3000m3液化气球罐的优化设计—（毕业设计）

本科毕业设计说明书

3000m液化气球罐的优化设计

THE OPTIMAL DESIGN OF 3000m3 LPG SPHERICAL

TANK

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学院（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师：

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3000m液化气球罐的优化设计

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摘要

球形储罐作为一种有压储存容器，相对于一般圆筒形储存容器，具有用材少、受力情况好、占地面积小等显著优点，在石油、化工、冶金等领域广泛用于储存气体、液体或者液化气体。

本文设计了在常温下工作的3000m3的液化气球罐及其相应附件。查阅相关资料后，确定采用16MnR钢作为球壳用钢，对其储罐形式进行了优化设计，计算比较后确定采用混合式三带球罐，支柱形式为赤道正切式，支柱根数为10根，拉杆采用可调式拉杆，根据相关设计标注进行结构设计和强度校核，最后完成相关附件的设计。最终的成果为一张装配图和三张主要零件的零件图。

关键字：球形储罐，材料选择，结构优化，强度校核

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THE OPTIMAL DESIGN OF 3000m3 LPG SPHERICAL

TANK

ABSTRACT

Compared to the general cylindrical storage container, the spherical tank is a kind of pressure storage containers with less material, good force, cover a small area, etc, which is widely used in storage of gases, liquids, or liquefied gas in petroleum, chemical industry, metallurgy and other fields.

This paper designs the 3000㎡ LPG spherical tank working at room temperature and its corresponding accessories. Referring to relevant data, I determine using 16 MnR steel as the steel spherical shell. The optimization design is carried out on the form of storage tank. After computation and comparison, I determine using hybrid three zones spherical tank with the pillar form of the equator tangent type, prop root number of 10, and adjustable draw-pole. The structure is designed and the strength is checked according to related design marks, and finally the design of the related accessories is completed. The final result of this study is a assembly drawing and three parts drawing of major parts.

KEYWORDS: the spherical tank, material selection, structure optimization,strength chec

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目录

摘要............................................... 错误！未定义书签。 ABSTRACT........................................... 错误！未定义书签。 1球罐概述 .......................................................... 1

1.1绪论......................................................... 1 1.2球罐的分类和特点............................................. 1

1.2.1球罐的分类 ............................................. 1 1.2.2球罐的特点 ............................................. 2 1.3球罐的设计参数............................................... 2

1.3.1压力 ................................................... 2 1.3.2温度 ................................................... 3 1.4球罐的应用................................................... 3 2球罐的结构设计 .................................................... 4

2.1球罐壳体的优化设计........................................... 4

2.1.1壳体结构的确定 ......................................... 4 2.1.2壳体尺寸的计算 ......................................... 6 2.2焊接坡口的设计.............................................. 14 2.3支座设计.................................................... 15 2.4开孔设计.................................................... 18

2.4.1人孔结构 .............................................. 18 2.4.2接管结构 .............................................. 18 2.5球罐的附件.................................................. 19

2.5.1梯子平台 .............................................. 19 2.5.2喷淋装置 .............................................. 19 2.5.3隔热保冷装置 .......................................... 20 2.5.4液位计 ................................................ 21 2.5.5压力表 ................................................ 21 2.5.6温度计 ................................................ 21 2.5.7安全泄放装置 .......................................... 21

3罐的强度计算 ..................................................... 24

3.1设计参数.................................................... 24 3.2球壳计算.................................................... 24

3.2.1液柱高度与计算压力 .................................... 24 3.2.2球壳厚度球罐质量的计算 ................................ 25 3.2.3球壳强度校核 .......................................... 26 3.3球罐质量计算................................................ 27 3.4地震载荷的计算.............................................. 28

3.4.1球罐的基本自振周期 .................................... 28 3.4.2水平地震力 ............................................ 28 3.5风载荷的计算................................................ 29 3.6弯矩的计算.................................................. 29 3.7支柱的计算.................................................. 30

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3.7．1单个支柱的垂直载荷 ................................... 30 3.7.2支柱的最大垂直载荷 .................................... 31 3.7.3单个支柱弯矩 .......................................... 31 3.7.3支柱稳定性校核 ........................................ 32 3.8地脚螺栓计算................................................ 34

3.8.1拉杆作用在支柱上的水平力 .............................. 34 3.8.2支柱底板与基础之间的摩擦力 ............................ 34 3.8.3地脚螺栓的计算 ........................................ 34 3.9支柱底板.................................................... 35

3.9.1支柱底板直径 .......................................... 35 3.9.2支柱底板厚度 .......................................... 35 3.10拉杆计算................................................... 35

3.10.1拉杆螺纹小径的计算 ................................... 35 3.10.2拉杆连接部分的计算 ................................... 36 3.11支柱与球壳连接最低点的应力校核............................. 37

3.11.1 a点的剪切应力 ....................................... 37 3.11.2 a点的维向应力 ....................................... 38 3.11.3 a点的组合应力与应力校核 ............................. 38 3.12支柱与壳体连接焊缝的强度校核............................... 38 4球罐的制造与组装 ................................................. 40

4.1制造工序.................................................... 40

4.1.1.材料的检验............................................ 40 4.1.2瓣片加工 .............................................. 40 4.2现场组装.................................................... 41 4.3组装准备.................................................... 41

4.3.1基础检查验收 .......................................... 41 4.3.2球瓣的几何尺寸检查和理化检验 .......................... 42 4,4组装精度的控制.............................................. 42

4.4.1支柱偏差的控制 ........................................ 42 4.4.2椭圆度、焊缝错变量和角变形 ............................ 42 4.5组装安全措施................................................ 42 结论............................................................... 44 参考文献........................................................... 45 致谢............................................................... 46

IV

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1球罐概述

1.1绪论

球形储罐最早出现在19世纪末20世纪初，最初的球罐只是用来储存低压气体，此时的球罐结构是铆接结构，这种结构的球罐制造困难，材料浪费情况严重。当时世界上只有少数国家能进行球罐的设计制造，比如美国于1910年建造的小型球形储罐。到40年代，由于焊接技术和新钢材的快速发展，球罐正式从最初的铆接结构转变成沿用至今的焊接结构，与铆接结构相比，焊接结构更加牢固，周期比更短，而且焊接不需要任何的介质，是本体的焊接，更经济，更环保，再此阶段，球罐的制造得到了飞速的发展。在日本于1950年利用美国的T-L80钢知道了当是世界上最大的球罐，它的直径有33.68m,容量为2000m3的城市煤气储罐。虽然此时球罐体积可以做的很大，但压力与储存能力还是处于较低状态。从60年代至今，球罐的制造技术在原先的基础上得到了进一步的发展，在此时期，日本已然能制造设计压力为0.75MPa的大型球罐。我国的球罐行业起步于50年代末期，相比于其他发达国家有很大差距，我国在60年代只能制造出几何容积只有400m3的球罐。随着我国科学技术的高速发展，尤其是在改革开放以后，为满足石油、化工、冶金等行业的需求，作为储存容器的球罐得到了广泛的用用和高速发展。与此同时，为了赶上世界球罐设计制造的大型化和高参数化的趋势，我国引进并建起了一批5000m3、10000m3的特大型球罐和低温球罐。球罐作为一种装备在国民经济种已然占据了不可忽视的重要地位。

由于各个国家之间的工业化程度存在差异，球罐的设计规范在不同的国家亦是不同的。我国的球罐设计标准有GB150、GB12337、GB/T17261等等。在其他主要工业化国家中，除了日本有专业的球罐设计规范外，一般均为压力容器方面的行业规范，例如美国的ASMEⅧ，法国的CODPA，英国的BS5500等。虽说各个国家的设计规范不尽相同，但是总体来说一个完整的球罐主要有罐体、支柱、拉杆、操作平台、盘梯以及各种相关附件（包括人孔、接管、液面计，压力计、温度计、安全泄放装置等）组成。 1.2球罐的分类和特点 1.2.1球罐的分类

球罐的的结构形式和用途具有多样性，其分类依据亦有多种不同的标准，在这里主要介绍以下几种分类：

（1） 按照储存物料类型分类

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按球罐物料类型不同，可以将球罐分为储存液相无聊和气象物料两大类。其中储存液相物料的球罐友根据其工作温度分为常温球罐、低温球罐和深冷球罐。

（2） 按照球壳形式分类

按球壳的不同可以分为足球瓣式、橘瓣式、足球瓣与橘瓣混合式。 （3） 按照球罐外形分类

按球壳外形的不同可以分为圆球形、椭球形、水滴形或者上述几种形式的混合

（4） 按照支柱形式分类

按支柱形式的不同可以分为支柱式、裙座式、锥底支撑以及按照在混凝土基础上的半埋式，其中，支柱式又可以分赤道正切式、V形支柱式、三柱合一式。由于赤道正切式具有受力均匀、承受横向载荷能力强等优点，应用最为广泛

（5） 按照拉杆分类

按拉杆不同可以分类成可调式拉杆、固定式拉杆。

目前在国内使用最广泛的是单层赤道正切式，可调拉杆的球罐。该种球罐无论是在设计制造，还是在现场组装安装等方面均有较为成熟的经验。我国的国家标准GB12337规定采用这种形式的球罐 1.2.2球罐的特点

有压储存容器一般分为圆筒形和球形两种，不同形式的储存容器各有各的特点，在这里着重介绍球形储罐的特点：

（1）与圆筒形储存容器相比，同等体积下，球罐的表面的表面积最小，即在相同容量下球罐所需钢材面积最小，一般情况下要节约30%-40%的钢材。 （2）球罐翘板承载能力是圆筒形容器的两倍，即在内压相同的条件下，球形容器所需壁厚仅为同直径、同材料的圆筒形容器壁厚的一般（不考虑腐蚀裕量）。 （3）球罐的风力系数为0.3，而圆筒形容器的风力系数为0.7，所以对于风载荷而言，球罐比圆筒形容器更安全。

（4）与相同体积的圆筒形储罐相比，球罐占地面积小，而且可以向空间高度发展，有利于地表面积的利用。

综上所述，再加上球罐基础简单，外观具有观赏性，可用于工程环境的美化，使球罐的应用得到了很大的发展。 1.3球罐的设计参数

球罐的主要设计参数为设计压力和设计温度，这两个参数互相影响，对球罐的设计影响很大，对材料的选用其决定作用。 1.3.1压力

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除注明者外，压力均指表压。

1.工作压力 工作压力值正常情况下，球罐顶部可能达到的最高压。 2.设计压力 设计压力值设定的球罐顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。 1.3.2温度

除注明者外，温度均指摄氏温度

1.设计温度 设计温度指球罐在正常工作情况下设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。

2.试验温度 实验温度指压力试验是，球壳的金属温度。

在本次液化气球罐的设计中，设计压力p=1.77MPa,设计温度T=50℃. 1.4球罐的应用

由于球形储罐具有显著的优点，在我国石油化工滚、合成氨、城市燃气建设中，大型球罐被广泛用于贮存和运输液态或者气态物料。比如，在石油、化工、冶金、城市煤气的工程中，球形容器被用于储存液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、氧气、氮气、天然气，城市煤气、压缩空气等物料；在原子能发电站，球形容器被用作核安全壳；在造纸厂被用作蒸煮球等。随着工业化的发展，球形容器的使用范围必将越来越广泛。

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2球罐的结构设计

2.1球罐壳体的优化设计 2.1.1壳体结构的确定

球壳是球形储罐的主体部分，它是储存物料和承受物料工作压力和液柱压力的受压构件。球壳的几何尺寸较大，用材量大，不能整体运输，所以它必须由许多瓣片组成，在制造厂进行球瓣的加工制作，最后运至安装现场进行组焊安装。接下来对球壳的三种主要结构进行论述比较，最终确定本次球罐壳体设计的主要形式。（见图2-1）

1.橘瓣式球壳

橘瓣式球壳的特点是组装焊缝相对于足球瓣式较规则，施工过程简单。大多数橘瓣式球罐采用偶数支柱，其分带分块对称，所以在组装焊接时其内应力分布较均匀，易保证球罐质量。此结构较灵活，按原材料的尺寸大小及压机跨度的尺寸，可以设计成不同球心夹角的分带与分块，一用来满足结构和制造工艺的要求。该结构也有其缺点：由于球片在各带位置尺寸大小不一，只能砸本带内或者在上、下对称带进行互换；下料成型较复杂，原材料利用率较低。橘瓣式结构适合用于任何体积大小的球罐，是世界各国普遍采用的结构。

2.足球瓣式球壳

足球瓣式球壳的球壳划分和足球是一样的，所有球壳板片大小相同，所以又称均分法，优点是每块板的尺寸相同，下料成形规格化，材料利用率高，互换性好，组装焊缝较短，焊接及检验工作量小，缺点是焊缝布置复杂，施工组装空难，对球壳板的制造精度要求高。由于受到钢板规格及自身结构的影响，一般只使用在制造容积小于120m3的球罐,本次设计不考虑该种类型。

3.混合式球壳

混合式球壳，其赤道带和温带采用橘瓣式结构，极板采用足球瓣是结构。由于该结构取用的是橘瓣式和足球瓣式两种结构形式的优点，其材料利用率高，焊缝长度缩短，球壳板数量减少，制造下料较简单，互换性好，客服了橘瓣式极板尺寸小，球瓣规格多的确定。缺点是用于有两种球瓣形式，制造精度要求高，组装校正要求高，且球壳主焊缝有Y形接缝，保证焊接质量的难度增大。

根据参考文献《混合式球壳与橘瓣式球壳的设计对比》中的结论：对于体积大于或者等于1000m3的球罐，采用混合式球壳，具有板材利用率高，运输方便，现场焊接工作量小的优点，因此在本次设计中采用混合式球壳。球壳设计的中心工作室缩短焊缝总长度，因为球罐的破裂事故绝大多数都是发生在焊接接头，缩短球壳的焊缝长度是提高球罐质量和安全可靠性的关键措施。根据

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GB/T17261-2011的推荐（见表2-1），在此标准中推荐了三带、四带、五带三种球壳形式，此次设计将选取最优方案，通过对三种不同方案球壳尺寸的计算比较，最终选取最优方案。

图2-1橘瓣式球壳 图片来源：GB/T17261-2011

图2-1橘瓣式球壳 图片来源：GB/T17261-2011

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表2-1混合式球罐参数与基本形式（部分）

资料来源：GB/T17261-2011

2.1.2壳体尺寸的计算

本次计算方法根据参考文献[1],根据国标推荐先对混合式三带球罐进行尺寸计算，其详细数据参考表2-1。

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符号说明见图2-3。

图2-3 符号说明

图片来源:参考文献[1]

R——球罐半径，mm；9000mm N——赤道带分辦数；20

α——赤道带周向球心角，（°）；18° β0——赤道带球心角，（°）；75° β1——极中板球心角，（°）；21° β2——极侧板球心角，（°）；21° β3——极边板球心角，（°）；21° 其他符号按下面各图中标示。

赤道板（见图2-3）尺寸计算：

??R?03.14?9000?75=?11781.0mm 弧长L=180180?75弦长L=2Rsin(0)?2?9000?sin()?10957.7mm

22??2?Rcos(?0)?2?3.14?9000cos(75)?2243.2mm 弧长B1N2202弦长B1?2Rcos(

?0??75??18?)sin()?2?9000?cos??sin???2233.9mm 22?2??2?7

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2?R2?3.14?9000??2827.4mm N20?18弦长B2?2Rsin()?2?9000?sin()?2815.8mm

22弦长： ??弧长B2D?2R1?cos2(??弧长D

?0?7518)cos2()=2?9000?1?cos2()cos2()=11183.1mm 2222D3.14?9000?11183.1?)?arcsin???12066.8mm 2R90?18000??R90arcsin(图2-4 赤道板

极板（见图2.5）尺寸计算

?=弧长B1?R90arcsin(B1)?8652.4mm 2R2Rsin(弦长B1???弧长D0?12H??2)?8323.0mm

?R90arcsin(D0)?12829.5mm 2R弦长D0?2B1?11770.5mm

??弧长B2?R(?1?2?2)180?9896.0mm

弦长B2?2Rsin(?12对角线弦长与弧长的最大间距：

??2)?9405.0mm

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H?1?sin2(

图2.5极板

?12??2)?1.13mm

（1）极中板（见图2.6）尺寸计算

?=?R?1?3298.7mm 弧长B2180?弦长B2?2Rsin(1)?3280.24mm

2???R(?1?2?2)?9896.0mm 弧长L2180?弦长L2?2Rsin(1??2)?9405.0mm

22Rcos(弦长L1???弧长L1?12)sin(A?12??2)?9289.3mm

?R90arcsin(L1)?9760.7mm 2R??????2Rsin?1?cos?1??2??2??2??2809.5mm

弦长B1?A??弧长B1?R90arcsin(B1)?2821.0mm 2R对角线弦长与弧长的最大间距：A?1?sin2(弦长D?L1?B1?9708.2mm

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22?12)sin2(?12??2)?0.9955mm

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??弧长D?R90arcsin(D)?10253.9mm 2R

图2-6极中板

（2）极侧板（见图2.7）尺寸计算

??????2Rcos?1?sin?1??2??2??2??9289.3mm

弦长L1?A??弧长L1?R?L?arcsin?1??9760.1mm 90?2R????2Rsin?1??2??2??8323.1mm

弦长L2?H?L?arcsin?2??8652.5mm 90?2R????R?2?3298.7mm 弧长B2180??弧长L2?R???弦长B2?2Rsin?2??3280.2mm

?2???弧长B1?R180?1?2915.4mm

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???弦长B1?2Rsin?1??2902.7mm

?2?弦长D?B1?L1L2?9263.7mm

22?D??R?弧长D?arcsin???9730.8mm

902R??式中，A、H同前；

?1?arcsin??L2?K?arcsin()?18.56o ?2R?2R???????2Rsin?1?cos?1??2??2??2??2809.5mm

K?A

图2-7极侧板

极边板（见图2.8）尺寸计算

???Rcos??0??11215.8mm L1??2?2????L1?2Rcos?0??10097.7mm

?2?11

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???2Rsin?2??3??2??8323.0mmL3?H ?L3??R?L3?arcsin???8652.4mm

902R?????R??3298.7mm B23180???B2?2Rsin?3??3280.2mm

?2????R??1831.5mm B12180???B1?2Rsin?2??1828.4mm

?2?D?B1?L1L3?9348.1mm

2?D??R?D?arcsin???9829.4mm

902R?????R??9724.8mm L24180???L2?2Rsin?3??9258.5mm

?2?式中：

?2??D?180??0?arcsin?0??11.66? 2?2R??3?90??0?M???arcsin???93.34 2?2R??2????sin?3???61.91? ?2???2?4?2arcsin????2Rsin?1??2??2??11770.5mm

M?H12

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图2-8极边板

以上是关于混合式三带球罐壳体尺寸的详细计算过程，在本次设计过程中关于GB/T17261-2011推荐的另一种混合式四带球罐，其上下极球心角均为90°,温带球心角为40°，赤道带球心角为50°，该类型球罐壳体尺寸计算与三带式球罐计算类似，本次设计中不做赘述，下表（见表2-2）为混合式三带球罐与混合式四带球罐壳体主要尺寸的相关比较

表2-2混合式三带球罐与混合式四带球罐壳体主要尺寸(单位：mm) 球壳类型 三 带 球 罐 四 带 球 罐 尺寸代号 B1 B2 L1 L2 L3 D B1 B2 B3 L1 L2 L3 D 赤道板 2243.2 2827.4 34.9 2827.4 2816.7 7854.0 7613.6 温带板 34.9 2562.5 2816.7 6283.2 6283.2 中板 2821.0 3280.2 9760.7 9896.0 2524.8 2827.4 8396.7 8827.2 侧板 2915.4 3298.7 9760.1 8652.5 2566.7 2827.4 8396.7 7657.8 8475.5 边板 1831.5 焊缝总长度 板块数 34 11781.0 3298.7 11215.8 9724.8 448262 8652.4 9829.4 1460.8 2827.4 9996.5 8560.8 7657.8 8633.2 525586.4 12066.8 10253.9 9730.8 54 通过以上表格的数据对比，明显可以得到以下结论：三带混合式球罐相对于四带混合式球罐，其焊缝长度减少了将近7.73m,球壳数更是减少了20块，材料利用率更高，而且实现了所有球壳板宽度相同，因为三带球罐是对称的，其球壳的互换性更好。采用三带式球罐，对于减少焊接和无损检测工作量，提高组焊焊施工效率，提高材料利用率，减少材料成本，提高球罐的质量和安全性具有重要意义。

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2.2焊接坡口的设计

球壳都是由球片焊接而成，所以焊接坡口的设计是保证球罐质量的重要环节。其设计的原则是：便于施工、便于检测，焊缝有足够的强度又经济合理。目前国内外球罐的焊缝系数都采用??1，因此坡口的设计就更为重要。

表2-3对接焊接坡口形式及尺寸

表格来源：参考文献[7]

坡口设计的影响因素：

1. 与采用焊接方法有关。用手工焊时采用不对称X型或Y型V型；当用自动焊，半自动焊启电垂直按所用焊机情况选定适当形式。

2. 与焊接公艺有关 采用不对称X型手工电弧焊时，采用小间隙坡口结构（C=1-3mm）是我国和日本的习惯。

3. 与球壳的钢板的厚薄有关，当钢板厚度大于20mm时，一般采用大型坡口（不对称或对称）当钢板厚度小于20mm时而采用手工焊时，一般采用Y型（V型）坡口。

4. 与焊接所在球壳部位（即焊工操作位置）有关。当采用手工焊焊接不对称X 型坡口时，一般适宜于把上温带，上极板的焊缝及赤道上环缝以上所有环缝的大坡口放在内侧，小坡口放在外侧；反之把赤道带，下温带和下极板的主从缝及赤道带下环缝以下的所有环缝的大小坡口放在外侧，小坡口在内侧。这样有

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利于碳弧气刨清根（或磨焊极）及着已检验的操作，同时小坡口侧便于预热，电焊工作（所谓大坡口是指焊根部较深那边）。

下表国内外球壳广泛采用的焊缝坡口形式与尺寸并结合国内施工经验而制定的，选用时壳根据下列原则：

（1） 焊缝要错排；

（2） 尽可能减少仰焊的工作量；

（3）角焊缝的焊角，取焊件中较薄者的厚度。补强圈的焊角：当补强圈的厚度大于等于8mm时，去焊角厚度等于补强圈厚度的70%，且不小于8mm。

本设计将选用不对称X型坡口形式。 2.3支座设计

球罐支座是球罐中用以支撑本体重量和贮存物料重量的结构部件，由于球罐壳体呈圆球状，给支座设计带来一定的困难，它即要支撑较大的重量，又由于球罐设计在室外，需承受各种自然环境影响，如风载荷，地震载荷和环境温度变化的作用。为了对付各种影响因素，结构形式比较多，设计计算也比较复杂。

支座形式有柱式支座和裙座两大类。柱式支座的支撑有赤道正切式支撑、V形柱式支座和三柱会一柱式支座。裙座支座包括圆筒裙式支座、圆锥形支座及钢筋混凝土连续基础池座的半埋式支撑。其中柱式支座中以赤道正切支座为国内外普遍采用。本次设计将采用赤道正切式支座。以下将对赤道正切式支座进行详细的介绍，最终确定其具体形式。

赤道正切式支座的特点是：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近乎相切，（相割）而焊接起来。一般说相割时，支柱的轴心线与球壳交点与球心连线与赤道平面的夹角约为10?~20?角支柱支撑球的质量，为了承受地震载荷和风载荷；保正球罐的稳定性，在支柱之间设置拉杆相连。这种支座的优点是受力均匀，弹性好，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修也方便。它的缺点主要是重心高，稳定性较差。

（1）支柱 支柱结构：支柱由圆管（一般由无缝钢管或者钢制卷板）、底板、端板三部分组成，分为单段式及双段式两种，其典型结构见图2-8。

对于低温球罐或容积较大的球罐及需要在车间进行赤道带局部热处理的球罐，应该采用分段或者两段支柱形式（见图2-9）。分段长度（上段）不宜小于支柱总长的1/3。上段支柱采用与壳体相同的低温材料或者高合金材料。该段一般应在制造厂内与球罐进行组对焊接，并对连接焊缝进行焊后热处理。上、下两段支柱在现场组对焊接，下端支柱可以采用一般碳钢。

分段连接支柱的段间环向接头应保证全焊透，可以采用沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板的对接接头结构。

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支柱上应该设置排气孔，以保护支柱内部的气体在受热膨胀时能及时逸出，而避免支柱由此而失稳破裂。正常操作时，为隔绝支柱内气体与外界的接触，排气孔可以用易熔塞堵孔。易熔塞由低熔点合金填充，常用易熔塞的合金组成为：Bi40%；Sn4%；Pb20%。

对于储存易燃、易爆及液化石油气物料的球罐，支柱上还应设置防火隔热层，以防止发生火灾时，支柱被烧软失稳倒塌，引起球罐破坏事故。按防火规范要求，对于球罐防火隔热的耐火性不低于2h。国外相关的防火规范要求其耐火性在2-2.5h以上。

选用的普通防火水泥厚度为50mm，可以保证耐火性为2h。按规定球罐必须设置静电接地板，每台球罐至少应在支柱底部位置设置2个对称布置的防静电接地板。

图2-9 球罐支柱

图片来源：参考文献[7]

（2）底板 支柱底板上开设地脚螺栓，应为径向长圆孔以便于支柱的径向移动，特别是在球罐整体焊后，在热处理过程中，由于球罐的热胀冷缩，支柱需

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做经向位置调整，位移主要是通过支柱底板底部的固定滑板（通常为预埋板）货滚柱来实现。由于支柱承受的载荷大，底板的摩擦力较大，实现自动移动是比较困难的，如果不进行必要的调整，球壳与支柱连接部位的高应力得不到释放。因此，需根据计算的位移值来确定柱脚的位置。

（3）拉杆 拉杆是作为球罐承受风载荷及地震载荷的部件，为了增加球罐的稳定性而设置。拉杆的结构分为可调式和固定式两种，所有拉杆与支柱的上下连接点应分别在同一标高。

<1>可调式拉杆（见图2-10）采用圆钢加工成长短两段而成。拉杆与支柱采用销连接，两根拉杆立体交叉处应留有间隙，不得焊死。用可调螺母连接以调节松紧度。拉杆张紧程度应均匀，拉力不宜过大。日常球罐运转中应注意液体冬夏温差变化和小地震引起的拉杆松动，应及时进行松紧调整。确定上下两拉杆长度时，应考虑便于安装及球罐在运转中拉杆长度的调节。同时，由于调节结构为机加工件，当上段过长受机加工的限制时，应考虑再分段，即采用图2-10所示的“连接板”结构形式。

<2>固定式拉杆（见图2-11），一般采用钢管。拉杆与支柱之间采用焊接结构，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。

2-10可调节式拉杆 图片来源：参考文献[7]

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图2-11固定式拉杆图

图片来源：参考文献[7]

2.4开孔设计

球罐一般设有物料进出口接管、人孔、排净放污接管以及各种仪表接管（压力计、温度计、液面计等），其中人孔一般设2个，可分别布置在球罐上、下极带板中心，其他的接管也应尽量设计在上、下极板上，便于集中控制、在制造厂完成接管的组焊和焊后热处理，保证接管部位的质量。开孔应避开焊缝。若不得不在焊缝上开孔时，则必须对以开孔中心为圆心，1.5倍开孔直径为半径的圆内所包容的焊缝进行100%无损检测，且合格。 2.4.1人孔结构

球罐的人孔是操作人员进出球罐进行检验及维修用的，在现场组焊需要进行焊后整体热处理的球罐，人孔又成为进风，燃烧口及烟气排出烟囱用。因此人孔直径的选择必须考虑操作人员携带工具进出球罐方便，以及热处理时工艺气流对截面的要求。一般选用DN600 较适宜。通常球罐上应设有两个人孔，分别在上下级带上，人孔与球壳相焊部分应选用与球壳相同的材料。

人孔结构在球罐上最好采用回转盖及水平吊盖两种，补强可采用整体锻件凸缘补强及补强板补强两种，在本次设计中采用整体锻件凸缘补强的人孔结构较合理，因为它即保证了因开孔削弱的强度得到了充分补强，节省材料，且避免了补强处壁厚的突变，降低了应力集中程度，焊缝采用对接，便于进行射线检测或超声波检测，从而保证焊缝质量。

在本次设计中上人孔采用水平吊盖式，下人孔采用回转盖式。上下人孔的直径都选用DN600 材料选用和球壳相同的材料。 2.4.2接管结构

由于工艺操作需要各种接管，球罐接管部分是强度较薄的部位，国内外较多的事故都是从接管焊接处发生的，为了提高该处的安全性，国外制造的球罐大多

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采用厚壁管或整体锻件凸缘等补强措施，以及在接管上加焊筋条支撑等办法来提高刚度和耐疲劳性能

（1） 接管材料与球壳相焊接的接管最好选用与球壳相同的材料，低温球罐应选用低温的钢管，并且保证在低温下具有足够的冲击韧性，接管的补强结构材料也应遵循同样的要求。本设计接管所选用的接管材料和球壳的材料相同都16MnDR

（2） 开孔位置球罐开孔应尽量设计在上，下极带上，便于集中控制，并使接管焊接能在制造长完成，便于进行焊厚热处理，保证接管焊接部位的质量。开孔位置应于焊缝错开，其间距应大于3 倍的板厚，并且必须大于100mm，在球罐焊缝上不应开孔。

（3） 孔的补强尺寸一般压力容器规范都规定了不需要补强的最大开孔接管尺寸，但是在球罐不宜使用此规定。

（4） 接管的补强结构球罐接管的补强尺寸有以下几种类型： ① 补强圈补强的接管补强结构。 ② 厚壁管补强结构 ③ 结整体凸缘补强构

为了提高接管的抗疲劳性能，球壳与接管的连接焊缝除了应具有足够的强度外，还应具有抗疲劳的能力，以克服进出料时的冲击，管道的振动，操作压力的波动和工艺配管应力等因素引起的疲劳破坏。在本次设计中采用整体凸缘补强，它可以同时补强球壳和接管。球罐上的所有接管都要设置加强筋，对小接管群可采用联合加强在本次设计中接管采用的材料和球壳的材料相同，接管补强采用整体凸缘补强界构。 2.5球罐的附件 2.5.1梯子平台

梯子平台的存在是为了方便日常的操作、检修以及安全阀的定期校检，本次设计中会设置顶平台、中间平台以及直达这些平台的斜梯、直梯或者盘梯。

顶平台作为工艺操作平台，在球罐顶部是一个圆形平台，所有的人孔接管以及安全阀、仪表等均在圆平台内，以便于操作；平台的宽度不应小于800mm。中间平台设置在赤道部位的目的是为了操作人员上下顶平台时中间休息或者作为检查球罐赤道部位的外部情况。

本次梯子设计采用的盘梯，为近似球面的螺线形。这样梯子在球面的距离能始终保持一致，没有陡升陡降的感觉，行走舒适还有利于保温的施工。 2.5.2喷淋装置

球罐上装设水喷淋装置是为了球罐内的液化石油气、可燃性气体以及有毒有

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害气体的隔热需要，同时也起着消防的保护作用。但是，消防保护和隔热有着不同的要求，一般球罐的喷淋装置有环形冷却水管或者导流式淋水装置。

对于储存易燃易爆的燃料，特别是液化石油气体的球罐必须设置消防喷淋装置，按照我国建筑设计防火规范的规定，消防喷淋装置的供水强度不应小于0.15L/(s*m2)，着火球罐的保护面积按其全表面积计算，距着火罐直径1.5倍范围内的相邻储罐按其表面积的一半计算。液化石油气的火灾延续时间应按6小时计算。为了防止支柱因直接受火而过早失去支撑能力，发生坍塌现象，对于储存易燃物料和LPG物料的球罐，其支柱应采用非燃烧性材料进行隔热保护，其火灾延续时间不应少于2小时。

以下是关于水喷淋装置的相关计算：

A??D0?1030.06m2

Q?Aq?2060.12L/min?2060.12kg/min

V?2m/s?120m/min

d?3.1624Q?14.8mm ?VN?1Q??91.6 2?2d6.667?10?0.6???1?p1?p2?即洒水孔的个数需要92个。 2.5.3隔热保冷装置

（1）隔热设施

储存液化石油气、可燃性气体和它的液化气以及有毒气体（氯、氨除外）的球罐壳体和支柱，应该设置隔热设施。隔热设施可采用水喷淋装置或采用不燃性绝热材料覆盖。隔热用水喷淋装置的设计在喷淋装置中已经介绍过，在此不做赘述。

（2）保冷设施

在球罐中储存须保持低温的物料（如储存乙烯、液化天然气、液氨等） 时，应设置保冷装置。

液化石油气、可燃性气体及毒性气体的有保冷设施的球罐，其保冷层表面采取如下措施：

<1>一般应该用耐热材料覆盖在保冷材料表面。

<2>在外表面装设有喷淋水等有效防火装置时，耐热材料的要求可降至具有200℃保温30min的性能。

<3>不燃性保冷材料如具有900℃、30min以上的耐热性能时，可只加适当的外部装饰，而不必另加耐热材料覆盖。

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<4>不燃性或难燃性的保冷材料如不具有900℃、30min以上的耐热材料的厚度，按使用的要求考虑。

<5>在使用不燃性保冷材料的场合，或者耐热材料的保持温度可以考虑为200℃时，则可使用难燃性材料作外层装饰。 2.5.4液位计

储存液体和液化气体的球罐中应装液位计。目前，球罐中采用的液位计主要有浮子-齿带液位计（又称浮子-钢带液位计）、玻璃板式液位计、雷达液位计、超声波液位计等多种。

浮子-齿带液位计是国内球罐常用的一种结构较为合理的连通管式液位计。它的特点是采用连通管，把多个玻璃板式液位计装设在连通管上，可以测量全液位，连通管要求采用DN50的钢管制成，并与球罐操作用梯子平台配合装设，便能较易观测液位情况。它的优点是可使球壳上液位计的开孔减少至最少数量，且节省配管材料。本次设计将采用此种液位计。

液位计设置时要在高、底液位线有报警装置，防止装载过重、抽空，以免发生事故，特别在装载液化气时更要慎重。 2.5.5压力表

为了测量容器内压力，球罐应设置压力表。考虑到压力表由于某种原因而发生故障，或由于仪表检查而取出等情况，应在球壳的上部和下部各设置一个以上的压力表。压力表的最大刻度为正常运转压力的1.5倍以上（不要超过3倍）。为使压力表读数尽可能正确，压力表的表面直径应大于150mm。压力表前应安装截止阀，以便在仪表校正时可以取下压力表。 2.5.6温度计

在球罐上安装1个以上的温度计，此温度计可以测量比最低使用温度低10℃的温度。

温度计的保护管

<1>保护管的强度，应能承受设计压力1.5倍以上的外压，并能充分承受使用过程中所加的最大载荷（流体阻力或外部冲击）。

<2>保护管外径，由于强度所限而不能太大。保护管的插入长度应对温度计的敏感元件是足够的。

<3>低温球罐或在寒冷地区装设的球罐，必须防止雨水、湿气等流入测温保护管内而结冰，从而影响正确的温度测量。 2.5.7安全泄放装置

1.安全阀的种类、数量及可设置的位置

为防止球罐运转异常造成内压超过设计压力，应在气相部分设置一个以上的

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安全阀，以便及时排出部分气相物料，自动地将内压回复设计压力以下。同时，在气相部分还要设置一个以上的辅助的火灾安全阀，使得由于火灾而使罐内物料温度及压力上升时，能自动发生作用，排泄物料，确保球罐不超压=。安全阀的形式通常采用直接载荷弹簧式。

2.泄放压力

（1）安全阀开启压力应根据不同的工艺操作压力而定，一般去pz≤(1.05-1.1)pw,当pz<0.18Mpa时，可适当提高pz对pw的比值。其中pz为安全阀的开启压力；pw为球罐的工作压力。

(2）操作用安全阀的开启压力 至少有一个安全阀的开启压力不应大于设计压力。

（3）火灾用安全阀的开启压力 应使容器内的超压限度不大于设计压力的16%

3．安全泄放量

本次设计只考虑液化气的安全泄放量，计算数据如下：

2.55?105FAr0.82Ws??8401.62kg/h

q式中: Ws——球罐的安全泄放量，kg/h;

q——在泄放压力下液化气体的汽化潜热，kJ/kg; Ar——球罐的受热面积，m2,按下列公式计算：Ar=1.57D02

F——系数，球罐置于地面下用砂土覆盖时取0.3；球罐在地面上时

取1；

4.安全阀的排放面积

符号说明：Ws——安全阀的安全泄放量，kg/h A——安全阀的最小排放面积，mm2

K——安全阀额定泄放系数，取0.9倍泄放系数

2k?1 C——气体特征系数，按C?520k()计算

k?1 P0——安全阀出口侧的压力 M——气体的摩尔质量

T——泄放装置进口侧气体的温度 Z——气体的压缩系数

k?122

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P0/Pd?0.049???2???k?1?kk?1?0.542

所以该泄放满足临界条件，所以：A?Ws7.6?10?2CKPdM/(ZT)?1319.56 mm2

安全阀喉部直径最小为 ：d?4A??40.99mm

根据计算，本次设计取规格为DN50的安全阀。

5.注意事项

（1） 安全阀应选弹簧式安全阀，不可使用低扬程安全阀

（2） 弹簧不可与介质大气直接接触，在不得已的场合，应进行耐腐蚀处理 （3） 弹簧的调节螺丝不能松动，应有防止随意调整的印封 （4） 安全阀应垂直安装，以保证容器和安全阀之间畅通无阻 （5） 安全阀的安装位置尽可能布置在平台附近，以便检查及维修

(6）单独排入大气的安全阀，其出口管线管径按管线压力降不大于其定压的

10%确定，但不应小于安全阀出口直径。

(7）备用安全阀应有明确其为备用的标志。 (8）在向大气直接排放的场合，排放蒸汽应垂直向上喷出，并在端部设置保护罩，以防止雨水、锈屑、尘土等的堆积。

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3罐的强度计算

3.1设计参数

公称容积：3000m3 球壳半径：18000mm 设计压力：0.8MPa 设计温度：50℃

工作介质：液化气（密度为578kg/ m3） 充装系数：0.9 场地类型：Ⅰ 类 地震设防烈度：7度 基本风压：450 N/m2 基本雪压：200 N/m2 3.2球壳计算

3.2.1液柱高度与计算压力

由相关参数，可以得出以下计算：

4理想容积：V??R3?3053.6m2

3实际装填容积：V实际=0.9V=2748.24m2 球壳内液体体积与液位深度关系式：

2??D?2?Dh?D2h3???2 V=????????h??dh????Dh?h?dh???h??

003?????2??2??2?将数据带入以上关系式可得液位高h=14475.6mm，用相似的方法将各带液柱

h高度(见图3-1)求出如下:

ha＝0 mm hb＝5475.6 mm hc＝10973.6 mm hd＝14475.6mm

由计算压力与液柱高度关系式：pci?p?H???g?10?9

pcia?p?ha???g?10?9?0.8MPa

pcib?p?hb???g?10?9?0.831MPa pcic?p?hc???g?10?9?0.862MPa

pcid?p?hd???g?10?9?0.882MPa

将计算结果绘制成表格汇总（见表3-1）。

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表3-1液位高度与对应计算压力 计算点 上极带板 赤道中心板 赤道板 下极带板

各带球心角?/(°) 105 75 105 各带物料高度/mm 0 5475.6 10973.6 14475.6 计算压力pci/Mpa 0.8 0.831 0.862 0.882

图3-1 物料液位高度示意图

3.2.2球壳厚度球罐质量的计算

考虑到球罐的制造的经济性，本次设计中球壳将采用采用16MnR，设计温度下许用压力为????174MPa；取焊缝系数：??1.0，腐蚀余量C2?2mm，钢板厚度负偏差C1?0mm，故厚度附加量C?C1?C2?2mm。

设计温度下，球壳的计算厚度以下公式进行计算：?=tpciDi4?????pcit

?a=?b=pciaDi4?????pciapcibDi4?????pcibtt?20.71mm

?21.52mm

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?c=?d=pcicDi4?????pcicpcidDi4?????pcidtt?22.32mm

?22.84mm

圆整以后取?=4mm,考虑到厚度附加量取球壳名义厚度?n=26mm（注：与支柱焊接的赤道带板的厚度取27mm） 3.2.3球壳强度校核

由GB150-2011规定可知，球罐可以通过第一强度理论进行理论计算校核，当?

1. 气体压力形成的应力

t

t

??=??=pDcp4??138.5MPa

2. 液柱压力形成的应力

（1） 上极带：由于液柱高度不到上极板，故上极带无液柱压力。 （2） 赤道带以及下极板：

2?g?Rcph(3Rcp?h)?9.8?578?92 ????H???2??3(2Rcp?h)?2?56???h(3?9000?h)? 18000?h???3(2?9000?h)??式中0?h?9000

由于该函数在区间[0,9000]内为单调递减函数，所以当h=0时，函数具有最大值，即??max=0.074Mpa

2?g?Rcph(3Rcp?h)?9.8?578?92????H???2??3(2Rcp?h)?2?56???h(3?9000?h)? 18000?h???3(2?9000?h)??同理可得??max=0.074MPa

综合以上计算结果可知，球罐最大应力应在罐底：

?max=0.074+138.5=138.574MPa

所以球罐球壳片强度合格。

3. 水压试验：pT?1.25pt???t????1MPa

4. 气密性试验：pT?p???t????0.8MPa

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3.3球罐质量计算

球壳平均直径：Dcp=18056mm； 球壳材料密度：物料密度：

?1=7850kg/m3；

?2=578 kg/m3；

水的密度：?3=1000 kg/m3； 充装系数：K=0.9； 球壳外直径：D0=18112mm； 基本雪压：q=200N/m2； 球面的积雪系数：C0=0.4； 保温层厚度：?b=30mm. 1.壳体质量：

2m1??Dcp?n?1?10?9?208349.1kg

2.物料质量：

?m2?Di3?2K?10?9?1588497.32kg

63.液压试验时液体的质量：

?m3?Di3?3?10?9?3053628.1kg

64.积雪质量：

m4??4gDo2qCs?10?6?4178.6kg

5.保温层质量：

m5?4?Ro2?b?x?10?9?1382.1kg 6.支柱与拉杆的质量：

支柱质量： mz?10??0.88?16?11?7850?10?3?38195.7kg

拉杆质量：ml?20??0.042?8.94?7850?7055.2kg 支柱与拉杆总质量：m6?mz?ml?45250.9kg

7.附件质量：

m7?20000kg

8.操作状态下球罐总质量：

m0?m1?m2?m4?m5?m6?m7?1867658.02kg 9.球罐最小质量：

mmin?m1?m6?m7?273600kg

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3.4地震载荷的计算 3.4.1球罐的基本自振周期

支柱底板面至球壳中心的距离：H0=11000mm

支柱地板面至拉杆中心的与支柱中心线交点处的距离：l=8000mm 支柱数：n=10

Es=206000MPa支柱外直径：支柱制造材料为Q345R钢，其常温下弹性模量：do=880mm

支柱内直径：di=848mm 支柱横截面的惯性矩：I??64拉杆影响系数：l/ H0=0.727

根据GB12337-2014相关规定（见表3-2），采用内插法计算拉杆影响系数。

(do4?di4)?4.05?109mm4

表3-2拉杆影响系数 l/ H0 0.90 0.028 0.80 0.104 0.75 0.156 0.70 0.216 0,65 0,282 0.60 0,352 0.50 0.50 ? 表格来源：GB12337-2014

最终取?=0.17541

m0Ho3??10?3?0.415s 所以球罐的基本自振周期：T??3nEsI3.4.2水平地震力

综合影响系数：Cz=0.45

地震影响系数的最大值根据GB12337-2014规定（见表3-3）取得?max=0.08

抗震设防烈度 地震影响系数最大值 表3-3水平地震影响系数最大值 7 8 0.08 0.16 表格来源：GB12337-2014

9 0.32 各类场地土地的特征周期根据GB12337-2014规定（见表3-4）取得Tg=0.3

表3-4场地的特征周期 设计地震分组 第一组 第二组 第三组 场地类别 Ⅰ0 0.20 0.25 0.30 Ⅰ1 0.25 0.30 0.35 Ⅱ 0.35 0.40 0.45 Ⅲ 0.45 0.55 0.65 Ⅳ 0.65 0.75 0.90 表格来源：GB12337-2014

?Tg 对应自振周期的地震影响系数：?=??T28

???max?0.057 ?安徽理工大学毕业设计

球罐承受的水平地震力：Fe?Cz?m0g?4.7?105N 3.5风载荷的计算

风载荷体型系数：K1=0.4

根据GB12337-2014表20规定（见表3-5），利用中间值插法计算，系数?1=1.304 T/s <0.25 1.0 0.5 1.4 1.0 1.7 表3-5 系数 1.5 2.0 2.5 2.0 2.3 2.5 表格来源：GB12337-2014

?1 3.0 2.7 4.0 3.0 ≧5 3.2 球罐的风振系数：K2=1+0.35?1=1.46 基本风压：q0=450 N/m2

支柱底板面至球壳中心长度：H0=11000m

风压高度变化系数根据GB12337-2014中表21规定（见表3-6）利用中间值插法计算求得f1=1.028

表3-6风压高度变化系数

距地面高度H0/m A 5 10 15 20 30 40 1.09 1.28 1.42 1.52 1.67 1.79 B 1.00 1.00 1.13 1.23 1.39 1.52 表格来源：GB12337-2014

地面粗糙类别 C 0.65 0.65 0.65 0.74 0.88 1.00 D 0.51 0.51 0.51 0.51 0.51 0.60 球罐附件增大系数f2=1.1

?球罐的水平风力：Fw?Do2K1K2q0f1f2?10?6?7.61?104N

43.6弯矩的计算

首先比较Fe?0.25Fw与Fw，取两者中的最大值Fmax Fe?0.25Fw=4.7?105?0.25?7.61?104?4.89?105N

显然Fmax=Fe?0.25Fw=4.89?105N 力臂：L?H0?l?11000?8000?3000mm 综上由水平地震力和水平风力引起的最大弯矩：

Mmax?FmaxL?4.89?105?3000?1.47?109N?mm

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图3-2球罐弯矩计算

资料来源：参考文献[7]

3.7支柱的计算

本次设计采用的是可调式拉杆，即以下计算只适用于可调式拉杆。 3.7．1单个支柱的垂直载荷

1.重力载荷

操作状态下的重力载荷：

G0?m0g?1.83?106N n液压试验状态下的重力载荷：

mgGT?T?3.27?106N

n2.最大垂直载荷“

（1）最大弯矩对支柱产生的垂直载荷“

2Mmaxcos?iFi?

nR其中R=9000mm，根据GB12337-2014规定，在B向计算角较小，所以其余弦值较大，也就是说B向受力最大。 （3） 拉杆作用在支柱上的垂直载荷

相邻两支柱间用拉杆连接时，根据GB12337-2014规定，拉杆作用在支柱上的垂直载荷如下：

Pi?j?lFmaxsin?i 180onRsinn30

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根据GB12337-2014表22内容（见表3-7）规定：

表3-7载荷(Fi)max、(Fi?P(Pi?j)max、i?j)max

拉杆连接方式 所用相邻两支柱间用拉杆连接 支柱数目 (Fi)max/N (Pi?j)max/N 0.5000a 0.3236a 0.3333a 0.2500a 0.2000a 0.1667a 0.1429a 0.5000b 0.3236b 0.3333b 0.3266b 0.3236b 0.3220b 0.3210b (Fi?Pi?j)max/N 0.5000a+0.5000b A向2号柱 0.3236a+0.3236b A向2号柱 0.3333a+0.3333b A向3号柱 0.2500a+0.3266b A向3号柱 0.2000a+0.3236b B向4号柱 0.1667a+0.3220b A向4号柱 0.1429a+0.3210b B向5号柱 4 5 6 8 10 12 14 a?Mmax/R;b?lFmax/R 表格来源：GB12337-2014

根据表格内容可知，支柱为10时，在B处受力最大：

M(Fi)max?0.2max?3.27?104N

RlF(Pi?j)max?0.3236max?1.41?105N

RMlF(Fi?Pi?j)max?0.11768max?0.3078max?1.53?105N

RR3.7.2支柱的最大垂直载荷

1.操作状态下支柱的最大垂直载荷：

6 W0?G0?(Fi?Pi?j)max?1.983?10N

2.液压试验状态下支柱的最大垂直载荷： WT?GT?0.3(Fi?Pi?j)max3.7.3单个支柱弯矩

支柱在操作状态与试验状态中，在内压作用下，球壳直径会增大，于是支柱会承受偏心弯矩和附加弯矩。

1. 偏心弯矩

操作状态下赤道线的液柱高度：hoe?5475.6mm 试验状态下赤道线的液柱高度：hTe?9000mm

操作状态下物料在赤道中心线处所形成的液体静压力：

poe??2ghoe?10?9?0.031MPa

Fw?3.28?106N Fmax试验状态下赤道线的液体静压力：

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pTe??3ghTe?10?9?0.088MPa

壳体的有效厚度：?e??n?C?24mm 操作状态下物料在球壳赤道线的薄膜应力：

?oe??p?poe?(Di??e)?156.02MPa

4?e液压试验状态下球壳赤道线的薄膜应力：

?Te??p?pTe?(Di??e)?166.72MPa

4?e球壳内直径：Ri=9000mm

球壳制造材料16MnR的泊松比：??0.31 材料的弹性模量：E=212000MPa 操作状态下支柱的偏心弯矩：

?RWMo1?oeio(1??)?9.06?106N?mm

E液压试验状态下支柱的偏心弯矩：

?RWMT1?oTio(1??)?9.68?106N?mm

E2.附加弯矩

操作状态下支柱的附加弯矩：

Mo2?6EI?oeRi8(1??)?1.95?10N?mm 2H0E液压试验状态下支柱的偏心弯矩：

MT2?6EI?TeRi(1??)?2.08?108N?mm 2H0E3.总弯矩

操作状态下的总弯矩：

Mo?Mo1?Mo2?9.06?106?1.95?108?2.04?108N?mm

液压试验状态下支柱的总弯矩：

MT?MT1?MT2?9.68?106?2.08?108?2.18?108N?mm

3.7.3支柱稳定性校核

1.支柱偏心率的计算

单个支柱的横截面面积：

?A??do2?di2??4.343?104mm2

4单个支柱的截面系数：

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Z??32do?d4o?di4??9.213?106mm3

操作状态下支柱的偏心率：

?o?1MoA?0.485 WoZ液压试验状态下支柱的偏心率：

?T?1MTA?0.313 WTZ2. 稳定性校核

根据GB12337-2014要求。计算长度系数：K3 支柱的惯性半径：

ri?I?305.5mm A支柱长细比：

??K3Ho?36 ri等效弯矩系数： ?m?1 截面塑形发展系数：??1.15

支柱材料为Q345R，其弹性模量E=206000MPa，?s?325MPa

欧拉临界力：

WEX?2EA??6.81?107N

?根据GB12337-2014规定（见表3-8），在操作状态下偏心受压支柱的稳定系数应根据中间值内插法计算，最终取得?op=0.878，同理，在液压试验状态下，偏心率受压支柱的稳定系数?Tp=0.883.

支柱材料的许用应力：

????c?s?216.7MPa1.5

表3-8 Q345钢焊接钢管截面轴心受压支柱的稳定系数 ? 0 10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1.000 1.000 1.000 0.999 0.998 0.997 0.996 0.995 0.993 0.991 0.989 0.987 0.984 0.981 0.978 0.975 0.972 0.968 0.964 0.960 33

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20 30 40 50 0.956 0.952 0.948 0.943 0.939 0.935 0.921 0.926 0.922 0.917 0.913 0.908 0.903 0.899 0.894 0.889 0.884 0.879 0.874 0.869 0.863 0.858 0.858 0.847 0.841 0.835 0.829 0.823 0.817 0.811 0.804 0.798 0.791 0.784 0.778 0.771 0.764 0．756 0.749 0.742 表格来源：GB12337-2014

操作状态下支柱的稳定性校核：

Wo??opA?mMo?Z?1?0.8??Wo??WEX??71.83MPa????c

液压试验状态下支柱的稳定性校核：

WT??oTA?mMT?W??Z?1?0.8T?WEX???107.1MPa????c

操作状态与液压试验状态下均通过稳定性校核，所以该支柱稳定性合格。 3.8地脚螺栓计算

3.8.1拉杆作用在支柱上的水平力

根据GB12337-2014规定，其水平力的计算公式如下：

Fc?(pi?j)maxtan??1.41?105?0.7?9.87?104N 其中?为支柱与拉杆的夹角，其计算如下： 1802Rsinn?18000?sin18?0.7 tan??800080003.8.2支柱底板与基础之间的摩擦力

根据GB12337-2014规定，钢筋混凝土基础的摩擦系数：fs=0.4 底板与基础之间的摩擦力计算如下： mg273600?9.8?1.07?105N Fs?fsmin?0.4?n103.8.3地脚螺栓的计算

根据GB12337-2014规定，当Fs>Fc时，球罐不需要设置地脚螺栓，但是为了固定球罐位置，应设置一定数量的定位地脚螺栓。

本次设计中，每个支柱上设置一个定位地脚螺栓：nd=1 地脚螺栓材料：40MnB，?s=635MPa 地脚螺栓材料的许用剪切应力：

???B?0.4?s?0.4?635?254MPa

地脚螺栓的腐蚀裕量：CB?3mm

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地脚螺栓的螺纹小径：

Fs?Fc1.07?105?9.87?104dB?1.13?CB?1.13??3?9.6mm

nd???B1?254根据计算选取M10的地脚螺栓。 3.9支柱底板 3.9.1支柱底板直径

本次设计球罐的基础是钢筋混凝土，其许用应力：???bc?3.0MPa

地脚螺栓直径：d=10mm

根据GB12337-2014设计规范，支柱底板直径：

Db1?1.13???bcWmax3.28?106?1.13??1181.6mm

3式中Wmax为液压试验下支柱的最大垂直载荷

Db2?(8?10)?880?10?7050?8890mm

选取两者中的最大值，即选取底板直径Db=16000mm 3.9.2支柱底板厚度

底板的压应力：

?bc?446W??3.28?10?1.63MPa max22?Db??1600底板的外边到支柱外表面的距离：lb?(1600?880)/2?360mm 底板的材料：Q345R，?s?325MPa 底板材料的许用弯曲应力： ?325?216.7MPa ???b?s?1.51.5底板腐蚀裕量：Cb=3mm 底板厚度：

?b?3?bclb2???b3?1.63?3602?Cb??3?57.1mm

216.7根据计算结果，选取底板厚度60mm 3.10拉杆计算

3.10.1拉杆螺纹小径的计算 拉杆的最大拉力： FTp???i?jmaxcos?1.41?105??1.72?105N

cos3535

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拉杆材料Q235A，?s?215MPa

拉杆材料的许用应力：

???T??s1.5?215?143.3MPa 1.5 拉杆的腐蚀裕量：CT=2mm

拉杆螺纹小径： dT?1.13???TFT1.72?105?CT?1.13??2?41.15mm

143.3 选取拉杆的螺纹公称直径M42

3.10.2拉杆连接部分的计算

1.销子直径

销子的材料：35号钢，?s?295MPa

销子材料的许用剪切应力：???p?0.4?s?0.4?295?118MPa 销子直径： dp?0.8???pFT1.72?105?0.8??30.5mm

118选取销子直径M40。 2.耳板厚度

耳板材料：Q345R，?s=285MPa 耳板材料的许用应力： ?c?dp???cFT1.72?105??14.6mm 40?295.53.翼板厚度

翼板材料：A3钢，?s、=225MPa 翼板厚度： ?a??c??s20?325??14.4mm 2?s、2?225选取翼板厚度为20mm

3. 拉杆与支柱的连接焊缝强度校核 焊缝长度：L1??do???219?688mm 焊缝焊角尺寸：S1=8mm

支柱与拉杆材料的最小屈服强度：Rel=325MPa 角焊系数：?a?0.6

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拉杆承受的最大拉力：FT=172000N 焊缝的许用剪切应力：

???w?0.4Rel?a?0.4?325?0.6?78MPa

拉杆支柱的连接焊缝的应力校核：

FT1.72?105??5.52MPa????w

1.41L1S11.41?2764.6?8即焊缝强度校核通过

3.11支柱与球壳连接最低点的应力校核

支柱与壳体的连接如下图（图3-2）

图3-3支柱与壳体连接

图片来源：GB12337-2014

3.11.1 a点的剪切应力

支柱与壳体连接焊缝单边弧长：Lw=3150mm 球壳a点处的有效厚度：?ea?27mm 操作状态下a点的剪切应力：

?o?Go??Fi?max2Lw?ea1.83?106?3.27?104??10.95MPa

2?3150?27液压试验状态下a点的剪切应力：

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GT?0.3?Fi?max2Lw?eaFwFmax7.61?1043.27?10?0.3?3.27?10?54.89?10??19.23MPa

2?3150?2764?T?3.11.2 a点的维向应力

操作状态下a点的液柱高度：hoa=8475mm 液压试验状态下a点的液高：hTa=12000mm 操作状态下物料在a点的液体静压力：

poa??2ghoa?8475?578?9.8?10?9?0.048MPa

试验状态下物料在a点的液体静压力：

pTa??3ghTa?12000?1000?9.8?10?9?0.117MPa

操作状态下a点的维向应力：

?o1??p?poa??Di??ea???0.8?0.048???18000?27??141.55MPa

4?ea4?27液压试验状态下a点的维向应力：

p?pTa??Di??ea??1?0.117???18000?27???T1???186.45MPa

4?ea4?273.11.3 a点的组合应力与应力校核

操作状态下a点的组合应力：

?oa??o??o1?10.95?141.55?152.5Mpa

液压试验状态下a点的组合应力：

?Ta??T1??T?186.45?19.23?205.68mpa<292.5MPa

3.12支柱与壳体连接焊缝的强度校核

Go??Fi?max?1.83?106?3.27?104?1.8627?106MPa

GT?0.3?Fi?maxFw7.61?10464?3.27?10?0.3?3.27?10??3.272?107MPa 5Fmax4.89?107 即W取以上两者中的最大值W=3.272?10MPa

支柱与壳体连接焊缝焊脚尺寸：S=12mm 支柱与壳体连接焊缝的剪切应力：

W3.272?106 ?w???55.1MPa

1.41lwS1.41?3512?12 支柱与壳体材料屈服点的最小值：?s?325MPa 焊缝的许用剪切应力：

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???w?0.4?s?a?0.4?325?0.6?78MPa

显然?w

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4球罐的制造与组装

球罐的组装一般是在现场进行的。在工厂中的制造指对相关部件进行加工，例如：球壳瓣片的下料成型、坡口加工、极板与接管的焊接、赤道板与支柱的焊接、附件的加工、相应的焊后热处理。球瓣加工完成后还需要对坡口进行防锈处理，出厂前必须进行包装，保证在运输过程中不产生变形与损伤。 4.1制造工序 4.1.1.材料的检验

制造厂必须按照设计文件的规定与相关标注进行材料的检查与验收。首先要明确的是刚板的使用状态，当进厂材料的实际状态和使用状态相符是方可进行下一步的工序。并且球罐用钢必须按照钢材生产单位的钢材质量说明书原件进行复验，复验的主要内容如下：

(1)化学成分 （2）拉伸试验 （3）弯曲试验 （4）冲击试验 （5）尺寸及外观检查

（6）超声波探伤检验（内部质量检查） （7）其他技术要求中规定材料检验

当钢材检验合格达到设计要求时，应该在每张刚板上作适当的标志，并且要求在以后的制造加工过程中任然保持这些标志，以备识别查考。 4.1.2瓣片加工

1．球瓣的加工成型

球瓣的加工成型是指钢板通过压机的压力冲压加工面而达到需要的形状。按照不同的加工温度可以将其分为以下几个不同操作：常温下操作的冷压、温度在上临界点的热压、温度在临界点以下的温压。

瓣片的加工成型方法的选择应该根据材料的种类、厚度、曲率半径、热处理、强度、延展性和设设备能力进行选取。

一般情况下，为了提高球瓣的加工精度，尤其是哪些适用于热处理状态使用的并以使用状态供货的钢板（如正火状态使用、水淬加回火状态使用），建议使

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用冷压成型操作。

2．瓣片的放样与坡口加工 （1）瓣片的放样

球壳都为曲面，不能在平面上精确展开。因此瓣片不可能一次精确下料。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

圆柱形壳一般可以先开坡口，再成型；但球瓣就不行。各个球瓣的焊接坡口须在球瓣压制成型后加工，也可与瓣片二次下料同时进行。

坡口加工的方法有火焰切割，风铲，机械加工急打磨。也可采取各个方法相结合进行。加工坡口最号采用是机械加工。他不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。要求是：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。 4.2现场组装

我国采取的组装方法有整体组装法、分带组装法以及分带、整体混合组装法，其中整体组装法又分为：散装法、拼大片组装法。分带组装法分为：拼环带组装法、拼半球组装法。一般大型球罐采用的是散装法，以下对散装法进行详细介绍。

散装装法又称单片组装法，把单张球瓣逐一组装成型的方法。优点是由于单片组装，所以不需要大型起吊机具和安装场地，工作量小，组装迅速，组装精度容易得到保障，组装应力小；缺点是由于散装的特点，它的高空作业量较多，要求全位置焊接的技术也较为严格，焊工操作的劳动量大，对球罐的几何尺寸及形状要求也高，且需相当数量的工夹具。

随着球罐专用材料的出现普及，球罐的单片球瓣就有相当面积和重量，这样单片组装法对各种球罐的组装，尤其是大型球罐的组装显得更为优越。 4.3组装准备

组装前有很多的准备工作要做，本次设计中主要介绍以下几种重要的准备工序：

4.3.1基础检查验收

不论采用哪种安装手段，基础尺寸的精确度都会直接影响到球罐安装的质量和施工进度。在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。

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4.3.2球瓣的几何尺寸检查和理化检验

安装之前必须要对球瓣的曲率及尺寸精度进行严格检查。检查时应把球瓣吊到胎具上进行，将不合格的壳板进行校准。

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，必须对球辦逐张认真检查，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。 4,4组装精度的控制

4.4.1支柱偏差的控制

在我国的一些规范中规定支柱的垂直偏差?为：

H?8000mm时 ??10mm

H?8000mm时 ??1.5H 且?15mm 其中??/A1?A2/ 1000用平垫铁组来保证支柱偏差会得到较好的结果。它利用不同厚薄的平垫铁组来调整保证y1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。 4.4.2椭圆度、焊缝错变量和角变形

在球罐安装过程中，椭圆度、焊缝错变量和角变形是主要的控制对象之一。它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。 4.5组装安全措施

安全生产是安装工程成功的保证。球罐施工往往会由于吊车起装作业、高空作业以及在焊接过程的预热、施焊引起的明火、高温等现象。因此，如何保证安全是安装工程的重要课题。

1. 安全制度和教育

在进入施工之前应对所有工作人员进行各种安全教育，使每个工作人员都明确安全生产的重要性，并请有关专业人员进行有关的安全知识讲座，使工作人员掌握各种防护知识，如消防等。

2. 安全用电

球罐的内部作业处于通风不良、高温、高湿的环境，操作工作易出汗而且处于导电体的包围中，容易造成触电的危险。一切供电干线必须执行有关的用电规

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定，如不准用螺线、干线应埋没、钢丝绳与电线交叉处大于5m等。罐内外的照明用电必须使用安全电压。另外，现场作业往往在野外，需设置防雷设备。

3. 消防措施

球罐安装工程要动火的机会很多，现场使用的易燃物品也很多，因此要安排好材料的堆放场地，严禁乱堆乱放。为防止电器及液化气等造成火灾，要在有关场及工作岗位设置各种适合的灭火器材，。在球罐内和球罐外附近应设干粉灭火器或者气体灭火器，不宜使用液体灭火器。因为一旦喷到高温的焊缝容易产生裂纹。

4. 高空作业防护

大中型球罐的安装工作大部分分为高空作业，且作业的位置和环境都比较恶劣，个人的防护很重要，安全帽、安全带是比需的，高空作业的岗位，如手脚架及其踏板应牢固可靠。上下作业应搭设安全网。

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结论

本次对3000m3大型液化气球罐的设计，主要完成了以下工作：

1.根据GB12337-2014和GB17261-2011的规定，首先了解球罐的结构，对于焊接构件来说，焊缝长度越短，越是能保证球罐的质量。将此作为本次设计的优化点，通过优化计算后最终确定了其混合式三带结构。相对于一般的四带球罐来说，三带球罐的焊缝明显减少了，其优越性可想而知。

2.确定结构形式以后，完成了球罐各带球瓣尺寸的计算。

3.完成了相关部件的强度校核计算，该计算部分工作量最大、最繁杂，是本次设计的核心部分。通过计算，确定各个部分的受力情况均能满足强度要求。

4.设计的最后阶段，是关于现场组装的阐述。指出了制造的基本工序以及现场组装的关键点，对工人施工有着指导意义。

5.进行装配图和相关零部件图的绘制，将设计的球罐的特点通过图纸更清楚的表达出来。

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