吉林化工學院畢業設計（說明書）PAGEPAGE16目錄前言 1第1章概論 21.1球罐的特點 21.2球罐分類 21.2.1按儲藏溫度 21.2.2按結構形式分類 21.3球罐的建造歷史 3第2章材料的選用 42.1球罐的選材準則 42.1.1鋼材的力學性能 42.1.2經濟性 52.2選材 52.2.1鋼板 62.3殼體用鋼板 62.3.1力學性能及工藝性能 62.4鍛件用鋼 7第3章結構設計 83.1概況 83.2球殼的設計 103.2.1各種球罐的特點 103.2.2混合式球罐的瓣片設計和計算 123.2.3坡口設計 173.3.1赤道正切柱式支座設計 183.3.2赤道正切柱式支柱結構 193.3.3拉桿結構 203.4人孔和接管 213.4.1人孔結構 213.4.2接管結構 213.5球罐的附件 213.5.1梯子平臺 213.5.2水噴淋裝置 233.5.3保冷設施 243.5.4附件 243.6球罐對基礎的要求 25第4章強度計算 264.1設計條件 264.2球殼計算 274.3球罐的質量計算 274.4地震載荷計算 284.4.1自振周期 284.4.2地震力 294.5風載荷計算 294.6彎距計算 294.7支柱的計算 304.7.1單個支柱的垂直載荷 304.7.2組合載荷 304.7.3單個支柱彎距 314.8地腳螺栓計算 334.9支柱底板 334.9.1支柱底板直徑 334.9.2底板厚度 344.10拉桿計算 344.10.1拉桿載荷計算 344.10.2拉桿連接部位的計算 344.10.3翼板的厚度 354.10.4焊縫強度驗算 354.11支柱與球殼連接最低點a的應力校核 354.11.1a點的應力 354.11.2a點的應力校核 364.12支柱與球殼連接焊縫的強度校核 364.13開孔補強計算 37第5章工廠制造及現場組裝 385.1工廠制造 385.1.1原材料檢驗 385.1.2瓣片加工 385.2現場組裝 395.3組裝方案及準備 395.5組裝精度的控制 39第6章焊接 406.1焊接工藝的確定 406.2焊后熱處理 40第7章檢查 427.1支柱尺寸精度檢查 427.2竣工檢查 427.3氣密性試驗 437.4開罐檢查 43致謝 44參考文獻 45前言乙烯被稱為“石化工業之母”，乙烯的生產能力往往被看作是一個國家經濟實力的體現。以乙烯為龍頭的石油化工工業在國民經濟和社會發展中占有重要地位，能夠引導、帶動其他相關產業乃至整個國民經濟的發展，具有較強的支撐、輻射和帶動作用。美國、西歐、日本等發達國家和一些發展中國家和地區，在經濟起飛階段，無不把石油化工工業作為支柱產業加快發展。乙烯的發展必然促進乙烯裝備的發展。隨著世界各國的綜合國力和科學技術水平的提高，球形儲罐的制造水平也正在高速發展。近年來，我國在石油化工、合成氨、城市燃氣的建設中，大型化球罐得到了廣泛的應用。球罐作為一種工業使用儲存介質的壓力容器，是開始于上世紀二三十年代。但是在半個多世紀的發展，球罐已經成為一種有效的，經濟的壓力容器而廣泛的應用。在世界上美國是最早使用球罐的國家，早在1910年美國建造了世界上第一臺工業用球罐，至今全世界在役各類工業用球罐已有大約60000余臺。中國在1958年建成第一臺600m3壓縮空氣球罐，至1999年的近40余年里已建成在役各類工業用球罐4000余臺，約占世界總數的6%。目前世界各國建造球罐主要廠商約有50余家，每年建造工業球罐700～800臺，中國具有制造球罐能力的廠商現有20余家，每年建造各種工業球罐200～250余臺，約占世界球罐建造增長量的30%左右。本課題的設計是基于國內外球罐的結構形式進行的，球罐材料選用我國自行研制的國產CF-62鋼，即低焊接裂紋敏感性鋼，它除具有良好的焊接性能外，還具有較好的低溫韌性。球罐造價大大降低。這種鋼材也處于世界領先水平。但在本次設計中由于作者水平有限，時間較短，所以難免會出現漏洞和不足，望指正。第1章概論1.1球罐的特點球罐是生產實際中應用比較廣泛的壓力容器。與圓筒形儲罐相比，球罐的優點是：（1）當二者容積相同時，其表面積最小；（2）當壓力和直徑相同時，其壁厚僅為圓筒形罐的一半左右；當直徑和壁厚相同時，其承壓能力約為圓筒形罐的兩倍，因而它可大量節省鋼材，減少占地面積，適于制造中壓容器。但另一方面，球罐殼體為雙向曲面，現場組裝比較困難，勞動條件差，對焊工的技術要球罐高，制造成本高。球罐主要用于儲存液化石油氣、丙烷、丙烯、丁烯及其他低沸點石油化工原料和產品。在煉油廠、石油化工廠、城市燃氣供應部門都有廣泛應用。1.2球罐分類1.2.1按儲藏溫度球罐一般用于常溫或低溫，只有極個別場合，如造紙工業用的蒸煮球罐，使用溫度高于常溫。常溫球罐如液化石油氣（LNG）、氨、煤氣、氧等球罐。一般說這類球罐的壓力較高，取決于液化氣的飽和蒸汽壓或壓縮機的出口壓力。常溫球罐的設計溫度大于-20℃。低溫球罐這類球罐的設計溫度低于或等于-20℃，一般不低于-100℃。深冷球罐設計溫度-100℃以下，往往在介質液化點以下儲存，壓力不高，有時為常壓。由于對保冷要球罐高，常采用雙層球殼。目前國內使用的球罐，設計溫度一般在-40℃~501.2.2按結構形式分類按形狀分有圓球形、橢球形、水滴形或上述幾種形式的混合。圓球形按分瓣方式有橘瓣式、足球瓣式、混合式三種。圓球形按支撐方式分有支柱式、裙座式兩大類。1.3球罐的建造歷史截至2005年底，世界煉油能力42.6億t/a，其中北美、亞太和西歐地區分別占24%、26%和18%；世界乙烯生產能力1.2億t/a，其中北美占世界總能力的30%，亞太和西歐地區分別占27%和21%。亞太地區的五大通用合成樹脂、合成化纖和合成橡膠的產量已超過北美，居世界第一位。未來五年，中東和包括中國在內的亞太地區將是全球煉油和石化產能增長最快的地區，亞洲將成為世界最大的石化市場。據初步預測，到2010年我國需新增80萬～100萬噸級乙烯成套裝置約8套，到2020年需再新增約9套。而建設1套百萬噸級大型乙烯成套裝置，總投資一般在200億元以上。在乙烯建設項目中，設備成本占總投資的30%左右，每套大型乙烯設備成本將達到70億元左右，因此"十一五"期間將有560億元左右的設備市場需球罐，"十二五"期間將有630億元的設備市場需球罐。目前，我國已經獲批建設的大型乙烯項目主要有：浙江鎮海石化100萬噸/年乙烯工程，總投資215億元，2009年建成；福建泉州80萬噸/年乙烯工程，總投資266億元，2008年建成；天津石化100萬噸/年乙烯工程，總投資201億元，2008年建成；四川成都80萬噸/年乙烯工程，總投資210億元，2010年建成；蘭州60萬噸/年乙烯改造工程，總投資63億元，2006年建成；新疆獨山子石化100萬噸/年乙烯工程，總投資262億元，2008年建成。另外，正在做前期準備的乙烯項目有廣州石化80萬噸/年乙烯工程、撫順石化80萬噸/年乙烯工程、武漢石化80萬噸/年乙烯工程、大連80萬噸/年乙烯工程等。第2章材料的選用2.1球罐的選材準則球罐是壓力容器的一種結構形式，因而在選擇的材"料的基本要球罐方面與壓力容器相同，球罐用鋼的選擇原則是在滿足強度的前提下，應保證有良好的成型性，優良的焊接性能、足夠好的缺口韌性值和長期可靠的使用性能，球罐用鋼是球罐制造和設計的主要參數，對其質量優劣具有舉足輕重的影響。目前球罐的使用場合基本上屬于低溫和常溫，合理重點介紹常溫球罐用的材料的選材標準。2.1.1鋼材的力學性能1．抗拉強度抗拉強度是材料的主要強度指標之一，它是材料在拉伸受力過程中，從開始加載至斷裂所能承受的最大應力，是決定材料許用應力的主要依據之一。GB228《金屬抗拉伸試驗方法》中給出了抗拉強度的定義和試驗方法。2．屈服點屈服點是指呈現屈服現象的金屬材料，在所加外載荷不再增加(保持恒定)，而材料仍繼續伸長變形時所對應的應力。對于在壓力容器行業中通常使用的材料，規定以殘余伸長率0．2％時的應力作為決定材料許用應力時的屈服點．GB228中給出了試驗方法。工程上常用屈強比，／作為壓力容器用鋼安全可靠性的參考指標。對于依據彈性準則設計的壓力容器元件，它表示承載能力的裕度。＝1時，屬極端情況，這時任伺微小的超載都會導致元件的失效斷裂，因而不能用來制造壓力容器．當小于0.6時。雖然超載能力大，安全可靠性增大，但鋼材的利用率降低。3．剛性剛性是結構抗彎曲和翹曲的能力，是度量構件在彈性范圍內受力時變形大小因素之一，它與鋼材彈性模量和結構元件的截面形狀(截面慣性矩)有關。彈性模量是鋼材在彈性極限內應力與應變的比值。4．韌性韌性用來衡量材料的抗裂紋擴張的能力。由于韌性指標繁多，因試驗方法不同而不能統一。目前各國均以夏比V形缺口沖擊試驗的吸收能量(Akv)來衡量，以期達到簡單方便的目的。沖擊(吸收)功，即具有一定形狀尺寸的金屬試樣在沖擊載荷下折斷時所吸收的功，單位為焦耳(J)。在球罐設計時應注意這一問題，必要時應參考鋼材的沖擊載荷—變形曲線(P-曲線)來選擇鋼材。5．可焊性球罐用材料對可焊性要球罐比通常的壓力容器用材料要球罐更高，大量的雙曲面對接焊，并處于高空全位置(平焊、仰焊、橫焊、立焊)焊接，絕大部分屑于隱蔽：工作面，因而在材料的選擇上就要嚴格考慮可焊性。常用的標準規范用于評價高強度鋼的可焊性和對接焊裂紋敏感性，一般采用鋼板的碳當量Ceq和裂紋敏感性指數Pc來進行。碳當量Ceq國際焊接學會(ⅡW)推薦用于低合金結構鋼的碳當量計算公式：（%）一般要球罐屈服限為490MPa級的低合金高強鋼Ceq的控制在≤O.45，說明可焊性良好。國外有些標準，按鋼板的強度級別和不同熱處理情況來提供Ceq。但大量研究結果表明，以此判斷裂紋出現的可能性還不夠完全，因而將拘束度(材料厚度)和開裂性(焊縫中氫的含量)的因素考慮在內，則裂紋敏感性指數Pc的計算公式：（%）式中h鋼板的厚度，mm；H焊縫中氫含量，mL/100g。大量的試驗說明當Pc>0.35時，裂紋產生的幾率就大；當Pc≤0.30時，裂紋發生的幾率就小。2.1.2經濟性對球罐用鋼提出了各種要球罐，勢必在經濟上增加了成本。在球形罐用鋼的選擇上。經擠指標是要重點考慮的，因為鋼材的價格在整個球罐的投資上占了相當的比例。作為一個優秀的設計工作者，對于材料的選用應作全面考慮，恰當地選用合適的材料．如果認為選材要球罐越高越好的話，則造成優材劣用的設計絕不是一個好的設計方案。對材料要球罐不合適地提高，不但增加了材料的成本。也導致整個施工價格的上升，是一種極大的浪費。在設計選材時，必須著眼于確保安全健用．又要經濟合理。2.2選材球罐材料不僅按其儲存物料的性質．壓力，溫度等因素選定具有足夠強度的材料，而且還應考慮到所選材料應具有良好的焊接性能和加工性能，同時還應考慮材料的供給可靠性及經濟性等。2.2.1鋼板球罐用鋼板國外有兩條選材原則：歐洲國家廣泛采用屈服極限294--441MPa級的中強鋼。屬于Mn-Si、Mn-V，Mn-Nb和Mn-Ni-v系鋼，厚度不加控制。當厚度超過規定的界限時。兩種選材原則各有其優缺點。國內研制的490MpaWCF62鋼(低焊接裂紋敏感性的鋼種)．這鋼號為07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR及16MnR(WH5l0)、15MnNbR<WH530)和BP46ON，已用于工程，主要用于建造氧氣球罐和低溫罐．使球罐用材方面增加了很大的選擇性．拓寬了球罐的應用領域，為我國的球罐大型化奠定了基礎。2.焊接材料隨著球建造的不斷進步，在施工現場手工電弧焊焊接球罐的傳統工藝受到挑戰。近五年來在引進裝備的基礎上，用氣體保護自動焊代替于工焊的逐漸增多，因此GBl2337對氣體保護自動焊焊絲的要球罐予以規定。2.3殼體用鋼板2.3.1力學性能及工藝性能鋼號交貨狀態鋼板厚度mm拉伸實驗沖擊實驗冷彎實驗抗拉強度MPa屈服點MPa伸長率%溫度℃V形沖擊功AkvB=2a1800不小于不小于低溫低合金鋼鋼板16MnDR正火或正火+回火6-16>16-36>36-60>60-100490-620470-600450-580450-58031529527525521-40-3024D=3a07MnNiCrMoVDR調制16-50610-74049017-4047D=3a09Mn2VDR正火或正火+回火6-16440-57029022-5027D=2a>16-36420-560270注：表中b為寬度；a為鋼材厚度；d為彎心直徑。2.3.2許用應力鋼號鋼板標準使用狀態厚度常溫強度在下列溫度下的許用應力MPaMPa2010015020016MnDRGB3531正火6-16490３１５163163163156>16-36>36-60470450２９５２７５157150157150156147147138>60-100450２５５15014713812807MnNiCrMoVDR調質16-5061049020320320320309Mn2VDRGE353正火+回火6-16440290147147>16-36430270143143總上所述，本課題球罐材料選用我國自行研制的國產CF-62鋼，即低焊接裂紋敏感性鋼，它除具有良好的焊接性能外，還具有較好的低溫韌性。CF-62鋼(即07MnNiCrMoVDR)是綜合性能較高的新一代高強度鋼。國產CF-62鋼板保證值為:－40℃，三個標準試樣低溫沖擊功平均值Akv≥47J，單個值≥33J。國產CF-62鋼板具有較低的焊接裂紋敏感性組成(Pcm≤0.21)，所需預熱溫度較低，焊接施工環境可得到明顯改善，采用國產CF-62鋼板，球罐造價大大降低。這種鋼材也處于世界領先水平。2.4鍛件用鋼球罐的人孔、接管往往采用鍛件。人孔結構采用鍛件可避免補強結構。接管采用鍛件，增大自身補強，達到減少應力突變的目的。人孔鍛件級別不應低于Ⅲ級。人孔鍛件材料選用時，必須考慮其力學性能不低干球殼板材料的力學性能，且可焊性良好，經消除應力退火后，強度和韌性沒有明顯下降。鍛件采用08MnNiCrMoVDR。第3章結構設計3.1概況球罐的結構型式是多種多樣的．根據不同的使用條件（介質．容量、壓力．溫度)，使用不同的材料，球罐的設計和制造水平的差異，有不同的結構型式。我國現行使用的球罐，多以球殼扳的組合方案不同分為橘瓣式和足球瓣與橘瓣組成的混合式兩種，以拉桿形式不同分為可調式和固定式兩種。按GBl2337《鋼制球形儲罐》規定，球罐和支柱各部分名稱如圖3—1和圖3—2所示：球罐的結構并不復雜，但它的制造和安裝較之其他形式儲罐困難，主要原因是它的殼體為空間曲面。壓制成型、安裝組對及現場焊接難度較大。而且，由于球罐絕大多數是壓力容器，它盛裝的物料又大部分是易燃，易爆物．且裝載量大，一旦發生事故，后果不堪設想。國內外球罐的事故事例很多。有些造成重大的人身財產損失。查其事故原因，除了操作和安裝失誤之外，結構設計不盡合理也是原因之一。因此，球罐結構設計要圍繞如何保證安全可靠而實施。球罐結構的合理設計必須考慮多種因素：盛裝物料的性質、設汁溫度和壓力，材質、制造裝備和技術水平、安裝方法，焊接和檢驗要求、操作方便可靠性．自然環境的影響(風載荷，地震載荷作用，大氣的自然腐蝕)等。要做到滿足各項藝要求，具有足夠的強度和穩定性，結構盡可能簡單和檢修實施容易。球罐的結構設計應包括如下的內容：(1)根據工藝參數的要求確定球罐結構的類型及幾何尺；(2)確定球殼的排板方法(分帶、分片)；(3)確定球殼板的幾何尺寸；(4)支撐結構的確定：(5)人孔和工藝接管的選定、布置以及開孔補強的設計；(6)球罐的附件，如內外盤旋梯、爬梯、平臺的設計；(7)有要求時，對保冷結構設汁；(8)劉基礎的技術要求；(9)有要求時，對防地震、防雷的設計等3.2球殼的設計球殼是球罐的主體，它是儲存物料和承受物料工作壓力和液柱壓力的構件。球殼幾何尺寸較大，用材量大，它必須由許多瓣片組成．球殼設計要按照如下的設計準則進行：(1)必須滿足所儲存物料在容量、壓力、溫度方面要求，且安全可靠；(2)受力狀況最佳；(3)考慮瓣片加工機械(油壓機或水壓機)的跨度大小，運箱條件的可能，盡量采用大的瓣片結構，使焊縫長度最小，減少安裝工作量，(4)考慮鋼板的規格，增強球殼板的互換性，盡量提高板材的利用率。國內自行設計、制造、組裝焊接的球罐多為橘瓣式和混合式排板組成的球殼。其基本結構參照G/T17261。3.2.1各種球罐的特點1.橘瓣式球殼的設計橘瓣式球殼組裝焊縫較為規則．施工簡便。多數采用偶數支柱．分塊分帶對稱，因此組裝應力及焊接內應力較均勻，較易保證球罐質量。當球殼按等強度設計，用不同的分帶去承受不同液柱高度的附加壓力時，產生不等厚的球片結構。橘瓣式結構較靈活，按照原材料的大小及壓機跨度的尺寸，可設計成不同球心夾角的分帶和分塊，以滿足結構和制造工藝的要求。橘瓣式結構適用于任何大小球罐，是世界各國普遍采用的結構。2.混合式球殼的設計混合式球殼，其赤道帶和溫帶采用橘瓣式，極板采用足球瓣式。由于此種結構取橘瓣式和足球瓣式兩種結構形式的優點，所以材料利用率高，焊縫長度縮短，球殼扳數量減少，適合大型球罐。隨著我國石油、化工、城市煤氣等工業的迅速發展，國內曾引進了許多混合式結構的大型球罐，通過對引進球罐的消化、吸收，開發研究、施工、撿測，已基本掌握了這種結構形式的設計、制邊、組裝和焊接技術。大型球罐一般均采用了這種混合排板的形式。3.橘瓣式和混合式球殼結構形式球殼的具體的分帶和分塊數量參照GB／T17261。(1)橘瓣式見圖3-3和圖3-7(2)混合式見圖3—8一圖3—104.足球瓣式和足球橘瓣混合式球殼足球瓣式球殼(見圖3-4)其優點是：球瓣的結構尺寸相同或者相近。制造另片(下料)較簡單。省料。其缺點是：①焊接縫交接處有Y型或T型焊縫，焊接難度較大，質量較難保證；②可能有部分支柱會搭在球殼的橫焊縫上，造成該處焊接應力較復雜，=3\*GB3③組裝較困難(與純橘瓣相比較)。足球橘瓣混合式球殼(見圖3-5)結構特點是：球體赤道帶的球瓣按橘瓣式分割，上，下極帶采用與赤道球瓣近似的尺寸分割成3塊，上、下溫帶采用足球式球瓣(每帶四塊)，五帶拼裝成球體。圖3-4足球瓣式球殼圖3-5足球橘瓣混合式球殼總上所述，雖然混合式排版組裝校正比較麻煩，對于焊接質量要求嚴格，但是由于以上顯著的優越性，這次設計才用足球橘瓣混合式球殼3.2.2混合式球罐的瓣片設計和計算1．符號說明R—球罐半徑mm；R=7100N一赤道帶分瓣數，N=16—赤道帶周向球心角， =22.5(o)0--赤道帶球心角，0=67.5(o)；1—極中板球心角，1=22.5(o)；2--極側扳球心角，2=22.5(o)；3--極邊板球心角，3=22.5(o)；其他符號按下面各圖中標示。2．赤道板(見圖3—6)尺寸圖3—6弧長==弦長弧長弦長弧長弦長弦長=14200=8218.84mm弧長=8760.453.極板尺寸計算弧長=7197.76弦長=弧長=10749.26弧長弦長對角線弦長與弧長的最大間距：H=39極中板尺寸計算弧長弦長弧長弦長弦長弧長弦長弧長對角線弦長與弧長的最大間距:A=弦長弧長（2）極側板尺寸計算弦長弧長弦長弧長=7197.76弧長弦長弦長弧長弦長弧長式中A、H—同上；4.極邊板尺寸計算弧長弦長弦長弧長=7197.76弧長弦長弧長=弦長弧長弦長弧長弧長=8201.38弦長式中：=3.2.3坡口設計球殼都是由球片焊接而成的，因此焊接坡口的設計是保證球罐質量的重要環節。坡口設計的原則是：便于施工、便于檢驗，焊縫有足夠的強度又經濟合理。目前，國內。外球罐的焊縫系數都趨向于采用＝1．因此坡口的設計就更為重要。坡口設計的影響因素：（1）與采用的焊接方法有關當用手工焊時，采用不材稱X形坡口或Y形(V形)坡口；當用自動焊。半自動焊或氣電垂直自動焊時，按所用焊機情況選定適當形式坡口。（2）與球殼鋼板的厚度有關采用手工焊，當鋼板厚度小于20mm時．一般采用Y形(V形)坡口；當鋼板厚度大于20mm)時，一般采用X形坡口(不對稱或對稱)。為了減少仰焊，也有墅厚38mm時也采用Y形坡門，但它的立足點是要反面刨坡口，然后再焊，其實質也是不對稱x形坡口。（3）與焊縫所在球殼的部位(即焊工操作位置)有關當采用手工焊焊接不對稱x形坡口時，一般適宜于把上溫帶(包括上寒帶)，上極板的縱縫及赤道帶上環縫以上的所有環縫的大坡口放在內側，小坡口在外側；反之，把赤道帶、下溫帶(包括下寒帶)和下極板的縱縫及赤道帶下環縫以下的所有環縫的大坡口放在外側。(4)與焊接工藝有關坡口的設計就是確定坡口結構的三個要素，即角度(包括角度誤差)、間隙(包括間隙誤差)及鈍邊尺寸大小(包括誤差)。圖3-9為一種球罐上采用的Y形(V形)坡門和不對稱X形坡門的結構形狀及尺寸。在本次的坡口設計參照下列表標準進行：GB985--1988《氣焊、手工電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式及尺寸》GB986—1988(埋孤焊焊縫坡口的摹本形式及尺寸》JB／T47092000《鋼制壓力容器焊接規程》等。圖3-9總結引進的球罐的坡口結構發現，絕大多數球罐的坡口為不對稱X形。3.3支座設計球罐支座是球罐中用以支撐本體質量和儲存物料質量的結構部件。為了對付各種影響因素，結構形式比較多，設計計算也比較復雜。支撐主要可分成柱式支撐和裙式支撐。此外，還有V形柱式支撐、三樁合一形柱式支撐，裙式支撐<包括圃筒形裙式支撐和錐形裙式支撐)、錐底支撐(也是裙式支撐)、鋼筋混凝土連續基礎支撐，半埋式支撐、高架式支撐(也有柱式和裙式之分)、可脹縮的支撐(柱式支撐的變種)。3.3.1赤道正切柱式支座設計(1)赤道正切柱式支座必須能夠承受作用于球罐的各種載荷(靜載荷包括殼體及附件重量、儲存物料重量；動載荷包括風載荷和地震載荷)，支柱構件要有足夠的強度和穩定性。(2)支柱與球殼連接部分既要能充分地傳遞應力,又要求局部應力水平盡量低，因此焊縫必須有足夠的焊接長度和強度，井要采取措施減少應力集中。(3)支柱是舌能經受由于焊后整體熱處理或冷縮熱脹而造成的徑向浮動，這種浮動是短暫的還是經常的呢？要分情況加以對付。(4)支柱上部柱頭是否需要與殼體采用同樣材質?由于相當數量的球罐用于儲存低溫物料，低溫球罐要求球殼材質能耐低溫，因而同樣要求柱頭也采用耐低溫材料。因此，赤道正切柱式支柱就有分段結構問題。如果不是特殊材質的球罐，則可采用不同材質制造支柱的上柱頭及球殼。3.3.2赤道正切柱式支柱結構結構特點是：球殼由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置，與球殼相切或近乎相切(相割)而焊接起來。支柱結構支柱由圓管，底板，端板三部分組成，分單段式及雙段式兩種。支柱與球殼的連接主要分為有墊板和無墊板兩種結構，本次設計也采用無墊板設計。支柱與球殼連接端部結構。分為平板式及半球式兩種。半球式受力較合理．抗拉斷能力較強。平板式結構造成邊角的高應力狀態，結構不合理。支柱與球殼連接的下部結構，分為直接連接和有托板連接兩種。有托板結構，可以改善支撐和焊接條件，便于焊縫檢驗．本球罐設計采用有有托板結構。其結構圖如下：圖3-11無補強板平扳頂有托板結構的柱頭1—端板，2一托板：3一支柱：4一球片支柱的防火安全結構主要是在支柱上設置肪火層及易熔塞結構。對于高度為1m以上的支柱，用厚度50mm以上的耐熱混疑上或具有相當性能的不然性絕熱材料覆蓋。對于液化石油氣或易燃性液化氣球罐更為必要。這種防火隔熱層的設置見圖3—12。防火隔熱層不應發生干裂，其耐火性必須在1h以上。圖3—12支柱防火隔熱結構1--支柱壁，2一防火隔熱層，3一易熔塞接管4—防火層夾子，5一易熔塞，6一螺母3.3.3拉桿結構拉桿是作為承受風載荷及地震載荷的部件，增加球罐的穩定性而設置．拉桿結構可分為可調式和固定式兩種。目前，國內自行建造的球罐和引進球罐的大部分采用可調式拉桿。本球罐的支承結構采用單層可調式拉桿結構，如圖（3-13）圖3—13單層交叉可調式拉桿1一支柱，2一支耳，3一長拉桿，4—調節螺母，5一短拉桿3.4人孔和接管3.4.1人孔結構通常球罐上應設有兩個人孔。人孔與球殼相焊部分應選用與球殼相同或相當的材質。補強可采用整體鍛件凸緣補強及補強板補強兩種。本球罐設計中上下人孔選擇DN500的回轉蓋結構如圖（15）所示：圖15回轉蓋及水平吊蓋3.4.2接管結構由于工藝操作需要有各種接管，球罐接管部分是強度的薄弱環節，國內較多事故都是從接管焊接處發生的。為了提高該處安全性．國外制造的球罐采用厚壁管或整體鍛件凸緣等補強措施，以及在接管上加焊筋殺支撐等辦法宋提高剛度和耐疲勞性能，在本球罐的設計中接管的尺寸分別是DN25，DN40，DN150，所有接管均進行補強，并對與DN25以上的接管均采用整體凸緣補強。3.5球罐的附件3.5.1梯子平臺1．概述球罐外部設有頂部平臺．中間平臺以及為了從地面進入這些平臺的斜梯、直梯或盤梯，由于球罐的工藝接管及人孔絕大部分都設置在上極板處。頂部平臺即作為工藝操作用的平臺．中間平臺的設置是為了操作人員上下頂部平臺時中間休息，或者是作為檢查球罐赤道部位外部情況用的。球罐的梯廣和平臺結構往往與球罐的數量(單個或多個)。大型球罐，—般采用每一臺球罐一個單獨的梯子。2．近似球面螺線形盤梯的設計計算(1)R1的計算一假想圓球的半徑；R一球罐的內半徑；—球甲壁板厚度，t—梯子或頂平臺板與球面最小距離。取=42；R=7100；t=200=7100+42+200=7342mm(2)的計算頂平臺最大半徑—一頂平臺板厚度；b1——梯子側板寬。取=5mm，b1=180mm，式中R2頂部平臺半徑。（4）Z1的計算（5）r的計算r==3702.858mmr—盤梯中心回轉半徑；b—梯子寬度（包括測板寬度）。（6）的計算=3995.14mm--盤梯圓柱中心軸線與球心的距離X0在坐標中的值為負。（7）的計算=1000m3.5.2水噴淋裝置1．概述球罐上裝設水噴淋裝置是為了內盛的液化石油氣，可燃性氣體及毒性氣體(氯、氨除外)的隔熱需要，同時也可起消防的保護作用．但是，隔熱和消防保護有不同的要求，一般淋水裝置的構造為環形冷卻水管或導流式淋水裝置。2．淋水管的設計淋水管原則上要求采用鍍鋅水管或具有同等以上耐熱性，耐腐蝕性及強度的鋼管。淋水管的灑水孔口徑為4mm以上。以防止水垢，灰塵堵塞灑水孔。淋水環形管灑水孔的個數按下式確定：灑水環行管的設計計算：球罐直徑：=14200壁厚t=42mm設計壓力P=2.16MPa灑水量Q=10L/min.m2水壓：0.1MPa所需灑水量球罐外表面：所需灑水量：Q=647.81×10=6478.1L/min灑水管的口徑水流速：V=2m/s=120m/min所需管徑：（3）灑水孔數：個3.5.3保冷設施本球罐設計采用聚氨基甲酸乙酯做保溫層，其性能參數如下：3.5.4附件貯存液體和液化氣球罐中應裝液面計。目前，球罐中采用的液面計主要有浮子—齒帶液面計(又稱浮子—鋼帶液面計)和玻璃板式液面計兩種。本設計采用浮子—齒帶液面計。為了測量容器內壓力，球罐應設置壓力表。考慮到壓力表由于某種原因而發生故障或由于儀表檢驗而取出等情況。應在球殼的上部和下部各設一個以上的壓力表。壓力表的最大刻度為正常運轉壓力的1．5倍以上(不要超過三倍)。為使壓力表讀數盡可能正確，壓力表的表面直徑應大寸150mm。壓力表前應安裝截止閥，以便在儀表標校時可以取下壓力表。1．安全閥的種類、數量及可設置的位置為防止球罐運轉異常造成內壓超過設計壓力。應在氣相部分設置一個以上的安全閥，以便及時排出部分氣相物料。自動地將內壓回復到設計壓力以下。同時，在氣相部分還要設置一個以上的輔助的火災安全閥，使得由于火災而使罐內物料溫度及壓力上升時，能自動發生作用，排泄物料，確保球罐不超壓。安全閥的型式通常采用直接載荷彈簧式。2.泄放壓力（1）安全閥開啟壓力，=1.88MPa為球罐的工作壓力，取開啟壓力為2.0Mpa。3.安全閥的排泄量介質為易燃液化氣體或位于在有可能發生火災的環境下工作時的非易燃液化氣體，有完善的絕熱保溫層時，q為乙烯的潛熱q=278000KJ/kg為常溫下絕熱材料的熱導率，KJ/（m.h.℃）；為保溫層厚度，m；㎡安全閥的排氣能力G為安全閥的排泄能力，㎏/hK為排放系數，對于全啟式K=0.6；=2.0為安全閥的排放壓力，A為安全閥最小排氣截面積，M為氣體的摩爾質量，M=28T為氣體的溫度，T=253KZ為氣體在操作溫度壓力下的壓縮系數，Z=0.6C為氣體特性系數，C=330；1196830=A××0.6×2.0×330A=98.28c㎡全啟式，即，;98.28=,=111.9m㎡安全閥選擇A44Y-40，公稱壓力=4，DN=150㎜，強度實驗壓力6。3.6球罐對基礎的要求球罐的基礎用于支撐球罐本體、附件及操作介質和水壓試驗時水的重量。一般采用鋼筋混凝土結構。球罐基礎主要是承受靜載荷的作用。由于土壤的土質構造不同會產生不均勻沉降問題，這是—般靜設備的基礎都共有的基本問題。(1)日前絕大多數球罐都是采用赤道正切柱式支撐，支撐作用點集中在數量不多的支柱底板處。—般球罐容積比較大，而且容器做水壓試驗時重量較大。分配在每根支柱上的重量也是很大的。(2)球罐體積大，一般都要在現場組焊成球，現場的組裝基準是從基礎上找的，因此，球罐的基礎精廈要求比較高。(3)球罐采用柱式支撐，當地基發生局部下陷的時候，將會引起支柱載荷不均勻。有資料介紹，在1mm不均勻下沉的情況下，一跟支柱就要產生比其他支柱高10％左右的應力。為了盡可能達到均勻下沉。應把基礎設計成耐扭曲的環形基礎。另外，對設置在地震區的球罐采用環形基礎也是必要的。第4章強度計算4.1設計條件1500m3設計壓力：P=2.16Mpa操作壓力：1.88Mpa介質密度：Kg/m32=432.7腐蝕裕量：/mm1.5焊接接頭系數：1.0充裝系數k：K=0.9地震設防烈度/度7基本風壓/N.m-2450基本雪壓//N.m-2750支柱數目n=8球殼內直徑/mmD=14200支柱底板面至球罐中心/mm8800水壓實驗壓力/Mpa=3.24氣壓實驗壓力/Mpa2.3807MnCrMoVR的許用應力[]t=203Mpa4.2球殼計算液柱的高度H：H=K1R=1.6084×7100=11419.64mm；液體的凈壓力P=11419.640.048Mpa計算壓力：Mpa球罐的壁厚：mm對于07MnCrMoVR取負偏差mm，（設備設計），C=2mm設計厚度C=39.75mm，圓整后可取=42mm。4.3球罐的質量計算球殼平均直徑：DCP=14200+42=14242mm；球殼材料密度：1=7850Kg/m3充裝系數：K=0.9水的密度：3=1000㎏/m3球外殼直徑：D0=14284mm基本雪壓值：q=750/N.m-2球面積雪系數：=0.4球殼質量m1==3.14×14242×42×7850×10-9=2.100×105㎏。物料質量：m2=×K=×142003×432.7×0.9×10-9=5.84×105㎏液壓實驗時液體的質量：m3=1.35×106㎏積雪質量：m4==3.14/（4g）×142842×750×0.4×10-6=4903㎏保溫層質量：材料：泡沫聚氨基甲酸乙脂。密度：=45㎏/m3厚度：50mm，附件質量：400㎏。=+400=3.14×（14284+50）2×50×45×+400=1851㎏；支柱和拉桿的質量：m6=11103㎏附件質量：=9750㎏操作狀態下的球罐的質量：2.100×105+5.84×105+4903+1851+11103+9750=821607㎏液壓狀態下的球罐的質量：=2.100×105+1.35×106+11103+9750=1580853㎏球罐的最小質量：=2.100×105+11103+9750=230853㎏4.4地震載荷計算4.4.1自振周期支柱底板面至球殼中心的距離:H=8800mm支柱數目：n=8支柱材料20R的常溫彈性模量=192×MPa支柱外直徑＝526mm；支柱內直徑：＝506mm；支柱橫截面的慣性矩：支柱底板面至拉桿中心線與支柱中心線交點處的距離：=5720mm。拉桿系數可由下表求出：=0.282球罐的基本自振周期T==0.79s4.4.2地震力綜合影響系數：=0.45；地震影響系數的最大值：=0.23；特征周期：=0.3；以上數據來源于《化工設備設計手冊》對應與自振周期T的地震影響系數：球罐水平地震力：4.5風載荷計算風載體形系數：風振系數：。基本風壓值：q=450N/㎡風壓高度變化系數：=1.0；球罐附件引起的受風面積增大系數：=1.1；=4.912×N。4.6彎距計算與的較大值：=682961.1+0.25×49120=695241.1N=49120N=695241.1N力臂：L=H-=8800-5720=3080㎜由水平地震力和水平風力引起的最大彎距：695241.1×3080=2.14×N.㎜4.7支柱的計算4.7.1單個支柱的垂直載荷操作狀態下的重力載荷：=1.01×液壓實驗狀態下的重力載荷：=1.94×下段支柱的重力載荷：支柱中心圓半徑：最大彎距對支柱產生的垂直載荷的最大值：X表示系數，可以根據支柱數目n和支柱方位角查下圖：=0.25×（2.14×/7100）=75352.112N.㎜拉桿作用在支柱上的垂直載荷的最大值：以上兩力之和的最大值：4.7.2組合載荷操作狀態下的支柱的最大垂直載荷：液壓實驗狀態下支柱的最大垂直載荷：=1944029.86N4.7.3單個支柱彎距（1）偏心彎距操作狀態下赤道線的液柱高度：4319mm液壓實驗條件下赤道線的液柱高度：=7100mm；操作狀態下赤道線的液柱凈壓力：液壓狀態下赤道線的液柱凈壓力：球殼的有效厚度：；操作狀態下赤道線的薄膜應力：液壓狀態下赤道線的薄膜應力：Mpa球殼的內半徑：R=7100mm；球殼材料的波松比=0.3；球殼材料07MnCrMoVR的彈性摸量：E=206×106操作狀態下支柱的偏心彎距：=4891869.798N.㎜液壓狀態下支柱的偏心彎距：=9306779.66N.㎜（2）附加彎距操作狀態下支柱的附加彎距：=N.㎜液壓狀態下支柱的附加彎距：=1.154×N.㎜(3)總彎距操作狀態下支柱的總彎距：14691869.798N.㎜液壓狀態下支柱的總彎距：=20846779.66N.㎜4.7.4支柱穩定性校核計算長度系數：=1支柱的慣性半徑：單個支柱的橫截面積：A=支柱的長細比：支柱材料20R的屈服點：彎距作用平面內的軸心受壓支柱穩定系數：==1.66(2.11-1.625)=0.805等效彎距系數：；截面朔性系數：=1.15單個支柱的截面系數：歐拉臨界力：支柱許用應力：操作狀態下支柱穩定性校核：92.014+6.714=98.728Mpa<163液壓狀態下支柱穩定性校核：=149-33.715=115.3<163MPa穩定性校核通過。4.8地腳螺栓計算1．拉桿作用在支柱上的水平力2．支柱底扳與基礎的摩擦力支柱底板與基礎的摩擦因數支柱底板與基礎的摩擦力：3.地腳螺栓因,球罐需設置地腳螺栓，地腳螺紋根徑按下式計算：選用材料為Q=235的M20螺栓4個。4.9支柱底板4.9.1支柱底板直徑基礎采用鋼筋混凝土，其許用壓應力：地腳螺栓直徑：d＝20mm支柱底板直徑：㎜。選取底板；選取=800㎜4.9.2底板厚度底板的壓應力：底板外邊緣至支柱外表面的距離：底板材料：Q-235-A，底板材料的許用彎曲應力：底扳的腐蝕裕量底板厚度：㎜選取底板厚度=45mm。4.10拉桿計算4.10.1拉桿載荷計算拉桿的最大拉應力：N 拉桿材料10號鋼，,采用直徑為219×8。長桿與短桿之間用直徑300×400圓鋼。材料的許用應力：。拉桿的腐蝕裕量：。拉桿螺紋小徑的計算：㎜選取拉桿螺紋的公稱直徑：40mm。4.10.2拉桿連接部位的計算銷子材料：35銷子材料的剪切應力：銷子直徑：選取銷子直徑：=30mm。耳板的厚度計算：耳板材料Q235-A耳板材料許用應力：耳板的厚度：=19.47取耳板的厚度：=22mm。4.10.3翼板的厚度翼板材料：Q235-A翼板的厚度：。取翼板的厚度：14mm。4.10.4焊縫強度驗算耳板與支柱的焊縫A所受的剪切力校核：=0.4×205×0.6=49MPa焊縫焊角尺寸：。焊縫長度：=9㎜。=0.6為角焊縫系數：27.24Mpa<=49MPa4.11支柱與球殼連接最低點a的應力校核4.11.1a點的應力操作狀態下a點的剪切應力：=3054mm，球殼的a點的有效厚度=40mm；液壓狀態下a點的剪切應力：操作狀態下點的液柱高度：=7319mm液壓試驗狀態下a點的液柱高度：=10100mm操作狀態下物料在a點的液柱靜壓力：=0.0311MPa液壓試驗狀態下液體在a點的液柱靜壓力：=0.099MPa操作狀態下a點的緯向應力：=170.088MPa液壓狀態下a點的緯向應力：=176.131MPa4.11.2a點的應力校核操作狀態下a點的組合應力：170.088+4.44=174.528MPa液壓試驗狀態下a點的組合應力：176.131+7.96=184.091MPa應力校核：=174.528<=184.091<0.9=220.5MPa校核通過。4.12支柱與球殼連接焊縫的強度校核N==1945323.759N和之中較大值：W==1945323.759N支柱與球殼焊縫焊角尺寸：S=9mm。支柱與球殼的連接焊縫的剪切力：MPa支柱或球殼屈服點較小值：焊縫的許用剪切力：<，校核通過。4.13開孔補強計算球罐上開孔補強件的最小截面積按下試計算：A=dtF試中：A-補強元件最小截面積，m㎡d-縱軸方向上的開孔直徑，㎜。t-焊縫系數取1時，殼體的計算厚度，㎜F-系數，截面與縱軸夾角為零時得1。對于人孔：d=500mm，t=42mm，A=dtF=500×42×1=21000m㎡。實際鍛件的補強面積為（有效面積）A‘=2（A1+A2+A3）2（A1+A2）=2（65×150×0.5+110×65）=24050>A則有效補強面積A‘>A,補強面積足夠。d=150mm的開孔的鍛件補強。有效補強h=2.5×42=105mm。最小補強面積：A=dtF=150×42×1=6300m㎡有效補強面積：2A=2（A1+A2+A3）=2（34×35×0.5+30×70+0.5×42×43）=2（595+2100+903）=7196m㎡>A補強面積足夠。第5章工廠制造及現場組裝球罐一般在現場組裝、施焊。工廠中的制造主要是指球殼板瓣片的下料成型，坡口加工、極板與接管的組焊、赤道板與支柱的組焊及其他附件的加工，以及相應的焊后消除應力熱處理．球瓣加工后尚需對坡口進行防銹處理，出廠前必須對球殼板瓣片進行妥善包裝，以保證在運輸過程中球殼板瓣片不產生變形及損傷。5.1工廠制造5.1.1原材料檢驗鋼板的狀態與使用狀態相符合則應按技術要求進行化學或物理性能檢驗，其主要有：(1)化學成分。(2)拉伸試驗。(3)彎曲試驗。(4)沖擊試驗。(5)尺寸及外觀檢查。(6)超產波探傷檢驗。(7)其他技術要求中規定材料拉驗。如有確實的證明(如鋼廠質量保證書)材料符合技術要求，則上述檢驗可不作或適當抽查檢驗。當鋼板拉驗后證明達到設計要求時，應在每張鋼板上作上適當的標志并且要求在以后的制造加工過程中仍保持這些標志，以備識別查考。5.1.2瓣片加工1.球瓣的成型操作采用冷壓冷壓優點為：①加工精度最高；②無較長的加熱過程；③不產生氧化皮；④加工人雖可以不用特殊的防護服。這些優點造成了冷壓被廣泛應用。2.瓣片的放樣及坡口加工(1)瓣片的放樣球殼是雙曲面．不可能在平面上精確展開。因此瓣片不可能一次精確下料。通常光按近似展開作初步下料，在壓制成型后再進行第二次下料(立體下料)。(2)坡口加工圓柱形殼可先開坡口，再成型；而球瓣就不行。各球瓣的焊接坡口，必須在球瓣壓制成型后加工．亦可與瓣片第二次下料結合進行。3.瓣片的測量在設計圖紙上已給出球瓣的精確尺寸。在成型時，根據需要隨時檢驗有關尺寸。成品檢驗一般作瓣片四邊弦長檢驗；對角線尺寸檢驗及瓣片曲率拉驗。瓣片曲率檢驗，采用內側樣板。要求弦長不小于1m。5.2現場組裝本球罐就采用單片組裝法。設備為：1.汽車起重機2.中心柱3.工具夾4.腳手架5.3組裝方案及準備組裝方案包括以下內容：1.組裝方法的選定。2.編制組裝程序主要的準備工作還有下述各項內容。基礎檢查驗收如地腳螺栓采用二次澆灌，則以竣工的球罐支柱底板作為定位模板，以保證螺栓中心距的尺寸。5.5組裝精度的控制5.5.1支柱偏差的控制按GB12337《鋼制球形儲罐》規定。依照下表：第6章焊接鋼材的可焊性，即指材料在焊接時，在一定的設備、工藝(如預熱，焊后熱處理)條件下，其焊接接頭呈現的質量和性能。6.1焊接工藝的確定球殼的材料07MnCrMoVR的碳當量≤0.4，所以具有良好的可焊性。在焊接前要對材料做裂紋試驗，并依照GB-12337-90中的有關規定進行。（1）球罐的結構形式球罐為赤道正切支柱，支柱與拉桿間采用鉸接連接。（2）材質球殼07MnCrMoVR；支柱上支柱與球殼相同，上支柱：20號鋼。拉桿Q235-A人孔、接管與殼板性能相進或相同的材料。（3）焊接方法采用手工電弧焊。（4）焊接分類：殼板-殼板對接焊，外坡口（X型）；殼板-支柱填角焊，不開坡口；耳板-支柱填角焊，不開坡口；翼板-拉桿填角焊，不開坡口；殼板-附件填角焊，不開坡口；（5）焊接設備交流500A焊機焊接用；交流300A焊機定位焊；直流600A-800A焊機電弧氣刨；干燥器600℃，300℃烘烤焊條測溫器、溫度計、預熱設備、濕度計。6.2焊后熱處理對球罐來說，焊后熱處理主要用于制作過程。除結構部件的熱處理可考慮采用爐內熱處理外．由于球罐的體積較大故一般球罐的整體熱處理都采用現場內燃法熱處理，內燃法熱處理是