sphere球罐讲义课件讲解

第24章球形储罐压力容器设计工程师培训教材
目录
•24.1 型式 (TYPE)
•24.2 球壳板 (SHELL PLATES)
•24.3 装量高度 (FILLING HEIGHT) •24.4 标准 (STANDARD)
•24.5 设计 (DESIGN)
•24.6 材料 (MATERIAL)
•24.7 零部件﹑附件(PARTS, ATTACHMENTS)
•24.8球壳板成形(FORMING OF SHELL PETALS)
•24.9组焊(ASSEMBLY WELDING) •24.10无损检测(NONDESTRUCTIVE EXAMINATION)
•24.11焊后整体热处理(POSTWELD HEAD TREATMENT FOR COMPLETED TANK AS A WHOLE) •24.12产品焊接试板(PRODUCT WELDED TEST COUPON)
•24.13压力试验和气密性试验(STATIC PRESSURE TEST AND PNEUMATIC TEST)
•24.14特种球罐(SPHERICAL TANK FOR SPECIAL PURPOSE)
24.1型式
(a)桔瓣式(b)足球瓣式(c)混合式
图24-1 球壳板结构型式
表24.1 1000m3桔瓣式与混合式球罐比较表
型式
球壳
分带数
支柱
根数
总块数各带分块数
焊缝
长度
(m)
桔瓣式58543+16+16+16+3352引进罐
混合式38287+14+7272
桔瓣式5
8
10
54
66
3+16+16+16+3
3+20+20+20+3
GB/T17261
混合式3
4
8
10
30
54
7+16+7
7+20+20+7
24.2球壳板
•球壳板设计要点﹕
•(1)球壳板的几何尺寸应尽可能大。

•(2)选择合适的钢板规格,提高板材利用率。

•(3)规格要少,互换性要好。

•(4)相邻带纵焊缝应相互错开。

•(5)焊缝布局应均匀,减少装配应力﹑拘束应力与残余应力。

•(6)必须考虑压机及起重能力。

图24-2 引进1000m3丙烯罐俯视图
名称块数
球壳板尺寸
长x宽(弧长)mm
原材料钢板尺寸
长x宽,mm
赤道板温带板极中板极侧板20
40
2
4
6047.6x2237.6
6047.6x2237.6
6155x2450 (20块)
6250x3515 (20块)
6085x3055 (2块)
5330x3065 (2块)
面积总和
(m2)
746810.83表24.2-1 1900m3乙烯罐下料表
公称容积内径各带板数各带球心角°(m 3
) (mm)L
M N 型式S1S2S3S4S5支柱数量焊缝长度(m)400915012––A 903030––6154.4500985012––A 903030––6166.26001050012––A 903030––6177.17001105012––A 903030––6186.48001155012––B 602424––8224.59001200012––B 602424––8233.310001245016––B 702222––8274.515001425016––B 702222––8314.220001565015––B 702220––10335.525001685018––B 802020––12402.93000179001818–C 10401818–12494.63500188502121–D 5022.51717–14513.64000197002424–D 50251616–16708.75000212502424–D 5027.51515–16775.56000
22550
24
24
24
E
40
30
20
14
14
16
892.5
表24.2-2 国外某公司液体球罐球壳板分割表
表24.2-2附图-球罐型式
球罐装量系数与装量高度关系:
装量系数K 系球缺体积V ´与壳体
积V 之比值:
令:装量系数K 相对应的装量高度
H 为:H=kD
i
k 为装量高度系数,则:K=3k 2-2k 3
例:1000m 3丙烯球罐,内径
Di=12300mm,装量系数K=0.9,
求装量高度?
解:查表24.3:K=0.9得 k=0.8042
则其装量高度为:
H=kDi=0.8042x12300=9891.66
mm
24.3 装量高度
3
234)
3('i
R H
Ri H V V K ππ-==H Di
表24.3 装量系数K与装量高度系数k的关系
K k K k K k K k K k 0.500.50000.600.56710.700.63680.800.71290.900.8042 0.510.50670.610.57390.710.64400.810.72110.910.8150 0.520.51330.620.58070.720.65130.820.72940.920.8263 0.530.52000.630.58760.730.65870.830.73800.930.8383 0.540.53670.640.59450.740.66610.840.74670.940.8510 0.550.53340.650.60140.750.67360.850.75560.950.8646 0.560.54010.660.60840.760.68130.860.76470.960.8796 0.570.54680.670.61540.770.68900.870.77410.970.8964 0.580.55350.680.62250.780.69680.880.78380.980.9160 0.590.56030.690.62960.790.70480.890.79380.990.9411
序号项目GB12337-1998GB50094-98
1
编制
颁发全国压力容器标准化技术
委员会提出
国家质量技术监督局发布
建设部编制
建设部与国家技术监督局联合
发布
2适用
范围
P=4MPa
V≥50m3
桔瓣或混合式
支柱支撑
碳钢或低合金钢制球形储
罐
0.1MPa≤P≤4MPa
V≥50m3
桔瓣或混合式
支柱支撑
碳钢或低合金钢制球形储罐
3内容
设计﹑制造﹑组焊﹑
检验与验收
仅从现场施工出发,规定了施工
与验收要求
表23.4-1 GB12337与GB50094比较表
24.4 标准
表24.4-2 GB12337与GB50094控制值的差异
序号项目GB12337-1998GB50094-98
1支柱安装找正后,H≤8m时,在球
罐径向和周向两个方向的垂直
允许偏差Δmm
Δ≤10Δ≤12
2
碳素钢球壳对接接头应进行
100%射线或超声检测的厚度
mm
δ>30δ>38
3碳素钢应进行焊后热处理的
厚度mm
δn>32δn>34
420R 16MnR热处理工艺℃625±25600±25 5热处理升降温控制起始点℃400300 6压力试验时对液体温度要求℃≮5≮0
24.5设计
•球罐设计时应考虑以下载荷:
•(1) 压力﹔
•(2) 液体静压力﹔
•(3) 球罐自重（包括内件）以及正常工作条件下
或压力试验状态下内装物料的重力载荷﹔
•(4) 附属设备与隔热材料﹑管道﹑支柱﹑拉杆﹑
梯子﹑平台等的重力载荷﹔
•(5) 风载荷,地震载荷,雪载荷。

球罐因结构的对称性和形状特点,质量可近似地集中于球壳中心,故球罐可视为单自由度体系。

因为球罐在脉动情况下按剪切型振动,即结构在水平力作用下,整个体系会产生平移,球罐本身不发生偏转,所以求解球罐在水平力作用下的位移便可转化为求支柱在该力作用下的位移问题。

风力及地震力等水平力的合力F
max
通过球心,该合力在赤道平面上由几根支柱分担,各支柱受力
可能不同,但其合力一定是水平力F
max 。

当支柱在水平力F
max
作
用下发生位移时,拉杆将被拉长或压短,从而限制了支柱的位移。

支柱的地脚螺栓使其底部不产生水平位移及转角,即相当于固定端支承,支柱便相当于悬臂梁。

当支柱底板与基础的摩擦力Fs大于等于拉杆作用在支柱上的水平力Fc时,理论上球罐不需设置地脚螺栓,但为了固定球罐位置,规定应设置一定数量的定位地脚螺栓。

表24.5 球罐设计中应校核的内容序号
内容公式备注1设计温度下球壳的
计算应力
[]σδδσ≤+=e e Di Pci t 4)(t øP ci 计算压力包括液柱静压力 MPa []t σ设计温度下球壳材料许用应力MPa 操作
状态下
[]c W W Z mM A W EX p σγβφ≤-+)8.01(0002支柱稳定性液压试验
状态下[]c W W Z mM A W EX T p T σγβ≤-+Φ)8.01(0
[]c σ支柱材料许用应力[]5.1s c σσ=，MPa
3地脚螺栓的螺纹小径d B []B B
d C n Fs Fc +-=τ13.1[]B τ地脚螺栓材料许用
剪应力[]s
B στ4.0=，MPa 4底板厚度[]b b b bc b
C L +=σσδ23[]b σ底板材料许用弯曲应力[]5.1s
b σσ=，MPa
拉杆螺纹小径[]T T r C F d +=T σ13.1[]T σ拉杆材料许用应力[]5.1s σσ=T ，MPa 销子直径[]p r p T d τ8
.0= []p τ销子材料的许用剪应力
[]s p στ4.0=，MPa 耳板厚度[]c
p T c d F σδ=[]c σ耳板材料许用应力[]5.1s c σσ=，MPa 翼板厚度'2s s c a σσδδ='s σ翼板材料的屈服点
MPa
耳板与支柱的焊缝[]W T S L F τ≤1141.1[]w τ焊缝材料的许用剪应力[]s w στ4.0=，MPa 5拉
杆焊缝强度拉杆与翼
板的焊缝[]w T S L F τ≤2282.2[]w τ焊缝的许用剪应力[]s w στ4.0=，MPa
操作状态下
[]φ
σ
τ
σt
≤
+
01
[]tσ设计温度下球壳材
料许用应力MPa
6支柱与球壳
连接最低点
a的应力
液压
试验
状态
下
φ
σ
τ
σ
s
9.0
1
≤
+
T s
σ试验温度下球壳材料
的屈服点,MPa
7支柱与球壳连接焊
缝的强度校核
[]
w
w
w S
L
W
τ
τ≤
=
41
.1
[]
w
τ
焊缝的许用剪应力
[]
a
s
w
φ
σ
τ4.0
=
，MPa
钢号
20R 16MnR 15MnNbR 07MnCrMoVR 16MnDR 07MnNiCrMoVDR 钢板
标准
GB6654GB3531使用
状态
δ≤30 热轧δ>30 正火正火调质正火调质厚度6-1006-12010-6016-506-10016-50
表24.6-1 钢板的标准﹑使用状态
24.6材料
A KV 牌号
交货状态厚度mm бb MPa бS MPa δS %℃J ﹥16~36470~600≥295标准
值
正火﹥36~60450~580≥275≥21-40≥34WHD1实物
值①
26~48505~595350~46022~36-4061~16710~16440~560≥300﹥16~36
430~550≥280标准
值正火或正火+回火﹥36~60
430~550≥270≥23-70≥31WHD4实物
值②
12~65450~530345~40526~41-7042~248注 ①随机抽取143批
②随机抽取205批
表24.6-2 WHD1和WHD4标准及实物性能值
钢号
使用状态厚度mm 最低冲击试验温度℃热轧6～2516MnR
正火6～12015MnNbR
正火10～6007MnCrMoVR
调质10～50-2016MnDR
正火6～36>36～100-40-3007MnNiCrMoVDR 调质>36～100-40
球罐的设计温度低于或等于-20℃时钢板的使用状态及最低冲击试验温度应符合表24.6-4的规定。

表24.6-4 低温时钢板的使用状态及最低冲击试验温度
表24.6-5 按球壳用钢选取锻件钢号
球壳钢号20R16MnR15MnNbR16MnDR07MnNiCrMoVDR 锻件钢号2016Mn20MnMo16MnD08MnNiCrMoVD 锻件标准JB4726JB4727
24.7零部件﹑附件
球罐除球壳板外,通常还有人孔﹑接管﹑支柱﹑拉杆﹑平台﹑梯子﹑安全附件等组成。

•24.7.1人孔﹑接管
•24.7.2支柱﹑拉杆
•24.7.3平台﹑梯子
•24.7.4隔热﹑保冷
•24.7.5附件
图24.7-1 支柱与壳体连接形式
图24.7-1 支柱与壳体连接形式
图24.7-2 支柱各部分名称
图24.7-3 拉杆结构形式
附件主要包括：•(1)消防喷淋装置•(2)压力表•(3)温度计•(4)液位计•(5)安全阀•(6)紧急切断阀•(7)接地
裂纹试验
•裂纹试验国内一般采用Y型﹑斜Y型﹑窗形拘束三种方法。

Y型坡口焊缝裂纹试验的坡口型式见图24.9,试验方法参照GB4675.1《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》,主要用来评价熔敷金属根部冷裂纹倾向,裂纹率应为零。

斜Y坡口焊接试验又称小铁研试验,是一种苛刻的抗裂试验,试验目的是检查焊缝热影响区断面裂纹﹑纵向裂纹的敏感性,由于其拘束度大,日本铃木春等人认为:只要该试验焊缝表面
•裂纹率小于20%,实际构件焊接时就不会产生冷裂纹(不包括定位焊﹑短段焊和补焊) 。

但是人们习惯上仍试验焊道表面和断面裂纹率为零作为不出现冷裂纹的依据。

窗形拘束试验模拟了球罐的高拘束度,主要用于评价高强度钢多层焊时焊缝产生横向裂纹的敏感性,其结果可验证施工工艺的正确性,所以球壳板厚度大于25mm时,一般还需做窗形拘束裂纹试验。

图 24.9 Y型坡口
24.14特种球罐
•24.14.1液化石油气球罐•24.14.2液氨球罐
•24.14.3氧气球罐
•24.14.4天然气球罐
•24.14.5低温球罐
图24.14 HAZ硬度,H
2S浓度与裂纹关系。