球罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)討論

張誠(chéng)

摘 要：文章討論了球罐的形式、用途、各種形式球罐的優(yōu)缺點(diǎn)，球殼板設(shè)計(jì)要點(diǎn)，球罐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的載荷，球罐設(shè)計(jì)中應(yīng)校核的數(shù)據(jù)，球罐材料用各種鋼板優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：球罐；形式；設(shè)計(jì)；載荷；材料

1 球形容器簡(jiǎn)介

球形容器在石油、化工、冶金、城市煤氣等工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)存液化石油氣、液化天然氣、液氨、液氮、液氫、液氧、天然氣、城市煤氣、壓縮空氣等物料，在原子能發(fā)電站作核安全殼，在造紙廠用作蒸煮球，在化工行業(yè)作反應(yīng)器等，我們把用于儲(chǔ)存液體和氣體物料的球形容器稱為球形儲(chǔ)罐。

球形儲(chǔ)罐殼體受力均勻，在相同直徑和相同工況下，球形容器的薄膜應(yīng)力僅為相同厚度圓筒形容器環(huán)向應(yīng)力的一半，相應(yīng)承壓能力強(qiáng)，且相同容積下球殼表面積最小，質(zhì)量輕，球罐占地面積小，且可向空間高度發(fā)展，有利于地表面積的利用，由于這些特點(diǎn)，再加上球罐基礎(chǔ)簡(jiǎn)單、受風(fēng)面小、外觀漂亮，可用于美化工程環(huán)境等原因，使球罐的應(yīng)用得到了很大發(fā)展。但因球形儲(chǔ)罐容積大，需制造廠成型球殼板，安裝單位現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接，制造安裝有一定難度，技術(shù)要求相對(duì)較高。

2 球形容器形式

球形儲(chǔ)罐形式多樣，從殼體的層數(shù)看，有單層和雙重殼球罐；從支撐方式看，有柱式和裙式；從球殼板結(jié)構(gòu)形式分，有桔瓣式、足球瓣式和混合式。

桔瓣式是先用緯線將球殼切割成球帶，再以相鄰兩條經(jīng)線將球帶分割成球殼板，這種分瓣法叫桔瓣式分瓣法。其特點(diǎn)是球殼的拼裝焊縫規(guī)則、施工組裝較簡(jiǎn)便。缺點(diǎn)是各帶因位置不一，球殼板尺寸規(guī)格多，只能在本帶或上下對(duì)稱帶之間互換，原材料利用率低，焊縫較長(zhǎng)。

足球瓣式是將球體沿經(jīng)緯方向切割，每塊球殼板的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，互換性好，下料成型規(guī)格化，材料利用率高，拼裝焊縫長(zhǎng)度短，相應(yīng)檢測(cè)工作量亦小。缺點(diǎn)是球殼板交接處有Y型焊縫，焊縫布局復(fù)雜，施工組裝困難，對(duì)球殼板的精度要求高。

混合式兼?zhèn)淞私郯晔胶妥闱虬晔絻烧叩奶攸c(diǎn)，是將球殼除極板采用足球瓣式外，其余均采用桔瓣式球殼板。相對(duì)桔瓣式而言，混合式的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率較高，焊縫長(zhǎng)度有所縮短，球殼板數(shù)量減少，故特別適用于大型球罐。缺點(diǎn)是因具有兩種形式的球殼板，組裝校正較麻煩，仍有Y型接縫，制造精度要求高。例如我廠臨港工程6000m3丁二烯球罐的分瓣方式就采用了混合式，從而使球殼板總數(shù)大大減少，焊縫總長(zhǎng)也大大縮減。

3 球殼板設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 球殼板的幾何尺寸應(yīng)盡可能大

球罐的破裂事故，絕大多數(shù)都發(fā)生在焊接接頭處，縮短球殼的焊縫長(zhǎng)度是提高球罐質(zhì)量及安全可靠性的關(guān)鍵措施之一。縮短焊縫長(zhǎng)度的根本途徑是加大球殼板尺寸，選擇最佳的球殼分帶數(shù)和各帶分塊數(shù)，從而使安裝、焊接、檢測(cè)工作量相應(yīng)減少。

3.2 選擇合適的鋼板規(guī)格，提高板材利用率。

3.3 規(guī)格要少，互換性要好。

3.4 相鄰帶縱焊縫一個(gè)相互錯(cuò)開(kāi)。

3.5 焊縫布局應(yīng)均勻，減少裝配應(yīng)力、拘束應(yīng)力與殘余應(yīng)力。

3.6 必須考慮壓機(jī)及起重能力。

4 球罐設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的取值同普通壓力容器，但球殼計(jì)算時(shí)需計(jì)入液柱靜壓力，腐蝕裕量取不小于1mm。

4.1 球罐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下載荷

（1）壓力；（2）液體靜壓力；（3） 球罐自重（包括附件）以及正常工作條件下或壓力試驗(yàn)狀態(tài)下內(nèi)裝物料的重力載荷；（4）附屬設(shè)備與隔熱材料、管道、支柱、拉桿、梯子、平臺(tái)等的重力載荷；（5）風(fēng)載荷，地震載荷，雪載荷。

球罐因結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和形狀特點(diǎn)，質(zhì)量可近似地集中于球殼中心，故球罐可視為單自由度體系。因?yàn)榍蚬拊谡駝?dòng)情況下按剪切型振動(dòng)，即結(jié)構(gòu)在水平力作用下，整個(gè)體系會(huì)產(chǎn)生平移，球罐本身不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以求解球罐在水平力作用下的位移便可轉(zhuǎn)化為求支柱在該力作用下的位移問(wèn)題。風(fēng)力及地震力等水平力的合力Fmax通過(guò)球心，該合力在赤道平面上由幾根支柱分擔(dān)，各支柱受力可能不同，但其合力一定是水平力Fmax。當(dāng)支柱在水平力Fmax作用下發(fā)生位移時(shí)，拉桿將被拉長(zhǎng)或壓短，從而限制了支柱的位移。支柱的地腳螺栓使其底部不產(chǎn)生水平位移及轉(zhuǎn)角，即相當(dāng)于固定端支承，支柱便相當(dāng)于懸臂梁。當(dāng)支柱底板與基礎(chǔ)的摩擦力Fs大于或等于拉桿作用在支柱上的水平力Fc時(shí)，理論上球罐不需要設(shè)置地腳螺栓，但為了固定球罐位置，規(guī)定應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的定位地腳螺栓。

4.2 球罐設(shè)計(jì)中應(yīng)校核的數(shù)據(jù)如下

（1）設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算應(yīng)力；（2）操作狀態(tài)下和液壓試驗(yàn)狀態(tài)下的支柱穩(wěn)定性；（3）地腳螺栓的螺紋小徑；（4）底板厚度；（5）拉桿螺紋小徑；銷子直徑；耳板厚度；翼板厚度；耳板與支柱的焊縫強(qiáng)度；拉桿與翼板的焊縫強(qiáng)度；（6）操作狀態(tài)下和液壓試驗(yàn)狀態(tài)下支柱與球殼連接最低點(diǎn)a的應(yīng)力；（7）支柱與球殼連接焊縫的強(qiáng)度校核。

4.3 球罐材料

材料是球罐設(shè)計(jì)、制造的基礎(chǔ)，材料的性能和質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著球罐的質(zhì)量和安全使用。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、制造、組焊及檢驗(yàn)的水平看，重點(diǎn)制造、組焊球罐的單位已具備了較高的專業(yè)化水平，因此，材料問(wèn)題已成為球罐的關(guān)鍵問(wèn)題，直接影響著我國(guó)球罐的安全使用。

球罐用鋼應(yīng)考慮球罐的使用條件（如設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、物料特性等）、材料的焊接性能、球罐的制造工藝和組焊要求以及經(jīng)濟(jì)合理性。

壓力容器用鋼板種類繁多，國(guó)產(chǎn)碳素鋼和低合金鋼鋼板用于球罐的鋼板僅有20R、16MnR、15MnNbR、16MnDR、07MnCrMoVR和07MnNiMoVDR六個(gè)鋼種。其中15MnNbR比16MnR含碳量略低（C≤0.18%）并添加了Nb（0.01～0.04%），極細(xì)化了晶粒又產(chǎn)生了彌散強(qiáng)化的效果，鋼的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)均優(yōu)于16MnR，也優(yōu)于日本的SPV355，該鋼種厚板力學(xué)性能穩(wěn)定，性能價(jià)格比相對(duì)較高。例如我廠臨港工程6000m3丁二烯球罐的球殼板材料就選用了15MnNbR，從而減小了殼體厚度，在保證安全型的前提下節(jié)約了材料，節(jié)省了資金。