球罐的焊接结构和工艺设计.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流球罐的焊接结构和工艺设计.精品文档.摘 要本次设计以GB12337-2010钢制球形储罐和GB150-2011钢制压力容器为设计依据,综合国内外现有的制造技术设计了3000m3液氨储罐。在以安全为原则的基础上综合考虑产品质量、施工建造可行性、国内现有的建造技术等方面的因素,设计出公称直径为18000mm、壁厚为44mm的大型球罐。本设计在选材方面考虑了多种材料的特性,最后确定Q345R为本球罐的材料。同样,本设计在球罐选型及支撑方式的选择上也应用多种形式作比较最终确定混合式结构、可调式拉杆支撑最合理。最后进行强度及稳定性校核,校核结果显示本设
2、计的结构既安全又经济。本文通过对球罐的材质的焊接性分析,确定焊接材料和焊接方法。根据每条焊缝有不同的特点,制定了各条焊缝的具体焊接顺序和坡口形式,并选择了焊接工艺参数。球罐组装、焊接之后,需要进行焊后处理,包括无损检测,焊后热处理,以及耐压试验等,本文也都进行了简要的分析和说明,并介绍了相应的处理方法和注意事项。关键词:球罐;安全;经济;焊接AbstractThe design Of 3000m3 liquid ammonia spherical tank is basis on both the GB12337-2010 steel spherical tanks and GB150-201
3、1 design of steel pressure vessel, considering the existing manufacturing technology of tanks both at home and abroad. In the principles of safety ,consideration of product quality and construction feasibility, the existing building technology and other factors, at last the spherical tank is designe
4、d for nominal diameter 18000mm、 wall thickness 44mm. The selection of materials in this design is in consideration, compared with some different properties of materials,finally the Q345R has be choosen.Also, the design and selection of the spherical support is in consideration,finally hybrid strucur
5、e and adjustable tension support seems to be the most reasonable. Finally the strength and stability test, the result shows this design of structure is safe and economic.Based on the spherical tank welding materials analysis to determine the welding materials and welding methods. According to differ
6、ent characteristics of each weld, developed a specific welding seam of each sequence and groove type, and selected welding parameters.After the installation and welding of the spherical container, there need to conduct process when the welding finished, which include non-destructive testing, postwel
7、d heat treatment, and the pressure test, and so on. In the paper, they were conducted a brief analysis and exposition, and were introduced the corresponding resolve methods and attention matters.Keywords: spherical tank; safety;welding目录1绪论11.1 引言11.2 球罐介绍21.3 国内外研究现状21.3.1 球罐的发展和应用现状21.3.2 焊接设备应用现状
8、31.3.3 球罐自动化焊接技术的进展41.4 课题主要内容51.5 课题研究方案52 3000m球罐的结构设计62.1 3000m球罐的参数62.1.1 主要技术参数62.1.2 球罐用钢的基本要求分析62.1.3 球罐用钢的确定62.2 球罐的结构设计要求62.3 球壳的设计72.3.1 球罐结构型式的选择72.3.2 混合式结构排板计算72.4 支座设计142.4.1 支柱142.4.2 底板152.4.3 拉杆152.5 人孔和接管152.5.1 人孔结构152.5.2 接管结构152.6 球罐的附件152.6.1 梯子平台152.6.2 液位计162.6.3 安全阀162.6.4 溢
9、流阀162.7 球罐对基础的要求163 焊接性分析173.1 材料的焊接性分析173.1.1 Q345R的化学成分和力学性能173.1.2 Q345R的焊接性173.2 焊接性分析183.2.1 碳当量(CE)183.2.2 裂纹敏感性指数(Pc)183.3 焊接方法与填充材料的选择204 球罐强度计算及稳定性校核204.1 设计条件204.2 球壳计算204.2.1 计算压力204.2. 2 球壳各带的厚度计算214.3 球罐质量计算224.4 地震载荷计算234.5 风载荷计算244.6 弯矩计算244.7 支柱计算254.7.1 单个支柱的垂直载荷254.7.3 支柱稳定性校核264.8
10、 地脚螺栓计算284.8.1 拉杆和支柱之间的夹角284.8.2 支柱底板与基础的摩擦力284.8.3 地脚螺栓284.9 支柱底板计算284.9.1 支柱底板直径284.9.2 底板厚度,底板的压应力294.10 拉杆计算294.10.1 拉杆螺纹小径计算:拉杆的最大拉力294.10.2 拉杆连结部位的计算304.10.3 耳板厚度304.11 支柱与拉杆连接最低点a点应力计算324.11.1 a点的剪切应力324.11.2 a点的纬向应力324.11.3 a点的应力校核334.12 支柱与球壳,连结焊缝强度334.13 开孔补强校核344.13.1 人孔开孔补强计算344.13.2 进出料
11、及安全阀365 工厂制造及现场组装405.1 球罐生产的准备工作405.2 材料的进厂入库检验405.3 钢材的预处理405.3.1 钢板的矫正405.3.2 钢板的表面清理415.4 放样、划线与号料415.4.1 毛坯尺寸下料415.4.2 二次精确下料415.4.3 球瓣的压制415.5 现场装配与焊接425.5.1 施工准备425.5.2 组装准备435.5.3 上下支柱的连接445.5.4 内脚手架、外防护棚的搭设455.5.5 球罐的安装程序456 球罐的焊接工艺466.1 焊接工艺评定466.2 焊工资格466.3 施焊环境466.4 焊前准备476.5 焊件的预热476.6 定
12、位焊和工装夹具焊接476.7 焊接工艺的选择476.7.1 焊接方法的选择476.7.2 焊接材料选择476.7.3 坡口设计486.7.4 坡口加工方法及清除496.7.5 焊条的选择496.7.6 焊接工艺参数496.7.7 焊接顺序506.8 焊缝的类型526.9 焊后热处理537 焊件的质量检查557.1 焊缝外观质量检查要求557.2 焊接接头的无损检测557.3 致密性检查,水压试验和气密性试验557.4 结构整体的耐压试验567.5 去锈、涂装567.6 球罐成品验收568 结论58致 谢59参考文献60附录A61附录B781绪论1.1 引言随着现代工业生产的迅猛发展,焊接已成为
13、机械制造等行业中一种越来越重要的加工工艺手段。目前,焊接已广泛用于能源、石油化工、航空航天、原子能、海洋、交通等重大工程项目,同时亦遍及工业生产的各个领域。由于石油、化工、石油化工、燃气(液氨、液化石油气)等事业的迅速发展,随之而建造的球罐增长速度很快,1981年我国球罐约1100台,到1985年增加至约1800台,至1996年全国有近5000台球罐,这4年间平均每年建造约400台球罐。迄今为止,我国现有各种球罐已愈万台。球罐建造的增长速度如此之大,是因为人们越来越认识到使用球罐比圆筒形容器更加合理。与同容积的圆筒形容器相比,球罐的表面积最小,受力均匀,在相同直径和工作压力下,其所受内应力最小
14、。同时球罐还具有占地面积小,高度低,底座基础工作量小,所以建造球罐时,可节省钢材,降低成本,因而在各工业领域得到了广泛的应用,在单罐容积大于1000m3仅用材消耗量就比同容积圆筒形容器节省三分之一以上(容积越大越显著),其经济效益显得十分突出。这是当前市场经济中人们十分关注的问题。但是,球罐制造较困难,加工费用高。表现为下料工序较复杂;从冲压到拼装尺寸要求严格;超差变形矫正困难。此外,球罐直径通常较大,如50m3容积的球罐,直径就达到4.6m,已不适于整体常规运输,须在现场组装焊接,而100m3容积的卧(立)式贮罐,则尚可在制造厂中预制。球罐现场组装焊接,施工费用高;施焊条件差;装配尺寸与精度
15、难以保证;器壁拘束度较大,会产生较大的残余应力,甚至诱发裂纹;施工质量受风雨、温度和湿度等环境因素的影响。目前,虽然我国的球罐制造业发展很快,但总体制造水平偏低,某些加工手段及工艺措施还相对保守。但是,其基本制造工艺还是比较稳定的,所以球罐的制造技术应该被广泛的应用,并在原基础上有所突破创新。近年来,在石油、化工、冶金、核电等领域中,球罐得到了广泛应用。例如:球罐被用于储存液化石油气、液化天然气、液氧、液氮、液氢、丙烯、氧气、氮气、液氨、城市煤气、压缩空气等物料;在原子能发电站,球罐被用作核安全壳;在造纸厂被用作蒸煮球等。总之,随着工业的发展,球形容器的使用范围必将越来越广泛。1.2 球罐介绍
16、球罐为大容量、承压的球形储存容器,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。操作温度一般为-5050,操作压力一般在3 MPa以下。球罐的特点:(1) 球罐的表面积最小,即在相同容量下球罐所需钢材面积最小,一般要比圆筒形容器节约30 %40 %的钢材。(2) 球罐壳板承载能力比圆筒形容器大一倍,即球罐的承载能力最高,在相同直径、相同内压条件下,采用同样钢板时,球形容器所需要壁厚仅为同直径、同材料的圆筒形容器壁厚的1/2(不考虑腐蚀裕度)。(3) 在相同直径情况下,球罐壁内应力最小,而且均匀。由于这些特点,再
17、加上球罐基础简单、受风面小、外观漂亮,可用于美化工程环境等原因,使球罐的应用得到很大发展。其主要缺点是制造施工比较复杂。球罐的结构是多种多样的,根据不同的使用条件(介质、容量、压力湿度)有不同的结构形式。通常按照外观形状、壳体构造和支承方式的不同来分类。 (1)按形状分为圆球形和椭球形 (2)按壳体层数分为单层壳体和双层壳体(3)按球壳的组合方式分为纯橘瓣式、纯足球瓣式和足球橘瓣混合式(4)按支承结构分为柱式支承和裙式支承,半埋入式支承、高架支承等1.3 国内外研究现状1.3.1 球罐的发展和应用现状早在1910 年美国建造了世界上第一台球罐 ,至今全世界役各类工业球罐约 5万余台,国外主要球
18、罐制造厂商约40 余家,年建造增约500600 台。中国最早建造球罐开始于1958 年。至1990年全国在役各类工业球约2200余台(其中:石油300余台 、化工500余台,石油化工500余台、冶金200余台、城市煤气400余台、其他工业部门300余台 。目前中国球罐制造厂商约20余家,年建球罐增长量约100150台。约占世界球罐建造增长量的1/5至1/4。美国早在1976 年已建成容量为11.88万m,直径为61m 的核反应堆球形安全壳,设计压力为0.190.24 MPa ,壳体壁厚控制在38 mm以内,这是目前世界上较大容量球罐。我国尚未建造球形安全壳,我国已建成直径为36 m,壁厚为38
19、 mm 的球形封头式的核反应堆安全壳。国产最大容量球雄是由金州重型机器厂于1989年为河南中原化肥厂建造的4000 m液氨球罐 ,设计压力0.5 MPa,内径20.1,板厚20 mm ,球罐质量274.6 t 。 目前我国在役球罐主要参数:容量为5010000 m,内径为4.6 26.74 ,设计压力为常压至4 MPa,设计温度为-10460 。我国球罐容量1000 m以下的占总量的90%左右、其中100400 m球罐占70 % 左右。储存介质为液化石油气、液氨及城市煤气 ,氧气和氮气,乙烯和液氨,液氨,其他介质。球罐材料只要有国产A3F,A3,A3R,20R,Q345B,Q345R,15Mn
20、V,15MnVR,15MnVN, 15MnVNR及从国外引进的各种球罐材料,我国球罐选用Q345R为主,约占总量90% ,球罐结构主要采用赤道正切式支承纯正圆单层球罐,约占99%;球壳结构为桔瓣型及足球桔瓣混合型。世界各国在役球罐平均每10年发生23次灾难性爆炸事故,据报道日本70年代球罐事故发生率约为1% 。我国70年代球罐事故统计,其发生率约为2%。80年代全国各部门从1979年吉林液化石油气球罐群爆炸灾难性事故中吸取教训,在国家劳动安全监察部门监督下,对全国 930余台在役旧球罐及1000余台新建投用球罐逐台进行开罐检查及全面修复,历时10年,耗资近3亿元人民币,动用4万人次,80万工日
21、,报废球罐约占总开罐数的10%,返修球罐约占总开罐数的80%从1980年至1990年全国在役2200余台球罐灾难性事故降到0,球罐运行破裂爆炸事故降到0球罐耐压破裂事故 降到1/1000。从而使我国球罐安全性达到世界领先水平。制造球罐的材料要求强度高,塑性特别是冲韧性要好,可焊性及加工工艺性能优良。球罐的焊接、热处理及质量检验技术是保证质量的关键。1.3.2 焊接设备应用现状制造业是一个国家综合经济实力的重要基础,没有强大的制造业就不可能成为经济强国,也难有强大的国防力量。装备制造业是制造业的核心,因为它是为各行各业提供各种装备的产业。随着科学技术的发展, 焊接逐步成为制造业,尤其是装备制造业
22、中的重要加工手段。 上世纪90年代末, 美国和德国的专家在对20世纪前20年焊接技术发展前景的预测中认为,到2020年, 焊接仍将是制造业的重要加工工艺,它是一种精确、可靠、低成本,并且是采用高科技连接材料的方法。目前还没有其他方法能够比焊接更为广泛地应用于金属的连接,并对所焊的产品增加更大的附加值,可见,焊接在已经完成工业化的发达国家中仍是一种不可取代的工艺,对于我们这样的发展中国家来说,焊接更是一项蓬勃发展的技术。 对于国内,尽管从焊接设备拥有量和焊接材料消耗量来看,我国已经是一个焊接的大国, 但从先进技术应用的深度与广度、焊接自动化率、焊接机器人拥有量、大型复杂焊接系统的自主开发能力、原
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