【正文】 ding 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III 目錄 1 緒論 ............................................................................................................................ 1 引言 ................................................................................................................. 1 球罐介紹 ......................................................................................................... 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................................. 2 球罐的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀 ..................................................................... 2 焊接設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀 ............................................................................. 3 球罐自動化焊接技術(shù)的進展 ............................................................. 4 課題主要內(nèi)容 ................................................................................................ 5 課題研究方案 ................................................................................................ 5 2 3000m179。根據(jù)每條焊縫有不同的特點，制定了各條焊縫的具體焊接順序和坡口形式，并選擇了焊接工藝參數(shù)。最后進行強度及穩(wěn)定性校核，校核 結(jié)果顯示本設(shè)計的結(jié)構(gòu)既安全又經(jīng)濟。本設(shè)計在選材方面考慮了多種材料的特性，最后確定 Q345R 為本球罐的材料。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 摘 要 本 次 設(shè)計以《 GB123372020 鋼制球形儲罐》和《 GB1502020鋼制壓力容器》為設(shè)計依據(jù)，綜合國內(nèi)外現(xiàn)有的制造技術(shù)設(shè)計了 3000m3 液氨 儲罐。在以安全為原則的基礎(chǔ)上綜合考慮產(chǎn)品質(zhì)量、施工建造可行性、國內(nèi)現(xiàn)有的建造技術(shù)等方面的因素，設(shè)計出公稱直徑為 18000mm、壁厚為 44mm 的大型球罐。同樣，本設(shè)計在球罐選型及支撐方式的選擇上也應(yīng)用多種形式作比較最終確定混合式結(jié)構(gòu)、可調(diào)式拉桿支撐最合理。 本文通過對球罐的材質(zhì)的焊接性分析，確定焊接材料和焊接方法。 球罐組裝、焊接之后，需要進行焊后處理，包括無損檢測，焊后熱處理，以及耐壓試驗等，本文也都進行了簡要的分析和說明，并介紹了相應(yīng)的處理方法和注意事項。球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ............................................................................................ 6 3000m179。目前，焊接已廣泛用于能源、石油化工、航空航天、原子能、海洋、交通等重大工程項目，同時亦遍及工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。迄今為止，我國現(xiàn)有各種球罐已愈萬臺。與同容積的圓筒形容器相比，球罐的表面積最小，受力均勻，在相同直徑和工作壓力下，其所受內(nèi)應(yīng)力最小。這是當前市場經(jīng)濟中人們十分關(guān)注的問題。表現(xiàn)為下料工序較復(fù)雜；從沖壓到拼裝尺寸要求嚴格；超差變形矯正困難。球罐現(xiàn)場組裝焊接，施工費用高；施焊條件差；裝配尺寸與精度難以保證；器壁拘束度較大，會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，甚至誘發(fā)裂紋；施工質(zhì)量受風(fēng)雨、溫度和濕度等環(huán)境因素的影響。但是，其基本制造工藝還是比較穩(wěn)定的，所以球罐的制造技術(shù)應(yīng)該被廣泛的應(yīng)用，并在原基礎(chǔ)上有所突破創(chuàng)新。例如：球罐被用于儲存液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氮、液氫、丙烯、氧氣、氮氣、液氨、城市煤氣、壓縮空氣等物料；在原子能發(fā)電站，球罐被用作核安全殼；在造紙廠被用作蒸煮球等。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 球罐介紹 球罐為大容量、承壓的球形儲存容器，它可以用來作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮及其他介質(zhì)的儲存容器。操作溫度一般為 50～ 50℃ ，操作壓力一般在 3 MPa 以 下。 (2) 球罐殼板承載能力比圓筒形容器大一倍，即球罐的承載能力最高，在相同直徑、相同內(nèi)壓條件下，采用同樣鋼板時，球形容器所需要壁厚僅為同直徑、同材料的圓筒形容器壁厚的 1/2（不考慮腐蝕裕度）。 由于這些特點，再加上球罐基礎(chǔ)簡單、受風(fēng)面小、外觀漂亮，可用于美化工程環(huán)境等原因，使球罐的應(yīng)用得到很大發(fā)展。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）有不同的結(jié)構(gòu)形式。 （ 1）按形狀分為圓球形和橢球形 （ 2）按殼體層數(shù)分為單層殼體和雙層殼體 （ 3）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 （ 4）按支承結(jié)構(gòu)分為柱式支承和裙式支承，半埋入式支承、高架支承等 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 球罐的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀 早在 1910 年美國建造了世界上第一臺球罐 ,至今全世界役各類工業(yè)球罐約 5 萬余臺 ,國外主要球罐制 造廠商約 40 余家 ,年建造增約 500～ 600 臺。至 1990 年全國在役各類工業(yè)球約 2200 余臺（其中：石油 300 余臺 、化工500 余臺 ,石油化工 500 余臺、冶金 200 余臺、城市煤氣 400 余臺、其他工業(yè)部門 300 余臺 。約占世界球罐建造增長量的 1/5 至 1/4。,直徑為 61m 的核反應(yīng)堆球形安全殼 ,設(shè)計壓力為 ~ MPa ,殼體壁厚控制在 38 mm 以 內(nèi) ,這是目前世沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 界上較大容量球罐。國產(chǎn)最大容量球雄是由金州重型機器廠于 1989 年為河南中原化肥廠建造的 4000 m179。 目前我國在役球罐主要參數(shù)：容量為 50~10000 m179。我國球罐容量 1000 m179。球罐占 70 % 左右。 球 罐 材 料 只 要 有 國 產(chǎn)A3F,A3,A3R,20R,Q345B,Q345R,15MnV,15MnVR,15MnVN, 15MnVNR 及從國外引進的各種球罐材料，我國球罐選用 Q345R 為主，約占總量 90% ，球罐結(jié)構(gòu)主要采用赤道正切式支承純正圓單層球罐，約占 99%；球殼結(jié)構(gòu)為桔瓣型及足球桔瓣混合型。我國 70 年代球罐事故統(tǒng)計，其發(fā)生率約為 2%。從而使我國球罐安全性達到世 界領(lǐng)先水平 。球罐的焊接、熱處理及質(zhì)量檢驗技術(shù)是保證質(zhì)量的關(guān)鍵。裝備制造業(yè)是制造業(yè)的核心，因為它是為各行各業(yè)提供各種裝備的產(chǎn)業(yè)。 上世紀 90 年代末， 美國和德國的專家在對 20 世紀前 20 年焊接技術(shù)發(fā)展前景的預(yù)測中認為，到 2020 年 ， 焊接仍將是制造業(yè)的重要加工工藝，它是一種精確、可靠、低成本，并且是采用高科技連接材料的方法。 對于國內(nèi)，盡管從焊接設(shè)備擁有量和焊接材料消耗量來看，我國已經(jīng)是一個焊接的大國， 但從先進技術(shù)應(yīng)用的深度與廣度、焊接自動化率、焊接機器人擁有量、大型復(fù)雜焊接系統(tǒng)的自主開發(fā)能力、原創(chuàng)性科研成果數(shù)量、勞動生 產(chǎn)率和生產(chǎn)管理水平等方面看，我國還不是一個焊接的強國。多數(shù)仍然是手工生產(chǎn)或者半自動化生產(chǎn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根本原因是國內(nèi)勞動力成本低廉，多個焊工同時焊接一條焊縫，自動化焊接設(shè)備的效率并不占有優(yōu)勢，除非要求焊接質(zhì)量一致性比較高的情況下，不得不采用自動化焊接設(shè)備。 球罐自動化焊接技術(shù)的進展 我國大型球罐的現(xiàn)場自動焊接，于 80 年代在石化行業(yè)進行了試驗性研究，但由于焊接設(shè)備與焊絲等問題而延誤了該項研究。中國石化總公司第三建設(shè)公司自 1993 年 8 月率先將自保焊和氣保焊自動化焊接工藝技術(shù)進行工藝開發(fā)。 1993年 12 月至 1994 年 5 月，完成了鎮(zhèn)海煉化股分有限公司的 5 臺容積為 1000 m3球罐； 1994年 10 月至 1995 年 3 月，又完成了蘇州液化汽公司兩臺 1000 m3液化石油氣球罐自動焊；1996 年 3 月至 1996 年 9 月，完成了鎮(zhèn)海煉化公司的 4 臺容積為 4000 m3球罐的全位置自動焊，這是我國目前建造的最大的全自動焊球罐； 1996 年 12 月至 1997 年 3 月又完成了蘇州兩臺 1000 m3球罐的全位置自動焊。 在開發(fā)研究大型球罐全位置自動焊接工藝技術(shù)的實踐過程中，可以看到、只有著重沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 解決焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝三方面的問題才能順利實現(xiàn)球罐全位置啟動焊。 課題研究方案 本文設(shè)計的是一個容積為 3000m3，工作壓力為 的球罐，介質(zhì)為 液氨 ，球罐的材料為 Q345R 鋼，支柱材料選用 Q235B 鋼。 通過對 Q345R 和 Q235B 的焊接性的研究和分析，選擇手工電弧焊進行容器的焊接。根據(jù)材料和焊接位置合理的選擇焊接工藝參數(shù)以及設(shè)計坡口形式。球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3000m179。 （二） 設(shè)計壓力 罐內(nèi)儲存 液氨 ，取設(shè)計壓力 P=。在球罐的設(shè)計參數(shù)中指定存儲的介質(zhì)為液氨 ，設(shè)計溫度為 20~40℃。 球罐用鋼選擇主要從兩方面考慮：一是技術(shù)性和安全性，即加工及使用性能，選擇原則是在滿足強度要求的前提下，應(yīng)保證良好的成型性、優(yōu)良的焊接性能、足夠高的缺口韌性值和長期可靠的使用性能；二是經(jīng)濟性，即應(yīng)在確保安全的前提下經(jīng)濟合理，因為鋼材的價格在球罐投資上占有較大的比例，對球罐用鋼提 出過高的要求，勢必會增加成本，難以保證經(jīng)濟性。根據(jù)我國球罐鋼材實際生產(chǎn)使用情況等因素確定此次設(shè)計的球罐球殼采用 Q345R 這種材料 。 本設(shè)計為常溫球罐，在滿足普通球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求下，還要充分考慮常溫球罐要沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 遵循的設(shè)計原則。 球殼的設(shè)計 球罐結(jié)構(gòu)型式的選擇 球殼是球罐的主體，球罐設(shè)計中常用以球殼板組合方案的不同分為橘瓣式和混合式兩種形式。的球罐，采用混合式球殼有板材利用率高，球殼板制造廠的成本低，運輸方便的優(yōu)點，同時混合式球殼要比橘瓣式球殼的焊縫總長度短很多，這對于現(xiàn)場施工來說，焊縫的減少就意味著節(jié)省了焊 條，降低了焊接的工作量，縮短了工期，也減少了焊縫的檢測量。 綜合考慮以上影響因素，決定本球罐球殼選用混合式排板結(jié)構(gòu)。； 0? — 赤道帶球心角， 105176。； 2? — 極側(cè)板球心角， 9176。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 2．上溫帶板 圖 21 上溫帶瓣片示意圖 弧長 mmRL 16485180 0 ?????? ?? 弦長 mmRL 142 802105s i n900 022s i n2 0 ???????????????? ? 弧長 mmN RB os24 os2 01 ?????????????????? ?? 弦長 mmRB 215s i n2105c os900022s i n2c os2 01 ???????????????????????????? ?? 弧長 mmN RB 2 3 5 524 9 0 0 2 ?????? ? 弦長 mmRB 215s i n900022s i n22 ???????????????? ? 弦長 mmRD o s2105c o s1900022c o s2c o s12 22202 ?????????????????????????????? ?? 弧長 mmRDRD r c s i n90 r c s i n90 ?????????????????? ?? 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 3．赤道帶 圖 22 赤道帶瓣片示意圖 弧長 mmRL 7 0 6 5180 459 0 0 0 ???????? ?? 弦長 mmRL 245s i n900022s i n2 0 ??????????????? ??? ? 弧長 mmN RB os24 os2 01 ???????????????? ???? ?? 弦長 mmRB 215s i n245c os900022s i n2c os2 01 ??????????????????????????? ??? ?? 弧長 mmN RB 235524 2 ?????? ? 弦長 mmRB 215s i n900022s i n22 ???????????????? ? 弦長 mmRD o s245c o s1900022c o s2c o s12 22202 ???????????????????????????? ???? ?? 弧長 mmRDRD r c s i n90 r c s i n90 ????????????????? ??? ?? 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10