摘要
球形压力容器（以下简称球罐）具有占地少、受力情况好、承压能力高，可分片运到现场安装成形、容积的大小基本不受运输限制等其它压力容器无可比拟的优点，在石油、化工、城市燃气、冶金等领域广泛用于存储气体和液化气体。近年来我国球罐的大型化和高参数化工程技术水平有了长足的进步，通过对引进球罐的消化、吸收和创新，很多高参数球罐已经实现了国产化，为我国的经济发展做出了积极的贡献。为满足我国石油液化气存储需求，同时也满足石油、化工、轻纺、冶金等行业对球罐大型化的需要，迫切需要发展有自主知识产权的特大型球罐核心技术。球罐的大型化是一个复杂的系统工程，它涉及到多个学科和技术领域。针对10000m3大型石油液化气球罐设计、制造中的几个关键技术：球罐选材、结构设计和应力分析等方面进行了研究，完成了如下工作：（1）阅读大量国内外文献，在系统了解球罐结构设计及制造方法的基础上，完成文献综述的撰写。
（2）对球罐选材进行分析比较，最终确定采用15MnNbR；对球罐进行工艺结构设计和尺寸计算；根据GB12337-98《钢制球形储罐》对球罐进行结构与强度设计计算。
（3）进行球罐图纸绘制，完成球罐装配图及各主要零部件图。
（4）使用压力容器分析设计系统（VAS2.0）对球罐进行强度分析，对球壳和支座连接处进行应力分析和强度评定。
关键词：球形储罐；容器用钢；结构；应力分析
Design of 10000m3 Spherical Tank for Liquefied Petrolem Gas
Abstract
Because of its unexampled advantages such as less floor area covering, high-pressure capability and transport facilitates,Spherical pressure tanks (hereinafter referred to as the―sto rage tank‖)used for storage of gas and liquefied gas more widely than other storage tanks in the oil,chemical,city gas,metallurgy and other fields. In recent years,China engineering and technical level of spherical tank has made great progress through the introduction,absorption and innovation of foreign spherical tank technology.To meet the demand of our country's liquefied petrolem gas storage,and meet the demand of large-scale tank in the petroleum,chemical,textile,metallurgical and other industries,it is urgent to develop the core technique of large-scale spherical tank with our own intellectual property rights.Construction of increasingly larger spherical tank is a complex and systematicproject,which involves a number of disciplines and technical fields. in view of research of key design and manufacture technology of 10000 m3large-scale liquefied petrolem gas tank,from the perspectives such as evaluation and selection of main material , structure design theory and stress analysis,we have solved several key technology of spherical tank construction.This article has completed the primary research work coverage,which was shown as follows:
(1)Based on well understanding of structure design and manufacturing methods of spherical tank , I write literature summary after reading a large number of domestic and foreign literature.
(2) Through analysis and comparison of the materials,I finally select 15MnNbR;After the structural design of process and dimension calculation,I complete the calculation of structure and strength according to GB12337-98.
(3) The drawings of the tank include an assembly drawing and several parts drawings.
(4)For the junction between spherical shell and stanchion, stress analysis and strength assessment is completed by the system of Design by Analysis for pressure vessels(VAS2.0).
Key Words：Spherical tank；Steel for pressure vessels ；structure ；stress analysis
目录
摘要..................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 1 文献综述 (1)
1.1 课题研究的工程背景及理论、实际意义 (1)
1.2 球罐用钢 (1)
1.2.1 球罐用钢基本要求分析 (1)
1.2.2 国内外球罐的常用钢种 (2)
1.2.3 几种典型球罐用钢的优劣对比 (2)
1.3 球罐设计 (3)
1.3.1 球罐设计的执行标准及法规 (3)
1.3.2 球壳结构 (4)
1.3.3 支座结构 (4)
1.3.4 拉杆结构 (5)
1.3.5 支柱与球壳连接下部结构 (6)
1.3.6 接管补强结构 (7)
1.3.7 球罐的设计方法 (8)
1.4 球罐制造 (10)
1.5 球罐安装及检验技术 (11)
1.6 球罐的发展趋势和面临的问题 (11)
1.6.1 球罐发展趋势 (11)
1.6.2 球罐的大型化面临的问题 (12)
2 10000m3石油液化气球罐设计说明 (13)
2.1 基本参数 (13)
2.2 基础资料 (13)
2.2.1 安装与运行地区气象环境条件 (13)
2.2.2 场地条件 (14)
2.2.3 工作介质 (14)
2.2.4 运行要求 (14)
2.3 球罐主要设计参数的确定 (14)
2.3.1 设计压力和设计温度 (14)
2.3.2 人孔、接管位置及尺寸的确定 (15)
2.3.3 腐蚀余量的确定 (15)
2.4 设计原则 (15)
2.4.1 设计规范的确定 (15)
2.4.2 压力试验方法 (16)
2.5 球壳设计 (16)
2.5.1 材料选用 (16)
2.5.2 球罐支柱数和分带角的确定 (16)
2.5.3 混合式结构的排板计算 (16)
2.5.4 球壳 (18)
2.5.5 开孔补强 (19)
2.5.6 安全泄放设计 (20)
2.5.7 法兰密封 (20)
2.6 球罐支柱与拉杆 (20)
2.6.1 球罐连接结构型式的确定 (20)
2.6.2 支柱结构 (20)
2.6.3 拉杆 (21)
2.6.4 支柱和拉杆设计计算 (21)
2.7 制造要求 (21)
2.7.1 球壳板 (21)
2.7.2 坡口 (21)
2.7.3 焊条 (21)
2.7.4 组焊 (22)
2.7.5 焊后热处理 (22)
2.7.6 其他要求 (22)
3 球罐的强度计算 (23)
3.1 设计条件 (23)
3.2 球壳计算 (23)
3.2.1 计算压力 (23)
3.2.2 球壳各带的厚度计算 (24)
3.2.3 球壳薄膜应力校核 (25)
3.2.4 球壳许用外压力 (26)
3.2.5 球壳压应力校核 (26)
3.3 球罐质量计算 (27)
3.4 地震载荷计算 (29)
3.4.1 自振周期 (29)
3.4.2 地震力 (29)
3.5 风载荷计算 (29)
3.6 弯矩计算 (30)
3.7 支柱计算 (30)
3.7.1 单个支柱的垂直载荷 (30)
3.7.2 组合载荷 (31)
3.7.3 单个支柱弯矩 (31)
3.7.4 支柱稳定性校核 (32)
3.8 地脚螺栓计算 (33)
3.8.1 拉杆作用在支柱上的水平力 (33)
3.8.2 支柱底板与基础的摩擦力 (34)
3.8.3 地脚螺栓 (34)
3.9 支柱底板 (34)
3.9.1 支柱底板直径 (34)
3.9.2 底板厚度 (35)
3.10 拉杆计算 (35)
3.10.1 拉杆螺纹小径的计算 (35)
3.10.2 拉杆连接部位的计算: (36)
3.11 支柱与球壳连接最低点a的应力校核 (38)
3.11.1 a点的剪切应力 (38)
3.11.2 a点的纬向应力 (38)
3.11.3 a点的应力校核 (38)
3.12 支柱与球壳连接焊缝的强度校核 (39)
3.13 安全泄放计算 (39)
3.13.1 安全阀排泄量 (39)
3.13.2 安全阀排放面积的计算 (40)
3.14 开孔补强计算 (40)
3.14.1 DN50开孔补强 (40)
3.14.2 DN80开孔补强 (41)
3.14.3 DN150开孔补强 (41)
3.14.4 DN40开孔补强 (41)
4 10000m3石油液化气球罐应力分析 (43)
4.1 应力分析方案 (43)
4.2 结构分析 (43)
4.3 应力分析结果 (44)
4.4 强度评定 (44)
4.4.1 连接处支柱强度评定 (44)
4.4.2 连接处球壳强度评定 (45)
4.4.3 连接处托板强度评定 (45)
4.5 常规设计与分析设计的比较 (46)
结论 (49)
参考文献 (50)
致谢 (51)
1 文献综述
1.1 课题研究的工程背景及理论、实际意义
随着我国石油、化工、轻纺、冶金及城市燃气工业的发展，作为存储容器的球罐，得到了广泛的应用和迅速的发展，在石化企业、国防工业、冶金工业及城市燃气中，用于储存液态丙烷、丁烷、丙烯、丁烯及其混合物(LPG)、液化天然气(LNG)、液氧、液氮和液氨、液氢等物料。
球形储罐与其他型式的压力容器比较，有许多突出的优点。如与同等容量，相同工作压力的圆筒形压力容器比较，球罐具有表面积小，所需钢板厚度较薄，因而具有耗钢量少，重量轻的优点。此外，球罐还有制造方便，易于大型化、占地面积小、操作管理和检修方便等特点。由于这些特点，再加上球罐基础简单、受风面小、外形美观，可用于美化工程环境等原因，使球罐的应用得到很大发展[1,2]。
国内外球罐技术发展的方向都是高参数大型化，球罐大型化可以降低单位容积存储能力的投资，节省占地，也节省了辅助设施的费用，同时便于管理。国外先进工业国家开展石油液化气球罐大型化工作较早，技术水平较高，建造10000-25000m3大型球罐已相当普遍，如文献[3]介绍，日本1968年制成了容量20000 m3的大型球罐，1985年日本新日铁公司为日本西部瓦斯用本公司生产的WEL-TEN80C型高强度钢制造一台大型球罐，设计压力0.75MPa、直径为37.07m、容积为26700 m3。而我国由于特大型（10000m3以上）球罐关键技术还没有完全解决，已生产制造的最大石油液化气球罐只有5000m3。因此，为满足我国石油液化气存储需求，同时也满足石油、化工、轻纺、冶金等行业对球罐大型化的需求，迫切需要开发具有我国自主知识产权的特大型球罐核心技术[4]。
球罐是一个大型、复杂的焊接壳体结构，它涉及到材料科学、壳体结构理论、塑性加工技术、焊接技术、热处理技术、无损检测技术、断裂力学等多学科和技术领域，对球罐设计方法和理论、选材和材料评价体系、高性能材料的焊接及热处理技术、大板片球罐制造技术的理论和实际都有重要作用。
1.2 球罐用钢
1.2.1 球罐用钢基本要求分析
球罐存储的介质一般为压缩气体或液化气体，大部分为易燃、易爆有毒物质。因此球罐用钢的安全可靠性是最重要的，球罐用钢必须满足国务院颁发的《锅炉压力容器安
全监察暂行条例》和国家质检总局颁发的《固定式压力容器安全技术监察规程》等法规和规范，及GB150[5]、GB12337[6]等国家标准的要求，必须是压力容器专用钢。
球罐用钢选择主要从两方面考虑：一是技术性和安全性，即加工及使用性能，在满足强度要求的前提下，应保证良好的成型性，优良的焊接、热处理性，足够高的缺口韧性值和长期可靠的使用性能；二是经济性，即应在确保安全的前提下经济合理，因为钢材的价格在球罐投资上占有较大的比例，对球罐用钢提出过高的要求，势必会增加成本，难以保证经济性。
1.2.2 国内外球罐的常用钢种
我国球罐选用的材料主要是国产钢材，在役国产球罐用材主要有：A3F、A3、A3R、20R、16Mn、15MnV、15MnVR、15MnVN、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR及从国外引进的各种球罐材料。到二十世纪末为止，我国建设的球罐主要选用16MnR，约占总量的85%左右，进入21世纪以后据国家标准GB12337-98《钢制球形储罐》规定，球罐用材可选20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR，国产低温球罐可选用07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR（CF钢）。引进球罐选用的高强度钢主要是SPV490Q（日本）、WEL-TEN610CF（新日铁）、RIVERACE610（川崎制铁）、NK-HITEN610U（日本钢管），低温球罐选用低温高强度钢N-TUF490（新日铁）以及SA537CL.1（法国）[7]。
国外球罐用钢的典型钢种有美国的A517F、日本的WEL-TEN62CF、HW70、WEL-TEN80、WEL-TEN80C、SPV36等[8]。
1.2.3 几种典型球罐用钢的优劣对比
（1）16MnR钢板是我国目前使用最多、最普遍的一种低合金高强度压力容器用钢。钢材的焊接性能较好，广泛用于建造各类压力容器和中小型球罐，具有一定的抗H2S腐蚀性能，但是强度较低，且16MnR板厚效应严重，其强度和韧性随板厚的增加下降较大，厚度为48mm时，16MnR钢板实物的韧性储备量不高，在设计厚度≤50mm时使用。
（2）07MnCrMoVR钢是我国“七五”期间开发出来的新钢种，该钢的力学性能相当于WEL-TEN62CF钢的实际水平。07MnCrMoVR钢采用低碳多元微合金以严格控制碳当量(C eq≤ 0.42％)和焊接裂纹敏感性组织(P cm≤0.2％)，并通过合理的调质热处理获得最佳强韧比的组织结构，从而从根本上保证了其焊接性能和优良的低温韧度。07MnCrMoVR的力学性能及其稳定性好，国内大部分设计、制造和组焊单位掌握其特性，具有成熟的经验，但对贮存液化石油气介质中的硫化氢含量有较严的要求，此外钢厂提供宽板能力有限，不能满足大型球罐的制造要求[9]。
（3）15MnNbR 是GB150-1998国家标准第1号修改单新增钢号，它是低合金钢领域中的新一代钢种(350MPa 级)，其强度和韧性优于16MnR ，同时也优于日本SPV355N ，厚板韧性也较好，而焊接性能及抗硫化氢性能与其相近。该钢种采用先进的冶炼工艺，钢材的化学成分、力学性能及冷弯性能得到很好的保证。15MnNbR 具有良好的综合性能，可大大提高球罐使用的安全可靠性，该钢性价比较高，是大型球罐的理想钢种。该钢材取代进口钢板后，能满足我国大型液化气球罐用钢的迫切需求[10]。
（4）日本产610CF 钢是近年来推出的具有低裂纹敏感性和韧度较高，焊接性能优良的钢种，钢的碳当量C eq 和焊接裂纹敏感性系数P cm 均相对较低，因此焊接性能优良，且国内部分设计、制造和组焊单位已较好掌握该钢种的特性。引进日本球壳板，国内安装的10000m 3北京天然气球罐即选用该钢种[11]。
表 1.1列出了国产16MnR 、07MnCrMoVR 、15MnNbR 钢板与引进的日本WEL-TEN610CF 钢板化学成分和力学性能技术指标对比。
表1.1 几种典型球罐用钢力学性能技术要求对比
1.3 球罐设计
1.3.1 球罐设计的执行标准及法规
球罐设计执行的国家标准及法规主要有《固定式压力容器安全技术监察规程》2009版、《锅炉压力容器安全监察暂行条例》及其《实施细则》2009版、GB150-1998《钢制压力容器》、GB12337-1998《钢制球形储罐》及相关标准。在制造、检验、验收中还应执行GB50094-1998《球形储罐施工及验收规范》、GB6654-1996《压力容器用碳素钢
标准或技术
条件
钢号 交货状态 板厚 mm 拉伸试验 冲击试验 s σ MPa b σ MPa 5δ % 试验温度及取样方向 kv A /J GB6654-1996 16MnR 正火 >6~16 ≥345
510~640 ≥21 0℃(横向) ≥31 16~36 ≥325
490~620 GB19189-2003 07MnCrMoVR 调制 12~60 ≥490 610~730
≥17 -20℃(横向) ≥47 GB6654-1996第一号修改单 15MnNbR 正火 10~16 ≥370 530~650
≥20 -20℃(横向) ≥34 >16~36 ≥360 530~650
>36~60 ≥350 520~640
新日铁
企业标准 WEL-TEN610CF 调质 12~50 ≥490 610~730 ≥19 -20℃(横向) ≥47
和低合金钢厚钢板》、JB4726-2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》、JB4730-2005《压力容器无损检测》、JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》、HG/ZQ1.7—87《球形储罐质量等级评定及检查细则》，球罐安装质量要达到SHJ-514《石油化工设备安装工程质量检验评定标准》中第八章“球型储罐安装工程”中优良工程要求。
1.3.2 球壳结构
球壳结构形式主要分为足球瓣式、桔瓣式和混合式3种(如图1.1)。
（1）足球瓣式球罐球壳用均分法划分，每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，材料利用率高且互换性好，组装焊接接头较短，焊接检验工作量小，但焊接接头布置复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高。
（2）桔瓣式球壳像桔子瓣(或西瓜瓣)，焊接接头布置简单，组装容易，球壳板制造简单，但材料利用率低，对接焊缝总长度长，检验工作量大[12]。
（3）混合式球罐的球壳组成是：赤道带和温带采用桔瓣式，极板采用足球瓣式。它集中了桔瓣式和足球瓣式两种结构的优点，在国外已被广泛采用，从国外引进的球罐大量采用了该结构。
不同结构形式对球罐的制造、安装质量以及投用后的安全可靠性都会带来重大的影响。先进合理的结构，既可合理地利用材料，减少浪费，降低成本；又可有效地减少焊缝总长，减少制造和安装过程中的工作量，提高使用中的安全可靠性。不同分瓣形式分带的数量一般不同，混合式的分带数一般会比桔瓣式少；由于混合式球罐极带有7块板组成，桔瓣式只有3块，两极相加多8块，因此如果两种分瓣形式的支柱和带数完全相同，混合式球罐的球壳板数量反而比桔瓣式多一些。因此一台球罐结构形式的先进与否不能简单看是用混合式还是桔瓣式，而要从焊缝的总长、钢材利用率和制造安装难度来考虑，它同时受钢厂供货尺寸和运输条件的限制。对于小型球罐如400m3或650m3的球罐往往采用桔瓣式结构更合理。而大中型球罐采用混合式分瓣方法优势更为明显[13]。
1.3.3 支座结构
球罐支座是球罐中用以支承球壳及其附件和储存物料重量的结构部件，有柱式和裙式两种形式。在柱式支承中，国内外普遍采用了赤道正切柱式支承，此外还有V形和三柱会一柱式支承。裙式支承有圆筒裙式、锥式以及用钢筋混凝土连续基础支承的单埋式支承和锥底支承等[14]。GB12337-1998《钢制球形储罐》中规定支柱与球壳连接采用赤道正切形式。
赤道正切柱式支座的结构特点是：多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近似相切(相割)而焊接起来。该支座具有受力均匀、弹性好、能承受热膨
胀的变形、安装方便、施工简单、容易调整及检修方便等优点，适用于多种规格的球罐，但重心高、稳定性差，并存在局部应力。我国建造的球罐全部采用赤道正切柱式支座。
图1.1 球罐分瓣形式
a )足球式
b )桔瓣式
c )足球桔瓣混合式
1.3.4 拉杆结构
GB12337-98中规定了可调式与固定式两种拉杆。
（1）可调式拉杆(如图1.2a)采用圆钢加工而成，拉杆与支柱采用销钉连接，2根拉杆立体交叉处留有间隙。该种结构受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修方便。可调式拉杆虽能调节松紧，有利于施工，但若施工后发生锈蚀则不起调节作用。
（2）固定式拉杆(如图1.2b)一般采用钢管，拉杆与支柱的连接采用焊接结构，拉杆与拉杆的交叉处采用固定板焊接结构或直接焊接结构。其特点是：钢管焊接在支柱上，形成较稳固的刚性结构，能有效防止横向载荷造成的破坏；可省去大量零部件，不需任何机械加工，制造比较简单，现场安装方便；支柱受力情况较好，能承受拉伸和压缩载荷(可调式只能承受拉伸载荷)。当承受垂直载荷时，拉杆支承了部分载荷，因而下段支柱所受的压缩力就小，当承受横向载荷时，固定式所受的拉力仅为可调式的一半，下段支柱所受的压缩力明显减小，比较安全；抗弯能力大，特别适合于大型球罐；固定式拉杆可设计成受压形式，于是拉杆的截面比可调式的大，刚性也大，因此球罐横向载荷产生的水平位移和偏移量均小，对球罐上的接管有利；固定式拉杆在施工时调好，使用中不必再调整。固定式拉杆结构在国外已大量采用，我国从国外引进的球罐也有相当一批采用了此结构。但到目前，我国自行设计和制造的球罐还极少采用该结构[15]。
a)可调式拉杆b)固定式拉杆
图1.2 拉杆结构形式
1.3.5 支柱与球壳连接下部结构
在支柱与球壳相接的球壳局部区域中，受力及变形相当复杂，应力数值高，变化梯度大，是整个球罐中的高应力区。支柱与球壳相焊焊缝的最低点是重点应力校核部位。支柱与球壳连接下部结构一般分连接处下端加托板、翻边和U形柱结构(见图1.3)。
（1）加托板结构是在球壳与支柱连接部下端加一托板，可以方便焊接，消除焊接死角。该结构制造工艺简单，已被大多数制造厂采用。但由于该结构是由两个零件组成，变形不协调，存在较大的局部应力。
（2）翻边结构是将与球壳连接处下端的支柱翻边，增加与球壳的连接长度，并改善焊接接头的施焊情况，所以能够保证焊接质量。支柱为一体变形协调，对球壳的局部应力有所改善。但因翻边的宽度有限，且会减薄支柱管壁，对改善支柱与球壳连接最低点的应力作用不明显。
（3）U形柱结构是用钢板卷制成U形管与球壳连接，使支柱与球壳连接逐渐过渡，避免急剧变化，特别适合于低温球罐与支柱连接的要求。该结构制造工艺简单，施焊方便，没有工艺难点，不存在焊接死角，在三种结构中与球壳的连接长度最长，这样对局部应力的改善也最有效。球罐的局部应力是不可避免的，只能靠改进结构来减小，如增加支柱与球壳的接触面积，减少支柱的刚性，支柱与球壳的连接避免急剧变化，使其逐渐过渡等方法，U形柱结构则集中了这些特点。GB12337-98增加了U形柱结构，解决了低温球罐支柱连接无法解决的难题。
图1.3 支柱与球壳连接下部结构
1.3.6 接管补强结构
大型球罐的接管补强一般采用两种结构型式，第一种型式为厚壁管补强结构(如图图1.4a)；第二种采用锻制凸缘（如图1.4b），在应力集中部位局部加厚的密集补强型式，与球壳板的连接采用对接焊缝。
凸缘补强优点是它和球壳板形成的连接是对接焊缝，便于焊接及焊缝的无损检测。厚壁管插入式补强优点是结构简单、节省材料，缺点是因开孔较小，角焊缝底部清根困难，又难以进行射线、超声等方法的内部检测，容易产生未焊透等缺陷。由于插式接管焊缝是近年来球罐质量中出现问题最多的部位之一，在设计时要求制造厂从坡口开制工
艺到焊接工艺及清根方法在工艺上保证完全焊透[16]。
图1.4 球罐的补强形式
a) 厚壁管补强b) 整体锻件凸缘补强
1.3.7 球罐的设计方法
球壳的设计计算有两种方法，即常规设计方法与分析设计方法。我国球罐设计标准GB12337-98是常规设计方法的标准，目前，大部分球罐均按这个标准进行设计、制造、安装。我国分析设计法的标准有JB4732-95《钢制压力容器应力分析法设计标准》，这是个通用性的标准，目前我国尚无球罐设计专用的分析设计标准。随着球罐的大型化方向发展，外国已开始采用分析设计法设计球罐，大型球罐采用分析设计法设计更为科学、经济合理，因此，利用分析设计法设计大型球罐有着广阔的前景。
（1）常规设计方法
常规设计方法是基于弹性失效原则，即认为容器内，某最大应力点一旦进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效。常规设计只考虑单一的“最大载荷”工况，按一次施加的静载荷处理，不考虑交变载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。常规设计一般是以材料力学及板壳薄膜理论的简化公式为基础，再加上一些经验系数，未对容器重要区域的实际应力进行严格而详细的计算。因此，在给出计算公式的同时，又往往对结构尺寸、形状、工作条件等有明确的限制。
（2）分析设计方法
分析设计方法，就是放弃了传统的“弹性失效”准则，而采用以极限载荷、安定荷载和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位作有限寿命的设计。分析设计方法根据导致结构破坏的危险性不同而对应力进行分类，对各类应力取不同的许用值进行应力评定，取较低的安
全系数，但不降低设计的安全可靠性。采用分析设计法可得到常规设计方法无法得到的合理的设计结果。搞清了应力分布情况，对症下药，该薄处薄，该厚处厚。采用分析设计一般要比采用常规设计节省材料，但分析设计法的设计和加工费用较高。
表1.2 常规设计法与分析设计法的主要区别
比较对象常规设计方法分析设计方法
设计原则弹性失效；
不允许出现塑性
变形，一但出现塑
性变形，就认为容
器已经失效
塑性失效，弹塑性失效；
允许出现塑性变形，但必须是局部的，可控制。对于一次加
载要计算极限载荷。对于交变载荷，要计算安定载荷；
如计算出的载荷＜极限载荷，认为是局部的控制；
安定性载荷主要针对疲劳和棘轮现象
载荷非交变（静载荷）可以考虑交变载荷（疲劳失效）
分析方法材料力学方法，薄
膜理论；
简化公式+经验系
数
弹性式塑性力学分析；
理论方法（即解析法）；
数值方法（即有限方法）；
实验方法（即电测法，实测法）
应力评定应力不分类；
许用应力一样；
第一强度理论；
安全系数大
应力分类；
用应力强度来评定；
第三强度理论；
安全系数小；
材料一般要求优质、延性好、性能稳定
①必须是压力容器用钢
②钢材应是国标规定并列入JB4732，同时取消推荐材料代用
③钢材使用温度下限为0℃，如低于0℃应作缓冲
④扩大超探范围
⑤增加了夏比（V形缺口）冲击试验(包括对螺柱用材)
制造全焊透，100%探伤塑性体、连续性、相贯性、光滑过渡；
全焊透，100%探伤
常规设计与分析设计的总体思想都是将材料选用、结构考虑、强（刚）度计算、制造、检验、试验、使用等各个环节紧密联系，但由于采用了不同的设计准则（即考虑了不同的失效方式），因而在材料选用、结构考虑、强（刚）度计算、制造、检验、试验、使用和适用范围、授权证书、钢印标志等方面都相应自成系统，两者不能混淆，不能套用，尽管某些内容或因采用相同的失效准则（如受外压容器设计）或因历史沿用原因（如法兰设计）而采用基本相同的设计公式，但从总体上说，二者是完全不同的。
由于常规设计与分析设计采用了不同的设计准则，所以在某些结构规定上也有所不同，例如前者允许采用对接、角接和搭接焊缝，并允许部分焊透的结构，在各元件的壁厚计算公式中根据焊缝结构型式、无损检测的程度而引入不同的焊缝系数；后者则不允许采用搭接焊缝，基本不允许采用各种形式的未焊透结构，对各焊缝都要求100％无损检测并取焊缝系数为1.0。
分析设计提高了应力强度许用极限，降低了基本安全系数（对应抗拉强度的安全系数，常规设计取3，分析设计取2.6），容器壁厚相对减薄，一般可节约材料15%~20%。同时在选材、制造、检验等方面提出了比常规设计更严格的要求。采用分析设计不仅减少壁厚，而且安全合理，该薄处薄，该厚处厚。分析设计特别适用于大型容器、高温高压容器及常规设计难以解决的问题，如容器大开孔和交变载荷下的疲劳等[17]。
另外，众所周知常规设计采用弹性失效准则而不适用于要求进行疲劳分析的容器，而分析设计采用了包括疲劳失效准则在内的多种失效准则，因而在必要时可以进行疲劳分析。分析设计需要以详尽的应力分析报告为依据，需要近代的分析计算工具和实验技术为手段，常规设计法与分析设计法的主要区别详见表1.2。
1.4 球罐制造
球罐不同于一般压力容器，由于球罐容积较大，不可能在制造厂一次制造完成，首先要在制造厂压制成瓜片形状，再运到到现场进行组装、焊接、检验和试验最终完成建造。在制造厂的核心工作是球壳板的压制成形、坡口加工及零部件的制造。
国内外普遍采用的球瓣成形技术是冲压成形，它一般可分为冷压成形、温压成形和热压成形。其它一些成形方法也在发展之中，如液压成形、爆炸成形等无模成型方法[18]。对于液压成形、爆炸成形等无模成型法，由于对材料的损伤较大，主要还是停留在理论研究方面，实现应用较少；热压和温压成型是早年压力机能力不够时的权宜之计，由于对材料有损伤、球壳板减薄量大及需要设置大型加热炉等因素，也基本停止使用。目前使用最普遍的还是冷压成形，占球罐成形的90%以上。冷压成形是钢板在常温下，经冲压变形成为球面球壳板的过程。冷压成形采用点压法，其特点是小模具、多压点，钢板不必加热、成型美观、精度高、无氧化皮，对钢材的损伤小、壁厚减薄量少。
目前国内外球罐冷压成形技术主要还是依靠制造厂的经验，根据经验选择一定曲率的胎具试压确定胎具的曲率，压制时结合加钢垫局部调整使球壳板达到要求的曲率，因此不同厂家冷压球片的精度和效率差别很大。国外在球罐大型化制造技术研究方面开展较早，对大板片球罐的制造技术和精度控制较为成熟，国内大型化制造技术发展也很快，近年来对球罐制造技术研究工作也开展了很多，包括下料技术、大板片、薄板压制技术等等，但特大型大板片（30m2以上）制造精度还没有很好地掌握。
下料和坡口加工技术，是球片制造的重要环节之一，其质量对组装效果和后面的焊接质量将带来直接影响。由于球面是不可展开面，因此精确下料从理论上只能在球壳板压制成形后进行，因此球壳板的精确下料往往和坡口加工工序合二为一，坡口加工时必须同时满足球壳板几何尺寸的要求。目前采用最多的技术是二次下料的方法：即先对成型前的平面钢板近似下料，保证留下坡口加工余量，压制成形后再按精确尺寸放样加工坡口。二次下料法技术比较精确和成熟，但要留出二次的切割余量，材料利用率相对低一些，尤其对大型球罐板面尺寸较大，制造切割胎具还要占用很多材料，环向切割胎不能互用，不同的分带角还要制造不同的环向切割胎。
1.5 球罐安装及检验技术
球罐现场安装是球罐建造的关键环节之一，包括组装、焊接、热处理、检验、试验等工作，内容多、工作量大，对球罐最终质量起到至关重要的作用。组装技术随着球罐的大型化、球瓣尺寸的大型化，组装技术从早期的分带组装或分块组装向整体组装发展，目前国内外球罐组装技术都是以整体组装为主。整体组装的优点是组装速度快，几何精度高，便于对称施焊、焊接变形小等；缺点是卡具要求多，焊接全部为高空作业，劳动强度大等。
球罐安装中焊接工作量大，焊接质量要求高，不同的球罐钢有不同的焊接特点和工艺要求，要严格按评定合格的焊接工艺执行。球罐的焊接方法除手工焊外还有自动焊，在国外前苏联、德国、日本美国等国家都较早采用了大型球罐自动焊，我国上世纪90年代开始大型球罐自动焊试验研究，并应用于球罐的建造中，主要是自保护和气保护全位置自动焊工艺。但从目前总体上看，国内外球罐焊接方法主要还是以手工焊接为主，原因是球罐是全位置焊接，手工焊质量相对可靠，自动焊提高一次合率、减少返修工作量还是今后球罐焊接要研究的工作之一。
压力容器常用的无损检测方法在球罐上都有应用，常用的有：射线检测（RT）、超声波检测（UT）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）等，也有将声发射技术应用于球罐安全监控的。近年来TOFD及相共振等无损检测新技术在球罐上也有应用。总体目的是通过不同的方法对比和增加检测比例，提高缺陷的检出率。
1.6 球罐的发展趋势和面临的问题
1.6.1 球罐发展趋势
随着材料、焊接、制造、施工安装技术不断提高，球罐也正向大型化、多结构、高参数的方向发展。设计压力从0.093MPa的真空度到上百个大气压力，工作温度从-250℃
到850℃，球罐结构从单层到多层，品种非常广泛。其中，最主要的是向大型化方向发展。目前，国外最大的球罐已作到压力为6～7MPa，体积为300000m3左右的大型球罐。
1.6.2 球罐的大型化面临的问题
由于大型化的经济性十分明显，已成为世界各国优先重视的重要课题。球罐大型化的进程在不同国家、不同时期受着不同因素的制约。随着相应技术的发展，这些制约因素不断得到解决，又促使球罐大型化的发展。从国内情况看，目前限制球罐向大型化方向发展的影响因素主要有：
（1）球罐用钢
由于国内冶炼技术方面的因素，压力容器专用钢种的种类较少，钢材综合性能较差，制造不了大规格，大吨位的钢板。因此要发展球罐的大型化必须着重于发展球罐用钢的研制工作。高强度的钢材对于球罐大型化是至关重要的，国际上对此也都做了大量工作，如美、日等国都分别研制了(σs≥690MPa) 的高强钢种：SA517Gr·F和WEL-TEN80。但值得重视的是，若高强钢不具有好的综合力学性能和焊接性能，则并不能解决大型化的问题。因此国内应加强高性能高强度球罐用钢的研制、开发工作，以促进球罐的大型化。
（2）球罐现场组装和焊接问题
由于大型球罐均为现场组装，施工条件差、人员流动性大，所以在大型球罐施工时应进行严格的质量管理，建立完善的质量保证体系。目前，国内已部分采用并将大量采用σs≥490MPa的高强钢，这种钢焊接时裂纹敏感性相对较差，因此必须严格执行焊接工艺（包括焊条、预热、后热等），并对上岗焊工进行严格的培训。
（3）球罐现场热处理
随着球罐向大型化方向发展，球壳板壁厚的增加有可能超过不进行整体热处理的板厚上限，大型球罐的整体热处理势在必行。因此，必须深入探讨和研究大型球罐的热处理设备和工艺措施，并在标准规范中予以体现。
（4）球壳板尺寸精度
大型球罐球壳板块数相当多，以天然气球罐球壳板为例：5000m3总数为156块，37000m3总数为234块。为提高其组装尺寸精度、改善施焊条件、避免强力组装，应更好和有效地提高球壳板尺寸精度和组装间隙尺寸精度等。
（5）吊装运输能力
球罐大型化后，单块球壳板的厚度、规格尺寸和重量均随之增大，必将涉及至吊装及其运输能力。因此在对大型球罐设计施工时，对此问题也应进行充分的考虑。
2 10000m3石油液化气球罐设计说明2.1 基本参数
公称容积10000 m3
公称内径26800mm
最高工作压力0.42MPa
最高工作温度12℃
球罐基础高度200mm
罐底距地面高度 1.8m
使用寿命40年
2.2 基础资料
2.2.1 安装与运行地区气象环境条件
（1)）大气温度
年平均气温18.3℃
最高气温42.2℃
最低气温-18℃
最热月月平均气温33℃
最冷月月平均气温-8℃
（2）大气湿度
最热月平均相对湿度75%
最冷月平均相对湿度82%
（3）大气压力
夏季100.3kPa
冬季101.1kPa
（4）基本雪压250 Pa
（5）大气流速（地面）
基本风压400Pa
夏季平均风速 1.2m/s
冬季平均风速 1.0m/s
30年一遇最大风速16.9m/s
季风最多风速平均值 1.8m/s
2.2.2 场地条件
①安装场地海拔高度：
天津临港工业区 3.3m
②地震设防烈度7度近震
③球罐安装场地已平基，Ⅱ类场地土
④地面粗糙度类别B类
⑤露天环境
2.2.3 工作介质
球罐储存的石油液化气气主要理化性质参数如下：
①石油液化气的组成(摩尔)为：丙烯占20%、丙烷占40%、正丁烷占30%、异丁烷占10%，12℃时石油液化气的饱和蒸汽压为0.42MPa。物料中硫化氢含量10×10-6ppm。
②平均分子量50
③密度560 kg/m3
④比重0.56（水为1）
⑤运动粘度2.4×10－7m2/s
⑥绝热指数1.12
2.2.4 运行要求
全天候、全时段（24h、365d连续运转）连续运行。
2.3 球罐主要设计参数的确定
2.3.1 设计压力和设计温度
参照《压力容器安全技术监察规程》对设计压力和设计温度的规定，确定本次10000m3石油液化气球罐主要设计压力和设计温度如下：
球罐的设计压力一般按不低于安全阀开启压力选取常取1.05～1.1倍存储压力（工作压力），本次设计压力为0.5MPa，安全阀开启压力为0.45 MPa，最高工作压力0.409～0.428MPa，最终取工作压力0.42 MPa(石油液化气12℃时的饱和蒸汽压)。
设计温度分上限和下限两种极端的情况分别考虑：设计温度分上限是介质的最高操作温度，即12℃。考虑到最热月月平均气温33℃，大于介质的最高工作温度，球罐应覆盖保冷层，保冷层厚度为50mm，材料为聚氨基甲酸酯；设计温度下限受环境温度的
15003m储罐设计 1 综述 1.1国内外汽油储罐的发展概况 长期以来，我国库存轻质油品，广泛采用固定顶油罐和浮顶油罐。由于固定顶油罐在存贮和收发油品时存在“小呼吸”和“大呼吸”，油品蒸发损耗较大，而且会因为油气逸散到空气中造成环境污染，危害人们身体健康。因此油品及化学品的蒸发损耗一直是石油、化学工业关心的问题。人们最初关心的是经济损失和安全，近年来还关心生态、环境保护方面的问题。为了较经济有效地解决这个问题，世界上发达国家如美国、法国、前苏联早在五、六十年代相继开始研制浮顶油罐。我国直到70年代末期才开始研制。由于浮顶罐能降低损耗，减少环境污染，主要用于储存原油、汽油、柴油等介质。随着内浮顶技术的发展，汽油和航空煤油大多数采用内浮顶罐，新建的外浮顶罐几乎都用于储存原油。 1955年前后，第一次实际采用塑料泡沫浮顶这个充气的救生筏形的构件漂浮在液面上，能减少汽油罐的蒸发损失85%。法国还研制了由硬聚氯乙烯浮动盖板组成并以同样材料作为浮子支撑的内浮顶罐。前苏联从1961年起开始使用合成材料做内浮盖，到1970年末已有3006223 m容量的储罐装配了合成材料做的内盖。1962年美国在组瓦克建有世界上最大直径为187ft(61.6m)的带盖浮顶罐。到1972年美国已建造了600多个内浮顶油罐。 由于塑料浮顶耐温较差及使用寿命等问题, 从20世纪50年代开始，非钢内浮顶罐开始出现，其材料有铝、环氧及聚酯玻璃钢、聚氯乙烯塑料和聚氨酯泡沫塑料等。加拿大欧文炼厂在直径为28.65m油罐中就采用了全铝制的内浮顶。 与钢制内浮顶相比,非钢内浮顶具有质轻、耐腐蚀等优点,但强度较差,有的价格较贵,使其应用受到限制。20世纪80年代以前以钢制内浮顶的应用为主，但此后,耐腐蚀能力和综合力学性能较好的铝合金在内浮顶制造上得以应用,用其制造的装配式铝制内浮顶油罐的降耗率能够达到96%,而且现场安装时的动火量比钢盘式内浮顶减少95%以上,因此得到广泛的推广应用。为了更好的设计和发展内浮顶储罐，1978年美国API650附录H对内浮盘的分类、设计、安装、检验及标准荷载、浮力
立式贮罐设计 前言 玻璃钢罐分为立式、卧式机械缠绕玻璃钢储罐、运输罐、反应罐、各种化 工设备，玻璃钢卧式罐、立式贮罐、运输罐、容器及大型系列容器、根据所用(贮存或运输)介质选用环氧呋喃树脂、改性或聚酯树脂、酚醛树脂为粘结剂， 由高树脂含量的耐腐蚀内衬层、防渗层、纤维缠绕加强层及外表保护层组成。 玻璃钢具有耐压、耐腐蚀、抗老化、使用寿命长、重量轻、强度高、防渗、 隔热、绝缘、无毒和表面光滑等特点。机械缠绕玻璃钢容器可以通过改变树脂 系统或采用不同的增强材料来调整产品的物理化学性能以适应不同介质和工 作条件需要，通过结构层厚度、缠绕角和壁厚设计制不同压力，是纤维缠绕复 合材料的显著特点。 由于有以上的特点，玻璃钢贮罐可广泛应用于石油、化工、纺织、印染、 电力、运输、食品酿造、给排水、海水淡化、水利灌溉及国防工程等行业。储 存各种腐蚀性介质可以耐多种酸、碱、盐和有机溶剂，主要应用于石油、化工、 制药、印染、酿造、给排水、运输等行业，适应于盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、 双氧水、污水、次氯酸钠等多种产品的贮存、运输，也可作地下油槽、保温储槽、运输槽车等[1]。 本设计为容积180,贮存质量分数为的硫酸,使用温度为90℃的立式贮罐,设计中分别从造型、性能、结构、工艺、零部件、防渗漏、安装、检验等八个方面做了说明、计算和设计，整体介绍了立式贮罐的设计流程、方法及主要事项，最终设计出了满足设计要求的立式贮罐。
1．造型设计 1.1设计要求 立式玻璃设计，容积为140，贮存质量分数为的醋酸，使用温度为常温，拱形顶盖设计。 1.2贮罐构造尺寸确定 贮罐容积V140，取公称直径为D3800， 则贮罐高度为（式1.1）初定贮罐结构尺寸为D H 1.3拱形顶盖尺寸设计 与锥形顶盖相比，其结构简单、刚性好、承载能力强，是立式贮罐广为使用的一种形式。为取得罐顶和罐壁等强度，罐顶的曲率半径与贮罐直径差值不超过20%。即 （式1.2）式中——拱顶球面曲率半径，; ——贮罐内径，，等于。 取罐顶高为h，r为转角曲率半径，r小则h小，一般取此时[1]。 所以 1.4贮罐罐底设计 罐体和罐底的拐角处理，对贮罐设计极为重要。尤其是立式贮罐底部附近的受力较为复杂，应引起足够的重视。一般在拐角处都应设计成一定的圆弧过渡区，圆弧半径不应小于38。如果罐壳和罐底分开制造，则应注意在罐壳和罐底的结合处内外进行有效的补强。拐角区域的最小厚度等于壳壁和底部的组合厚度。拐角区
设计要求 1、设计题目：空气储罐的机械设计 2、最高工作压力：0.8 MP a 3、工作温度：常温 4、工作介质：空气 5、全容积：163 m 设计参数的选择： 设计压力：取1.1倍的最高压力，0.88MP<1.6属于低压容器。 筒体几何尺寸确定：按长径比为3.6，确定长L=640000mm,D=1800mm 设计温度取50 因空气属于无毒无害气体，材料取Q345为低合金钢，合金元素含量较少，其强度，韧性耐腐蚀性，低温和高温性能均优于同含量的碳素钢，是压力容器专用钢板，主要用于制造低压容器和多层高压容器！ 封头设计：椭圆形封头是由半个椭圆球面和短圆筒组成，球面与筒体间有直边段。直边段可以避免封头和和筒体的连接焊缝处出现经向曲率突变，以改善曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀；且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易冲压成型，在实际生产中多有模具，是目前中低压容器应用较多的封头。 因此选用以内径为基准的标准型椭圆形封头为了防止热应力和边缘应力的叠加，减少应力集中，在封头和筒体连接处必须有一段过渡的直边段，直边段的高度依据标准选择。封头材料与筒体相同，选用头和筒体连接处必须有一段过渡的直边段，直边段的高度依据标准选择。 选材和筒体一致Q345R
接管设计3.4 接管设计优质低碳钢的强度较低，塑性好，焊接性能好，因此在化工设备制造中常用作热交换器列管、设备接管、法兰的垫片包皮。优质中碳钢的强度较高，韧性较好，但焊接性能较差，不宜用作接管用钢。 由于接管要求焊接性能好且塑性好。故选择 20 号优质低碳钢的普通无缝钢管制作各型号接管 3.5 法兰设计法兰连接的强度和紧密性比较好，装拆也比较方便，因而在大多数场合比螺纹连接、承插式连接、铆焊连接等型式的可拆连接显得优越，从而获得广泛应用。 平焊法兰连接刚性较差，只能在低压，直径不太大，温度不高的情况下使用。由于Q345R 为碳素钢，设计温度 50℃ <300℃，且介质无毒无害，可以选用带颈平焊法兰，即 SO 型法兰。 储罐的设计压力较小要保证法兰连接面的紧密性，必须合适地选择压紧面的形状。 对于压力不高的场合，常用突台形压紧面。突面结构简单，加工方便，装卸容易，且便于进行防腐衬里。储罐由于设计压力为 0.88MPa，空气无毒无害，可选择突面（RF）压紧面。 由于法兰钢件的质量较大，需要承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面的力学性能也较高，所以不用铸钢件，可以采用锻钢件。接管材料为 20 号钢，法兰材料选用 20Ⅱ锻钢。 3.6接管与法兰分配 3.6.6 N1、N2空气进、出口公称尺寸 DN250，接管尺寸? 273 x6 。接管采用无缝钢管，材料为 20 号钢。伸出长度为 150mm 。 选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20Ⅱ，法兰标记为：SO300-2.5 RF3.6.2 N3排污口； 公称尺寸 DN40，接管采用 45 x3.5 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为150mm。选取 0.88MPa 等级的带颈平焊突面法兰，材料选用 20Ⅱ，法兰标记为：SO40-1.6 RF 3.6.3 N4安全阀口公称尺寸 DN80，接管采用?89 x4 无缝钢管，材料为 20 号钢，外伸长度为 150mm。根据 GB12459-99，选用 90°弯头；弯头上方仍有一定
第一章 确定设计参数、选择材料 一、确定设计参数 （一） 设计温度 储罐放在室外，罐的外表面用150mm 的保温层保温。在吉林地区，夏季可能达到的最高气温为40℃。最低气温（月平均）为-20℃。 （二） 设计压力 罐内储存的是被压缩且被冷却水冷凝的液氨。氨蒸汽被压缩到0.9~1.4MPa ，被冷却水冷凝。液氨40℃时的饱和蒸汽压由[1]查得为：P 汽=1.55MPa(绝对压力)。为保证安全,在罐顶装有安全阀,故球罐设计压力为安全阀的启动压力，即： P=(1.05-1.1)P 汽=(1.05-1.1)×1.45=1.523~1.595MPa 取设计压力P=1.6MPa (三) 焊缝系数φ 球罐采用X 坡口,双面对接焊,并进行100%的无损探伤,由[2]知φ=1.0 (四) 水压试验压力 由[4]知水压试验压力为: T P =1.25P [] []t σσ 球壳材料为16MnDR ，初选板厚为36mm,由[3]表3查得[]σ=157MPa, []t σ =157MPa 则 T P =1.25P ×157/157=1.25×1.6×1=2.06 MPa 试验时水温不得低于5℃。 （五） 球罐的基本参数 球罐盛装量为170吨／台。液氨-20℃的密度为0.664吨／M 3，，40℃时0.58吨／M 3。 球罐所需容积（按40℃计）为：V= 58 .0170=293.1M 3 已给盛装系数为0.5，即不得装满，故实际所需容积为：V=5 .0170=340M 3，其小于400M 3， 余容较大，足够用，相差17.6%，符合标准要求。 按公称容积4003设计，由[2]附录一P41查得球罐基本参数如表 一 1-1
海利化工股份 杂环项目现场制作储罐 施工方案 海利工程安装 2014年7月1日
目录 一、工程概况 二、编制说明和编制依据 三、施工准备 四、储罐的预制 五、储罐起升方式 六、储罐组对、安装 七、储罐的焊接 八、储罐检验 九、质量要求和保证质量措施 十、安全、文明施工要求 十一、资源需求配置计划
本工程是海利化工股份在海利农药化工投资兴建杂环项目配套原材料和产品储藏的灌区子项工程，共有立式圆筒形钢制焊接储罐8台，其中100m32台，200m36台，制作安装总吨数约为10吨，其中不锈钢约6.7吨，储罐具体规格、材质如下表。 二、编制说明和编制依据 2.1编制说明 由于本工程预制、组对、焊接工作量较大，且存在多出交叉作业，大大增加了本工程施工难度，为更好贯彻公司的质量方针，为建设单位提供满意的优质工程和服务，我公司将集中优势兵力，合理组织安排施工，坚持质量第一，严格控制过程，安全文明施工，确保按期完成，全力以赴争创优质工程，为达到上述目标，特编制本方案指导施工。 2.2编制依据 1）海利工程咨询设计提供的设计图纸 2）《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规》GB50128－2005 3）《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规》GB50341-2003 4）《石油化工立式圆筒型钢制贮罐施工工艺标准》SH3530-93 5）《现场设备、工业管道焊接施工及验收规》GB50236-？ 6）《钢制压力容器焊接规程》/T4709-2000 7）《焊接接头的基本形式与尺寸》 GB985-88 8）《石油化工设备安装工程质量检验评定标准》SH3514-2001
3.1施工现场准备 3.1.1 施工现场按照公司的要求进行布置，场地平整，施工用水、电、路畅通。 3.1.2土建基础施工完毕，基础经交接合格，具备施工条件。 3.1.3各类施工人员配备齐全，特种设备操作人员具备相应的资质。 3.1.4施工用各类机具落实到位，并运现场至按规定位置就位。 3.1.5材料、半成品、成品、废品堆放场地明确。 3.1.6安全防护措施落实到位，消防设施准备齐全。 3.2施工技术准备 3.2.1认真阅读各项施工技术文件。 3.2.2施工前组织工程技术人员审查图纸，熟悉图纸、设计资料及有关文件，并进行施工图纸会审。 3.2.3根据图纸要求和现场情况，编制可行的施工技术方案，并经各级主管部门审批合格。 3.2.4各专业工种经过技术培训，取得相应书，施工前储罐排板图应绘制完成； 3.2.5施工前由杂环项目部非标制作技术人员对全体施工人员进行技术和安全交底。 3.3基础验收 3.3.1在储罐安装前，必须按土建基础设计文件检查基础施工记录和验收资料，并按下列规定对基础表面尺寸复查，合格后方可安装。 3.3.2储罐基础表面尺寸，应符合下列规定： 3.3.2.1基础中心标高允许偏差不得大于±20mm；中心座标偏差不应大于20mm； 3.3.2.2支承罐壁的基础表面，其高差应符合下列规定：每10m弧长任意两点的高差不得大于6mm； 3.3.2.3当罐壁置于环梁之上时，环梁的半径不应有正偏差，当罐底板置于环梁侧时，环梁的半径不得有负偏差。
目录 前言 (3) 1 方案确定 (4) 1.1选择容器类型式 (4) 1.1.1 压力容器分类 (4) 1.1.2、封头形式的确定 (5) 1.2 材料的确定 (6) 2 设计计算 (8) 2．1 确定设计参数 (8) 2.1.1 工作压力、设计压力、计算压力 (8) 2.1.2 设计温度 (9) 2.1.3 厚度计算 (9) 2.1.4设计温度下的需用应力 (10) 2.1.5 焊接接头系数 (10) 2.2 容器相关量的确定 (11) 2.2.1 计算过程 (11) 2.2.2 筒体尺寸确定 (12) 2.3 容器强度校核 (13) 2.4 确定各工艺接管的公称通径及位置 (14) 3 结构设计 (17) 3．1 人孔选择 (17) 3.2人孔补强 (17) 3.3 支座的选择及校核 (20) 3.3.1支座的设计要求 (20) 3.3.2支座的选择及校核 (20) 4 总结与体会 (24)
5 谢辞 (25) 6 参考文献 (26)
前言 随着我国石油化工业的迅速发展，国家对清洁环保型能源越发的重视。化工业接触的都是危险品，因此对这些危险品的控制相当重要。以氢气为例，它就是易燃物质，储存的时候也要确保安全。因此对于氢气储罐有一定的设计要求。 氢气密度低，比容大，只有高压储运才能有效。氢气性质稳定，不容易跟其他物质发生化学反应，所以氢气的腐蚀性较小。但氢气在点燃加热等情况下易发生爆炸燃烧等现象，所以在储运的时候要格外小心对环境条件的控制。 本设计完成了6m3立式氢气储罐的设计，并对氢气储罐在设计、制造安装、使用、维护与定期检验提出了相应的安全技术要求。设计的氢气公称直径为1400mm，壁厚为6mm，对筒体与封头做了水压试验强度校核；对人孔的补强做了计算，计算补强圈的厚度为6mm ；选择了支座类型为A2型耳式支座。 本次设计各项参数均按照相关标准决定，主要有GB150-98《钢制压力容器》，《压力容器安全技术监察规程》，JB/T 4736-2002《补强圈》，HG 20592~20614-97《钢制管法兰、垫片、紧固件》，JB/T 4725-1992《耳式支座》，HG 21520-1995《垂直吊盖带颈平焊法兰人孔》等。 本次设计流程为：首先进行结构设计，确定为立式筒体储罐；然后进行材料选择，为Q345R；再进行设计计算、强度校核与及零部件选型；最后进行开孔补强计算、安全阀的选型与校核。 1 方案确定
目录 前言 (2) 第1章设计参数的选择 1.1 设计要求与数据 1.1.1设计要求 (2) 1.1.2 设计数据 (2) 1.1.3 贮罐容积 (2) 1.2 设计温度 (3) 1.3 设计压力 (3) 1.4 主体设备和零部件材料选择 (3) 第2章设备的结构 2.1 罐体壁厚设计 (3) 2.2 封头壁厚设计 (4) 2.3 鞍座 (4) 2.4 人孔 (5) 2.5 人孔补强确定 (6) 2.6 法兰的选用 (6) 2.7 接口管 (6) 2.8 主体设备尺寸和零部件尺寸 (7) 2.9 设备总装配图 (7)
前言 卧式贮罐比立式贮罐易运输、设计合理、工艺先进、自动控制，符合GMP 标准要求，古采用卧式贮罐。 第1章设计参数的选择 1.1 设计要求与数据 1.1.1设计要求 （1）主体设备和零部件材料选择； （2）主体设备尺寸和零部件尺寸计算及选择规格； （3）设备壁厚以及封头壁厚的计算和强度校核； （4）各种接管以及零部件的设计选型； （5）设备支座的的设计选型； （6）法兰的设计选型； （7）设备开孔及开孔补强计算； （8）设计图纸要求1号图纸一张，包括设备总装配图，至少画三个重要构件的局部图；技术特性表，接管表和总图材料明细表。要求比例适当，字体规范，图纸整洁。 1.1.2 设计数据 表1-1 设计数据 序号项目数值单位备注 1 设备名称乙烯贮罐 2 公称直径2200 ㎜ 3 贮罐长度4000 ㎜ 4 最大工作压力 2. 5 MPa 5 贮存介质乙烯 6 工作地点宜宾 7 其他要求100%无损检测 1.1.3 贮罐容积 贮罐的容积=封头的容积+筒体的容积 由钢制筒体的容积、面积及质量表，可查得公称直径为2200㎜的筒体，1米高的容积为3.8013m，可得筒体的容积为：3.801×4=15.2043m；由JB/T4337
10立方米液化石油气储罐设计 目录 目录 (1) 前言 (3) 课程设计任务书 (4) 第一章工艺设计 (6) 1.1液化石油气参数的确定 (6) 1.2设计温度 (6) 1.3设计压力 (6) 1.4设计储量 (7) 第二章机械设计 (8) 2.1筒体和封头的设计： (8) 2.1.1筒体设计 (8) 2.1.2封头设计 (8) 第三章结构设计 (10) 3.1液柱静压力 (10) 3.2圆筒厚度的设计 (10) 3.3椭圆封头厚度的设计 (11) 3.4开孔和选取法兰分析 (11) 3.5安全阀设计 (13) 3.6液面计设计 (16) 3.7接管，法兰，垫片和螺栓的选择 (17) 3.7.1接管和法兰 (17) 3.7.2垫片的选择 (18) 3.7.3螺栓（螺柱）的选择 (19) 3.8人孔的设计 (20) 3.8.1人孔的选取 (20) 3.8.2人孔补强圈设计 (21) 3.9鞍座选型和结构设计 (24) 3.9.1鞍座选型 (24) 3.9.2鞍座位置的确定 (25) 3.10焊接接头的设计 (26) 3.10.1筒体和封头的焊接 (26) 3.10.2接管与筒体的焊接 (26)
第四章强度校核 (28) 结束语 (43) 参考文献 (44)
前言 液化石油气贮罐是盛装液化石油气的常用设备, 由于该气体具有易燃易爆的特点, 因此在设计这种贮罐时, 要注意与一般气体贮罐的不同点, 尤其是安全与防火, 还要注意在制造、安装等方面的特点。目前我国普遍采用常温压力贮罐, 常温贮罐一般有两种形式: 球形贮罐和圆筒形贮罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 前者具有投资少, 金属耗量少, 占地面积少等优点, 但加工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高。一般贮存总量大于500m 3或单罐容积大于200m 3时选用球形贮罐比较经济; 而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总贮量小于500m 3, 单罐容积小于100m 3时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式。本文主要讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐的设计。液化石油气呈液态时的特点。(1) 容积膨胀系数比汽油、煤油以及水等都大, 约为水的16倍, 因此, 往槽车、贮罐以及钢瓶充灌时要严格控制灌装量, 以确保安全;(2) 容重约为水的一半。因为液化石油气是由多种碳氢化合物组成的, 所以液化石油气的液态比重即为各组成成份的平均比重, 如在常温20℃时, 液态丙烷的比重为0. 50, 液态丁烷的比重为0. 56 0. 58, 因此, 液化石油气的液态比重大体可认为在0. 51左右, 即为水的一半。卧式液化石油气贮罐设计的特点。卧式液化石油气贮罐也是一个储存压力容器, 也应按GB150《钢制压力容器》进行制造、试验和验收; 并接受劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程》(简称容规) 的监督。液化石油气贮罐, 不论是卧式还是球罐都属第三类压力容器。贮罐主要有筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成。贮罐上设有液相管、液相回液管、气相管、排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等
《化工容器设计》课程设计说明书 题目： 学号： 专业： 姓名： I 目录 1 设计 (1) 1.1工艺参数的设定 (1) 1.1.1设计压力 (1) 1.1.2筒体的选材及结构 (1) 1.1.3封头的结构及选材 (2) 1.2 设计计算 (2) 1.2.1 筒体壁厚计算 (2) 1.2.2 封头壁厚计算 (3)
1.3压力实验 (4) 1.3.1水压试验 (4) 1.3.2水压试验的应力校核： (4) 1.4附件选择 (4) 1.4.1 人孔选择及人孔补强 (4) 2.4.3 进出料接管的选择 (6) 1.4.4 液面计的设计 (8) 1.4.5 安全阀的选择 (8) 1.4.6 排污管的选择 (8) 1.4.7 鞍座的选择 (8) 1.4.8鞍座选取标准 (9) 1.4.9鞍座强度校核 (10) 1.4.10容器部分的焊接 (11) 1.5 筒体和封头的校核计算 (11) 1.5.1 筒体轴向应力校核 (11) 1.5.2 筒体和封头切向应力校核 (13) 2 液氨储罐的泄漏及处理方法............................................................. 错误!未定义书签。 2.1 液氨泄漏的危害 .............................................................................. 错误!未定义书签。 2.2 泄漏的危害 ...................................................................................... 错误!未定义书签。 2.2 .1 生产运行过程中危险性分析······································错误!未定义书签。 2.2.2 设备、设施危险性分析 ············································错误!未定义书签。 2.3液氨储罐泄漏事故的应急处置措施 .............................................. 错误!未定义书签。
课程设计资料标签 资料编号： 题目球形储罐设计 姓名学号专业材料成型 指导教师成绩 资料清单 注意事项： 1、存档内容请在相应位置填上件数、份数，保存在档案盒内。每盒放3-5名学生资料，每份按序号归档， 如果其中某项已装订于论文正本内，则不按以上顺序归档。各专业可依据实际情况适当调整保存内容。 2、所有资料必须保存三年。课程设计论文（说明书）装订格式可参照毕业设计论文装订规范要求。 3、资料由学院资料室统一编号。编号规则是：年度—资料类别代码·学院代码·学期代码—顺序号，顺 序号由四位数字组成（参照《西安理工大学实践教学资料整理归档要求》）。 4、各院、系应在课程设计结束后一个月内按照规范进行资料归档。 5、特殊情况请在备注中注明，并把相关资料归档，应有当事人和负责人签名。
课程与生产设计(焊) 设计说明书 设计题目球形储罐设计 专业材料成型及控制工程 班级 学生 指导教师 2016年秋学期
目录 一、设计说明 课程设计任务书-------------------------------------------------------------------------------1 1.1 选材-----------------------------------------------------------------------------------------------2 1.2 球壳计算----------------------------------------------------------------------------------------2 1.3 球壳薄膜应力校核---------------------------------------------------- --------------------3 1.4 球壳许用外力----------------------------------------------------------------------- ----------4 1.5 球壳分瓣计算----------------------------------------------------------------------------------5 二、支柱拉杆计算 2.1计算数据---------------------------------------------------------------------------------------9 2.2 支柱载荷计算---------------------------------------------------------------------------------10 2.3支柱稳定性校核-----------------------------------------------------------------------------13 2.4拉杆计算---------------------------------------------------------------------------------------14 三、连接部位强度计算 3.1销钉直径计算-----------------------------------------------------------------------------------15 3.2耳板和翼板厚度计算-------------------------------------------------------------------------15 3.3焊缝剪应力校核-------------------------------------------------------------------------------15 3.4支柱底板的直径和厚度计算---------------------------------------------------------------16 3.5支柱与球壳连接处的应力验算------------------------------------------------------------16 3.6支柱与球壳连接焊缝强度计算------------------------------------------------------------18 四、附件设计 4.1人孔结构-----------------------------------------------------------------------------------------19 4.2 接管结构-----------------------------------------------------------------------------------------19 4.3梯子平台---------------------------------------------------------------------------------------19 4.4液面计--------------------------------------------------------------------------------------------20 五、工厂制造及现场组装 5.1 工厂制造----------------------------------------------------------------------------------------21
目录 摘要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. I I 第一章绪论 (1) 1.1液化石油气储罐的用途与分类 (1) 1.2液化石油气特点 (1) 1.3液化石油气储罐的设计特点 (2) 第二章工艺计算 (3) 2.1设计题目 (3) 2.2设计数据 (3) 2.3设计压力、温度 (3) 2.4主要元件材料的选择 (4) 第三章结构设计与材料选择 (5) 3.1筒体与封头的壁厚计算 (5) 3.2筒体和封头的结构设计 (6) 3.3鞍座选型和结构设计 (7) 3.4接管，法兰，垫片和螺栓的选择 (10) 3.5人孔的选择 (15) 3.6安全阀的设计 (15) 第四章设计强度的校核 (19) 4.1水压试验应力校核 (19) 4.2筒体轴向弯矩计算 (20) 4.3筒体轴向应力计算及校核 (20) 4.4筒体和封头中的切向剪应力计算与校核 (21) 4.5封头中附加拉伸应力 (22) 4.6筒体的周向应力计算与校核 (22) 4.7鞍座应力计算与校核 (23) 第五章开孔补强设计 (26) 5.1补强设计方法判别 (26) 5.2有效补强范围 (26) 5.3有效补强面积 (27) 5.4.补强面积 (28)
摘要 球形压力容器（以下简称球罐）具有占地少、受力情况好、承压能力高，可分片运到现场安装成形、容积的大小基本不受运输限制等其它压力容器无可比拟的优点，在石油、化工、城市燃气、冶金等领域广泛用于存储气体和液化气体。近年来我国球罐的大型化和高参数化工程技术水平有了长足的进步，通过对引进球罐的消化、吸收和创新，很多高参数球罐已经实现了国产化，为我国的经济发展做出了积极的贡献。为满足我国石油液化气存储需求，同时也满足石油、化工、轻纺、冶金等行业对球罐大型化的需要，迫切需要发展有自主知识产权的特大型球罐核心技术。球罐的大型化是一个复杂的系统工程，它涉及到多个学科和技术领域。针对10000m3大型石油液化气球罐设计、制造中的几个关键技术：球罐选材、结构设计和应力分析等方面进行了研究，完成了如下工作：（1）阅读大量国内外文献，在系统了解球罐结构设计及制造方法的基础上，完成文献综述的撰写。 （2）对球罐选材进行分析比较，最终确定采用15MnNbR；对球罐进行工艺结构设计和尺寸计算；根据GB12337-98《钢制球形储罐》对球罐进行结构与强度设计计算。 （3）进行球罐图纸绘制，完成球罐装配图及各主要零部件图。 （4）使用压力容器分析设计系统（VAS2.0）对球罐进行强度分析，对球壳和支座连接处进行应力分析和强度评定。 关键词：球形储罐；容器用钢；结构；应力分析
Design of 10000m3 Spherical Tank for Liquefied Petrolem Gas Abstract Because of its unexampled advantages such as less floor area covering, high-pressure capability and transport facilitates,Spherical pressure tanks (hereinafter referred to as the―sto rage tank‖)used for storage of gas and liquefied gas more widely than other storage tanks in the oil,chemical,city gas,metallurgy and other fields. In recent years,China engineering and technical level of spherical tank has made great progress through the introduction,absorption and innovation of foreign spherical tank technology.To meet the demand of our country's liquefied petrolem gas storage,and meet the demand of large-scale tank in the petroleum,chemical,textile,metallurgical and other industries,it is urgent to develop the core technique of large-scale spherical tank with our own intellectual property rights.Construction of increasingly larger spherical tank is a complex and systematicproject,which involves a number of disciplines and technical fields. in view of research of key design and manufacture technology of 10000 m3large-scale liquefied petrolem gas tank,from the perspectives such as evaluation and selection of main material , structure design theory and stress analysis,we have solved several key technology of spherical tank construction.This article has completed the primary research work coverage,which was shown as follows: (1)Based on well understanding of structure design and manufacturing methods of spherical tank , I write literature summary after reading a large number of domestic and foreign literature. (2) Through analysis and comparison of the materials,I finally select 15MnNbR;After the structural design of process and dimension calculation,I complete the calculation of structure and strength according to GB12337-98. (3) The drawings of the tank include an assembly drawing and several parts drawings. (4)For the junction between spherical shell and stanchion, stress analysis and strength assessment is completed by the system of Design by Analysis for pressure vessels(VAS2.0). Key Words：Spherical tank；Steel for pressure vessels ；structure ；stress analysis
Hefei University 《化工机械与设备》过程考核之二——常用零部件设计 题目： 2.5MPa卧式储罐人孔设计 系别：化学材料与工程系 班级：10化工（三） 姓名：何文龙 学号：1003023004 队别：Team 5 队员：朱广佳（队长）、吴凯、何文龙 教师：胡科研 日期：2011-12-02
《化工机械与设备》过程考核之二 ......................................... 错误！未定义书签。一前言 (3) 1.1 设计人孔的目的 (3) 1.2 人孔附图 (3) 二人孔的机械设计 (5) 2.1选择人孔 (5) 2.2核算人孔补强 (5) 2.3机械设计标准参数 (6) 2.3.1.碳素钢、低合金钢类 (6) 2.3.2 不锈钢类 (7) 2.3.3 人孔的PN2.5DN明细表 (8) 三人孔工艺设计： (9) 3.1人孔的功能类型： (9) 3.2材料的选择 (9) 3.3人孔种类的划分 (9) 3.3.1、以通信管块容量划分 (9) 3.3.2、以人孔的通向划分 (9) 3.3.3、以人孔上覆承受负荷能力划分 (9) 3.4 人孔直径及人孔中心距底板尺寸 (10) 四总结 (10) 五参考文献 (10)
一前言 1.1 设计人孔的目的 人孔是安装在卧式储罐上部的安全应急装置。通常与防火器、机械呼吸阀配套使用，既能避免因意外原因造成罐内急剧超压或真空时，损坏储罐而发生事故，又有起到安全阻火作用，是保护储罐的安全装置。具有方便维修，定压排放、定压吸入、开闭灵活、安全阻火、结构紧凑、密封性良好、安全可靠等优点。 1.2 人孔附图 图—1 人孔俯视图
第二章 球罐结构设计 2.1 球壳球瓣结构尺寸计算 2.1.1 设计计算参数： 球罐内径：D=12450mm []23341-表P 几何容积：V=974m 3 公称容积：V 1=1000m 3 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 图 2-1混合式排板结构球罐 2.1.2混合式结构排板的计算： 1.符号说明： R--球罐半径6225 mm N--赤道分瓣数16 (看上图数的) α--赤道带周向球角22.5° （360/16） 0β--赤道带球心角70° 1β--极中板球心角44° 2β--极侧板球心角11° 3β--极边板球心角22° 2赤道板（图2-2）尺寸计算：
图2-2 弧长L )=1800βR π =180 70 622514.3??=7601.4mm 弦长L =2Rsin(20β)=2x6225×sin(2 70 )=7141mm 弧长1B )=N R π2cos(20β)=16 14.362252?x ×cos 270 =2001.4mm 弦长1B =2Rcos(20β)sin(2α)=2x6225×cos35sin 2 5 .22=1989.6mm 弧长2B )=N R π2=16 14 .362252?x =2443.3mm 弦长2B =2Rsin 2α=2x6225×sin(2 5 .22）=2428.9mm 弦长D =2R )2 (cos )2( cos 120 2α β- =2x6225x )2 5.22(cos )270( cos 122- = 7413.0mm 弧长D )=90R πarcsin(2R D )=903.14x6225arcsin(2x6225 7413.0 ) = 7936.4mm 极板（图2-3）尺寸计算： 图2-3 对角线弧长与弦长最大间距： H=)2 ( sin 121 2ββ++=)112 44 ( sin 12++ = 1.139mm 1B ) = 2001.4 L ) = 7601.4 1B ) = 6204.1 2B ) =7167.1 0D ) =9731.7
目录 第一章工艺设计 任务书*************************************** 储量***************************************** 备的选型及轮廓尺寸*************************** 第二章机械设计 结构设计 2.1.1 筒体及封头设计 材料的选择********************************** 筒体壁厚的设计计算 封头壁厚的设计计算 2.1.2 接管及接管法兰设计 接管尺寸选择********************************* 管口表及连接标准***************************** 接管法兰的选择***************************** 紧固件的选择******************************* 2.1.3 人孔的结构设计 密封面的选择****************************** 人孔的设计******************************** 2.1.4 核算开孔补强**************************** 2.1.5 支座的设计
支座的选择********************************** 支座的位置********************************** 2.1.6液面计及安全阀选择 2.1.7总体布局 2.1.8焊接接头设计 强度校核 小结
课程设计任务书 1．设计目的： 设计目的 1）使用国家最新压力容器标准、规范进行设计，掌握典型过程设备设计的全过程。 2）掌握查阅和综合分析文献资料的能力，进行设计方法和设计方案的可行性研究和论证。 3）掌握电算设计计算，要求设计思路清晰，计算数据准确、可靠，且正确掌握计算机操作和专业软件的使用。 4）掌握工程图纸的计算机绘图。 2．设计内容 1）设备工艺、结构设计； 2）设备强度计算与校核； 3）技术条件编制； 4）绘制设备总装配图； 5）编制设计说明书。 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕： 1）设计说明书：主要内容包括：封面、设计任务书、目录、设计方案的分析和拟定、各部分结构尺寸的设计计算和确定、设计总结、参考文献等； 2）总装配图设计图纸应遵循国家机械制图标准和化工设备图样技术要求有关规定，图面布置要合理，结构表达要清楚、正确，图面要整洁，文字书写采用仿宋体、内容要详尽，图纸采用计算机 绪论 1、任务说明