1000储罐毕业设计

1000储罐毕业设计内容摘要：

新钢种，该钢的力学性能相当于 WELTEN62CF 钢的实际水平。 07MnCrMoVR 钢采用低碳多元微合金以严格控制碳当量 (Ceq≤ ％ )和焊接裂纹敏感性组织 (Pcm ≤％ )，并通过合理的调质热处理获得最佳强韧比的组织结构，从而从根本上保证了其焊接性能和优良的低温韧度。 07MnCrMoVR 的力学性能及其稳定性好，国内大部分设计、制造和组焊单位掌握其特四川理工学院毕业设计 9 性，具有成熟的经验，但对贮存液化石油气介质中的硫化氢含量有较严的要求，此外钢厂提供宽板能力有限，不能满足大型球罐的制造要 求 [8]，其抗 H2 S 应力腐蚀能力不强，一般在液化石油气球罐中不推荐采用。 （ 2） 15MnNbR 是 GB1501998 国家标准第 1 号修改单新增钢号，它是低合金钢领域中的新一代钢种 (350MPa级 )，其强度和韧性优于 16MnR，同时也优于日本 SPV355N，厚板韧性也较好，而焊接性能及抗硫化氢性能与其相近。 该钢种采用先进的冶炼工艺，钢材的化学成分、力学性能及冷弯性能得到很好的保证。 15MnNbR 具有良好的综合性能 [9]，可大大提高球罐使用的安全可靠性，但其价钱相对较高。 （ 3） 16MnR 钢板是我国目前使用最多、最普遍的一种低合金高强度压力容器用钢。 钢材的焊接性能较好，抗 H2S腐蚀性能较好， 具有良好的综合力学性能和制造工艺性能，广泛用于建造各类压力容器和中小型球罐， 对 于 16MnR 钢板制造的球罐无论是技术还是经验更加成熟，且价钱相对于其它钢板更便宜且能满足 液化 石油气储存的要求。 （ 4） 日本产 610CF 钢是近年来推出的具有低裂纹敏感性和韧度较高，焊接性能优良的钢种，钢的碳当量 eqC 和焊接裂纹敏感性系数 cmP 均相对较低，因此焊接性能优良，且国内部分设计、制造和组焊单位已较好掌握该钢种的特性。 引进日本球壳板，国内安装的 10000m3 北京天然气球罐即选用该钢 种 [10]。 表 列出了国产 16MnR、 07MnCrMoVR、 15MnNbR 钢板与引进的日本WELTEN610CF 钢板化学成分和力学性能技术指标对比。 表 几种典型球罐用钢力学性能技术要求对比 球罐设计 球罐设计的执行标准及法规 标准或技术条件 钢号 交货状态 板厚 mm 拉伸试验 冲击试验 s MPa b MPa 5 % 试验温度及取样方向 kvA /J GB66541996 16MnR 正火 6~16 ≥345 510~640 ≥21 0℃( 横向 ) ≥31 16~36 ≥325 490~620 GB191892020 07MnCrMoVR 调制 12~60 ≥490 610~730 ≥17 20℃( 横向 ) ≥47 GB66541996第一号修改单 15MnNbR 正火 10~16 ≥370 530~650 ≥20 20℃( 横向 ) ≥34 16~36 ≥360 530~650 36~60 ≥350 520~640 新日铁 企业标准 WELTEN610CF 调质 12~50 ≥490 610~730 ≥19 20℃( 横向 ) ≥47 第 1章 绪论 10 球罐设计执行的国家标准及法规主要有《固定式压力容器安全技术监察规程》 2020版、《锅炉压力容器安全监察暂行条例》及其《实施细则》 2020 版、 GB1501998《钢制压力容器》、 GB123371998《钢制球形储罐》及相关标准。 在制造、检验、验收中还应执行 GB500941998《球形储罐施工及验收规范》、 GB66541996《压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板》、 JB47262020《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》、 JB47302020《压力容器无损检测》、 JB47082020《钢制压力容器焊接工艺评定》、 HG/—87《球形储罐质量等级评定及检查细则》，球罐安装质量要达到 SHJ514 《石油化工设备安装工程质量检验评定标准》中第八章 “球型储罐安装工程 ”中优良工程要求。 球壳结构 球壳结构形式主要分为足球瓣式、桔瓣式和混合式 3 种 (如图 )。 （ 1）足球瓣式球罐球壳用均分法划分，每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，材料利用率高且互换性好，组装焊接接头较短，焊接检验工作量小，但焊接接头布置复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高。 （ 2）桔瓣式球壳像桔子瓣 (或西瓜瓣 )，焊接接头布置简单，组装容易，球壳板制造简单，但材料利用率低，对接焊缝总长度长，检验工作量 大 [11]。 （ 3）混合式球罐的球壳组成是：赤道带和温带采用桔瓣式，极板采用足球瓣式。 它集中了桔瓣式和足球瓣式两种结构的优点，在国外已被广泛采用，从国外引进的球罐大量采用了该结 构。 图 球罐分瓣形式 a )足球式 b )桔瓣式 c )足球桔瓣混合式 不同结构形式对球罐的制造、安装质量以及投用后的安全可靠性都会带来重大的影响。 先进合理的结构，既可合理地利用材料，减少浪费，降低成本；又可有效地减少焊缝总长，减少制造和安装过程中的工作量，提高使用中的安全可靠性。 不同分瓣形式分带的数量一般不同，混合式的分带数一般会比桔瓣式少；由于混合式球罐极带有 7 块板组成，桔瓣式只有 3 块，两极相加多 8 块，因此如果两种分瓣形式的支柱和带数完全相四川理工学院毕业设计 11 同，混合式球罐的球壳板数量反而比桔瓣式多一些。 因此一台球罐结构形式的先进与否不能简单看是用混合式还是桔瓣式，而要从焊缝的总长、钢材利用率和制造安装难度来考虑，它同时受钢厂供货尺寸和运输条件的限制。 对于小型球罐如 400 3m 或 650 3m 的球罐往往采用桔瓣式结构更合理。 而大中型球罐采用混合式分瓣方法优势更为明 显 [12]。 支柱结构 球罐支座是球罐中用以支承球壳及其附件和储存物料重量的结构部件，有柱式和裙式两种形式。 在柱式支承中，国内外普遍采用了赤道正切柱式支承，此外还有 V 形和三柱会一柱式支承。 裙式支承有圆筒裙式、锥式以及用钢筋混凝土连续基础支承的单埋式支承和锥底支承 等 [13]。 GB123371998《钢制球形储罐》中规定支柱与球壳连接采用赤道正切形式。 赤道正切柱式支座的结构特点是：多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近似相切 (相割 )而焊接起来。 该支座具有受力均匀、弹性好、能承受热膨胀的变形、安装方便、施工简单、容 易调整及检修方便等优点，适用于多种规格的球罐，但重心高、稳定性差，并存在局部应力。 我国建造的球罐全部采用赤道正切柱式支座。 拉杆结构 GB1233798 中规定了可调式与固定式两种拉杆。 （ 1）可调式拉杆 (如图 )采用圆钢加工而成，拉杆与支柱采用销钉连接， 2 根拉杆立体交叉处留有间隙。 该种结构受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，安装方便，施工简单，容易调整，现场操作和检修方便。 可调式拉杆虽能调节松紧，有利于施工，但若施工后发生锈蚀则不起调节作用。 （ 2）固定式拉杆 (如图 )一般采用 钢管，拉杆与支柱的连接采用焊接结构，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。 其特点是：钢管焊接在支柱上，形成较稳固的刚性结构，能有效防止横向载荷造成的破坏；可省去大量零部件，不需任何机械加工，制造比较简单，现场安装方便；支柱受力情况较好，能承受拉伸和压缩载荷 (可调式只能承受拉伸载荷 )。 当承受垂直载荷时，拉杆支承了部分载荷，因而下段支柱所受的压缩力就小，当承受横向载荷时，固定式所受的拉力仅为可调式的一半，下段支柱所受的压缩力明显减小，比较安全；抗弯能力大，特别适合于大型球罐；固定式拉杆可设计成受压 形式，于是拉杆的截面比可调式的大，刚性也大，因此球罐横向载荷产生的水平位移和偏移量均小，对球罐上的接管有利；固定式拉杆在施工时调好，使用中不必再调整。 固定式拉杆结构在国外已大量采用，我国从国外引进的球罐也有相当一批第 1章 绪论 12 采用了此结构。 但到目前，我国自行设计和制造的球罐还极少采用该结 构 [14]。 a)可调式拉杆 b)固定式拉杆 图 拉杆结构形式 支柱与球壳连接点下部结构 在支柱与球壳相接的球壳局部区域中，受力及变形相当复杂，应力数值高，变化梯度大，是整个球罐中的高应力区。 支柱与球壳相焊焊缝的最低点是重点应力校核部位。 支柱与球壳连接下部结构一般分连接处下端加托板、翻边和 U形柱结构 (见图 )。 （ 1）加托板结构是在球壳与支柱连接部下端加一托板，可以方便焊接，消除焊接死角。 该结构制造工艺简单，已被大多数制造厂采用。 但由于该结构是由两个零件组成，变形不协调，存在较大的局部应力。 （ 2）翻边结构是将与球壳连接处下端的支柱翻边，增加与球壳的连接长度，并改善焊接接头的施焊情况，所以能够保证焊接质量。 支柱为一体变形协调，对球壳的局部应力有所改善。 但因翻边的宽度有限，且会减薄支柱管壁，对改善支柱与球壳连接最低点的应力作用不明显。 （ 3） U形柱结构是用钢板卷制成 U形管与球壳连接，使支柱与球壳连接逐渐过渡，避免急剧变化，特别适合于低温球罐与支柱连接的要求。 该结构制造工艺简单，施焊方便，没有工艺难点，不存在焊接死角，在三种结构中与球壳的连接长度最长，这样对局部应力的改善也最有效。 球罐的局部应力是不可避 免的，只能靠改进结构来减小，如增加支柱与球壳的接触面积，减少支柱的刚性，支柱与球壳的连接避免急剧变化，使其逐渐过渡等方法， U形柱结构则集中了这些特点。 GB1233798增加了 U形柱结构，解决了低温球罐支柱连接无法解决的难题。 四川理工学院毕业设计 13 图 支柱与球壳连接下部结构 接管补强结构 大型球罐的接管补强一般采用两种结构型式，第一种型式为厚壁管补强结构 (如图图 )；第二种采用锻制凸缘（如图 ），在应力集中部位局部加厚的密集补强型式，与球壳板的连接采用对接焊缝。 凸缘补强优点是它和球壳板形成的连接是对接焊缝，便于焊接及焊缝的无损检测。 厚壁管插入式补强优点是结构简单、节省材料，缺点是因开孔较小，角焊缝底部清根困难，又难以进行射线、超声等方法的内部检测，容易产生未焊透等缺陷。 由于插式接管焊缝是近年来球罐质量中出现问题最多的部位之一，在设计时要求制造厂从坡口开制工艺到焊接工艺及清根方法在工艺上保证完全焊 透 [15]。 第 1章 绪论 14 图 球罐的补强形式 a) 厚壁管补强 b) 整体锻件凸缘补强 球罐安检及检验技术 球罐现场安装是球罐建造的关键环节之一，包括组装、焊接、热处理、检验、试验等工作，内容多、工作量大，对球罐最终质量起到至关重要的作用。 组装技术随着球罐的大型化、球瓣尺寸的大型化，组装技术从早期的分带组装或分块组装向整体组装发展，目前国内外球罐组装技术都是以整体组装为主。 整体组装的优点是组装速度快，几何精度高，便于对称施焊、焊接变形小等；缺点是卡具要求多，焊接全部为高空作业，劳动强度大等。 球罐安装中焊接工作量大，焊接质量要求高，不同的球罐钢有不同的焊接特点和工艺要求，要严格按评定合格的焊接工艺执行。 球罐的焊接方法除手工焊外还有自动焊，在国外前苏联、德国、日本美国等国家都较早采用了大型球罐自动焊，我国上世纪 90年代开始大型球罐自动焊试验研究，并应用于球罐的建造中，主要是自保护和气保护全位置自动焊工艺。 但从目前总体上看，国内外球罐焊接方法主要还是以手工焊接为主，原因是球罐是全位置焊接，手工焊质量相对可靠，自动焊提高一次合率、减少返修工作量还是今后球罐焊接要研究的工作之一。 压力容器常用的无损检测 方法在球罐上都有应用，常用的有：射线检测（ RT）、超声波检测（ UT）、磁粉检测（ MT）、渗透检测（ PT）等，也有将声发射技术应用于球罐安全监控的。 近年来 TOFD 及相共振等无损检测新技术在球罐上也有应用。 总体目的是通过不同的方法对比和增加检测比例，提高缺陷的检出率。 球罐的发展趋势及面临的问题 球罐发展趋势 四川理工学院毕业设计 15 随着材料、焊接、制造、施工安装技术不断提高，球罐也正向大型化、多结构、高参数的方向发展。 设计压力从 的真空度到上百个大气压力，工作温度从 250℃到 850℃ ，球罐结构从单层到多层，品种非常广泛。 其中，最主要的是向大型化方向发展。 目前，国外最大的球罐已作到压力为 6～ 7MPa，体积为 300000m3 左右的大型球罐。 球罐大型化面临的问题 由于大型化的经济性十分明显，已成为世界各国优先重视的重要课题。 球罐大型化的进程在不同国家、不同时期受着不同因素的制约。 随着相应技术的发展，这些制约因素不断得到解决，又促使球罐大型化的发展。 从国内情况看，目前限制球罐向大型化方向发展的影响因素主要有： （ 1）球罐用钢 由于国内冶炼技术方面的因素，压力容器专用钢种的种类较少， 钢材综合性能较差，制造不了大规格，大吨位的钢板。 因此要发展球罐的大型化必须着重于发展球罐用钢的研制工作。 高。