混合有硅的丙烷被用作一种气枪的推进剂（销售时称作绿气），用于生存游戏中。在一些主题公园和电影拍摄里，液态的丙烷被用作一种便宜而又高能量的
26、物质来产生爆炸或一些其他的效果。在日常使用丙烷的时候要注意：本品有单纯性窒息及麻醉作用。人短暂接触 1%丙烷，不引起症状；10%以下的浓度，只引起轻度头晕；接触高浓度时可出现麻醉状态、意识丧失；极高浓度时可致窒息。丙烷是一种易燃气体。与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。与氧化剂接触猛烈反应。气体比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇火源会着火回燃。北京奥运会火炬-祥云是以丙烷作为燃料的，这是一种价格低廉的常用燃料，而且温度范围比较宽。丙烷燃烧只形成水蒸气和二氧化碳，没有其他物质，不会对环境造成污染，是一种清洁燃料，符合“绿色奥运”的理念。丙烷气体燃烧的火焰颜色为亮黄
27、色，这样的颜色便于识别和电视转播、新闻摄影的需要。丙烷是处理天然气或精炼原油得到的副产物。在处理天然气的过程中，必须将丁烷、丙烷和大量的乙烷从原气中去除，否则这些挥发物会在天然气管道中发生缩合。精炼原油的过程中，丙烷作为一个副产物出现在裂解石油制备汽油和燃料油的过程中。由于是副产物，丙烷的产量不能够轻易的根据需求而转变。同其他烷烃一样，丙烷可以在充足氧气下燃烧，生成水和二氧化碳。CH + 5 O 3 CO + 4 HO热量当氧气不充足时，生成水和一氧化碳。CH + 7 O 6 CO + 8 HO热量和天然气不同的是，丙烷比空气重（大约是空气的1.5倍）。在自然状态下，丙烷会下落并积聚在地表附近
28、。在常压下，液态的丙烷会很快的变为蒸汽并且由于空气中水的凝结而显白色。一立方英尺的丙烷若完全燃烧能够放出2500BTU的热量（91,600BTU每液体加仑）。国际单位制中，一立方米丙烷的高热值是50千焦（13.8 kWh）或101 MJ/m3。丙烷无毒，但是若滥用做吸入剂，有一定因为缺乏氧气而窒息的危险。同样值得注意的是，商业产品中通常含有其他可能导致危险的碳氢化合物。在常压下，丙烷及其混合物快速挥发能造成冻伤。在外界温度是20摄氏度的情况下，丙烷液体仍然保持-42度的低温。液化石油气的燃烧比汽油清洁，但略逊于天然气。由于C-C单键以及丙烯和丁烯中双键，液化石油气在通常情况下燃烧会产生除了二氧
29、化碳和水之外的有机废气。同样是这些键的原因，液化石油气燃烧存在可见的火焰。2.3球罐的选材准则球罐是压力容器的一种结构形式，因而在选择的材料的基本要球罐方面与压力容器相同，球罐用钢的选择原则是在满足强度的前提下，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，球罐用钢是球罐制造和设计的主要参数，对其质量优劣具有举足轻重的影响。目前球罐的使用场合基本上属于低温和常温。2.4钢材的力学性能1 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
30、强度的定义和试验方法。2 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），而材料仍继续拉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。3 刚性刚性是在结构抗弯曲和翘曲的能力，时度量结构件在弹性范围内受力时变形大小因素之一，它与钢材弹性模量和结构元件的截面形状（界面惯性矩）有关。4 韧性韧性用来衡量材料的抗裂纹扩张的能力。由于韧性指标繁多，因试验方法不同而不能同意。目前各国均以夏比V行缺口冲击试验的吸收能量（Akv）来衡量，以期达到简单方便的目的。冲击（吸收）功Ak
31、v，即具有一定形状尺寸的金属试样在冲击载荷下折断时所吸收的功，单位为焦耳（J）。标准试验的方法有GB2106金属夏比（V行缺口）冲击试验方法和GB4519金属低温夏比冲击试验方法。冲击试样时，试样经历弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。它们所消耗的能量分别为弹性变形的功、塑性变形的功和裂纹扩展功。5 可焊性球罐用材对可焊性要求比通常的压力容器用材料要求更高，大量的双曲面对接焊，并处于高空安全位置焊接，绝大部分属于隐蔽工作面，因而在材料的选择上就要严格考虑可焊性。常规的标准规范用于评估高强度钢的可焊性和对接焊裂纹敏感性，一般采用港版的碳当量Ceq和裂纹敏感性指数Pc来进行。 大量的试验说明当Pc0
32、.35时，裂纹产生的几率就大；当Pc0.30时，裂纹发生的几率就小。2.5经济性对球罐用钢提出了各种要球罐，势必在经济上增加了成本。在球形罐用钢的选择上。经挤指标是要重点考虑的，因为钢材的价格在整个球罐的投资上占了相当的比例。2.6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型等。2.6.1钢板国内研制的490MpaWCF62钢(低焊接裂纹敏感性的钢种)，这钢号为07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR及16MnR(WH5l0)、15MnNbRWH530)和BP46ON，
33、已用于工程，主要用于建造氧气球罐和低温罐，使球罐用材方面增加了很大的选择性。2.6.2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08MnNiCrMoVDR。第 3 章 结构设计3.1概况球罐的结构型式是多种多样的，根据不同的使用条件，（介质、容量、压力，温度)，使用不同的材料，球罐的设计和制造水平的差异，有不同的结构型式。我国现行使用的球罐，多以球壳扳的组合方案不
34、同分为橘瓣式和足球瓣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。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：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，它盛装的物料又大部分是易燃，易爆物，且装载量大，一旦发生事故，后果不堪设想。国内外球罐的事故事例很多。有些造成重大的人身财产损失。查其事故原因，除了操作和安装失误之外，结构设计不尽合理也是原因之一。因此，球罐结构设计要围绕如何保证安全可靠而实施。球罐结构的合理设计必须考虑多种因
35、素，盛装物料的性质、设汁温度和压力，材质、制造装备和技术水平、安装方法，焊接和检验要求、操作方便可靠性，自然环境的影响(风载荷，地震载荷作用，大气的自然腐蚀)等。要做到满足各项艺要求，具有足够的强度和稳定性，结构尽可能简单和检修实施容易。球罐的结构设计应包括如下的内容：(1)根据工艺参数的要求确定球罐结构的类型及几何尺；(2) 确定球壳的排板方法(分带、分片)；(3) 确定球壳板的几何尺寸；(4) 支撑结构的确定；(5) 人孔和工艺接管的选定、布置以及开孔补强的设计；(6)球罐的附件，如内外盘旋梯、爬梯、平台的设计；(7)有要求时，对保冷结构设汁；(8)有基础的技术要求；(9)有要求时，对防地
36、震、防雷的设计等3.2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。球壳几何尺寸较大，用材量大，它必须由许多瓣片组成，球壳设计要按照如下的设计准则进行： 必须满足所储存物料在容量、压力、温度方面要求，且安全可靠； 受力状况最佳； 考虑瓣片加工机械(油压机或水压机)的跨度大小，运箱条件的可能，尽量采用大的瓣片结构，使焊缝长度最小，减少安装工作量； 考虑钢板的规格，增强球壳板的互换性，尽量提高板材的利用率。 国内自行设计、制造、组装焊接的球罐多为橘瓣式和混合式排板组成的球壳。其基本结构参照G/T17261。3.3选定材料及各项参数3.3.1材料的选用球罐是压力容器的一
37、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。球罐用钢的选择原则是再满足强度要求的前提下，应保证有良好的成型性、良好的焊接性、足够好的缺口韧性值和长期可靠的使用性能。根据操作条件，选用球罐材料16MnR，使用状态为正火状态。该材料MPa，常用许用应力MPa.3.3.2球罐尺寸确定球罐的尺寸确定与其它储罐尺寸确定有很大的差异，没有固定的公式，所以在这里将采用最简单的体积法求的球罐的直径，已知球罐的容积是350m3，为了安全生产，留有一定的安全空间，最终确定球罐的充装系数为0.9，则球罐的实际储存能力是315m3。球罐的内直径为=8744mm，支柱底板底面至球壳中心的距离为6600mm，
38、支柱共6根。3.3.3球罐结构形式本次设计的球罐采用混合式的结构。根据GB/T17261-1998钢制球形储罐型式与基本参数，同时充分考虑钢板长供货尺寸，制造厂的球片压制能力，以及安装单位现场安装能力。最终确定采用3带6支柱混合式结构。赤道带由12瓣板组成，分带角为90；上下极带各由3瓣球壳组成，分带角为45。第 4 章 壁厚计算和强度校核4.1设计条件物料：丙烷设计温度：35工程容积：350m3球壳内直径：Di=8744mm充装系数：0.9重力加速度：g=9.78m/s2地震设防烈度：8度安装地区：兰州温度：35球罐建造场地：类，近震丙烷密度：474kg/m3设计压力:1.231Mpa要求设
39、计容积为350m3由求得：取整约为4372mm式中：H液柱高度；K1只与充装系数K有关；R球罐半径；查得：K=0.9；K1=1.6084；第 5 章 球罐受力分析5.1 球壳计算 5.1.1 计算压力球壳各带的物料液注高度=0mm； =4953mm；=6233mm；物料密度：=474kg/重力加速度：g=9.78m/球壳各带的计算压力：P=1.231+0=1.231MPaP=1.231+49534749.785=1.254MPaP=1.231+62334749.785=1.260MPa球壳材料16MnR在设计温度下的许用应力： 焊缝系数：,腐蚀余量:=1mm;5.1.2球壳各带厚度计算球壳内径
40、=8744mm 厚度附加量：C=C1+C2=0+1=1(mm)=+C=+1=17.54mm； =+C=+1=17.85mm； =+C=+1=17.93mm； 综上球壳的名义厚度为=18mm球壳的有效厚度： =-C=18-1=17mm 5.1.3球罐质量计算球壳材料密度：=7850 kg/充装系数：k=0.9水的密度：=1000 kg/球壳平均直径：=8762mm；球壳赤道带外直径=8780mm球面的积雪系数：=0.4基本雪压值：=150N/(以兰州市每50年一遇的最大雪压选取) 基本风压值：=300N/球壳质量=34063kg物料质量149255kg液压试验的质量349872kg积雪质量326
41、kg保温层质量支杆和拉杆质量：支杆选用16MnR，支柱有6根，取直径为400mm，壁厚为20mm。 3234kg附件质量：人孔，接管材料，扶梯等。3000kg操作状态下球罐质量：34063+149255+326+0+3234+3000=189878kg液压试验下球罐质量： 34063+349872+3234+3000=390169kg球罐最小质量：34065+3234+3000=40297kg5.2地震载荷计算 5.2.1自振周期 支柱底板面至球壳中心的距离：=6600mm 支柱数目：n=6 支柱材料16MnR的常温弹性模量：=206Mpa 假设支柱外直径: =400mm；支柱内直径：=380
42、mm； 支柱横截面的惯性矩： =2.32 支柱地面至拉杆中心线与支柱中心点线交点处的距离：l=4000mm； 拉杆影响系数：=1-=1-=0.207 球罐的基本自振周期： =0.125s;5.2.2地震力综合影响系数：=0.45；由于兰州地区地震设防烈度为8级，建造场地为类场地土，由GB12337-89 表14、图9查的地震影响系数最大值：=0.45对应于自振周期T的地震影响系数：=1.08球罐的水平地震力为： 0.451.081898789.785=N5.2.3风载荷计算风载荷系数：=0.4；系数=1.5（按GB12337-98表15用比例内插法算的）；风振系数: =1+0.35=1+0.3
43、51.5=1.525基本风压值：=300N/；支柱底板底面至球壳中心的距离：=6600mm；风压高度变化系数：0.61；球罐附件增大系数：=1.1；球罐的水平风力：= =N；5.2.4弯矩计算 =max(+0.25), 比较得=+0.25=+0.25=N， 力臂：L=6600-4000=2400mm; 由地震力和水平风力引起的最大弯矩： 3000=Nmm第 6 章 强度及稳定性校核6.1 支柱计算6.1.1 单个支柱的垂直载荷 A：重力载荷：操作状态下的重力载荷=1898789.785/6=N； 液压试验下的重力载荷=3901699.785/6=N；B：支柱最大垂直载荷： 支柱中心圆的半径：R=4372mm； 按照GB12337-1998表19计算最大弯矩对支柱产生垂直载荷的最大值 =0.3333=0.3333/4372=N; 拉杆作用在支柱上的垂直载荷的最大值 =0.3333=0.33334000/4372 =N 以上两者之和的最大值： =0.3333+0.3333
