1、 I 1000 立方米天然气球罐设计 摘要 ： 近来年，由于科技的飞速发展，球罐的制造工艺水平也逐步提升。我国的大型球罐容器也在这个时期得到广泛应用，例如石油化工和城市燃气等工程建设中。此次球罐设计主要分为两个主要部分，首先详细进行球罐的整体结构设计，然后附上相关外文文献及对应的中文翻译。本次球罐的设计压力大小为 1.6MPa，操作温度为 40，设计的厚度为 38mm,其中球壳材料选用 16MnR，支柱的支承形式采用赤道正切式支柱的形式。耐压试验选择水压试验，其试验压力值为1.7MPa。为了保证球罐有足够的稳定性，应采用拉 杆连接形式，球壳采用三带混合方式，这样才能保证承受一定的风载荷与地震在
2、和，同时也能确保罐体的制造质量也便于球罐的平衡性调节。 关键词 ：球罐，压力，校核，调节。 南华大学机械工程学院毕业设计 IV 1000 立方米天然气球罐设计 Abstract： In recent years, due to the rapid development of science and technology, manufacturing technology level also gradually improve the spherical tank. Large spherical tank containers in China is also widely used in
3、 this period, such as the petrochemical industry and city gas engineering.The spherical tank design consists of two main parts, the first detailed structure design of spherical tanks, and then attach the relevant foreign language documents and the corresponding Chinese translation. The size of the s
4、pherical tank design pressure is 1.6MPa, temperature is 40 , the design of the thickness of 38mm, 16MnR selects the shell material, supporting pillar by pillar form equatorial tangent. Pressure test to choose hydraulic pressure test, the test pressure is 1.7MPa. In order to ensure the spherical tank
5、 has enough stability, should use the rod connecting forms, spherical shell with three with mixed mode, so as to ensure that under certain wind load and earthquake in and, adjusting balance can also ensure the manufacturing quality of tank for spherical tank. Keywords: tank, pressure, check, adjustm
6、ent 1.球罐简介 . 1 1.1 球罐的特点 . 1 1.2 球罐的分类 . 1 2. 总体结构设计方案确定 . 2 南华大学机械工程学院毕业设计 V 2.1 主要设计参数的确定： . 2 2.2 设计支柱的结构： . 3 3.球壳球瓣结构尺寸计算 . 5 3.1 混合式结构排板的计算： . 5 3.1.1 符号说明 . 5 3.1.2 赤道板尺寸计算： . 5 4.坡口设计 .12 5.球壳计算 .14 5.1 壁厚的计算与确定 .14 (1). 确定实验压力 .14 5.2 压力实验校核 .15 5.3 罐体球壳的质量计算与确定： .15 5.4 地震力的计算与确定 .17 5.5 风
7、载荷 .18 5.6 弯矩的计算 .19 5.7 支柱的计算 .20 5.8 地脚螺栓计算 .25 5.9 支柱底板 .26 5.10 关于拉杆的计算 .30 5.11 罐体支柱与球壳间连接处最低点 a 的应力校核 .33 5.12 支柱与球壳连接焊缝的强度校核 .36 6. 附件的设置 .37 7. 制造及组装 .40 7.1 材料要求 .40 7.2 罐体球壳板的下料、成型与运输 .42 7.3 现场组装 .43 7.4 焊接工艺 .44 7.5 无损检测 .45 7.6 焊后整体热处理 .45 7.7 压力试验和气密性试验 .46 8. 英文文献翻译 .48 参考文献 .56 谢 辞 .
8、57 引 言 天然气中 甲烷占大多数，还有少量其它乙、丙、丁烷等烷烃，天然气被誉为最南华大学机械工程学院毕业设计 VI 环保、最安全的绿色燃料之一。天然气的比重比空气还轻，它无毒且不含一氧化碳，燃烧时安全且无污染。天然气的蕴藏丰富，所以天然气逐渐取代煤气、石油等传统能源，这样能很大程度上缓解能源短缺问题并有效减少二氧化碳的排放并缓解全球性的温室效应。我国的天然气分布主要在南部和东部，北部和西部相对稀少，天然气探明可采储量大约在 3.1 万亿立方米，到 2020 年，我国天然气累计探明可采量可达 6万亿立方米以上，天然气的年产量将从目前的 700 亿立方米增加到 1200 亿立方米至 1500
9、亿立方米。就天然气的价格而言，目前我国现行的天然气价格普遍在 2-3 元 /立方米，相对于其他能源而言有着一定的价格优势，所以其作为一种新能源具备一定的市场优势，是广大消费者优先选择的能源之一。天然气不会自身爆炸，必须满足一定要求它才会燃烧，就是其在空气中的浓度要达到一定要求后才可燃烧。另外，天然气对人体无危害，因为其中不含类似一氧化碳等有毒物。由于天然气比重比空气轻所以及易扩散，在发生泄漏事故的时候会很快地扩散从而减少爆炸的危险性，这相对于其它燃料更加具有安全性。天然气普遍采用燃气管道运输方式，那样更方便 更快捷，省去了运输过程中带来的各种问题，燃气可直接通往每家每户，给居民生活带来极大的方
10、便。天然气不仅环保、价格便宜，其成分简单，相对其它燃料燃烧更彻底，燃烧获得的能量多，燃烧利用率更高，燃烧和运输方便，不需要使用复杂的设备，燃烧后的主要成分是水和二氧化碳，不会产生其它运输不便的废物和废渣，因此节省了大量的人力、物力成本。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 62 页 1.球罐简介 1.1 球罐的特点 1000 立方米天然气球罐为本次的设计任务，与常用的圆筒形容器相比球罐具有以下优势： （ 1）对比表面积与占地面积方面， 球罐都比较小，这就代表在同等条件下球罐的空间要求较小和耗材量较小，这样有利于资源的充分利用。 （ 2）受力均匀 （ 3）对于承载能力方面球罐同样占有一
11、定优势，即在材料相同、直径相当、内压相同等情况下，圆筒形容器所需的厚度为球罐容器的 2倍，所以球罐容器具有节省材料的优点。 球罐的缺点在于其加工、制造及安装较为复杂。 1.2 球罐的分类 球罐具有复杂多样的结构，一般按照其形状、支承方式和构造不同进行分类，不同的使用条件下（湿度、温度、地震、压力等）具有不一样的形式。 （ 1）根据球罐支承结构分为裙式、柱式、高架、半埋入式支承等 （ 2）根据球罐球壳的不同组合方式可分为纯足球瓣式球罐、纯橘瓣式球罐和足球橘瓣混合式球罐 （ 3）按球罐的壳体层数分为单层和双层壳体 （ 4）按球罐外形的形状可分为椭球和圆形 南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页
12、共 62 页 2. 总体结构设计方案确定 2.1 主要设计参数的确定： 介质：天然气 球罐内径： D=12300mm 公称容积： V1 =1000m3 设计温度： 40 设计压力： P=1.7MPa 球壳分带数： N=3 支柱根数： F=8 各带球心角 /分块数： 上极： 112.5 /7 赤道： 67.6 /16 下极： 112.5 /7 1.极边板 2.极侧板 3.极中板 南华大学机械工程学院毕业设计 第 3 页 共 62 页 4.上极 5.赤道带 6.支柱 7.上极 图 2-1：混合式排板结构球罐 罐体球壳的内直径约为 11981mm，按标准可使用混合式三带排板 -根据GB/T17261
13、，可分为上极、下极、赤道带（如上图） ,支柱 8 根，支柱选用材料为钢管。 2.2 设计支柱的结构： （ 1）连接方式： 球壳、支柱间根据 GB12337 采赤道正切式支承的连接方式。 （ 2）受力特点： 支柱支撑具有受力均匀的特点，它承受着整个容器的重量，而且其设计结构便于施工及组合，也能对罐体进行简单的调整，操作起来极为方便，使用 范围很广泛，其弹性范围较大，能够承受较大程度的变形。 （ 3）防火设计： 因为球罐内一般装有易燃气体，为了防范火灾发生时突然情况，在罐体上方应当设计安全通气孔。当遇到火灾时才不至出现由于罐体内的温度及压力升而导致罐体塌陷、支柱断裂及爆炸等危险情况。为了避免火灾的
14、发生，在罐体内表层可以附上一层防火性能较好的防火材料，那样也能有效的防范火灾的发生。 （ 4）附件设计： 球罐设计出了最重要的罐体设计外，其附件的设计也尤为重要，附件的安全及连接性直接影响到整个球罐的性能。常有附件有接管、法兰、盘 梯、洒水孔、人孔、压力表及安全阀等等，其设计思路在后文会进行详细讲述。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 62 页 （ 5）支柱结构： 由于支柱有上述特点，所以在本次设计中可选用 U 型托板并选取赤道正切的形式。 南华大学机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 62 页 3.球壳球瓣结构尺寸计算 3.1 混合式结构排板的计算： 3.1.1 符号说明 R-球
15、罐半径 6225 mm -赤道带周向球角 22.5 （ 360/16） N-赤道分瓣数 16 (如上图 ) 1 -极中板球心角 44 0 -赤道带球心角 70 2 -极侧板球心角 11 3 -极边板球心角 22 3.1.2 赤道板尺寸计算： 图 2-2赤道板 弧长 L = 1800R = 180 70622514.3 =7601.4mm 弦长 L =2Rsin( 20 )=2x6225 sin(270 )=7141mm 1B = 2001.4 L = 7601.4 南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 62 页 弧长 1B = NR2 cos( 20 )= 16 14.362252 x
16、 cos270 =2001.4mm 弦长 1B =2Rcos(20 )sin(2 )=2x6225 cos35sin 25.22 =1989.6mm 弧长 2B = NR2 = 16 14.362252 x =2443.3mm 弦长 2B =2Rsin2 =2x6225 sin( 25.22 ） =2428.9mm 弦长 D =2R )2(c o s)2(c o s1 202 =2x6225x )2 5.22(c o s)270(c o s1 22 = 7413.0mm 弧长 D = 90R arcsin(2RD )= 903.14x6225 arcsin(2x62257413.0 ) = 7936.4mm 极板（图 2-3）尺寸计算： 图 2-3 极板 1B = 6204.1 2B =7167.1 0D =9731.7
