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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目： 8000m3石油液化氣球罐的工藝設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 過(guò)程裝備與控制工程
班 級(jí)： 1201
學(xué)生姓名： 李世豪
指導(dǎo)教師： 王昭春
論文提交日期： 2016年5月 27 日
論文答辯日期： 2016年5月 6 日
任務(wù)書(shū)
過(guò)程裝備與控制專業(yè)
1201班
學(xué)生：李世豪
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：8000m3液化石油氣球形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容： 8000m3液化石油氣球形儲(chǔ)罐的罐壁，支架人孔的設(shè)計(jì)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）專題部分： 球罐的設(shè)計(jì)材料，球罐的發(fā)展形勢(shì)，安全技術(shù)等。
起止時(shí)間：2016年3月1日至2016年 6月6 日
指導(dǎo)教師： 簽字 年 月 日
摘要
隨著世界各國(guó)水平增高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與提高，球形容器的制造水平也在增加。近年來(lái)，我國(guó)在石油化工，城市燃?xì)獾陌l(fā)展中，大型球罐得到了廣泛的應(yīng)用。
球形壓力容器（以下簡(jiǎn)稱球罐）具有占地少、受力情況好、承壓能力高，可分片運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝成形、容積的大小基本不受運(yùn)輸限制等其它壓力容器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在石油、化工、城市燃?xì)?、冶金等領(lǐng)域廣泛用于存儲(chǔ)氣體和液化氣體。近年來(lái)我國(guó)球罐的大型化和高參數(shù)化工程技術(shù)水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，通過(guò)對(duì)引進(jìn)球罐的消化、吸收和創(chuàng)新，很多高參數(shù)球罐已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了積極的貢獻(xiàn)。為滿足我國(guó)石油液化氣存儲(chǔ)需求，同時(shí)也滿足石油、化工、輕紡、冶金等行業(yè)對(duì)球罐大型化的需要，迫切需要發(fā)展有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特大型球罐核心技術(shù)。球罐的大型化是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。針對(duì)8000m大型石油液化氣球罐設(shè)計(jì)、制造中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：球罐選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析等方面進(jìn)行了研究，完成了如下工作：(1)閱讀大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，在系統(tǒng)了解球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造方法的基礎(chǔ)上，完成文獻(xiàn)綜述的撰寫(xiě)。(2)對(duì)球罐選材進(jìn)行分析比較，最終確定采用15MnNbR；對(duì)球罐進(jìn)行工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸計(jì)算；根據(jù)GB12337-98《鋼制球形儲(chǔ)罐》對(duì)球罐進(jìn)行結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算。進(jìn)行球罐圖紙繪制，完成球罐裝配圖及各主要零部件圖。（4）使用壓力容器分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)（VAS2.0）對(duì)球罐進(jìn)行強(qiáng)度分析，對(duì)球殼和支座連接處進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定。
本罐是在常溫常壓下設(shè)計(jì)，壓力測(cè)試是水壓測(cè)試，為了承受風(fēng)載荷和地震載荷，保證球罐的穩(wěn)定性，在支柱之間設(shè)置拉桿相連。球殼分塊較少，板材利用率高，制造工作量小，焊縫短，焊縫個(gè)數(shù)少，檢驗(yàn)量少，施工速度快，拉桿結(jié)構(gòu)采取可調(diào)節(jié)的拉桿。使球罐可以保持平衡調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：球形儲(chǔ)罐；容器用鋼；結(jié)構(gòu)；應(yīng)力分析
Abstract
With the improvement of comprehensive national strength and the word of-science-andtechnologylevel,themanufacturinglevelofsphericaltankishigh-speeddevelopment.Inrecentyears,China'spetrochemicalindustry, synthetic amm- onia, the building of citygas,large-scalespherical tank is widely use.
Because of its unexampled advantages such as less floor area covering, high-pressure capability and transport facilitates,Spherical pressure tanks (hereinafter referred to as the―storage tankⅡ)used for storage of gas and liquefied gas more widely than other storage tanks in the oil,chemical,city gas,metallurgy and other fields. In recent years,China engineering and technical level of spherical tank has made great progress through the introduction,absorption and innovation of foreign spherical tank technology.
To meet the deman do four country gastor-age,and meet the demand flarge-scaletank in the petroleum,chemical,textile,metallurgical and other industries,it is urgent to develop the core technique of large-scale spherical tank with our own intellectual property rights.Construction of increasingly larger spherical tank is a complex and systematicproject,which involves a number of disciplines and technical fields. in view of research of key design and manufacture technology of 8000 m large-scale liquefied petrolem gas tank,from the perspectives such as evaluation and selection of main material ,
structure design theory and stress analysis,we have solved several key technology of spherical tank construction.This article has completed the primary research work coverage,which was shown as follows: (1) Based on well understanding of structure design and manufacturing methods of spherical tank , I write literature summary after reading a large number of domestic and foreign literature.(2) Through analysis and comparison of the materials,I finally select 15MnNbR;After the structural design of process and dimension calculation,I complete the calculation of structure and strength according to GB12337-98.(3) The drawings of the tank include an assembly drawing and several parts drawings.(4) For the junction between spherical shell and stanchion, stress analysis and strength assessment is completed .
Key Words：Spherical tank;Steel for pressure vessels;structure；stress analysis
目 錄
第一章球罐設(shè)計(jì) 1
1.1 球罐設(shè)計(jì)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī) 1
1.2 球殼結(jié)構(gòu) 2
1.3 制作結(jié)構(gòu) 2
1.4 拉桿結(jié)構(gòu) 4
1.5 支柱與球殼連接下部結(jié)構(gòu) 5
1.6 接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 6
1.7 球罐的設(shè)計(jì)方法 8
1.8球罐制造 8
1.9 球罐安全與安裝技術(shù) 9
1.10球罐用鋼的要求 10
第二章球罐的發(fā)展趨勢(shì)與面臨問(wèn)題 11
2.1 球罐發(fā)展趨勢(shì) 11
2.2 球罐大型化面臨的問(wèn)題 11
2.3幾種典型球罐用鋼的優(yōu)劣對(duì)比 12
2.4國(guó)內(nèi)外球罐的常用鋼種 13
第三章8000m石油液化氣球罐設(shè)計(jì)說(shuō)明 14
3.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù) 14
3.2 基礎(chǔ)資料 14
3.2.1 安裝與運(yùn)行地區(qū)氣象環(huán)境條件 14
3.2.2 工作介質(zhì) 15
3.2.3 運(yùn)行要求 15
3.2.4 場(chǎng)地條件 15
3.4 球形儲(chǔ)罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定 16
3.4.1 設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度 16
3.4.2 人孔、接管位置及尺寸的確定 16
3.4.3 腐蝕余量的確定 17
3.5 設(shè)計(jì)原則 17
3.5.1 設(shè)計(jì)規(guī)范的確定 17
3.5.2 壓力試驗(yàn)方法 17
3.6 球殼設(shè)計(jì) 18
3.6.1 材料選用 18
3.6.2 球罐支柱數(shù)和分帶角的確定 18
3.6.3 混合式結(jié)構(gòu)的排板計(jì)算 18
3.6.4 球殼 19
3.6.5 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng) 20
3.6.6 安全泄放設(shè)計(jì) 21
3.6.7 法蘭密封 21
3.7 球罐支柱與拉桿 21
3.7.1 球罐的連接結(jié)構(gòu)確定 21
3.7.2 支柱結(jié)構(gòu) 21
3.8 制造要求 22
3.8.1 球殼板 22
3.8.2 坡口 22
第四章球罐的強(qiáng)度計(jì)算 24
4.1 設(shè)計(jì)條件 24
4.2 球殼計(jì)算 25
4.2.1 計(jì)算壓力 25
4.3 球殼各帶的厚度計(jì)算 26
4.4 球罐質(zhì)量計(jì)算 26
4.5 地震載荷計(jì)算 27
4.5.1 自振周期 27
4.5.2 地震力 27
4.6 彎矩計(jì)算 27
4.7 支座底板 28
4.7.1 支座底板直徑 28
第五章致謝 29
參考文獻(xiàn) 30
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 球罐的發(fā)展趨勢(shì)與面臨問(wèn)題
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章 球罐設(shè)計(jì)
第一章 球罐設(shè)計(jì)
1.1 球罐設(shè)計(jì)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)
球罐設(shè)計(jì)執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)主要有《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，《鍋爐壓力容器安全監(jiān)察暫行條例》及其《實(shí)施細(xì)則》2009版，GB150-1998《鋼制壓力容器》，HG/ZQ1.7—87《球形儲(chǔ)罐質(zhì)量等級(jí)評(píng)定及檢查細(xì)則》，球罐安裝質(zhì)量要達(dá)到SHJ-514《石油化工設(shè)備 安裝工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中第八章“球型儲(chǔ)罐安裝工程”中優(yōu)良工程要求。
隨著我國(guó)石油、化工、輕紡、冶金及城市天燃?xì)夤I(yè)的發(fā)展，作為存儲(chǔ)容器的球罐，得到了廣泛的應(yīng)用與迅速的發(fā)展，在石化企業(yè)、國(guó)防工業(yè)、冶金工業(yè)及城市燃?xì)庵?。球形?chǔ)罐與其他型式的壓力容器比較，有許多突出的優(yōu)點(diǎn)。如與同等容量，相同工作壓力的圓筒形壓力容器比較，球罐具有表面積較小，所需鋼板厚度較薄，因而具有耗鋼較少，重量輕。此外，球罐還有制造方便，易于大型化、占地面積小、操作管理和檢修方便等特點(diǎn)。由于這些特點(diǎn)，再加上球罐基礎(chǔ)簡(jiǎn)單使球罐的應(yīng)用得到很大發(fā)展。國(guó)內(nèi)外球罐技術(shù)發(fā)展的方向都是高參數(shù)大型化，球罐大型化可以降低單位容積存儲(chǔ)能力的投資，節(jié)省占地，也節(jié)省了輔助設(shè)施的費(fèi)用，同時(shí)便于管理。國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家開(kāi)展石油液化氣球罐大型化工作較早，技術(shù)水平較高，建造 5000-25000m 大型球罐已相當(dāng)普遍，如文獻(xiàn)介紹，日本 1968 年制成了容量 20000 m的大型球罐，1985 年日本新日鐵公司為日本西部瓦斯用本公司生產(chǎn)的 WEL-TEN80C 型高強(qiáng)度鋼制造一臺(tái)大型球罐，設(shè)計(jì)壓力 0.75MPa、直徑為 37.07m、容積為 26700 m。而我國(guó)由于特大型因此，為滿足我國(guó)石油液化氣存儲(chǔ)需求，同時(shí)也滿足石油、化工、輕紡、冶金等行業(yè)對(duì)球罐大型化的需求，迫切需要開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特大型球罐核心技術(shù)。球罐是一個(gè)大型、復(fù)雜的焊接殼體結(jié)構(gòu)，它涉及到材料科學(xué)、殼體結(jié)構(gòu)理論、塑性加工技術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)、無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、斷裂力學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)球罐設(shè)計(jì)方法和理論、選材和材料評(píng)價(jià)體系、高性能材料的焊接及熱處理技術(shù)、大板片球罐制造技術(shù)的理論和實(shí)際都有重要作用。
1.2 球殼結(jié)構(gòu)
球殼結(jié)構(gòu)形式主要分為足球瓣式、桔瓣式和混合式3種
（1） 足球瓣式球罐球殼用均分法劃分，組裝焊接接頭較短，焊接檢驗(yàn)工作量小，但焊接接頭布置復(fù)雜，施工組裝困難，對(duì)球殼板的制造精度要求高。
（2） 桔瓣式球殼像桔子瓣(或西瓜瓣)，焊接接頭布置簡(jiǎn)單，組裝容易，球殼板制造簡(jiǎn)單，但材料利用率低，對(duì)接焊縫總長(zhǎng)度長(zhǎng)，檢驗(yàn)工作量大。
（3） 混合式球罐的球殼組成是：赤道帶和溫帶采用桔瓣式，極板采用足球瓣式。它集中了桔瓣式和足球瓣式兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已被廣泛采用，從國(guó)外引進(jìn)的球罐大量采用了該結(jié)構(gòu)。
不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)球罐的制造、安裝質(zhì)量以及投用后的安全可靠性都會(huì)帶來(lái)重大的影響。先進(jìn)合理的結(jié)構(gòu)，既可合理地利用材料，減少浪費(fèi)，降低成本；又可有效地減少焊縫總長(zhǎng)，減少制造和安裝過(guò)程中的工作量，提高使用中的安全可靠性。不同分瓣形式分帶的數(shù)量一般不同，混合式的分帶數(shù)一般會(huì)比桔瓣式少；其中混合式球罐極帶有7塊板的組成，桔瓣式僅僅只有3塊，兩極相對(duì)加多8塊，因此如果其中兩種分瓣形式的支柱和帶數(shù)是完全相同，混合式球罐的球殼板數(shù)量應(yīng)該反而會(huì)比桔瓣式多一些。因此一臺(tái)球罐結(jié)構(gòu)形式的先進(jìn)與否不能簡(jiǎn)單看是用混合式還是桔瓣式，而要從焊縫的總長(zhǎng)、鋼材利用率和制造安裝難度來(lái)考慮，它同時(shí)受鋼廠供貨尺寸和運(yùn)輸條件的限制。對(duì)于小型球罐如400m或650m的球罐往往采用桔瓣式結(jié)構(gòu)更合理。而大中型球罐采用混合式分瓣方法優(yōu)勢(shì)更為明顯。
1.3 制作結(jié)構(gòu)
支柱設(shè)計(jì)，球罐支座是球罐中用以支撐本體質(zhì)量和儲(chǔ)存物料質(zhì)量的結(jié)構(gòu)部件。由于球罐殼體呈圓球狀，給支座設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難，他既要支撐較大的質(zhì)量，又由于球罐設(shè)置于室外，需承受各種自然環(huán)境影響，如風(fēng)載荷、地震載荷和環(huán)境溫度變化的作用。為了對(duì)付各種影響因素，結(jié)構(gòu)形式比較多，設(shè)計(jì)計(jì)算也比較復(fù)雜。
支撐主要分成柱式支撐和裙式支撐兩大類。柱式支撐中又以赤道正切柱式支撐為國(guó)內(nèi)外普遍采用。此外，還有V形柱式支撐、三樁合一形柱式支撐，裙式支撐（包括圓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(xù)基礎(chǔ)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）。
雙重球殼還有懸吊和拉撐結(jié)構(gòu)，槽球船則有把球放置于船艙內(nèi)的特殊支撐結(jié)構(gòu)，如此等等，赤道正切柱式支座設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
（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(chǔ)存物料重量；動(dòng)載荷包括風(fēng)載荷和地震載荷），支柱構(gòu)件要有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
（2） 支柱和球殼連接部分，既要能充分地傳遞應(yīng)力，又要求局部應(yīng)力水平盡量低，因此韓粉必須有足夠的焊接長(zhǎng)度和強(qiáng)度，并要采取措施減少應(yīng)力集中。
（3） 支柱是否能經(jīng)受由于焊后熱處理或冷縮熱脹而造成的徑向浮動(dòng)，這種浮動(dòng)是短暫的還是經(jīng)常的呢？要分情況加以對(duì)付。
（4） 支柱上部柱頭是否需要與殼體采用同樣材質(zhì)？由于相當(dāng)數(shù)量的球罐用于儲(chǔ)罐低溫物料，低溫球罐要求球殼材質(zhì)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(jié)構(gòu)問(wèn)題。如果不是特殊材質(zhì)的球罐，則可采用不同材質(zhì)制造支柱的上柱頭及球殼。
（5） 為了防止球罐的支柱在少量時(shí)間里被火燒塌，引起球罐破壞使火勢(shì)加劇，除了對(duì)罐體應(yīng)用防火水幕噴淋之外，對(duì)于高度為1m之上的支柱，用厚度50mm之上的耐熱混凝土或者具有相當(dāng)不易燃或防火的材料覆蓋（用與儲(chǔ)槽本體裝置能力來(lái)淋水裝置增加有效的保護(hù)）。對(duì)于液化石油氣或易燃易爆性液化氣球罐很必要。防火隔熱層不應(yīng)發(fā)生干裂，其耐火性要在1h以上。例某一2000m3乙烯球罐防火隔熱層的配方如下：硅藻土灰10%~15%；硬質(zhì)水泥85%~90%（波特蘭水泥為22%防火水泥中含大于5%的石棉粉和3%的石棉絨）。防火層放在支柱φ6mm的防火層夾子上，厚度為50mm。
支柱還必須應(yīng)該有較好的嚴(yán)密性，保證各處焊縫應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度（尤其是在支柱和球殼接頭其中），組裝施焊后的支柱必須在進(jìn)行0.5MPa表壓的空氣其中的氣密性試驗(yàn)。球罐應(yīng)按有關(guān)規(guī)則安裝靜電接地板。每臺(tái)的球罐至少要有兩個(gè)正常并且好用的接地板。
（2） 拉桿結(jié)構(gòu)拉桿是在作為承受風(fēng)載荷和地震載荷其中的部件，增加球罐的穩(wěn)定性才設(shè)置。拉桿結(jié)構(gòu)可以分為可調(diào)式與固定式中的兩種。
可調(diào)式拉桿在可調(diào)式拉桿區(qū)分為長(zhǎng)短兩段，用可調(diào)螺母的連接，看當(dāng)時(shí)調(diào)節(jié)拉桿的松緊度大小。大多數(shù)采用高強(qiáng)度的圓鋼或鍛制圓鋼制作?？烧{(diào)式拉桿的結(jié)構(gòu)型式也有多種：?jiǎn)螌咏徊婵烧{(diào)式拉桿；雙層交叉可調(diào)式拉桿；雙拉桿或三拉桿可調(diào)式；相隔一柱的單層交叉可調(diào)式拉桿。
目前國(guó)內(nèi)自行建造的球罐和引進(jìn)球罐的大部分都是采用可調(diào)式拉桿。固定式拉桿 固定式拉桿一般采用鋼管制作，拉桿的一頭焊死在支柱的上、下加強(qiáng)筋上，另一頭采用十字相焊或固定板相焊，不能調(diào)節(jié)。管狀拉桿必須開(kāi)設(shè)排氣孔。
a )足球式 b )桔瓣式 c )足球桔瓣混合式
圖1-1 球罐分瓣形式
1.4 拉桿結(jié)構(gòu)
可調(diào)式與固定式兩種拉桿
（1） 可調(diào)式拉桿采用圓鋼加工而成，拉桿與支柱采用銷釘連接，2根拉桿立體交叉處留有間隙?？烧{(diào)式拉桿雖能調(diào)節(jié)松緊，有利于施工，但若施工后發(fā)生銹蝕則不起調(diào)節(jié)作用。
（2） 固定式拉桿一般采用鋼管，拉桿與支柱在連接中采用焊接方式，拉桿與拉桿的交叉處采用固定板焊接結(jié)構(gòu)或直接焊接結(jié)構(gòu)。抗彎能力大，特別適合于大型球罐；固定式拉桿可設(shè)計(jì)成受壓形式，于是拉桿的截面比可調(diào)式的大，剛性也大，因此球罐橫向載荷產(chǎn)生的水平位移和偏移量均小，對(duì)球罐上的接管有利；固定式拉桿在施工時(shí)調(diào)好，使用中不必再調(diào)整。固定式拉桿結(jié)構(gòu)在國(guó)外已大量采用，我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的球罐也有相當(dāng)一批采用了此結(jié)構(gòu)。
圖1-2 拉桿結(jié)構(gòu)形式
1.5 支柱與球殼連接下部結(jié)構(gòu)
在支柱和球殼相接的球殼局部地區(qū)中，受力和變形相當(dāng)繁雜，應(yīng)力數(shù)值很高，變化梯度較大，在整個(gè)球罐其中的高應(yīng)力區(qū)。支柱與球殼相焊的焊縫的最低點(diǎn)是重點(diǎn)應(yīng)力校核的部位。支柱與球殼連接到下部結(jié)構(gòu)一般分隔連接處在下端加托板、翻邊的U形柱結(jié)構(gòu)。
（1） 加托板結(jié)構(gòu)是在球殼在支柱連接部下端加一個(gè)托板，加強(qiáng)方便焊接，消除焊接的死角。該結(jié)構(gòu)制造的工藝簡(jiǎn)單，已經(jīng)被大多數(shù)制造廠所采用。但由于該結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)零件構(gòu)成的，變形也許不協(xié)調(diào)，存在很大的局部應(yīng)力。
（2） 翻邊結(jié)構(gòu)是將和球殼連接處下端的支柱翻邊，增加球殼表面的連接長(zhǎng)度，并改善焊接接頭的焊接情況，所以能夠保證焊接質(zhì)量。支柱要變?yōu)橐惑w變形協(xié)調(diào)，對(duì)球殼的局部應(yīng)力有所修改。但是因翻邊的寬度有限限制過(guò)大，和會(huì)減薄支柱管壁，對(duì)改善支柱和球殼連接最低點(diǎn)的應(yīng)力作用不清晰。
（3） U形柱結(jié)構(gòu)成為用鋼板卷制成U形管和球殼連接，使支柱與球殼連接逐漸過(guò)渡，避免急劇變形，特別適合在低溫球罐和支柱連接的要求。該結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單，施焊方便，沒(méi)有工藝難點(diǎn)，不存在焊接死角，在三種結(jié)構(gòu)中與球殼的連接長(zhǎng)度最長(zhǎng)，這樣對(duì)局部應(yīng)力的改善也最有效。球罐的局部應(yīng)力是不可避免的，只能靠改進(jìn)結(jié)構(gòu)來(lái)減小，如增加支柱與球殼的接觸面積，減少支柱的剛性，支柱與球殼的連接避免急劇變化，使其逐漸過(guò)渡等方法，U形柱結(jié)構(gòu)則集中了這些特點(diǎn)。GB12337-98增加了U形柱結(jié)構(gòu)，解決了低溫球罐支柱連接無(wú)法解決的難題。
圖1-3 支柱與球殼連接下部結(jié)構(gòu)
1.6 接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)
大型球罐的接管補(bǔ)強(qiáng)一般采用兩種結(jié)構(gòu)型式，第一種型式為厚壁管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)；第二種采用鍛制凸緣，在應(yīng)力集中部位局部加厚的密集補(bǔ)強(qiáng)型式。
人孔和接管
（1） 接管材料與球殼相焊的接管最好選用與殼體相同的材料,低溫球罐應(yīng)選用低溫用的鋼管,并保證在低溫下具有足夠的沖擊韌性,接管的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料,也應(yīng)遵循同樣的要求
（2） 孔的補(bǔ)強(qiáng)尺寸 一般壓力容器規(guī)范都規(guī)定了不需補(bǔ)強(qiáng)的最大接管開(kāi)孔尺寸，但在球罐上不宜采用這個(gè)“不需補(bǔ)強(qiáng)的最大接管開(kāi)孔尺寸的概念。由于球罐容積大，一般其殼體壁厚都較接管厚很多，為了保證焊接質(zhì)量，接管應(yīng)采用厚壁管。即使對(duì)小直徑接管，例如DN20也應(yīng)采用厚壁管焊接結(jié)構(gòu)。
（3） 接管的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 球罐接管的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)有如下幾種類型
（4） 接管的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 球罐接管的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)有如下幾種類型。
① 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)；
② 厚壁管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)；
③ 整體凸緣補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
接管最好應(yīng)用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)，而盡力不用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。
（5） 提高接管的抗疲勞的性能措施 球殼在于接管的連接焊縫，而且除了應(yīng)具有一定的強(qiáng)度外，還應(yīng)該具有抗疲勞的能力，用克服進(jìn)出料的沖擊很大、管道的震動(dòng)、操作壓力在波動(dòng)與工藝配管力量等因素引發(fā)的疲勞破壞。
（a）厚壁管補(bǔ)強(qiáng) （b）整體鍛件凸緣補(bǔ)強(qiáng)
圖1-4 球罐的補(bǔ)強(qiáng)形式
1.7 球罐的設(shè)計(jì)方法
球殼的設(shè)計(jì)計(jì)算有兩種方法，即常規(guī)設(shè)計(jì)方法與分析設(shè)計(jì)方法。我國(guó)的球罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在GB12337-98其中的常規(guī)設(shè)計(jì)方法中標(biāo)準(zhǔn)，到現(xiàn)在，大部分球罐均按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝。我國(guó)分析設(shè)計(jì)法的標(biāo)準(zhǔn)有JB4732-95《鋼制壓力容器應(yīng)力分析法設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，這是個(gè)通用性的標(biāo)準(zhǔn)，到現(xiàn)在我國(guó)還是尚無(wú)球罐設(shè)計(jì)專用的分析設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。隨著球罐的大型化方向發(fā)展，外國(guó)已開(kāi)始采用分析設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)球罐，大型球罐采用分析設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)更為科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理，因此，利用分析設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)大型球罐有著廣闊的前景。常規(guī)設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)方法是基于彈性失效原則，喪失彈性狀態(tài)為失效，規(guī)設(shè)計(jì)只考慮最大載荷的工況，對(duì)結(jié)構(gòu)，尺寸，形狀等有明確限制。常規(guī)設(shè)計(jì)應(yīng)該用彈性失效準(zhǔn)則而不適用于規(guī)則進(jìn)行疲勞分析的容器，而分析設(shè)計(jì)應(yīng)用了包含疲勞失效準(zhǔn)則在內(nèi)在的多種方法失效準(zhǔn)則，因而在必要時(shí)比較合適進(jìn)行疲勞分析。分析設(shè)計(jì)需要用詳細(xì)的應(yīng)力分析報(bào)告為主要的依據(jù)，需要近代的分析計(jì)算的工具和實(shí)驗(yàn)技術(shù)手法，常規(guī)設(shè)計(jì)法和分析設(shè)計(jì)方法主要區(qū)別詳見(jiàn)表 1.2。
表1.2常規(guī)設(shè)計(jì)法與分析設(shè)計(jì)法的主要區(qū)別
比較對(duì)象
常規(guī)設(shè)計(jì)方法
分析設(shè)計(jì)方法
設(shè)計(jì)原則
彈性失效，不允許出現(xiàn)塑性變形，一旦出現(xiàn)塑性變形，就認(rèn)為容器已經(jīng)失效
塑性失效，彈塑性失效允許出現(xiàn)塑性變形但必須是可控制的，是局部的。對(duì)于一次加載要計(jì)算極限載荷，對(duì)于交變載荷，要計(jì)算安定載荷。安定性載荷主要針對(duì)疲勞和棘輪現(xiàn)象
載荷
非交變材料力學(xué)方法，薄膜原理
可以考慮交變載荷彈性式塑性力學(xué)分析，薄膜原理理論方法
應(yīng)力評(píng)定
應(yīng)力不分類，許用應(yīng)力一樣，第一強(qiáng)度理論，安全系數(shù)大
應(yīng)力分類用應(yīng)力強(qiáng)度來(lái)評(píng)定
第三強(qiáng)度理論，安全系數(shù)小
制造
全焊透
全焊透
1.8球罐制造
球罐不同于一般壓力容器，由于球罐容積較大，不可能在制造廠一次制造完成，首先要在制造廠壓制成瓜片形狀，再運(yùn)到到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝、焊接、檢驗(yàn)和試驗(yàn)最終完成建造。在制造廠的核心工作是球殼板的壓制成形、坡口加工及零部件的制造。
國(guó)內(nèi)外普遍采用的球瓣成形技術(shù)是沖壓成形，它一般可分為冷壓成形、溫壓成形和熱壓成形。其它一些成形方法也在發(fā)展之中，如液壓成形、爆炸成形等無(wú)模成型方法。對(duì)于液壓成形、爆炸成形等無(wú)模成型法，由于對(duì)材料的損傷較大，主要還是停留在理論研究方面，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用較少；熱壓和溫壓成型是早年壓力機(jī)能力不夠時(shí)的權(quán)宜之計(jì)，由于對(duì)材料有損傷、球殼板減薄量大及需要設(shè)置大型加熱爐等因素，也基本停止使用。
目前國(guó)內(nèi)外球罐冷壓成形技術(shù)主要還是依靠制造廠的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇一定曲率的胎具試壓確定胎具的曲率，壓制時(shí)結(jié)合加鋼墊局部調(diào)整使球殼板達(dá)到要求的曲率，因此不同廠家冷壓球片的精度和效率差別很大。國(guó)外在球罐大型化制造技術(shù)研究方面開(kāi)展較早，對(duì)大板片球罐的制造技術(shù)和精度控制較為成熟，國(guó)內(nèi)大型化制造技術(shù)發(fā)展也很快，近年來(lái)對(duì)球罐制造技術(shù)研究工作也開(kāi)展了很多，包括下料技術(shù)、大板片、薄板壓制技術(shù)等等，但特大型大板片制造精度還沒(méi)有很好地掌握。
1.9 球罐安全與安裝技術(shù)
球罐現(xiàn)場(chǎng)安裝是球罐建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，包括組裝、焊接、熱處理、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等工作，內(nèi)容多、工作量大，對(duì)球罐最終質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。組裝技術(shù)隨著球罐的大型化、球瓣尺寸的大型化，組裝技術(shù)從早期的分帶組裝或分塊組裝向整體組裝發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外球罐組裝技術(shù)都是以整體組裝為主。整體組裝的優(yōu)點(diǎn)是組裝速度快，幾何精度高，便于對(duì)稱施焊、焊接變形小等；缺點(diǎn)是卡具要求多，焊接全部為高空作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大等。
球罐安裝中焊接工作量大，焊接質(zhì)量要求高，不同的球罐鋼有不同的焊接特點(diǎn)和工藝要求，要嚴(yán)格按評(píng)定合格的焊接工藝執(zhí)行。球罐的焊接方法除手工焊外還有自動(dòng)焊，在國(guó)外前蘇聯(lián)、德國(guó)、日本美國(guó)等國(guó)家都較早采用了大型球罐自動(dòng)焊，我國(guó)上世紀(jì)90年代開(kāi)始大型球罐自動(dòng)焊試驗(yàn)研究，并應(yīng)用于球罐的建造中，主要是自保護(hù)和氣保護(hù)全位置自動(dòng)焊工藝。但從目前總體上看，國(guó)內(nèi)外球罐焊接方法主要還是以手工焊接為主，原因是球罐是全位置焊接，手工焊質(zhì)量相對(duì)可靠，自動(dòng)焊提高一次合率、減少返修工作量還是今后球罐焊接要研究的工作之一。
1.10球罐用鋼的要求
6MnR 鋼板是我國(guó)目前使用最多、最普遍的一種低合金高強(qiáng)度壓力容器用鋼。鋼材的焊接性能非常好，多用于建造各類壓力容器與中小型球罐，具有一定的抗 H2S 腐蝕性能，但是強(qiáng)度很低，且16MnR 板厚效應(yīng)非常嚴(yán)重，其強(qiáng)度和韌性隨板厚度的增加下降很大，厚度為48mm 的時(shí)候，16MnR 鋼板實(shí)物在韌性儲(chǔ)備量不高，其中設(shè)計(jì)厚度≤50mm 的時(shí)候使用。07MnCrMoVR 鋼是我國(guó)“七五”期間創(chuàng)新出來(lái)的新鋼種，該鋼的力學(xué)能力相當(dāng)于 WEL-TEN62CF 鋼的實(shí)際水平。07MnCrMoVR 鋼應(yīng)用低碳多元微合金在嚴(yán)格控制碳當(dāng)量(Ceq≤ 0.42％ )在焊接裂紋敏感性組織(Pcm ≤0.2％)，并且通過(guò)合理的調(diào)質(zhì)熱處理之后獲得最佳強(qiáng)韌比其中組織結(jié)構(gòu)，從根本上保證了其焊接性能與優(yōu)良的低溫韌度。07MnCrMoVR的力學(xué)性能在其中及其穩(wěn)定性好，國(guó)內(nèi)的大部分設(shè)計(jì)、制造和組焊單位掌握其中其特性，具有成熟而且富有經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)貯存液化石油氣介質(zhì)中存在硫化氫含量有很嚴(yán)的要求，此外鋼廠提供寬板能力有限，不能滿足大型球罐的制造要求[9]。
15MnNbR 是 GB150-1998 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第 1 號(hào)修改單新增鋼號(hào)，它是低合金鋼領(lǐng)域中的新一代鋼種(350MPa 級(jí))，其強(qiáng)度和韌性優(yōu)于 16MnR，同時(shí)也優(yōu)于日本 SPV355N，厚板韌性也較好，而焊接性能及抗硫化氫性能與其相近。該鋼種采用先進(jìn)的冶煉工藝，鋼材的化學(xué)成分、力學(xué)性能及冷彎性能得到很好的保證。15MnNbR 具有良好的綜合性能，可大大提高球罐使用的安全可靠性，該鋼性價(jià)比較高，是大型球罐的理想鋼種。該鋼材取代進(jìn)口鋼板后，能滿足我國(guó)大型液化氣球罐用鋼的迫切需求[10]。
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章 球罐的發(fā)展趨勢(shì)與面臨問(wèn)題
第二章 球罐的發(fā)展趨勢(shì)與面臨問(wèn)題
2.1 球罐發(fā)展趨勢(shì)
隨著材料、焊接、制造、施工安裝技術(shù)不斷提高，球罐也正向大型化、多結(jié)構(gòu)、高參數(shù)的方向發(fā)展。設(shè)計(jì)壓力從0.093MPa的真空度到上百個(gè)大氣壓力，工作溫度從-250℃到850℃，球罐結(jié)構(gòu)從單層到多層，品種非常廣泛。其中，最主要的是向大型化方向發(fā)展。目前，國(guó)外最大的球罐已作到壓力為6～7MPa，體積為30000m左右的大型球罐。
2.2 球罐大型化面臨的問(wèn)題
由于大型化的經(jīng)濟(jì)性十分顯著，已成為世界各國(guó)優(yōu)先重視的重要的課題與重點(diǎn)的科研方向。球罐大型化的進(jìn)程在不同國(guó)家、不同時(shí)期受著不同因素的制約。隨著相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，這些制約因素不斷得到解決，又使球罐大型化的發(fā)展。我國(guó)的發(fā)展情況和發(fā)展要求，制約和狀態(tài)來(lái)分析并且從對(duì)比我國(guó)和外國(guó)的發(fā)展情況看，目前限制球罐向大型化方向發(fā)展的影響因素主要有
（1） 球罐用鋼
由于國(guó)內(nèi)冶煉技術(shù)方面的因素，壓力容器專用鋼種的種類較少，鋼材綜合性能較差，制造不了大規(guī)格，大噸位的鋼板。因此要發(fā)展球罐的大型化必須著重于發(fā)展球罐用鋼的研制工作。高強(qiáng)度的鋼材對(duì)于球罐大型化是至關(guān)重要的，國(guó)際上對(duì)此也都做了大量工作。
（2） 球罐現(xiàn)場(chǎng)熱處理
隨著球罐向大型化方向發(fā)展，球殼板壁厚的增加有可能超過(guò)不進(jìn)行整體熱處理的板厚上限，大型球罐的整體熱處理勢(shì)在必行。因此，必須深入探討和研究大型球罐的熱處理設(shè)備和工藝措施，并在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中予以體現(xiàn)。
（3） 球殼板尺寸精度
大型球罐球殼板塊數(shù)相當(dāng)多，以天然氣球罐球殼板為例：5000m3總數(shù)為156塊，37000m3總數(shù)為234塊。為提高其組裝尺寸精度、改善施焊條件、避免強(qiáng)力組裝，應(yīng)更好和有效地提高球殼板尺寸精度和組裝間隙尺寸精度等。
（4） 吊裝運(yùn)輸能力
球罐大型化后，單塊球殼板的厚度、規(guī)格尺寸和重量均隨之增大，必將涉及至吊裝及其運(yùn)輸能力。因此在對(duì)大型球罐設(shè)計(jì)施工時(shí)，對(duì)此問(wèn)題也應(yīng)進(jìn)行充分的考慮。
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（5） 球罐現(xiàn)場(chǎng)組裝和焊接問(wèn)題
由于大型球罐均為現(xiàn)場(chǎng)組裝組合，施工條件不好、人員流動(dòng)性很大，所以在大型球罐施工時(shí)需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量管理要求，建立完善的質(zhì)量保證體系。目前，國(guó)內(nèi)已部分采用并將較多采用σs≥490MPa 的高強(qiáng)度鋼。
2.3幾種典型球罐用鋼的優(yōu)劣對(duì)比
（1） 16MnR 鋼板是我國(guó)目前使用最多、最普遍的一種低合金高強(qiáng)度壓力容器用鋼。鋼材的焊接性能很好，廣泛制作與建造各類壓力容器與中小型球罐，具有一些的抗H2S腐蝕性能很大，但是強(qiáng)度很低，并且在16MnR板厚效應(yīng)非常嚴(yán)重，其強(qiáng)度與韌性隨板厚的增加下降很大，厚度在48mm的時(shí)候，16MnR鋼板實(shí)物其中韌性儲(chǔ)備量不是很高，在設(shè)計(jì)厚度≤50mm 的時(shí)候使用。
（2） 7MnCrMoVR 鋼是在我國(guó)“七五”期間創(chuàng)新出來(lái)的新鋼種，這鋼的力學(xué)性能應(yīng)該是 WEL-TEN62CF 鋼在實(shí)際水平。07MnCrMoVR 鋼應(yīng)用低碳多元微合金以嚴(yán)格的控制碳當(dāng)量(Ceq≤ 0.42％)和焊接裂紋期間的敏感性組織(Pcm ≤0.2％)，并通過(guò)在合理的調(diào)質(zhì)熱處理的時(shí)候獲得最佳強(qiáng)韌比其中的組織結(jié)構(gòu)，從而在根本上保證了其焊接性能與優(yōu)良的低溫韌度很大。07MnCrMoVR的力學(xué)性能以及其穩(wěn)定性較好，國(guó)內(nèi)大部分的設(shè)計(jì)、制造和組焊單位掌握其中的特性，具有成熟穩(wěn)定的經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)貯存液化石油氣介質(zhì)中的硫化氫含量有很嚴(yán)重的要求，此外鋼廠提供寬板能力有限制，不能滿足大型球罐的制造要求[9]。
（3）15MnNbR 是 GB150-1998 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第1號(hào)修改單新增鋼號(hào)，它是低合金鋼領(lǐng)域中的新一代鋼種(350MPa級(jí))，其強(qiáng)度和韌性優(yōu)于16MnR，同時(shí)也優(yōu)于日本 SPV355N，厚板韌性也較好，而焊接性能及抗硫化氫性能與其相近。該鋼種采用先進(jìn)的冶煉工藝，鋼材的化學(xué)成分、力學(xué)性能及冷彎性能得到很好的保證。15MnNbR具有良好的綜合性能，可大大提高球罐使用的安全可靠性，該鋼性價(jià)比較高，是大型球罐的理想鋼種。該鋼材取代進(jìn)口鋼板后，能滿足我國(guó)大型液化氣球罐用鋼的迫切需求[10]。
（4） 日本產(chǎn)610CF鋼是近年來(lái)推出的具有低裂紋敏感性和韌度較高，焊接性能優(yōu)良的鋼種，鋼的碳當(dāng)量 Ceq 和焊接裂紋敏感性系數(shù) Pcm 均相對(duì)較低，因此焊接性能優(yōu)良，且國(guó)內(nèi)部分設(shè)計(jì)、制造和組焊單位已較好掌握該鋼種的特性。引進(jìn)日本球殼板，國(guó)內(nèi)安裝的 10000m3 北京天然氣球罐即選用該鋼種[11]。
2.4國(guó)內(nèi)外球罐的常用鋼種
我國(guó)球罐選用的材料主要是國(guó)產(chǎn)鋼材，在役國(guó)產(chǎn)球罐用材主要有：A3F、A3、A3R、20R、16Mn、15MnV、15MnVR、15MnVN、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR 及從國(guó)外引進(jìn)的各種球罐材料。到二十世紀(jì)末為止，我國(guó)建設(shè)的球罐主要分為16MnR，約占總數(shù)的 85%左右，當(dāng)開(kāi)始到 21 世紀(jì)以后按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB12337-98《鋼制球形儲(chǔ)罐》的規(guī)定，球罐用材可分為 20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR，國(guó)產(chǎn)低溫球罐可以分為 07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR（CF 鋼）。引進(jìn)球罐要選用的高強(qiáng)度鋼主要分為 SPV490Q（日本）、WEL-TEN610CF（新日鐵）、RIVERACE610（川崎制鐵）、NK-HITEN610U（日本鋼管），低溫的球罐選擇低溫的高強(qiáng)度鋼 N-TUF490（新日鐵）和SA537CL.1（法國(guó)）[7]。國(guó)外球罐在用鋼的典型鋼有一些美國(guó)的 A517F 、日本的 WEL-TEN62CF、HW70、WEL-TEN80、WEL-TEN80C、SPV36 等[8]。
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章 8000m3石油液化氣球罐設(shè)計(jì)說(shuō)明
第三章8000m3石油液化氣球罐設(shè)計(jì)說(shuō)明
3.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
公稱容積：8000m3
球罐內(nèi)徑：24800mm
幾何體積：7986m3
設(shè)計(jì)壓力：0.79MPa
設(shè)計(jì)溫度：50℃
儲(chǔ)存物料：石油液化氣
物料密度：582kg/m3
充裝系數(shù)：0.9
場(chǎng)地類別：Ⅱ類
地震烈度：7度
風(fēng)壓值： 600Pa
雪壓值： 400Pa
3.2 基礎(chǔ)資料
3.2.1 安裝與運(yùn)行地區(qū)氣象環(huán)境條件
（1） 大氣溫度
年平均氣溫 15.4℃
最高氣溫 39.7℃
最低氣溫 -13.1℃
最熱月月平均氣溫 33℃
最冷月月平均氣溫 -8℃
（2） 大氣濕度
最熱月平均相對(duì)濕度 75%
最冷月平均相對(duì)濕度 82%
（3） 大氣壓強(qiáng)
夏季 101.3KPa
冬季 101.1KPa
基本雪壓 250Pa
大氣流速 400Pa
（4） 基本風(fēng)壓
夏季平均風(fēng)速 1.2m/s
冬季平均風(fēng)速 1.0m/s
30年一遇最大風(fēng)速 16.9m/s
季風(fēng)最多風(fēng)速平均值 1.8m/s
3.2.2 工作介質(zhì)
球罐儲(chǔ)存的石油液化氣氣主要理化性質(zhì)參數(shù)如下：
① 石油液化氣的組成(摩爾)為：丙烯占20%、丙烷占40%、正丁烷占30%、異丁烷占10%，12℃時(shí)石油液化氣的飽和蒸汽壓為0.42MPa。物料中硫化氫含量10×10ppm。
② 平均分子量50
③ 密度560 kg/m3
④ 比重0.56（水為1）
⑤ 運(yùn)動(dòng)粘度2.4×10－ 7m2/s
⑥ 絕熱指數(shù)1.12
3.2.3 運(yùn)行要求
全天24小時(shí)天、全時(shí)段（24h、365d連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)）連續(xù)運(yùn)行。幾乎不間斷的運(yùn)行，如果出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)有短暫的休整時(shí)間。
3.2.4 場(chǎng)地條件
① 安裝場(chǎng)地海拔高度：
② 地震設(shè)防烈度 7度近震
③ 球罐安裝場(chǎng)地 已平基，Ⅱ類場(chǎng)地土
④ 地面粗糙度類別 B類
⑤ 露天環(huán)境
3.4 球形儲(chǔ)罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)定
3.4.1 設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度
參照《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的規(guī)定，確定本次8000m3 石油液化氣球罐主要設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度如下：
球罐的設(shè)計(jì)壓力一般按不低于安全閥開(kāi)啟壓力選取常取1.05～1.1倍存儲(chǔ)壓力（工作壓力），本次設(shè)計(jì)壓力為0.79MPa，安全閥開(kāi)啟壓力為0.75 MPa，最高工作壓力0.70~0.75MPa，最終取工作壓力0.73MPa(石油液化氣12℃時(shí)的飽和蒸汽壓)。
3.4.2人孔、接管位置及尺寸的確定
為檢修方便，每臺(tái)球罐需設(shè)置上、下各1個(gè)人孔，一般人孔內(nèi)徑尺寸為 f 500～600mm，最終確定選500mm 人孔?？紤]到本球罐較大，內(nèi)部檢修時(shí)需設(shè)置內(nèi)部旋梯，為便于內(nèi)部旋梯的固定和安裝，確定將上下各一個(gè)500mm 的人孔各置于上下極中央。530mm的人孔外徑。
上極板接管共有 4 個(gè)，都布置在圓周上，作為開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)的接管，通風(fēng)管，或用來(lái)減壓。進(jìn)口接管和出口接管。
下極板接管共有 3 個(gè)，分別布置在圓周上，其中一個(gè)為排污口，一個(gè)檢測(cè)壓力值。配置進(jìn)口接管和出口接管。
3.4.3腐蝕余量的確定
球罐設(shè)計(jì)使用壽命 40 年，考慮均勻腐蝕情況下腐蝕率按 0.05mm/年考慮，球殼板及人孔、接管等主體受壓元件腐蝕余量取 2mm。支柱底板及拉桿部位腐蝕余量按 3mm 選取。
3.5設(shè)計(jì)原則
3.5.1設(shè)計(jì)規(guī)范的確定
國(guó)內(nèi)外球罐通常采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范有二類：一類是常設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要有中國(guó)GB12337 標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó) ASMEⅧDiv1；第二類是分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要有法國(guó) CODAP 規(guī)范、中國(guó) JB4732 標(biāo)準(zhǔn)、日本 JIS B8270 標(biāo)準(zhǔn)（第一類容器）及美國(guó) ASMEⅧDiv2。
本次球罐設(shè)計(jì)只考慮國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，由于 JB4732 為壓力容器分析設(shè)計(jì)的通用性標(biāo)準(zhǔn)，而 GB12337 為球罐設(shè)計(jì)的專用標(biāo)準(zhǔn)，且安全系數(shù)較大，計(jì)算結(jié)果偏于安全，因此采用常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB12337
球罐設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢驗(yàn)和驗(yàn)收，執(zhí)行我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范，主要有：《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》2009 版、GB150-1998、GB12337-1998 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在各標(biāo)準(zhǔn)之間本著科學(xué)、從嚴(yán)原則，力求可靠。
3.5.2壓力試驗(yàn)方法
壓力試驗(yàn)是壓力容器投用前進(jìn)行強(qiáng)度考核的重要方法，目球罐壓力試驗(yàn)的方法要有水壓試驗(yàn)法和氣壓試驗(yàn)法。如果采用水壓試驗(yàn)方法必須考慮裝滿8千噸水時(shí)對(duì)受壓元件、支柱、拉桿和基礎(chǔ)的承載能力。
根據(jù) GB12337-98 和 GB150-98 規(guī)定要求，球罐制造完成后必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)。
水壓試驗(yàn)壓力
（3-1）
氣密性試驗(yàn)壓力
（3-2）
3.6球殼設(shè)計(jì)
3.6.1材料選用
球罐不同于一般壓力容器，由于球罐容積較大，不可能在制造廠一次制造完成，首先要在制造廠壓制成瓜片形狀，再運(yùn)到到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝、焊接、檢驗(yàn)和試驗(yàn)最終完成建造。在制造廠的核心工作是球殼板的壓制成形、坡口加工及零部件的制造。國(guó)內(nèi)外普遍采用的球瓣成形技術(shù)是沖壓成形，它一般可分為冷壓成形、溫壓成形和熱壓成形。其它一些成形方法也在發(fā)展之中，如液壓成形、爆炸成形等無(wú)模成型方法[18]對(duì)于液壓成形、爆炸成形等無(wú)模成型法，由于對(duì)材料的損傷較大，主要還是停留在理論研究方面，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用較少；熱壓和溫壓成型是早年壓力機(jī)能力不夠時(shí)的權(quán)宜之計(jì)，由于對(duì)材料有損傷、球殼板減薄量大及需要設(shè)置大型加熱爐等因素，也基本停止使用。目前使用最普遍的還是冷壓成形，占球罐成形的 90%以上。冷壓成形是鋼板在常溫下，經(jīng)沖壓變形成為球面球殼板的過(guò)程。冷壓成形采用點(diǎn)壓法，其特點(diǎn)是小模具、多壓點(diǎn)，鋼板不必加熱、成型美觀、精度高、無(wú)氧化皮，對(duì)鋼材的損傷小、壁厚減薄量少。
根據(jù)操作條件，選用球罐材料 15MnNbR，使用狀態(tài)為正火狀態(tài)。該材料 s σb=530MPa，σs=360 MPa，常溫許用應(yīng)力[σ]t=177 MPa。滿足 GB12337-98 中 4.1 基本求。根據(jù) GB150-98 中 4.2 及 GB12337-98 中 4.2.9 的要求，15MnNbR 在正火狀態(tài)下使用，由于鋼板厚度大于 25mm，應(yīng)逐張按 JB4730 的規(guī)定進(jìn)行超聲波探傷檢查，Ⅲ極為合格。
3.6.2球罐支柱數(shù)和分帶角的確定
本次設(shè)計(jì)的球罐采用混合式的結(jié)構(gòu)。根據(jù) GB/T17261—1998《鋼制球形儲(chǔ)罐型式與基本參數(shù)》，制造廠的球片壓制能力，以及安裝單位現(xiàn)場(chǎng)的安裝能力。最終確定采用5帶12支柱混合式結(jié)構(gòu)。赤道帶由24 瓣球殼板組成，分帶角45°；上、下溫帶各由 24 瓣球殼板組成，分帶角30°；極帶上下各由7瓣組成，分帶角75°。
3.6.3混合式結(jié)構(gòu)的排板計(jì)算
混合式結(jié)構(gòu)的排版計(jì)算分為足球瓣式極板計(jì)算、桔瓣式溫帶板和赤道板計(jì)算，球罐共有球殼板 86 塊，其中：極中板 2 塊，極邊板 4 塊，尺寸見(jiàn)圖 2.1；極側(cè)板 8 塊；赤道板 24 塊；溫帶板 48 塊
圖3.1 球罐結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖
3.6.4球殼
（1） 球殼設(shè)計(jì)載荷
設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下載荷
① 設(shè)計(jì)壓力；
② 球罐自重以及正常操作條件或試驗(yàn)條件下內(nèi)裝介質(zhì)的重力載荷；
③ 液體靜壓力；
④ 附件重量；
⑤ 雪載荷；
⑥ 風(fēng)載荷；
⑦ 地震載荷；
（2） 厚度附加量 C
C=C+C
C 鋼板負(fù)偏差 mm C=0
C 腐蝕余量 mm C=2mm
C=2mm
（3） 許用應(yīng)力
根據(jù) GB150-98 中
強(qiáng)度極限σb=530 MPa
屈服極限σs=360 MPa
常溫許用應(yīng)力[σ] t=177 MPa
（4） 焊縫系數(shù)f
球殼全部焊縫采用雙面焊全焊透結(jié)構(gòu)，100%無(wú)損探傷，按 GB12337-98 和 GB150-98 規(guī)定要求，取焊縫系數(shù)為1.0。
3.6.5開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)
在文獻(xiàn)中介紹對(duì)于開(kāi)孔直徑較小的孔，在滿足以下條件的時(shí)候可不進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)：設(shè)計(jì)壓力小于或等于 2.5MPa；相鄰開(kāi)孔中心的間距不小于兩孔直徑和的兩倍；接管公稱外徑小于或等于 89mm；接管最小壁厚滿足某一基本規(guī)定。對(duì)比該條件，本球罐有一些小開(kāi)孔可以滿足的，但考慮到開(kāi)孔附近材料可能存在缺陷、接管焊縫存在焊接應(yīng)力、幾何尺寸變化不連續(xù)部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中等因素，從安全可靠的角度出發(fā)，對(duì)所有接管都進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)。
目前常用的補(bǔ)強(qiáng)方法有整體補(bǔ)強(qiáng)和外加補(bǔ)強(qiáng)元件補(bǔ)強(qiáng)，本球罐開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用整體補(bǔ)強(qiáng)形式，具體結(jié)構(gòu)有兩種：一種是鍛制凸緣整體補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)于 DN≥200mm 開(kāi)孔采用該型式補(bǔ)強(qiáng)，凸緣補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)是它和球殼板形成的連接是對(duì)接焊接接頭，便于焊接和焊接接頭無(wú)損檢測(cè)。另一種是插入式厚壁管整體補(bǔ)強(qiáng)，對(duì)于 DN≤200mm 開(kāi)孔采用該型式補(bǔ)強(qiáng)，插入式厚壁管補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省材料，缺點(diǎn)是因開(kāi)孔較小，角焊縫底部清根困難，又不能進(jìn)行射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)，容易產(chǎn)生未焊透等缺陷。插入管焊接是近年來(lái)球罐質(zhì)量中出現(xiàn)問(wèn)題最多的部位之一，在設(shè)計(jì)時(shí)要求制造廠從坡口開(kāi)制工藝到焊接工藝、清根方法等從工藝上保證完全焊透。所有凸緣和厚壁管都為鍛件，材料為 20MnMo，該材料的強(qiáng)度指標(biāo)和許用應(yīng)力：強(qiáng)度極限σb=530MPa 屈服極限σs=370MPa常溫許用應(yīng)力[σ]t=177 MPa
3.6.6安全泄放設(shè)計(jì)
選用安全閥作為超壓泄放裝置，安全泄放設(shè)計(jì)計(jì)算遵循GB150-98的要求。
3.6.7法蘭密封
法蘭密封采用突面密封結(jié)構(gòu)，法蘭采用 HG20595-2009PN1.0 系列法蘭構(gòu)。
3.6.8組焊
赤道板其中的組焊在制造廠中進(jìn)行。焊后在弦長(zhǎng)不小于1000mm 的模版檢查赤道板曲率大小，最大的間隙為≤3mm。人孔和接管在與極板的組焊其中在制造單位來(lái)進(jìn)行，焊后之后應(yīng)符合下列的條件：
① 人孔、接管其中的開(kāi)孔位置和外伸高度允許差距≤5mm。
② 開(kāi)孔球殼板在其中的周邊100mm的范圍內(nèi)在其中距開(kāi)孔中心一倍差不多的地方開(kāi)孔直徑處，在用弦長(zhǎng)不小于1000mm的模版檢查極板曲率增大