【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第一章 球罐設(shè)計(jì) 6 （ 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)。 GB1233798 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 13 支柱與球殼連接下部結(jié)構(gòu) 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 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) 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(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 14 球罐的補(bǔ)強(qiáng)形式 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) 8 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 GB1233798 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 JB473295《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 。 表 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 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) 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(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。 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。 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) 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 WELTEN62CF 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≤ ％ )在 焊接裂紋敏感性組織 (Pcm ≤％ )，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 GB1501998 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]。 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 11 第二章 球罐的發(fā)展趨勢(shì)與面臨問(wèn)題 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 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 30000m3 左右的大型球罐。 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)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 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(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。 （ 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。 （ 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 WELTEN62CF 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≤ ％ )和焊接裂紋 期間的 敏