1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
一、引言
球罐在我国的国防、科研、石油、化工、冶金等企业中有着广泛的应用。利用球罐贮存液氮、液化石油气、液化天然气、液氧、液氢以及各种压缩气体等。在城市建设中，球形容器可用于远距离高压输送气体管网；在钢铁厂利用球形容器贮存压缩氧。此外，在原子能发电站，球罐用作安全容器；在造纸上用作蒸煮球；在化工厂用作反应器等。
球形储罐与其他型式的压力容器相比较，有许多突出的优点。如与同等容量，相同工作压力的圆筒形压力容器比较，球罐具有表面积小，所需钢板厚度较薄，因而具有耗钢量少，重量轻的优点。此外，球罐还有制造方便，易于大型化、占地面积小、操作管理和检修方便等特点[1]。随着我国工业建设的持续发展，球罐的应用会越来越广泛。
二、3000立方米LPG球罐设计
2.1 LPG球罐设计参数
根据给定工作压力：0.317MPa，设计压力：0.79MPa；工作温度：-20～40℃，设计温度：40℃，环境温度：-20～30℃；地震设防烈度：7度，场地土类别：2类，腐蚀裕量：1mm；基本雪压：50，确定介质特性：C4液化石油汽。
2.2 设计、检验应遵循的标准
GB150-2011《压力容器》;TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》; JB4730-2005《压力容器无损检测》;GB12337-1998《钢制球形储罐》;化工设备设计全书-《球罐和大型储罐》;GB713-2008《锅炉和压力容器用钢》;GB50094-2010《球形储罐施工规范》;JB4708-2005《承压设备焊接工艺评定》等[2～9]
2.3 载荷分析
球罐由于其结构承载的特殊性，考虑其承载作用时不仅要考虑内压，还应考虑重力（自重和介质重）等影响，完整的球罐分析应考虑以下载荷[10]:
(1)压力，当液柱静压力超过设计压力的5％时还应计液柱静压力
(2)重力：自重和介质重
(3)风载
(4)雪载
2.4 材料选择
球罐的选材原则是在满足强度要求的前提下，保证有良好的成型性、足够好的缺口韧性和优良的焊接性能，同时还要考虑可靠性和经济性，在球罐建造中低合金钢比碳素钢具有较高的抗拉强度、屈服强度、良好的塑性韧性、较低的应变时效敏感性、耐蚀性和良好的焊接性[11]。
2.4.1 本设计选用低合金钢Q370R；随着球罐的高参数化发展，对材料强度级别和冲击韧性的要求不断提高[12]。
Q370R属于低合金钢，焊接性能与Q345R相近，但强度和韧性均高于Q345R,厚板韧性也较好，强度也比Q345R高10%，可使球罐总质量下降约8%。具有优良的综合机械性能，焊接性能和抗H2S腐蚀性能，可极大地提高球罐使用的安全可靠性[13]。
表1：Q370R与主要球罐用钢性能比较
钢号 | 交货状态 | 板厚mm | σs MPa | σb MPa | δ% | Akv J |
Q345R | 热轧或正火 | 36～60 | 345 | 470 | ≥21 | ≥31(20℃横向) |
SPV355 | 热轧或控轧 | 36～60 | 355 | 520 | ≥18 | ≥47(0℃纵向) |
CF62 | 调质 | 20～50 | 490 | 610 | ≥27 | ≥27(-15℃纵向) |
Q370R | 正火 | 16～36 36～60 | 360 350 | 530～630 520～620 | ≥20 | ≥34(-20℃纵向 |
2.5 结构形式选择
2.5.1 球壳结构 常用球壳结构形式主要分为足球瓣式、桔瓣式和混合式三种
（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，互换性好，焊接检验工作量小，但施工组装困难，对球壳板制造精度要求高。
（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[14]。
（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。它集中了前两种结构的优点，在国内外广泛使用。
本球罐设计拟采用混合式球壳结构-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。合理的设计结构，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。对于小型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[15]。
2.5.2 支柱结构
球罐支座是球罐中用以支承球壳及其附件和储存物料重量的结构部件，有柱式和裙式两种结构。在柱式支承中，国内外普遍采用了赤道正切柱式支承，此外还有V形和三柱会一柱式支承。裙式支承有圆筒裙式、锥式以及用钢筋混凝土连续基础支承的单埋式支承和锥底支承等[16]。GB12337-1998《钢制球形储罐》中规定支柱与球壳连接采用赤道正切形式。
2.5.3 拉杆结构
GB12337-98中规定了可调式与固定式两种拉杆。当承受垂直载荷时，拉杆支承了部分载荷，因而下段支柱所受的压缩力就小，当承受横向载荷时，固定式拉杆所受的拉力仅为可调式拉杆的一半，下段支柱所受的压缩力明显减小，比较安全；抗弯能力大，特别适合于大型球罐；固定式拉杆可设计成受压形式，于是拉杆的截面比可调式的大，刚性也大，因此球罐横向载荷产生的水平位移和偏移量均小，对球罐上的支柱有利；固定式拉杆在施工时调好，使用中不必再调整。固定式拉杆结构在国外已大量采用。但我国自行设计和制造的球罐还极少采用该结构[17]。
2.5.4 支柱与球壳连接点下部结构
在支柱与球壳相接的球壳局部区域中，受力及变形相当复杂，应力数值高，变化梯度大，是整个球罐中的高应力区。支柱与球壳相焊焊缝的最低点是重点应力校核部位。支柱与球壳连接下部结构一般分连接处下端加托板、翻边和U形柱结构。
U形柱结构是用钢板卷制成U形管与球壳连接，使支柱与球壳连接逐渐过渡，避免急剧变化，特别适合于低温球罐与支柱连接的要求。该结构制造工艺简单，施焊方没有工艺难点，不存在焊接死角，在三种结构中与球壳的连接长度最长，这样对局部应力的改善也最有效。球罐的局部应力是不可避免的，只能靠改进结构来减小，如增加支柱与球壳的接触面积，减少支柱的刚性，支柱与球壳的连接避免急剧变化，使其逐渐过渡等方法，U形柱结构则集中了这些特点。GB12337-98增加了U形柱结构，解决了低温球罐支柱连接无法解决的难题。
2.5.5 接管补强结构
大型球罐的接管补强一般采用两种结构型式，第一种型式为厚壁管补强结构；第二种采用锻制凸缘，在应力集中部位局部加厚的密集补强型式，与球壳板的连接采用对接焊缝。
凸缘补强优点是它和球壳板形成的连接是对接焊缝，便于焊接及焊缝的无损检测。厚壁管插入式补强优点是结构简单、节省材料，缺点是因开孔较小，角焊缝底部清根困难，又难以进行射线、超声等方法的内部检测，容易产生未焊透等缺陷。由于插入式接管焊缝是近年来球罐质量中出现问题最多的部位之一，在设计时要求制造厂从坡口开制工艺到焊接工艺及清根方法在工艺上保证完全焊透[18]。
三、球罐制造
3.1制造过程
3.1.1（1）球壳板制造
（2）支柱制造
（3）上部支柱与赤道带组焊
（4）接管与上下球壳板组焊
3.1.2（1）下料
(2) 压制
（3）切割
（4）上支柱与赤道板组焊
（5）人孔与极中板组焊
（6）焊接变形控制
（7）组装
（8）包装
3.2球罐制造主要技术措施
按设计图纸要求采购球壳板、人孔及接管毛坯、支杆、拉杆等材料及焊接材料，并对到货材料按图纸、标准要求进行检验和复检。
对球罐壳体、人孔及接管材料做焊接工艺评定。选定需具有相应材质及位置合格证的优秀焊工参与施焊，严格执行焊接工艺。
球壳板投料前进行抛丸处理，清除钢板表面氧化皮，提高球壳板制造表面质量。
球壳板采用冷压成型工艺，成型后的球片用弦长2000mm样板检查，曲率≯2mm。
净料后的球片各部分尺寸满足要求，保证同规格球片任意互换。
对球片坡口按设计图纸及标准要求进行100%渗透探伤检查，球片周边100mm范围内进行100%超声波探伤检查。
几何尺寸合格球片进行内外表面清理，坡口周边50mm范围内涂可焊性涂料。在每一片球片板凸面上喷涂标识。
接管及法兰按图纸加工并组焊成部件，按设计要求进行无损探伤检查，合格后再与球片极板组焊，焊后对接管与极板焊缝进行无损探伤检查。
拉杆按图纸加工制造，与翼板组焊。松紧螺母按图纸要求加工。
除球壳板、支柱、拉杆等采用钢架裸装外，其余零配件陪箱发货，每个包装按图纸喷涂标识，标明名称、规格、数量。
四、制造过程中的质量控制[19]
（1）实行工艺准备、材料采购、工序检验，以确保各工序的产品质量。
（2）制造全过程主要制造工序须经技术监督部门监督。
（3）同种规格球壳板应具有互换性。
（4）样板与球壳板之间间隙应符合GB12337-1998标准的要求。
（5）球壳板不允许拼接，球壳板不得有分层。
（6）球壳板冷压成型，凸缘、接管与上、下极中板的组焊应在制造厂完成。
（7）坡口表面按JB/T4730-2005进行100%磁粉或渗透探伤，I级为合格。
（8）球壳板几何尺寸应符合GB12337-1998标准要求。
（9）球壳板周边100mm范围内按JB/T4730-2005的规定进行100%超声波检测，II级合格。
（10）球罐承压部件用20MnMo锻件必须具有质量证明书，并符合JB4726-2000规
定。球罐不仅要求设计紧密，而且要求采购、制造过程严格遵守设计要求和相关规范。
一旦出现泄漏，又处理不当，就会酿成大祸，所以质量过程一定要严格把关，确保万无
一失。
五、球罐的发展趋势及面临的问题
目前球罐建造正朝着大型化、结构多样化、高参数化的方向发展。由于大型化球罐的经济性十分明显，已成为各国优先发展的重要课题。球罐大型化的进程在不同国家，不同时期受着不同因素的制约。随着相应技术的发展，这些制约因素不断得到解决，又促使球罐大型化的发展，目前限制球罐向大型化方向发展的影响因素主要有[20]：
（1） 设计制造规范，国内采用的规范要实行大型化，还有一些值得商讨和改进的地方。
（2） 球罐用钢，由于国内冶炼技术方面的因素，压力容器专用钢材种类较少，综合性能较差，必须要着重于发展球罐用钢的研究工作。
（3） 球罐现场组装和焊接问题 由于大型球罐均为现场安装，施工条件差、人员流动大，所以要进行严格的质量管理，并建立完善的质量保证体系。
六、参考文献
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
1 根据给定的设计参数以及球罐设计的执行标准及法规进行设计
1.1球壳设计
1.1.1球罐支柱数和分带角的确定
