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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。为满足我国天然气存储需求，同时也满足石油、化工、轻纺、冶金等行业对球罐化的需要，迫切需要发展有自主知识产权的特球罐核心技术。球罐的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5000M3天然气球罐设计、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（SW6-2011）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
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“storage 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 5000 m3 large-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(SW6-2011).
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 球罐的化面临的问题 12
2 5000M3天然气球罐制造工艺 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 5000M3天然气球罐应力分析 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
