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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)綜述報(bào)告
題 目 1000m3 大型球罐設(shè)計(jì)
學(xué)院名稱 機(jī)械工程學(xué)院
1. 本設(shè)計(jì)（課題）研究的目的和意義
球罐為大容量、承壓的球形儲存容器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等部門，它可以用來作為液化石油氣、液化天然。
球罐一種鋼制容器設(shè)備。在石油煉制工業(yè)和石油化工中主要用于貯存和運(yùn)輸液態(tài)或氣態(tài)物料。操作溫度一般為-50～50℃,操作壓力一般在3MPa以下。球罐與圓筒容器（即一般貯罐）相比，在相同直徑和壓力下，殼壁厚度僅為圓筒容器的一半，鋼材用量省，且占地較小，基礎(chǔ)工程簡單。但球罐的制造、焊接和組裝要求很嚴(yán)，檢驗(yàn)工作量大，制造費(fèi)用較高。球罐的形狀有圓球型和橢球型。絕大多數(shù)為單層球殼。低溫低壓下貯存液化氣體時(shí)則采用雙重球殼，兩層球殼間填以絕熱材料。采用最廣泛的為單層圓球型球罐（見彩圖）。球殼是由多塊壓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組焊而成。球罐的支撐結(jié)構(gòu)最常見的為赤道正切式，其次為對稱式、裙座式、半埋地式和盆式。制造球罐的材料要求強(qiáng)度高，塑性特別是沖韌性要好，可焊性及加工工藝性能優(yōu)良。球罐的焊接、熱處理及質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)是保證質(zhì)量的關(guān)鍵。
2. 本設(shè)計(jì)（課題）國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀
隨著世界各國綜合國力和科學(xué)技術(shù)水平的提高，球形容器的制造水平也正在高速發(fā)展。近年來，我國在石油化工、合成氨、城市燃?xì)獾慕ㄔO(shè)中，大型化球形容器得到了廣泛應(yīng)用。例如：在石油、化工、冶金、城市煤氣等工程中，球形容器被用于儲存液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氮、液氫、液氨、氧氣、氮?dú)?、天然氣、城市煤氣、；壓縮空氣等物料；在原子能發(fā)電站，球形容器被用作核安全殼；在造紙廠被用作蒸煮球等?？傊?，隨著工業(yè)的發(fā)展，球形容器的使用范圍必將越來越廣泛。
3. 目前存在的主要問題
球罐的選材、支座的選擇、裙座設(shè)計(jì)、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)、墊片以及焊接材料的選擇。
4. 本設(shè)計(jì)（課題）擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法
本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是：
筒體和封頭、開孔及補(bǔ)強(qiáng)等尺寸計(jì)算，以及強(qiáng)度計(jì)算和校核。
難點(diǎn)是：
由于本次設(shè)計(jì)的球罐考慮了各種載荷，其難點(diǎn)是對罐體以及一些塔罐件的強(qiáng)度計(jì)算及校核。
研究方法：封頭選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，支座選擇柱式支座，開孔補(bǔ)強(qiáng)用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)等，并且要考慮自振周期、風(fēng)載荷和地震載荷。
5. 文獻(xiàn)綜述
一、潘家禎編寫的《壓力容器材料實(shí)用手冊－碳鋼及合金鋼》
決定壓力容器安全性的內(nèi)在因素是材料的狀態(tài)和性能，外在因素是載荷、時(shí)間和環(huán)境條件。合理選擇零部件材料，可以確保壓力容器在全壽命周期內(nèi)安全可靠地運(yùn)行。故壓力容器材料的一般規(guī)定：
a） 壓力容器用材料的質(zhì)量及規(guī)格，應(yīng)符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
b） 壓力容器用材應(yīng)考慮容器的使用條件（如設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)特性和操作特點(diǎn)等)、材料的焊接性能、容器的制造工藝以及經(jīng)濟(jì)合理性。
c） 壓力容器專用鋼材的磷含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）不應(yīng)大于0.03%，硫含量不應(yīng)大于0.02%；用于焊接壓力容器主要受壓元件的碳素鋼和低合金鋼，其含碳量不應(yīng)大于0.25%。
壓力容器用鋼的主要形狀是板、管和鍛件，鋼板材料選用的一般原則：
a） 所需鋼板厚度小于8時(shí)，在碳素鋼與低合金高強(qiáng)度鋼之間，應(yīng)盡量采用碳素鋼鋼板(多層容器用材除外)。
b） 在剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主的場合，應(yīng)盡量選用普通碳素鋼。在強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主的場合，應(yīng)根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)等使用限制，依次選用Q235-A.F、Q235-A（B、C）、20R、16MnR等鋼板。
c） 所需不銹鋼厚度大于12時(shí)，應(yīng)盡量采用襯里、復(fù)合、堆焊等結(jié)構(gòu)形式。
d） 碳素鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)的常壓、低壓容器，壁厚不大的中壓容器。
e） 低合金高強(qiáng)度鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)，壁厚≥8的壓力容器。
f） 珠光體耐熱鋼用作抗高溫氫或硫化氫腐蝕或設(shè)計(jì)溫度350－650℃的壓力容器用耐熱鋼。
g） 不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性較高（如電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕）、防鐵離子污染或設(shè)計(jì)溫度>500℃的耐熱鋼或設(shè)計(jì)溫度<－100℃的低溫用鋼。
鋼管的使用范圍：
a）按GB8163，GB3087，GB9948生產(chǎn)的碳素鋼及低合金鋼鋼管只能用于壓力≤10.0的受壓元件。
b）設(shè)計(jì)壓力≥10.0受壓元件用鋼管應(yīng)采用符合GB647或GB5310、GB2770要求的無縫鋼管。
c）按GB3092生產(chǎn)的有縫的水、煤氣輸送用鋼管只能用于常壓容器，但用作工業(yè)用水及煤氣輸送等用途者，可用于≤0.6的場合。
結(jié)論：我所設(shè)計(jì)的φ3000尾氣洗滌塔采用16MnR材料。
二、鄭津洋、董其伍、桑芝富編寫的《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》
壓力容器的名義厚度應(yīng)不小于下列兩項(xiàng)中的最大值：
1、 按強(qiáng)度計(jì)算確定的名義厚度（內(nèi)壓容器），或按穩(wěn)定性計(jì)算確定的名義厚度（外壓容器）。
2、 按規(guī)定的加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度確定的名義厚度：對碳素鋼、低合金鋼制容器，最小厚度不小于3（對鋼制塔式容器，還要滿足不小于0.2%DN)；對高合金鋼制容器，最小厚度不小于2。
壓力容器的封頭名義厚度應(yīng)不小于下列兩項(xiàng)中的最大值：
?按強(qiáng)度確定的名義厚度（對內(nèi)壓容器）或按穩(wěn)定性確定的名義厚度（對外壓容器）；
?按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小厚度。
標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭其長短軸之比為2，既便于加工，受力也比較有利。壓力容器選用封頭形式應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭（標(biāo)準(zhǔn)號為JB/T4746-2002），標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊長度為25（DN≤2000)和40（DN>2000）兩種規(guī)格。其有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，其他橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%.
根據(jù)計(jì)算得到的筒體或封頭的名義厚度，對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。
結(jié)論：我所設(shè)計(jì)的φ3000尾氣洗滌塔中采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，既便于加工，受力也比較有利。
三、賀匡國編寫的《化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計(jì)手冊》
開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)：為使壓力容器能正常操作和維護(hù)，在殼體和封頭上常設(shè)置工藝管口、人孔、手孔、試鏡等，故需在殼體和封頭上開孔并安裝接管。壓力容器上的開孔最好是圓形，在特殊條件下也可以采用橢圓形或長圓形孔。長圓形開孔的兩側(cè)為平行線，兩端為半圓形。由管子或圓形接管形成的開孔，若軸線未與容器器壁或封頭相垂直，則應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮用橢圓形開孔。對于橢圓形開孔和長圓形開孔，其長、短軸之比最好不大于2。
容器開孔后，不僅削弱了容器的整體強(qiáng)度，而且還因開孔引起的應(yīng)力集中以及接管和容器壁的連接造成開孔邊緣的局部的高應(yīng)力，這種高應(yīng)力通?？蛇_(dá)到容器筒體一次總體薄膜應(yīng)力的3倍，某些場合甚至?xí)_(dá)到5-6倍，再加上接管有時(shí)還會(huì)受到各種外加載荷的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力以及溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力。又由于材質(zhì)和制造缺陷等各種因素的綜合作用，開孔接管附近就成為壓力容器的破壞源－主要疲勞破壞和脆性裂口。因此，壓力容器設(shè)計(jì)必須充分考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題。
常見補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)有補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)、后壁接管補(bǔ)強(qiáng)和整鍛件補(bǔ)強(qiáng)三種，由于補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)簡單、補(bǔ)強(qiáng)面積大，所以在中低壓容器中應(yīng)用最多。
補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，是采用一補(bǔ)強(qiáng)圈來增強(qiáng)開孔邊緣處的金屬強(qiáng)度?？紤]到焊接的方便，通常是把補(bǔ)強(qiáng)圈放在殼體外側(cè)進(jìn)行單面補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈材料、厚度一般與殼體相同。
開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)就是指采取適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減小到某一允許數(shù)值，目前通用的是開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的等面積補(bǔ)強(qiáng)法。
結(jié)論：我所設(shè)計(jì)的φ3000尾氣洗滌塔中適用于開孔補(bǔ)強(qiáng)中的補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。
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