1500立方米球罐设计

摘  要

   球罐作为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器。也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。

这次设计主要按照GB12337—1998《钢制球形储罐设计》进行设计本设计共分两部分，第一部分包括球罐的设计；第二部分为外文资料及其对应的中文翻译。其中第一部分介绍了球罐的发展状况和应用场合、材料选择、球罐设计、结构确定、强度计算、绘图等内容。以结构强度的设计计算为主，从基础理论、设计方法、结构分析、标准规定等方面进行了系统的阐述。

本球罐在1.77MPa的设计压力、常温的设计温度下设计，设计厚度为46mm，焊接接头系数采用100%无损检测选用1.00，压力试验采用水压试验，水压试验压力为2.22MPa，球壳材料选Q345R,支柱采用赤道正切式支柱式支承，为了承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，球壳采用的是三带混合式，球壳分块少，板材利用率高，制造工作量小，焊缝短，焊缝个数少，检验量小，施工速度快，使球罐的施工质量易于保证，拉杆结构采用可调节式拉杆，使球罐平衡易于调节。

     但在本次设计中由于设计者水平有限，所以难免会出现漏洞和不足，望指正。

关键词：球形储罐、压力容器

Abstract

As a large-capacity tank, pressure the ball storage container, widely used in petroleum, chemical, metallurgical and other departments, it can be used as a liquefied petroleum gas, liquefied natural gas, liquid oxygen, liquid ammonia, liquid nitrogen, and other media storage container . Also available as compressed gas (air, oxygen, nitrogen, city gas) storage tank

     Designed in accordance with the GB12337-1998 “Design of steel spherical tank”， this design is divided into two parts, the first part includes an overview and design of spherical tank including the calculation of spherical tank; the second part includes an English paper with 20,000 characters and its corresponding Chinese translation. The first section describes the development of the sphere and applications, material selection, spherical design, structure identification, strength calculation and so on.The most important is the calculation,and I also introduce the structural design ,the basic theory, design methods, structural analysis, standards.

The spherical design at 1.77MPa pressure and Room temperature and the design thickness is 46mm. The use of welded joints coefficient selection of 100% non-destructive testing 1.00, and use the hydraulic pressure test with 2.22MPa, ball shell material selection,.I use the equator tangent pillar strut-type support.In order to bear wind and seismic loads and ensure the stability of spherical,I set a rod between the pillars ,and the three mixed spherical shell is made up witth only several parts.The using rate of the plate is small.There are a small number of welds and the length of the welds is small.There is no need to do much test,so it is easy to make. In order to adjust the balance of  the tank, I use the adjustable lind.  

 However, in the design of this level ,as a result of the limitation of author’ knowledge,there must be fault and inadequacies, I hope you can help me find out the fault.. 

Key words：Storage tanks, Pressure vessels  

1 前言……………………………………………………………………………7

1.1 球罐的特点…………………………………………………………………7

1.2 球罐的分类…………………………………………………………………8

1.2.1 按储藏温度分类…………………………………………………………8

1.2.2 按结构形式分类…………………………………………………………8

1.3 球罐的建造历史……………………………………………………………9

1.4 本球罐的设计要求…………………………………………………………9

1.5 球罐的设计参数……………………………………………………………10

1.5.1 压力………………………………………………………………………11

1.5.2 温度………………………………………………………………………12

1.5.3 厚度………………………………………………………………………12

1.5.4 焊接接头系数……………………………………………………………14

1.5.5 压力试验…………………………………………………………………15

1.5.6 气密性试验………………………………………………………………15

1.6 材料选用……………………………………………………………………16

1.6.1 球罐材料准则……………………………………………………………16

1.6.2 球壳选材…………………………………………………………………17

1.6.3 锻件用钢…………………………………………………………………21

1.7 结构设计……………………………………………………………………21

1.7.1 概况………………………………………………………………………21

1.7.2 赤道正切柱式支座设计  …………………………………………………24

1.7.3 拉杆结构  …………………………………………………………………25

1.8 人孔和接管  …………………………………………………………………26

1.8.1 人孔结构  …………………………………………………………………26

2 强度计算…………………………………………………………………………33

2.1 设计条件………………………………………………………………………33

2.2 球壳计算………………………………………………………………………33

2.3 球罐的质量计算………………………………………………………………35

2.4 地震载荷计算…………………………………………………………………36

2.4.1 自振周期……………………………………………………………………37

2.4.2 地震力………………………………………………………………………37

2.5 风载荷计算……………………………………………………………………38

2.6 弯矩计算………………………………………………………………………38

2.7 支柱的计算……………………………………………………………………39

2.7.1 单个支柱的垂直载荷………………………………………………………39

2.7.2 组合载荷……………………………………………………………………40

2.7.3 单个支柱弯矩………………………………………………………………40

2.7.4 支柱稳定性校核……………………………………………………………42

2.8 地脚螺栓计算…………………………………………………………………44

2.9 支柱底板………………………………………………………………………45

2.9.1 支柱底板直径………………………………………………………………45

2.9.2 底板厚度……………………………………………………………………46

2.10 拉杆计算………………………………………………………………………46

2.10.1 拉杆载荷计算………………………………………………………………46

2.10.2 拉杆连接部位的计算………………………………………………………47

2.10.3 翼板的厚度…………………………………………………………………47

2.10.4 焊接强度验算………………………………………………………………48

2.11 支柱与球壳连接最低点a的应力校核………………………………………49

2.11.1 a点的应力…………………………………………………………………49

2.11.2 a点的应力校核……………………………………………………………50

2.12 支柱与球壳连接焊缝的强度校核……………………………………………50

3 焊接 ………………………………………………………………………………51

3.1 焊接工艺的确定 ………………………………………………………………51

3.2 焊后热处理 ……………………………………………………………………52

3.3 开罐检查 ………………………………………………………………………53

4 结论 ………………………………………………………………………………55

参考文献 ……………………………………………………………………………56

致谢 …………………………………………………………………………………57

1前言

球罐在我国的国防、科研、石油、化工、冶金等企业中有着广泛的应用。利用球罐贮存液氮、液化石油气、液化天然气、液氧、液氢以及贮存各种压缩气体等。在城市建筑中，球形容器可用于远距离高压输送气体管网；在钢铁厂利用球形容器贮存压缩氧。此外，在原子能发电站，球罐用作安全容器；在造纸上用作蒸煮球；在化学工厂用作反应器等。随着我国工业建设的发展，球罐的应用会越来越广泛。

1.1球罐的特点  

球罐，一种钢制容器设备。在石油炼制工业和石油化工中主要用于贮存和运输液态或气态物料。操作温度一般为-50～50℃,操作压力一般在3MPa以下。球罐与圆筒容器（即一般贮罐）相比，在相同直径和压力下，壳壁厚度仅为圆筒容器的一半，钢材用量省，且占地较小，基础工程简单。但球罐的制造、焊接和组装要求很严，检验工作量大，制造费用较高。球罐为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器。也可作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储罐。

　　球形罐与立式圆筒形储罐相比，在相同容积和相同压力下，球罐的表面积最小，故所需钢材面积少；在相同直径情况下，球罐壁内应力最小，而且均匀，其承载能力比圆筒形容器大1倍，故球罐的板厚只需相应圆筒形容器壁板厚度的一半。

　　由上述特点可知，采用球罐，可大幅度减少钢材的消耗，一般可节省钢材30%～45%；此外，球罐占地面积较小，基础工程量小，可节省土地面积。

1.2球罐分类

1.2.1 按储藏温度

   球罐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罐，使用温度高于常温。

（1）常温球罐  如液化石油气(LNG)、氨、煤气、氧等球罐。一般说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。常温球罐的设计温度大于-20℃。

（2）低温球罐  这类球罐的设计温度低于或等于-20℃，一般不低于-100℃。

（3）深冷球罐  设计温度-100℃以下，往往在介质液化点以下储存，压力不高，有时为常压。由于对保冷要球罐高，常采用双层球壳。目前国内使用的球罐，设计温度一般在-40℃~50℃之间。 

1.2.2 按结构形式分类

按形状分有圆球形、椭球形、水滴形或上述几种形式的混合。

圆球形按分瓣方式有橘瓣式、足球瓣式、混合式三种。圆球形按支撑方式分有支柱式、裙座式两大类。

1.3球罐建造历史

　　早在1910年，美国就开始制造球罐，1950年以后才得到初步发展。60年代以后，由于石油化工的高速发展，需要将液化天然气及液化石油气进行大规模的运输和贮存，球罐的应用得到进一步发展,不仅数量迅速增加,日趋大型化，而且向超高压、极低温发展。国际上目前最大液态介质球罐直径27.4m,容积10770m3；最大城市煤气球罐直径 72.55m，容积200000m3。中国目前大多数球罐容积为200～1000m3,最大容积8250m3、直径25.1m。 

　　球罐的形状有圆球型和椭球型。绝大多数为单层球壳。低温低压下贮存液化气体时则采用双重球壳，两层球壳间填以绝热材料。采用最广泛的为单层圆球型球罐。球壳是由多块压制成球面的球瓣以橘瓣式分瓣法、足球式分瓣法或足球橘瓣混合式分瓣法组焊而成。球罐的支撑结构最常见的为赤道正切式，其次为对称式、裙座式、半埋地式和盆式。椭球型球罐通常用于常温下贮存饱和蒸气压比大气压稍高的、挥发性强的液态烃（如汽油等）,操作压力为0.12～0.3MPa，容积一般在500～6000m3范围内。更大容积时,应采用复式椭球型球罐。

制造球罐的材料要求强度高，塑性特别是冲韧性要好，可焊性及加工工艺性能优良。球罐的焊接、热处理及质量检验技术是保证质量的关键。

1.4球罐设计要求

在材料方面 用碳素钢和低合金钢制球罐，不适用于高合金钢及有色金属球罐。因为采用高合金钢等钢板制造单层球罐或制造双金属复合板单层球罐，在我国还没有实践，有关技术没有掌握，在现阶段标准不易列入

设计压力不大于4MPa. 过去的球罐标准对球壳壁厚做出了小于或等于50mm的限定，实际上也是对设计压力的限定。随着冶金工业的发展，压力容器用钢板的厚度早已超出50mm,认为50mm以上厚度的钢板质量部稳定和不能保障质量供货的观点应淘汰，钢板厚度无论多少，只要能满足标准（GB12337-1998）中材料的有关规定，就可以制造球罐。

球壳结构为桔瓣式或混合式，支座为支柱支撑。球壳结构没有采用足球瓣式是因为它适用于只在溶剂较小的球罐，不适用于制造较大容积的球罐，应用场合少。而且这种组装和焊接比较困难，在我国没有实践经验。

混合式球罐的球壳结兼容了足球瓣式和桔瓣式球壳的优点，故混合式球壳结构最优。

辐射作用对人体有极大的危害性，因此对储存辐射介质的球罐在设计 制造方面和安全防护上须有严格的要求。而且，长期遭受中子辐射的钢材，其性能也会有所改变，因此，在选材上也应从严要求。对于受辐射作用的秋光，规定是远远不够的，故不适用于受辐射作用的球罐

1.5球罐设计参数

设计压力：p=1.77

设计温度：常温

水压试验压力：

    球壳内直径=14200m(1500)

    储存物料：聚氨酯

    充装系数:k=0.85

    地震设防烈度7度

    基本风压值:=400 N/

    基本雪压值:=300 N/

    支柱数目:n=10

    支柱选用:

    拉杆选用:20圆钢

    球罐建造场地:Ⅱ类场地土、近震,B类地区

1.5.1压力 

压力除注明者外，压力均指表压力。 

工作压力工作压力指在正常工作情况下，球罐顶部可能达到的最高压力。

设计压力。 设计压力指设定的球罐顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。

球罐上装有超压泄放装置时，应按 GB150 附录B“超压泄放装置”的规定确定设计压力。对于盛装液化气体的球罐，在规定充装系数范围内，设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

计算压力计算压力指在相应设计温度下，用以确定球壳各带厚度或受压元件厚

度的压力，其中包括液柱静压力。

试验压力试验压力指在压力试验时，球罐顶部的压力。

最大允许工作压力最大允许工作压力系指在设计温度下，球罐顶部所允许承受的最大表压力。该压力是根据球壳的有效厚度计算所得，且取最小

1.5.2温度

设计温度设计温度指球罐在正常工作情况下，设定的受压元件的金属温度(沿元件金属截面温度平均值)。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度。对于 0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

低温球罐的设计温度按附录A(标准的附录)确定。标志在铭牌上的设计温度应是是球壳设计温度的最高值或最低值。元件的金属温度可用传热计算求得。或在已使用的同类球罐上测定，或按内部介质温度确定。试验温度试验温度指压力试验时，球壳的金属温度

1.5.3厚度

计算厚度计算厚度指按公式计算得到的厚度。需要时，尚应计入其他载荷所需厚度（见设计厚度设计厚度指计算厚度与腐蚀裕量之和。

名义厚度名义厚度指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度。即标注在图样上的厚度。

注：名义厚度不包括加工裕量。

有效厚度,有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差设计的一般规定对有不同工况的球罐，应按最苛刻的工况设计，并在图样或相应技术文件中注明各工况的压力和温度值。

载荷设计时应考虑以下载荷：

a) 压力；

b) 液体静压力；

c) 球罐自重(包括内件)以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；

d) 附属设备及隔热材料、管道、支柱、拉杆、梯子、平台等的重力载荷；

e) 风载荷，地震力，雪载荷； 需要时，还应考虑下列载荷：

f) 支柱的反作用力；

g) 连接管道和其他部件的作用力；

h )温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；

i) 包括压力急剧波动的冲击载荷；

j) 冲击反力，如由流体冲击引起的反力等。

厚度附加量厚度附加

C =C1+ C2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)

C1 ——钢材厚度负偏差

C2 ——腐蚀裕量

钢材厚度负偏差钢板或钢管的厚度负偏差按钢材标准的规定。当钢材的厚度负偏差不大于O.25 mm，且不超过名义厚度的 6％时，负偏差可忽略不计。

腐蚀裕量为防止球罐元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量，具体规定如下：

a) 对有腐蚀或磨损的元件，应根据预期的球罐寿命和物料对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量；

b) 球罐各元件受到的腐蚀程度不同时，可采用不同的腐蚀裕量；

c) 腐蚀裕量取不小于1 mm。

许用应力

本标准所用材料的许用应力按第4 章选取。确定许用应力的依据为：钢材(除螺栓材料外)按表1，螺栓材料按表2

1.5.4焊接接头系数

焊接接头系数双面焊全焊透对接接头的焊接接头系数φ按下列规定选取：

100％无损检测φ=1.00

局部无损检测φ=0.85

1.5.5试验压力

试验压力的最低值按下述规定，试验压力的上限应满足 3.8.2 应力校核的。液压试验

1.5.6气密性试验

球罐经水压强度试验合格．并再次用磁粉探伤检查球罐内外焊缝．排除表面裂纹及其他缺馅后进行球罐的气密性试验。

气密性试验时，升压速度应缓慢均匀，升压至试验压力的一半左右时停止升压，检查所有接管法兰处有无泄漏，在不漏的情况下继续缓慢升压至试验压力。保持压力15分钟，检查压力表有无降压，用肥皂水涂刷所有焊缝和接管法兰口检查有无泄漏。检查合格后降压。气密性实验的气体是氮气。

气密性试验是检验球罐严密性的重要手段，应在压力试验合格后进行。盛放毒性程度为极度和高度危害的物料，易燃的压缩气体或液化气体的球罐，应进行气密性试验。

介质为混合物时，应以介质组分并按毒性程度或易燃介质的划分原则，由设计单位的工艺设计或使用单位的生产技术部门提供介质毒性程度或是否属于易燃介质的依据，无法提供依据时，按毒性程度或爆炸危险程度最高的介质确定。

气密性试验压力按下式确定：

=1.0

式中  ——试验压力，MPa

      ——设计压力，MPa。

1.6材料

1.6.1球罐选材准则

球罐受压元件用钢应符合本章规定。非受压元件用钢，当与受压元件焊接时，也应是焊接性能良好的钢材。球罐受压元件用钢应由平炉、电炉或氧气转炉冶炼。钢材的技术要求应符合相应的国家标准、行业标准或有关技术文件的规定。

球罐用钢应附有钢材生产单位的钢材质量证明书，制造单位应按质量证明书对钢材进行验收，必要时尚应进行复验。如无钢材生产单位的钢材质量证明书（原件)， 则应按《压力容器安全技术监察规程》的规定。

选择球罐用钢应考虑球罐的使用条件(如设计温度、设计压力、物料特性等)、材料的焊接性能、球罐的制造工艺和组焊要求以及经济合理性。

球罐的设计温度低于或等于-20℃时，钢材还应符合附录A 的规定。

当对钢材有特殊要求时(如要求特殊冶炼方法、较高的冲击功指标、提高无损检测要求、增加力学性能检验率，考虑介质对钢材腐蚀的要求等)，设计单位应在图样或相应技术文件中注明。

当设计温度高于2OO℃时，其许用应力值按GB 150 的规定。

1.6.2球壳选材

钢板

钢板的标准、使用状态及许用应力按表3 的规定。

凡符合下列条件的钢板，应在正火状态下使用：

a) 球壳用钢板

厚度大于 30 mm 的20R 和

16MnR； 厚度大于 16 mm 的

15MnVR； 任意厚度的 15MnVNR；

b) 其他受压元件(法兰、平盖等)用厚度大于50 mm 的20R 和16MnR。

符合下列条件的球壳用钢板，应逐张进行拉伸和夏比(V 型缺口)常温或低温冲击试验。

a) 调质状态供货的钢板；

b) 厚度大于60 mm 的钢板。

用于球壳的下列钢板，当球罐的设计温度和钢板厚度符合下列情况时，应每批取一板进行夏比(V 型缺口)低温冲击试验。试验温度为球罐的设计温度或按图样的规定，试样取样方向为横向。

a) 设计温度低于0℃时，厚度大于25 mm 的20R，厚度大于38 mm 的16MnR、15MnVR        

表3

b) 设计温度低于-10℃时，厚度大于12mm 的20R，厚度大于20 mm 的16MnR、15MnVR和15MnVNR。

低温冲击功的指标根据钢板标准的抗拉强度下限值按附录 A 相应的规定。

球罐的设计温度低于或等于-20℃时，钢板的使用状态及最低冲击试验温度应符合下表

凡符合下列条件的球壳用钢板，应逐张进行超声检测：

a) 厚度大于30 mm 的20R 和16MnR 钢板；

b) 厚度大于25 mm 的15MnVR 和15MnVNR 钢板；

c) 厚度大于20 mm 的16MnDR 和09Mn2VDR 钢板；

d) 调质状态供货的钢板；

e) 上下极板和与支柱连接的赤道板。

钢板的超声检测应按 JB 4730 的规定，热轧、正火状态供货的钢板质量等级应不低于Ⅲ级，调质状态供货的钢板质量等级应不低于Ⅱ级。

钢管

钢管的标准及许用应力按表5 的规定。

15MnV、09Mn2VD 和09MnD 钢管应在正火状态下使用。

当球罐的设计温度低于或等于-20℃时，钢管的使用状态及最低冲击试验温度应

符合下表 的规定。

因尺寸无法制备 5mm×10 mm×55 mm 小尺寸冲击试样的钢管，免做冲击试验， 各钢号钢管的最低设计温度按附录 A 的规定。

1.6.3 锻件用钢

锻件的标准及许用应力按表7 的规

1.7结构设计

球罐的结构参照GB/T17261确定

1.7.1概况

球壳由各带及上、下极组成，其结构如图所示

球壳板最小宽度应不小于500

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、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)留基础的技术要求；

(9)有要求时，对防地震、防雷的设计等

1.7.2赤道正切柱式支柱结构

支柱与球壳的连接

本标准采用的支柱与球壳的连接为赤道正切型式。

支柱与球壳连接处可采用直接连接结构型式[见下图(a)]、加托板的结构型式[见下图 (b)]、U 形柱结构型式[见下图 (c)]或支柱翻边结构型式

支柱应采用钢管制作。

下段支柱可分段，分段的长度不宜小于支柱总长的1/3。段间的环向接头应全焊透。可采用沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板的对接接头。

支柱顶部应设有球形或椭圆形的防雨盖板。

支柱应设置通气口，对储存易燃物料及液化石油气的球罐，还应设置防火层，

如图5 所示。

支柱底板中心应设置通孔，如图5 所示。

支柱底板的地脚螺栓孔应为径向长圆孔。

1.7.3拉杆结构

拉杆结构有可调式和固定式两种如下图

可调式拉杆的立体交叉处不得相焊，见图 (a)。

固定式拉杆的交叉处采用十字相焊或与固定板相焊，见图 (b)。

本标准仅提供可调式拉杆的计算方法。

拉杆与支柱的上下连接点应分别在同-标高上。

开孔及开孔补强

开孔及开孔补强应按GB 150 第8 章“开孔和开孔补强”的规定。

1.8人孔和接管

球壳与接管的焊缝应采用全焊透接头。

1.8.1人孔结构

球壳上、下极应各设置一个公称直径不小于 500 mm 的人孔。

相邻对接焊缝的最小间距

球壳上任何相邻对接焊缝中心线间外圆弧长应大于 3 δ s ( δ s 为球壳板钢材厚度)， 且不小于 100 mm。

低温球罐的结构要求

球罐的设计温度低于-20℃时，其结构还应满足以下要求：

低温球形储罐

总则

本附录适用于设计温度低于或等于-20℃的碳素钢和低合金钢制低温球形储罐(以下简称“低温球罐”)的设计、制造、组焊、检验与验收。

对本附录未作规定者，还应符合本标准各有关章节的要求。

由于环境温度的影响，球壳的金属温度低于或等于-20℃时，也应遵循本附录的规定。

注：环境温度系指球罐使用地区历年来“月平均最低气温”的最低值。“月平均最低气温”系按当月各天的最低气温相加后除以当月天数。

当球壳或其他受压元件使用在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50℃后， 高于-20℃时，不必遵循本附录的规定。“低温低应力工况” 系指球壳或受压元件的设计温度虽然低于或等于-20℃，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的六分之一，且不大于 50MPa 的工况。

“低温低应力工况”不适用于钢材标准抗拉强度下限值大于 540MPa 的低温球罐。

螺栓材料般不列低低应力考虑但应计螺栓球壳设计度间的差异。

材料

钢材

低温球罐受压元件用钢必须是镇静钢。球壳用钢板应使用正火或调质钢板。钢材的使用温度下限可不同于钢材标准中规定的最低试验温度。

直接与受压元件焊接的非受压元件用钢，应符合下列要求：

a） 承受较大载荷需做强度计算的非受压元件用钢，应具有与受压元件相当的冲击韧性；

b） 应是焊接性良好的钢材。

钢材的超声检测、磁粉检测，除以下要求外，均按第4 章的有关规定。用于球壳的钢板厚度大于20mm 时，应逐张进行超声检测，钢板超声检测以不低于JB4730 规定的Ⅲ级为合格。

凡受压元件用钢均须按本附录有关规定，进行低温夏比（V 型缺口）冲击试验，但符合下列条件之一者可免做；

a）所列的低温用钢管，因钢材的尺寸，无法制备5mm×10mm×55mm 冲击试样时；

b）符合本标准表5 所列的碳素钢和碳锰钢钢管，因钢管尺寸，无法制备5mm×10mm×55 mm 冲击试样，且设计温度不低于表A1 者；

c) 符合A1.4 要求的低温低应力工况；

d) 螺母用材。

钢材的冲击试验方法，应符合GB/T 229 的规定，冲击试样为lO mm×10 mm×55 mm 标准试样。若无法制备标准试样时，也可采用厚度为7.5mm 或5mm 的小尺寸试样。试样的缺口应沿厚度方向(棒材沿径向)制备。并以三个试样为一组。

根据需要钢材可按批进行冲击试验复验，其分批要求及试样截取按以下规定：

a)钢板：每批钢板由同一牌号、同一炉罐号、同一厚度和同一热处理制度组成。每批钢板重量的按厚度分类：6～16mm 钢板应不大于15t；大于16mm 钢板应不大于25t。每批取一组试样，试样方向为横向；

b）钢管：每批钢管由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢管数量的按直径分类：外直径大于 351mm 的钢管每批不超过50根，外直径小于或等于 351mm 的钢管每批不超过200 根。在每批中的任意两根钢管上各取一组试样；

取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向，对大直径厚壁管可沿切向取样；试样的缺口应沿厚度方向制备。

c）锻件：按照JB4727 规定的取样数量和取样部位切取试样。

低温球罐用钢的冲击试验温度应低于或等于球壳或其受压元件的最低设计温度，当球壳或其受压元件使用在符合A1.4 要求的低温低应力工况时，钢材的冲击试验温度须低于或等于最低设计温度加 50℃（若温度加50℃后，高于-20℃时，按A1.4 有关规定）。钢材试验温度下的冲击功指标，按钢材标准抗拉强度下限值确定，

冲击试验结果不符合A2.1.7 要求时，按下列规定处理：

a）三个试样的冲击功均低于表A2 的规定值，或两个试样低于规定值的70％，则受检钢材判为不合格；

b) 除a)所述情况外，可在同批中再取一组试样进行复验，其六个试样的冲击功平均值不得低于表 A2 的规定；六个试样的冲击功低于规定值的不得多于二个，其中低于规定值 70％的只能有一个，否则受检钢材判为不合格；

c) 对按批试验判为不合格的钢材，可改做逐张(件)试验，或将该批钢材进行热处理，重新组批试验。逐张(件)试验还不合格的钢材，也可进行热处理后复验。

焊接材料

碳素钢、碳锰钢制球罐用焊材，应选用与母材成分和性能相同或相似的高韧性材料，也可选用低镍合金焊材。

当焊缝两侧母材具有不同冲击试验要求时，焊接材料的选用应符合 A4.2.2 要求。

焊接材料的型号、牌号、技术要求、试验方法、检验规则、以及质量管理等，应符合相应标准的规定。

焊条应按批号进行药皮含水量熔敷金属扩散氢含量的复验，其检验方法按有关标准或技术要求。

设计

低温球罐用材的许用应力，按第4 章中各相应材料在20℃下的许用应力选取，或按 3.6 确定。

球罐的结构设计要求均应有足够的柔性，需充分考虑以下问题：

a)结构应尽量简单，减少约束；

b)避免产生过大的温度梯度；

c)应尽量避免结构形状的突然变化，以减小局部高应力；接管端部应打磨成圆角， 呈圆滑过渡。

球罐焊接接头应采用全焊透焊接接头型式。

制造、组焊、检验与验收

加工与成形

对不做焊后整体热处理的球罐，不得采用锤击等强制手段进行成形或组装。不得在受压元件上刻划或敲打材料标记或焊工钢印等。

球壳板应冷压成形。

焊接

低温球罐施焊前应按JB 4708 进行焊接工艺评定试验。检验项目应增加焊缝和热影响区的低温夏比(V 型缺口)冲击试验。冲击试件的取样方法和合格指标，按钢材的要求确定。

当焊缝两侧母材具有不同冲击试验要求时，焊缝金属的冲击试验温度应低于或等于两侧母材中的较低者，低温冲击功按两侧母材抗拉强度的较低值符合表A2 的要求； 热影响区按相应母材要求确定。接头的拉伸和弯曲性能按两侧母材中的较低要求。按照JB 4708 进行焊接工艺评定，由不同组别号的母材组成焊接接头时，其焊接接头的低温冲击试验需重新评定。

应严格控制焊接线能量。在焊接工艺评定所确认的范围内，选用较小的焊接线能量，以多道施焊为宜。

焊接区域内，包括对接接头和角接接头的表面，不得有裂纹、气孔和咬边等缺陷。焊缝表面不应有急剧的形状变化，应与母材呈圆滑过渡。

焊后整体热处理球壳板厚度大于或等于 16 mm 的低温球罐应进行焊后整体热处理。

产品焊接试板

每台低温球罐都应制备产品焊接试板。试板尺寸、试样截取、检验项目、试验方法以及合格指标等，均按 8.9 的规定。

产品焊接试板，应进行焊缝金属及热影响区的低温夏比(V 型缺口)冲击试验， 其冲击试验温度和合格指标按 A2.1.7 对母材的要求。

焊接接头检验

低温球罐应按图样规定的检测方法，对所有对接接头进行100％射线或超声检测。

应对球罐的所有焊接接头表面、工卡具焊迹及缺陷修磨、焊补处进行磁粉或渗

透检测。非受压件与球壳的连接焊缝亦按本条要求检测。

低温球罐液压试验时的液体温度应不低于5℃。

低温球罐的铭牌不得直接铆固在球壳上。

2强度计算

2.1设计条件

设计压力：p=1.77

设计温度：常温

水压试验压力：

    球壳内直径=14200m(1500)

储存物料：聚氨酯

充装系数:k=0.85

 地震设防烈度7度

    基本风压值:=400 N/

    基本雪压值:=300 N/

    支柱数目:n=10

    支柱选用:

    拉杆选用:20圆钢

球罐建造场地:类场地土、近震,B类地区

2.2球壳计算

计算压力

设计压力：p=1.77 MPa

球壳各带的物料液柱高度

=0

=3010.7

=.9

物料密度:P=602.6kg/

重力加速度:g=9.81 m/s

球壳各带的计算压力

2.2球壳各带的厚度计算

球壳内直径

设计温度下球壳材料: 的许用应力：

焊缝系数：.00

厚度附加量:

    取球壳名义厚度:

2.3球罐质量计算

 球壳平均直径:

    球壳材料密度:

 充装系数:k=0.85

 水的密度:

球壳外直径:：=14200+2=14392         基本雪压值:

球面的积雪系数:

球壳质量

    物料质量:

液压试验时液体的质量

积雪质量

    保温层质量:

                                        支柱和拉杆的质量:

    附件质量:

    操作状态下的球罐质量:

    液压试验状态下的球罐质量:

    球罐最小质量:

2.4地震载荷计算

2.4.1自振周期

  支柱底板底面至球壳中心的距离:

    支柱数目:：n=10

    支柱材料20号钢的常温弹性模量：MPa

    支柱外直径:

    支柱内直径:510

支柱横截面的惯性矩:

支柱底板底面至拉杆中心线与支柱中心线交点处的距离:

拉杆影响系数

球罐的基本自振周期

2.4.2地震力

综合影响系数:

地震影响系数的最大值:（查GB 12337-1998表15)

特征周期: (查GB 12337-1998表16)

对应于自振周期T的地震影响系数:

    球罐的水平地震力

2.5风载荷计算

风载体形系数:

系数:（查表17选取）

风振系数:

基本风压值:

支柱底板底面至球壳中心的距离:

风压高度变化系数: (按GB 12337-1998表18选取)

球罐附件增大系数:

球罐的水平风力

2.6弯矩计算

  ：

  力臂: 

  由水平地震力和水平风力引起的最大弯矩

2.7支柱计算

2.7.1单个支柱的垂直载荷

重力载荷

    操作状态下的重力载荷:

液压试验状态下的重力载荷：

7.1.2支柱的最大垂直载荷

支柱中心圆半径:

最大弯矩对支柱产生的垂直载荷的最大值(按GB 12337-1998表19计算)

拉杆作用在支柱上的垂直载荷的最大值(按GB 12337-1998表19计算)

以上两力之和的最大值(按GB 12337-1998表计算)

2.7.2组合载荷

    操作状态下支柱的最大垂直载荷

液压试验状态下支柱的最大垂直载荷

2.7.3单个支柱弯矩

偏心弯矩

操作状态下赤道线的液柱高度:

液压试验状态下赤道线的液柱高度:

操作状态下物料在赤道线的液柱静压力

液压试验状态下液体在赤道线的液柱静压力

球壳的有效厚度

操作状态下球壳赤道线的薄膜应力:

液压试验状态下球壳赤道线的薄膜应力:

球壳内半径:

球壳材料的泊松比:

球壳材料Q345R的弹性模量:

操作状态下支柱的偏心弯矩:

液压试验状态下支柱的偏心弯矩:

附加弯矩

    操作状态下支柱的附加弯矩:

液压试验状态下支柱的附加弯矩

总背矩

    操作状态下支柱的总弯矩

    液压试验状态下支柱的总弯矩

2.7.4支柱稳定性校核

    计算长度系数:

    单个支柱的横截面积

支柱的惯性半径

支柱长细比

支柱材料16MnR钢的常温屈服点:

支柱换算长细比

系数：

弯矩作用平面内的轴心受压支柱稳定系数

等效弯矩系数:

截面塑性发展系数:

单个支柱的截面系数:

欧拉临界力:

支柱材料的许用应力:

操作状态下支柱的稳定性校核

液压试验状态下支柱的稳定性校核:

    稳定性校核通过

2.8地脚螺栓计算

拉杆作用在支柱上的水平力

    拉杆和支柱间的夹角:

拉杆作用在支柱上的水平力:

支柱底板与基袖的摩擦力

    支柱底板与基础的摩擦系数:

    支柱底板与基础的摩擦 

地脚螺栓

    因球罐必须设置地脚螺栓

    每个支柱上的地脚螺栓个数:

    地脚螺栓材料:

    地脚螺栓材料的许用剪切应力:

地脚螺栓的螺纹小径

选取M36的地脚螺栓。

2.9支柱底板

2.9.1支柱底板直径

基础采用钢板，其许用压应:

地脚螺栓直径:

支柱底板直径:

选取底板直径:

2.9.2底板厚度

底板的压应力:

底板外边缘至支柱外表面的距离:

底板材料:Q235-B   

底板材料的许用弯曲应力:

底板的腐蚀裕量:

底板厚度: 

选取底板厚度:

2.10拉杆计算

2.10.1拉杆载荷计算

拉杆螺纹小径的计算

    拉杆的最大拉力:

拉杆材料:

拉杆材料的许用应力:

拉杆的腐蚀裕量:

拉杆螺纹小径

选取拉杆的螺纹公称直径为M48

2.10.2拉杆连接部位的计算

销子直径

销子材料35，  

销子材料的许用剪切应力

销子直径

    选取销子直径:

耳板厚度

    耳板材料:

耳板材料的许用压应力:

耳板厚度:

选取耳板厚度为

2.10.3翼板厚度

    翼板材料:

    翼板厚度:

   选取翼板厚度为:,

2.10.4连接焊缝强度验算

    A焊缝单边长度:

    A焊缝焊脚尺寸: -

    支柱或耳板材料屈服点的较小值:

    角焊缝系数:

    焊缝许用剪切应力

    耳板与支柱连接焊缝A的剪切应力校核:

B焊缝单边长度:

B焊缝焊脚尺寸:

拉杆或翼板材料屈服点的较小值:

焊缝许用剪切应力:

拉杆与翼板连接焊缝B的剪切应力校核

2.11支柱与球壳连接最低点a的应力校核

2.11.1  a点的剪切应力

    支柱与球壳连接焊缝单边的弧长:

    球壳a点处的有效厚度:

    操作状态下a点的剪切应力:

    液压试验状态下a点的剪切应力: 

a点的纬向应力

操作状态下a点的液柱高度:

液压试验状态下a点的掖柱高度:

操作状态下物料在a点的液柱静压力:

液压试验状态下液体在a点的液柱静压力:

操作状态下a点的纬向应力:

液压试验状态下a点的纬向应力:

2.11.2 a点的应力校核

操作状态下a点的组合应力:

液压试验状态下a点的组合应力:

应力校核:

校核通过

2.12支柱与球壳连接焊缝的强度校核

和两者之中的较大值:

支柱与球壳连接焊缝焊脚尺寸:

支柱与球壳连接焊缝的剪切应力:

支柱或球壳材料屈服点的较小值:

焊缝的许用剪切应力:

应力校核:

3 焊接

。3焊接

  钢材的可焊性，即指材料在焊接时，在一定的设备、工艺(如预热，焊后热处理)条件下，其焊接接头呈现的质量和性能。

3.1 焊接工艺的确定

球壳的材料Q345R的碳当量0.20，所以具有良好的可焊性。在焊接前要对材料做裂纹试验，并依照GB-12337-90中的有关规定进行。

(1)球罐的结构形式

球罐为赤道正切支柱，支柱与拉杆间采用铰接连接。

(2)材质

球壳  Q345R；

支柱  上支柱与球壳相同，下支柱：20号钢(GB8163)。

拉杆  20号钢

人孔、接管与壳板性能相进或相同的材料。

(3)焊接方法采用手工电弧焊。

(4) 焊接分类：

壳板-壳板  对接焊，外坡口(X型)；

壳板-支柱  填角焊，不开坡口；

耳板-支柱  填角焊，不开坡口；

翼板-拉杆  填角焊，不开坡口；

壳板-附件  填角焊，不开坡口；

(5)焊接设备

交流500A焊机   焊接用；

交流300A焊机   定位焊；

直流600A-800A焊机  电弧气刨；

干燥器600℃，300℃ 烘烤焊条

测温器、温度计、预热设备、湿度计。

3.2 焊后热处理

对球罐来说，焊后热处理主要用于制作过程。

除结构部件的热处理可考虑采用炉内热处理外．由于球罐的体积较大故一般球罐的整体热处理都采用现场内燃法热处理，内燃法热处理是以球体本身作为燃烧室，燃料在其内部空间燃烧，球体外部采用保温隔热，以达到一定的温度  这朴方法特别适用于大型球罐的现场热处理。

 内燃法热处理在我国已多次成功地进行；采用燃料有液体的(如轻油)和气体的(如丙烷气)两种。

内燃法的关键在于两方面，一是保温措施的恰当有效；二是燃烧嘴(喷嘴)的设计。要防止熄火与回燃。

3.3 开罐检查

球罐在投入生产以后。为了检在物料对球瓣及焊缝的腐蚀情况(包括一般性腐蚀及应力腐蚀)以及延迟裂纹的发生、发展情况，应每隔一个时期进行开罐检查。

第一次开罐时间一般规定在投产后一年。以后的开罐检查时间可以这样决定，根据前一次开罐检查测得的年腐蚀率及板的实际厚度，

开罐检查的内容如下：

1．壁厚测定  

2．内、外表面宏观缺陷检查  

3．射线或超声波探伤  

4．磁粉或渗透探伤 

磁粉或渗透探伤中发现的浅裂纹及小伤痕等缺陷可以打磨除去。打磨光滑即可。尽量下进行堆焊补修。只有当缺陷深度超过扣除腐蚀裕度的板厚7%或1．5mm之中的较小值时，才需要在磨去裂纹或伤痕后进行堆焊补修。堆焊焊接时应完全遵照返修的焊接工艺。补焊长度不宜小于100mm，两补焊部位间的距离应大于lOOmm。焊后应经磁粉或惨透探伤，并应进行超声波或射线探伤。焊接部位应打磨光滑，不得有沟梢或棱角，两侧面斜度不应小于1：4。

    所有检查及补焊结果都必须作出详细记录。

在开罐检查中如未发现重大缺陷(指大量的延迟裂纹，或少量但较深的应力腐蚀或延迟裂纹或其他严重缺陷)也未进行补焊，可以不进行水压强度试验而只经气密性试验就可以重新投入生产。否则．需按竣工检查中的要求进行水压强度试验及气密性试验合格后才能投入生产。

 4结论

我认真、努力、勤奋的力取完成设计任务。此次设计使我比较深刻的了解到球形储罐在社会生产中的悠久历史及其重要地位，通过这次设计，我学到了比较实用的设计方法。对球形储罐的理论知识进行研究，而实际操作的科学研究还不够，球形储罐的操作从表面看起来很简单，但其涉及的知识面广，所涉及的因素也很复杂，要想真正的掌握还是需要很大的知识和经验的。对于球形储罐的前景是很广阔的，从工艺观点来说，研究潜力是很大的。这就需要我们在将来的生产中更好的研究开发，争取让它在我们的手中发扬光大，创造出更好的经济和社会效益。

但在本次设计中由于作者水平有限，时间较短，所以难免会出现漏洞和不足，望指正。

在此对指导老师在设计过程中给予的精心指导和无私的关怀再次表示感谢。

参考文献

[1] 《钢制球形储罐》 GB 12337-98，中国标准出版社，1999

[2] 《GB150-1998钢制压力容器》 中国标准出版社，1999

 [3] 《储罐和大型球罐》 徐英 杨一帆 化学工业出版社，2005.01

[4] 《压力容器设计手册》 董大擒 袁凤隐. 化学工业出版社，2006.01

[5] 《AutoCAD 2005压力容器设计》 化学工业出版社，2006.03

[6] 《过程设备设计》郑津洋 董其伍 桑芝富 化学工业出版社 2007.06

[7] 《球形储罐焊接工程技术》俞逢英 机械工业出版社2000.01

[8] 《压力容器安全技术检查规程》 国家质量技术监督局 1999.06

[9]  《球型储罐整体补强凸缘》SH/T3138—2003 中华人民共和国国家发展和改革委员会 20004-03-10

[10] 《金属学与热处理》崔忠圻 哈尔滨工业大学 19，11

[11]ANSYS User’s Manual, theory reference. Canonsburg, USA:ANSYS Inc.; 2003

致谢

四年的时光即将结束，这次设计是对我们四年来学习的总结，通过这次设计让我彻底的了解与巩固了我们所学的理论知识，让我们对设计有了进一步的认识，也为以后从事设计工作提供了必要的经验和信心。根据我们专业的得点，选取了合适我们专业的设计题目。

首先，我要衷心感谢一直以来给予我无私帮助和关爱的老师们，谢谢你们这四年以来对我的关心和照顾，在这里特别感谢某某老师，作为我们的指导老师，在设计中给予我们的帮助和指导。并在老师的指导下完成了我的毕业设计。感谢大学给了我们一个良好的教育和学习环境，同时代表所有同学表达对母校的感激之情。

其次，我还要真诚地谢谢机制专业的同学们，在这四年当中，你们给予了我很多无私帮助，在我的学习工作生活各个方面，你们给我提出了很多宝贵的建议，我的大学生活因为有你们而更加精彩,我的成长同样离不开你们。在感谢学到知识的同时也感谢在这里认识那么多老师同学。让我们学到的不仅仅是科学知识，更是懂得了团结友爱的道理。感谢老师辛勤的帮助与指导，使我们顺利的完成毕业设计。