400m球罐设计毕业设计

江苏工业学院本科生毕业设计（论文）I400m3 丁烷球罐的设计摘要球罐 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，设计压力为 0.6MPa，其遵循的设计标准为：GB12337 1998钢制球形储罐；GB500941998球形储罐施工及验收规范； GB1501998钢制压力容器； 压力容器安全技术监察规程。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，从而确保球罐的安全性和可靠性。江苏工业学院本科生毕业设计（论文）II摘要 .I1 概论 .11.1 球罐的特点 .11.2 球罐的分类 .12 球罐的优化设计 .22.1 橘瓣式球罐 .22.2 混合式球罐 .32.3 总结 .33 材料的选用 .33.1 球罐的选材的基本原则 .33.1.1 钢材的力学性能 .43.1.2 经济性 .53.2 选材 .63.2.1 钢材 .63.2.2 焊接材料 .63.3 壳体用钢 .63.4 锻件用钢 .74 结构设计 .84.1 概况 .84.1.1 球罐的分类 .84.1.2 球罐的构造 .84.2 球壳的设计 .94.2.1 各种球罐的特点 .94.2.2 桔瓣式球罐的瓣片设计和计算 .114.2.3 坡口设计 .174.3 支座设计 .184.3.1 球罐支座的结构和特点 .184.3.2 拉杆的设计 .194.4 人孔和接管 .204.5 球罐的附件 .204.5.1 梯子平台 .204.5.2 水喷淋装置 .224.5.3 安全阀的设计 .235 强度计算 .245.1 设计条件 .255.2 球壳计算 .255.2.1 计算压力 .255.2.2 球壳各带得厚度计算 .275.3 球罐质量计算 .285.3.1 计算系数 .285.3.2 计算过程 .285.4 地震载荷的计算 .29江苏工业学院本科生毕业设计（论文）III5.4.1 自震周期 .295.4.2 地震力 .295.5 风载荷计算 .305.6 弯矩计算 .315.7 支柱计算 .315.7.1 单个支柱的垂直载荷 .315.7.2 组合载荷 .335.7.3 单个支柱弯矩 .335.7.4 支柱稳定性校核 .355.8 地脚螺栓计算 .375.8.1 拉杆作用在支柱上的水平力 .375.8.2 支柱底板与基础的摩擦力 .375.8.3 地脚螺栓 .375.9 支柱地板 .385.9.1 支柱底板直径 .395.9.2 底板厚度 .395.10 拉杆计算 .395.10.1 拉杆螺纹小径的计算 .395.10.2 拉杆连接部位的计算 .405.11 支柱与球壳连接最低点 a 的应力校核 .425.11.1 a 点的剪切应力 .425.11.2 a 点的纬向应力 .425.11.3 a 点的应力校核 .435.12 支柱与球壳连接焊缝的强度校核 .435.13 孔和开孔补强 .445.13.1 公称直径小于 100 的管口的开孔补强 .445.13.2 DN500 人孔 .445.13.3 DN100 开孔补强（平衡口、安全阀、储罐气出口） .465.13.4 DN150 开孔补强（备用口、放空口） .495.13.5 DN200 开孔补强（气体出口、入口） .516 工厂制造及现场组装 .536.1 工厂制造 .536.1.1 球壳板用钢板的验收 .536.1.2 对板壳的下料和成形 .546.2 现场组装 .547 焊接 .548 焊后热处理 .559 竣工检查 .559.1 压力试验 .559.1.1 液压试验 .559.1.2 气压试验 .569.2 气密性试验 .56江苏工业学院本科生毕业设计（论文）IV致谢 .57参考文献 .58江苏工业学院本科生毕业设计（论文）第 1 页,共 58 页1 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： （1） 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。（2） 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（3） 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。（4） 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。江苏工业学院本科生毕业设计（论文）第 2 页,共 58 页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： mRlcp 4.23609151所以 16 条焊接接头的长度为：ll .7584.212对赤道带共分为 16 块球壳板球壳板的对接接头长度： mRlcp 9.03609523 所以 16 条焊接接头的长度为：ll 6.285134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： Rlcp 28430sin9140sin25 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： mRlcp 3.5419360951 江苏工业学院本科生毕业设计（论文）第 3 页,共 58 页所以 12 条焊接接头的长度为：mll 6.5031.49162赤道带和极带之间的两条环焊接接头的长度为：mRlcp 4.80637.cos2os13 极带共分七块，极带之间的两条环焊接接头的长度为：.3498.04.652.57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sb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。62CF10UF6（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。GB 228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。（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 02时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点GB 228 中给出了试江苏工业学院本科生毕业设计（论文）第 4 页,共 58 页验方法。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bs/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bs/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。bs/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。（1） 碳当量 egC国际焊接学会（W ）推荐用于低合金结构钢的碳当量计算公式：%1454026VMoCrNiSMneg 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egC0.40。（2） 裂纹敏感性指数 CP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 。C %60510260230Pc HBVMorNiuMnSi 式中： m钢 板 厚 度 ，。gLH1焊 缝 中 含 氢 量 ，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5.c 3.Pc江苏工业学院本科生毕业设计（论文）第 5 页,共 58 页考虑预热影响）。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Pc经验关系为：392140CT式中：T为防止 Y 形坡口拘束试验产生裂纹的预热温度，（3） 裂纹敏感系数 cm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，P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 。cmP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。cmP%510260230Cc BVMoCrNiuMnSi 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SH2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SH2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 GB 12337 标准规定，主要有 20R、16MnR、15MnNbR、07MnCrMoVR 、 16MnDR、09MnNiDR 7 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- 江苏工业学院本