【正文】 沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1000m3異丁烯球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 緒論球罐為大容量、承壓的球形儲(chǔ)存容器，廣泛應(yīng)用于市政建設(shè)、燃?xì)鈨?chǔ)存、石油、化工、冶金等各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。它可以用來(lái)作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮、丙烯、丁烯、丙烷、乙烯及其他介質(zhì)的儲(chǔ)存容器。也可作為壓縮氣體（空氣、氧氣、氮?dú)?、城市煤氣）的?chǔ)罐。我國(guó)在石油化工、合成氨、城市燃?xì)饨ㄔO(shè)中，大型化球罐得到了廣泛應(yīng)用。例如：在石油、化工、冶金城市煤氣等工程中，球形容器被用于儲(chǔ)存液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氮、液氫、氧氣、氮?dú)狻⑻烊粴?、城市煤氣、壓縮空氣等物料；在原子能發(fā)電站，球形容器被用作核安全殼；在造紙廠被用作蒸煮球等?？傊?，隨著工業(yè)的發(fā)展，球罐容器的使用也來(lái)越廣泛。 球罐的特點(diǎn) 球罐與常用的圓筒形容器相比具有以下特點(diǎn)： (1)球罐的表面積最小，即在相同容量下球罐所需鋼材面積最小 (2)球罐殼板承載能力比圓筒形容器大一倍，即在相同直徑，相同壓力下，采用相同鋼板時(shí)，球罐的板厚只需要圓筒形容器壁厚的一半。 (3)球罐占地面積小，且可向空間高度發(fā)展，有利于地表面積的利用。由于這些特點(diǎn)，再加上球罐基礎(chǔ)簡(jiǎn)單，受風(fēng)面積小，外形美觀，可用于美化工程等原因，是球罐的應(yīng)用得到很大的發(fā)展。 球罐分類(lèi) 球罐的結(jié)構(gòu)是多種多樣的，根據(jù)不同的使用條件(介質(zhì)、容量、壓力濕度、儲(chǔ)存溫度)有不同的結(jié)構(gòu)形式。 按球殼的組合方式分為純橘瓣式、純足球瓣式和足球橘瓣混合式 (1)純橘瓣式球殼是按橘瓣結(jié)構(gòu)形式(或稱(chēng)西瓜皮瓣)進(jìn)行分割組合的，這種結(jié)構(gòu)形式稱(chēng)純橘瓣球殼。這種球殼的特點(diǎn)是球殼拼裝焊縫較規(guī)則，施工簡(jiǎn)單。 (2)足球瓣式球殼。其優(yōu)點(diǎn)是球瓣的尺寸相同或相近，制作球片簡(jiǎn)單省料。缺點(diǎn)是組裝比較困難，有部分支柱搭在球殼的焊縫上造成該處焊接應(yīng)力較復(fù)雜。 (3)足球橘瓣混合式球殼。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是赤道帶采用橘瓣式，上下極板是足球瓣式。優(yōu)點(diǎn)是制造球皮工作量小，焊縫短，施工進(jìn)度快，另外可以避免支柱搭在球殼焊縫上帶來(lái)的不足，缺點(diǎn)是兩種球瓣組裝校正麻煩，球皮制造要求高[1]。 按儲(chǔ)存溫度及用途分類(lèi)，貯存液化石油氣、氨和氧等。～ MPa,在常溫下使用。一般說(shuō)這類(lèi)球罐的壓力比較高，取決于液化氣的飽和蒸汽壓或壓縮機(jī)的出口壓力。常溫球罐的設(shè)計(jì)溫度大于20。 ，貯存乙烯等液化氣為目的而制造的，～ MPa，溫度大多在20～100的范圍。這類(lèi)球罐的設(shè)計(jì)溫度低于或等于20，一般不低于100。壓力屬于中等（視該溫度下介質(zhì)的飽和蒸汽壓而定）。 、深冷（極低溫）中使用的球罐，貯存100以下的液化氣為目的而制造的，使用壓力極低，因?yàn)槭褂玫臏囟仁菢O低溫。為了防止與大氣溫度接觸以便保冷，多數(shù)都是雙層球罐。 球罐用鋼球罐是儲(chǔ)存氣體或液體介質(zhì)的固定式壓力容器，他們均被固定于露天場(chǎng)地，不作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。他們長(zhǎng)期承受靜載荷或低周波疲勞載荷。為使球罐能在靜載和低周疲勞載荷下長(zhǎng)期工作，結(jié)構(gòu)保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，球罐應(yīng)具有較高的剛度；不允許產(chǎn)生塑性變形和斷裂，因此要求球罐用鋼應(yīng)具有較高的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度、塑性和韌度均較好；由于它們要長(zhǎng)期在介質(zhì)環(huán)境下工作，球罐用鋼應(yīng)具有足夠的耐腐蝕性，某些低溫球罐的用鋼還具有足夠低的脆性轉(zhuǎn)化溫度。球罐用鋼主要有： (1)低合金鋼國(guó)內(nèi)外對(duì)耐腐蝕性要求不是很高的球罐，都采用低合金鋼，如耐大氣腐蝕的含銅、磷、釩、稀土的低合金鋼，耐硫化物腐蝕破裂的含鉻、鋁、鉬、釩、鎢的低合金鋼等。 (2)低碳調(diào)質(zhì)鋼為了提高鋼材的抗裂性和低溫韌度，降低鋼的含碳量十分有效，但卻降低了鋼的強(qiáng)度。為了將鋼的強(qiáng)度提高上去，可以通過(guò)加入多種微量元素。因此低碳調(diào)質(zhì)鋼具有足夠高的強(qiáng)度和韌度，與同等強(qiáng)度級(jí)別的一般低合金高強(qiáng)鋼相比，具有低碳和裂紋敏感性指數(shù)低的特點(diǎn)。國(guó)外已經(jīng)普遍采用這類(lèi)鋼制造煤氣和天然氣或其它氣體球罐。 (3)不銹鋼在輕工、食品工業(yè)中，使用較多的是奧氏體不銹鋼，由于奧氏體不銹鋼的Cr、Ni含量較高，因此在氧化性、中性以及弱還原性介質(zhì)中均具有良好的耐腐蝕性。奧氏體不銹鋼的塑韌性?xún)?yōu)良，冷、熱加工性能俱佳，焊接性?xún)?yōu)于其他類(lèi)型的不銹鋼，在球罐制造中得到了一定的應(yīng)用。 (4)低溫用鋼低溫用鋼主要用于低溫下工作的容器、管道和結(jié)構(gòu)，如液化石油氣儲(chǔ)存、冷凍設(shè)備及石油化工低溫設(shè)備等。按照規(guī)定，將低于20℃下使用的鋼材稱(chēng)為低溫用鋼。對(duì)于低溫用鋼主要應(yīng)考慮的問(wèn)題是低溫脆性[2]。 課題目的及意義本次設(shè)計(jì)為1000 m179。，儲(chǔ)存介質(zhì)為異丁烯， MPa的球罐。主要以球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝設(shè)計(jì)為主。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括球罐的殼板尺寸的計(jì)算、球殼壁厚的計(jì)算、支座形式的選取與校核、開(kāi)孔的結(jié)構(gòu)選擇與補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算校核，連接部位的強(qiáng)度計(jì)算（地腳螺栓、拉桿、支柱與球殼連接最低點(diǎn)的應(yīng)力校核，支柱與球殼連接焊縫強(qiáng)度校核）等；工藝設(shè)計(jì)包括組裝工藝的確定、焊接方法的選擇、焊接參數(shù)的設(shè)定，焊接順序的安排等。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊接工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)，要了解球罐設(shè)計(jì)的基本方法與基本要求，材料的下料加工方法及其設(shè)備，焊接的裝配與夾具，焊后檢驗(yàn)等知識(shí)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，制造出工藝合格，結(jié)構(gòu)合理的設(shè)計(jì)方案，使其具有一定的可行性。2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 概況我國(guó)現(xiàn)行使用的球罐，多以球殼板的組合方案不同分為橘瓣式和足球與橘瓣組成的混合式兩種，以拉桿形式不同分為可調(diào)式和固定式兩種。球罐的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但它的制造和安裝較之其他形式儲(chǔ)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(duì)及現(xiàn)場(chǎng)焊接難度較大。而且，由于球罐絕大多數(shù)是壓力容器，它盛裝的物料有大部分是易燃、易爆物，且裝載量大，一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想。球罐結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)必須考慮多種因素：盛裝物料的性質(zhì)、設(shè)計(jì)溫度和壓力、材質(zhì)、制造裝備和技術(shù)水平、安裝方法、焊接和檢驗(yàn)要求、操作方便可靠性、自然環(huán)境的影響等。 球殼的設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)的選取球殼是球罐主體，是裝載物料的受壓構(gòu)件，球罐的幾何尺寸比較大，用材量大，不能整體運(yùn)輸，因而球殼必須由許多瓣片組成，在制造廠進(jìn)行球瓣的壓制等預(yù)制加工后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)組焊。本次球罐的殼版選用混合式球殼結(jié)構(gòu)?；旌鲜角驓さ慕M成是赤道帶和溫帶采用橘瓣式球殼板，極板采用足球瓣殼版。足球瓣和橘瓣混合式球殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：足球瓣結(jié)構(gòu)尺寸小相同或相近，制造下料較簡(jiǎn)單，互換性好，克服了橘瓣極板尺寸小、球板規(guī)格多的缺點(diǎn)。 殼板尺寸計(jì)算符號(hào)說(shuō)明R——球罐半徑，R=6150 mm；N——赤道帶分瓣數(shù)；N=16α——赤道帶周向球心角，α=176。；β0——赤道帶球心角，β0=176。；β1——極中板球心角，β1=176。；β2——極側(cè)板球心角，β2=22176。；β3——極邊板球心角，β3=22176。； 混合式球殼 1. 極中板；；；4赤道板 赤道板（）尺寸計(jì)算弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng) 赤道板 極板（）尺寸計(jì)算 極板弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)對(duì)角線弦長(zhǎng)與弧長(zhǎng)的最大間距 （1）極中板（）尺寸計(jì)算弧長(zhǎng) 極中板弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)對(duì)角線弦長(zhǎng)與弧長(zhǎng)的最大間距 弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)（2）極側(cè)板（）尺寸計(jì)算弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)式中A、H同前 極側(cè)板（3）極邊板（）尺寸計(jì)算 極邊板弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng)弦長(zhǎng)弦長(zhǎng)弧長(zhǎng) 弧長(zhǎng) 弦長(zhǎng)式中 支座和拉桿的設(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。它同時(shí)又承受各種風(fēng)載荷、地震載荷、雪載荷等外載荷。本次球罐設(shè)計(jì)采用赤道正切柱式支座。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：支柱與球殼相切或接近相切（相割）而焊接起來(lái)。支柱支撐球罐的重量，同時(shí)承受地震、風(fēng)載等外載荷。為保證球罐的穩(wěn)定性，支柱之間用拉桿相連接。這種支座的優(yōu)點(diǎn)是受力均勻，彈性好，能承受彈性變形，組焊方便，施工簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)操作和檢修方便。 （1）支柱支柱采用單段式支柱結(jié)構(gòu)形式。支柱總長(zhǎng)8000mm，采用Q235B無(wú)縫鋼管。球殼與支柱連接按照GB12337選用赤道正切式（受力均勻，彈性好，安裝和施工方便，容易調(diào)整）支柱與球殼連接處主要分為有墊板和無(wú)墊板結(jié)構(gòu)本次采用無(wú)墊板直接連接結(jié)構(gòu)型式，這種結(jié)構(gòu)避免了有墊板中的搭接焊縫從而降低焊接裂紋的產(chǎn)生，并且探傷簡(jiǎn)便。支柱與其上端在制造廠加工成與球殼相接的圓弧狀（圓弧狀受力合理，抗拉斷能力強(qiáng)），下端與底板焊好，然后運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)與球瓣進(jìn)行組裝和焊接。由于所儲(chǔ)存介質(zhì)為異丁烯具有易燃特性，所以每根支柱應(yīng)設(shè)置排氣孔，孔上采用易熔塞。還應(yīng)設(shè)置防火層。支柱底板的地腳螺栓孔應(yīng)為徑向長(zhǎng)圓孔。查GB123372010中混合式球殼參數(shù)表，得支柱長(zhǎng)度為8000mm。根據(jù)（球罐和大型儲(chǔ)罐）中支柱高于1m，用厚度50mm以上的耐熱混凝土或具有相當(dāng)性能的不燃性絕熱材料覆蓋，尤其對(duì)于易燃性氣體更為必要。 （2）拉桿拉桿是作為球罐承受風(fēng)載荷及地震載荷的部件，為了增加球罐的穩(wěn)定性而設(shè)置。拉桿結(jié)構(gòu)可分為可調(diào)式和固定式兩種?？烧{(diào)式拉桿分為單層交叉可調(diào)式拉桿、雙層交叉可調(diào)式拉桿和三拉桿可調(diào)式。本次球罐的采用拉桿結(jié)構(gòu)為單層交叉可調(diào)式拉桿，采用材料Q235B鋼管。直徑mm。 開(kāi)孔 人孔結(jié)構(gòu)球罐人孔是作為工作人員進(jìn)出球罐進(jìn)行檢驗(yàn)及維修之用。施工時(shí)，用于罐內(nèi)通風(fēng)、煙塵的排除、腳手架施工用具的搬運(yùn)；進(jìn)行熱處理時(shí)，上人孔用于調(diào)節(jié)空氣和排煙，下人孔用于放置噴火嘴及其燃料接管。、DN500回轉(zhuǎn)蓋整體鍛件凸緣補(bǔ)強(qiáng)的人孔。位置在上、下極帶的中心。法蘭選用16Mn二級(jí)鍛件，法蘭蓋為Q345R，密封面選用MFM（凹凸面）。具體尺寸在裝配圖中標(biāo)出[3]。 接管結(jié)構(gòu)本次球罐設(shè)備的接管凡是DN89mm的補(bǔ)強(qiáng)均采用厚壁管插入式整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。厚壁管插入式補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省材料，并且在球罐上采用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)可以避免補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的角接焊縫。人孔采用16Mn三級(jí)鍛件，厚壁管、法蘭等均用材料16Mn二級(jí)鍛件鍛制而成。各項(xiàng)尺寸要符合圖紙要求。鍛制凸緣整體補(bǔ)強(qiáng)按照中石化標(biāo)準(zhǔn)SH/T 31382003《球形球罐整體補(bǔ)強(qiáng)凸緣》進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。球罐開(kāi)孔情況及法蘭選擇[5]。 球罐附件溫度計(jì)、壓力表、安全閥的選取[6] 附件型號(hào)表名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量備注安全閥A47H161壓力表YZ150ZTQ2溫度計(jì)WTZ2801各附件尺寸及進(jìn)出料口、 各件尺寸表名稱(chēng)法蘭外伸長(zhǎng)度備注安全閥 DN100mm100mm壓力表 DN25mm100mm~溫度計(jì) DN25mm100mm測(cè)量范圍進(jìn)、出料口 DN150mm100mm排污孔 DN50mm100mm 外部梯子在赤道帶以下采用角的直梯，上部為與球殼同樣弧度的外轉(zhuǎn)梯。由于本次設(shè)計(jì)的球罐體積為所以?xún)?nèi)部不需設(shè)置轉(zhuǎn)梯。 球殼壁厚的確定 設(shè)計(jì)條件公稱(chēng)容積：1000m179。（內(nèi)徑Di=12300 mm）球殼材料：Q345R，[σ]= [σ]t=185MPa儲(chǔ)存物料：異丁烯物料密度：ρ1=670 kg/m179。設(shè)計(jì)壓力：P= MPa設(shè)計(jì)溫度：T=~50射線探傷檢驗(yàn)：100%地震設(shè)防烈度：7度基本風(fēng)壓值：600 N/ 基本雪壓值 350N/球罐建造場(chǎng)地：III類(lèi)場(chǎng)地，近震，B類(lèi)地區(qū)支柱數(shù)量：n=8（材料Q235BФ426mm鋼管）拉桿：選取Ф508 mm鋼管，材料為圓鋼。 球殼壁厚計(jì)算 （1）計(jì)算壓力存儲(chǔ)介質(zhì)為氣體，所以計(jì)算壓力=設(shè)計(jì)壓力= （2）設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算厚度 （） 與初選的Q345R厚度范圍16~36mm相矛盾，所以改選厚度范圍為3~16mm 許用應(yīng)力為189MPa，再次進(jìn)行計(jì)算 鋼板負(fù)偏差是腐蝕裕量， mm，+= mm，考慮到鋼板生產(chǎn)單位能生產(chǎn)的鋼板厚度，選擇球殼板的名義厚度為16 mm。 球罐質(zhì)量計(jì)算球殼平均直徑：DCP=12308 mm球殼材料密度：ρ2=7810 kg/m179。水的密度：ρ3=1000kg/m179。（1）操作狀態(tài)下的球罐質(zhì)量m0（2）液壓試驗(yàn)條件下球罐的質(zhì)量mT（3）球罐最小質(zhì)量式中：—球殼質(zhì)量，kg— 物料質(zhì)量，kg— 液壓試驗(yàn)時(shí)液體的質(zhì)量，kg— 積雪質(zhì)量，kg — 支柱和拉桿的質(zhì)量，kg — 附件質(zhì)量，kg 支柱、拉桿計(jì)算 地震載荷計(jì)算[7] （1）自振周期支柱底板面至球殼中心的距離：H0=8000 mm；支柱底板面至拉桿中心線與支柱中心線交點(diǎn)處的距離：L=5600mm；支柱數(shù)目：n=8；支柱選用分段式支柱；支柱材料：采用Q235B支柱內(nèi)徑：408 mm；支柱外徑：426mm；球罐的基本自振周期 T= （）式中： — 拉桿影響系數(shù)由表614查取得，ξ=； — 支柱橫截面慣性；=mm4 （2）水平地震力 （）式中：— 綜合影響系數(shù)，取=式中 — 地震影響系數(shù)的最大值，= — 各類(lèi)場(chǎng)地的特征周期 = 風(fēng)載荷計(jì)算水平風(fēng)力 （）式中：k1— 風(fēng)載體形系數(shù)；取k1=—風(fēng)振系數(shù)=1+=1+==600N/m2 — 風(fēng)壓高度變化系數(shù) =，—