2000m3球罐设计毕业设计说明书

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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： 学 号： 专业班级：09机械7班 学 部：工程教育部指导教师： 2013年05月27日2000立方米球罐设计 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GB12

2、337-2011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 AbstractSpherical tank used as a large capacity, pressure container, in the industrial sector as liquefied petroleum gas, liquefied natural gas, liquid oxygen, liquid nitrogen, liquid hydrogen,

3、 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 consulting relevant books, on the spherical tank structure, intensit

4、y 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 spherical storage tank as the design, manufacture, inspection and accept

5、ance standard of the spherical tank is designed, the final completion of the project design. Through this design, I understandKey words: design, calculation, spherical tank 目录摘要1Abstract2第一章 绪论51.1 球形容器的特点51.2 球形容器分类51.3 国内外球罐建造进展61.3.1球罐建造的历史概论61.3.2 国内球罐建造概论7第二章 材料的选用92.1球罐的选材准则92.1.1钢材的力学性能92.1.2

6、 经济性102.2 选材112.2.1 钢板112.2.2焊接材料112.3 锻件用钢122.4 壳体用钢板122.4.1 力学性能及工艺性能122.4.2 许用应力13第三章 结构设计143.1 概况143.2 球壳的设计143.3混合式球罐球壳的瓣片设计和计算153.4 坡口设计203.5 支座设计213.6 人孔和接管233.6.1 人孔结构233.6.2 接管结构233.7 球罐的附件设计243.8.1 梯子平台243.8.2 水喷淋装置243.8.3 隔热设施253.8.4 液面计263.8.5 压力表263.8.6 安全阀26第四章 强度计算294.1 设计条件294.2 球壳计算

7、294.2.1 球壳厚度 如图1294.2.2 球壳薄膜应力校核根据式314.3 支柱载荷计算324.3.1 静载荷334.3.2 动载荷344.3.3.支柱稳定性校核364.4 连接部位强度计算384.4.1 销钉直径计算384.4.2 耳板和翼板厚度计算384.4.3 焊缝剪应力校核38第五章 工厂制造及现场组装435.1工厂制造435.1.1原材料检验435.1.2瓣片加工435.2现场组装445.3 组装准备445.3.1 基础检查验收445.3.2 球瓣几何尺寸检验和理化检验445.4 组装精度的控制455.4.1 支柱偏差的控制455.4.2 椭圆度，焊缝错边量和角变形45第六章

8、焊接与检查466.1 钢材的可焊性466.2 焊接工艺的确定466.2.1 焊接方法的选择466.2.2 焊条，焊丝，焊剂的选择466.2.3 预热的选择466.3 焊后热处理476.3.1 焊后热处理的确定476.3.2 焊后热处理47第7章 检查487.1 支柱尺寸精度检查487.2 竣工检查487.3 气密性试验487.4 开罐检查49结 论50参考文献51致 谢52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

9、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

10、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，设计温度一般在之间。

11、 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 国内外球罐建造进展1.3.1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

12、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

13、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：(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

14、行全面的质量控制。(6)加强球罐的科研。1.3.2 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

15、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 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

16、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。对提高国内球罐建造及安全使用的一些看法 由于目前的一些问题主要都出现在焊接接头上，所以应该采用指把焊缝的质量提高到目前的水平。应从：(1) 焊缝磨削（2）球罐热处理（3）人孔接管产生的应力进行处理 这三个方面进行考虑。1.3.3为使国产球罐向大型化发展应注意的问题球罐用钢问题由于球罐向大型化发展

17、，相应的要求球罐用钢要向高强度钢发展。采用高强度钢制造球罐有如下特点：(1) 对于相同容量的球罐，采用高强度钢可以减少壁厚，节约原材料的消耗。(2) 经济性好，占地面积小，附件数量少，节省基础工程的设计费用，减少制造工时，运输和安装也方便。(3) 可以建成不用热处理的大容量球罐，因此可节省投资。 目前我国急需发展屈服强度为50公斤/cm的高强度调制钢，以满足球罐需要，特别是乙烯球罐用材的需要。（4）球瓣自制问题不管球罐的绝对容积是多大，大型化总有一条总的原则：就是必须尽量减少焊缝数量即：尽量使球瓣尺寸趋于大型化。这样，不但焊缝工作量减少了，而且装配应力也相应减少，建造周期可以缩短。第二章 材料

18、的选用2.1球罐的选材准则球罐是压力容器的一种结构形式，因而在选用材料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的前提下，应保证有良好的成型性、优良的焊接性能、足够好的缺口韧性值和长期可靠的使用性能。球罐用钢是球罐制造和设计的主要参数，对其质量优劣具有举足轻重的影响。目前球罐的使用场合基本上属于低温和常温，合理重点介绍常温球罐用的材料的选材标准。2.1.1钢材的力学性能1.抗拉强度抗拉强度是材料的主要强度指标之一，它是材料在拉伸受力过程中，从开始加载至断裂所能承受的最大应力，是决定材料许用应力的主要依据之一。GB 228金属抗拉伸试验方法中给出了抗拉强度的定义和试验方法。2.

19、屈服点屈服点是指呈现屈服现象的金属材料，在所加外载荷不再增加(保持恒定)，而材料仍继续伸长变形时所对应的应力。对于在压力容器行业中通常使用的材料，规定以残余伸长率0.2%时的应力作为决定材料许用应力时的屈服点。GB228中给出了试验方法。工程上常用屈强比/s/b作为压力容器用钢安全可靠性的参考指标。对于依据弹性准则设计的压力容器元件.它表示承载能力的裕度。s/b=1时，属极端情况，这时任何微小的超载都会导致元件的失效断裂，因而不能用来制造压力容器。当s/b小于0.6 时，虽然超载能力大，安全可靠性增大，但钢材的利用率降低。3.刚性刚性是结构抗弯曲和翘曲的能力，是度量构件在弹性范围内受力时变形大

20、小因素之一，它与钢材弹性模量和结构元件的截面形状(截面惯性矩)有关。弹性模量是钢材在弹性极限内应力与应变的比值。4.韧性韧性用来衡量材料的抗裂纹扩张的能力。 由于韧性指标繁多，因试验方法不同而不能统一。目前各国均以夏比V形缺口冲击试验的吸收能量(Akv)来衡量，以期达到简单方便的目的。冲击(吸收)功Akv，即具有一定形状尺寸的金属试样在冲击载荷下折断时所吸收的功，单位为焦耳(J)。标准试验的方法有GB2106金属夏比（V形缺口）冲击试验方法和GB4159金属低温夏比冲击试验方法。在球罐设计时应注意这一问题，必要时应参考钢材的冲击载荷变形曲线(P- 曲线)来选择钢材。5可焊性球罐用材料对可焊性要

21、求比通常的压力容器用材料要求更高，大量的双曲面对接焊，并处于高空全位置(平焊、仰焊、横焊、立焊)焊接，绝大部分属于隐蔽工作面，因而在材料的选择上就要严格考虑可焊性。常用的标准规范用于评价高强度钢的可焊性和对接焊裂纹敏感性，一般采用钢板的碳当量Chq和裂纹敏感指数Pc来进行。碳当量Ceq国际焊接学会（IIW）推荐用于低合金钢的碳当量计算公式：Ceq=C+ (%) 一般要求屈服限为490MPa级的低合金高强度钢Ceq的控制在0.45，说明可焊性良好。国外有些标准，按钢板的强度级别和热处理情况，来提供Ceq。裂纹敏感指数Pc：碳当量与焊接热影响区硬度有一定的关系，一般材料的强度越高，其焊接热影响区的

22、硬度也越高，出现裂纹的可能性就越大。但大量研究结果表明，以此判断裂纹出现的可能性还不够完全，因而将约束度（材料厚度）和开裂性（焊缝中氢的含量）的因素考虑在内，则裂纹敏感性指数Pc的计算公式：Pc=C+ (%)式中h-钢板厚度，mm；H-焊缝中氢含量，mL/100g。大量的试验说明当Pc0.35时，裂纹产生的几率就大；当Pc0.30时，裂纹产生的几率就小。2.1.2 经济性对球罐用钢提出了各种要求，势必在经济上增加了成本。在球形罐用钢的选择上，经挤指标是要重点考虑的，因为钢材的价格在整个球罐的投资上占了相当的比例。根据国际焊接协会的文件，材料的选用会影响很多工序，如设计计算中容器几何尺寸，焊接工

23、艺，材料的检验要求，焊接工艺评定，焊工考核，焊接准备工作，焊接过程的管理，焊后的检验，焊后热处理要求，液压试验等。作为一个优秀的设计工作者，对于材料的选用应作全面考虑，恰当地选用合适的材料。如果认为选材要球罐越高越好的话，则造成优材劣用的设计绝不是一个好的设计方案。对材料要求不合适地提高，不但增加了材料的成本，也导致整个施工价格的上升，是一种极大的浪费。在设计选材时，必须着眼于确保安全使用，又要经济合理。2.2 选材球罐材料不仅按其储存物料的性质、压力、温度等因素选定具有足够强度的材料，而且还应该考虑到所选材料应具有良好的焊接性能和加工性能，同时还应考虑材料的供给可靠性及经济性等。2.2.1

24、钢板在球罐用钢板国外有两条选材原则：欧洲国家广泛采用屈服极限294441MPa级的中强钢，属于Mn-Si、Mn-V、Mn-Nb和Mn-Ni-V系钢，厚度不加控制，当厚度超过规定的界限时，对球罐进行焊后消除应力热处理；日本则选用高强钢，一般球罐容积在6000m3以下采用抗拉强度600MPa级钢。容积超过10000m3采用抗拉强度800MPa级钢，壁厚通常控制在不进行整体热处理的界限内。以上两种选材原则各有其优缺点。选用中强钢的原则其优点是材料便宜，易获得，焊接工艺条件不苛刻，便于施工，还可以通过热处理消除焊接残余应力，有利于防止应力腐蚀；缺点是相同容积的球罐钢材耗量大，不利于球罐大型化。选用高强

25、度钢的原则其优点是可以降低钢材的消耗量，有利于球罐大型化，缺点是焊接工艺条件苛刻，易于产生焊接裂纹，不易进行应力腐蚀控制。考虑我国钢材的状况，GB12337选材原则与欧洲国家相同。近十年来，国内研制的490Mpa WCF62 钢(低焊接裂纹敏感性的钢种)，新钢型号为07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR及16MnR(WH5l0)、15MnNbR（WH530)和BP460N，已用于工程，主要用于建造氧气球罐和低温罐，使球罐用材方面增加了很大的选择性，拓宽了球罐的应用领域，为我国的球罐大型化奠定了基础。鉴于我国钢材生产情况，GB12337对球壳板的选材主要从GB6654-1996压力容器用钢

26、板 和GB3531-1996低温压力容器用低合金钢钢板以及GB150中选取了20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR、07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR等八种钢作为球壳用钢。2.2.2焊接材料随着球建造的不断进步，在施工现场手工电弧焊焊接球罐的传统工艺受到挑战，近年来在引进装备的基础上，用气体保护自动焊代替于工焊的逐渐增多，因此GBl2337对气体保护自动焊焊丝的要求予以规定。GB12337还规定：手工电弧焊的球壳焊缝以及直接与球壳焊接的焊缝，必须选用低氢碱性焊条。焊丝和焊剂应与所施焊的钢种相匹配。2.3 锻件用钢球罐的人孔、接管往往采用锻

27、件。人孔结构采用锻件可避免补强结构，使人孔以对接焊的形式与球壳板连接，达到减少结构应力的目的。接管采用锻件，增大自身补强，达到减少应力突变的目的。人孔锻件级别不应低于级。人孔锻件材料选用时，必须考虑其力学性能不低干球壳板材料的力学性能，且可焊性良好，经消除应力退火后，强度和韧性没有明显下降。锻件采用08MnNiCrMoVDR。2.4 壳体用钢板2.4.1 力学性能及工艺性能 表2-1力学性能2.4.2 许用应力 表2-2 许用应力第三章 结构设计3.1 概况球罐的结构型式是多种多样的，根据不同的使用条件（介质、容量、压力、温度)，使用不同的材料，球罐的设计和制造水平的差异，有不同的结构型式。我

28、国现行使用的球罐，多以球壳扳的组合方案不同分为橘瓣式和足球瓣与橘瓣组成的混合式两种，以拉杆形式不同分为可调式和固定式两种。球罐的结构并不复杂，但它的制造和安装较之其他形式储罐困难，主要原因是它的壳体为空间曲面，压制成型、安装组对及现场焊接难度较大。而且，由于球罐绝大多数是压力容器，它盛装的物料又大部分是易燃、易爆物，且装载量大，一旦发生事故，后果不堪设想。国内外球罐的事故事例很多，有些造成重大的人身财产损失。查其事故原因，除了操作和安装失误之外，结构设计不尽合理也是原因之一。因此，球罐结构设计要围绕如何保证安全可靠而实施。球罐结构的合理设计必须考虑多种因素：盛装物料的性质、设汁温度和压力、材质

29、、制造装备和技术水平、安装方法、焊接和检验要求、操作方便可靠性、自然环境的影响(风载荷、地震载荷作用，大气的自然腐蚀)等。要做到满足各项艺要求，具有足够的强度和稳定性，结构尽可能简单，使其压制成型、安装对焊接和检测、操作、监测和检修实施容易。球罐的结构设计应包括如下的内容：(1)根据工艺参数的要求确定球罐结构的类型及几何尺；(2)确定球壳的排板方法(分带、分片)；(3)确定球壳板的几何尺寸；(4)支撑结构的确定；(5)人孔和工艺接管的选定、布置以及开孔补强的设计；(6)球罐的附件如内外盘旋梯、爬梯、平台的设计；(7)有要求时，对保冷结构设汁；(8)对基础的技术要求；(9)有要求时，对防地震、防

30、雷的设计等。3.2 球壳的设计球壳是球罐的主体，它是储存物料和承受物料工作压力和液柱压力的构件。球壳几何尺寸较大，用材量大，它必须由许多瓣片组成。球壳设计要按照如下的设计准则进行：(1)必须满足所储存物料在容量、压力、温度方面要求，且安全可靠；(2)受力状况最佳；(3)考虑瓣片加工机械(油压机或水压机)的跨度大小，运箱条件的可能，尽量采用大的瓣片结构，使焊缝长度最小，减少安装工作量；(4)考虑钢板的规格，增强球壳板的互换性，尽量提高板材的利用率。国内自行设计、制造、组装焊接的球罐多为橘瓣式和混合式排板组成的球壳。其基本结构参照G/T17261。3.3混合式球罐球壳的瓣片设计和计算符号说明R-球

31、罐半径mm，R=7850N-赤道带分瓣数，N=16-赤道带周向球心角，=20 0-赤道带球心角，0=67.51-极中板球心角，1=22.52-极侧板球心角，2=22.53-极边板球心角，3=22.5 图3-1 赤道板赤道板尺寸计算： 弧长弦长 弧长 弦长 弧长 弦长 弦长 弧长 极板尺寸计算 图3-2 极板对角线弦长与弧长的最大间距：弦长 弧长 弦长 弧长 弦长 弧长 极中板尺寸计算： 图3-3 极中板弧长 弦长 弧长 弦长 对角线弦长与弧长的最大间距：弦长 弧长 弦长 弧长 弦长 弧长 极侧板尺寸计算 图3-4 极侧板弦长 弧长 弦长 弧长 弦长 弧长 式中 A,H-同上;弧长 弦长 弦长

32、弧长 极边板尺寸计算 图3-5 极边板弦长 弧长 弦长 弧长 弦长 弧长 弦长 弧长 弦长 弧长 弦长 弧长 式中：3.4 坡口设计球壳都是以球瓣焊接而成，因次焊接坡口的设计是保证球罐质量的重要环节。坡口设计的原则是要便于焊接，便于检验，以次来达到焊缝有足够的强度而又经济合理。目前国内外球罐焊缝系数都趋向于采用，因此坡口设计就更为重要。坡口设计的影响因素：与采用焊接方法有关，当用手工焊时采用不对称X型坡口或Y型V型坡口；当用自动焊，半自动焊启电垂直按所用焊机情况选定适当形式坡口。与球壳的钢板的厚薄有关，当钢板厚度大于20mm时，一般采用大型坡口（不对称或对称）当钢板厚度小于20mm时而采用手工

33、焊时，一般采用Y型（V型）坡口。与焊接所在球壳部位（即焊工操作位置）有关。当采用手工焊焊接不对称X 型坡口时，一般适宜于把上温带，上极板的焊缝及赤道上环缝以上所有环缝的大坡口放在内侧，小坡口放在外侧；反之把赤道带，下温带和下极板的主从缝及赤道带下环缝以下的所有环缝的大小坡口放在外侧，小坡口在内侧。这样有利于碳弧气刨清根（或磨焊极）及着已检验的操作，同时小坡口侧便于预热，电焊工作（所谓大坡口是指焊根部较深那边）。与焊接公艺有关 采用不对称X型坡口手工电弧焊时，采用小间隙坡口结构（C=13mm）是我国和日本的习惯。坡口的设计就是决定坡口结构的三个要素：角度（包括角度误差）；间隙（包括间隙误差）；钝

34、边尺寸大小。 图3-6 坡口在本设计中根据球形储罐设计规定选用不对称X型坡口形式。3.5 支座设计 球罐支座是球罐中用以支撑本体重量和贮存物料重量的结构部件，由于球罐壳体呈圆球状，给支左设计带来一定的困难，它即要支撑较大的重量。又由于球罐设计在室外，需承受各种自然环境影响；如风载荷，地震载荷和环境温度变化的作用。为了对付各种影响因素，结构形式比较多，设计计算也比较复杂。 支撑可分成柱式支撑和裙式支撑两打类。柱式支撑中又以赤道正切柱式支撑用的最多，为国内外普遍采用。裙式支撑包括圆筒裙式支撑，锥形支撑。在本设计中，参考国内外经验和我国目前的制造水平，选用了赤道正切形式支座结构。 赤道正切柱式支座结

35、构: 它的特点是：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近乎相切，（相割）而焊接起来。一般说相割时，支柱的轴心线与球壳交点与球心连线与赤道平面的夹角约为角支柱支撑球的质量，为了承受地震载荷和风载荷；保正球罐的稳定性，在支柱之间设置拉杆相连。这种支座的优点是受力均匀，弹性好，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修也方便。它的缺点主要是重心高，稳定性较差。(1) 支柱结构 支柱由圆管，地板，端板三部分组成，分单段式和双段式两种。 1单段式支柱 主柱由一根圆管或圆筒组成，某上端在制造厂加工成与球壳相接的圆弧状（为达到密切接合也有采用翻边形式），下端与地板焊好，然后运到现场

36、与球瓣进行组装和焊接。它主要用于常温球罐。 2双段式支柱 这种支柱适用于低温球罐的特殊材料的支座。按低温球罐设计要求，与球壳相连的支柱必须选用与壳体相同的低温材料，其设计高度一般为支柱总高度的3040%左右，该段支柱一般在制造厂内与球瓣进行组对焊接，并对连接焊缝进行焊后热处理。下段支柱可采用一般材料。 在常温球罐中也有由于安装方面希望改善柱头部位支座与球壳连接的应力状况而采用双段式支柱结构。这时，不要求上段采用与壳体相同的材料。 双段式支柱本身结构较为复杂，但它在与壳体相焊处焊缝的受力水平较低，这是一个显著的优点，故在国外得到广泛的应用。 故在本设计中采用单段式支柱。3支柱与球壳的连接 主要分

37、为有垫板和无垫板两种结构，有垫板结构可增加球壳板的刚性，但又增加了球壳上的搭接焊缝，在第合金高强钢的施焊中由于易产生裂纹，探伤检查又困难，故应尽量避免采用垫板结构。 故在本设计中采用垫板结构。 支柱与球壳连接端部结构，也分为平板式和半球式两种。半球式受力较合理，抗拉断能力较强，平板式结构造成高应力的边角，连接不合理。支柱与球壳连接的下部结构，分为直接连接和有托连接两种。有托板结构，可以改善支撑和焊接条件，便于焊缝检验。 在本设计中采用半球顶有托板结构。4支柱的防火安全结构 支柱的防火安全结构主要是在支柱上防火层及可熔塞结构。 当在灌区发生火灾时，为了防止球罐支柱在很短时间内被火烧塌，引起球罐破

38、坏使事故加剧，除了对球罐体本身采用防火水幕喷淋以外，对于高度为一米以上的支柱，用厚度50mm以上的耐热混凝土成具有相当性能的不燃性绝热材料覆盖。防火隔热层不应发生干裂，其耐火性必须在一小时以上。 每根支柱上开设排气孔，使支柱管子内部的气体在火灾时能够及时溢出，保护支柱。为了隔绝支柱管与外界接触，试压后在排气孔上采用可熔塞堵孔，可熔塞内填上以以下温度时能自行熔化的金属材料，易熔塞直径应在6mm以上。 支柱还必须具有较好的平密性，保证各处焊缝有足够的强度（尤其是在支柱与球壳接头上），（组装施焊后的支柱必须进行表压的空气气密试验） 球罐应按有关规定安装单个接地电阻为，总和电阻为以下的接地设施。每台球

39、罐至少应有两个接地凸缘。（2）拉杆结构 拉杆是作为承受风载荷及地震载荷的部件，增加球罐的稳定性而设置。拉杆结构可分为可调试和固定式两种。 可调试拉杆分成长短两段，有可调螺母连接，以调节拉杆的松紧度，大多数采用高强度的圆钢或锻件圆钢制作 在本设计中采用可调试拉杆结构。3.6 人孔和接管3.6.1 人孔结构 球罐用的人孔是作为操作人员进出球罐以进行检查及维修用的。本设计中的球罐虽然不做焊后整体热处理，但人孔的选定必须考虑操作人员带工具进出球罐方便。一般选用DN500600较适宜。根据球形储罐设计规定本球罐开设DN500的人孔。 一般球罐上应该有两个人孔，分别设在上下极带上。上部人孔采用水平吊盖人孔

40、，下部人孔采用回转盖人孔。 原因：工作压力，材质为低合金高强钢或低温球罐时，采用回转盖整体锻件凸缘补强人孔，因为这种结构合理外，由于球罐极带配管集中，空间比较紧张也是一个原因，但由于人孔盖较厚，顶部人孔的开启是很费力的，所以若极带空间较宽裕的话，可选用水平吊盖人孔。 在有压力情况下人孔法兰一般采用带颈对焊法兰。密封面采用凹凸面形式。 采用整体锻件补强的人孔结构较为合理： 其优点是补强金属集中于开孔削弱应力最大的部位，应力集中系数最小，又采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低1015%节省材料，且壁厚大于或等于30mm的球罐，其人孔和接管的开孔补强

41、均应采用整体补强结构。 故在本设计中采用正锻件补强。3.6.2 接管结构球罐由于工艺操作需要有各种接管。球罐接管部分是强度的薄弱环节，国内较多事故是从接管焊接处发生的。为了提高该处的安全性，采用厚避管或整锻件凸缘补强措施。1接管材料 与球罐相焊的接管材料选用与球壳相同的材料。2.开孔位置 开孔应该设计在上下极带上，便于集中控制，并使接管焊接能在制造厂完成，保证接管焊接部位的质量。开孔应与焊接错开，其间距应大于三倍的板候，并且必须大于100mm。在球罐焊接缝上不应开孔。3.孔的补强 因球罐容积大，一般其壳体避厚都较接管厚得多，为了保证焊接质量，应加厚接管的管壁。即使对小直径接管。例如DN20也应

42、采用壁厚管焊接结构。3.7 球罐的附件设计3.8.1 梯子平台在本设计中球罐外部设有顶部平台，中间平台以及为了从地面进入这些平台的下部斜梯，上部盘梯。由于球罐的工艺接管及人孔绝大部分都设置在上级板处，顶部平台是作为工艺操作用的平台。中间平台的设置是为了操作人员上下顶部平台时中间休息，或者是作为检查球罐赤道部位外部情况用的。 在本设计中采用的梯子（上部盘梯）是球体和椭柱体相贯的相贯线，这种梯子结构弥补了球面螺线盘体的刚开始梯子的上升角太大，后来上升角太大，后来上升角太小的缺点，故这种结构行走舒适，没有陡升陡降的感觉。3.8.2 水喷淋装置1概述 球罐上装射水喷淋装置是为了内盛的液化石油气，可燃性

43、气体及毒性气体（氯，氨除外）的隔热需要，同时也可起消防的 保护作用。但是隔热和消防保护有不同的要求，一般淋水装置的构造为环形冷却水管和导流式淋水装置。1隔热用淋水装置的要求 要求淋水装置可以向球罐整个表面均匀淋水 ，其淋水量按球罐本体表面积每平方米淋水2L/min进行计算。2消防用淋水装置的要求 要求淋水装置也能向球罐整个表面均匀淋水，其淋水量按球罐本体表面积6L/min 当储存可燃性气体，液化气和液化石油气的球罐之间实际距离比安全规程缩短时，洒水量要求增大至10L/min .2.淋水管的设计 淋水管原则上要求采用镀锌水管或具有同等以上耐热性，耐腐蚀性及强度的钢管。淋水管的洒水孔口径为4mm以

44、上，以防止水垢，灰尘垢塞洒水孔。3.有关计算 在本设计中所用的洒水量为6L/min贮槽外表面积：1所需洒水量：2洒水管口径水流速：V=2m/s=所需管径： (3.1)3洒水孔数的决定： (3.2) =个3.8.3 隔热设施贮存液化石油气，可燃性气体和它的液化气以及有毒气体（氯，氨除外）的球壳体和支柱应该设置隔热设施。保冷设施 在球罐中储存须保持低温的物料（如储存乙烯、液化天然气、液氨等）时，应设置爆冷装置。保冷结构应从分防止外界热量侵入储罐本体。本球罐设计采用聚氨基甲酸乙酯做保温层，其性能参数如下： 表3-1 聚氨基甲酸乙酯性能参数 使用极限温度（）密度（kg/m）比热导热系数抗碎强度热膨胀系

45、数化学反应最高最低90-262约450.20.02（20）2600100中性 隔热设施可采用水喷淋装置或采用不燃性绝热材料覆盖。3.8.4 液面计 贮存液体和液化气球罐中应装液面计。 目前，球罐中采用的液面计主要有浮子齿带液面计和玻璃板式液面计两种。国外采用的都是前者。由于我国浮子齿带液面计还处在试产阶段，一般都采用玻璃板式液面计。 玻璃板式液面计直接性好，可以指示高液位和低液位。 这种结构定型规格长度较短，而球罐直径较大，要求装设许多个液面计才能看到全液位，结构较为复杂，管接头增多，易渗透。3.8.5 压力表 为了测量容器内压力，球罐应设计压力表。考虑到压力表由于某种原因而发生故障，或由于仪

46、表检验而取出等情况，应在球壳的上部和下部各设一个以上的压力表。 压力表的最大刻度为正常运转压力的1。5倍以上。 为使压力表的读数尽可能正确，压力表的表面直径应大于150mm。压力表前应安装截至阀，以便在仪表标校时可以取下压力表。3.8.6 安全阀1安全阀的种类，数量及可设置的位置 为防止球罐运转异常造成内压超过设计压力，应在气相部分设置一个以上的异常时用安全阀，以便及时排除部分气相物料，自动的将内压回复到设计压力以下。同时，在气象部分还要设置一个以上的火灾安全阀，使得由于火灾而使罐内物料温度及压力上升时，能自动发生作用，排泄物料，确保球罐不超过。2安全阀的排泄量对无绝缘材料保温层的液化气体球罐

47、的安全泄放量： (3.3)式中：球罐的安全的泄放量。在泄放压力下液化气体的气化潜热。泄放压力 :丙烷单组分在18.633kgf/的泄放压力下的沸点：。丁烷单组分在18.663kgf/的泄放压力F的沸点：。查化工工艺设计手册（二）P16-182得：在本设计中丙烷90%，丁烷10%，且丙烷的沸点远远低于丁烷的沸点。故以丙烷的蒸发潜热作为液化气体的气化潜热。 F系数，球罐装在地面下用沙土覆盖的取F=0.3，球罐在地面上时，取 F=1，对设置在大于10L/喷淋装置下时取F=0.6，在本设计中F=1。A-球罐的受热面积 故取A=177.541 安全阀排气能力的计算 ， (3.4) 因为我们所设计的球罐容

48、积比较大，容量大，故在本设计中采用全启式安全阀，一般易燃易爆或有毒介质应选用封闭式。 全启式安全阀 A=因乙烯是多原子气体，故取x=24.4,0.60.7,取0. 65。T=273+520=325k 根据化学工程手册第一篇P50求： 丙烷的临界点 369.8K =41.9mm 偏心因子: 查化学工艺手册第一篇 P170 介于0.85和0.90之间。 介于0.4和0.6之间。其中 都为液体的数据。在本设计中所用的Z是球体在操作压温度压力下的压缩系数。同理： (3.5) =安全阀的排气能力G液化气体球罐的安全泄放量 在化工工艺设计手册第一册P1087查得A42H40弹簧全启封闭式安全阀（阀体材料为

49、碳钢） 表3-2 安全阀 重量配法总型号1006513520518559093HG5016-58-40第四章 强度计算4.1 设计条件 设计压力 ：P=0.7Mpa 设计温度 ：常温 公称容积 ：2000 几何容积 ：2026.3物料密度 ：800kg/地震设计烈度 ：7级球壳内直径 ：15700基本风压值 ：450N/基本雪压值 ：200N/球罐建造场地 ：II类 近震 B类地区充装系数 ：0.9 图4-1 球壳分带4.2 球壳计算4.2.1 球壳厚度 如图1球壳各带的计算压力分别为：=0.7Mpa=0.7Mpa=0.7+800(5.1653.074)9.8=0.716Mpa球壳材料采用16

50、MnR，常温下许用压力为；取焊缝系数：，腐蚀余量，钢板厚度负偏差，故厚度附加量。球壳各带所需壁厚： (4.1)圆整后可取； (4.2)圆整后可取； (4.3)圆整后可取； (4.4)圆整后可取(考虑了与支座连接的影响)； (4.5)圆整后可取。圆整后可取。圆整后可取4.2.2 球壳薄膜应力校核根据式： ；球壳各带应力计算值如表41 表41球壳各带应力计算值 Mpa 分带号1234567各带有效厚度175175175215195195195操作条件下内压应力137.41374137412781409140.91409液压应力005615018.519.8199总应力137413741430142

51、8159.4160.71608液压试验条件下内压应力1963196319631597176.1176.11761液压应力046118024229.230.831.0总应力1967202421431839205.3206.9207.1球壳的许用应力值：操作条件下： 液压试验条件下： 表中各带计算应力均小于上述许用应力，故强度条件得到满足。(1) 球壳许用外压力系数 (4.6)查GB1501998钢制压力容器第33页图6-5得：B=375许用外压力： (4.7)(2) 球壳压应力校核许用临界压应力： (4.8)操作条件下赤道壁压力：下半球壳质量： (4.9)下半球储存介质质量： (4.10)下半球

52、保温隔热材料质量 操作条件下赤道壁压应力： (4.11) 下半球水的质量： (4.12)所以 4.3 支柱载荷计算支柱外直径： 支柱内直径： 支柱计算长度L：支柱金属横截面积A：14879支柱截面惯性矩J：支柱断面模数W：基本雪压值q：250N/ 支柱材料：Q235-A支柱材料屈服极限支柱数目 n：124.3.1 静载荷操作条件下球壳质量： (4.14)储存介质质量： (4.15)积雪质量： (4.16)保温隔热材料质量：附件质量：球罐每根支柱承受的静载荷： (4.17) 液压试验条件下：水的质量： (4.18)球罐每根支柱承受的静载荷： (4.19) 4.3.2 动载荷（1） 地震水平载荷拉

53、杆影响系数： (4.20) =球罐中心处单位力引起的水平位移： (4.21) 基本自振周期： (4.22)本球罐建造地的基础土质属于II类场土地。设计地震烈度为7级，按表4-2，地震影响系数的最大值因此： s (4.23)地震水平力 (4.24)（2） 风载荷球罐建造地基本风压值：查表4-9，风压值高度变化系数查表4-10，动载系数,故风振系数水平风力： (4.25) =因 （3） 推倒弯矩形成的垂直力推倒弯矩： (4.26)由M对各支柱产生的垂直力： (4.27)（4）.剪切力形成的支柱垂直载荷，水平力F的方向为A向，拉杆构架的方位角， (4.28)（5）.支柱附加压力载荷 本球罐无允许沉降差的数据，为示范起见，以允许沉降差为1mm计算附加压缩载荷，操作条件如下：mm (4.29) (4.30) (4.31)液压试验条件下： (4.32) (4.33) (4.34).载荷组合在载荷组合中，以每根支柱都可以承受附加压缩载荷计，那么在操作状态下每根支柱