一万立方米天然气球罐参数确定及强度设计.docx
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目录
设计(论文)题目:
一万立方米天然气球罐参数确定及强度设计 1
摘要 II
第一章绪论 -1-
1.1课题背景及意义 -1-
1.2发展现状 -1-
1.3发展趋势 -2-
1.4设计工作 -4-
1.4.1本课题的来源 -4-
1.4.2主要研究内容 -4-
1.5基础数据 -5-
1.5.110000m³天然气球罐实物研制的条件 -5-
1.5.2基本参数 -5-
1.5.3基础资料 -6-
第二章10000m³天然气球罐用钢技术研究和评定 -9-
2.1天然气球罐用钢基本要求分析 -9-
2.1.1基本要求 -9-
2.1.2钢材化学成分要求 -9-
2.1.3钢材力学性能要求 -10-
2.1.4钢材热处理状态和焊后热处理的规定 -10-
2.2本章小结 -11-
第三章10000m³天然气球罐设计技术研究 -13-
3.1球罐主要设计参数的确定 -13-
3.1.1设计压力和设计温度 -13-
3.1.2人孔位置及尺寸的确定 -13-
3.1.3腐蚀余量的确定 -14-
3.2设计原则 -14-
3.2.1设计规范的确定 -14-
3.2.2压力实验方法 -16-
3.3球罐受压元件用材料的确定 -16-
3.3.1选材的基本思路 -16-
3.4球罐结构形式的研究 -17-
3.5开孔补强结构研究 -18-
3.6球罐支柱结构研究 -19-
第四章球罐的强度计算 -23-
4.1计算方法标准 -23-
4.2球壳壁厚的计算 -23-
4.3校核计算条件 -24-
4.4强度计算 -25-
结论 -35-
参考文献 -36-
致谢 -37-
摘要
对于球形压力容器来说,它具备应力条件好、承压能力高、占地规模小等不同的优点,并且这些优点是其他容器不能比拟的。
它们可以分段运输到现场进行安装和成型,其体积基本不受运输限制。
其中,它们在液化气以及气体的储存领域得到了广泛的运用,包括冶金、城市燃气、以及化工等领域。
最近几年,中国大型高参数球罐技术得到了技术的发展。
借助对进口球罐的学习、吸收以及创新,中国制造了较多的高参数球罐,如此推动了中国经济的进步以及发展。
目前,中国的冶金、化工、天然气以及石油等行业都日益提高了对于大型球罐的需求量以及品质要求,如此具备自主知识产权的超大型球罐核心技术的开发成为了重中之重。
球罐的扩建工作涵盖了多个技术领域以及学科,是一项较为综合性的工程。
就10000m³大型天然气球罐的制造、开发以及设计而言,它的主要技术包括下列内容:
(1)借助对中国和其他国家的通高参数球罐用材料技术进行归纳以后,依据10000m³大型天然气球罐对于参数设定的各项运行要求,明确了选材的方法以及原则;最后明确了采取WEL-TEN610CF当做第一次研发和制作10000m³大型天然气球罐球壳用钢。
(2)对10000m³天然气球罐的各项技术的开发以及设计都进行细致的分析,实现了10000m³天然气球罐的结构设计,这些技术指标包括采取何种压力试验方法、如何精确计算球罐强度、如何进行开孔补强操作等。
关键词10000m³天然气球罐;WEL-TEN610CF;设计制造;强度计算
II
Abstract
Sphericalpressurevessel(hereinafterreferredtoassphericaltank)hasincomparableadvantagesoverotherpressurevessels,suchassmalloccupationofland,goodforce,highpressurebearingcapacity,canbetransportedtothesiteforinstallationandforming,thesizeofvolumeisbasicallynotlimitedbytransportation,andsoon.Itiswidelyusedtostoregasandliquefiedgasinpetroleum,chemicalindustry,urbangas,metallurgyandotherfields.Inrecentyears,greatprogresshasbeenmadeinthelarge-scaleandhighparametricengineeringtechnologyofsphericaltanksinourcountry.Throughthedigestion,absorptionandinnovationofimportedsphericaltanks,manyhigh-parametersphericaltankshavebeenmadeinChina.Ithasmadepositivecontributionstotheeconomicdevelopmentofourcountry.InordertomeetthedemandofnaturalgasstorageinChina,aswellastheneedsofpetroleum,chemical,textile,metallurgyandotherindustriesforthelarge-scalesphericaltank,itisurgenttodevelopthecoretechnologyofsuper-largesphericaltankwithindependentintellectualpropertyrights.Thelarge-scalesphericaltankisacomplexsystemengineering,whichinvolvesmanydisciplinesandtechnicalfields.Inviewofthedomesticresearchanddesignof10000m/glargenaturalgassphericaltankandseveralkeytechnologiesinitsmanufacture,thefollowingworkhasbeencompleted:
(1)throughthetechnicalanalysisofthematerialsusedinhighparametersphericaltanksathomeandabroad,Accordingtotheoperationparameterrequirementsof10000m/glargenaturalgassphericaltank,theprincipleofmaterialselectionisworkedout.Finally,WEL-TEN610CFwasselectedasthesteelforthesphericalshellof10000m/glargenaturalballoontankdevelopedforthefirsttime.
(2)thekeydesigntechniquessuchasdesignstandardselection,pressuretestmethod,sphericaltankstrengthcalculation,sphericalshellzonalstructuredetermination,holereinforcementmethod,pillarstructureformandotherkeydesigntechniquesaresystematicallystudiedinthedesignstandardselection,pressuretestmethod,sphericaltankstrengthcalculation,holereinforcementmethod,pillarstructureformandsoon.Thestructuredesignofdomestic10000m/gnaturalgassphericaltankhasbeencompleted.
III
Keywords:
10000m/gnaturalgassphericaltank;WEL-TEN610CF;designandmanufacture;strengthcalculation
IV
第一章绪论
1.1课题背景及意义
最近几年以来,因为中国油气储运系统的飞速发展,油气储运设施是否具备较大的可靠性以及较高的安全性得到了更多的重视,社会各界对其的要求也愈发提高。
因此,油气储罐以及管道新方法以及技术的研发也迈入了持续进步的阶段。
球罐是储存气体或液体的容器。
这个发明能够很大程度上减小钢材消耗量,不占据较多的面积,不耗费较多的基础工程量,降低了土地面积的使用量。
在纺织、石油化工、天然气和储气领域。
与其他类型的压力容器相比,球罐具有许多优点,如体积相同的球罐表面积最小。
承受内压时,球壳受力均匀,薄膜应力仅为薄壁圆柱形容器的一半,因此球壳的壁厚可以大大减小,同时可以减少材料的消耗。
此外,就风力系数而言,圆柱形容器约为0.7,而球形壳体约为0.3。
在风荷载下,球形壳体比圆柱形容器更安全。
球壳采用支柱和拉杆的支撑结构,形式简单,易于扩大球壳的结构。
球罐的扩大可以减少储气投资,节约土地,降低辅助设施成本,便于项目管理。
球罐的参数高、规模大是国内外球罐发展的必然趋势。
经过多年的技术经验积累,归纳了开展油气管道和储罐强度设计的相关理论、设计规范以及标准,为油气储运工程技术人员提供了更全面的参考数据。
为了实现我国特大型球罐的完全国产化,现根据现有经验理论来进行以下10000m³天然气球罐强度设计。
1.2发展现状
上个世纪三十年代,全球范围内掌握了球罐制造技术的国家数量并不多。
以美国为例,其在1910年以及1930年都建立和制造了小型低压球罐,它们采取的结构为铆柳结构,并且数量是有限定的。
铆柳结果除了具备很大的材料以及劳动强度,并且还存在球罐密封性能不好的缺点,不易于制造,如此给球罐的进步以及发展制造了很多的阻力。
从上个世纪六十年代到现在,由于各个国家的科技实力以及竞争水平都有了飞跃式的增加,球罐制造水平形成了一个快速发展的时期。
以日本为例。
20世纪60年代以前,液化气球罐的体积是2000立方米以下,目前生产能力为两万立方米的球罐。
与此同时,西德的生产能力已经达到四万三千立方米。
美国也在球罐制造方面有了自己的一些经验,它建造的超低温液氢球罐的设计温度是-250℃,容量是3400m³。
此外,许多先进工业国家也对运输液化天然气的双壳低温球罐、低温球罐和低温大型海洋球罐进行了试验研究,并投入大规模生产。
从上个世纪六十年代起,中国在球罐制造技术进入了发展阶段。
不过,由于国民经济的飞跃式进步以及改革力度的提高,球罐制造技术也迎来了更加快速的阶段。
现在,通过进口以及自主生产的方式,中国具备了多种用途以及规格的球罐,其中容积最大的中国球罐的制造始于20世纪60年代初。
然而,随着国民经济的快速发展和改革开放的需要,球罐制造技术近年来发展迅速。
目前,中国自主生产或进口了多套不同规格和用途的球罐,最大容积超过大于1万m³,最大压力大于3兆帕,最低设计温度小于-30℃。
对于超大球形储罐来说,国外先进工业国家已经建造了1万立方米到2万立方米的球罐已经相当普遍,然而我国的关键设计和制造技术并没有完全解决。
一万立方米上述球罐均为进口,不仅造价高,周期长,而且受人为控制。
目前,中国生产的球罐最大容积为10000立方米,在我国目前还没有人设计15000立方米球罐。
1.3发展趋势
由于全球范围内不同国家的科技实力以及竞争水平都在持续增加,因此也促进了球星容器制造技术的提升。
最近几年来,很多领域的建设都引入了大型球形容器的运用,包括了合成氨以及石油化工等领域。
比如说,在城市燃气项目里,它们都可以实现储存液化石油气以及液化天然气等功能。
就核电站而言,它的安全壳都可以为球形容器。
归纳而言,由于工业的持续进步,球形容器得到了更多的运用。
跟其他压力容器进行比较后得知,球形压力容器具备了如下特征以及优势:
(1)占地面积不大;(2)具备较好的承载力;(3)便于安装以及运输;(4)具备良好的受力状况。
它们大多数都运用在化工、石油、以及冶金等行业。
放眼世界范围内的球罐技术,它们的发展轨迹往往是放大高参数。
通过球罐的扩建,能够很大程度上减小占地面积,降低相关设施的成本投入,降低了单位容积储存容量的资金和人力花费,并且利于管理。
如此,为球罐大规模的发展创造了很好的条件。
因为球罐存在风面不大、外形好看以及基础不复杂的特征,因此在工程环境美化方面,也得到了一定的运用。
常规以及分析设计方法。
因为计算机基础的持续提升以及进步、分析设计技术能力的提升以及较多分析工具(较为大型的)的运用,传统的规则设计方法在应用中仍然非常普遍,但技术发展并不多。
使用应力分析技术,结合不同的工况,合理的优化高应力零件的结构,以达到理想的应力效果,这将是这段时间球罐分析设计技术的研究的重点。
世界上第一个压力容器ASMESectionⅢ-1965“RulesforConstructionofNuclearVessels”成为了压力容器的设计规范。
上个世纪七十年代到八十年,中国也逐步启动了对于压力容易应力的探索,但是对球罐的应力分析和设计本世纪初才开始,主要选择危险性较小的介质,主要是容积为1万立方米的氧气和氮气球罐,不过对球罐尺寸为15000m³的,相关的技术分析还没有涉及。
就球罐的结构设计而言,全球范围内一般都对如下过程特别重视:
(1)受力应该较为均匀,支柱数量不宜人少,而宜多,并且应该呈现均匀分布。
(2)为了降低焊接量以及提高安全性,应该提高对于大板的利用率。
(3)更多地运用钢板,如此实现制造成本的降低。
球罐段的结构能够被分为如下三类:
橙色段、足球段和混合段,这种分类方法的依据是球罐的经纬度。
各种结构的优缺点没有绝对的区别。
对于每个台球罐,根据上述三个优化原则,通过分区角度和立柱数量来确定采用哪种结构形式,可以达到理想的先进效果。
事实上,近年来足球花瓣结构的应用很少,主要是因为焊缝的接缝处有Y形或T形焊缝,这种焊缝很难焊接,也很难保证质量。
一些支柱被放置在球形壳体的横向焊缝上,导致复杂的应力和难以组装。
混合结构结合了橙色花瓣型和足球花瓣型的优点,被广泛应用于大型球罐中。
球罐的支撑结构分成了柱式和裙式两种,其中柱式更常见一点。
而裙式支座主要包括了圆柱裙式、锥底式以及半埋式混凝土基础三种。
支柱有两种类型:
赤道切线支柱和非切线支柱。
中日球罐标准也建议使用赤道切线支杆结构,原因是切线支杆球壳附加弯矩小,这样局部反向力将不会作用到球壳上面。
最近几年,包括球罐在内的压力容器设计技术发展的趋势是根据风险和寿命的可靠性的设计研究工作。
比如,在欧洲,PED指令必须要求容器在设计过程中要提交风险报告,并且要求它们分析故障模式以及具体运用过程里需要重视的问题等。
围绕风险寿命,中国开展了很多的设计制造研究,这些研究往往都是依托于国际合作计划等,这意味着压力容器设计迈入了高速发展的局面。
全球范围里外球罐制造技术的发展动态:
球罐具备较大的体积,因此它跟普通压力容器存在很大的区别,因为无法再制造厂一次成型。
第一步,应该在制造厂对其进行压片操作,随后把它转移到现场开展焊接、组装以及测试等操作,最后一步步骤是施工。
对于制造厂来说,它的关键任务就是实现求球壳板的加工工作,包括零件生产以及凹槽加工等。
在其他国家,常常使用的球阀成型技术为压力成型,包括了热压、温压、以及冷压。
除此之外,爆炸成形和非模具成形方法也有一定的应用。
就液压以及爆炸成形方法来说,它们会对材料产生很大的损伤,等非模具成形方法,材料损伤相对较大,主要是理论研究,应用比较少。
在早期,压力能够不够,因此采取了温压以及热压的方法。
因为材料得到了很多的破坏,球壳板存在较大程度的缩小等情况,因此压机逐渐不再得到使用。
目前,应用最多的方法是冷压成型,占90°球罐成型。
冷压成型主要使用的方法为点压法,不需要使用加热钢板、外观美观、精度大等优点。
由于CAD和CAM技术的持续发展,一步成形法在世界很多不同的国家都得到了运用,不过对于该内容的深入研究报道还不多。
通过计算机仿真技术能够发现更多的变形规律以及内部特征,这主要是通过对球体压制的效率以及精度进行模拟而获得的,随后对切割和冲压成型展开了科学的研究,如此增加了球罐的生产效率,降低了材料的耗费,这也是未来的一个重点研究方向。
1.4设计工作
1.4.1本课题的来源
为了能够进一步熟悉大型天然气球罐构建的关键技术,本论文选题“一万立方米天然气球罐参数确定及强度设计”,它的重点内容在于借助国产化10000m³大型天然气球罐的重点技术的分析和研发,如此促进中国球罐提高迈入大型化发展的进程。
1.4.2主要研究内容
该课题主要包含了如下研究内容:
(1)球罐使用钢以及相关焊接、热处理技术的研究。
(2)球罐设计技术的研究。
最后,将这两部分的工作研究所得到成果,用于10000m³天然气球罐,从而实现特大型天然气球罐国产化。
本课题的特点是实用性强。
它是对行业内急需要解决问题的研究,有着很高的理论和应用价值。
1.5基础数据
1.5.110000m³天然气球罐实物研制的条件
这次10000m³天然气球罐研制的技术特点对于后续的研发工作尤为重要,涵盖了如下内容:
1.5.2基本参数
表1.1
公称容积
10000m³
公称内径
26800mm
最高工作压力
0.98MPa
最高工作温度
70℃
球罐基础高度
200mm
罐底距地面高度
2.2m
基础沉降试验
充水1000m³
罐内压力波动范围
0.3~0.98MPa
充放气循环
平均2次/日
使用寿命
40年
1.5.3基础资料
1.5.3.1安装与运行地区气象环境条件
注:
(以重庆地区实际情况进行研究)
(1)大气温度
表1.2
年平均气温
18.3℃
最高气温
42.2℃
最低气温
-2℃
最热月月平均气温
28℃
最冷月月平均气温
7℃
(2)大气湿度
表1.3
最热月平均相对湿度
75%
最冷月平均相对湿度
82%
(3)大气压力
表1.4
夏季
973.2hPa
冬季
991.2hPa
(4)大气降水
表1.5
平均年总降水量
1151.5mm
一日最大降水量
195.3mm
基本雪压
0
(5)大气流速(地面)
大气流速的主导流向(风向)C;夏季是39%,冬季是44%,夏季是N7%,冬季是N11%。
表1.6
基本风压
600Pa
夏季平均风速
1.4m/s
冬季平均风速
1.2m/s
30年一遇最大风速
21.9m/s
季风最多风速平均值
2.2m/s
1.5.3.2场地条件
(1)安装场地海拔高度:
头塘储配站251.0m
(2)地震设防烈度7度近震
(3)球罐安装场地已经平基,Ⅰ类场地土
(4)地面粗糙度类别:
B类
(5)露天的环境,1级天然气爆炸危险场所
1.5.3.3工作介质
对于在球罐中储存的天然气来说,它来源于重庆天然气矿,它们的气体特质都满足GB17820-2012《天然气标准规定》[1]。
关键的理化性质参数包括:
(1)甲烷(CH4)含量在95%以上,乙烷(C2H6)以上有机烷烃类气体在5%以内,硫化氢(H2S)≤20mg/m³
(2)平均分子量16.77
(3)密度0.76kg/m³
(4)比重0.5891(空气为1)
(5)运动粘度13.69×10-6㎡/s
(6)绝热指数1.31
(7)高位发热量31.4MJ/m³
1.5.3.4运行要求
可以处于全天候、全时段的运行状态。
第二章10000m³天然气球罐用钢技术研究和评定
2.1天然气球罐用钢基本要求分析
2.1.1基本要求
对于当前的球形储罐而言,其所利用的一项储存的介质都是压缩气体、液化气体等,归根究底,这些都是属于易燃、易爆的具有安全隐患的物质。
在当前的天然气球罐当中,其主要发挥的是储存压缩天然气的这一作用,为的就是确保整体的安全性与可靠性。
事实上,球罐在当前的中国仍然隶属于第三类压力容器,其的用钢必须要完全符合国务院所颁布的《压力容器安全监督条例》,必须会达到GB150[2]、GB12337[3]等国家所规定的一系列标准要求,所以用压力容器专用钢则显得更为合适。
球罐在选择用钢的时候,还是会从技术和安全这一方面开始考虑。
在满足强度要求条件下,其具备极强的成形性、优异的焊接性。
第二,还应该要考虑到其的经济性,在确保整体运行安全的这一态势之下,再推进其的安全有效进行。
在球罐投资的这一过程当中,钢材价格是非常重要的一部分,但质量与价格也不都是成正比的。
2.1.2钢材化学成分要求
在制造球罐的这一过程当中,还是应该将其进行冷压处理,从而确保其能够成型。
在安装承压球壳的时候,一般都需要通过焊接这一种方式来完成。
特别是在使用的时候,储罐必须要保持一定的压力,压球壳在塑性、韧性、良好的成形性及焊接性方面都显得尤为重要。
此外,H₂S可能存在于储存的天然气介质中,因此应考虑H₂S应力腐蚀。
钢的化学成分直接影响钢的力学性能,可焊性和耐腐蚀性,因此对球形钢的化学成分有严格的要求。
球罐用钢必须使用碳钢和低碳低合金钢。
根据安全技术压力设备规定的监管要求,碳含量不得超过0.25。
在特殊条件下,如果碳含量超过0.25,碳当量不应大于0.45。
必须提供材料抗裂测验报告和焊接工艺评估报告。
2.1.3钢材力学性能要求
球罐用钢所具备的力学性能主要就是为了能够将球罐的使用、加工性能全部都予以满足。
基于当前的这一宏观情况看来,钢的强度其实指的就是其所能够承担的外部载荷的实际能力,这也直接突显出了球罐的壁厚情况。
特别是对于参数相同的球罐而言,钢的强度与壁厚呈现出正相关关系。
在进行强度评估的时候,主要是从屈服强度Rel与抗拉强度Rm这两方面进行判断。
材料本身就具备一定的可塑性,其主要是反映在加工塑料这一方面的能力之上,具体可以直接参考伸长率δ与横截面收缩率ψ这两项,球壳板在压缩的时候,其必须要确保具有良好的塑性。
为了能够了解到材料的韧性与脆性,缺口冲击韧性则是一个最为常用的指标。
在大部分的人们眼中,还是希望能够确保球罐钢的强度与塑性都能够得到满足,如此一来,整个球罐在使用的过程当中也能够确保安全、可靠。
在进行温度设计的时候,其必须要保持着-20℃的这一状态,低温缺口冲击韧性也会直接表达出来。
除此之外,钢材的断裂韧度与无塑性转变温度NDT都是两项十分重要的指标。
参考SteelPlatesforPressureVesselsforInter
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- 立方米 天然 气球 参数 确定 强度 设计