10000m~3大型天然气球罐设计及制造关键技术研究

论文摘要

球形压力容器（以下简称球罐）具有占地少、受力情况好、承压能力高,可分片运到现场安装成形、容积的大小基本不受运输限制等其它压力容器无可比拟的优点,在石油、化工、城市燃气、冶金等领域广泛用于存储气体和液化气体。近年来我国球罐的大型化和高参数化工程技术水平有了长足的进步,通过对引进球罐的消化、吸收和创新,很多高参数球罐已经实现了国产化,为我国的经济发展做出了积极的贡献。但总体上,我们和国际先进技术水平还有较大差距,如在低温大型乙烯球罐方面,虽基本摆脱了整台进口的局面,但主体材料（包括焊接材料）还主要依赖进口;在特大型天然气球罐方面,国外先进工业国家建造10000-20000m3天然气球罐已相当普遍,而我国由于关键设计、制造技术还没有完全解决,国产化最大的天然气球罐只有5000m3,对于10000m3天然气球罐还全部依赖进口,不但建造成本高、周期长,还受制于人。为满足我国天然气存储需求,同时也满足石油、化工、轻纺、冶金等行业对球罐大型化的需要,迫切需要发展有自主知识产权的特大型球罐核心技术。球罐的大型化是一个复杂的系统工程,它涉及到多个学科和技术领域。本文在国家重大技术装备国产化创新研制项目《西气东输10000m3大型天然气球罐的研制》（项目编号:国经贸技术[2001]519号）课题资助下,针对10000m3大型天然气球罐国产化研制设计、制造中的几个关键技术:球罐选材评价及焊接、热处理技术;结构设计理论和应力分析技术;球壳塑性成型和坡口加工技术等方面进行了研究,完成了如下工作:（1）通过对国内外高参数球罐用材料技术分析,结合10000m3大型天然气球罐运行参数要求,制订选材原则;重点对WEL-TEN610CF进行系统的材料性能、焊接性能、热处理性能试验研究,解决了特大型天然气球罐材料评价和焊接、热处理工艺问题;最终确定选用WEL-TEN610CF作为首次研制的10000m3大型天然气球罐球壳用钢。（2）依托重庆燃气集团建设的2台10000m3天然气球罐,在设计标准选用、压力试验方法、球罐强度计算、球壳分带结构确定、开孔补强方法、支柱结构形式等关键设计技术开展系统研究,完成了首次国产化2台10000m3天然气球罐的结构设计。（3）对10000m3大型天然气球罐重点受力部位:人孔、接管,上支柱和球壳连接等部位,结合不同的工况条件:运行工况、水压或气压试验工况、风载、地震载荷工况等进行系统的有限元应力分析研究。将分析研究的结果作为理论基础和基本原则,进而对这些高应力部位的结构进行优化。（4）按理想弹塑性体对球壳板冷压加载过程进行弹塑性分析,通过弯曲变形和膜变形共同作用理论,推导了胎具尺寸对球壳成型效率的影响关系;从弯曲应变回弹计算及膜应变的回弹量计算两方面分析了球壳板卸载时的回弹规律;推导了胎具曲率半径公式,并结合实际回弹率测定,解决了10000m3大型天然气球罐压型胎曲率问题。通过对球罐瓣片冷冲压过程中主要因素,如压型胎具的因素（直径、胎具曲率的大小）、材料因素（屈服极限、弹性模量、柏松比）、加载因素（载荷大小、加载速率）、冲压部位及冲压次序的研究,掌握了其各因素影响规律,提升了球片冲压技术的科学化。（5）按照二次成型原理,通过对立体切割胎具切割原理及计算方法的研究,解决了10000m3大型天然气用5种类型坡口切割胎的计算方法,以及大长坡口精确加工技术中切割胎的主要技术难题。（6）将以上研究成果应用于10000m3大型天然气球罐实物的研制,首次实现我国10000m3大型天然气球罐的国产化。实物研制的具体指标和数据,为今后天然气球罐向大型化发展提供了可靠的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的工程背景及理论、实际意义
• 1.2 相关领域的研究进展及成果
• 1.2.1 国内外球罐用钢的进展情况
• 1.2.2 国内外球罐设计技术的进展情况
• 1.2.3 国内外球罐制造技术的进展情况
• 1.2.4 国内外球罐安装及检验技术进展情况
• 1.2.5 有待深入研究的问题
• 1.3 本研究课题的来源及主要研究内容
• 1.3.1 本课题的来源
• 1.3.2 主要研究内容
• 3 天然气球罐实物研制的条件'>1.4 10000m³天然气球罐实物研制的条件
• 1.4.1 基本参数
• 1.4.2 基础资料
• 3天然气球罐用钢技术研究和评定'>第2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 钢材化学成分要求
• 2.1.2 钢材力学性能要求
• 2.1.3 钢材热处理状态和焊后热处理的规定
• 2.1.4 大型天然气球罐用钢材技术分析
• 2.2 WEL-TEN610CF钢试验研究与评定
• 2.2.1 钢板强度和弯曲性能研究
• 2.2.2 钢板冲击性韧性研究
• 2.2.3 钢板焊接性能评定
• 2.2.4 钢板及其焊接接头断裂韧性研究
• 2.2.5 钢板及其焊接接头金相组织检验
• 2S 应力腐蚀试验研究'>2.2.6 WEL-TEN610CF 抗 H₂S 应力腐蚀试验研究
• 2.2.7 WEL-TEN610CF钢综合评定及试验研究结论
• 2.3 15MnNbR钢试验研究与评定
• 2.3.1 15MnNbR钢板力学性能的评定
• 2.3.2 15MnNbR钢板焊接性能的评定
• 2.3.3 15MnNbR钢抗硫化氢应力腐蚀性能研究
• 2.3.4 15MnNbR钢综合评定及试验研究结论
• 2.4 本章小结
• 3天然气球罐设计技术研究'>第3章 10000m³天然气球罐设计技术研究
• 3.1 球罐主要设计参数的确定
• 3.1.1 设计压力和设计温度
• 3.1.2 人孔位置及尺寸的确定
• 3.1.3 腐蚀余量的确定
• 3.2 设计原则
• 3.2.1 设计规范的确定
• 3.2.2 压力试验方法
• 3.3 球罐受压元件用材料的确定
• 3.3.1 选材的基本思路
• 3.3.2 受压元件材料的主要技术要求
• 3.4 球罐结构形式的研究
• 3.4.1 混合式结构球罐板面尺寸的计算
• 3 天然气球罐支柱数和分带角的确定'>3.4.2 10000m³天然气球罐支柱数和分带角的确定
• 3.5 开孔补强结构研究
• 3.6 球罐支柱结构研究
• 3.6.1 球罐连接结构型式的研究情况
• 3 天然气球罐上段支柱形式的确定'>3.6.2 10000m³天然气球罐上段支柱形式的确定
• 3.7 球罐的强度计算
• 3.7.1 球壳壁厚的计算
• 3.7.2 校核计算条件
• 3.7.3 强度计算
• 3.8 本章小结
• 3天然气球罐应力分析'>第4章 10000m³天然气球罐应力分析
• 4.1 应力分析方案
• 4.2 应力分析载荷组合系数
• 4.3 球罐整体结构正常操作工况有限元分析力学模型
• 4.4 球罐整体结构地震工况有限元分析力学模型
• 4.5 开孔凸缘接管结构有限元分析力学模型
• 4.6 强度校核
• 4.6.1 正常操作工况强度校核
• 4.6.2 地震工况强度校核
• 4.6.3 支柱应力稳定性校核
• 4.7 本章小结
• 第5章 球壳板成型机理和精度控制技术研究
• 5.1 球壳板的成型技术简述
• 5.2 球壳板冷压成型过程的弹塑性分析
• 5.2.1 模压时球壳板的应变情况
• 5.2.2 模压时球壳板所受应力情况
• 5.2.3 球壳板加载压制过程弹塑性分析
• 5.2.4 球壳板模压卸载后曲率回弹情况分析
• 3 天然气球罐压型胎具曲率的确定'>5.3 10000m³天然气球罐压型胎具曲率的确定
• 5.3.1 弯曲应力作用下胎具曲率的估算
• 5.3.2 膜应力作用下胎具曲率的估算
• 5.3.3 球壳板冷压回弹规律的实际测定
• 5.4 压制成型工艺的确定
• 5.4.1 压型顺序
• 5.4.2 冷压成型应意的问题
• 5.5 球壳板的下料技术研究
• 5.5.1 二次下料法原理
• 5.5.2 坡口加工
• 5.5.3 口切割胎的设计计算
• 5.5.4 球壳板坡口切割工艺
• 5.6 本章小结
• 3天然气球罐实物研制'>第6章 10000m³天然气球罐实物研制
• 6.1 WEL-TEN610CF焊接及热处理工艺研究
• 6.1.1 焊接热输入对接头冲击韧性的影响
• 6.1.2 消除应力热处理对焊接接头性能影响
• 6.1.3 焊缝返修工艺研究
• 3 天然气球罐制造、安装技术条件》要点'>6.2 《10000m³天然气球罐制造、安装技术条件》要点
• 6.2.1 承压元件材料技术要求
• 6.2.2 焊接技术规定
• 6.2.3 无损检测技术规定
• 6.3 球罐制造情况
• 6.3.1 原材料的质量和性能稳定性
• 6.3.2 球片的压制和坡口加工
• 6.3.3 钢板和锻件焊接工艺评定
• 6.3.4 球罐预组装情况
• 6.4 球罐现场安装情况
• 6.4.1 球罐组装
• 6.4.2 球罐焊接及焊接质量检查
• 6.4.3 球罐检验及试验
• 6.5 使用情况
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢