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1、目录1、设计主要参数的确定42、总体设计方案42.1设计选材42.2球罐设计方案的确定53、球壳强度计算63.1壁厚的确定63.1.1计算压力63.1.2球壳各带厚度63.1.3试验压力校核73.2球罐质量计算83.3地震载荷计算93.3.1自振周期93.2.1地震力103.4风载荷计算103.5弯矩计算113.6支柱计算113.6.1单个支柱的垂直载荷113.6.2组合载荷123.6.3单个支柱弯矩123.6.4支柱稳定性校核143.7地脚螺栓计算163.7.1拉杆作用在支柱上的水平力163.7.2支柱底板与基础的摩擦力163.7.3地脚螺栓的选取163.8支柱底板173.8.1支柱底板直径
2、173.8.2底板厚度173.9拉杆计算183.9.1拉杆螺纹小径的计算183.9.2拉杆连接部位的计算183.10支柱与球壳连接最低点a的应力校核213.10.1 a点的剪切应力213.10.2 a点的纬向应力223.10.3 a点的应力校核223.11支柱与球壳连接焊缝的强度校核234、极板尺寸计算244.1赤道板尺寸计算244.2极板尺寸计算254.2.1极中板尺寸计算264.2.2极侧板尺寸计算284.2.3极边板尺寸计算305附件的设置316制造及安装336.1材料要求336.2球壳板下料、成型及运输346.3组装356.4焊接366.5无损检测376.6焊后整体热处理376.7压力
3、试验和气密性试验38参考文献41谢辞42天然气是当今最清洁的可用矿物燃料之一。其主要成分是烷烃，甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水汽，以及微量的惰性气体（如氦和氩等）。燃烧天然气时，主要产生二氧化碳及水蒸气。燃烧时几乎不对大气层释放二氧化硫或小微粒物质，所释放的有害物质也比其他矿物燃料如煤及原油少得多。就相对热值而言，天然气价格比其他大多数燃料便宜。例如，天然气比煤气便宜约34%至88%,比液化石油气便宜约38%至52%及比电力便宜约63%至80%。天然气本身并不具爆炸性，它必须与空气混合至超过一定百分比后才可燃烧。由于天然气以管道输送至最终用户
4、，因此免除使用罐装液化石油气时储存燃料带来的危险。并且天然气比空气轻，万一发生漏气会迅速扩散而不容易聚结形成爆炸。天然气纯净。燃烧充分，燃烧效率高。因此天然气燃烧时较相同热值的大部分其他矿物燃料释放出的热量更高。此外，天然气燃烧设备比煤或其他矿物燃料的燃烧设备简单、容易操作及方便保养。而且，使用天然气后无须弃置固体废料或烟灰。天然气燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值高、洁净等优势，使其广泛作为发电、石油化工、机械制造、玻璃陶瓷、汽车、集中空调的燃料或原料。本次设计的是1400m3天然气球罐，球罐与圆筒形容器相比其主要优点是：受力均匀；在同样壁厚条件下，球罐的承载能力最高，在相同内压条件
5、下，球形容器所需要壁厚仅为同直径、同材料的圆筒形容器壁厚的1/2（不考虑腐蚀裕度）；在相同容积条件下，球形容器的表面积最小，由于壁厚、表面积等原因，一般要比圆筒形容器节约30% 40%的钢材，也就减少了成本。因此，液化气球罐作为一种高效的III类存储容器，在我国得到了广泛的使用。1、设计主要参数的确定 此次设计为以甲烷为主要组分的天然气作为介质来设计的，给定操作温度40，工作压力为1.6MPa，取设计压力1.72MPa；罐体腐蚀裕量取1mm、单位充装量0.65Kg/ m3 ，因为是气体，充装系数按1.0。该设备工作地点为湖南省长沙市，查资料确定其风压、雪压值，具体设计条件如下：公称容积：140
6、0m3 存储介质：天然气（甲烷）物料密度： 2=0.65Kg/ m3设计压力：P=1.72MPa设计温度：40球壳内直径：Di =14200mm充装系数：k=1.0地震设防烈度：8度基本风压值：q0 =350N/ m2基本雪压值：q=300N/m2 球罐建造场地：II类场地土、近震、B类地区2、总体设计方案2.1设计选材 1400立方米天然气球罐壳体材料采用Q345R，它具有良好的焊接性能；锻件采用16MnIII；焊条采用E5015（J507）。壳体板材厚度大于20mm应用超声检测，符合JB/T4730-2005规定III级合格。2.2球罐设计方案的确定球壳内直径14200mm，按JB/T47
7、11-92球罐储罐型式与基本参数标准推荐采用混合式三带排版，分别为上极、赤道带、下极。球体分为30块板，上下级各7块，赤道带16块，焊缝总长311.3mm。支柱8根，支柱选用426x13钢管。按此设计焊缝分布合理，材料利用率高，生产制作简单容易，在一定程度上降低生产成本及生产周期，提高生产效益积极生产进度。 图2.1球罐总体设计图 支柱结构设计，支柱与球罐壳体的连接按GB12337选用的是赤道正切柱支撑。正切结构式由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或相近似相切而成的焊接结构。支柱撑住球罐的重量，为承受风载荷和地震载荷，保证球罐的稳定性，在支柱之间设置拉杆相连接。这种支座的优
8、点是受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，组焊方便，施工简单，容易调整，现场操作和检查也方便，且适用于多种规格的球罐。基于以上考虑，本球罐上支柱结构采用赤道正切支柱型式；U型托板连接结构。 支柱上应设置通风口是处于安全防火的需要，一旦遇到火灾，支柱内的气体会急剧膨胀，压力迅速升高，短时间内造成支柱爆裂，球罐倒塌，为避免此类情况发生，在支柱上应设置通风口。因是天然气球罐，还应设置防火层，防火层应选用耐热性和保温性能好的火水泥层或涂耐火涂料。 球罐除球壳板及零部件外，通常还有附件。附件包括压力表，温度计、液位计、安全阀、禁忌切断阀、接地、在次球罐都需设置。同时因为是天然气球罐，则要求必须设置消防喷
9、淋装置和降温喷淋装置。3、球壳强度计算3.1壁厚的确定3.1.1计算压力根据Pci=p+hi2g10-9MPa式中：设计压力p=1.72MPa hi为介质静压力 物料密度2 =0.65Kg/ m3重力加速度：g=9.81m/s2因为介质为气体,物料密度小，介质静压力可忽略不计，故球壳各带的计算压力为其设计压力1.72MPa。3.1.2球壳各带厚度 根据di=PciDi4t-Pci+C式中：球壳内直径Di =14200mm 设计温度下球壳材料Q345R的许用应力查表得t=157MPa焊缝系数=1.0厚度附加量按C=C1+C2 (钢材厚度负偏差C1取0；腐蚀裕量C2取1.0mm)C=0+1.0=1
10、.0mm各带：di=PciDi4t-Pci+C=1.721420041571-1.72+1.0=39.99mm根据以上各带厚度计算结果取各带球壳板的名义厚度均为：n=42mm3.1.3试验压力校核水压试验压力PT=1.25Pt=1.251.721=2.15MPa式中：P=1.7MPa t=157MPa =157MPa压力试验前校核球壳应力： T=PT(Di+e)4e=2.135(14200+41)441=186.7MPa式中：T-试验压力下球壳的应力，Mpa;试验压力：PT =2.15Mpa； 球壳有效厚度按e=n-C=42-1.0=41mmT应满足下列条件：液压试验时，T0.9s；式中：球壳
11、材料在试验温度下的常温屈服点，查表得s=305 焊缝系数=1.0即：T=186.7MPa0.93051=274.5MPa结论：合格。3.2球罐质量计算球壳平均中径：Dcp =14242mm球壳材料密度：1 =7850Kg/m3充装系数：k=1.0水的密度：3 =1000Kg/m3物料密度：2 =0.65Kg/ m3球壳外直径：Do =14284mm地震设防烈度：8度基本雪压值：q=300N/m2 球面积雪系数：C5 =0.4球壳质量, m1=Dcp 2n1 10-9=14242242785010-9=210000Kg物料质量， m2=6Di32k10-9=61420030.65110-9=97
12、4Kg液压试验时液体（水）的质量， m3=6Di3310-9=6142003100010-9=149845Kg积雪质量， m4=4gDo2qCs10-6=49.811428423000.410-6=1959Kg保温层质量，m5=0（无保温）支柱、拉杆及附件的质量，m6=19605Kg操作状态下的球罐质量， mo=m1+m2+m4+m5+m6 =210000Kg+974Kg+1959Kg+0+19605Kg =2232538Kg液压试验状态下的球罐质量， mT=m1+m3+m6 =210000Kg+149845Kg+19605Kg =1728059Kg球罐最小质量， mmin=m1+m6 =21
13、00000Kg+19605Kg =1728059Kg3.3地震载荷计算3.3.1自振周期支柱底板底面至球壳中心的距离：H0=8800mm支柱数目：n=8支柱材料16Mn号钢的常温弹性模量：Es=206103MPa支柱外直径：do=426mm支柱内直径：di=400mm支柱横截面惯性矩， I=64do4-di4=64(4264-4004)=3.598108mm4支柱底板底面至拉杆中心线与支柱中心线交点处的距离：l=5600拉杆影响系数， =1-lH023-2lH0=1-5720880023-257208800=0.282球罐可视为一个单质点体系，其基本自振周期， T=m0H0310-33nEsI
14、=232538880030.28210-3382061033.598108 =0.4977s3.3.23.2.1地震力综合影响系数：C2=0.45地震影响系数的最大值，查表：max=0.45特征周期，按场地土类别II类及近震查表：Tg=0.30s对应于自振周期T的地震影响系数，=(TgT)0.9min=(0.300.4977)0.90.45=0.2853球罐的水平地震力， Fe=Czm0g=0.450.28532325389.81=204943N=2.929105N3.4风载荷计算风载体形系数：k1=0.4系数查表：1=1.64风振系数： k2=1+0.351=1.49基本风压值：q0=350N/m2支柱底板底面至球壳中心的距离：H0=8.8m风压高度变化系数查表计算得：f1=1.00球壳附件增大系数：f2=1.1球罐的水平风力， FW=4Do2k1k2q0f1f210-6
