1、 本科毕业设计说明书 3000m3 液化气球罐的优化设计 THE OPTIMAL DESIGN OF 3000m3 LPG SPHERICAL TANK 学院（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 年 月 日 安徽理工大学毕业设计 I 3000m3液化气球罐的优化设计 摘要 球形储罐作为一种有压储存容器，相对于一般圆筒形储存容器，具有用材少、受力情况好、占地面积小等显著优点，在石油、化工、冶金等领域广泛用于储存气体、液体或者液化气体。 本文设计了在常温下工作的 3000m3 的液化气球罐及其相应附件。查阅相关资料后，确定采用 16MnR 钢作为球壳用钢，对其储罐形式进行了优化设计，计算比
2、较后确定采用混合式三带球罐，支柱形式为赤道正切式，支柱根数为 10 根，拉杆采用可调式拉杆，根据相关设计标注进行结构设计和强度校核，最后完成相关附件的设计。最终的成果为一张装配图和三张主要零件的零件图。 关键字：球形储罐，材料选择，结构优化，强度校核 安徽理工大学毕业设计 II THE OPTIMAL DESIGN OF 3000m3 LPG SPHERICAL TANK ABSTRACT Compared to the general cylindrical storage container, the spherical tank is a kind of pressure storage
3、 containers with less material, good force, cover a small area, etc, which is widely used in storage of gases, liquids, or liquefied gas in petroleum, chemical industry, metallurgy and other fields. This paper designs the 3000 LPG spherical tank working at room temperature and its corresponding acce
4、ssories. Referring to relevant data, I determine using 16 MnR steel as the steel spherical shell. The optimization design is carried out on the form of storage tank. After computation and comparison, I determine using hybrid three zones spherical tank with the pillar form of the equator tangent type
5、, prop root number of 10, and adjustable draw-pole. The structure is designed and the strength is checked according to related design marks, and finally the design of the related accessories is completed. The final result of this study is a assembly drawing and three parts drawing of major parts. KE
6、YWORDS: the spherical tank, material selection, structure optimization,strength chec 安徽理工大学毕业设计 III 目录 摘要 . 错误 !未定义书签。 ABSTRACT. 错误 !未定义书签。 1球罐概述 . 1 1.1 绪论 . 1 1.2 球罐的分类和特点 . 1 1.2.1 球罐的分类 . 1 1.2.2 球罐的特点 . 2 1.3 球罐的设计参数 . 2 1.3.1 压力 . 2 1.3.2 温度 . 3 1.4 球罐的应用 . 3 2球罐的结构设计 . 4 2.1 球罐壳体的优化设计 . 4 2.1
7、.1 壳体结构的确定 . 4 2.1.2 壳体尺寸的计算 . 6 2.2 焊接坡口的设计 . 14 2.3 支座设计 . 15 2.4 开孔设计 . 18 2.4.1 人孔结构 . 18 2.4.2 接管结构 . 18 2.5 球罐的附件 . 19 2.5.1 梯子平台 . 19 2.5.2 喷淋装置 . 19 2.5.3 隔热保冷装置 . 20 2.5.4 液位计 . 21 2.5.5 压力表 . 21 2.5.6 温度计 . 21 2.5.7 安全泄放装置 . 21 3罐的强度计算 . 24 3.1 设计参数 . 24 3.2 球壳计算 . 24 3.2.1 液柱高度与计算压力 . 24
8、3.2.2 球壳厚度球罐质量的计算 . 25 3.2.3 球壳强度校核 . 26 3.3 球罐质量计算 . 27 3.4 地震载荷的计算 . 28 3.4.1 球罐的基本自振周期 . 28 3.4.2 水平地震力 . 28 3.5 风载荷的计算 . 29 3.6 弯矩的计算 . 29 3.7 支柱的计算 . 30 安徽理工大学毕业设计 IV 3.7 1 单个支柱的垂直载荷 . 30 3.7.2 支柱的最大垂直载荷 . 31 3.7.3 单个支柱弯矩 . 31 3.7.3 支柱稳定性校核 . 32 3.8 地脚螺栓计算 . 34 3.8.1 拉杆作用在支柱上的水平力 . 34 3.8.2 支柱底
9、板与基础之间的摩擦力 . 34 3.8.3 地脚螺栓的计算 . 34 3.9 支柱底板 . 35 3.9.1 支柱底板直径 . 35 3.9.2 支柱底板厚度 . 35 3.10 拉杆计算 . 35 3.10.1 拉杆螺纹小径的计算 . 35 3.10.2 拉杆连接部分的计算 . 36 3.11 支柱与球壳连接最低点的应力校核 . 37 3.11.1 a 点的剪切应力 . 37 3.11.2 a 点的维向应力 . 38 3.11.3 a 点的组合应力 与应力校核 . 38 3.12 支柱与壳体连接焊缝的强度校核 . 38 4球罐的制造与组装 . 40 4.1 制造工序 . 40 4.1.1.材
10、料的检验 . 40 4.1.2 瓣片加工 . 40 4.2 现场组装 . 41 4.3 组装准备 . 41 4.3.1 基础检查验收 . 41 4.3.2 球瓣的几何尺寸检查和理化检验 . 42 4,4 组装精度的控制 . 42 4.4.1 支柱偏差的控制 . 42 4.4.2 椭圆度、焊缝错变量和角变形 . 42 4.5 组装安全措施 . 42 结论 . 44 参考文献 . 45 致谢 . 46 安徽理工大学毕业设计 1 1 球罐概述 1.1 绪论 球形储罐最早出现在 19 世纪末 20 世纪初，最初的球罐只是用来储存低压气体，此时的球罐结构是铆接结构，这种结构的球罐制造困难，材料浪费情况严
11、重。当时世界上只有少数国家能进行球罐的设计制造，比如美国于 1910 年建造的小型球形储罐。到 40 年代，由于焊接技术和新钢材的快速发展，球罐正式从最初的铆接结构转变成沿用至今的焊接结构，与铆接结构相比，焊接结构更加牢固，周期比更短，而且焊接不需要任何的介质，是本体的焊接，更经济，更环保，再此阶段，球罐的制造得到了飞速的发展。 在日本于 1950 年利用美国的 T-L80 钢知道了当是世界上最大的球罐，它的直径有 33.68m,容量为 2000m3的城市煤气储罐。虽然此时球罐体积可以做的很大，但压力与储存能力还是处于较低状态。从60年代至今，球罐的制造技术在原先的基础上得到了进一步的发展，在
12、此时期，日本已然能制造设计压力为 0.75MPa的大型球罐。我国的球罐行业起步于 50 年代末期，相比于其他发达国家有很大差距，我国在 60 年代只能制造出几何容积只有 400m3的球罐。随着我国科学技术的高速发展，尤其是在改革开放以后，为满足石油、化工、冶金等行业的 需求，作为储存容器的球罐得到了广泛的用用和高速发展。与此同时，为了赶上世界球罐设计制造的大型化和高参数化的趋势，我国引进并建起了一批 5000m3、 10000m3的特大型球罐和低温球罐。球罐作为一种装备在国民经济种已然占据了不可忽视的重要地位。 由于各个国家之间的工业化程度存在差异，球罐的设计规范在不同的国家亦是不同的。我国的
13、球罐设计标准有 GB150、 GB12337、 GB/T17261 等等。在其他主要工业化国家中，除了日本有专业的球罐设计规范外，一般均为压力容器方面的行业规范，例如美国的 ASME ，法国的 CODPA，英国的 BS5500 等。虽说各个国家的设计规范不尽相同，但是总体来说一个完整的球罐主要有罐体、支柱、拉杆、操作平台、盘梯以及各种相关附件（包括人孔、接管、液面计，压力计、温度计、安全泄放装置等）组成。 1.2 球罐的分类和特点 1.2.1 球罐的分类 球罐的 的结构形式和用途具有多样性，其分类依据亦有多种不同的标准，在这里主要介绍以下几种分类： （ 1） 按照储存物料类型分类 安徽理工大学
14、毕业设计 2 按球罐物料类型不同，可以将球罐分为储存液相无聊和气象物料两大类。其中储存液相物料的球罐友根据其工作温度分为常温球罐、低温球罐和深冷球罐。 （ 2） 按照 球壳形式分类 按球壳的不同可以分为足球瓣式、橘瓣式、足球瓣与橘瓣混合式。 （ 3） 按照球罐外形分类 按球壳外形的不同可以分为圆球形、椭球形、水滴形或者上述几种形式的混合 （ 4） 按照支柱形式分类 按支柱形式的不同可以分为支柱式、裙座式、锥底支撑以及按照在混凝土基础上的半埋式，其中，支柱式又可以分赤道正切式、 V 形支柱式、三柱合一式。由于赤道正切式具有受力均匀、承受横向载荷能力强等优点，应用最为广泛 （ 5） 按照拉杆分类
15、按拉杆不同可以分类成可调式拉杆、固定式拉杆。 目前在国内使用最广泛的是单层赤道正切式，可调拉杆的球罐。该种球罐无论是在设计制造，还是在现场组装安装等方面均有较为成熟的经验。我国的国家标准 GB12337 规定采用这种形式的球罐 1.2.2 球罐的特点 有压储存容器一般分为圆筒形和球形两种，不同形式的储存容器各有各的特点，在这里着重介绍球形储罐的特点： （ 1） 与圆筒形储存容器相比，同等体积下，球罐的表面的表面积最小，即在相同容量下球罐所需钢材面积最小，一般情况下要节约 30%-40%的钢材。 （ 2）球罐翘板承载能力是圆筒形容器的两倍，即在内压相同的条件下，球形容 器所需壁厚仅为同直径、同材
16、料的圆筒形容器壁厚的一般（不考虑腐蚀裕量）。 （ 3）球罐的风力系数为 0.3，而圆筒形容器的风力系数为 0.7，所以对于风载荷而言，球罐比圆筒形容器更安全。 （ 4）与相同体积的圆筒形储罐相比，球罐占地面积小，而且可以向空间高度发展，有利于地表面积的利用。 综上所述，再加上球罐基础简单，外观具有观赏性，可用于工程环境的美化，使球罐的应用得到了很大的发展。 1.3 球罐的设计参数 球罐的主要设计参数为设计压力和设计温度，这两个参数互相影响，对球罐的设计影响很大，对材料的选用其决定作用。 1.3.1 压力 安徽理工大学毕业设计 3 除注明者外，压力均指表压 。 1.工作压力 工作压力值正常情况下
17、，球罐顶部可能达到的最高压。 2.设计压力 设计压力值设定的球罐顶部的最高压力，与相应的设计温 度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。 1.3.2 温度 除注明者外 ，温度均指摄氏温度 1.设计温度 设计温度指球罐在正常工作情况下设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷 条件。 2.试验温度 实验温度指压力试验是，球壳的金属温度。 在本次液化气球罐的设计中，设计压力 p=1.77MPa ,设计温度 T=50 . 1.4 球罐的应用 由于球形储罐具有显著的优点，在我国石油化工滚、合成氨、城市燃气建设中，大型球罐被广泛用于贮存和运输液态或者气
18、态物料。比如，在石油、化工、冶金、城市煤气的工程中，球形容器被用于储存液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、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。随着 工业化的发展，球形容器的使用范围必将越来越广泛。 安徽理工大学毕业设计 4 2 球罐的结构设计 2.1 球罐壳体的优化设计 2.1.1 壳体结构的确定 球壳是球形储罐的主体部分，它是储存物料和承受物料工作压力和液柱压力的受压构件。球壳的几何尺寸较大，用材量大，不能整体运输，所以它必须由许多瓣片组成，在制造厂进行球瓣的加工制作，最后运至安装现场进行组焊安装。接下来对球壳
19、的三种主要结构进行论述比较，最终确定本次球罐壳体设计的主要形式。 （见图 2-1） 1.橘瓣式球壳 橘瓣式球壳的特点是组装焊缝相对于足球瓣式较规则，施工过程简单。大多数橘瓣式球罐采用偶数支柱，其分带分块对称，所以在组装焊接时其内应力分布较均匀，易保证球罐质量。此结构较灵活，按原材料的尺寸大小及压机跨度的尺寸，可以设计成不同球心夹角的分带与分块，一用来满足结构和制造工艺的要求。该结构也有其缺点：由于球片在各带位置尺寸大小不一，只能砸本带内或者在上、下对称带进行互换；下料成型较复杂，原材料利用率较低。橘瓣式结构适合用于任何体积大小的球罐，是世界各国普遍采用的结构。 2.足球瓣式球壳 足球瓣式球壳的
20、球壳划分和足 球是一样的，所有球壳板片大小相同，所以又称均分法，优点是每块板的尺寸相同，下料成形规格化，材料利用率高，互换性好，组装焊缝较短，焊接及检验工作量小，缺点是焊缝布置复杂，施工组装空难，对球壳板的制造精度要求高。由于受到钢板规格及自身结构的影响，一般只使用在制造容积小于 120m3的球罐 ,本次设计不考虑该种类型 。 3.混合式球壳 混合式球壳，其赤道带和温带采用橘瓣式结构，极板采用足球瓣是结构。由于该结构取用的是橘瓣式和足球瓣式两种结构形式的优点，其材料利用率高，焊缝长度缩短，球壳板数量减少，制造下料较简单，互换性 好，客服了橘瓣式极板尺寸小，球瓣规格多的确定。缺点是用于有两种球瓣
21、形式，制造精度要求高，组装校正要求高，且球壳主焊缝有 Y形接缝，保证焊接质量的难度增大。 根据参考 文献 混合式球壳与橘瓣式球壳的设计对比中的结论：对于体积大于或者等于 1000m3的球罐，采用混合式球壳，具有板材利用率高，运输方便，现场焊接工作量小的优点，因此在本次设计中采用混合式球壳。球壳设计的中心工作室缩短焊缝总长度，因为球罐的破裂事故绝大多数都是发生在焊接接头，缩短球壳的焊缝长 度是提高 球罐质量和 安全可靠性 的关键措 施。根据安徽理工大学毕业设计 5 GB/T17261-2011 的推荐 （见表 2-1） ，在此标准中推荐了三带、四带、五带三种球壳形式，此次设计将选取最优方案，通过对三种不同方案球壳尺寸的计算比较，最终选取最优方案。 图 2-1 橘瓣式球壳 图片来源： GB/T17261-2011 图 2-1 橘瓣式球壳 图片来源： GB/T17261-2011
