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1、沈阳理工大学学士学位论文1 绪论球罐为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于市政建设、燃气储存、石油、化工、冶金等各种工业生产领域中。它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮、丙烯、丁烯、丙烷、乙烯及其他介质的储存容器。也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。我国在石油化工、合成氨、城市燃气建设中，大型化球罐得到了广泛应用。例如：在石油、化工、冶金城市煤气等工程中，球形容器被用于储存液化石油气、液化天然气、液氧、液氮、液氢、氧气、氮气、天然气、城市煤气、压缩空气等物料；在原子能发电站，球形容器被用作核安全壳；在造纸厂被用作蒸煮球等。总之，随着工业的发展，球罐容器的使
2、用也来越广泛。1.1 球罐的特点 球罐与常用的圆筒形容器相比具有以下特点： (1)球罐的表面积最小，即在相同容量下球罐所需钢材面积最小 (2)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，采用相同钢板时，球罐的板厚只需要圆筒形容器壁厚的一半。 (3)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，外形美观，可用于美化工程等原因，是球罐的应用得到很大的发展。1.2 球罐分类 球罐的结构是多种多样的，根据不同的使用条件(介质、容量、压力湿度、储存温度)有不同的结构形式。 按球壳的组合方式分为纯橘瓣式、纯足球瓣式和足球橘瓣混合式
3、 (1)纯橘瓣式球壳是按橘瓣结构形式(或称西瓜皮瓣)进行分割组合的，这种结构形式称纯橘瓣球壳。这种球壳的特点是球壳拼装焊缝较规则，施工简单。 (2)足球瓣式球壳。其优点是球瓣的尺寸相同或相近，制作球片简单省料。缺点是组装比较困难，有部分支柱搭在球壳的焊缝上造成该处焊接应力较复杂。 (3)足球橘瓣混合式球壳。其结构特点是赤道带采用橘瓣式，上下极板是足球瓣式。优点是制造球皮工作量小，焊缝短，施工进度快，另外可以避免支柱搭在球壳焊缝上带来的不足，缺点是两种球瓣组装校正麻烦，球皮制造要求高1。 按储存温度及用途分类a.在高压常温中使用的球罐，贮存液化石油气、氨和氧等。压力大多为1.04.0 MPa,在
4、常温下使用。一般说这类球罐的压力比较高，取决于液化气的饱和蒸汽压或压缩机的出口压力。常温球罐的设计温度大于-20。 b.在中压低温中使用的球罐，贮存乙烯等液化气为目的而制造的，压力1.82.0 MPa，温度大多在-20-100的范围。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汽压而定）。 c.低压、深冷（极低温）中使用的球罐，贮存-100以下的液化气为目的而制造的，使用压力极低，因为使用的温度是极低温。为了防止与大气温度接触以便保冷，多数都是双层球罐。1.3 球罐用钢球罐是储存气体或液体介质的固定式压力容器，他们均被固定于露天场地，不作相对运动
5、。他们长期承受静载荷或低周波疲劳载荷。为使球罐能在静载和低周疲劳载荷下长期工作，结构保持长期稳定，球罐应具有较高的刚度；不允许产生塑性变形和断裂，因此要求球罐用钢应具有较高的屈服点和抗拉强度、塑性和韧度均较好；由于它们要长期在介质环境下工作，球罐用钢应具有足够的耐腐蚀性，某些低温球罐的用钢还具有足够低的脆性转化温度。球罐用钢主要有： (1)低合金钢国内外对耐腐蚀性要求不是很高的球罐，都采用低合金钢，如耐大气腐蚀的含铜、磷、钒、稀土的低合金钢，耐硫化物腐蚀破裂的含铬、铝、钼、钒、钨的低合金钢等。 (2)低碳调质钢为了提高钢材的抗裂性和低温韧度，降低钢的含碳量十分有效，但却降低了钢的强度。为了将钢
6、的强度提高上去，可以通过加入多种微量元素。因此低碳调质钢具有足够高的强度和韧度，与同等强度级别的一般低合金高强钢相比，具有低碳和裂纹敏感性指数低的特点。国外已经普遍采用这类钢制造煤气和天然气或其它气体球罐。 (3)不锈钢在轻工、食品工业中，使用较多的是奥氏体不锈钢，由于奥氏体不锈钢的Cr、Ni含量较高，因此在氧化性、中性以及弱还原性介质中均具有良好的耐腐蚀性。奥氏体不锈钢的塑韧性优良，冷、热加工性能俱佳，焊接性优于其他类型的不锈钢，在球罐制造中得到了一定的应用。 (4)低温用钢低温用钢主要用于低温下工作的容器、管道和结构，如液化石油气储存、冷冻设备及石油化工低温设备等。按照规定，将低于-20下
7、使用的钢材称为低温用钢。对于低温用钢主要应考虑的问题是低温脆性2。1.4 课题目的及意义本次设计为1000 m，储存介质为异丁烯，设计压力位0.79 MPa的球罐。主要以球罐的结构设计和焊接工艺设计为主。结构设计包括球罐的壳板尺寸的计算、球壳壁厚的计算、支座形式的选取与校核、开孔的结构选择与补强计算校核，连接部位的强度计算（地脚螺栓、拉杆、支柱与球壳连接最低点的应力校核，支柱与球壳连接焊缝强度校核）等；工艺设计包括组装工艺的确定、焊接方法的选择、焊接参数的设定，焊接顺序的安排等。在进行结构设计与焊接工艺设计的同时，要了解球罐设计的基本方法与基本要求，材料的下料加工方法及其设备，焊接的装配与夹具
8、，焊后检验等知识。通过本次设计，制造出工艺合格，结构合理的设计方案，使其具有一定的可行性。2 结构设计2.1 概况我国现行使用的球罐，多以球壳板的组合方案不同分为橘瓣式和足球与橘瓣组成的混合式两种，以拉杆形式不同分为可调式和固定式两种。球罐的结构并不复杂，但它的制造和安装较之其他形式储罐困难，主要原因是它的壳体为空间曲面，压制成型、安装组对及现场焊接难度较大。而且，由于球罐绝大多数是压力容器，它盛装的物料有大部分是易燃、易爆物，且装载量大，一旦发生事故，后果不堪设想。球罐结构的合理设计必须考虑多种因素：盛装物料的性质、设计温度和压力、材质、制造装备和技术水平、安装方法、焊接和检验要求、操作方便
9、可靠性、自然环境的影响等。2.2 球壳的设计 2.2.1 结构的选取球壳是球罐主体，是装载物料的受压构件，球罐的几何尺寸比较大，用材量大，不能整体运输，因而球壳必须由许多瓣片组成，在制造厂进行球瓣的压制等预制加工后运至施工现场组焊。本次球罐的壳版选用混合式球壳结构。其结构如图2.1所示。混合式球壳的组成是赤道带和温带采用橘瓣式球壳板，极板采用足球瓣壳版。足球瓣和橘瓣混合式球壳结构的优点：足球瓣结构尺寸小相同或相近，制造下料较简单，互换性好，克服了橘瓣极板尺寸小、球板规格多的缺点。2.2.2 壳板尺寸计算1、符号说明R球罐半径，R=6150 mm；N赤道带分瓣数；N=16赤道带周向球心角，=22
10、.5；0赤道带球心角，0=67.5；1极中板球心角，1=24.5；2极侧板球心角，2=22；3极边板球心角，3=22；图2.1 混合式球壳 1. 极中板；2.极侧板；3.极边板；4赤道板2、 赤道板（见图2.2）尺寸计算弧长弦长弧长弦长弧长弦长弦长弧长图2.2 赤道板3、 极板（见图2.3）尺寸计算 图2.3 极板弦长弧长弧长弦长弧长弦长对角线弦长与弧长的最大间距 （1）极中板（见图2.4）尺寸计算弧长图2.4 极中板弦长弧长弦长弦长弧长弦长弧长对角线弦长与弧长的最大间距 弦长弧长（2）极侧板（见图2.5）尺寸计算弦长弧长弦长弧长弧长弦长弧长弦长弦长弧长式中A、H同前图2.5 极侧板（3）极边
11、板（见图2.6）尺寸计算图2.6 极边板弧长弦长弦长弧长弧长弦长弧长弦长弦长弧长 弧长 弦长式中2.3 支座和拉杆的设计球罐支座是球罐中用以支撑本体质量和储存物料质量的结构部件。它同时又承受各种风载荷、地震载荷、雪载荷等外载荷。本次球罐设计采用赤道正切柱式支座。其结构特点是：支柱与球壳相切或接近相切（相割）而焊接起来。支柱支撑球罐的重量，同时承受地震、风载等外载荷。为保证球罐的稳定性，支柱之间用拉杆相连接。这种支座的优点是受力均匀，弹性好，能承受弹性变形，组焊方便，施工简单，易于调整，现场操作和检修方便。 （1）支柱支柱采用单段式支柱结构形式。支柱总长8000mm，采用Q235B无缝钢管。球壳
12、与支柱连接按照GB-12337选用赤道正切式（受力均匀，弹性好，安装和施工方便，容易调整）支柱与球壳连接处主要分为有垫板和无垫板结构本次采用无垫板直接连接结构型式，这种结构避免了有垫板中的搭接焊缝从而降低焊接裂纹的产生，并且探伤简便。支柱与其上端在制造厂加工成与球壳相接的圆弧状（圆弧状受力合理，抗拉断能力强），下端与底板焊好，然后运到现场与球瓣进行组装和焊接。由于所储存介质为异丁烯具有易燃特性，所以每根支柱应设置排气孔，孔上采用易熔塞。还应设置防火层。支柱底板的地脚螺栓孔应为径向长圆孔。查GB12337-2010中混合式球壳参数表，得支柱长度为8000mm。根据（球罐和大型储罐）中支柱高于1m
13、，用厚度50mm以上的耐热混凝土或具有相当性能的不燃性绝热材料覆盖，尤其对于易燃性气体更为必要。 （2）拉杆拉杆是作为球罐承受风载荷及地震载荷的部件，为了增加球罐的稳定性而设置。拉杆结构可分为可调式和固定式两种。可调式拉杆分为单层交叉可调式拉杆、双层交叉可调式拉杆和三拉杆可调式。本次球罐的采用拉杆结构为单层交叉可调式拉杆，采用材料Q235B钢管。直径mm。2.4 开孔2.4.1 人孔结构球罐人孔是作为工作人员进出球罐进行检验及维修之用。施工时，用于罐内通风、烟尘的排除、脚手架施工用具的搬运；进行热处理时，上人孔用于调节空气和排烟，下人孔用于放置喷火嘴及其燃料接管。本次球罐的人孔选择PN2.5、
14、DN500回转盖整体锻件凸缘补强的人孔。位置在上、下极带的中心。法兰选用16Mn二级锻件，法兰盖为Q345R，密封面选用MFM（凹凸面）。具体尺寸在装配图中标出3。2.4.2 接管结构本次球罐设备的接管凡是DN89mm的补强均采用厚壁管插入式整体补强结构。厚壁管插入式补强的优点是结构简单、节省材料，并且在球罐上采用厚壁管补强可以避免补强圈补强时的角接焊缝。人孔采用16Mn三级锻件，厚壁管、法兰等均用材料16Mn二级锻件锻制而成。各项尺寸要符合图纸要求。锻制凸缘整体补强按照中石化标准SH/T 3138-2003球形球罐整体补强凸缘进行设计4。球罐开孔情况及法兰选择5见表2.1。2.5 球罐附件温度计、压力表、安全阀的选取6见表2.1表2.1 附件型号表名称型号数量备注安全阀A47H-161压力表YZ-150ZTQ2温度计WTZ-2801各附件尺寸及进出料口、排污孔的尺寸见表2.2表2.2 各件尺寸表名称法兰外伸长度备注安全阀PN1.6MPa DN100mm100mm压力表PN1.6MPa DN25mm100mm测量范围0.11.5MPa温度计PN1.6MPa DN25mm100mm测量范围进、出料口PN1.6MPa DN150mm100mm排污孔PN1.6MPa DN50mm100mm 外部
