2000立方米大型球罐设计说明书【苍松书苑】.doc

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 资料清单序号名 称件数页数备 注 1设计说明书1 2设计图纸1 3工艺卡 4 5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-21.2 球壳计算-21.3 球壳薄膜应力校核- -31.4 球壳许用外力- -41.5 球壳分瓣计算-5二、支柱拉杆计算2.1 计算数据-92.2 支柱载荷计算-102.3 支柱稳定性校核-132.4 拉杆计算-14三、连接部位强度计算3.1 销钉直径计算-153.2 耳板和翼板厚度计算-153.3 焊缝剪应力校核-153.4 支柱底板的直径和厚度计算-163.5 支柱与球壳连接处的应力验算-163.6 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-194.2 接管结构-194.3 梯子平台 -194.4 液面计-20 五、工厂制造及现场组装5.1 工厂制造-21 5.2 现场组装-22 六、焊接与检查 6.1 钢材的可焊性-23 6.2 焊接工艺的确定-23 6.3 焊后热处理-24 七、检查 7.1 支柱尺寸精度检查-24 7.2 竣工检查-24 7.3 气密性试验-25 7.4 开罐检查-25 参考文献-26车辆a 生产设计与实践 课程设计任务书一、设计题目球形储罐设计二、主要设计参数内径Dn=15.7m,体积V=2000m3设计压力P=0.69MPa; 工作压力Pg=0.64MPa,水压试验压力Pgx=1.03 MPa水压试验总重：2200吨，立柱数：12根实际温度：20自选参数：充装系数K= 0.95 模拟使用地点（西安） 三、设计内容1、选材 2、整体设计 3、焊材选择 4、焊接设备选择 5、焊接工艺 6、检验及质量标准四、提交内容1、设计说明书2、主要焊缝焊接工车辆a一、 选材 1、选材 根据设计条件及GB12337-2014钢制压力容器 表4 球壳材料选取Q345R 。2、球壳计算 2.1 壳壁厚度 球壳分带如图：157001085414078H=1357516224846球壳个带的计算压力分别为：P1=0.69 MPaP2=0.69+1000X9.8X(13.575-10.845)X10-6=0.717 MPaP3=0.69+1000X9.8X(13.575-4.846)X10-6=0.776MPaP4=0.69+1000X9.8X(13.575-1.622)X10-6=0.807 MPaP5=0.69+1000X9.8X(13.575-0)X10-6=0.823 MPa球壳材料选取Q345R, s=345 MPa,20下许用应力; 取焊缝系数：=1.0。腐蚀余量C2=1.0mm,(腐蚀性一般)，钢板厚度负偏差C1=0mm, 故厚度附加量C=C1+C2=1mm球壳各带所需厚度: 圆整后取16mm同理求得 圆整后取16mm; 圆整后取20mm; 圆整后取20mm; 圆整后取20mm; 3、球壳薄膜应力校核 根据下式，将球壳各带分别按操作和液压试验两种情况计算其最大应力，结果列于下表：上半球： 下半球： 球壳的许用应力值：操作条件下：=189MPa。液压实验条件下： 0.95X345X1=327.8 MPa。表中各带计算应力均小于上述许用应力，条件得到满足。4、球壳许用外压力系数查GB150-1998钢制压力容器P33 图6-5 得：B=34许用外压力许用临界压应力： 液压实验条件的赤道带外球壳板压应力，在水压试验条件下赤道外球壳板的压应力的最大值出现在水充填至半球时，此时压应力为：式中 下半球壳质量 . 下半球水的质量 .c<c;符合使用条件5、球壳分瓣计算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 。 （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。基于混合式排版带来的优势，本例采用混合式球瓣。极带瓣片与赤道带瓣片计算按照混合式计算，计算过程如下：符号说明 R球罐半径，mm; N赤道带分瓣数；0 赤道带球心角 1极中板球心角 2 极侧板球心角 3 极边板球心角球壳分瓣计算极带瓣片与赤道带瓣片计算按照混合式计算，计算过程如下：符号说明N=24 R=7850 =150 0=450 1=240 2=8.50 3=1701、 赤道板尺寸计算 弧长 2、 极板尺寸计算对角线弦长与弧长的最大值H (2) 极中板尺寸的计算 对角线弦长与弧长的最大间距：A (3)极侧板尺寸的计算 上式中A、H同前。（3）极边板尺寸的计算 式中 二、支柱拉杆计算1、 计算数据支柱外直径：600mm 支柱内直径：584mm支柱计算长度L 9000mm 支柱金属横截面积A 14798mm2 支柱截面惯性矩J 6.52X108mm4 支柱断面模数W 2.17X106mm3基本雪压值 q 250N/m2 （西安） 支柱材料：Q325-A支柱材料屈服极限s 235Mpa 支柱数目n 122、 支柱载荷计算（1）静载荷操作条件下： 球壳质量 储存介质质量 积雪质量m4 附件质量m7=1500kgkg球罐每根支柱承受的静载荷：液压实验条件下： 水的质量m3 球罐每根支柱承受的静载荷： (2)动载荷地震水平载荷拉杆影响系数：球罐中心处单位力引起的水平位移： 基本自振周期设：本球罐建造地的基础土质属于II类、近震区，设计地震烈度为8度，按照相关标准，地震影响的最大值max=0.23.因此地震水平力 风载荷球罐建造地基本风压值：q0=350Nm2 ，风压高度变化系数f1=1.0动载系数=1.58，故风震系数k2=1+m=1+0.35x1.62=1.567水平风力： 因Qz>Qf 取水平载荷F=Qz=760734N推倒弯矩形成的支柱垂直力 推倒弯矩：由M对各支柱产生的垂直力： 剪切力形成的支柱垂直载荷 如下图，水平力F的方向为A向拉杆构架的方位角 于是： 支柱附加压缩载荷 允许沉降为1mm计算附加载荷 操作条件下：液压试验条件下:载荷组合从计算结果可知，编号C的支柱承受最大压缩载荷 液压试验条件下 3、支柱稳定性校核本球罐按考虑偏心影响校核支柱的稳定性。操作条件如下：支柱顶端的偏心位移： 偏心率：支柱柔度：由查表4-11经内插法得折减系数=0.87因此，稳定性许用应力为：支柱压缩应力为：，满足条件。液压试验条件下： 查表得稳定性许用应力：支柱压缩应力: 满足使用条件。4、拉杆计算拉杆材料选钢，拉杆载荷： 拉杆直径 ： 取拉杆直径为。三、连接部位强度计算球罐的支柱与拉杆，支柱与球壳以及支柱底座等结构 取销钉直径40mm 销钉直径计算 销钉材料选用耳板和翼板厚度计算耳板和翼板都选用钢。耳板和翼板厚度： 取耳板厚度为26mm，翼板厚度为每块13mm。焊缝剪应力校核1.焊缝的剪应力： 焊缝许用剪切应力：均小于。2.地脚螺栓计算球罐支柱承受的最小压缩力：摩擦力：支柱承受的最大水平力（近似也按操作条件计算）由此可见，应采用地角螺栓，并作地角螺栓直径计算。每根支柱采用2个地角螺栓，于是： 采用M36地角螺栓。 .支柱底板的直径和厚度计算查底版基础材料的许用压应力地板直径：取底版直径为。底板厚度 支柱作用于地板上的压缩应力为： 取底板厚度为40mm.支柱与球壳连接处的应力验算过a点的球壳水平横截面积：mm2a点以下球壳质量：a点以下储存介质的质量：a点一下水的质量： kg 在操作条件下径向应力：周向应力：剪应力：=主应力：=183.9Mpa球壳板材料许用应力： 满足条件。液压试验条件下：径向应力：周向应力：剪应力：主应力：液压试验条件下，球壳板材料许用应力，满足强度条件。 支柱与球壳连接焊缝强度计算 焊缝剪切应力焊缝许用剪切应力：所以，焊缝满足强度要求。四、附件设计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，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均应采用整体补强结构。 故在本设计中采用正锻件补强。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。扶梯设计过程如下：.t=220 b1=180 b=720选R2=1700mm 盘梯终点的水平回转角终=通过上述计算可对施工设计提供一下数据：R=7850mm =20mm b=720mm t=220mm b1=180 =4.5mm R2=1700mmZ1=8087.3mm r=4037.6mm |X0|=4395 终=2据此可画出盘梯的施工图。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。五、工厂制造及现场组装 1、工厂制造 1.1原材料检验 制造厂必须按照图纸及有关技术条件对制造球形容器的钢板进行检验。 首先必须了解钢板的使用状态，其次要了解进场钢板的实际状态是否与使用状态相符。 钢板的状态与使用状态相符和则应按技术要求进行化学或物理性能检验。 1.2瓣片加工 1球瓣成型方法 球壳瓣的瓣片是由钢板通过压机和压力加工而达到需要的状态。这个过程成为成型操作。球瓣的成型操作冷压，热压及温压。 成型方法取决于材料种类，厚度，曲率半径。热处理强度，延性和设备能力。在本设计中采用冷压成型的加工方法。 为了提高球瓣的精度，特别是适用于热处理状态使用的并以使用状态供货的钢板，建议瓣片采用冷压成型。 2.瓣片的放样及坡口加工 1瓣片的放样 球壳是双曲面，不可能在平面上精确展开。因此瓣片不可能一次精确下聊。通常先按 近似展开作初步下料，在压制成型后再进行第二次下料。 2坡口加工圆柱形壳可先开坡口，再成型；而球瓣就不行。各球瓣的焊接坡口，必须在球瓣压制成型后加工，亦可与瓣片第二次下料结合进行。 坡口加工可采用火焰切割，风铲，机械加工急打磨。亦可采用各种方法结合进行。加工坡口的最理想的方法是机械加工。他不象火焰切割会在坡口表面上留下氧化皮，也不会造成材料局部硬化和变形。坡口加工后必须仔细检验坡口表面，不得有分层，开裂或影响焊接质量的缺陷。在坡口加工后应涂上防护层，目前已有专用于坡口防锈的涂层。3.瓣片的测量在设计图纸上已给出球瓣的精确尺寸。在成型时，根据需要随时检验有关尺寸。成品检验一般作瓣片四边弦长检验；对角线尺寸检验及瓣片曲率检验。2现场组装组装方法： 单片组装法：又称散装法，即把单张球瓣逐一组装成型的方法，因弹片组装，故不需要很大起吊能力的机具和安装场地，准备工作量小，组装速度快，且组装精度易保证，组装应力小。 拼大片组装法：指在胎具上把已欲装编号后的各带块中，把邻近的两张或更多的球瓣拼接成较大的一组合瓣，然后吊装各组合瓣成球。拼大片组装法由于部分球瓣在地面进行施焊，故可采用自动焊。提高这部分的焊接质量，减少了高空作业量和工夹具的数量。 拼环带组装法：a.把各环带的球罐在平台上组装焊接成环带，然后组拼各环带。组拼环带一般从下半球开始，吊装好的一环带，焊好焊缝，如此类推，把各环带拼焊成块。b.把环或数环球瓣在平台上组装焊成中间环。把上极板与温带和下极板与下温带在平台上分别装焊成上盖和下盖，然后分次序吊装拼焊成球。 拼半球组装法：它是分带组装法的一个形式，它一般是先在平台上用拼环带的方法将球瓣分别组装成两个半球，然后在基础上将两个半球装拼成整球；或在回转胎架上将两个半球组焊成整球再吊装于基础上。 分带，整体混合组装法：首先将各支柱截为两部分（ ）。把上部支柱与赤道环带在平台上组拼好，点固焊，必要时在主从缝两端焊一连码，以防起吊时点焊爆裂，然后吊起赤道环，与已就位于基础上的下部支柱相对拼。然后以组装好的赤道带为基准，用整体组装的方法，将其余的球瓣组装成球。组装准备 组装前的准备工作很多，例如安装平台的铺设，设置拼片及检验用的胎具，电源，水源，风源以及液化气管线的接通，各种组装设备的检查。此外还有：1 基础检查验收 不论采用何种安装手段，基础尺寸的精度直接影响到该球罐的质量和施工进度。故在土建部门提供基础质量合格证书及施工许可手续后，应参照有关要求认真复合基础的各结构尺寸，位置，标高，公差等。2 球瓣几何尺寸检验和理化检验 在安装之前对球瓣的曲率及尺寸精度必须严格检查。检查时应把球瓣吊到胎具上进行，对不合格的壳板要进行调校。 此外，球瓣的外观质量对球罐的质量影响很大。故在球罐安装前，必须对球罐逐张认真检查，对发现的表面缺陷应按标准规定的方法修整和复查。同时，周边的皱折，坡口成型及加工质量都必须根据有关的规范和要求严格控制。3 组装精度的控制4 支柱偏差的控制 目前，我国的一些规范中规定支柱的垂直偏差 为： 15mm其中采用平垫铁组来保证支柱的偏差会得到比较好的结果。它只要利用不同厚薄的平垫铁组来调整保证 的误差。由于各平垫铁组在各其敦上达到标高及水平标准，所以吊装支柱后，水平标高和铅锤度都自然达到规定要求。在某些情况下可混合采用平垫与斜垫铁组，平垫铁安放在基墩中间，旁边再垫斜垫以备调整。5 椭圆度，焊缝错边量和角变形 在球罐安装过程中，他们是主要的控制对象之一。他们的出现往往是由于压制球瓣的精度不够，以及运输过程的损坏或堆放不妥所造成的。所以，在组装前对球瓣的成形曲率和尺寸精度的检查是不能放松的。 正确选用组装方法对避免上述偏差起很大作用。另外，装夹具的正确选用，对控制偏差起很大作用。当然，椭圆度与角变形最终还得由焊接工序来保证，但保证在焊接前使偏差降到最小值是最终保证偏差的先决条件之一。第6章 焊接与检查6.1 钢材的可焊性 一般说，一种材料，使用的焊接设备，采用的焊接工艺越简单，其接头的性能越接近母材，则认为材料的可焊性好。反之则认为可焊性较差。钢材中的主要元素对焊接热影响区的裂纹生成有很大影响。一般说碳当量值越大则可焊性越差。6.2 焊接工艺的确定1 焊接方法的选择在球罐的建造中采用较多的是手工电狐焊及埋狐自动焊。在选择时主要考虑材料的性能，特别是韧性，以及焊接位置。对以热处理来获得缺口韧性的钢，为了保证热影响区韧性，常选用热输入量低的焊接方法。此外，球罐的现场安装需要安全位置焊接，故一般都采用手工电弧焊。2 焊条，焊丝，焊剂的选择 要求填充金属能得出良好的焊缝，其强度和和韧性不亚于母材，一般就要求焊缝金属有与母材相适应的化学成分。对低合金高强度钢的焊接，推荐采用低氢焊条甚而超低氢焊条。但这时，对焊条的烘烤保管特别重要。否则适得其反。3 预热的选择 预热是指施焊前，把焊接工件加热到比环境温度更高的某一温度，并在此温度下进行焊接。预热的目的为：防止焊缝金属或热影响区裂纹产生；减少变形量；防止焊缝金属或热影响区的塑性，韧性降低。预热减少了温度梯度，降低了冷却速度，因此减小了焊缝收缩的应力及变形，避免了裂纹。 通常预热温度随母材的厚度，含碳量，合金元素量的增加而提高，预热温度不够高，因而对降低残余应力作用不大，当介质及环境有可能产生应力腐蚀时，就得进行焊后热处理。6.3 焊后热处理1 焊后热处理的确定（1）依据现行的压力容器设计规范 各压力容器设计规范对材料在制作过程中的冷变形超过某一值时都要作中间热处理。如碳钢某生变形量超过5%或低合金钢其冷变形量超过3%。其次，压力容器设计规范也对材料超过某一厚度范围时要求作焊后热处理。（2）按贮存介质的要求 如贮存介质在操作条件下有应力腐蚀倾向时，则应考虑焊后热处理，以防出现应力腐蚀开裂。（3）.对结构部件的考虑 在球罐制作时存在人孔结构与球瓣的焊接结构，支柱与球瓣的焊接结构，开孔补强与球瓣的焊接结构。这些结构由于施焊截面大，有必要对这些结构单独进行焊后热处理。 2 焊后热处理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。第7章 检查检查和验收的标准除需按JB1127-80钢制焊接球形贮罐技术条件、B74180钢制焊接压力容器技术条件，劳动人事部压力容器安全监察规程、球罐开罐检查要点等有关文件外，并需遵守设计文件所提出之要求。7.1 支柱尺寸精度检查1、支柱总长度和不直度检查支柱总长度公差mm ，支柱全长的不直度L/1000且<10mm。2、支柱与底板的组焊应垂直，其垂直度允差不大于2mm。7.2 竣工检查 球罐在制造、组装焊接完成交付使用前应经强度及严密性的竣工检查。水压强度试验是对球罐设计、制造、组装焊接质量的综合考核，保证球罐能够承受设计压力、漏泄。经过水压超载能够改善球罐的承载能力。球罐尽管在制造过程、组装焊接过程、焊后都进行了严格的检验工作，但漏检的缺陷有可能在水比试验时引起事故。因此，对水压试验要给予充分重视。水压试验压力一般取球罐设计压力的1.5倍顶部压力表的读数为准。罐底部的压力表读数应计及液柱静压头的影响。水压试验时，水应从下部注入球罐。灌满后，从上部入孔溢流出来，然后封闭上部入孔。缓慢升压，升压速度应控制在每小时3kgf/cm以内。7.3 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。7.4 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余度的板厚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。 参考文献1徐英，杨一凡，朱萍等主编.球罐和大型储罐.北京：化学工业出版社，2004.112 GB 123372014.钢制球形储罐S .北京：中国标准出版社，20