1、南华大学机械工程学院毕业设计论文第 1 页 共 57 页900m3天然气球罐设计摘要：球形储罐是一种常见的、基础简单、 设计方便、应用广泛的有 压存储容器。此次天然气球罐的总体设计分为设计选材和结构设计。球罐壳体材料选用国产Q345R，它具有良好的焊接性能 ,能较好的保证球罐的焊 接质量；球罐的结构设计包含了球壳的设计、支柱与拉杆的 设计以及球罐附件的 设计。计算部分是本次天然气球罐设计中的重点，也是难点，它分为球罐结构排板计算和强度计算。球罐采用混合式结构，排板 计算出各板块的尺寸是对球罐结构的具体确定；强度计算中需要对球罐进行校核，校核包括支柱稳定性校核、支柱与球壳连接校核；设计中各部分校
2、核都必须合格，从而保障设计的科学合理性。 完成了球罐各部分的计算之后，参照相关的标准对球罐附件进行选用和设置。待球罐各组成部分都确定了，最后，制定球罐的焊接及制造工艺，对各部件进行焊接组装。本次设计的天然气球罐，由于天然气是一种易燃易爆的气体，其储存容器必须是无渗漏。因而，在设计中还必须严格对球罐进行 压力试验和气密性试验。 试验都必须合格，这样，设计的球罐猜符合要求，才能保 证球罐的使用安全。关键词：球壳；支柱；拉杆；强度计算；试验Abstract:南华大学机械工程学院毕业设计论文第 2 页 共 57 页Spherical tank is a common and simple, conve
3、nient and widely design pressure storage containers. The overall design of the gas discharge into the selection and design of structure design. Spherical shell material, it has good Q345R homebred the welding performance, can better ensure welding quality of spherical, Structure design of spherical
4、shell contains the ball with the design and the design and spherical tension. Design of attachmentPart of this gas discharge is calculated in the design emphasis and difficulty, it is divided into spherical plate structure strength calculation and row. Using hybrid structure, row spherical plate is
5、calculated for each plate size is specific and affirmatory; the structure of spherical Strength calculation of spherical, need checking including pillar stability checking, pillar connecting check with spherical shell, Design of every part of checking must be qualified to guarantee the design of sci
6、entific rationality.Complete all parts of the spherical calculation, by referring to the relevant standards for discharge attachments for selection and Settings. For each component is quenched, finally, make sure the sphere of welding and manufacturing process, welding assembly of parts.The design o
7、f the gas discharge due to natural gas is a kind of inflammable and explosive gas, its storage containers must be no leakage. Therefore, in the design of spherical must strictly gas-tight test and stress test. Test must be qualified, so, the design of spherical guess accords with a requirement, to e
8、nsure the safe use of quenched.Keywords: spherical shell, Pillar, Bars, Strength calculation, test南华大学机械工程学院毕业设计论文第 3 页 共 57 页引言近 年 来 ， 我 国 在 石 油 化 工 、 合 成 氨 、 城 市 燃 气 的 建 设 中 ， 大 型 化 球 形容 器 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 各 种 气 体 等 物 料 ； 总 之 ， 随 着 工 业 的
9、发 展 ，球 形 容 器 的 适 用 范 围 越 来 越 广 泛 。 由 于 球 形 容 器 多 数 作 为 优 雅 储 存 容器 ， 故 又 称 球 形 储 罐 ， 简 称 球 罐 。球罐外体呈球形。是贮存和运输各种气体、液体、液化气体的一种有效、经济的压力容器。在化工、石油、炼油、造船及城市煤气工业等领域大量应用。与圆筒形容器相比其主要优点是：球形储罐壳体受力均匀；在同样壁厚条件下，球型容器的薄膜应力仅为圆筒形容器环向应力的一半，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相同直径、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，
10、质量轻，由于壁厚、表面积小等原因，一般要比圆筒形容器节约 30%40%的钢材，故其制造成本低，经济效益高。因此液化石油气球罐作为一种高效的类存储容器，在我国得到了广泛的使用。此次设计的是 900m3 天 然 气 球 罐 ，通过运用设计标准、规范，查阅了手册、图册及相关技术资料，从而进行球罐的选材设计、结构设计、球壳排板计算、强度计算及校核，并完成图样绘制以及说明书的书写，最后是对设计的修改完善。本次毕业设计是对我们大学四年来所学知识的一个综合与总结，通过设计，我们将大学所学的基础以及专业都知识温习应用了一遍，这有利于我们更好的掌握所学的知识。在设计实践中，我们对于一般的工程设计有了一个全局性的
11、认识，开阔了视野。通过运用设计标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料去进行理论计算、结构思考、绘制图样、写相关说明性材料，培养加强了我们在化工设备及机械设计方面的基本技能，并锻炼提高了我们分析和解决生产实际问题的能力，树立了较为正确的设计思想，为我们走上工作岗位或继续深南华大学机械工程学院毕业设计论文第 4 页 共 57 页造打下坚实的基础。1 球罐的设计参数此 次 球 罐 设 计 的 介 质 为 以 甲 烷 为 主 要 组 分 的 天 然 气 ， 操 作 温 度40 ， 工 作 压 力 为 1.6MPa， 由 压 力 容 器 安 全 技 术 监 察 规 程 知 设计 压 力 1.7MPa；
12、 罐 体 腐 蚀 裕 量 取 1mm、 单 位 充 装 量 0.65Kg/ m3 ， 作为 气 体 ， 充 装 系 数 取 1.0。 该 设 备 工 作 地 点 为 湖 南 省 长 沙 市 ， 查 钢 制球 形 储 罐 GB12337-1998 确 定 其 风 压 、 雪 压 值 ， 具 体 设 计 条 件 如 下 ：公 称 容 积 ： 900m3 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 ： =11981mm充 装 系 数 ： k=1.0地 震 设 防 烈 度 ：
13、8 度基 本 风 压 值 ： =450N/ m20基 本 雪 压 值 ： q=350N/m2 球 罐 建 造 场 地 ： II 类 场 地 土 、 近 震 、 B 类 地 区2 球罐设计方案2.1 设计选材及材料要求2.1.1 设计选材 球 罐 是 压 力 容 器 的 一 种 结 构 形 式 ， 因 而 在 选 用 材 料 上 的 基 本 要 求 方 面与 压 力 容 器 相 同 。 球 罐 用 钢 的 选 择 原 则 是 在 满 足 强 度 要 求 的 前 提 下 ， 应保 证 有 良 好 的 成 形 性 、 优 良 的 焊 接 性 能 、 足 够 好 的 缺 口 韧 性 值 和 长 期 可
14、南华大学机械工程学院毕业设计论文第 5 页 共 57 页靠 的 使 用 性 能 。 基 于 以 上 准 则 以 及 经 济 性 ， 选 材 如 下 ：900m3 天 然 气 球 罐 球 壳 材 料 采 用 Q345R， 球 壳 板 材 Q345R 厚 度 大 于20mm 应 逐 张 超 声 检 测 ， 符 合 JB/T4730-2005 规 定 III 级 合 格 ； 人 孔 、接 管 采 用 锻 件 16MnIII； 支 柱 选 用 符 合 GB8163 的 20#钢 管 ； 焊 条 采用 E5015（ J507） ， 应 具 有 质 量 证 明 书 ， 包 括 熔 敷 金 属 的 化 学
15、成 分 、 力 学性 能 、 扩 散 氢 含 量 ； 焊 丝 和 焊 剂 应 与 所 施 焊 的 钢 种 匹 配 ， 分 别 符 合GB/T8110、 GB/T10045、 GB/T12470、 GB/T 14957、 GB/T 14958 和GB/T 5293 的 有 关 规 定 ， 保 护 用 二 氧 化 碳 和 氩 气 应 分 别 符 合GB/T6052 和 GB/T4842 的 有 关 规 定 。 螺 栓 和 螺 母 无 特 殊 要 求 的 均 使 用Q235-A 号 钢 ， 调 质 ， 取 试 样 做 拉 伸 试 验 和 冲 击 试 验 ， 结 果 不 合 格 时 ， 应从 同 一
16、毛 坯 上 再 取 两 个 拉 伸 试 样 进 行 复 验 ， 测 定 全 部 三 项 性 能 。2.1.2 材料要求球 罐 制 造 所 用 主 体 材 料 为 Q345R 和 16MnIII， 下 料 前 板 材 Q345R符 合 GB6654-96 标 准 ， 逐 张 超 声 波 检 测 ， 标 准 III 级 要 求 ， 使 用 状 态 ：正 火 ， 并 进 行 0 度 冲 击 试 验 ； 锻 件 符 合 JB/T4726-2000 标 准 ， III级 合 格 。 主 体 材 料 的 化 学 成 分 和 力 学 性 能 如 下 ：表 2.1 主 体 材 料 的 化 学 成 分化 学 元
17、 素 16Mn 锻 件 ,% Q345R 钢 板 ,%C 0.130.19 0.20Si 0.200.60 0.55 Mn 1.201.60 1.201.60P 0.0300.025S 0.0150.015Ni 0.30Cr 0.30Cu 0.25表 2.2 主 体 材 料 的 力 学 性 能南华大学机械工程学院毕业设计论文第 6 页 共 57 页检验项目 16Mn 锻件 Q345R 钢板 450600 500630 275 325% 20 21(-2), 27（三个试样平均值） 34（0三个试样平均值）硬度试验，HB 121-1782.2 设计方案的确定2.2.1 球壳设计根 据 球 罐 容
18、 积 为 900 ， 换 算 得 球 壳 内 直 径 11981mm， 按3GB/T17261 球 形 储 罐 基 本 参 数 标 准 采 用 混 合 式 三 带 排 板 ， 分 别 为 上极 、 赤 道 带 、 下 极 （ 见 图 2.1） 。图 2.1 球 罐表 2.3 球 壳 各 板 参 数南华大学机械工程学院毕业设计论文第 7 页 共 57 页序号 各带球心角 块数 纵焊缝长（m） 环缝长（m） 焊缝总长（m）1 上极：112.5 7 43.6431.282 赤道带：67.5 16 7.05163 下极：112.5 7 43.6431.28262.642.2.2 支座结构设计支 柱 选
19、 用 钢 管 ， 支 柱 8 根 。 支 柱 与 球 壳 的 连 接 按32510GB12337-1998 选 用 的 是 赤 道 正 切 柱 式 支 撑 。 赤 道 正 切 柱 式 支 柱 结 构 的特 点 是 ： 正 切 结 构 是 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 近 似 相 切 （ 相 割 ） 而 焊 接 起 来 。 支 柱 支 撑 着 球 罐 的 重 量 ，为 承 受 风 载 荷 和 地 震 载 荷 ， 保 证 球 罐 稳 定 性 ， 在 支 柱 之 间 设 置 拉 杆 相 连接 。 这 种 支 座 的 优
20、点 是 受 力 均 匀 ， 弹 性 好 ， 能 承 受 热 膨 胀 的 变 形 ，安 装 方 便 ， 施 工 简 单 ， 容 易 调 整 ， 现 场 操 作 和 检 修 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 柱式 支 柱 结 构 。图 2.2 支柱 图 2.3 单层交叉可调式拉杆南华大学机械工程学院毕业设计论文第 8 页 共 57 页支 柱 与 球 壳 的 链 接 采 用 无 垫 板 结 构 ， 因 为 有 垫 板 结 构 在 低 合 金 高 强 钢的 施 焊 中 由 于 易 产 生 裂
21、 纹 ， 探 伤 检 查 有 困 难 。 支 柱 上 设 置 通 气 口 ，这 是 出 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 ， 所 以 在 支 柱 上 设 置 通 气 口 。 作 为 液 化 天 然 气 球 罐 ， 设 置 防 火 层 ，防 火 层 选 用 耐 热 性 和 保 温 性 能 好 的 水 泥 层 或 涂 耐 火 涂 料 。拉 杆 结 构 采 用 单 层 交 叉 可 调 式 拉 杆 ，
22、因 拉 杆 是 作 为 承 受 风 载 荷 及 地 震载 荷 的 部 件 ， 可 增 加 球 罐 的 稳 定 性 而 设 置 。 而 可 调 式 拉 杆 使 用 可 调螺 母 链 接 ， 课 调 节 拉 杆 的 松 紧 度 。3 结构设计3.1 混合式结构排板的计算符 号 说 明 ：R 球 罐 半 径 ， mm;N 赤 道 带 分 瓣 数 ；赤 道 带 周 向 球 心 角 ， （ ） ；赤 道 带 球 心 角 ， （ ） ；极 中 板 球 心 角 ， （ ） ；极 侧 板 球 心 角 ， （ ） ；极 边 板 球 心 角 ， （ ） 。南华大学机械工程学院毕业设计论文第 9 页 共 57 页3
23、.1.1 极板尺寸计算图 2.5 极 板弦 长 :1=2sin(12+2) =25990.5sin(22.52+22.5）1.14=5838.84弧 长 :1=90sin1(12)=3.145990.590sin15838.8425990.5=6095.74弦 长 :0=21=25838.84=8257.37弧 长 :0=90sin1(02)=3.145990.590sin18257.3725990.5=9105.64弦 长 :2=2sin(12+2)=25990.5sin(22.52+22.5）=6656.29弧 长 :南华大学机械工程学院毕业设计论文第 10 页 共 57页2=(1+22)180=3.145990.5(22.5+222.5)180=7053.81对 角 线 弦 长 与 弧 长 的 最 大 间 距 ：=1+2(12+2)=1+ 2(22.52+22.5)=1.143.1.1.1 极中板尺寸计算图 2.6 极 中 板对 角 线 弦 长 与 弧 长 的 最 大 间 距 ：=12(12)2(12+2)=12(22.52)2(22.52+22.5)=0.99弧 长 :2=1180=3.145990.522.5180=2351.27弦 长 :2=2sin(12)=25990.5sin22.52=2337.38弧 长 :
