球罐設(shè)計完整

PAGE2第一章概論隨著各國綜合國力和科學(xué)水平的提高，球形容器的制造水平也正在高速發(fā)展。近年來，我國在石油化工、合成氨、城市燃氣的建設(shè)中，大型化球形容器得到了廣泛應(yīng)用。例如：在石油、化工、冶金、城市煤氣等工程中，球形容器被用于儲存液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氮、液氫、液氨、城市煤氣、壓縮空氣等物料；在原子能發(fā)電站，球形容器也被用作核安全殼；在造紙廠被用作蒸煮球等。總之隨著工業(yè)的發(fā)展，球形容器的使用范圍必將越來越廣。由于球形容器多數(shù)作為有壓儲存容器，故又稱球形儲罐。本文重點介紹球形儲罐的設(shè)計過程。1.1球罐特點球罐與常用的圓形容器相比具有以下特點：a.球罐的表面積小，即在相同容量下球罐所需鋼材面積最??；b.球罐殼板承載能力比圓筒形容器大一倍，即在相同直徑、相同壓力下采用同樣鋼板時，球罐的板厚只需圓筒形容器板厚的一半；c.球罐占地面積小，且可向空間高度發(fā)展，有利于地表面積的利用。由于這些特點，再加上球罐基礎(chǔ)簡單、受風(fēng)面小、外觀漂亮，可用于工程環(huán)境等原因，使球罐的應(yīng)用得到很大發(fā)展。1.2球罐分類球罐按不同方式分類，如按儲存溫度、結(jié)構(gòu)形式等。按儲存溫度分類：球罐一般用于常溫或低溫，只有極個別場合，如造紙廠用的蒸煮球罐，使用溫度高于常溫。a.常溫球罐如液化石油氣、氨、煤氣、氧、氮等球罐。一般說這類球罐的壓力較高，取決于液化氣的飽和蒸汽壓或壓縮機的出口壓力。常溫球罐的設(shè)計溫度大于-20℃。b.低溫球罐這類球罐的設(shè)計溫度低于或等于-20℃，一般不低于-100℃。壓力屬于中等。c.深冷球罐設(shè)計溫度在-100℃以下，往往在介質(zhì)液化點以下儲存，壓力不高，有時為常壓。由于對保冷要求高，通常采用雙層球殼。按結(jié)構(gòu)形式分類，按結(jié)構(gòu)分有圓球形、橢球形、水滴形或上述幾種形式的混合。圓球形按分瓣方式分有橘瓣式、足球瓣式、混合式三種。圓球形按支撐方式有支柱式、裙座式兩大類。1.3球罐的設(shè)計參數(shù)球罐的主要設(shè)計參數(shù)為設(shè)計壓力和設(shè)計溫度。這兩個設(shè)計參數(shù)互相影響，對球罐的設(shè)計影響很大，對材料的選用起決定作用。(1)壓力除注明者外，壓力均指表壓力。a.工作壓力：工作壓力指在正常工作情況下，球罐頂部可達到的最高壓力。b.設(shè)計壓力：設(shè)計壓力指設(shè)定的球罐頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工作壓力。球罐上裝有超壓瀉放裝置時應(yīng)按GB150《鋼制壓力容器》“超壓瀉放裝置”的規(guī)定確定設(shè)計壓力。c.計算壓力：計算壓力指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定球殼各帶厚度或受壓元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。d.試驗壓力：試驗壓力指在壓力試驗時，球罐頂部的壓力。e.最大允許工作壓力：最大允許工作壓力系指在設(shè)計溫度下，球罐頂部所允許承受的最大表壓力。該壓力是根據(jù)球殼的有效厚度計算所得，且取最小值。(2)溫度除注明者外，溫度均指攝氏溫度。a.設(shè)計溫度：設(shè)計溫度指球罐在正常工作情況下，設(shè)定的受壓元件的金屬溫度(沿元件金屬截面溫度平均值)。設(shè)計溫度與設(shè)計壓力一起作為設(shè)計載荷條件。設(shè)計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)下可能達到的最高溫度。對于0℃以下的金屬溫度，設(shè)計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。標(biāo)志在銘牌上的設(shè)計溫度應(yīng)是球殼設(shè)計溫度的最高值或最低值；b.試驗溫度：試驗溫度指壓力試驗時，球殼的金屬溫度。(3)厚度a.計算厚度：計算厚度指按公式計算得到的厚度。需要時，尚應(yīng)計入其他載荷所需厚度；b.設(shè)計厚度：設(shè)計厚度指計算厚度與腐蝕裕量之和；c.名義厚度：名義厚度指設(shè)計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。即標(biāo)注在圖樣上的厚度。（注：名義厚度不包括加工裕量）；d.有效厚度：有效厚度指名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負偏差。(4)設(shè)計的一般規(guī)定球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮下列問題：a.球罐基礎(chǔ)宜設(shè)計成環(huán)形基礎(chǔ)，并能有效地控制基礎(chǔ)不均勻沉降；b.在綜合考慮了鋼廠生產(chǎn)板幅能力、制造廠壓力機能力、組裝運輸中機具的起吊能力等因素后，按《球形貯罐基本參數(shù)》盡量采用大瓣片設(shè)計，對大中型球罐宜采用足球、桔瓣混合式的分瓣設(shè)計形式；c.球殼應(yīng)采用T字焊縫，球片不允許采用拼接板塊，且支柱不應(yīng)壓在對接焊縫上；d.常溫球罐宜設(shè)計整體支柱。低溫球罐應(yīng)設(shè)計成兩段式結(jié)構(gòu)支柱，上段支柱長度占總長1／3，且為耐低溫鋼材，下段支柱為一般結(jié)構(gòu)鋼，上下支柱聯(lián)結(jié)處應(yīng)有保證良好的對中措施。同時，支柱應(yīng)考慮防火隔熱措施，每根支柱上應(yīng)考慮設(shè)置良好的靜電接地及因火災(zāi)使支柱內(nèi)氣體膨脹后能良好排氣泄壓的措施[2]。支柱間應(yīng)配置足夠承受各種附加載荷的可調(diào)式拉桿；e.球罐上下極板上應(yīng)設(shè)置人孔，人孔宜位于主軸線上。球罐容積不大于1000立方米時，選用公稱直徑為500mm的標(biāo)準(zhǔn)人孔，大于1000立方米者選用公稱直徑為600mm的人孔。(5)許用應(yīng)力許用應(yīng)力是根據(jù)材料各項強度性能分別除以標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全系數(shù)來確定。安全系數(shù)是考慮材料性能、載荷條件、設(shè)計方法、加工制造和操作方法中的不確定因素后確定的，特別注意到各國規(guī)范中所規(guī)定的安全系數(shù)與該規(guī)范所采用的計算方法、選材、制造和檢驗方面的規(guī)定是相應(yīng)配套的，不可在各國規(guī)范之間混用。本書確定鋼材許用應(yīng)力系數(shù)，主要目的是使鋼材在受載荷狀態(tài)下，將一次應(yīng)力控制在彈性范圍內(nèi)，不使元件的一次應(yīng)力超過材料的屈服極限造成設(shè)備的靜強度失效。系數(shù)的選用對球罐的安全性、先進性和經(jīng)濟性有著直接關(guān)系。它的選取與許多因素有關(guān)，如材料的質(zhì)量，球罐計算方法和計算公式的準(zhǔn)確性，球罐的制造、組裝、焊接、檢驗的技術(shù)水平和實踐經(jīng)驗等。有關(guān)國家規(guī)范中，規(guī)定的許用應(yīng)力見表1.1表1.1碳素鋼的腐蝕裕量Table1.1Carbonsteelcorrosionmargin腐蝕程度不腐蝕輕微腐蝕腐蝕重腐蝕腐蝕速度，㎜/s≤0.050.05～0.130.13～0.25＞0.25腐蝕裕量，㎜0≥1≥2≥3(6)焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù)是用來補償元件焊接連接部分的強度削弱的。因為焊接接頭是容器薄弱環(huán)節(jié)之一，焊接接頭存在焊接殘余應(yīng)力，熱影響區(qū)性能降低，焊縫金屬晶粒粗大，焊縫內(nèi)可能存在氣孔、夾渣以及漏檢的缺陷等原因，影響接頭強度。焊接接頭系數(shù)的大小與焊縫形式、焊接工藝及焊縫無損檢測的嚴(yán)格程度有關(guān)。我國GB150與美國ASME=8\*ROMANVIII-1、日本JISB8243一樣。均按焊接接頭形式和無損檢測率確定焊接接頭系數(shù)，而且只針對焊接接頭作了規(guī)定。雙面焊全焊透對接街頭的焊接接頭系數(shù)Φ=1.00；局部無損檢測Φ=0.85。a.壓力實驗球罐制成后應(yīng)經(jīng)行壓力試驗。壓力試驗的種類要求和實驗壓力值應(yīng)在圖樣上說明。壓力試驗可采用液壓或氣壓，一般采用液壓，進行氣壓試驗必須采用安全穩(wěn)妥的有效措施。b.實驗壓力：實驗壓力的壓力應(yīng)符合設(shè)計圖樣要求，實驗壓力的最低值按下述規(guī)定：PT=ηP式中P—設(shè)計壓力（對在用壓力容器一般為最高工作壓力或壓力容器銘牌上規(guī)定的最大允許壓力），MPa；Pt—實驗壓力，MPa；—球殼材料在實驗溫度下的許用應(yīng)力，MPa；—球殼材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa；η—實驗壓力系數(shù)。壓力試驗前，應(yīng)按下列校核球殼應(yīng)力：式中—實驗壓力下球殼的應(yīng)力，MPa；PT—實驗壓力MPa；—球殼內(nèi)徑，mm；—球殼的有效厚度，mm；應(yīng)滿足下列條件：液壓實驗時，≤0.9Φ氣壓試驗時，≤0.8Φ式中—球殼材料在實驗溫度下的屈服點，MPa；Φ—球殼的焊接接頭系數(shù)。球罐在制造過程中，從選材、加工、組裝、焊接，直至熱處理，雖然對原材制造工藝的缺陷存在，因而有必要在球罐制造完畢后進行壓力試驗，以驗證球罐的強度，焊接接頭致密性等。壓力試驗的壓力確定，各國規(guī)范規(guī)定，液壓實驗壓力一般為1.25～1.5倍設(shè)計壓力，氣壓實驗取1.15倍涉及壓力是可行的，可確保安全是用。液壓實驗，一般采用水作為實驗介質(zhì)水溫不宜過低，當(dāng)壁溫降至材料的脆性轉(zhuǎn)變點時會使球殼鋼材在應(yīng)力強度很低，未達到屈服點時就產(chǎn)生脆性破壞。液壓試驗時不易過速升壓，宜緩慢提高壓力。隨著壓力逐漸升高，球殼逐漸趨圓，球殼中應(yīng)力趨于均勻。如果迅速升高壓力，由于焊接接頭存在形狀不連續(xù)，局部應(yīng)力較高尚未緩解形狀不連續(xù)、應(yīng)力的再分布，壓力又不斷升高，只能使形狀不連續(xù)處局部應(yīng)力繼續(xù)迅速增大，對球殼的強度不利[3]。氣密性試驗盛裝下列物料的球罐應(yīng)進行氣密性試驗：a.毒性程度為極度或高度危害的物料；b.易燃的壓縮氣體或液化氣體。注：毒性程度分級和易燃介質(zhì)的劃分按《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定。如果圖樣有要求，球罐還應(yīng)進行氣密性試驗。氣密性試驗應(yīng)在壓力試驗合格后進行。氣密性試驗壓力按下式確定：式中—試驗壓力，MPa；—設(shè)計壓力，MPa。第二章材料選用2.1選材標(biāo)準(zhǔn)(1)選材釋意a.鋼板材料是球罐設(shè)計，制造的基礎(chǔ)，材料的性能和質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著球罐的質(zhì)量和安全使用。根據(jù)目前國內(nèi)設(shè)計、制造、組焊及檢驗的水平看，重點制造、組焊球罐的單位已具備了較高的專業(yè)化水平，因此，材料問題已成為球罐的關(guān)鍵問題，直接影響著我國球罐的安全使用。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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或有關(guān)技術(shù)文件的規(guī)定。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，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(dāng)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(biāo)、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)，應(yīng)在圖樣或相應(yīng)技術(shù)文件中注明。當(dāng)設(shè)計溫度高于200℃許用應(yīng)力值按GB150的規(guī)定。球罐用鋼板國外有兩條選材原則：歐洲國家廣泛采用屈服極限294～441MPa級的中強鋼，屬于Mn-Si、Mn-V、Mn-Nb和Mn-Ni-V系鋼，厚度不加控制，當(dāng)厚度超過規(guī)定的界限時，對球罐進行焊后消除應(yīng)力熱處理；日本則選用高強鋼，一般對球罐容積在6000m3以下采用抗拉強度600MPa級鋼，容積超過10000m3采用抗拉強度800MPa級鋼，壁厚通?？刂圃诓贿M行整體熱處理的界限內(nèi)[7]兩種選材原則各有其優(yōu)缺點。優(yōu)點是：材料便宜，易獲得，焊接工藝條件不苛刻，便于施工，還可通過熱處理消除焊接殘余應(yīng)力，有利于防止應(yīng)力腐蝕。缺點是：相同容積的球罐鋼材耗量大，不利于球罐大型化。選用高強度鋼的原則其優(yōu)點是可以降低鋼材的消耗量，有利于球罐的大型化，缺點是焊接工藝條件苛刻，易于產(chǎn)生焊接裂紋，不易進行應(yīng)力腐蝕控制?？紤]到我國鋼材的狀況，本標(biāo)準(zhǔn)選材原則與歐洲國家相同。b.焊接材料隨著球罐建造的不斷進步，在施工現(xiàn)場手工電弧焊焊接球罐的傳統(tǒng)工藝受到挑戰(zhàn)，近五年來在引進裝備的基礎(chǔ)上，用氣體保護自動焊代替手工焊的逐漸增多，因此GB12337標(biāo)準(zhǔn)對氣體保護自動焊焊絲的要求予以規(guī)定。GB12337標(biāo)準(zhǔn)考慮到目前少數(shù)制造廠對桔瓣式球殼的極板仍采用拼接后出廠，因此對埋弧自動焊的焊絲和焊劑也作了相應(yīng)規(guī)定。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定球殼的焊縫，以及直接與球殼焊接的焊縫，對于手工電弧焊必須選用低氫堿性焊條。焊絲和焊劑應(yīng)與所施焊的鋼種相匹配。(2)檢驗a.鋼板鋼中有硫化物夾雜存在時，由于其熔點低、強度低的特點，將會引起鋼板的強度和塑性大大下降(主要是厚度方向)，致使不能承受較大的應(yīng)力。從焊接試驗證明，焊接接頭坡口處有嚴(yán)重硫化物夾雜存在時，在焊接應(yīng)力的作用下易產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響其使用的安全性。在硫化氫介質(zhì)的環(huán)境中，鋼中存在夾雜物等缺陷，由于氫的滲透導(dǎo)致夾雜物尖端產(chǎn)生裂紋或鼓泡。鑒于上述原因，本標(biāo)準(zhǔn)作出了不同條件下球殼用鋼板需逐張進行超聲檢測的規(guī)定：厚度大于30mm的20R和16MnR鋼板，厚度大于25mm的15MnVR和15MnVNR鋼板，厚度大于20mm的16MnDR和09Mn2VDR鋼板，調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨的鋼板，上下極板和與支柱連接的赤道板在下料前應(yīng)經(jīng)超聲檢測。日本JLPA201規(guī)定：鋼板厚度超過19mm時下料前應(yīng)經(jīng)超聲波探傷并合格，以厚度分檔提出超聲檢測要求。JLPA201規(guī)定比本標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)，但本標(biāo)準(zhǔn)按球罐的不同受力部位針對性的提出進行超聲檢測，是可以保證球罐質(zhì)量的，也是合理的。b.焊接材料熔敷金屬擴散氫含量對焊接接頭冷裂紋的產(chǎn)生有很大影響。根據(jù)過去球罐開裂的經(jīng)驗教訓(xùn)規(guī)定烘干后的實際擴散氫含量：E60級焊條為4mL/100g；E55級焊條為5mL/100g；E50級焊條為6mL/100g；E43級焊條為8mL/100g。2.2殼體用鋼板表2.1鋼材的許用應(yīng)力Table2.1Usesteelstress鋼號鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度mm常溫強度指標(biāo)在下列溫度（℃）下的許用應(yīng)力，MPaMPaMPa2010015020020RGB6654熱軋正火6～16400245133133132123＞16～36400235133132126116＞36～60400225133126119110＞60～10039020512811511010316MnRGB6654熱軋正火6～16510345170170170170＞16～36400325163160163159＞36～60470305157157157150＞60～100460285153153150141100～12045027515015014713815MnVRGB6654熱軋正火6～16530390177177177177＞16～36510370170170170170＞36～6049035016316316316307MnCrMoVR－調(diào)質(zhì)16～50610490203203203203表2.2鍛件的標(biāo)準(zhǔn)及許用應(yīng)力Table2.2Forgingstandardsandallowablestress鋼號鑄件標(biāo)準(zhǔn)公稱厚度mm常溫強度指標(biāo)在下列溫度（℃）下的許用應(yīng)力，MPaMPaMPa2010015020020JB472610037021512311911310416MnJB472630045027515015014713520MnMoJB4726300530370177177177177＞300～500510355170170170170＞500～70049034016316316316316MnDJB472730045027515015014713520MnMoDJB4727300530370177177177177＞300～500510355170170170170＞500～70049034016316316316308MnNiCoMVD09Mn2VDJB4727JB4727300200600420480260200140200140200200注：中間溫度的許用應(yīng)力值，可按本表的壓力值用內(nèi)插法求得。鋼板使用的技術(shù)要求：a.選用國外鋼材時，應(yīng)用國外相應(yīng)壓力容器最新標(biāo)準(zhǔn)所允許使用的鋼材，其使用范圍不應(yīng)超出該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，同時也不應(yīng)超出我國相近成分和技術(shù)要求的規(guī)定。b.選用新研制的鋼材，或未列入標(biāo)準(zhǔn)的鋼材，要經(jīng)過國家審核合格批準(zhǔn)后方可使用。c.代用圖樣規(guī)定的鋼材時，應(yīng)取得設(shè)計單位的同意。代用鋼材與被待用鋼材具有相同或相近的化學(xué)成分、交貨狀態(tài)、檢驗項目、性能指標(biāo)和檢驗率以及尺寸公差和外形質(zhì)量等。對用較高質(zhì)量的鋼材做待用材料時，尚需考慮經(jīng)濟合理性。d.符合下列條件的鋼板應(yīng)在正火狀態(tài)下使用：厚度大于30mm的20R和16MnR、大于16mm的15MnVR、任意厚度的15MnVNR的球殼用鋼板；厚度大于50mm的20R和16MnR的其它受壓元件（法蘭、平蓋等）。e.調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨、厚度大于60mm的球殼用鋼板應(yīng)逐張進行夏比（V形缺口）常溫或低溫沖擊實驗。表2.3鍛件的熱處理狀態(tài)及最低沖擊溫度Table2.3Forgingandheattreatmentstateminimumtemperatureimpact鋼號熱處理狀態(tài)公稱厚度，mm最低沖擊實驗溫度℃下的許用應(yīng)力16MnD正火加回火，調(diào)質(zhì)200-40＞200～300-3009Mn2VD正火加回火，調(diào)質(zhì)2005020MnMoD調(diào)質(zhì)500-3008MnNiCoMVD調(diào)質(zhì)＞500～700300-20-402.3鍛件用鋼球罐的人孔、接管往往采用鑄件，人孔結(jié)構(gòu)采用鑄件可避免補強結(jié)構(gòu)，使人孔以對接焊的形式與球殼板連接，達到減少應(yīng)力突變的目的。鑄件由設(shè)計單位確定，并在圖樣中說明。人孔鑄件級別不應(yīng)小于=3\*ROMANIII級。人孔鑄件選用時，必須考慮其力學(xué)性質(zhì)不低于球板材料的力學(xué)性質(zhì)，且可焊性良好，經(jīng)消除應(yīng)力退火后，強度和韌性沒有明顯下降[5]鑄件的標(biāo)準(zhǔn)及許用應(yīng)力按表2.2的規(guī)定；當(dāng)球罐的設(shè)計溫度低于或等于-20時，鍛件的熱處理狀態(tài)及最低沖擊溫度按表2.3的規(guī)定。2.4鋼管的選用鋼管的標(biāo)準(zhǔn)及許用應(yīng)力按表2.4的規(guī)定，15MnV、09Mn2VD和09MnD鋼管應(yīng)在正火狀態(tài)下使用；當(dāng)球罐的設(shè)計溫度-20時，鍛件的熱處理狀態(tài)及最低沖擊溫度應(yīng)符合表2.5的規(guī)定。表2.4鋼管標(biāo)準(zhǔn)及許用應(yīng)力Table2.4Pipestandardsandwithstress鋼號鋼管標(biāo)準(zhǔn)厚度mm常溫強度指標(biāo)在下列溫度（℃）下的許用應(yīng)力，MPaMPaMPa2010015020010GB/T8163GB9948GB647910161617～403353353353352052052051951121121121121121121121101081081081041011011019820GB/T8163101639041024524513013713013713013212312320GGB64791617～4041041024523513713713713213212612311616MnGB64791617～4049049032031016316316316316316315915315MnV09MnDGB64791617～40﹤16510510400350340240170170133170160133170170128170170119注：中間溫度的許用應(yīng)力值，可按本表的壓力值用內(nèi)插法求得表2.5鋼管使用狀態(tài)及最低沖擊實驗溫度Table2.5Pipeimpactoftheuseofstateandthelowesttemperatureexperiment鋼號使用狀態(tài)壁厚，mm最低沖擊實驗溫度，℃10正火16-3020G正火16-2016Mn正火20-4009MnD正火16-50第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1概況球殼結(jié)構(gòu)形式多種多樣，根據(jù)不同使用條件，使用不同的材料。我國現(xiàn)形使用的球罐為桔瓣式或混合式，支座為支柱支撐。球殼結(jié)構(gòu)沒有采用足球瓣式是因為：a．足球瓣式球罐適用于制造容積較小的球罐，不適用于制造較大容積的球罐，應(yīng)用場合少。b.足球瓣式球罐組裝和焊接比較困難，在我國還沒有實踐經(jīng)驗?；旌鲜角蚬薜那驓そY(jié)構(gòu)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)。近年來從國外引進的大型球罐大多采用混合式，國內(nèi)施工組焊單位已積累了豐富的實踐經(jīng)驗，通過對引進球罐的施工和開發(fā)研究，國內(nèi)已掌握了混合式球罐的設(shè)計。3.2球殼的設(shè)計球殼是球罐的主體，它是儲存物料和承受物料工作壓力，和液柱壓力的構(gòu)件，球殼幾何尺寸較大，必須由許多瓣片組成，球殼設(shè)計要按照如下設(shè)計準(zhǔn)則進行[6]：a.必須滿足所儲存物料在容量、壓力、溫度方面要求，且安全可靠；b.受力狀況最佳；c.盡量采用大的瓣片結(jié)構(gòu)，使焊縫結(jié)構(gòu)最小，減少安裝工作量；d.考慮鋼板的規(guī)格，增強球殼板的互換性，以高利用率?；旌鲜角驓さ脑O(shè)計混合式球殼，其赤道帶和溫帶采用橘瓣式，極板采用足球瓣式。由于此種結(jié)構(gòu)兼容了足球瓣式和桔瓣式球殼的優(yōu)點，所以材料利用率高，焊縫長度縮短，球殼板數(shù)量減少，適合大型球罐。(1)混合式結(jié)構(gòu)三帶結(jié)構(gòu)排板計算：球心角/各帶分塊數(shù)：上極112.5/7；赤道帶67.5/16；下極112.5/7；查得N=16；R=6105；α=22.5；β0=67.5；β1=24；β2=11；β3=22a.符號說明R—球罐半徑，mm；β0—赤道帶球心角，（°）；β1—極中板球心角，（°）；β2—極側(cè)板球心角，（°）；β3—極邊板球心角，（°）N—赤道帶分瓣數(shù)；α—赤道帶周向球心角，（°）；b.赤道板計算：c.極板尺寸計算：對角線弦長與弧長的最大間距：d.極中板尺寸計算：對角線弦長與弧長的最大間距：e.極側(cè)板尺寸計算：f.極邊板尺寸計算：sin=2346.92703.5(2)坡口設(shè)計球殼都是由球片焊接而成，因此焊接坡口的設(shè)計是保證球罐質(zhì)量的環(huán)節(jié)。坡口設(shè)計原則是：便于施工、便于檢驗，焊縫有足夠的強度又經(jīng)濟合理。目前國內(nèi)外球罐的焊縫系數(shù)趨向于采用Φ=1，因此坡口設(shè)計就更為重要。我國國內(nèi)球罐的坡口設(shè)計可按下列標(biāo)準(zhǔn)進行：GB985-988，選用或參照《氣焊、手工電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式及尺寸》；GB986-988《埋弧焊焊縫坡口的基本形式及尺寸》；JB/T4709-2000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》等。3.3支座設(shè)計球罐支座是球罐中用以支承球殼及附件和儲存物料重量的結(jié)構(gòu)部件。座形式有柱式和裙式兩大類。柱式支承有赤道正切柱式支承、V形柱式支承和三樁會一柱式支承。裙式支承包括圓筒裙式支承、錐形支承，及用鋼筋混凝土連續(xù)基礎(chǔ)支承的半埋式支承、錐底支承。其中柱式支承中以赤道正切柱式支承為國內(nèi)外普遍采用。(1)赤道正切柱式支座設(shè)計：a.赤道正切柱式支座的結(jié)構(gòu)特點是：球殼由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置，與球殼相切或近似相切(相割)而焊接起來。支柱支承球罐的重量，為了承受風(fēng)載荷和地震力，保證球罐的穩(wěn)定性，在支柱之間設(shè)置拉桿相連接。這種支座的優(yōu)點是受力均勻，彈性好，能承受熱膨脹的變形，組焊方便，施工簡單，容易調(diào)整，現(xiàn)場操作和檢修也方便，且適用于多種規(guī)格的球罐：缺點是重心高，穩(wěn)定性較差。本標(biāo)準(zhǔn)選用的支座形式為赤道正切柱式支承。b.支柱與球殼的連接分有墊板連接和無墊板連接兩種結(jié)構(gòu)型式。有墊板連接構(gòu)(又稱加墊板)可增加球殼板的剛性，但又增添了球殼上的搭接接頭，當(dāng)球罐承受內(nèi)壓膨脹，將導(dǎo)致焊接接頭裂紋的產(chǎn)生。我國球罐的設(shè)計基本都采用無墊板結(jié)構(gòu)型式。引進球罐也大都采用無墊板結(jié)構(gòu)型式。c.支柱與球殼連接端部結(jié)構(gòu)分平板式、半球式和橢圓式三種。平板式結(jié)構(gòu)邊角易造成高應(yīng)力狀態(tài)。半球式和橢圓式結(jié)構(gòu)屬彈性結(jié)構(gòu)，不易形成邊沿高應(yīng)力狀態(tài)，抗拉斷能力較強，故多被采用，本標(biāo)準(zhǔn)亦選用此兩種結(jié)構(gòu)[7]。d.支柱與球殼連接下部結(jié)構(gòu)一般分直接連接、連接處下端加托板、U形柱和翻邊四種(見圖1)。翻邊結(jié)構(gòu)：它不但解除了連接部位下端施焊困難，確保了焊接質(zhì)量，對該部位的應(yīng)力狀態(tài)也有所改善。圖3.1支柱與殼體連接形式Figure3.1Theconnectionaboutpillarandsphereshell第四章強度計算設(shè)計條件公稱容積：1000m3(內(nèi)經(jīng)Di=12300)；球殼材料：16MnR[б]=[б]t=157MPa；儲存物料：DMF；物料密度：=897kg/m3設(shè)計壓力：1.5MPa；設(shè)計溫度：100℃；水壓實驗壓力：PT=1.25P[б]/[б]t；基本風(fēng)壓值：500N/m2；球罐建造場地Ⅱ類近震B(yǎng)類；支柱數(shù)量：n=8(選用10鋼600mm16mm)；拉桿：選用45mm圓鋼，材料35鋼4.1球殼計算（1）計算壓力Pci：Pci=P+H210-8H=Ri=1.652686150=101644.1各帶參數(shù)表Table4.1Withtheparameters計算點各帶球心角各帶物料液位高/mm計算壓力Pci/MPa上極帶板112.501.5赤道中心線80911.571下極帶板112.5101641.589（2）設(shè)計溫度下球殼計算厚度：===29.5mm=mm==31.2mm考慮腐蝕裕度C1=1mm球殼的名義厚度=33mm（注：與柱焊接的赤道板厚取34mm）（3）球罐質(zhì)量計算：球殼平均直徑：Dcp=12333mm；球殼材料密度：=7850㎏/m3；物料密度：=897㎏/m3；水密度：=1000㎏/m3；裝填系數(shù)：k=0.93m1==3.14123332785010-9=123783kg注：支柱連接處厚度增加質(zhì)量60m2==803663kgm3===97385kgm4===1225kgm1—球殼質(zhì)量m2—物料質(zhì)量m3—液壓試驗時液體質(zhì)量kgm4——雪載荷kgm5—保溫層質(zhì)量kg，m5=0kgm6—支柱和拉桿質(zhì)量kg，m6=1360kgm7—附件質(zhì)量kg，m7=8000kg操作狀態(tài)下球罐質(zhì)量m0m0=m1+m2+m4+m5+m6+m7=938031kg液壓試驗下球罐的質(zhì)量mTmT=m1+m3+m4+m6=123783+973854+1360+8000=1106997kg球罐最小質(zhì)量mminkgmmin=m1+m6+m7=12378+1360+8000=133143kg（4）地震載荷計算與柱底板面至球殼中心的距離H0=8000mm；與柱底板面至拉桿中心線與支柱中心線交點處的距離l=5600mm；支柱材料常溫彈性模量Es=192103；支柱數(shù)目n=8表4.2拉桿影響系數(shù)Table4.2DrawbarsinfluencecoefficientL/0.900.800.750.700.650.600.500.0280.1040.1560.2160.2820.3520.50注：中間值用內(nèi)差法計算a.自震周期球罐的基本自震周期：==0.596s式中—拉桿影響系數(shù)由表查取得=0.216I===b.水平地震力：=0.450.1249380319.81=513476.3N式中—綜合影響系數(shù)，=0.45；—地震影響系數(shù)最大值，=0.23；—各類場地土特征周期，=0.3。==0.124表4.3風(fēng)壓高度變化系數(shù)Table4.3Highwindpressurecoefficientchanges距地面高度地面粗糙度類別ABC5101520301.171.381.521.631.800.801.001.141.251.420.140.110.140.140.11(5)風(fēng)載荷計算水平分力==36864N式中k1—風(fēng)載體型系數(shù)，k1=0.4k2—分振系數(shù)—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，=0.984—球館附件增大系數(shù)，=1.1k2=；系數(shù)=1.46（按表4.2選取）彎距計算：N·mmL—力臂L==24004.2支柱計算(1)單個支柱垂直載荷支柱中心圓半徑：R=Ri6510mm拉桿與支柱的夾角β：β===單個支柱的截面積A：=14871mm2a.重力載荷操作狀態(tài)下支柱的重力載荷：==N液壓試驗狀態(tài)下支柱的重力載荷：===1357455N最大彎矩對支柱產(chǎn)生的垂直載荷：==-50813式中—最大彎矩對支柱產(chǎn)生的垂直載荷，—支柱的方位角（）A向受力時，支柱方位角=B向受力時，支柱方位角=表4.4各支柱受力Table4.4Thepillarsoftheforce支柱號A向受力B向受力θicosθiFi/NθicosθiFi/N001-50813-22.50.924-469511450.707-35924.822.50.924-469512900067.50.383-194613135-0.70735924.8112.5-0.383194614180-150813157.5-0.924469515225-0.70735924.8202.5-0.92446951627000247.5-0.3831946173150.707-35924.8292.50.383-19461b.拉桿作用在支柱上的垂直載荷，所有相鄰兩支柱間用拉桿連接時，拉桿作用在支柱上的垂直載荷：==186543.2=155463.8A向受力時支柱方位角=B向受力時支柱方位角=表4.5各支柱受力Table4.5Thepillarsoftheforce支柱號A向受力B向受力θjsinθjPi-j/NθjsinθjPi-j/N022.50.38359542.6000167.50.924143648.5450.707109912.72112.50.924143648.3901155463.83157.50.38359542.61350.707109912.74202.5-0.383-59542.6180005247.5-0.924-143648.5225-0.707-109912.86292.5-0.924-143648.5270-1-155463.87337.5-0.383-59542.6315-0.707-109912.8c.支柱的最大垂直載荷[8]操作狀態(tài)下支柱的最大垂直載荷W0：=1150260.5+（50813+155463.8）=1.3106N液壓試驗狀態(tài)下支柱的最大垂直載荷：==11357455+0.3（50813+155463.8）36864/522692.3=1.36106N(2)單個支柱彎矩球殼材料的泊松比=0.3球殼材料的彈性模量E=206103MPa操作狀態(tài)下支柱的偏心彎矩：==403106Nmm液柱靜壓力：=0.043液壓試驗狀態(tài)下支柱：MPa=503106Nmm=MPa式中—操作狀態(tài)下球殼赤道線的薄膜應(yīng)力；—液壓試驗狀態(tài)下液體在赤道線的液柱靜壓力，=0.155MPa；—操作狀態(tài)下物料在赤道線的液的的偏心彎矩；—液壓實驗狀態(tài)下球殼赤道線的薄膜應(yīng)力。a.附加彎矩操作狀態(tài)下支柱的附加彎矩：===38.8Nmm液壓試驗狀態(tài)下支柱的附加彎矩：===46Nmmb.總彎矩操作狀態(tài)下支柱的總彎矩M0：Nmm液壓試驗裝態(tài)下支柱的總彎矩MT：Nmm(3)支柱穩(wěn)定性校核支柱的慣性半徑：mm支柱的長細比：式中—計算長度系數(shù)=1換算長細比；=0.398支柱材料10鋼常溫下屈服強度，=205MPa；支柱材料的需用應(yīng)力，=/1.5=136.7MPa。操作狀態(tài)下支柱的穩(wěn)定校核：＜=136.7MPa式中—彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓與支柱穩(wěn)定系數(shù)>0.251焊接鋼管截面=0.965，=0.300，-等效彎矩系數(shù)取=1；-截面塑性發(fā)展系數(shù)=1.15；Z-單個支柱的截面系數(shù)。mm3歐拉臨界力：N(4)地腳螺栓計算拉桿作用在支柱上的水平力：N支柱地板與基礎(chǔ)的摩擦力：N式中-支柱地板與基礎(chǔ)摩擦系數(shù)=0.3地腳螺栓<時球罐必須設(shè)置地腳螺栓地腳螺栓的螺紋根徑：mm地腳螺栓直徑d=30mm式中—每個地腳螺栓上的螺栓個數(shù)為2；—地腳螺栓材料的需用應(yīng)力為0.46s；—地腳螺栓材料Q235A腐蝕度取，=3mm。(5)支柱地板支柱地板直徑取兩式中較大值mmmm混凝土基礎(chǔ)材料的許用應(yīng)力=8MPa實取=900mm底板的厚度：mm實取=35mm