淺談球罐a點應力狀態(tài)與控制措施

李杰

摘 ?要：壓力容器在石油、石化、化工及過程醫(yī)藥等行業(yè)起著非常重要的作用。其中A3類球形儲罐作為一種帶壓的儲存容器，在很多石油、石化、化工及過程醫(yī)藥廠區(qū)普遍使用。球形儲罐相比其他儲罐，球殼受力狀況較好且相同容積下球殼表面積最小，質量輕。但由于結構特殊，在制造、安裝方面有一定的難度，技術要求相對較高。球罐設計時有不同的重要控制點，其中支柱與球殼板的連接處就是其中的一個。支柱與球殼板連接最低點用a點表示，該點處的受力狀況比較復雜，影響因素與控制措施有多種。本文從實際的工程實踐出發(fā)談談自己的一些觀點。

關鍵詞：球形儲罐;a點應力;影響因素;控制措施

1.設備概述

在2021年設計的某項目中，獨立完成了一臺650立液化烴球罐的設計。該球罐的殼體直徑為φ10700mm，設備總高度約為13750mm。操作壓力0.6Mpa，操作溫度35℃，設計壓力1.625Mpa，設計溫度最高50℃，最低-25℃。介質組分為丙烷與丁烷混合物，介質毒性程度為輕度，為易燃易爆危險介質。

液化烴球罐做為全廠生產(chǎn)物料的存儲設備，其重要性、安全性不言而喻。由于球罐結構的獨特性，給球殼支撐結構的設計也帶來了一定的難度。支撐型式的選擇與設計對于球罐的安全可靠性起著非常重要的作用，亦是設計考慮的重要要素之一。本文就從球罐的支撐型式著手，通過計算、分析支柱與球殼連接處的受力狀態(tài)及應力產(chǎn)生因素、應力控制措施等方面，淺談球罐支撐型式的選型設計。

2.球罐的支撐型式及特點

球罐柱式支撐包括赤道正切柱式支撐、V型柱式支撐和三合一柱式支撐。本文主要分析對象為正切式柱式支撐結構。柱式支撐結構分為單段式支柱與雙段式支柱。單段式支柱由一根圓管或由鋼板卷制而成的圓筒組成，其上端在制造廠加工成與球殼相接的圓弧狀。雙段式支柱一般用于直徑較大或者低溫材料制的球罐，對于直徑較大的球罐，雙段式支柱可以很好的改善支柱與球殼連接處的低點應力水平狀況。雙段式支柱上端材料與球殼相同，在制造廠內與球殼板提前預制完成，下段支柱材料可采用普通材料。柱式支柱頂部與球殼的連接型式分為平板式、半球式和橢圓式三種，支柱下部與球殼的連接型式有直接連接、加托板、U形柱和翻遍四種。

不論單段式支柱還是雙段式支柱，支撐罐體重心高，穩(wěn)定性差，但是受力均勻，彈性好，能承受熱膨脹的變形，施工簡單易調整，現(xiàn)場操作和檢維修也方便，適用于多種規(guī)格的球罐。

3.球罐支柱的受力分析

支柱與球殼連接處的受力情況較為復雜，準確的概括應為局部應力范圍。查閱相關標準與資料，其中對支柱受力情況作了相應的力學模型的簡化，得出較為符合支柱受力的計算公式。其中，受力情況最為復雜的地方為支柱下邊沿與球殼的連接部位即球殼a點處的受力情況。

通過對力學模型的分析，支柱承受由球殼產(chǎn)生的壓縮應力。壓縮應力取操作狀態(tài)下重力載荷加最大彎矩產(chǎn)生的垂直載荷與液壓試驗狀態(tài)下壓縮應力的較大者。同時承受由切向力產(chǎn)生的外力矩。外力矩與壓縮應力共同作用于支柱，導致球殼a點處承受較大的應力。通過改變不同設計參數(shù)，得出如下液化烴球罐a點受力的計算分析數(shù)據(jù)。

在球罐的設計條件下，16MnDR設計溫度下許用應力為[σ]t=174MPa，常溫屈服點σs=295MPa。球殼支柱a點處的剪切應力，操作狀態(tài)下表示為τ0，水壓試驗狀態(tài)下表示為τT。球殼支柱a點處的緯向應力，操作狀態(tài)下表示為σ01，水壓試驗狀態(tài)下表示為σT1。a點處組合應力σ0a=σ01+τ0。水壓試驗狀態(tài)下a點組合應力σTa=σT1+τT。

通過計算得，球殼計算厚度最大為26.344mm，加上板材偏差與腐蝕裕量圓整取球殼厚度為δ=30mm。當球殼厚度取δ=30mm，支柱與球殼連接焊縫單邊長度取LW=2600mm時，經(jīng)計算a點應力水平狀態(tài)一見表一：

校核a點組合應力：操作狀態(tài)下a點組合應力σ0a=174.84>[σ]t=174MPa，校核不合格。水壓試驗狀態(tài)下a點組合應力σTa=218.21<0.9σs =0.9x295=265.5MPa，校核合格。

當球殼厚度取δ=30mm，支柱與球殼連接焊縫單邊長度取LW=3000mm時，經(jīng)計算a點應力水平狀態(tài)二見表二：

校核a點組合應力：操作狀態(tài)下a點組合應力σ0a=173.48<[σ]t=174MPa，校核合格。水壓試驗狀態(tài)下a點組合應力σTa=217.34<0.9σs =0.9x295=265.5MPa，校核合格。

當球殼厚度取δ=32mm，支柱與球殼連接焊縫單邊長度取LW=2600mm時，經(jīng)計算a點應力水平狀態(tài)三見表三：

校核a點組合應力：操作狀態(tài)下a點組合應力σ0a=162.74<[σ]t=174MPa，校核合格。水壓試驗狀態(tài)下a點組合應力σTa=203.1<0.9σs =0.9x295=265.5MPa，校核合格。

通過對力學模型的分析及對計算公式中對應變量的分析可知，在給定工況下，該局部應力主要由剪切應力決定，而剪切應力主要由兩方面的因素控制。一是局部球殼的有效厚度，二是球殼與支柱連接焊縫的單邊長度。對于a點的應力校核，同時做組合應力的校核。組合應力為剪切應力與緯向應力之和。設計時分別做操做狀態(tài)與液壓試驗狀態(tài)時的應力校核。只有在組合應力校核滿足一定的設計余量時，才能保證支柱的安全性。

4.總結

在球殼的實際設計過程中，考慮到球罐整體造價的經(jīng)濟型因素，為了控制a點的局部應力，不會無限制增加局部球殼的壁厚。當球殼壁厚確定后，支柱下部與球殼的連接處，我們通過采用不同的型式（如圖一所示）來增加連接焊縫的單邊長度來降低a點應力。

參考文獻

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