1000m3球罐的焊接结构和工艺设计.doc

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

Abstract

The design Of 3000m3 liquid ammonia spherical tank is basis on both the GB12337-2010 《steel spherical tanks 》 and GB150-2011 《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 designed 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 strucure 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 different 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, postweld 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 1
1.1 引言 1
1.2 球罐介绍 2
1.3 国内外研究现状 2
1.3.1 球罐的发展和应用现状 2
1.3.2 焊接设备应用现状 3
1.3.3 球罐自动化焊接技术的进展 4
1.4 课题主要内容 5
1.5 课题研究方案 5
2 3000m³球罐的结构设计 6
2.1 3000m³球罐的参数 6
2.1.1 主要技术参数 6
2.1.2 球罐用钢的基本要求分析 6
2.1.3 球罐用钢的确定 6
2.2 球罐的结构设计要求 6
2.3 球壳的设计 7
2.3.1 球罐结构型式的选择 7
2.3.2 混合式结构排板计算 7
2.4 支座设计 14
2.4.1 支柱 14
2.4.2 底板 15
2.4.3 拉杆 15
2.5 人孔和接管 15
2.5.1 人孔结构 15
2.5.2 接管结构 15
2.6 球罐的附件 15
2.6.1 梯子平台 15
2.6.2 液位计 16
2.6.3 安全阀 16
2.6.4 溢流阀 16
2.7 球罐对基础的要求 16
3 焊接性分析 17
3.1 材料的焊接性分析 17
3.1.1 Q345R的化学成分和力学性能 17
3.1.2 Q345R的焊接性 17
3.2 焊接性分析 18
3.2.1 碳当量（CE） 18
3.2.2 裂纹敏感性指数（Pc） 18
3.3 焊接方法与填充材料的选择 20
4 球罐强度计算及稳定性校核 20
4.1 设计条件 20
4.2 球壳计算 20
4.2.1 计算压力 20
4.2. 2 球壳各带的厚度计算 21
4.3 球罐质量计算 22
4.4 地震载荷计算 23
4.5 风载荷计算 24
4.6 弯矩计算 24
4.7 支柱计算 25
4.7.1 单个支柱的垂直载荷 25
4.7.3 支柱稳定性校核 26
4.8 地脚螺栓计算 28
4.8.1 拉杆和支柱之间的夹角 28
4.8.2 支柱底板与基础的摩擦力 28
4.8.3 地脚螺栓 28
4.9 支柱底板计算 28
4.9.1 支柱底板直径 28
4.9.2 底板厚度，底板的压应力 29
4.10 拉杆计算 29
4.10.1 拉杆螺纹小径计算：拉杆的最大拉力 29
4.10.2 拉杆连结部位的计算 30
4.10.3 耳板厚度 30
4.11 支柱与拉杆连接最低点a点应力计算 32
4.11.1 a点的剪切应力 32
4.11.2 a点的纬向应力 32
4.11.3 a点的应力校核 33
4.12 支柱与球壳，连结焊缝强度 33
4.13 开孔补强校核 34
4.13.1 人孔开孔补强计算 34
4.13.2 进出料及安全阀 36
5 工厂制造及现场组装 40
5.1 球罐生产的准备工作 40
5.2 材料的进厂入库检验 40
5.3 钢材的预处理 40
5.3.1 钢板的矫正 40
5.3.2 钢板的表面清理 41
5.4 放样、划线与号料 41
5.4.1 毛坯尺寸下料 41
5.4.2 二次精确下料 41
5.4.3 球瓣的压制 41
5.5 现场装配与焊接 42
5.5.1 施工准备 42
5.5.2 组装准备 43
5.5.3 上下支柱的连接 44
5.5.4 内脚手架、外防护棚的搭设 45
5.5.5 球罐的安装程序 45
6 球罐的焊接工艺 46
6.1 焊接工艺评定 46
6.2 焊工资格 46
6.3 施焊环境 46
6.4 焊前准备 47
6.5 焊件的预热 47
6.6 定位焊和工装夹具焊接 47
6.7 焊接工艺的选择 47
6.7.1 焊接方法的选择 47
6.7.2 焊接材料选择 47
6.7.3 坡口设计 48
6.7.4 坡口加工方法及清除 49
6.7.5 焊条的选择 49
6.7.6 焊接工艺参数 49
6.7.7 焊接顺序 50
6.8 焊缝的类型 52
6.9 焊后热处理 53
7 焊件的质量检查 55
7.1 焊缝外观质量检查要求 55
7.2 焊接接头的无损检测 55
7.3 致密性检查，水压试验和气密性试验 55
7.4 结构整体的耐压试验 56
7.5 去锈、涂装 56
7.6 球罐成品验收 56
8 结论 58
致 谢 59
参考文献 60
附录A 61
附录B 78

1绪论
1.1 引言
随着现代工业生产的迅猛发展，焊接已成为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。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
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-50～50℃，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,国外主要球罐制造厂商约40 余家,年建造增约500～600 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100~150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m³,直径为61m 的核反应堆球形安全壳,设计压力为0.19~0.24 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 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 m³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50~10000 m³，内径为4.6 ~26.74 ,设计压力为常压至4 MPa，设计温度为-104~60 ℃。我国球罐容量1000 m³以下的占总量的90%左右、其中100~400 m³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,15MnV,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2~3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，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、原创性科研成果数量、劳动生产率和生产管理水平等方面看，我国还不是一个焊接的强国。国内以焊接为主要生产工艺的企业，焊接自动化水平相对较低。多数仍然是手工生产或者半自动化生产。同时，国内焊接自动化水平分布不均，自动化程度最高的是汽车制造业，其次是航空航天、车辆和造船业，而大部分中小企业，受到投资成本的限制，对焊接自动化呈现可望而不可及的态度。出现这种现象的根本原因是国内劳动力成本低廉，多个焊工同时焊接一条焊缝，自动化焊接设备的效率并不占有优势，除非要求焊接质量一致性比较高的情况下，不得不采用自动化焊接设备。况且，自动化系统的使用和维护，还提高了操作人员的知识水平的要求以及焊接工件装配精度的要求口。
1.3.3 球罐自动化焊接技术的进展
我国大型球罐的现场自动焊接，于80年代在石化行业进行了试验性研究，但由于焊接设备与焊丝等问题而延误了该项研究。90年代初随着改革开放球罐建造量剧增，又重新立项对其进行开发与应用研究。中国石化总公司第三建设公司自1993年8月率先将自保焊和气保焊自动化焊接工艺技术进行工艺开发。并在球壳的纵缝、环缝、仰焊位置进行试验及焊接工艺评定，于1993年12月正式在球罐中采用全位置自动焊接。1993年12月至1994年5月，完成了镇海炼化股分有限公司的5台容积为1000 m3球罐；1994年10月至1995年3月，又完成了苏州液化汽公司两台1000 m3液化石油气球罐自动焊；1996年3月至1996年9月，完成了镇海炼化公司的4台容积为4000 m3球罐的全位置自动焊，这是我国目前建造的最大的全自动焊球罐；1996年12月至1997年3月又完成了苏州两台1000 m3球罐的全位置自动焊。上述十三台球形贮罐均系整体组装，除节管、人孔法兰、柱腿焊缝等附件焊缝外，全部纵缝、横缝均为自动焊接成形，并经建设单位、劳动监察、设计等部门确认验收、投入运行；一次焊接合格率达95%以上，最高达到98.7 %，为我国大型球罐现场全位置自动焊技术开创了良好的前景。
在开发研究大型球罐全位置自动焊接工艺技术的实践过程中，可以看到、只有着重解决焊接设备、焊接材料、焊接工艺三方面的问题才能顺利实现球罐全位置启动焊。
1.4 课题主要内容
1 球罐材料的选用；
2 球罐的结构设计；
3 球罐的强度计算；
4 工厂制造及现场组装；
5 球罐的焊接；
6 球罐的检查。
1.5 课题研究方案
本文设计的是一个容积为3000m3，工作压力为1.6MPa的球罐，介质为液氨，球罐的材料为Q345R钢，支柱材料选用Q235B钢。
本文设计的主要内容包括以下几个方面：球罐的几何尺寸的计算与校核、受压元件的选择与校核、焊接工艺的设定、焊接设备的选择、焊接工艺卡片的编写、材料的准备、装配的设计、气密性试验和无损探伤的设计，最后完成整个装配图和零件图的设计。
通过对Q345R和Q235B的焊接性的研究和分析，选择手工电弧焊进行容器的焊接。手工电弧焊的焊条选用J507和J427。根据材料和焊接位置合理的选择焊接工艺参数以及设计坡口形式。

2 3000m³球罐的结构设计
2.1 3000m³球罐的参数
2.1.1 主要技术参数
（一） 设计温度
储罐放在室外，设计温度-20~40℃。
（二） 设计压力
罐内储存液氨，取设计压力P=1.6MPa。
(三) 焊缝系数
球罐进行100%的无损探伤,取焊缝系数=1.0
2.1.2 球罐用钢的基本要求分析
材料是球罐设计、制造的基础，材料的性能和质量的优劣直接影响着球罐的质量和安全使用。在球罐的设计参数中指定存储的介质为液氨，设计温度为-20~40℃。需以《GB12337-2010钢制球形储罐》和《GB150-2011钢制压力容器》为设计依据，在以安全为原则的基础上综合考虑经济适用性、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选用球罐材料。
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，选择原则是在满足强度要求的前提下，应保证良好的成型性、优良的焊接性能、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。
2.1.3 球罐用钢的确定
由于本球罐为常温球罐，且公称容积为3000m³，根据我国球罐钢材实际生产使用情况等因素确定此次设计的球罐球壳采用Q345R这种材料。
2.2 球罐的结构设计要求
球罐的结构设计要做到在满足工艺要求的基础上，具有足够的强度和稳定性，结构尽可能简单，使其压制成型、安装组对焊接和检测实施容易。
本设计为常温球罐，在满足普通球罐的结构设计要求下，还要充分考虑常温球罐要遵循的设计原则。
常温球罐的结构设计要求应有足够的柔性，需充分考虑以下因素：
1、结构应尽量简单，减少焊接件的约束程度；
2、结构各部分截面应避免产生过大的温度梯度；
3、应尽量避免结构形状的突变，接管、凸缘端部应打磨成圆角，使其内、外拐角均呈圆滑过渡。
2.3 球壳的设计
2.3.1 球罐结构型式的选择
球壳是球罐的主体，球罐设计中常用以球壳板组合方案的不同分为橘瓣式和混合式两种形式。
对于容积等于3000m³的球罐，采用混合式球壳有板材利用率高，球壳板制造厂的成本低，运输方便的优点，同时混合式球壳要比橘瓣式球壳的焊缝总长度短很多，这对于现场施工来说，焊缝的减少就意味着节省了焊条，降低了焊接的工作量，缩短了工期，也减少了焊缝的检测量。并且由于焊缝球罐壳体的薄弱部分，因此，焊缝减少以后也使得球罐的质量和安全性有所提高。
综合考虑以上影响因素，决定本球罐球壳选用混合式排板结构。
2.3.2 混合式结构排板计算
1.查GBT+17261-2011钢制球形储罐型式与基本参数表2，得：
R—球罐半径，9000mm；
N—赤道带分瓣数，24；
—赤道带周向球心角，15°；
—赤道带球心角，105°；
—极中板球心角，21°；
—极侧板球心角，9°；
—极边板球心角，18°。
2．上温带板

图2-1上温带瓣片示意图
弧长
弦长
弧长
弦长
弧长
弦长
弦长

弧长
3．赤道带

图2-2赤道带瓣片示意图
弧长
弦长
弧长
弦长
弧长
弦长
弦长

弧长
4.极板

图2-3极板示意图
对角线与弧长最大间距：

弦长
弧长
弦长
弧长
弧长
弦长
（1）极中板

图2-4极中板示意图
对角线弦长与弧长

弧长
弦长
弧长
弦长
弦长
弦长
弧长
弦长
弧长
（2）极侧板

图2-5极侧板示意图
弦长
弧长
弦长
弧长
弧长
弦长

弧长mm
弦长
弦长
弧长
5．极边板

图2-6极边板示意图
弧长
弦长
弦长
弧长
弧长
弦长

弧长
弦长
弦长
弧长
弧长
弦长
2.4 支座设计
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。本设计采用柱式支座，支柱与球壳的连接为赤道正切型式。
赤道正切柱式支座结构特点：球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位等距离布置，与球壳相切或近乎相切（相割）而焊接起来。支柱支撑球罐的重量，同时承受地震、风载等外载荷。为保证球罐的稳定性，在支柱之间用拉杆相连。
2.4.1 支柱
支柱由圆管（一般由无缝钢管或钢板卷制）、底板、盖板三部分组成。对于常温球罐，应采用双段式支柱形式。上下两段支柱采用相同尺寸圆管或圆筒组成，且上段设计高度不宜小于支柱总长的1/3 。按常温球罐设计要求，上段支柱采用与壳体相同的常温材料，下段支柱可采用一般碳钢。因此确定上段支柱的材料为Q235B钢管，下段支柱的材料为Q235B钢管。
为了避免施焊中产生裂纹，所以此处连接选择无垫板结构.常温球罐应避免结构形状的突变，半球式结构受力合理，圆滑过渡。支柱与球壳连接下部结构，采用直接连接的结构形式。
2.4.2 底板
支柱底板上开设地脚螺栓孔时，应为径向长圆孔，以便于球罐整体焊后热处理过程中，由于热胀冷缩使支柱径向移动。底板的材料选用Q235B钢板。底板中心应设置通孔。
2.4.3 拉杆
拉杆是作为承受风载荷及地震载荷的部件，增加球罐稳定性而设置。
本球罐选用单层交叉可调式拉杆，拉杆分成长短两段，用可调螺母连接，以调节拉杆的松紧度。拉杆的材料选用Q235B钢。
2.5 人孔和接管
2.5.1 人孔结构
1、人孔结构的作用
初选球壳板厚度大于16mm，根据文献规定，球壳板厚度大于或等于16mm的低合金钢制常温球罐应进行焊后整体热处理。
2、人孔结构的选用
本球罐设有两个人孔，分别设置在上下极带的中心，直径选用DN500。本设计为工作压力≥1.6MPa的常温球罐，在上极带采用水平吊盖整体锻件凸缘补强人孔，在下极带采用回转盖整体锻件凸缘补强人孔,对应凸缘材料选用Q345R。
2.5.2 接管结构
球罐的开孔应尽量设计在上、下极带上，便于集中控制，并保证接管焊接部位质量。在上极带只开设两个安全阀口，其余管口均开设在下极带上。为了保证焊接质量，接管均采用厚壁管补强，接管材料选用Q235B。
2.6 球罐的附件
2.6.1 梯子平台
在球罐设计时，为了使球罐便于日常操作、检修，在球罐外部一般设置顶平台及直达顶平台的梯子。对于常温操作球罐，需经常对球壳内外壁焊缝进行检查，1000m³以下的小型球罐不必设置内部转梯，可以采用直梯，架设若干脚手架来实现内侧焊缝的检查。
2.6.2 液位计
根据球罐储存介质、设计压力、温度等条件选用B型防霜液位计，公称压力PN4.0MPa，翅片涂紫色标志，布置在球罐的下极带。
2.6.3 安全阀
为防止球罐运转异常造成内压超过设计压力，应在气相部分设置安全阀。本球罐在上极带设置两个安全阀。安全阀型号为A41Y/F，A41型弹簧微启式安全阀(封闭型)，该类型安全阀采用弹簧直接载荷式，法兰连接，整体封闭式结构。
2.6.4 溢流阀
系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加。本球罐选用直动型溢流阀。
2.7 球罐对基础的要求
球罐的基础用于支撑球罐本体、附件及操作介质和水压试验时水的重量。 一般采用钢筋混凝土结构。球罐基础主要是承受静载荷的作用。由于土壤的土质构造不同会产生不均匀沉降问题，这是—般静设备的基础都共有的基本问题。
(1)日前绝大多数球罐都是采用赤道正切柱式支撑，支撑作用点集中在数量不多的支柱底板处。—般球罐容积比较大，而且容器做水压试验时重量较大。分配在每根支柱上的重量也是很大的。
(2)球罐体积大，一般都要在现场组焊成球，现场的组装基准是从基础上找的，因此，球罐的基础精厦要求比较高。
(3)球罐采用柱式支撑，当地基发生局部下陷的时候，将会引起支柱载荷不均匀。有资料介绍，在1mm不均匀下沉的情况下，一跟支柱就要产生比其他支柱高10％左右的应力。为了尽可能达到均匀下沉。应把基础设计成耐扭曲的环形基础。另外，对设置在地震区的球罐采用环形基础也是必要的。
3 焊接性分析
3.1 材料的焊接性分析
3.1.1 Q345R的化学成分和力学性能
球壳板采用Q345R低碳低合金钢，其化学成分和力学性能分别见表3-1和表3-2。
表3-1 Q345R的化学成分/%
钢号
C
Si
Mn
P
S
Q345R
≤0.20
0.20～0.60
1.20～1.60
≤0.035
≤0.035

表3-2 Q345R的力学性能
钢号
板厚
mm
状态
(MPa）
(MPa）
伸长率
（%）
室温冲击功
（αkv /J）
Q345R
16～36
正火
≥325
500～630
≥21
≥34（横向）
Q345R钢是低合金高强度钢。其含有一定的合金元素及微合金化的元素，其焊接性与碳钢有差别，主要是焊接热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹有敏感性较大，含有碳、氮化合物形成元素的低合金高强度钢还存在再热裂纹的危险等。
其含C量小于等于0.20、Mn含量在1.20-1.60、Si的含量在0.20-0.55、Ni、Mo、Cr、Nb、Al、V含量都为零。S的含量小于等于0.030、P的含量小于等于0.035。
低合金高强度钢中W（C）一般控制在0.20%以下，为了却保钢的强度和韧性，通过添加适量的Mn、Mo等合金元素及V、Nb、Ti、Al等微量合金化元素，配合适当的轧制工艺或热处理工艺来保证钢材具有优良的综合力学性能。由于低合金高强钢具有良好的焊接性、优良的可成形性及较低的制造成本，因此，被广泛的应用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、机械海洋结构、船舶等制造中，已成为大型焊接结构中最主要的结构材料之一。
Q345R作为常温压力容器用钢或厚板结构时，为改善常温韧性，也可在正火处理后使用。
3.1.2 Q345R的焊接性
1.热裂纹：对于此类钢，一般含碳量都较低，含锰量又较高，因而w（Mn）/w(S)较高，具有较好的抗热裂纹能力。但是，当材料成分不合格而发生严重偏析或局部含碳、硫量很高时，也会出现热裂纹。
2.冷裂纹：此类钢由于含有少量的合金元素而增加了淬硬性，其冷裂倾向比低碳钢要大一些。其在焊接快冷时会出现少量的铁素体、珠光体及贝氏体和大量的马氏体。因此，其冷裂倾向比低碳钢大。
3.再热裂纹：此类钢由于不含强炭化物形成元素，因而对再热裂纹不敏感。
4.层状撕裂：层状撕裂往往出现在钢制结构的施焊或使用过程中，是轧制板材中存在层状夹杂物条件下，在板材厚度方向受到较大拉应力时产生的。一般来讲，层状撕裂的产生不受钢材的种类和强度级别的限制，但与板厚有关，一般板厚在16mm以下就不易产生层状撕裂。
5.脆化和软化：其产生脆化的原因是因为含碳量不同而异。当碳的质量分数偏于下限（<0.12%）时，脆化一般是由于过热区晶粒粗化而形成魏氏体组织造成的；当含碳量较高时，除了由于形成魏氏体组织而脆化外，在发生偏析等情况下还有可能出现由于形成高碳马氏体组织而引起的脆化。
热影响区的软化很少发生。
3.2 焊接性分析
3.2.1 碳当量（CE）
根据国际焊接学会（ⅡW）所采用的碳当量（CE）计算公式:

将Q345R所含化学成分的相应数值代入上式，计算碳当量。通过计算得出，Q345R的碳当量CE=0.40%～0.46%。
当CE=0.40%～0.46%，钢的淬硬倾向逐渐增加，所以Q345R属于有淬硬倾向的钢。但是，当CE不超过0.5%时，淬硬倾向尚不严重，焊接性较好，但随着板厚增加需要采取一定的预热措施，预热温度为120～140℃。
3.2.2 裂纹敏感性指数（Pc）
碳当量与焊接热影响区硬度有一定的关系，一般材料的强度越高，其焊接热影响区的硬度也越高，出现裂纹的可能性就越大。但大量研究表明，由此判断裂纹出现的可能性还不够完全，因而将拘束度（材料厚度）和开裂性（焊缝中氢的含量）的因素考虑在内，则裂纹敏感性指数Pc的计算公式：

式中 h——钢板厚度，mm
H——焊缝中氢含量，ml/100g。
Pc>0.35时，裂纹出现的几率就大，Pc≤0.30时。裂纹发生的几率就小，所以为控制裂纹敏感性指数（Pc），需要对焊接材料焊前要烘干处理，对焊缝进行焊后消氢处理。
3.3 焊接方法与填充材料的选择
焊接方法为手工电弧焊。
焊接材料如下：球壳板主体焊接采用J507焊条，球罐附件焊接采用J427焊条，关于焊条的具体要求见表3-3。
表3-3焊接材料表
母材
焊条/规格
烘干温度/时间
球壳板Q345R
J507/ Ф4.0
350～380℃/1h
梯子、平台Q235
J427/Ф4.0
300～350℃/1h

4 球罐强度计算及稳定性校核
4.1 设计条件
设计压力：p=1.06MPa
设计温度：-20~40℃
球壳内直径：
储存物料：液氨
接管材料选：Q345B
支柱材料选：Q235B
拉杆选：40MnB
底板选：Q235B
4.2 球壳计算
4.2.1 计算压力
静夜柱高度按

代入数据解得H=13600mm
设计压力：P=1.6MPa

图4-1球壳各带的物料静夜柱高度
球壳各带的物料静夜柱高度
h1=0mm
h2=1155mm
h3=8043mm
h4=11739mm
h5=13600mm
物料密度=480kg/m3
重力加速度g=9.81m/s2
球壳各带计算压力：

4.2. 2 球壳各带的厚度计算
Di—球壳内直径，18000mm；
—设计温度下球壳材料Q345R的许用应力，157MPa；
φ—焊接接头系数，1.0；
C—厚度附加量，；

取球壳的名义厚度
4.3 球罐质量计算
球罐平均直径：
球壳材料密度;
充装系数：K=0.85
水的密度：
球壳外径：
基本雪压：（以沈阳地区五十年一遇最大雪压选取）
球面积雪系数：
球壳质量：
物料质量：
液压试验是的质量：
积雪质量：
支柱和拉杆质量：支柱选12根，Ф600x12，单段式支柱。支柱长l=10100mm。材料为Q235B号钢。
操作状态下球罐质量：
m=m+m+m+m=353116+1245248+3143.6+9400=1610907
液压试验下球罐质量：
m=m+m=353116+3052080=3405196
球罐的最小质量：m= m=353116
4.4 地震载荷计算
支柱底板面至球壳中心距离：=10800mm
支柱数目：n=12
支柱材料Q235B钢常温弹性模量：
支柱外径：
支柱内径：
支柱截面惯性矩：
支柱底板面至拉杆中心线与支柱中心线交点处距离：l=7300mm
拉杆影响系数：
球罐的基本自振周期：
综合影响系数;
αmax—地震影响系数的最大值，0.12（查SH3048-2010表15）；
GB12337-2010 表14、图9查得=0.12
对应于自振周期T的地震影响系数：

球罐的水平地震力：

4.5 风载荷计算
k1—风载荷体型系数，0.4；
ξ1—系数，1.7（根据GB12337-2010表17用内插法计算）；
k2—风振系数，k2=1+0.35ξ1=