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1、1500立方米球罐目录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
2、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424.8 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
3、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411500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
4、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“
5、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；
6、（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
7、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
8、用的球罐，设计温度一般在-40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
9、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
10、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：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)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
11、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 (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，则变为：H=查表可得当K=0.85时，（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
12、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，
13、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（） 设计厚度指计算厚度与腐蚀裕量之和。 (1-2)（3）名义厚度 名义厚度指设计厚度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）。 (1-3)（4）有效厚度 有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。 (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
14、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 (1-5)式中 C厚度附加量，mm； 钢材厚度负偏差，mm； 腐蚀裕量，mm。 其中钢材厚度负偏差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。腐蚀裕量为防止球罐元件由于腐蚀、
15、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、低合金钢注:表中钢材标准抗拉强度下限值，MPa；钢材标准常温屈服点，MPa
16、；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碳素钢热轧、正火M24M48低合金钢调 质M24M481.5.6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 (1-6)式中 P设计压力，MPa； 试验压力，MPa； 球壳材料在试验温度下
17、的许用应力，MPa； 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： (1-7)式中 试验压力下球壳的应力，MPa； 试验压力，MPa； 球壳内直径，mm； 球壳的有效厚度，mm。 应满足下列条件：液压试验时，式中 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实验合格后进行。气密性试验是检验球罐严
18、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定。气密性试验压力按下式确定： (1-
19、8)式中 P设计压力，MPa； 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。2.2壳体用钢板（1）凡符合下列条件的钢板，应在正火状态下使
20、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，厚度大于25 mm 的20R，厚度大于38 mm 的16Mn
21、R、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，MPa MPa MPa10015020020RGB6654热轧，正火40024513313313212340023513313212611640022513312611911039020512811511010316MnRGB6654热轧，正火51034517017
22、017017040032516316316315947030515715715715046028515315315014145027515015014713815MnVRGB6654热轧，正火53039017717717717751037017017017017049035016316316316315MnVNRGB6654正火570440190190190190550420183183183183530400177177177177调质61049020320320320316MnDRGB3531正火49031516316316315647029515715715614745027515015
23、0147138450255150147138128调质610490203203203203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，MPa MPa MPa10015020009Mn2VDRGE353正火,正火加回火440290147147430270143143该钢板技术要求见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-20正火07
24、MnCrMoVR调质-2016MnDR正火-40-3007MnNiCrMoVR调质-4009Mn2VDR正火,正火加回火-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 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
25、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，MPa MPaMPa10015020020JB472637021512311911310416MnJB472645027515015014713520MnMoJB4726530370177177177177510355170170170170
26、49034016316316316316MnDJB472745027515015014713520MnMoDJB472753037017717717717751035517017017017049034016316316316308MnNiCrMoVDJB472760048020020020020009Mn2VDJB4727420260140140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-40-3009Mn2VD正火加回火，调质5020MnMoD调质-30-2008M
27、nNiCrMoVD调质-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、09Mn2VD和09MnD钢管应在正火状态下使用。当球罐的设计温度 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，MPa MPaMPa10015020010GB/T8163GB 9948GB 64793353353353352052052051951121121121121121121121101081081
28、081041011011019820GB/T8163GB 994839041024524513013713013713013212312320GGB 647941041024523513713713713213212612311616MnGB 647949049032031016316316316316316315915315MnVGB6479510510350340170170170160170170170170400240133133128119该钢管的技术要求见GB150附录“材料的补充规定”。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2-6 钢管的使用状态及最低冲击试验
29、温度钢号使用状态壁厚，mm最低冲击试验温度，10正火-3020G正火-2016Mn正火-4009MnD正火-50表2-7 钢管的最低设计温度钢管名义厚度，mm最低设计温度,焊后状态使用焊后热处理状态使用8-20-356-25-404-40-45钢管名义厚度，mm最低设计温度,焊后状态使用焊后热处理状态使用2-45-452.5螺柱和螺母螺柱用钢的标准、使用状态及许用应力按表2-8 的规定。表2-8 标准、使用状态及许用应力钢号钢材标准钢材使用状态螺柱规格，mm常温强度指标在下列温度（）下的许用应力，MPa MPaMPa100150200Q235-AGB/T 700热轧37523587787469
30、35GB/T 699正火53031511710598915102951181061009240MnBGB/T 3077调质80568519617617116576563521218918318040MnVBGB/T 3077调质83573521019018517980568522820619919640CrGB/T 3077调质80568519617617116576580521218918318030CrMoAGB/T 3077调质76555015714113713466050016715014514266050018516716115735CrMoAGB/T 3077调质855735210
31、19018514366068522820619919680568525422922121873559021919618918540CrMoAGB/T 3077调质930825306291281274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。低合金钢螺柱用毛胚，经调质热处理后进行力学性能试验。同一钢号、同一炉号、同一断面产品、同一热处理制度、同时投产的螺柱毛胚为一批，每批取一件进行试验。试样的取样方向为纵向，直径不大于40mm 的毛坯，试样的纵轴应位于毛坯中心；直径大于40 mm 的毛坯，试样的纵轴应位于毛坯半径的1/2 处。试样距毛坯端部的距离不得小于毛坯的直径，但拉伸试样的头部
32、(或夹持部分)不受此限制。每件毛坯上取拉伸试样一个，冲击试样三个。拉伸试验方法按GB/T 228 的规定。冲击试验方法按 GB/T 229 的规定。试验结果应符合表2-9 的规定，表中冲击功的规定值系三个试样试验结果的平均值，允许有一个试样的试验结果小于规定值，但不得小于规定值的 70。对钢号和规格符合JB 4707 标准的低合金钢螺柱用钢材，其力学性能可按该标准验收。表2-9 实验结果钢号回火温度规格 mm MPaMPaJ40MnB40MnVB40Cr30CrMoA35CrMoA40CrNiMoA低合金钢螺柱，当设计温度低于或等于-20时，应进行设计温度下的低温冲击试验。低温用螺柱的钢号及冲
33、击试验要求按表2-10的规定。表2-10 钢号及冲击试验要求钢号规格，mm最低冲击试验温度，30CrMoA-10035CrMoA-100-7040CrNiMoA-70-50与各螺柱用钢组合使用的螺母用钢可按表2 -11选用。表2-11 螺母用钢螺柱钢号螺母用钢螺母钢号钢材标准使用状态使用温度下限，Q235-AQ215-A ，Q235-AGB/T 700热轧35Q235-AGB/T 700热轧20，25GB/T 699正火40MnB35，40Mn，45GB/T 699正火40MnVB35，40Mn，45GB/T 699正火40Cr35，40Mn，45GB/T 699正火30CrMoA40Mn，4
34、5GB/T 699正火30CrMoAGB/T 3077调质35CrMoA40Mn，45GB/T 699正火30CrMoA35CrMoAGB/T 3077调质40CrNiMoA35CrMoA40CrNiMoAGB/T 3077调质2.6焊接材料焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂、气体、电极和衬垫等。焊条应具有质量证明书。质量证明书应包括熔敷金属的化学成分、力学性能、扩散氢含量等。各项指标应符合GB/T 5117、GB/T 5118、GB/T 984 等标准的有关规定。球壳的焊缝以及直接与球壳焊接的焊缝，应选用低氢型药皮焊条，并按批号进行扩散氢复验。扩散氢试验方法应按GB/T 3965 的规定进行。烘干后的实际扩散氢含量应符合表2-12的规定。 表2-12 扩散氢含量焊接材料扩散氢含量，mL/100g焊接材料扩散氢含量，mL/100gE4315、E4316E6015-X、E6016-XE5015、E5016J607RHE5515-X、E5516-X药芯焊丝3 结构设计3.1 概况球罐结构的合理设计必须考虑多种因素：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