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1、 摘 要随着世界各国综合国力和科学技术水平的提高，球形容器的制造水平也正在高速发展。近年来，我国在石油化工，合成氨，城市燃气的建设中，大型化球形容器得到了广泛应用。 这次设计主要按照GB123371998钢制球形储罐设计进行设计。本设计共分两部分，第一部分包括球罐的设计；第二部分为外文资料及其对应的中文翻译。其中第一部分介绍了球罐的发展状况和应用场合、材料选择、球罐设计、结构确定、强度计算、绘图等内容。以结构强度的设计计算为主，从基础理论、设计方法、结构分析、标准规定等方面进行了系统的阐述。本球罐在1.77MPa的设计压力、常温的设计温度下设计，设计厚度为46mm。压力试验采用水压试验，水压试
2、验压力为2.22MPa。球壳材料选Q345R,支柱采用赤道正切式支柱式支承。为了承受风载荷和地震载荷，保证球罐的稳定性，在支柱之间设置拉杆相连，球壳采用的是三带混合式，球壳分块少，板材利用率高，制造工作量小，焊缝短，焊缝个数少，检验量小，施工速度快，使球罐的施工质量易于保证，拉杆结构采用可调节式拉杆，使球罐平衡易于调节。关键词：球形储罐，压力容器，支柱结构AbstractWith the improvement of comprehensive national strength and the world of science and technology level, the manufa
3、cturing level of spherical tank is high-speed development. In recent years, Chinas petrochemical industry, synthetic ammonia, the building of city gas, large-scale spherical tank is widely used. Designed in accordance with the GB12337-1998 “Design of steel spherical tank”. This design is divided int
4、o two parts，the first part includes an overview and design of spherical tank including the calculation of spherical tank; the second part of foreign materials and their corresponding Chinese translation. The first section describes the development of the sphere and applications, material selection,
5、spherical design, structure identification, strength calculation and so on. The most important is the calculation, and I also introduce the structural design, the basic theory, design methods, structural analysis, standards.The spherical tank in 1.77MPa design pressure, design temperature of room te
6、mperature, the design thickness is 46mm. Pressure test using hydraulic pressure test, the hydraulic pressure test with 2.22MPa. Spherical shell material selection Q345R, I use the equator tangent pillar strut-type support. In order to bear wind and seismic loads and ensure the stability of spherical
7、, I set a rod between the pillars, and the three mixed spherical shell ismade up with only several parts. The using rate of the plate is small. There are a small number of welds and the length of the welds is small. There is no need to do much test, so it is easy to make. In order to adjust the bala
8、nce ofthe tank,that is easy to adjust spherical tank balance. Key words：Storage tanks, Pressure vessels, Support structure 目录1.前言1.1球罐的国内外发展情况1.2球罐的特点1.3球罐的分类1.3.1 按储藏温度分类1.3.2 按结构形式分类1.4 球罐的设计要求1.5 球罐的设计参数1.5.1 压力111.5.2 温度121.5.3 厚度121.5.4设计的一般规定141.5.5许用应力141.5.6焊接接头系数141.5.7压力试验15 1.5.8气密性试验2.材料
9、选用162.1 球罐材料准则162.2壳体用钢板172.3 锻件用钢212.4钢管的选用212.5螺柱和螺母212.6焊接材料213.结构设计3.1概况3.2球壳的设计3.3支座的设计3.4拉杆结构3.5人孔和接管3.5人孔和接管3.5.1人孔结构3.5.2接管结构4.强度计算334.1 设计条件334.2 球壳计算334.3 球罐的质量计算354.4 地震载荷计算364.4.1 自振周期364.4.2 地震力374.5 风载荷计算384.6 弯矩计算384.7 支柱的计算394.7.1 单个支柱的垂直载荷394.7.2 组合载荷404.7.3 单个支柱弯矩404.7.4 支柱稳定性校核424
10、.8 地脚螺栓计算444.9 支柱底板454.9.1 支柱底板直径454.9.2 底板厚度464.10 拉杆计算464.10.1 拉杆载荷计算464.10.2 拉杆连接部位的计算474.10.3 翼板的厚度474.10.4 焊接强度验算484.11 支柱与球壳连接最低点a的应力校核494.11.1 a点的应力494.11.2 a点的应力校核504.12 支柱与球壳连接焊缝的强度校核505.工厂制造及现场组装505.1 工厂制造 515.2现场组装 515.3 组装方案516.焊接 516.1 焊接工艺的确定 516.2 焊后热处理 527.检查 518.结论 40参考文献 42谢 辞41150
11、0M3球型储罐设计1.前言球罐在我国的国防、科研、石油、化工、冶金等企业中有着广泛的应用。利用球罐贮存液氮、液化石油气、液化天然气、液氧、液氢以及贮存各种压缩气体等。在城市建筑中，球形容器可用于远距离高压输送气体管网；在钢铁厂利用球形容器贮存压缩氧。此外，在原子能发电站，球罐用作安全容器；在造纸上用作蒸煮球；在化学工厂用作反应器等。随着我国工业建设的发展，球罐的应用会越来越广泛。1.1 国内外发展情况中国球罐产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达国家，生产要素决定性作用正在削弱，产品能源消耗大、产出率底、环境污染严重、对
12、自然资源破坏力大；企业总体规模缩小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。中国球罐产业发展研究报告阐述了世界球罐产业的发展历程，分析了中国球罐产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型球罐产业”及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即“以人为本”“科技创新”“环境友好”和“面向未来”准确地界定了“新型球罐产业”及替代产品的内涵，根据“新型球罐产业”及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国球罐产业发展就进行了全面的研究。从目前来看球罐向大型化发展是必然的趋势，球罐建造正向着大型化、结构多样化、高参数的方向发展。由于大型化的经济性十分明显，以成为世界各国优先重视的重要课题。球罐不同时期受着
13、不同因素的制约。随着相应技术的发展，这些制约因素不断的得到解决，又促使球罐大型化的发展。从国内情况看，目前限制球罐向大型化方向发展的影响因素有：（1）设计制造规范；（2）球罐用钢；（3）球罐现场组装和焊接问题；（4）球罐现场热处理；（5）球壳板尺寸精度；（6）吊装运输能力。总的来说球罐的发展还有很多问题需要我们来解决，正因为球罐的发展面临很多问题才使得球罐未来的发展前景很广阔。1.2 球罐的特点球罐与常用的圆筒形容器相比有以下特点： 球罐的表面积最小，即在相同容量下球罐所需要的钢材面积最小。 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，采用同样钢板时，球罐的板厚只需圆筒形容器
14、板厚的一半。以上两个特点使球罐在用材上远比同样容量、同样压力下的圆通形容器省料。 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、外观漂亮，可用于美化工程环境等原因，使球罐的应用得到很大的发展。1.3球罐的分类 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。 常温球罐 如液化石油气（LPG）、氨、氧、氮等球罐。一般说这类球罐的压力较高，取决于液化气的饱和蒸气压或压缩机的出口压力。常温球罐的设计温度大于-20。 低温球罐 这类球罐的
15、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气压而定）。 深冷球罐 这类球罐的设计温度在-100以下。往往在介质液化点以下储存，压力不高，有时为常压。由于对保冷要求高，常采用双层球壳。目前国内使用的球罐，设计温度一般在-4050之间。1.3.2按结构形式分类按形状分有圆球形、椭球形、水滴形或上述几种形式混合。圆球按分瓣方式分有橘瓣式、足球瓣式、混合瓣式三种。圆球形按支撑方式分有支柱式、裙座式、半埋式、V形支撑等。1.4球罐的设计要求在材料方面 用碳素钢和低合金钢制球罐，不适用于高合金钢及有色金属球罐。因为采用高合金钢等钢板制造单层球罐或制造双金属复合板单层
16、球罐，在我国还没有实践，有关技术没有掌握，在现阶段标准不易列入。设计压力不大于4MPa. 过去的球罐标准对球壳壁厚做出了小于或等于50mm的限定，实际上也是对设计压力的限定。随着冶金工业的发展，压力容器用钢板的厚度早已超出50mm,认为50mm以上厚度的钢板质量部稳定和不能保障质量供货的观点应淘汰，钢板厚度无论多少，只要能满足标准（GB12337-1998）中材料的有关规定，就可以制造球罐。球壳结构为桔瓣式或混合式，支座为支柱支撑。球壳结构没有采用足球瓣式是因为它适用于只在溶剂较小的球罐，不适用于制造较大容积的球罐，应用场合少。而且这种组装和焊接比较困难，在我国没有实践经验。混合式球罐的球壳结
17、兼容了足球瓣式和橘瓣式球壳的优点，故混合式球壳结构最优。辐射作用对人体有极大的危害性，因此对储存辐射介质的球罐在设计制造方面和安全防护上须有严格的要求。而且，长期遭受中子辐射的钢材，其性能也会有所改变，因此，在选材上也应从严要求。对于受辐射作用的球罐，规定是远远不够的，故不适用于受辐射作用的球罐。1.5球罐设计参数设计压力：p=1.77MPa设计温度：常温水压试验压力：PT=1.25Pt=2.22MPa球壳内直径=14200mm(1500)储存物料：聚氨酯充装系数:k=0.85地震设防烈度7度 基本风压值:=400 N/ 基本雪压值:=300 N/支柱数目:n=10支柱选用: 16MnR(热轧
18、)拉杆选用:20圆钢球罐建造场地:类场地土、近震,B类地区1.5.1压力除注明者外，压力均指表压力。 （1）工作压力 工作压力指在正常工作情况下，球罐顶部可能达到的最高压力。（2）设计压力 设计压力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 附录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，在规定充装系数范围内，设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（3）计算压力 计算压力指在相应设计温度下，用以确定球壳各带厚度或受压元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。液柱高度 H=2cosar
19、ctan1-2(K-1)2+2K-13+1R (1-1)式中 H液柱高度； K充装系数； R球罐半径。将式（1-1）指的中括号部分设定为K1，则变为：H=K1R查表可得当K=0.85时，K1=1.5112（4）试验压力 试验压力指在压力试验时，球罐顶部的压力。（5）最大允许工作压力 最大允许工作压力系指在设计温度下，球罐顶部所允许承受的最大表压力。该压力是根据球壳的有效厚度计算所得，且取最小值。1.5.2温度 除注明者外，温度均指摄氏温度。（1）设计温度 设计温度指球罐在正常工作情况下，设定的受压元件的金属温度(沿元件金属截面温度平均值)。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度不得低
20、于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度。对于 0以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。低温球罐的设计温度按GB12337钢制球形储罐附录A(标准的附录)确定。标志在铭牌上的设计温度应是是球壳设计温度的最高值或最低值。元件的金属温度可用传热计算求得。或在已使用的同类球罐上测定，或按内部介质温度确定。（2）试验温度 试验温度指压力试验时，球壳的金属温度。1.5.3厚度 （1）计算厚度（） 计算厚度指按公式计算得到的厚度。需要时，应计入其他载荷所需的厚度。 （2）设计厚度（d） 设计厚度指计算厚度与腐蚀裕量之和。 d=+C2 (1-2)（3）名义厚度（n） 名义厚度指设计厚度
21、加上钢材厚度负偏差后，向上圆整至钢材标准规格的厚度。即标注在图样上的厚度。（不包括加工裕量）。 n=d+C1+ (1-3)（4）有效厚度（e） 有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。 e=n-C2-C1 (1-4)1.5.4设计的一般规定 （1）对有不同工况的球罐，应按最苛刻的工况设计，并在图样或相应技术文件中注明各工况的压力和温度值。（2）载荷 设计时应考虑以下载荷：压力；液体静压力；球罐自重(包括内件)以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；附属设备及隔热材料、管道、支柱、拉杆、梯子、平台等的重力载荷；风载荷，地震力，雪载荷。 需要时，还应考虑下列载荷：支柱的反作用
22、力；连接管道和其他部件的作用力；温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；包括压力急剧波动的冲击载荷；冲击反力，如由流体冲击引起的反力等。（3）厚度附加量 厚度附加 C=C1+C2 (1-5)式中 C厚度附加量，mm； C1钢材厚度负偏差，mm； C2腐蚀裕量，mm。 其中钢材厚度负偏差C1是指钢板或钢管的厚度负偏差，其值按钢材标准的规定。当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可忽略不计。腐蚀裕量C2为防止球罐元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量，具体规定如下：对有腐蚀或磨损的元件，应根据预期的球罐寿命和物料对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量； 球罐
23、各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量； 腐蚀裕量取值不小于1mm。1.5.5许用应力 许用应力是根据材料各项强度性能分别除以标准中规定的安全系数来确定的。本标准所用材料的许用应力按第4章选取。确定许用应力的依据为：我国球罐钢材(螺栓材料外)许用应力按表1-1，螺栓材料许用应力按表1-2 表1-1 我国球罐钢材的许用应力材料许用应力取下列各值中的最小值，MPa碳素钢、低合金钢b3.0，s1.6，st1.6注:表中b钢材标准抗拉强度下限值，MPa；s钢材标准常温屈服点，MPa；st钢材在设计温度下的屈服点，MPa。表1-2螺栓材料许用应力材料螺栓直径,mm热处理状态许用应力，MPa碳素
24、钢M22热轧、正火st2.7M24M48st2.5低合金钢M22调 质st3.5M24M48st3.0M52st2.71.5.6焊接接头系数焊接接头系数是用来补偿元件焊接连接部分的强度削弱。焊接接头系数的大小与焊缝形式，焊接工艺及焊缝无损检测的严格程度有关。 双面焊全焊透对接接头的焊接接头系数按下列规定选择： 100%无损检测 =1.00； 局部无损检测 =0.85。1.5.7压力试验 （1）试验压力 压力试验的压力应符合设计图样的要求，试验压力的最低值按下述规定： 液压试验 PT=1.25Pt (1-6)式中 P设计压力，MPa； PT试验压力，MPa； 球壳材料在试验温度下的许用应力，MP
25、a； t球壳材料在设计温度下的许用应力，MPa。（2）压力试验前的应力校核 压力试验前，应按下列校核球壳应力： T=PT(Di+e)4e (1-7)式中 T试验压力下球壳的应力，MPa； PT试验压力，MPa； Di球壳内直径，mm； e球壳的有效厚度，mm。 T应满足下列条件：液压试验时，T0.9s式中 s球壳材料在试验温度下的屈服点，MPa； 球壳的焊接接头系数。液压试验后，符合下列条件为合格：无渗漏；无可见的变形；试验过程中无异常的响声；试验过程规定值下限大于等于540 MPa的材料，表面经无损检测抽查未发现裂纹。1.5.8气密性试验如果图样有要求，还应进行气密性试验。气密性试验应在压力
26、实验合格后进行。气密性试验是检验球罐严密性的重要手段。盛放毒性程度为极度和高度危害的物料，易燃的压缩气体或液化气体的球罐，应进行气密性试验。气密性试验时，升压速度应缓慢均匀，升压至试验压力的一半左右时停止升压，检查所有接管法兰处有无泄漏，在不漏的情况下继续缓慢升压至试验压力。保持压力15分钟，检查压力表有无降压，用肥皂水涂刷所有焊缝和接管法兰口检查有无泄漏。检查合格后降压。气密性实验的气体是氮气。介质为混合物时，应以介质组分并按毒性程度或易燃介质的划分原则，由设计单位的工艺设计或使用单位的生产技术部门提供介质毒性程度或是否属于易燃介质的依据，无法提供依据时，按毒性程度或爆炸危险程度最高的介质确
27、定。气密性试验压力按下式确定： PT=1.0P (1-8)式中 P设计压力，MPa； PT试验压力，MPa。2.材料选用 2.1球罐材料准则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。 球罐的设计温度低于或等于-20时，钢材还应符合附录A 的规定。 当对钢材有特殊要求时(如要求特殊冶炼方法、较高的冲击功指标、提高无损检测要求、增加力学性能检验率，考虑介质对钢材腐蚀的要求等)，设计单位应在图样或相应技术文件中注明。当设计温度高于2OO时，其许用应力值按GB 150 的规定。2
28、.2壳体用钢板（1）凡符合下列条件的钢板，应在正火状态下使用：球壳用钢板厚度大于 30 mm 的 20R 和16MnR； 厚度大于 16 mm 的 15MnVR； 任意厚度的 15MnVNR；其他受压元件(法兰、平盖等)用厚度大于50 mm 的20R 和16MnR。（2）符合下列条件的球壳用钢板，应逐张进行拉伸和夏比(V 型缺口)常温或低温冲击试验。调质状态供货的钢板；厚度大于60 mm 的钢板。（3）用于球壳的下列钢板，当球罐的设计温度和钢板厚度符合下列情况时，应每批取一张钢板进行夏比(V 型缺口)低温冲击试验。试验温度为球罐的设计温度或按图样的规定，试样取样方向为横向。设计温度低于0时，厚
29、度大于25 mm 的20R，厚度大于38 mm 的16MnR、15MnVR设计温度低于-10时，厚度大于12mm 的20R，厚度大于20 mm 的16MnR、15MnVR和15MnVNR。低温冲击功的指标根据钢板标准的抗拉强度下限值按附录 A 相应的规定。钢板的标准、使用状态及许用应力按表2-1的规定。表2-1 许用应力钢号钢板标准使用状态厚度,mm常温强度指标在下列温度（）下的许用应力，MPab MPas MPa2010015020020RGB6654热轧，正火616400245133133132123163640023513313212611636604002251331261191106
30、010039020512811511010316MnRGB6654热轧，正火616510345170170170170163640032516316316315936604703051571571571506010046028515315315014110012045027515015014713815MnVRGB6654热轧，正火6165303901771771771771636510370170170170170366049035016316316316315MnVNRGB6654正火61657044019019019019016365504201831831831833660530400
31、17717717717707MnCrMoVR调质165061049020320320320316MnDRGB3531正火616490315163163163156163647029515715715614736604502751501501471386010045025515014713812807MnNiCrMoVDR调质1650610490203203203203钢号钢板标准使用状态厚度,mm常温强度指标在下列温度（）下的许用应力，MPab MPas MPa2010015020009Mn2VDRGE353正火,正火加回火6164402901471471636430270143143该钢板技
32、术要求见GB150附录A“材料的补充规定”。注：中间温度的许用应力，可按本表的应力值用内插法求得。(4)球罐的设计温度低于或等于-20时，钢板的使用状态及最低冲击试验温度应符合表2-2的规定。表2-2 钢板的使用状态及最低冲击试验温度钢号使用状态厚度,mm最低冲击试验温度，16MnR热轧625-20正火612007MnCrMoVR调质1650-2016MnDR正火636-4036100-3007MnNiCrMoVR调质1650-4009Mn2VDR正火,正火加回火636-50(5) 凡符合下列条件的球壳用钢板，应逐张进行超声检测：厚度大于30 mm 的20R 和16MnR 钢板；厚度大于25
33、mm 的15MnVR 和15MnVNR 钢板；厚度大于20 mm 的16MnDR 和09Mn2VDR 钢板；调质状态供货的钢板；上下极板和与支柱连接的赤道板。钢板的超声检测应按 JB 4730 的规定，热轧、正火状态供货的钢板质量等级应不低于级，调质状态供货的钢板质量等级应不低于级。2.3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，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。锻件的标准及许用应力按表2-3的规定。当球罐的设计温度低于或等于-20时，锻件的热处理状态及最低冲击温度按
34、表2-4的规定。表2-3 锻件的标准及许用应力钢号锻件标准公称厚度，mm常温强度指标在下列温度（）下的许用应力，MPab MPasMPa2010015020020JB472610037021512311911310416MnJB472630045027515015014713520MnMoJB472630053037017717717717730050051035517017017017050070049034016316316316316MnDJB472730045027515015014713520MnMoDJB472730053037017717717717730050051035517
35、017017017050070049034016316316316308MnNiCrMoVDJB472730060048020020020020009Mn2VDJB4727200420260140140注：中间温度的许用应力值，可按本表的压力值用内插法求得。表2-4 锻件的热处理状态及最低冲击温度钢号热处理状态公称厚度，mm最低冲击试验温度，16MnD正火加回火，调质200-40200300-3009Mn2VD正火加回火，调质2005020MnMoD调质500-30500700-2008MnNiCrMoVD调质300-402.4钢管的选用钢管的标准及许用应力按表2-5的规定。15MnV、09M
36、n2VD和09MnD钢管应在正火状态下使用。当球罐的设计温度 -20时，钢管的使用状态及最低冲击试验温度应符合表2-6的规定。因尺寸限制无法制备5mm10mm55mm小尺寸冲击试样的钢管，免做冲击试验，各钢管的最低设计温度按表2-7的规定。表2-5 钢管的标准及许用应力钢号钢管标准壁厚，mm常温强度指标在下列温度（）下的许用应力，MPab MPasMPa2010015020010GB/T8163GB 9948GB 647910161617403353353353352052052051951121121121121121121121101081081081041011011019820GB/T8163GB 9948101639041024524513013713013713013212312320GGB 647916174041041024523513713713713213212612311616MnGB 647916174049049032031016316316316316316315915315MnVGB6479161740510510350340170170170160
