1500立方米液化石油氣球罐畢業(yè)設(shè)計

目錄第1章概述 11.1研究背景與意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 11.3研究內(nèi)容 3第2章材料選用與結(jié)構(gòu)設(shè)計 42.1球罐選材準則 42.2球殼選材 42.3結(jié)構(gòu)設(shè)計 62.3.1概況 72.3.2赤道正切柱式支柱結(jié)構(gòu) 72.3.3拉桿結(jié)構(gòu) 92.4人孔和接管 9第3章強度計算 103.1設(shè)計條件 103.2球殼計算 103.2.1計算壓力 103.2.2球殼各帶的厚度計算 123.3球罐質(zhì)量計算 133.4地震載荷計算 143.5風(fēng)載荷計算 153.6彎矩計算 163.7支柱計算 163.8地腳螺栓計算 213.9支柱底板 223.9.1支柱底板直徑 223.9.2底板厚度 22第4章拉桿計算與強度校核 244.1拉桿載荷計算 244.2拉桿連接部位的計算 244.3翼板厚度 254.4連接焊縫強度驗算 254.5支柱與球殼連接最低點a的應(yīng)力校核 264.6支柱與球殼連接焊縫的強度校核 27結(jié)論 29參考文獻 30第1章概述1.1研究背景與意義20世紀30年代，世界上僅有少數(shù)幾個國家能進行球罐的制造，如美國在1910年、德國在1930年分別建造了有限的幾臺鉚接結(jié)構(gòu)的小型低壓球罐。由于鉚接結(jié)構(gòu)不僅費工而且費料，且球罐密閉程度差，制造相對困難,給球罐的發(fā)展帶來巨大的阻力。20世紀40年代初，隨著焊接技術(shù)逐漸趨向成熟，以及適合焊接的新鋼種的不斷開發(fā)，球罐的制造由鉚接改為焊接，由此技術(shù)上得到了很大發(fā)展。如美國在1941年、前蘇聯(lián)在1944年、日本于1955年、前西德于1958年分別制造了一批壓力較高、容量較大的焊接球罐。20世紀60年代至今，隨著世界各國綜合國力和科技水平的大幅度提高，形成了球罐制造水平的高速發(fā)展期。以日本為例，60年代前單個液化氣球罐的容積均在2000m3以下，而目前已具備生產(chǎn)單個容積在20000m3以上液化氣球罐的能力。同時，西德已有生產(chǎn)容積為43300m3以上球罐的能力，法國也有容積為87000m3球罐的制造經(jīng)驗,同時美國還建造了一臺容量3400m3、設(shè)計溫度為-250℃的超低溫液氫球罐。此外許多工業(yè)先進國家還進行了雙重殼低溫球罐、深冷球罐及運輸液化天然氣的深冷大型船用球罐的試驗研究，并已投入批量生產(chǎn)。我國制造球罐始于20世紀60年代初。但隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和改革開放的需要，近年來球罐的制造技術(shù)已得到了飛速發(fā)展。目前國內(nèi)已獨立制造或引進了不同規(guī)格和用途的球罐多臺套，其最大容積已超過10000m3，最大壓力超過3MPa，最低設(shè)計溫度在-30℃以下。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國石油、化工、輕紡、冶金及城市天然氣工業(yè)的發(fā)展，作為存儲容器的球罐，得到了廣泛的應(yīng)用與迅速的發(fā)展，在石化企業(yè)、國防工業(yè)、冶金工業(yè)及城市燃氣中。球形儲罐與其他型式的壓力容器比較，有許多突出的優(yōu)點。如與同等容量，相同工作壓力的圓筒形壓力容器比較，球罐具有表面積較小，所需鋼板厚度較薄，因而具有耗鋼較少，重量輕。此外，球罐還有制造方便，易于大型化、占地面積小、操作管理和檢修方便等特點。由于這些特點，再加上球罐基礎(chǔ)簡單使球罐的應(yīng)用得到很大發(fā)展。國內(nèi)外球罐技術(shù)發(fā)展的方向都是高參數(shù)大型化，球罐大型化可以降低單位容積存儲能力的投資，節(jié)省占地，也節(jié)省了輔助設(shè)施的費用，同時便于管理。國外先進工業(yè)國家開展石油液化氣球罐大型化工作較早，技術(shù)水平較高，建造5000-25000m大型球罐已相當普遍，如文獻介紹，日本1968年制成了容量20000m的大型球罐，1985年日本新日鐵公司為日本西部瓦斯用本公司生產(chǎn)的WEL-TEN80C型高強度鋼制造一臺大型球罐，設(shè)計壓力0.75MPa、直徑為37.07m、容積為26700m。而我國由于特大型因此，為滿足我國石油液化氣存儲需求，同時也滿足石油、化工和輕紡等行業(yè)對球罐大型化的需求，迫切需要開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的特大型球罐核心技術(shù)。球罐是一個大型、復(fù)雜的焊接殼體結(jié)構(gòu)，它涉及到材料科學(xué)、殼體結(jié)構(gòu)理論、塑性加工技術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)、無損檢測技術(shù)、斷裂力學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，對球罐設(shè)計方法和理論、選材和材料評價體系、高性能材料的焊接及熱處理技術(shù)、大板片球罐制造技術(shù)的理論和實際都有重要作用。球罐在我國的國防、科研、石油、化工、冶金等企業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。利用球罐貯存液氮、液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氫以及貯存各種壓縮氣體等。在城市建筑中，球形容器可用于遠距離高壓輸送氣體管網(wǎng)；在鋼鐵廠利用球形容器貯存壓縮氧。在原子能發(fā)電站，球罐用作安全容器；在造紙上用作蒸煮球；在化學(xué)工廠用作反應(yīng)器等。隨著我國工業(yè)建設(shè)的發(fā)展，球罐的應(yīng)用會越來越廣泛。近年來，隨著我國球罐設(shè)計和建造水平的不斷提高，實現(xiàn)了各類球罐的大型化和國產(chǎn)化，同時，也促進了我國的球罐產(chǎn)品設(shè)計和建造走向國際市場。1.3研究內(nèi)容在材料方面用碳素鋼和低合金鋼制球罐，不適用于高合金鋼及有色金屬球罐。因為采用高合金鋼等鋼板制造單層球罐或制造雙金屬復(fù)合板單層球罐，在我國還沒有實踐，有關(guān)技術(shù)沒有掌握，在現(xiàn)階段標準不易列入。我國的球罐設(shè)計標準在GB12337-98其中的常規(guī)設(shè)計方法中標準，到現(xiàn)在，大部分球罐均按這個標準進行設(shè)計。球殼結(jié)構(gòu)為桔瓣式或混合式，支座為支柱支撐?；旌鲜角蚬薜那驓そY(jié)兼容了足球瓣式和桔瓣式球殼的優(yōu)點，故混合式球殼結(jié)構(gòu)最優(yōu)。第2章材料選用與結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1球罐選材準則球罐受壓元件用鋼應(yīng)符合本章規(guī)定。非受壓元件用鋼，當與受壓元件焊接時，也應(yīng)是焊接性能良好的鋼材。球罐受壓元件用鋼應(yīng)由平爐、電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉。鋼材的技術(shù)要求應(yīng)符合相應(yīng)的國家標準、行業(yè)標準或有關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定。球罐用鋼應(yīng)附有鋼材生產(chǎn)單位的鋼材質(zhì)量證明書，制造單位應(yīng)按質(zhì)量證明書對鋼材進行驗收，必要時尚應(yīng)進行復(fù)驗。如無鋼材生產(chǎn)單位的鋼材質(zhì)量證明書（原件），則應(yīng)按《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定。選擇球罐用鋼應(yīng)考慮球罐的使用條件（如設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、物料特性等）、材料的焊接性能、球罐的制造工藝和組焊要求以及經(jīng)濟合理性。當對鋼材有特殊要求時（如要求特殊冶煉方法、較高的沖擊功指標、提高無損檢測要求、增加力學(xué)性能檢驗率，考慮介質(zhì)對鋼材腐蝕的要求等），設(shè)計單位應(yīng)在圖樣或相應(yīng)技術(shù)文件中注明。2.2球殼選材（1）鋼板鋼板的標準、使用狀態(tài)及許用應(yīng)力按表1的規(guī)定。凡符合下列條件的鋼板，應(yīng)在正火狀態(tài)下使用：a)球殼用鋼板厚度大于30mm的20R和16MnR；b)厚度大于16mm的15MnVR；c)任意厚度的15MnVNR。d)其他受壓元件(法蘭、平蓋等)用厚度大于50mm的20R和16MnR。符合下列條件的球殼用鋼板，應(yīng)逐張進行拉伸和夏比(V型缺口)常溫或低溫沖擊試驗。a)調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的鋼板；b)厚度大于60mm的鋼板。用于的下列鋼板，當球罐的設(shè)計溫度和鋼板厚度符合下列情況時，應(yīng)每批取一張鋼板進行夏比（V型缺口）低溫沖擊試驗。試驗溫度為球罐的設(shè)計溫度或按圖樣的規(guī)定，試樣取樣方向為橫向。a)設(shè)計溫度低于0℃時，厚度大于25mm的20R，厚度大于38mm的16MnR、15MnVR；b)設(shè)計溫度低于-10℃時，厚度大于12mm的20R，厚度大于20mm的16MnR、15MnVR和15MnVNR。凡符合下列條件的球殼用鋼板，應(yīng)逐張進行超聲檢測：a)厚度大于30mm的20R和16MnR鋼板；b)厚度大于25mm的15MnVR和15MnVNR鋼板；c)厚度大于20mm的16MnDR和09Mn2VDR鋼板；d)調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的鋼板；e)上下極板和與支柱連接的赤道板。鋼板的超聲檢測應(yīng)按JB4730的規(guī)定，熱軋、正火狀態(tài)供貨的鋼板質(zhì)量等級應(yīng)不低于Ⅲ級，調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的鋼板質(zhì)量等級應(yīng)不低于Ⅱ級。（2）鋼管鋼管的標準及許用應(yīng)力按表2.1的規(guī)定。表2.1鋼管的標準及許用應(yīng)力表15MnV、09Mn2VD和09MnD鋼管應(yīng)在正火狀態(tài)下使用。當球罐的設(shè)計溫度低于或等于-20℃時，鋼管的使用狀態(tài)及最低沖擊試驗溫度應(yīng)符合下表2.2的規(guī)定。表2.2鋼管使用狀態(tài)因尺寸限制無法制備5mm×10mm×55mm小尺寸沖擊試樣的鋼管，免做沖擊試驗。2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計球罐的結(jié)構(gòu)參照GB/T17261確定。2.3.1概況球殼由各帶及上、下極組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。（a）桔瓣式（b）足球瓣式（c）混合式圖2.1球罐結(jié)構(gòu)類型球罐結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計必須考慮多種因素：盛裝物料的性質(zhì)、設(shè)汁溫度和壓力，材質(zhì)、制造裝備和技術(shù)水平、安裝方法，焊接和檢驗要求、操作方便可靠性。自然環(huán)境的影響（風(fēng)載荷，地震載荷作用，大氣的自然腐蝕）等。要做到滿足各項藝要求，具有足夠的強度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)盡可能簡單和檢修實施容易。球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)包括如下的內(nèi)容：(1)根據(jù)工藝參數(shù)的要求確定球罐結(jié)構(gòu)的類型及幾何尺；(2)確定球殼的排板方法（分帶、分片）；(3)確定球殼板的幾何尺寸；(4)支撐結(jié)構(gòu)的確定；(5)人孔和工藝接管的選定、布置以及開孔補強的設(shè)計；(6)球罐的附件，如內(nèi)外盤旋梯、爬梯、平臺的設(shè)計；(7)有要求時，對保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計；(8)留基礎(chǔ)的技術(shù)要求；(9)有要求時，對防地震、防雷的設(shè)計等。2.3.2赤道正切柱式支柱結(jié)構(gòu)(1)支柱與球殼的連接本標準采用的支柱與球殼的連接為赤道正切型式。支柱與球殼連接處可采用直接連接結(jié)構(gòu)型式、加托板的結(jié)構(gòu)型式、U形柱結(jié)構(gòu)型式或支柱翻邊結(jié)構(gòu)型式，如圖2.2所示：圖2.2支柱與球殼連接形式(2)支柱應(yīng)采用鋼管制作下段支柱可分段，分段的長度不宜小于支柱總長的1/3。段間的環(huán)向接頭應(yīng)全焊透?？刹捎醚睾缚p根部全長有緊貼基本金屬的墊板的對接接頭。支柱頂部應(yīng)設(shè)有球形或橢圓形的防雨蓋板。支柱應(yīng)設(shè)置通氣口，對儲存易燃物料及液化石油氣的球罐，還應(yīng)設(shè)置防火層，如圖2.3所示。支柱底板中心應(yīng)設(shè)置通孔，如圖2.3所示。支柱底板的地腳螺栓孔應(yīng)為徑向長圓孔。圖2.3支柱設(shè)計圖2.3.3拉桿結(jié)構(gòu)拉桿結(jié)構(gòu)有可調(diào)式和固定式（如圖2.4）兩種，可調(diào)式拉桿的立體交叉處不得相焊，固定式拉桿的交叉處采用十字相焊或與固定板相焊。圖2.4拉桿結(jié)構(gòu)圖拉桿與支柱的上下連接點應(yīng)分別在同一標高上。2.4人孔和接管球殼與接管的焊縫應(yīng)采用全焊透接頭。球殼上、下極應(yīng)各設(shè)置一個公稱直徑不小于500mm的人孔。球殼上任何相鄰對接焊縫中心線間外圓弧長應(yīng)大于3δs(δs為球殼板鋼材厚度)，且不小于100mm。低溫球罐受壓元件用鋼必須是鎮(zhèn)靜鋼。球殼用鋼板應(yīng)使用正火或調(diào)質(zhì)鋼板。鋼材的使用溫度下限可不同于鋼材標準中規(guī)定的最低試驗溫度。直接與受壓元件焊接的非受壓元件用鋼，應(yīng)符合下列要求：a）承受較大載荷需做強度計算的非受壓元件用鋼，應(yīng)具有與受壓元件相當?shù)臎_擊韌性；b）應(yīng)是焊接性良好的鋼材。鋼材的超聲檢測、磁粉檢測，除以下要求外，均按第4章的有關(guān)規(guī)定。用于球殼的鋼板厚度大于20mm時，應(yīng)逐張進行超聲檢測，鋼板超聲檢測以不低于JB4730規(guī)定的Ⅲ級為合格。第3章強度計算3.1設(shè)計條件設(shè)計壓力：設(shè)計溫度：25℃水壓試驗壓力： （3.1）球殼內(nèi)直徑：儲存物料：液化石油氣充裝系數(shù)：地震設(shè)防烈度8度基本風(fēng)壓值：支柱數(shù)目：支柱選用：(熱軋)拉桿選用：20圓鋼球罐建造場地：Ⅱ類、近震，蘭州3.2球殼計算3.2.1計算壓力設(shè)計壓力：球殼各帶的物料液柱高度：圖3.1各帶液柱高度示意圖各帶液柱高度按下式計算： （3.2）解：各值為：得其他各值分別為：物料密度：重力加速度：球殼各帶的計算壓力： (3.3) 3.2.2球殼各帶的厚度計算球殼內(nèi)直徑：設(shè)計溫度下球殼材料：(正火)的許用應(yīng)力： 焊縫系數(shù)：厚度附加量： 取球殼名義厚度：3.3球罐質(zhì)量計算球殼平均直徑：球殼材料密度：充裝系數(shù)：水的密度：球殼外直徑：球殼質(zhì)量：物料質(zhì)量：液壓試驗時液體的質(zhì)量：保溫層質(zhì)量： 支柱和拉桿的質(zhì)量：附件質(zhì)量：操作狀態(tài)下的球罐質(zhì)量： 液壓試驗狀態(tài)下的球罐質(zhì)量： 球罐最小質(zhì)量： 3.4地震載荷計算（1）自振周期支柱底板底面至球殼中心的距離：支柱數(shù)目：支柱材料20號鋼的常溫彈性模量：支柱外直徑：支柱內(nèi)直徑：支柱橫截面的慣性矩： （3.4）支柱底板底面至拉桿中心線與支柱中心線交點處的距離：拉桿影響系數(shù)： 球罐的基本自振周期： （2）地震力綜合影響系數(shù)：地震影響系數(shù)的最大值：（查GB12337-2014）特征周期：（查GB12337-2014）對應(yīng)于自振周期T的地震影響系數(shù)： （3.5）球罐的水平地震力： 3.5風(fēng)載荷計算風(fēng)載體形系數(shù)：（查表得）系數(shù)：（查表得）風(fēng)振系數(shù)： （3.6）基本風(fēng)壓值：支柱底板底面至球殼中心的距離：風(fēng)壓高度變化系數(shù)：（按GB12337-2014選?。┣蚬薷郊龃笙禂?shù)：球罐的水平風(fēng)力：3.6彎矩計算與的較大值： 力臂： 由水平地震力和水平風(fēng)力引起的最大彎矩：3.7支柱計算支柱中心圓半徑：最大彎矩對支柱產(chǎn)生的垂直載荷的最大值(按GB12337-2014計算)：拉桿作用在支柱上的垂直載荷的最大值(按GB12337-2014計算)：以上兩力之和的最大值(按GB12337-2014表計算)：（3）組合載荷操作狀態(tài)下支柱的最大垂直載荷： 液壓試驗狀態(tài)下支柱的最大垂直載荷：（4）單個支柱彎矩a.偏心彎矩操作狀態(tài)下赤道線的液柱高度： 液壓試驗狀態(tài)下赤道線的液柱高度：操作狀態(tài)下物料在赤道線的液柱靜壓力：液壓試驗狀態(tài)下液體在赤道線的液柱靜壓力：球殼的有效厚度： 操作狀態(tài)下球殼赤道線的薄膜應(yīng)力： 液壓試驗狀態(tài)下球殼赤道線的薄膜應(yīng)力： 球殼內(nèi)半徑：球殼材料的泊松比：球殼材料Q345R的彈性模量：操作狀態(tài)下支柱的偏心彎矩： 液壓試驗狀態(tài)下支柱的偏心彎矩： b.附加彎矩操作狀態(tài)下支柱的附加彎矩： 液壓試驗狀態(tài)下支柱的附加彎矩： c.總背矩操作狀態(tài)下支柱的總彎矩： 液壓試驗狀態(tài)下支柱的總彎矩： （5）支柱穩(wěn)定性校核計算長度系數(shù)：單個支柱的橫截面積： 支柱的慣性半徑： （3.7）支柱長細比： （3.8）支柱材料16MnR鋼的常溫屈服點：支柱換算長細比： ,λ＞0.215系數(shù)：彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓支柱穩(wěn)定系數(shù)：等效彎矩系數(shù)：截面塑性發(fā)展系數(shù)：單個支柱的截面系數(shù)： 歐拉臨界力： （3.9）支柱材料的許用應(yīng)力： 操作狀態(tài)下支柱的穩(wěn)定性校核： 液壓試驗狀態(tài)下支柱的穩(wěn)定性校核： 穩(wěn)定性校核通過。3.8地腳螺栓計算a.拉桿作用在支柱上的水平力拉桿和支柱間的夾角： 拉桿作用在支柱上的水平力： （3.10）b.支柱底板與基袖的摩擦力支柱底板與基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)：支柱底板與基礎(chǔ)的摩擦： （3.11）c.地腳螺栓因F球罐必須設(shè)置地腳螺栓每個支柱上的地腳螺栓個數(shù)：地腳螺栓材料：地腳螺栓材料的許用剪切應(yīng)力： 地腳螺栓的螺紋小徑： 選取的地腳螺栓。3.9支柱底板3.9.1支柱底板直徑基礎(chǔ)采用鋼板，其許用壓應(yīng)力： 地腳螺栓直徑：支柱底板直徑： 選取底板直徑：3.9.2底板厚度底板的壓應(yīng)力： （3.12）底板外邊緣至支柱外表面的距離： 底板材料：底板材料的許用彎曲應(yīng)力： 底板的腐蝕裕量：底板厚度： （3.13）選取底板厚度：

第4章拉桿計算與強度校核4.1拉桿載荷計算拉桿螺紋小徑的計算拉桿的最大拉力： （4.1）拉桿材料：20鋼管，拉桿材料的許用應(yīng)力： 拉桿的腐蝕裕量：拉桿螺紋小徑： （4.2）選取拉桿的螺紋公稱直徑為。4.2拉桿連接部位的計算銷子材料35，銷子材料的許用剪切應(yīng)力： 銷子直徑： 選取銷子直徑：耳板材料：耳板材料的許用壓應(yīng)力：耳板厚度： （4.2）耳板厚度為。4.3翼板厚度翼板材料：翼板厚度： （4.3）選取翼板厚度為。4.4連接焊縫強度驗算A焊縫單邊長度：A焊縫焊腳尺寸：支柱或耳板材料屈服點的較小值：角焊縫系數(shù)：焊縫許用剪切應(yīng)力： 耳板與支柱連接焊縫A的剪切應(yīng)力校核： B焊縫單邊長度：B焊縫焊腳尺寸：拉桿或翼板材料屈服點的較小值：焊縫許用剪切應(yīng)力： 拉桿與翼板連接焊縫B的剪切應(yīng)力校核： 4.5支柱與球殼連接最低點a的應(yīng)力校核（1）a點的剪切應(yīng)力支柱與球殼連接焊縫單邊的弧長：球殼a點處的有效厚度：操作狀態(tài)下a點的剪切應(yīng)力： （4.4）液壓試驗狀態(tài)下a點的剪切應(yīng)力:操作狀態(tài)下a點的液柱高度：液壓試驗狀態(tài)下a點的液柱高度：操作狀態(tài)下物料在a點的液柱靜壓力：液壓試驗狀態(tài)下液體在a點的液柱靜壓力：操作狀態(tài)下a點的緯向應(yīng)力： 液壓試驗狀態(tài)下a點的緯向應(yīng)力： （2）a點的應(yīng)力校核操作狀態(tài)下a點的組合應(yīng)力：液壓試驗狀態(tài)下a點的組合應(yīng)力：應(yīng)力校核：4.6支柱與球殼連接焊縫的強度校核和兩者之中的較大值： 支柱與球殼連接焊縫焊腳尺寸：支柱與球殼連接焊縫的剪切應(yīng)力： （4.5）支柱或球殼材料屈服點的較小值：焊縫的許用剪切應(yīng)力：應(yīng)力校核：則通過。

結(jié)論本次主要設(shè)計了1500m3液化石油氣球罐，通過查閱大量文獻資料主要完成了球罐的材料選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計