球罐是一種儲(chǔ)存氣體、液體(包括液化氣體)的壓力容器，由于它受力均勻，承載能力大，在相同的直徑和工作壓力下，板厚僅為圓筒形儲(chǔ)罐的一半，且占地面積小，盛裝容積大等，在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。特別是用于儲(chǔ)存易爆和有毒的氣體和液體(如液化石油氣、液化天然氣、化工原料、液氧、液氮、氧氣、氮?dú)狻⑻烊粴狻⒊鞘忻簹狻嚎s空氣)等物料。球罐的設(shè)計(jì)主要包球殼、支承結(jié)構(gòu)及接管開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)等三個(gè)部分。
球罐設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)載荷
(1)球罐設(shè)計(jì)方法分規(guī)則設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)
規(guī)則設(shè)計(jì)依據(jù)GB 12337《鋼制球形儲(chǔ)罐》。規(guī)則設(shè)計(jì)一般是材料力學(xué)及板殼薄膜理論的簡(jiǎn)化公式為基準(zhǔn)，再加上一些經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。它僅計(jì)算球殼的薄膜應(yīng)力，未對(duì)球罐的特定區(qū)域的實(shí)際應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，在確定許用應(yīng)力時(shí)考慮相對(duì)較大的安全系數(shù)。
分析設(shè)計(jì)依據(jù)GB 12337 附錄C 應(yīng)力分析設(shè)計(jì)球罐。分析設(shè)計(jì)采用以極限載荷、安定載荷和疲勞壽命為限定條件的"塑性失效"與"彈塑性失效"為準(zhǔn)則，允許結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可控制的局部塑性區(qū)，允許對(duì)峰值應(yīng)力部位作有限壽命設(shè)計(jì)。對(duì)球罐各部位進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析和應(yīng)力分類，對(duì)各類應(yīng)力取不同的應(yīng)力強(qiáng)度值進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，在不降低設(shè)備的安全性的前題下取相對(duì)較小的安全系數(shù)。
(2) 球罐設(shè)計(jì)載荷
設(shè)計(jì)載荷歸納為以下幾個(gè)方面：
①壓力；
②液柱靜壓力；
③球罐自重(包括內(nèi)件)以及正常工作條件下或耐壓試驗(yàn)狀態(tài)下內(nèi)裝介質(zhì)的重力載荷；
④附屬設(shè)備及隔熱材料、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；
⑥支柱的反作用力；
需要時(shí)，還應(yīng)考慮下列載荷：
⑦連接管道和其他部件的作用力；
⑧溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力；
⑨沖擊載荷，包括壓力急劇波動(dòng)引起的沖擊載荷、流體沖擊引起的反力等。
球罐的分類
(1) 按介質(zhì)的性質(zhì)分
按介質(zhì)的性質(zhì)可分為儲(chǔ)存液相介質(zhì)的球罐和儲(chǔ)存氣相介質(zhì)的球罐兩大類。
(2) 按支承形式分
按支承形式可分為柱式和裙式兩大類，柱式支承包括赤道正切(相割)柱式支承、V 形柱式支承和三柱合一柱式支承。裙式支承包括圓筒裙式支承、錐形支承，及用鋼筋混凝土連續(xù)基礎(chǔ)支承的半埋式支承、錐底支承。其中柱式支承中以赤道正切柱式支承在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為普遍， GB 12337 標(biāo)準(zhǔn)選用的即為赤道正切柱式支承。赤道正切柱式支座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：球殼由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位沿圓周等距離布置，支柱中心線與球殼內(nèi)壁相切或近似相切(相割)。支柱支承著球罐的重量，為了更好地承受風(fēng)載荷和地震載荷，保證球罐穩(wěn)定性，在支柱之間設(shè)置拉桿相連接。這種支座的優(yōu)點(diǎn)是受力均勻，彈性好，能承受熱膨脹的變形，安裝方便，施工簡(jiǎn)單，容易調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)操作和檢修也方便，且適用于多種規(guī)格的球罐。缺點(diǎn)是重心高，穩(wěn)定性較差。
(3) 按球殼結(jié)構(gòu)形式分
按球殼結(jié)構(gòu)形式分類可分為桔瓣式、足球瓣式和混合式三種。目前，國(guó)內(nèi)工程中廣泛采用的是桔瓣式和棍合式(赤道帶、溫帶采用桔瓣式，上、下極帶采用足球瓣式) ，且桔瓣式和混合式球殼結(jié)構(gòu)列入標(biāo)準(zhǔn)，其基本參數(shù)見GB/T 17261 《鋼制球形儲(chǔ)罐型式與基本參數(shù)》。
球罐計(jì)算內(nèi)容
(1)球殼壁厚的確定
①球殼計(jì)算壓力：產(chǎn)生球殼應(yīng)力的因素很多，儲(chǔ)存介質(zhì)的壓力包括液柱靜壓力、球罐自重、局部外載荷、風(fēng)載荷、地震載荷、雪載荷、球殼內(nèi)外壁的溫度差、安裝與使用時(shí)的溫度差以及施工等因素都會(huì)使球殼產(chǎn)生應(yīng)力，而介質(zhì)的壓力包括液柱靜壓力是用于確定球殼各帶厚度的主要載荷。
球殼設(shè)計(jì)中，當(dāng)盛裝物料為液體時(shí)，計(jì)算須計(jì)入液柱靜壓力。因?yàn)榍驓ぶ睆捷^大，液柱靜壓力對(duì)球殼的厚度計(jì)算有較大的影響。
在計(jì)算液柱靜壓時(shí)需要計(jì)算出各計(jì)算截面處的液柱高度，該高度既可以根據(jù)裝量系數(shù)K反算求得，也可參照《壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程》第24 章的相關(guān)內(nèi)容求得。
②球殼壁厚計(jì)算:按內(nèi)壓球殼壁厚計(jì)算公式，確定球殼最終厚度時(shí)應(yīng)綜合考慮各工況下各種載荷對(duì)球殼的影響。
③球殼的穩(wěn)定性驗(yàn)算:對(duì)于大直徑、壁薄的球罐，當(dāng)外載荷對(duì)其產(chǎn)生壓應(yīng)力時(shí)，尚需對(duì)球殼的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，外壓球殼穩(wěn)定性計(jì)算按GB 150.3 第4.4 條進(jìn)行。
(2) 支柱、拉桿計(jì)算
①載荷計(jì)算:支柱和拉桿在操作和非操作工況下都要承受多種形式的載荷，其中包括在內(nèi)壓及溫度作用下球殼膨脹而造成的支柱彎曲，建造施工過程中出現(xiàn)的一些附加載荷，最主要的是球罐殼體和儲(chǔ)存介質(zhì)等重量及由地震和風(fēng)引起的垂直載荷及水平載荷。
②支柱的穩(wěn)定性校核。
(3) 各連接部位的強(qiáng)度計(jì)算
①支柱與拉桿連接部位的強(qiáng)度計(jì)算；
②地腳螺栓的計(jì)算；
③支柱底板的計(jì)算；
④支柱與球殼連接處的強(qiáng)度驗(yàn)算。
(4) 開孔及開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算
球罐開孔補(bǔ)強(qiáng)常采用整體凸緣補(bǔ)強(qiáng)和另加補(bǔ)強(qiáng)元件補(bǔ)強(qiáng)兩種形式。開孔及開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算應(yīng)按GB 150.3 第6章或JB 4732 第10 章的規(guī)定。
(5) 球罐設(shè)計(jì)校核內(nèi)容及應(yīng)力控制值，見下表：
球罐的選材原則
球罐選材不僅按其儲(chǔ)存物料的性質(zhì)、壓力、溫度等選用，還應(yīng)考慮所選材料應(yīng)具有良好的焊接性能、加工性能和熱處理性能，同時(shí)還應(yīng)考慮到材料的供應(yīng)可靠性及經(jīng)濟(jì)性。
低、中強(qiáng)度鋼的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低，易獲得，焊接工藝條件不苛刻，便于施工，還可以通過熱處理消除焊接殘余應(yīng)力，有利于防止應(yīng)力腐蝕，缺點(diǎn)是相同容積的球罐用鋼材耗量大，不利于球罐大型化。高強(qiáng)度鋼的優(yōu)點(diǎn)是可以降低鋼材的消耗量，有利于球罐的大型化，缺點(diǎn)是焊接工藝條件苛刻，容易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷，不易進(jìn)行應(yīng)力腐蝕控制。
一般來講，碳素鋼和低合金鋼球殼厚度按剛性控制時(shí)，選用低強(qiáng)度鋼板，如Q245R 等；球殼厚度按強(qiáng)度控制時(shí)，選用中、高強(qiáng)度鋼板，如Q345R 、Q370R 、16MnDR 、15MnNiDR 、15MnNiNbDR 、09MnNiDR 、07MnMoVR 、07MnNiVDR 、07MnNiMoDR 。
奧氏體型鋼板選用S30408 、S30403 、S31608 、S31603 。
球殼選材時(shí)，還應(yīng)考慮整體熱處理的影響和介質(zhì)應(yīng)力腐蝕的影響。從進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整體熱處理方面來看:對(duì)于中、小型球罐的現(xiàn)場(chǎng)整體熱處理質(zhì)量容易控制，而大型球罐的現(xiàn)場(chǎng)整體熱處理質(zhì)量不容易控制。因此，中小型球罐球殼可以使用的鋼板厚度較大，當(dāng)厚度超過規(guī)定的界限時(shí)，可對(duì)球罐進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整體消除應(yīng)力熱處理。對(duì)于大型球罐，宜盡量避免現(xiàn)場(chǎng)整體熱處理，故對(duì)鋼板厚度有一定的限制，宜選用高強(qiáng)度鋼材。在介質(zhì)存在應(yīng)力腐蝕條件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用低強(qiáng)度鋼，避免使用高強(qiáng)度鋼。
球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)包括如下內(nèi)容:
①根據(jù)工藝參數(shù)的要求確定球殼結(jié)構(gòu)形式；
②確定球殼的排板方法(分帶、分片)；
③確定球殼板的幾何尺寸及坡口形式；
④支承結(jié)構(gòu)的確定及計(jì)算；
⑤人孔和工藝接管的選定、布置；
⑥球罐的附件，如梯子、平臺(tái)的設(shè)計(jì)。
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