650m3球罐设计

650m3球罐设计

摘要

球形压力容器简称为球罐，是以储存气体、液体或液化气体为主要功能的压力容器。由于球罐同其他形式储罐相比具有很大的优越性，具有占地面积少、壁厚薄、质量轻、用材少、造价低等优点，并且随着我国石化、冶金和城市燃气的高速发展，广泛应用于石油天然气、化工、石油化工、冶金、城建等工业领域。所以其制作质量和加工制作工艺在国民经济中已经占据重要而又不可忽视的地位。

本设计主要是按照GB/T 150-2011《压力容器》标准释义、GB 12337-1998《钢制球形储罐》压力容器国家标准，针对650m3石油液化气球罐的结构和强度进行设计。主要针对球罐壳体材料选用、球壳强度计算、支柱拉杆的计算以及对球罐的焊缝无损检测的方法及手段，并对一些焊后整体热处理，以及水压试验、气密性试验进行介绍，以提高大型球罐施工劳动工效和降低施工成本，提高焊缝成形质量，保证焊缝强度要求，从而避免一些安全事故发生，保证球罐安全使用。

【关键词】球罐压力容器焊后热处理支柱拉杆水压试验、气密性试验

1. 球罐百科 1

1.1 球罐简介 1

1.2 球罐发展历史及我国球罐的“成长史” 1

1.3 球罐的类型 2

1.3.1 按储藏温度分类2

1.3.2 按结构形式分类3

1.4 球形储罐的结构 3

2. 球罐设计 5

2.1 球罐的结构设计 5

2.1.1 球罐壳体 5

2.1.2 人孔与接管 6

2.1.3 支承结构 6

2.1.4 拉杆结构 6

2.1.5 梯子、平台 6

2.2 球罐基本设计参数 6

2.2.1 设计压力和设计温度 6

2.2.2 充装系数 7

2.2.3 腐蚀余量 7

2.2.4 焊接接头系数 7

2.3 球罐壳体材料 8

2.3.1 16MnR的化学成分和基本性能 8

2.3.2 16MnR的焊接性及分析 9

2.3.2.1 冷裂纹 9

2.3.2.2 热裂纹 9

2.3.2.3 再热裂纹 10

2.3.2.4. 层状撕裂 10

2.4 球罐强度设计 10

2.4.1 球壳壁厚计算 10

2.4.2 球壳应力校核 11

2.4.2.1 球壳薄膜应力校核 11

2.4.2.2 球罐壳体压应力校核 12

2.5 支柱、拉杆计算 13

2.5.1 球罐质量计算 14

2.5.2 弯矩计算 15

2.5.3 支柱计算 15

2.5.4 组合载荷 15

2.5.5 单个支柱弯矩 16

2.5.6 支柱稳定性校核 17

2.5.7 支柱与球壳连接最低点a的应力校核 18

2.5.7.1 a点的剪切应力 18

2.5.7.2 a点的纬向应力 18

2.5.7.3 a点的应力校核 19

2.5.8 支柱与球壳连接焊缝的强度校核 19

2.6 开孔补强设计 20

3. 球罐的拼装方法 21

4. 焊后检测 22

4.1 外观检测 22

4.2 无损检测 23

5. 焊后整体热处理 24

6. 水压试验和气密性试验 25

6.1水压试验 26

6.2气密性试验 26

致谢 27

参考文献 28

一. 球罐百科

1.1球罐简介

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 球罐的发展历史及我国球罐的“成长史”

20世纪30年代，世界上仅有少数几个国家能进行球罐的制造，如美国在1910年、德国在1930年分别建造了有限的几台铆接结构的小型低压球罐。由于铆接结构不仅费工而且费料，且球罐密闭程度差，制造相对困难，给球罐的发展带来巨大的阻力。

20世纪40年代初，随着焊接技术逐渐趋向成熟，以及适合焊接的新钢种的不断开发，球罐的制造由铆接改为焊接，由此技术上得到了很大发展。如美国在1941年、前苏联在1944年、日本于1955年、前西德于1958年分别制造了一批压力较高、容量较大的焊接球罐。

20世纪60年代至今，随着世界各国综合国力和科技水平的大幅度提高，形成了球罐制造水平的高速发展期。以日本为例，60年代前单个液化气球罐的容积均在2000m3以下，而目前已具备生产单个容积在20000m3以上液化气球罐的能力。同时，西德已有生产容积为43300m3以上球罐的能力，法国也有容积为87000m3球罐的制造经验, 同时美国还建造了一台容量3400m3、设计温度为-250℃的超低温液氢球罐。此外许多工业先进国家还进行了双重壳低温球罐、深冷球罐及运输液化天然气的深冷大型船用球罐的试验研究，并已投入批量生产。

我国于五十年代开始制造球罐，1958年制造出了第一台50m3，的球罐，1966年北京金属结构厂首次制造出了容积为400m3的球罐，当时制造大型球罐在我国仍是空白。随着我国科学技术进一步发展，特别是改革开放以来，我国工业制造业高速发展，为了满足我国的国防、科研、石油化工、冶金、市政等工业对储存容器的要求，我国的球罐工业得到发展。近年来我国主要引进建起了一批5000m3 ，10000m3的特大型球罐和低温球罐，促使我国自行设计、制造、安装大型球罐已取得了一定的成果。随着我国工业建设的发展，球罐的应用会越来越广泛。

目前，随着材料、焊接、制造、施工安装技术不断提高，国内外球罐研究发展也正向大型化、多结构、高参数的方向发展。但由于球罐大多数用于储存易燃、易爆和有毒的液体和气体介质，一旦发生事故，不但球罐本身会遭到破坏，而且还会带来灾难性后果。因此，球罐的建造与使用管理一球罐的安全性不仅引起各国科技界的高度重视、同时也得到各国政府的极大关注。可见，球罐作为一种装备，其制作加工工艺在国民经济中已经占据重要而又不可忽视的地位。

1.3 球罐的类型

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。

1.3.1 按储藏温度分类

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、氮、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。由于对保冷要求较高，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。

1.3.2 按结构形式分类

按形状分有圆球形、椭圆形、水滴形或上述几种的混合。

球形罐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。

参考文献

[1]GB/T 150-2011《压力容器》标准释义