1、南华大学机械学院毕业设计第 1 页 共 53 页前 言天 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
2、 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 。 此 外 ， 天 然 气 不 含 一 氧 化 碳 或 其 他 有 毒 气 体 ， 所 以 纵 使 吸 入 少量 天 然 气 也 不 危 害 人 体
3、 健 康 。 由 于 天 然 气 以 管 道 输 送 至 最 终 用 户 ， 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 。 由 于 以 管 道 输 送 天 然 气工 艺 ， 故 无 须 像 其 他 燃 料 如 罐 装 液 化 石 油
4、气 搬 运 。 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 1000m3 天 然 气 球 罐 ， 球 罐 与 圆 筒 形
5、 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 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 面南华大学机械学院毕业设计第 2 页 共 53 页积 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
6、 。 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 。南华大学机械学院毕业设计第 3 页 共 53 页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 1.7MPa； 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 衡
7、 阳 市 ， 查 资 料 确 定 其 风 压 、 雪 压 值 ， 具体 设 计 条 件 如 下 ：公 称 容 积 ： 1000m3 存 储 介 质 ： 天 然 气 （ 甲 烷 ）物 料 密 度 ： =0.65Kg/ m32设 计 压 力 ： P=1.7MPa设 计 温 度 ： 40球 壳 内 直 径 ： =12300mm充 装 系 数 ： k=1.0地 震 设 防 烈 度 ： 8 度基 本 风 压 值 ： =450N/ m20基 本 雪 压 值 ： q=300N/m2 球 罐 建 造 场 地 ： II 类 场 地 土 、 近 震 、 B 类 地 区南华大学机械学院毕业设计第 4 页 共 53
8、页2、总体设计方案2.1设计选材1000立 方 米 天 然 气 球 罐 壳 体 材 料 采 用 国 产 16MnR， 它 具 有 良 好 的 焊接 性 能 ； 锻 件 采 用 16MnRIII； 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 12300mm， 按 JB/T4711-92 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 、
9、下 极 。 球 体 分 为34块 板 ， 最 大 板 宽 （ 弧 长 ） 为 2200.42mm,最 长 板 长 （ 弧 长 ） 为8426.00mm， 焊 缝 总 长 314.06。 支 柱 10根 ， 支 柱 选 为 用 325x14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 极 生 产 进 度 。图 2.1球 罐 总 体 设 计 图南华大学机械学院毕业设计第 5 页 共 53 页表 2.1球 壳 极 板 设 计 参 数序
10、号 各 带 球 心 块 数 纵 焊 缝 长 (m) 环 焊 缝 (m) 焊 缝 总 长 (m)1 上 极 ：102.5742.630.132 赤 道 带 77.5 20 8.43x203 下 极 ：102.5742.630.13 314.06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
11、 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 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
12、 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 、
13、 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 淋 装 置 和 降 温 喷 淋 装 置 。南华大学机械学院毕业设计第 6 页 共 53 页3、球壳强度计算3.1 壁厚的确定3.1.1 计算压力根 据 =+2109式 中 ： 设 计 压 力 p=1.7MPa为 介 质 静 压 力物 料 密 度 =0.65Kg/ m32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 1.7
14、MPa。3.1.2 球壳各带厚度 根 据=4+式 中 ： 球 壳 内 直 径 =12300mm设 计 温 度 下 球 壳 材 料 16MnR 的 许 用 应 力 查 表 得 =157焊 缝 系 数 =1.0厚 度 附 加 量 按 (钢 材 厚 度 负 偏 差 取 0； 腐 蚀 裕 量=1+2 1取 1.0mm)2C=0+1.0=1.0mm各 带 ：南华大学机械学院毕业设计第 7 页 共 53 页=4+=1.712300415711.7+1.0=34.4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 ： =363.1.3 试验压力校核水 压 试
15、验 压 力=1.25=1.251.71=2.13式 中 ： P=1.7MPa=157 =157MPa压 力 试 验 前 校 核 球 壳 应 力 ：=(+)4=2.13(12300+35)435=187.7式 中 ： -试 验 压 力 下 球 壳 的 应 力 ， Mpa;试 验 压 力 ： =2.13Mpa；球 壳 有 效 厚 度 按 =361.0=35应 满 足 下 列 条 件 ：液 压 试 验 时 ， ；0.9式 中 ： 球 壳 材 料 在 试 验 温 度 下 的 常 温 屈 服 点 ， 查 表 得 =305焊 缝 系 数 =1.0即 ： =187.7MPa 0.93051=274.5结 论
16、 ： 合 格 。3.2 球罐质量计算球 壳 平 均 中 径 ： =12336mm南华大学机械学院毕业设计第 8 页 共 53 页球 壳 材 料 密 度 ： =7850Kg/m31充 装 系 数 ： k=1.0水 的 密 度 ： =1000Kg/m33物 料 密 度 ： =0.65Kg/ m32球 壳 外 直 径 ： =12372mm地 震 设 防 烈 度 ： 8 度基 本 雪 压 值 ： q=300N/m2 球 面 积 雪 系 数 ： =0.45球 壳 质 量 ,1=2 1 109=123362367850109=135105物 料 质 量 ，2=632109=61230030.651109=
17、633液 压 试 验 时 液 体 （ 水 ） 的 质 量 ，3=633109=61230031000109=974348积 雪 质 量 ，4=42106=49.811237223000.4106=1152保 温 层 质 量 ， （ 无 保 温 ）5=0支 柱 、 拉 杆 及 附 件 的 质 量 ， 6=19605操 作 状 态 下 的 球 罐 质 量 ，=1+2+4+5+6=135105Kg+633Kg+1152Kg+0+19605Kg=156495Kg液 压 试 验 状 态 下 的 球 罐 质 量 ，=1+3+6=135105Kg+974348Kg+19605Kg=1129058Kg南华大学
18、机械学院毕业设计第 9 页 共 53 页球 罐 最 小 质 量 ，=1+6=135105Kg+19605Kg=154710Kg3.3 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 ： 0=8000支 柱 数 目 ： n=10支 柱 材 料 20 号 钢 的 常 温 弹 性 模 量 ： =192103支 柱 外 直 径 ： =325支 柱 内 直 径 ： =305支 柱 横 截 面 惯 性 矩 ，=64（44）=64(32543054)=1.2291084支 柱 底 板 底 面 至 拉 杆 中 心 线 与 支 柱 中 心 线 交 点 处 的 距 离 ：
19、l=5600拉 杆 影 响 系 数 ，=1(0)2(320)=1560080002(3256008000)=0.216球 罐 可 视 为 一 个 单 质 点 体 系 ， 其 基 本 自 振 周 期 ，=0301033 =156495800030.2161033101921031.229108=0.4916南华大学机械学院毕业设计第 10 页 共 53 页3.3.2 地震力综 合 影 响 系 数 ： 2=0.45地 震 影 响 系 数 的 最 大 值 ， 查 表 ： =0.45特 征 周 期 ， 按 场 地 土 类 别 II 类 及 近 震 查 表 ： =0.30对 应 于 自 振 周 期 T
20、的 地 震 影 响 系 数 ，=()0.9=(0.300.4912)0.90.45=0.2887球 罐 的 水 平 地 震 力 ，=0=0.450.28871564959.81=204943=1.9941053.4 风载荷计算风 载 体 形 系 数 ： 1=0.4系 数 查 表 ： 1=1.64风 振 系 数 ： 2=1+0.351=1.49基 本 风 压 值 ： 0=450/2支 柱 底 板 底 面 至 球 壳 中 心 的 距 离 ： 0=8.0风 压 高 度 变 化 系 数 查 表 计 算 得 ： 1=0.92球 壳 附 件 增 大 系 数 ： 2=1.1球 罐 的 水 平 风 力 ，=4212012106=41237220.41.494500.921.1106=3.263 104
