球罐课程设计

吉林化工学院

油气储运 课 程 设 计

题目 1000m液化石油气球罐设计

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教 学 院 化工与材料工程学院 专业班级 油气储运0801 学生姓名 学生学号 08160122 指导教师 邵宝力

2011年 12月 19 日

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课程设计任务书

1、设计题目：1000 m3液化石油气球罐设计 2、设计条件：

物料：按照自己题目确定 地震设防烈度： 8度 安装地区：吉林

球罐建造场地：Ⅱ类，近震 液化石油气密度：580kg/m3 3、设计任务：

储罐设计包括工艺设计和机械设计两部分:

(1)工艺设计:是根据化工生产任务提供的工艺条件:包括压力、温度、产量、物料性能等,通过工艺计算和生产经验确定设备的结构型式、设备总体尺寸及管口尺寸和方位。

(2)机械强度设计:是在工艺设计的基础上,进行强度、刚度和稳定性设计和校核计算, 对设备的内、外附件进行选型和结构设计计算，最后绘制设备的装配图和零部件图。

4、设计要求：

由于设计参数是每个人各不相同，所以，基本上能够保证学生独立完成任务能力的锻炼，并可在碰到确实需要讨论的个别难题时仍然可以相互讨论，从而培养学生合作解决问题的能力。课程设计是在课程学习阶段结束后，学生们独立进行的工程设计工作，是总结性的、重要的教学实践环节，其目的是培养学生综合运用所学知识，理论联系实践，分析解决工程实践问题的能力。

本设计学生必须完成一张A2装配图（包括至少四个详图）和编制技术性设计说明书一份。 5、参考书：

（1）董大勤，袁凤隐，《压力容器设计手册》化学工业出版社； （2）丁伯民、黄正林，《化工容器》，化学工业出版社出版； （3）徐英、杨一凡、朱萍，《球罐和大型储罐》，化学工业出版社； （4）段常贵，《燃气输配》，中国建筑工业出版社； （5）帅健、丁桂杰，《管道及储罐强度设计》，石油工业出版社。 （6）TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》。

油气储运系 2011年11月

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摘 要

经济发展迅速的今天，球形容器的制造水平也正在高速发展，由于球形容器多数作为有压储存容器，所以称球形容器（简称“球罐”）。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。

随着石油化学工业的发展，液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们的重视。在化工生产方面，液化石油气经过分离得到乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等，用来生产合塑料、合成橡胶、合成纤维及生产医药、炸药、染料等产品。用液化石油气作燃料，由于其热值高、无烟尘、无炭渣，操作使用方便，已广泛地进入人们的生活领域。此外，液化石油气还用于切割金属，用于农产品的烘烤和工业窑炉的焙烧等。常常液化石油气的储存形式就是利用球罐的特点，为国家节省很多资源。球罐的大型化是一个复杂的系统工程，它涉及到多个学科和技术领域。 关键词：球罐；液化石油气；技术领域

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目 录

课程设计任务书 .............................................................. 摘 要 I 第一章 绪 论 ............................................................... 0

球罐的特点 ............................................................. 0 球罐的分类 ............................................................. 0

按储藏温度 ......................................................... 0 按结构形式分类 ..................................................... 0 球罐的发展历史 ......................................................... 1 第二章 材料的选择 .......................................................... 2

球罐用钢基本要求分析 ................................................... 2 国内球罐的常用钢种 ..................................................... 2 选材 ................................................................... 2

钢板 ............................................................... 2 焊接材料 ........................................................... 3 接管 ............................................................... 3 锻件 ............................................................... 3 螺栓.螺母 .......................................................... 3 力学性能及工艺性能 ................................................. 4

第三章 设计参数确定 ........................................................ 5 第四章 结构设计 ............................................................ 7

球壳的设计 ............................................................. 7 支座的设计 ............................................................. 8 拉杆的设计 ............................................................. 8 第五章 壁厚计算和强度校核 ................................................. 10

球壳计算 .............................................................. 10 球罐的质量计算 ........................................................ 10 地震载荷计算 .......................................................... 11

自振周期 .......................................................... 11 地震力 ............................................................ 12 风载荷计算 ............................................................ 12 弯距计算 .............................................................. 13 支柱的计算 ............................................................ 13

单个支柱的垂直载荷 ................................................ 13 组合载荷 .......................................................... 14 单个支柱弯矩 ...................................................... 14 支柱稳定性校核 .................................................... 15 地脚螺栓计算 .......................................................... 16

拉杆作用在支柱上的水平力 .......................................... 16 支柱底板与基础的摩擦力 ............................................ 17 地脚螺栓 .......................................................... 17 支柱底板 .............................................................. 17

支柱底板直径 ...................................................... 17

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底板厚度 .......................................................... 18 拉杆计算 .............................................................. 18

拉杆螺纹小径的计算： .............................................. 18 拉杆连接部位的计算: ............................................... 19 支柱与球壳连接最低点a的应力校核 ...................................... 21

a点的剪切应力 ..................................................... 21 a点的纬向应力 ..................................................... 21 a点的应力校核 ..................................................... 21 支柱与球壳连接焊缝的强度校核 .......................................... 22 参考文献 23 结束语 24

教师评分表 ................................................................ 25

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第一章 绪 论

球罐的特点

球罐是一种钢制容器设备。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。在炼油厂、石油化工厂、城市燃气供应部门都有广泛应用。

球罐的分类

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～，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。

按储藏温度

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（LNG）、氨、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。由于对保冷要球罐高，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。

按结构形式分类

按形状分有圆球形、椭球形、水滴形或上述几种形式的混合。 圆球形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。

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球罐的发展历史

早在1910年，美国就开始制造球罐，1950年以后才得到初步发展。60年代以后，由于石油化工的高速发展，需要将液化天然气及液化石油气进行大规模的运输和贮存，球罐的应用得到进一步发展,不仅数量迅速增加,日趋大型化，而且向超高压、极低温发展。国际上目前最大液态介质球罐直径,容积10770m3；最大城市煤气球罐直径 ，容积200000m3。中国目前大多数球罐容积为200～1000m3，最大容积8250m3、直径。 2000-2007年，中国LPG市场表观消费量也呈现增长态势，2000年中国LPG表观消费量1481万吨，2007年增长到2278万吨，年均增长率%。其中2000-2005年增长尤快，年均增速接近10%；2005-2007年，随着替代品(天然气、电力、二甲醚等)资源的增加，中国LPG消费量增长减缓，年均增长率下降到1%。

2005年，中国 LPG总产量、商品产量、商品消费量、总消费量比2004年有所增长；而进口量、出口量则有所下降。其中LPG总产量为万吨，比2004年增长%；商品产量为万吨，比2004年增长%；商品消费量为万吨，比2004年增长%；总消费量为万吨，比2004年增长%；进口量为万吨，比2004年减少%；出口量为万吨，比2004年减少%。 2006年，中国LPG总消费量与商品消费量分别为万吨和万吨，成为世界上第二大LPG消费大国。同时，国内LPG产量稳定增加，2006年总产量为万吨，位居世界第三。国内市场需求的减少与自主产量的增加，使中国LPG进口市场遭受进一步挤压，出口量大幅增加。2003-2007年我国液化石油气产量呈现快速增长态势，由2003年的万吨增长至2007年的万吨，增幅达万吨。

进入2008年下半年以来，国内外经济形势发生了较大的变化，受世界金融危机影响，2008年3季度以来国内LPG需求下降，价格下跌，液化石油气市场需求表现低迷，2008年国内市场液化石油气材表观消费量增速明显下降。尽管中央采取积极的的宏观调控政策，但业内人士对液化石油气发展前景仍十分担忧。

近年来，虽然天然气的快速发展会对国内LPG市场产生冲击,但影响力度是有限的；在相当一段时期内,国内LPG产业,无论是生产、运输、销售企业,还是进口气经营企业,仍然大有可为。具体原因如下：能源利用结构合理化、优质化、多元化是保持经济可持续发展的基本要求和必然趋势,有利于国家能源安全体系的建立。纵观我国能源需求现状与发展趋势,LPG与天然气将长期处于共存的状态,两种清洁能源优势互补,实现共同发展。

LPG的利用具有不受管道限制、投资少、见效快、供气灵活的优势,对于远离天然气管网的城市周边地区、中小城镇、占人口70%以上的广大农村，LPG存在巨大的市场空间。

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第二章 材料的选择

球罐材料不仅按其储存物料的性质。压力，温度等因素选定具有足够强度的材料，而

且还应考虑到所选材料应具有良好的焊接性能和加工性能，同时还应考虑材料的供给可靠性及经济性等。

材料是球罐设计、制造的基础，材料的性能和质量的好坏直接影响着球罐的质量和安全使用。因此，材料问题已成为球罐的关键问题，直接影响着我国球罐的安全使用。

球罐用钢基本要求分析

球罐存储的介质一般为压缩气体或液化气体，大部分为易燃、易爆有毒物质。因此球罐用钢的安全可靠性是最重要的，球罐用钢必须满足国务院颁发的《锅炉压力容器安全监察暂行条例》和国家质检总局颁发的《固定式压力容器安全技术监察规程》等法规和规范，及GB150、GB12337等国家标准的要求，必须是压力容器专用钢。

球罐用钢选择主要从两方面考虑：一是技术性和安全性，即加工及使用性能，在满足强度要求的前提下，应保证良好的成型性，优良的焊接、热处理性，足够高的缺口韧性值和长期可靠的使用性能；二是经济性，即应在确保安全的前提下经济合理，因为钢材的价格在球罐投资上占有较大的比例，对球罐用钢提出过高的要求，势必会增加成本，难以保证经济性。

国内球罐的常用钢种

我国球罐选用的材料主要是国产钢材，在役国产球罐用材主要有：A3F、A3、A3R、20R、16Mn、15MnV、15MnVR、15MnVN、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR及从国外引进的各种球罐材料。到二十世纪末为止，我国建设的球罐主要选用16MnR，约占总量的85%左右，进入21世纪以后据国家标准GB12337-98《钢制球形储罐》规定，球罐用材可选20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR、16MnDR、09Mn2VDR，国产低温球罐可选用07MnCrMoVR、07MnNiCrMoVDR（CF钢）。

选材

球罐材料不仅按其储存物料的性质。压力，温度等因素选定具有足够强度的材料，而且还应考虑到所选材料应具有良好的焊接性能和加工性能，同时还应考虑材料的供给可靠性及经济性等。

钢板

球罐用钢板国外有两条选材原则：欧洲国家广泛采用屈服极限294--441MPa级的中强钢。属于Mn-Si、Mn-V，Mn-Nb和Mn-Ni-v系钢，厚度不加控制。当厚度超过规定的

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界限时。两种选材原则各有其优缺点。

国内研制的490Mpa WCF62钢(低焊接裂纹敏感性的钢种)。这钢号为07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR及16MnR(WH5l0)、15MnNbR焊接材料

随着球建造的不断进步，在施工现场手工电弧焊焊接球罐的传统工艺受到挑战。近五年来在引进装备的基础上，用气体保护自动焊代替于工焊的逐渐增多，因此GBl2337对气体保护自动焊焊丝的要球罐予以规定。

表 几种典型球罐用钢力学性能技术要求对比 标准或技术条件 交货状态 正火 板厚 mm >6~16 16~36 拉伸试验 冲击试验 钢号 s MPa ≥345 ≥325 ≥490 ≥370 ≥360 ≥350 b MPa 510~640 490~620 610~730 530~650 530~650 5 试验温度及% 取样方向

Akv/J GB6654-1996 16MnR ≥21 0℃(横向) ≥31 ≥17 -20℃(横向) ≥47 GB19189-20007MnCrMoVR 12~60 调制 3 10~16 GB6654-1996第一号修改单 15MnNbR >16~3正火 6 >36~60

≥20 -20℃(横向) ≥34 520~640

接管

由［3］表5选16Mn,正火状态,其机械性能及要求应符合［3］表5、表6的要求。

锻件

选16MnD(［3］表7)采用正火加回火或调质状态，要求及机械性能应符合［3］规定。(表8)

螺栓.螺母

按［3］表10规定,螺栓选35,螺母选Q235 GB699其机械性能及要求应符合［3］规定。表9正火状态。

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力学性能及工艺性能

钢 号 低温低合金钢板 07MnNiCrMoVDR 正火或6-16 正火+>16-36 回火 440-570 290 420-560 270 22 -50 27 D=2a 调制 16MnDR 正火或6-16 正火+>16-36 回火 >36-60 16-50 交货状钢板 态 厚度 mm 拉伸实验 冲击实验 冷弯实抗拉强屈伸长温V形冲B=2a 度 服率度 ℃ -40 -30 17 -40 47 D=3a 击Akv 不小于 24 D=3a 功1800 b MPa 点 490-620 470-600 450-580 610-740 315 295 275 255 490 s不小于 21 >60-100 450-580 钢 09Mn2VDR 注：表中b为宽度；a为钢材厚度；d为弯心直径。

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第三章 设计参数确定

一、确定设计参数 （一） 设计温度

储罐放在室外，罐的外表面有洒水的设备。在吉林地区，夏季可能达到的最高气温为40℃。罐体上的温度最高气温将近60℃。

（二） 设计压力

球罐上装设水喷淋装置是为了内盛的液化石油气。液化石油气被压缩到~。液化石油气40℃时的饱和蒸汽压查得为：P汽=(绝对压力)。

(三) 焊缝系数

球罐采用X坡口，双面对接焊,并进行100%的无损探伤,查表知= (四) 水压试验压力

由[4]知水压试验压力为：PT=Pt 球壳材料为16MnR，初选板厚为40,由[3]表3查得=163MPa, t=163MPa PT=×163/163=××1= MPa

试验时水温不得低于5℃。

按公称容积4003设计，由[2]附录一P41查得球罐基本参数如表 一 1-1

表1-1球罐基本参数 公称容积 1000 各 上极带 54°／3 内 径 ㎜ 12500 带 球 上温带 36°／20 几何容积m3 1023 心 赤道带 54°／20 角 支座型式 赤道正切式 各 下温带 36°／20 带 支柱根数 10 分下极带 54°／3 块分带数 5 数

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则

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总数据设计参数如下 公称容积 ：1000m3 球罐直径： 12500 mm 几何容积： 1023m3 支座形式： 赤道正切式 支柱根数： 10 根 分数带： 5带 设计压力： 设计温度： 55℃ 充装系数： 防震系数： 8度

建造场地： 吉林 Ⅱ类 近震 基本雪压值：750 N/m2 风压值： 550Pa 储存物料： 液化石油气 物料密度： 580kg/m3 平均分子量：50

比重 （水为1） 运动粘度 ×107 m3/s 绝热指数

球罐用材： 16 MnR钢 许用应力： []t=163MPa

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第四章 结构设计

球罐的结构型式是多种多样的。根据不同的使用条件（介质、容量、压力、温度)，使用不同的材料，球罐的设计和制造水平的差异，有不同的结构型式。我国现行使用的球罐，多以球壳扳的组合方案不同分为橘瓣式和足球瓣与橘瓣组成的混合式两种，以拉杆形式不同分为可调式和固定式两种。

球壳的设计

球壳是球罐的主体，它是储存物料和承受物料工作压力和液柱压力的构件。球壳几何尺寸较大，用材量大，它必须由许多瓣片组成．球壳设计要按照如下的设计准则进行：

(1)必须满足所储存物料在容量、压力、温度方面要求，且安全可靠； (2)受力状况最佳；

(3)考虑瓣片加工机械(油压机或水压机)的跨度大小，运箱条件的可能，尽量采用大的瓣片结构，使焊缝长度最小，减少安装工作量，

(4)考虑钢板的规格，增强球壳板的互换性，尽量提高板材的利用率。 国内自行设计、制造、组装焊接的球罐多为橘瓣式和混合式排板组成的球壳。其基本结构参照G/T17261 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[12]。

（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。

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400m3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。

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图 球罐分瓣形式

a )足球式 b )桔瓣式 c )足球桔瓣混合式

支座的设计

球罐支座是球罐中用以支撑本体质量和储存物料质量的结构部件。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。

支撑主要可分成柱式支撑和裙式支撑。此外，还有V形柱式支撑、三桩合一形柱式支撑，裙式支撑<包括圃筒形裙式支撑和锥形裙式支撑)、锥底支撑(也是裙式支撑)、钢筋混凝土连续基础支撑，半埋式支撑、高架式支撑(也有柱式和裙式之分)、可胀缩的支撑(柱式支撑的变种)。

图 无补强板平扳顶有托板结构的柱头 1—端板，2一托板：3一支柱：4一球片

拉杆的设计

拉杆是作为承受风载荷及地震载荷的部件，增加球罐的稳定性而设置。拉杆结构可分为可调式和固定式两种。目前，国内自行建造的球罐和引进球罐的大部分采用可调式拉杆。本球罐的支承结构采用单层可调式拉杆结构，如图（）

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图 单层交叉可调式拉杆

1一支柱 ，2一支耳，3一长拉杆，4—调节螺母，5一短拉杆

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第五章 壁厚计算和强度校核

球壳计算

液柱的高度H：H=K1R=×6250=9445mm； 液体的净压力P=gH5809.8109 计算压力： Pc1.770.051.82Mpa

球罐的壁厚：

PcDi1.821250034.99mm t41631.01.824Pc对于07MnCrMoVR取负偏差C11mm，C21mm（设备设计），C=2mm 设计厚度dC=，圆整后可取n=40mm。

球罐的质量计算

球壳平均直径： DCP=12500+30=12540mm； 球壳材料密度： 1=7810Kg/m3 充装系数：K=

水的密度：3=1000㎏/m3 球外壳直径：D0=12580 mm 基本雪压值：q=750/N·m-2

球面积雪系数：CS=

2球壳质量:m1=DCPn1109=×125402×30×7810×10-9=×105 kg。

物料质量:m2=Di32109×K=×125003×580×10-9×=×105㎏

663液压实验时液体的质量：m3=Di3k109

6=×125003×1000×10-9×=×105㎏ 62D0qCS106=积雪质量：m4=×125802×750××10-6=3803㎏

4g4g保温层质量：

m5=0 支柱和拉杆的质量: H0 =8000

支柱质量：

 mz =10××（6002-5842）×8000×7810×10-9=9291 kg

4 拉杆质量：

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 m1= 20××（1502-1402）×7725×7810×10-9 =2746 kg

4 支柱和拉杆的总质量：

m6 = mz + ml = 9291 +2746 =12047 kg

附件质量：m7=4000㎏

操作状态下的球罐的质量：

m0m1m2m4m5m6m7114000+504000+3800+0+12050+4000

=637850㎏

液压状态下的球罐的质量：

mT=m1+m3+m6+m7114000+869000+12050+4000=999050㎏ 球罐的最小质量：

mminm1m6m7=114000+12505+4000=130050㎏

地震载荷计算

自振周期

支柱底板面至球壳中心的距离:H0=8000mm

支柱数目：n=10

支柱材料16MnR的常温弹性模量ES=×105MPa

支柱外直径d0＝600mm；支柱内直径：di＝584mm；

支柱横截面的惯性矩：I=（d04di)

643.14=(60045844)6.52108mm4 64 支柱底板面至拉杆中心线与支柱中心线交点处的距离：L1=6690mm。

拉杆系数可由下表求出：

4=

1(l22l6690226690)(3)1()(3)0.07 H0H080008000

球罐的基本自振周期

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m0H0103 3nEs3637850800030.7103 3.14=

3102.051056.52108地震力

综合影响系数：CZ =；

地震影响系数的最大值：max=；

特征周期：Tg=；以上数据来源于《化工设备设计手册》 对应与自振周期T的地震影响系数：

(|TgT)0.9max(0.40.9)0.450.25550.75

球罐水平地震力：

FeCzmog =××637850×

=×105N

风载荷计算

确定各参数

风载荷系数：K1= 见［3］P486 系数1= （由［3］表（5）按T查得） 风振系数：K2=1+1=1+×=

10米高处基本风压值：q0=550N/m2 （由［2］表4-3查得） 支柱底板底面至球壳中心距离：H08m 风压高度变化系数:f1=

附件上面大系数：f2= (由［3］P487得): Fw-12

42DOK1K2q0f1f210643201.94.32104N

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弯距计算

(Fe0.25FW)与FW的较大值Fmax： (Fe0.25FW)=719434+×= FW=

Fmax=

力臂：L=H-L1=8000-6690=1310mm

由水平地震力和水平风力引起的最大弯距： MmaxFmaxL×1310=×

支柱的计算

单个支柱的垂直载荷

a.重力载荷

操作状态下的重载：G0mog6378509.81=625093N n10

水压试验下的重载：GTmTg9990509.81=979069N n10

b.最大弯距对支柱产生垂直载荷（Fi）max的计算，R=Ri=6250mm

Mmax9.571080.253.828104N (Fi)max==R6250

C．拉杆作用在支柱上的最大垂直载荷。

L1Fmax66903.8281040.32661.34104N （Pi-j）max=R6250

d.最大垂直载荷，以上.两项之和的最大值即（Fi+Pi-j）max.

MlF（Fi+Pi-j）max=max0.3018max

RR9.571086690730234.4 =×+×

62506250 =

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组合载荷

a. 操作状态下支柱的最大垂直载荷W0: G'G00k6250931.199521345.3 W'0=G0+（Fi+Pi-j）m==+=

b. 水压试验状态下支柱的最大垂直载荷WT:

G'GTTk9790691.199816571.3 WTG'FwT+（Fi+Pi-j）max×

F max =816571.3+××

43201.938280=

单个支柱弯矩

（1）偏心弯矩

操作状态下赤道线的液柱高度：h0e = ；

液压试验状态下赤道线的液柱高度：hTe = 6250mm；

操作状态下物料在球壳赤道线的液柱静压力：

P0e = hoe 2 g×10-9 = ×550××10-9 = MPa； 液压试验状态下液体在赤道线的液柱静压力： P-9 Te = hTe-9 3 g×10= 6250×1000××10= ； 球壳的有效厚度：δe = δn – c = 30 - 1 = 39mm； 操作状态下物料在球壳赤道线的薄膜应力： (pp0e)(Die)oe=

4=(1.770.021)(1250039)4391=

e 液压试验状态下液体在球壳赤道线的薄膜应力： TpTe)(Die)(1.820.061)(Te=

(p4= 1250039)391= e4 球壳内半径：Ri =6250mm

球壳材料的泊松比：μ=

球壳材料16MnR的弹性模量：E= ×105 MPa；

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MPa

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操作状态下支柱的偏心弯矩： M01 =

oeRiW0E( 1 - μ )=

143.966250784316.7mm ( 1 - 0.3 )2.41106N·

205000 = N·mm

液压试验状态下支柱的偏心弯矩：

RW151.196250905606.3 MT1 = TeiT( 1 - μ )= mm ( 1 - 0.3 )2.9106N·

E205000 （2）附加弯距

操作状态下支柱的附加弯距：

M026EsIoeRi(1) 2H0E62.0510　56.52108143.966250（10.3）3.85107N·=mm 2580002.0510　液压状态下支柱的附加弯距：

MT26EsITeRi(1) 2H0E62.051056.52108151.196250（10.3）4.04107N·=mm 2580002.0510 (3)总弯距

操作时支柱总弯距MO:

M0MO1MO22.411063.851074.091107N·mm

液压状态下支柱的总弯距MT:

MTMT1MT22.91064.041074.33107

支柱稳定性校核

（1）支柱的偏心率计算 单个支柱的横截面积：

 A = ( do2-di2 )= ( 6002-5842 )= 14871 mm2

44 单个支柱的截面系数： Z =

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( do4-di4 )= (6004-5844 )= 2.17106 mm3 32do32600 - 好好学习，天天向上

操作状态下支柱的偏心率：

MoA4.09110714871 o= 5WOE784316.72.0510（2）稳定性校核

计算长度系数：K3 = ； 支柱的惯性半径： ri =

I6.25108205 mm A14871K3H01.0800039 ri205 支柱长细比： λ =

操作状态下偏心受压支柱的稳定系数，按GB12337-98表18选取： OP =

液压试验状态下偏心受压支柱的稳定系数，按GB12337-98表18选取： TP =

支柱材料：16MnR，s =345MPa

支柱材料的许用应力：

 []C = s= 345÷ = 230 MPa

1.5 操作状态下支柱的稳定性校核：

Wo784316.761.4 MPa＜c230 MPa

AOP148710.859WT905606.388.5MPa＜c230MPa AOT148710.688 液压试验状态下支柱的稳定性校核：

操作状态和液压试验状态都满足稳定性条件，则通过。

地脚螺栓计算

拉杆作用在支柱上的水平力

拉杆和支柱间的夹角：

arctanDi/86690arctan3.1412500/836.3

6690= tan°

拉杆作用在支柱上的水平力：

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FC（Pij)max.tan

=13400×=

支柱底板与基础的摩擦力

支柱底板与基础的摩擦系数：fs = 支柱底板与基础的摩擦力：

Fsfsmming0.41300509.81 =51000N n10 地脚螺栓

因Fs〉Fc，球罐不须设置地脚螺栓。但是为了固定球罐的位置，设置两个M30 定位

的地脚螺栓。

支柱底板

支柱底板直径

基础采用钢筋混凝土，其许用压应力： []bc = MPa

地脚螺栓直径d= 30mm； 支柱底板直径： Db11.13Wmaxbc1.13905606.3714.3mm 3 Db2(8~10)ddo(8~10)42600936~1020mm 选取底板直径Db = 1100 mm

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图 基础示意图

底板厚度

底板的压应力： bc4Wmax4905606.30.95MPa 22Db3.141100 底板外边缘至支柱外表面的距离：Lb=（1100-600）/2=250mm

底板材料：Q235-A，s = 225 MPa

225 底板材料的许用弯曲应力：[]b =S= =150 MPa

1.51.5 底板的腐蚀裕量：Cb = 3mm

3bcLb30.952502cb337.46mm 底板厚度：b[]b1502选取底板厚度40 mm。

图 拉杆结构示意图

拉杆计算

拉杆螺纹小径的计算：

拉杆的最大拉力：

FT=

(Pij)maxcos2290028877.6

cos37.53拉杆材料：16MnR，s = 320 MPa

拉杆材料的许用应力：[]T = S / = 320÷ = MPa

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拉杆的腐蚀裕量：CT = 2 mm 拉杆螺纹小径： dT1.13

FT16600CT1.13211.99mm []b213.33 选取拉杆的螺纹公-称直径为20mm。

拉杆连接部位的计算:

（1）销子直径

销子材料：45号钢，s= 295 MPa 销子材料的许用剪切应力： []P=  = ×295 = 118 MPa

销子直径：dp0.8FT166000.89.49mm []p118 选取销子直径dP =10 mm

（2）耳板厚度

耳板材料：Q235钢，s = 235 MPa 耳板材料的许用应力： []C =

S235= MPa =

1.11.1 耳板厚度：

cFT166007.78mm

dp[]c10213.3 选取耳板厚度为10mm。 （3）翼板厚度

翼板材料：Q235，sˊ=235 MPa 翼板厚度：scs105mm 2s2 选取翼板厚度为10mm。

（4）焊缝强度验算

支柱与耳板连接焊缝单边长度：L1= 400 mm 支柱与耳板连接焊缝焊角尺寸：S1 = 10 mm

支柱或耳板材料屈服点的较小值：s = 235 MPa 角焊缝系数： a = ；

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焊缝许用剪切应力： []w =  a = ×235× =

耳板与支柱连接焊缝的剪切应力校核：

FT166002.94MPa[]W65.8MPa

1.41L1S11.1440010 拉杆与翼板连接焊缝单边长度：L1 = 1800 mm 拉杆与翼板连接焊缝焊角尺寸：S1 = 8 mm

拉杆与翼板材料屈服点的较小值：s = 235 MPa 角焊缝系数：a = ； 焊缝许用剪切应力：

w=  a = ×235× = MPa 拉杆与翼板连接焊缝的剪切应力校核：

FT166000.409MPa[]W65.8MPa

2.82L1S12.8218008

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支柱与球壳连接最低点a的应力校核

a点的剪切应力

支柱与球壳连接焊缝单边的弧长：Lw = 1400 mm 球壳a点处的有效厚度：δca =55mm 操作状态下a点的剪切应力：

0G0(Fi)max625093382804.3MPa

2LWe02140055 液压试验状态下a点的剪切应力：

GT0.3(Fi)maxTFWFmax9790690.33828021400552LWea43201.9730234.46.37MPa

a点的纬向应力

a.操作时a点纬向应力o1

o1=

=

(ppoa)(Di＋ea)

4ea(1.770.021）(1250055）102.2Mpa

4551.0Poa——a点液柱静压力为 b.水试时a点纬向应力T1：

T1(pTpTa)(Diea)(1.810.061)(1250055)=106.8MPa

4ea4551PTa——水试时液柱静压力为（a点的）

a点的应力校核

操作状态下a点的组合应力： Oa =01 + 0 = += 液压状态下a点的组合应力： Ta=T1 +T=+=

应力校核：

0a = MPa＜[]t =163MPa

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Ta = ＜ s =×325 = 则校核通过。

支柱与球壳连接焊缝的强度校核

G0 + (Fi)max 和GT + ( Fi )max

Fw两者中的较大值： Fmax G0 + ( Fi )max =625093 + 38280=660000N GT + ( Fi )max

Fw=979069 + ×38280× Fmax

=980000N

W = GT +( Fi )max

Fw=980000 N Fmax 支柱与球壳连接焊缝焊角尺寸：S =6mm 支柱与球壳连接焊缝的剪切应力： w = W /

Lw S =980000/×1400×6)=

支柱与球壳材料屈服点的较小值：s=325MPa 焊缝的许用剪切应力：

[]w =  a = ×325× = 91MPa

应力校核：

w = ＜ []w

则校核通过。

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参考文献

[1]董大勤，袁凤隐，《压力容器设计手册》化学工业出版社，； [2]丁伯民、黄正林，《化工容器》，化学工业出版社出版，； [3]徐英、杨一凡、朱萍，《球罐和大型储罐》，化学工业出版社，； [4]段常贵，《燃气输配》，中国建筑工业出版社,； [5]帅健、丁桂杰，《管道及储罐强度设计》，石油工业出版社。 [6]TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，； [7]《GB150-1998钢制压力容器》 中国标准出版社，1999； [8]《钢制球形储罐》 GB 12337-98，中国标准出版社，1999；

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结束语

为期三周的课程设计就要结束了，真不好意思说自己学会了多少关于油罐的知识！

不是我不努力学习，时间实在是有点短，想往深一点的地方挖挖，感觉到时间真的是不够用。油罐对我们来说是既陌生又熟悉的知识，上了这门课算是对油罐有了初步的认识，会应用CAD画一些简单的球罐图形。当然画出的图形也远远谈不上完美，只能用一个词：“凑合”来对学的深浅进行概括。对这一点，我是不满意的，不说它是我们油气储运专业的一个必须精通的东西吧，掌握它也是最基本的事情。因此，我虽然认可自己在这么多天的辛苦学习，但是学习的效果是令我不喜欢的，简直是有点担忧自己的未来！学习什么都要有一个好的方法，好方法在学习过程中起到事半功倍的效果，由此可见我这次的学习多少有点白费力气的感觉。老师告诉了我们任务，我们就完成它不光完成还要保质保量的完成，可是我感觉我没有做到，我甚至还有点缺斤少两的意思。这是老师说的态度上的问题，比能力上的问题更严重！不过在此次设计过程中，我学会了查找资料，计算，画图，让我学会了对于球罐设计的简单过程，在以后的设计过程中，不仅可以设计球罐，对于任何一个罐体，均可以设计。

在这里特别感谢邵宝力老师，作为我们的课设指导老师，在设计中给予我们的帮助和指导。谢谢老师为我们操劳。在以后学习过程中，我会更加努力，学习更多有用的知识，不会浪费时间，把握住在校的每分每秒，为将来面向社会做准备。

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教师评分表

评价单元 评价要素 评价内涵 能按时到指定设计地点进行课程设计，不旷课，不迟到，不早退。 学习态度认真，遵守课程设计阶段的纪律，作风严谨，按时完成课程设计规定的任务，按时上交课程设计有关资料。 满分 评分 出勤 平时成绩 20% 10 纪律 10 说明书质量 30% 符合课程设计说明书的基本要求，用语、格式、图表、数据、说明书格式 量和单位及各种资料引用规范等。 根据选定的方案和规定的任务进工艺设 行物料衡算，热量衡算，主体设计计算 备工艺尺寸计算，附属设备的选型等。 制图图形 图纸的布局、线形、字体、箭头、整洁等。 10 20 20 制图质量 30% 符合化工原理课程设计任务书制制图正确性 图要求，正确绘制流程图和工艺条件图等。 对设计方 案的理解 答辩过程中，思路清晰、论点正确、对设计方案理解深入，主要问题回答正确 10 答辩 20％ 20 指导教师综合评定成绩： 实评总分 ；成绩等级 指导教师（签名）： 年 月 日

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