1、 河北联合大学轻工学院 QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕业设计说明书 设计（论文）题目： 2000m球罐设计 学生姓名： 董文达 学 号 ： 200915190232 专业班级 ： 09 机械 7 班 学 部：工程教育部 指导教师： 张光浩 2013 年 05 月 27 日 2000 立方米球罐设计 1 摘要 球罐作为大容量、有压贮存容器，在各工业部门中作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氮、液氢、液氨、及其他中间介质的贮存；也作为压缩空气、压缩气体的贮存。在原子能工业中球罐还作为安全壳使用。本课题是 2000m低温球罐设计，通过查阅相关书
2、籍，对该球罐的结构、强度进行详细的计算，从附件、可能引 起的突发因素等多角度考虑，以 GB12337-2011钢制球形储罐， GB150-2011钢制压力容器， GB50094-2011球形储罐施工及验收规范作为设计、制造、检验和验收的规范标准对该球罐进行了设计，最终完成了本课题设计。 关键词 ：设计、计算、球罐 2000 立方米球罐设计 2 Abstract Spherical tank used as a large capacity, pressure container, in the industrial sector as liquefied petroleum gas, liqu
3、efied natural gas, liquid oxygen, liquid nitrogen, liquid hydrogen, liquid ammonia, and other medium storage; also as compressed air, compressed gas storage. In the atomic energy industry in spherical tank also as safety shell. This topic is the 2000m low temperature spherical tank design, through c
4、onsulting relevant books, on the spherical tank structure, intensity of the detailed calculation, from attachment, may cause unexpected factors and other point of view, to GB12337-2011“ steel spherical tanks“, GB150-2011“ steel pressure vessel“, GB50094-2011“ code for construction and acceptance of
5、spherical storage tank“ as the design, manufacture, inspection and acceptance standard of the spherical tank is designed, the final completion of the project design. Through this design, I understand Key words: design, calculation, spherical tank 2000 立方米球罐设计 3 目录 摘要 . 1 Abstract . 2 第一章 绪论 . 6 1.1
6、球形容器的特点 . 6 1.2 球形容器分类 . 6 1.3 国内外球罐建造进展 . 6 1.3.1 球罐建造的历史概论 .7 1.3.2 国内球罐建造概论 .8 第二章 材料的选用 . 10 2.1 球罐的选材准则 . 10 2.1.1 钢材的力学性能 . 10 2.1.2 经济性 .11 2.2 选材 .11 2.2.1 钢板 . 12 2.2.2 焊接材料 . 12 2.3 锻件用钢 . 12 2.4 壳体用钢板 . 13 2.4.1 力学性能及工艺性能 . 13 2.4.2 许用应力 . 13 第三章 结构设计 . 14 3.1 概况 . 14 3.2 球壳的设计 . 15 3.3 混
7、合式球罐球壳的瓣片设计和计算 . 15 3.4 坡口设计 . 18 3.5 支座设计 . 18 3.6 人孔和接管 . 20 2000 立方米球罐设计 4 3.6.1 人孔结构 . 20 3.6.2 接管结构 . 21 3.7 球罐的附件设计 . 21 3.8.1 梯子平台 . 21 3.8.2 水喷淋装置 . 21 3.8.3 隔热设施 . 22 3.8.4 液面计 . 23 3.8.5 压力表 . 23 3.8.6 安全阀 . 23 第四章 强度计算 . 25 4.1 设计条件 . 25 4.2 球壳计算 . 25 4.2.1 球壳厚度 如图 1 . 25 4.2.2 球壳薄膜应力校核根据
8、式 . 26 4.3 支柱载荷计算 . 28 4.3.1 静载荷 . 28 4.3.2 动载荷 . 29 4.3.3.支柱稳定性校核 . 31 4.4 连接部位强度计算 . 32 4.4.1 销钉直径计算 . 32 4.4.2 耳板和翼板 厚度计算 . 32 4.4.3 焊缝剪应力校核 . 32 第五章 工厂制造及现场组装 . 35 5.1 工厂制造 . 35 5.1.1原材料检验 . 35 5.1.2瓣片加工 . 35 5.2 现场组装 . 36 5.3 组装准备 . 36 5.3.1 基础检查验收 . 37 5.3.2 球瓣几何尺寸检验和理化检验 . 37 5.4 组装精度的控制 . 37
9、 5.4.1 支柱偏差的控制 . 37 5.4.2 椭圆度，焊缝错边量和角变形 . 37 第六章 焊接与检查 . 38 2000 立方米球罐设计 5 6.1 钢材的可焊性 . 38 6.2 焊接工艺的确定 . 38 6.2.1 焊接方法的选择 . 38 6.2.2 焊条，焊丝，焊剂的选择 . 38 6.2.3 预热的选择 . 38 6.3 焊后热处理 . 39 6.3.1 焊后热处理的确定 . 39 6.3.2 焊后热处理 . 39 第 7 章 检查 . 40 7.1 支柱尺寸精度检查 . 40 7.2 竣工检查 . 40 7.3 气密性试验 . 41 7.4 开罐检查 . 41 结 论 .
10、41 参考文献 . 42 致 谢 . 44 2000 立方米球罐设计 6 第一章 绪论 近几十年来球形容器在国外发展很快，我国的球形容 器的引进和建设在七十年代才得到了飞速发展。通常球形容器作为大体积增压储存容器，在各工业部门中作为液化石油气和液化天然气，液氨，液氮，液氢及其他中间介质并存，也有作为压缩空气，压缩气体贮存。在原子能工业中球形容器还作为安全壳（分隔有辐射和无辐射区的大型球壳）使用。总之随着工业的发展，球形容器的使用范围也就必然会越来越广泛。 由于球形容器多数作为有压贮存容器，故又称球罐。 1.1 球形容器的特点 球形容器与常用的圆筒型相比具有以下的一些特点： 1.球形容器的表面积
11、小，即在相同作用容量下球形容器所需钢 材面积最小。 2.球形容器壳板承载能力比圆筒形容器大一倍。即在相同直径相同压力下，采用相同钢板时，球形容器的板厚只需圆筒形容器板厚的一半。 3.球形容器占地面积小，且可向高度发展，有利于地表面积的利用。由于这些特点，再加上球形容器基础简单，外观漂亮，受风面积小等等，使球形容器的应用得到扩大。 1.2 球形容器分类 球形容器可按不同方式，如储存温度，结构形式等分类。 按贮存温度分类： 球形容器一般用于常温或低温，只有极个别场合，如造纸工业用的蒸煮球等，使用温度高于常温。 (1) 常温球形容器 如液化 石油气，氨，煤气，氧氮等球罐一般这类球罐的压力较高，取决于
12、液化气的饱和蒸汽压或压缩机的出口压力。他的设计温度大于 -20 度。 (2) 低温球罐 这类球罐的设计温度低于常温（即 =120 度），一般不低于 -100 度，压力偏于中等。 深冷球罐 设计球罐在 -100 度以下。往往在介质液化点以下贮存，压力不 高，有时为常压。由于对保冷要求高，常采用双层球壳。 目前国内使用的球罐，设计温度一般在 -40C 50C 之间。 按形状分有圆球形，椭球形，水滴形或上述几种形式的混合。 圆球形按分瓣方式分有桔瓣式，足球瓣式，混合瓣式等，圆球形按支撑方式分有支柱式，裙座式，半 C 里式， V 形支撑式。 1.3 球罐的设计参数 球罐的主要参数为设计压力和设计温度。
13、这两个参数互有影响，对球罐的设计影响很大，决定了材料的选用。 （ 1）设计压力 设计球罐时用来确定各部件的计算厚度或机械强度的压力。设计压2000 立方米球罐设计 7 力由工艺条件确定，要考虑如下方面： 1.贮存介质为液化气式设计 压力由坐高设计温度决定； 2.装有安全阀时，设计压力取安全阀调定压力； 3.装有爆破膜时，设计压力取爆破膜和爆破压力； （ 2）设计温度与设计压力同时存在的球罐壁温为设计温度。 1.设计温度有工艺条件确定时根据工艺传热计算确定金属壁温为设计温度。 2.设计温度由大气环境确定时，参照以下方法： 最低气温 取当地月平均最低气温 最高温度 取当地月平均最高气温为依据。此值
14、高于 27 摄氏度是区别最高温度为 48 摄氏度，低于 27 摄氏度是区别最高温度为 40 摄氏度，当贮存液化气时，一般以此作为设计温度并由此确定设计压力。 3.设计压力与设计温度的配合 当球罐操作时可能出现不同的压力和温度和配合，则应取最不利的同事出现的压力和温度配合作为设计依据。但对其他可能出现的压力和温度配合进行校核，以证明设计满足各种使用条件。 1.4 国内外球罐建造进展 1.4.1 球罐建造的历史概论 球罐作为一种工业贮存介质的压力容器，仅开始于本世纪的三十年代。 在三十年代出现的工业球罐，特点是：容量小，结构粗笨，耗材高，施工技术差，施工管理也差，没有形成专业化生产，大部分是分散单
15、片生产，主要采用热压球壳板，铆接结构。即三十年代建造的球罐 主要是铆接球罐。 在四十年代，由于焊接技术的出现，球罐建造出现较大的进度。但由于当时工业水平较低，工业领域窄，因此球罐需求量也不大，受球罐材料的局限，顾发展水平不快。 在五十年代，由于焊接技术的进一步发展及高强度钢的出现，随着工业部门对球罐的大量需求，球罐建造开始迅速发展起来。但由于五十年代建球技术并不先进，所以其特点为：数量低，质量低。 在六十年代，随着冶金工业的发展，石油化工，原子能工业的发展，建球水平进入了一个新的阶段，其特点如下： 对球罐的建造提出容量大，数量多，质量高的要求：使用工艺条件也较苛刻。 鉴于六十年代球罐多次脆性破
16、裂事故，球罐的安全性得到足够重视。 球罐在建造中出现全面的质量控制和施工管理。 大容量球罐的经济性促进了开发高强度低合金钢，开始研究由于采用高强度钢而带来的焊接裂纹的防止。 各国开发球罐整体热处理技术，并行成了热处理专利及专门热处理的服务公司。 对球罐的使用中裂纹引起了足够的重视，并且开始防止球罐进行裂纹的研究。 在七十年代建造出现了不平衡的情况，由于各国发展了低温储存双层立式储罐，贮存各种气体及液化气体的需要，球罐又在某些国家迅速发展，这时期特点如下： 2000 立方米球罐设计 8 (1) 这时期建造球罐容 量增加，质量得到较好的控制。 (2) 大型原子能发电站的建造，促进球形压力壳和安装壳
17、的制造技术水平，一些超大型球壳陆续建造完成。 (3) 大量液化气贮存事业发展，推动建球技术的发展。 (4) 各国压力容器规范开始注重对球罐制造的要求，出现一些球罐的专用规范，并注意球罐的设计制造，施工检验的规范标准的制定及实施。 (5) 加强球罐施工现场管理，进行全面的质量控制。 (6)加强球罐的科研。 1.4.2 国内球罐建造概论 我国最早建造球罐在 1958 年以后，至 1980 年已运行的各类球罐约为 1000 台左右。 回顾我国近三十年的建造球罐历史，历史较短，但发展速度较快，目前国内建球技术水平仅仅达到世界先进国家的八十年代的水平，至于近年来引进国外球罐技术水平也有达到九十年代的技术
18、水平，但是综合技术水平还是比较落后的，球罐的质量不能很快提高是技术管理水平低，大容量球罐尚不能建造主要缺少球罐的专门材料。总结近三十年的建球历史，可以用如下几个阶段来阐述： 第一阶段 1958 年 1972 年 这阶段是我国开始组建球罐阶段，其特点是自行设计阶段，分散组建中小型球罐为主，最大容量为一千立方米。采用低合金钢 16MnR 球罐试制成功后，出现大容量的16MnR， 15MnVR 球罐，球壳和主要热压成型，由各施工单位组装焊接。球罐组建均设有标准规范进行质量控制，无竣工验收标准，因此施工质量低劣，生产效率低，对球罐安全性尚未被人们得到足够的认识。 第二阶段 1972 年 1979 年
19、这阶段是我国建造球罐最多，容量最大的时期。首先这阶段引进 32 台国外球罐，建造 3 台 8250 立方米大型液氨球罐， 2台 5200 立方米液氨球罐， 2 台 2200 立方米丙烯球罐。在引进球罐设计制造，施工和检验技术的掌握下，我国建球技术有了较大 的提高。为我国赶超世界先进技术水平创造了良好的开端。其次，我国自行建造的 2000立方米的大型球罐，并且组建配套工程球罐近百台左右，使国产球罐技术水平达到了一个新水平。 第三阶段 1979 年 1982 年 这阶段是球罐建造调整阶段，主要对全国现已运行的近 800 台球罐进行一次全面开罐检查，消除重大事故的隐患，对新建球罐进行全面质量检查及控制，为迎接今后组建大量城市煤气球罐打下基础。
