【文章內(nèi)容簡介】 第一章 球罐設計 6 （ 3） U 形柱結構 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。該結構制造工藝簡單，施焊方便，沒有工藝難點，不存在焊接死角，在三種結構中與球殼的連 接長度最長，這樣對局部應力的改善也最有效。球罐的局部應力是不可避免的，只能靠改進結構來減小，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，使其逐漸過渡等方法， U 形柱結構則集中了這些特點。 GB1233798 增加了 U形柱結構，解決了低溫球罐支柱連接無法解決的難題。 圖 13 支柱與球殼連接下部結構 接管補強結構 大型球罐的接管補強一般采用兩種結構型式，第一種型式為厚壁管補強結構；第二種采用鍛制凸緣，在應力集中部位局部加厚的密集補強型式。 人孔和接管 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 球罐設計 7 （ 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 ,接管的補強結構材料 ,也應遵循同樣的要求 （ 2） 孔的補強尺寸 一般壓力容器規(guī)范都規(guī)定了不需補強的最大接管開孔尺寸，但在球罐上不宜采用這個 “不需補強的最大接管開孔尺寸的概念。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，接管應采用厚壁管。即使對小直徑接管，例如 DN20 也應采用厚壁管焊接結構。 （ 3） 接管的補強結構 球罐接管的補強結構有如下幾種類型 （ 4） 接管的補強結構 球罐接管的補強結構有如下幾種類型。 ① 補強圈補強的接管補強結構； ② 厚壁管補強結構； ③ 整體凸緣補強結構。 接管最好 應用 厚壁管補強，而 盡力 不用補強圈補強。 （ 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 除了應具有 一定 的強度外，還應 該 具有抗疲勞的能力， 用 克服進出料的沖擊 很大 、管道的震動、操作壓力 在 波動 與 工藝配管 力量 等因素引 發(fā)的 疲勞破壞。 （ a）厚壁管補強 （ b）整體鍛件凸緣補強 圖 14 球罐的補強形式 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 球罐設計 8 球罐的設計方法 球殼的設計計算有兩種方法，即常規(guī)設計方法與分析設計方法。我國 的 球罐設計標準 在 GB1233798 其中的 常規(guī)設計方法 中 標準， 到現(xiàn)在 ，大部分球罐均按這個標準進行設計、制造、安裝。我國分析設計法的標準有 JB473295《鋼制壓力容器應力分析法設計標準》，這是個通用性的標準， 到現(xiàn)在 我國 還是 尚無球罐設計專用的分析設計 的 標準。隨著球罐的大型化方向發(fā)展，外國已開始采用分析設計法設計球罐，大型球罐采用分析設計法設計更為科學、經(jīng)濟合理，因此，利用分析設計法設計大型球罐有著廣闊的前景。 常規(guī)設計方法常規(guī)設計方法是基于彈性失效原則，喪失彈性狀態(tài)為失效，規(guī)設計只考慮最大載荷的工況，對結構，尺寸，形狀等有明確限制。常規(guī)設計應該用 彈性 失效準則而不適 用 于 規(guī)則 進行疲勞分析 的 容器，而分析設計 應用了 包含疲勞失效準則在內(nèi) 在 的多種 方法 失效準則，因而在必要時 比較合適 進行疲勞分析。分析設計需要 用 詳細的應力分析報告為 主要的 依據(jù)，需要近代的分析計算 的 工具和實驗技術 手法 ，常規(guī)設計法 和 分析設計 方法 主要區(qū)別詳見表 。 表 常規(guī)設計法與分析設計法的主要區(qū)別 比較對象 常規(guī)設計方法 分析設計方法 設計原則 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。對于一次加載要計算極限載荷，對于交變載荷，要計算安定載荷。安定性載荷主要針對疲勞和棘輪現(xiàn)象 載荷 非交變材料力學方法，薄膜原理 可以考慮交變載荷彈性式塑性力學分析，薄膜原理理論方法 應力評定 應力不分類，許用應力一樣，第一強度理論，安全系數(shù)大 應力分類用應力強度來評定 第三強度理論，安全系數(shù)小 制造 全焊透 全焊透 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，再運到到現(xiàn)場進行組裝、焊接、檢驗和試驗最終完沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 球罐設計 9 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。 國內(nèi)外普遍采用的球瓣成形技術是沖壓成形，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、爆炸成形等無模成型方法。對于液壓成形、爆炸成形等無模成型法，由于對材料的損傷較大，主要還是停留在理論研究方面，實現(xiàn)應用較少；熱壓和溫壓成型是早年壓力機能力不夠時的權宜之計，由于對材料有損傷、球殼板減薄量大及需要設置大型加熱爐等因素，也基本停止使用。 目前國內(nèi)外球罐冷壓成形技術主要還是依靠制造廠的經(jīng)驗，根據(jù)經(jīng)驗選擇一定曲率的胎具試壓確定胎具的曲率，壓制時結合加鋼墊局部調(diào)整使球殼板 達到要求的曲率，因此不同廠家冷壓球片的精度和效率差別很大。國外在球罐大型化制造技術研究方面開展較早，對大板片球罐的制造技術和精度控制較為成熟，國內(nèi)大型化制造技術發(fā)展也很快，近年來對球罐制造技術研究工作也開展了很多，包括下料技術、大板片、薄板壓制技術等等，但特大型大板片制造精度還沒有很好地掌握。 球罐安全與安裝技術 球罐現(xiàn)場安裝是球罐建造的關鍵環(huán)節(jié)之一，包括組裝、焊接、熱處理、檢驗、試驗等工作，內(nèi)容多、工作量大，對球罐最終質(zhì)量起到至關重要的作用。組裝技術隨著球罐的大型化、球瓣尺寸的大型化，組 裝技術從早期的分帶組裝或分塊組裝向整體組裝發(fā)展，目前國內(nèi)外球罐組裝技術都是以整體組裝為主。整體組裝的優(yōu)點是組裝速度快，幾何精度高，便于對稱施焊、焊接變形小等；缺點是卡具要求多，焊接全部為高空作業(yè)，勞動強度大等。 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和工藝要求，要嚴格按評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焊，在國外前蘇聯(lián)、德國、日本美國等國家都較早采用了大型球罐自動焊，我國上世紀 90 年代開始大型球罐自動焊試驗研究，并應用于球罐的建造中，主要是自保護和氣保護全位置自動焊工藝。但從目前總體上看，國內(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)量相對可靠，自動焊提高一次合率、減少返修工作量還是今后球罐焊接要研究的工作之一。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 球罐設計 10 球罐用鋼的要求 6MnR 鋼板是我國目前使用最多、最普遍的一種低合金高強度壓力容器用鋼。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，但是強度 很低 ，且 16MnR 板厚效應 非常 嚴重，其強度和韌性隨板厚 度 的增加下降 很 大，厚度為 48mm 的時候 ， 16MnR 鋼板實物 在 韌性儲備量不高， 其中 設計厚度 ≤50mm 的時候 使用。 07MnCrMoVR 鋼是我國 “七五 ”期間 創(chuàng)新 出來的新鋼種，該鋼的力學 能力 相當于 WELTEN62CF 鋼的實際水平。 07MnCrMoVR 鋼 應用 低碳多元微合金 在 嚴格控制碳當量 (Ceq≤ ％ )在 焊接裂紋敏感性組織 (Pcm ≤％ )，并 且通過合理的調(diào)質(zhì)熱處理 之后 獲得最佳強韌比 其中 組織結構，從根本上保證了其焊接性能 與 優(yōu)良的低溫韌度。 07MnCrMoVR 的力學性能 在其中 及其穩(wěn)定性好，國內(nèi) 的 大部分設計、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，但對貯存液化石油氣介質(zhì)中 存在 硫化氫含量有 很嚴 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 GB1501998 國家標準第 1 號修改單新增鋼號，它是低合金鋼領域中的新一代鋼種 (350MPa 級 )，其強度和韌性優(yōu)于 16MnR，同時也優(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。該鋼種采用先進的冶煉工藝，鋼材的化學成分、力學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，該鋼性價比較高，是大型球罐的理想鋼種。該鋼材取代進口鋼板后，能滿足我國大型液化氣球罐用鋼的迫切需求[10]。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 球罐的發(fā)展趨勢與面臨問題 11 第二章 球罐的發(fā)展趨勢與面臨問題 球罐發(fā)展趨勢 隨著材料、焊接、制造、施工安裝 技術不斷提高，球罐也正向大型化、多結構、高參數(shù)的方向發(fā)展。設計壓力從 的真空度到上百個大氣壓力，工作溫度從250℃ 到 850℃ ，球罐結構從單層到多層，品種非常廣泛。其中，最主要的是向大型化方向發(fā)展。目前，國外最大的球罐已作到壓力為 6～ 7MPa，體積為 30000m3 左右的大型球罐。 球罐大型化面臨的問題 由于大型化的經(jīng)濟性十分顯著，已成為世界各國優(yōu)先重視的重要的課題與重點的科研方向。球罐大型化的進程在不同國家、不同時期受著不同因素的制約。隨著相應技術的發(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。我國的發(fā)展情況和發(fā)展要求，制約和狀態(tài)來分析并且從對比我國和外國的發(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 由于國內(nèi)冶煉技術方面的因素，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。高強度的鋼材對于球罐大型化是至關重要的，國際上對此也都做了大量工作。 （ 2） 球罐現(xiàn)場熱處理 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不進行整體熱處理的板厚上限，大型球罐的整體熱處理勢在必行。因此，必須深入探討和研究大型球罐的熱處理設備和工藝措施，并在標準規(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、避免強力組裝，應沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 球罐的發(fā)展趨勢與面臨問題 12 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輸能力。因此在對大型球罐設計施工時，對此問題也應進行充分的考慮。 （ 5） 球罐現(xiàn)場組裝和焊接問題 由于大型球罐均為現(xiàn)場組裝組合，施工條件不好、人員流動性很大，所以在大型球罐施工時需要進行嚴格的質(zhì)量管理要求，建立完善的質(zhì)量保證體系。目前，國內(nèi)已部分采用并將較多采用 σs≥490MPa 的高強度鋼。 （ 1） 16MnR 鋼板是我國目前使用最多、最普遍的一種低合金高強度壓力容器用鋼。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 ，但是強度 很 低， 并且在 16MnR 板厚效應 非常 嚴重，其強度與 韌性隨板厚的增加下降 很 大，厚度 在 48mm 的時候 ， 16MnR 鋼板實物 其中 韌性儲備量不 是很高 ，在設計厚度 ≤50mm 的時候 使用。 （ 2） 7MnCrMoVR 鋼是 在 我國 “七五 ”期間 創(chuàng)新 出來的新鋼種， 這 鋼的力學性能 應該是 WELTEN62CF 鋼 在 實際水平。 07MnCrMoVR 鋼 應用 低碳多元微合金以嚴格 的 控制碳當量 (Ceq≤ ％ )和焊接裂紋 期間的 敏