球罐基礎(chǔ)沉降差對支柱穩(wěn)定性影響的分析處理

殳 宏 許輝庭 王 蕓

（浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院)

0 前言

球罐與圓筒形容器相比，具有表面積小、相同容量下所需鋼材少、球殼板承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，特別是占地面積小，因此在石油、化工、城市天然氣等工程中，球罐的使用越來越廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，球罐也隨之越來越大型化。在我國的沿海省份，靠近江、河、海碼頭邊安裝了大量的球罐。由于江、河、海邊緣地質(zhì)復(fù)雜，甚至部分地區(qū)還是利用了圍墾的土地，因此對球罐的基礎(chǔ)建設(shè)提出了更高的要求。筆者在對100余臺2000～10000 m3球罐的基礎(chǔ)進(jìn)行安裝監(jiān)檢時發(fā)現(xiàn)，約有20余臺球罐的基礎(chǔ)沉降存在一定的偏差。本文對其中1臺5000 m3球罐的基礎(chǔ)沉降差對支柱穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了計(jì)算分析，并提出了球罐安裝過程中防止失穩(wěn)的措施。

1 球罐基本參數(shù)

該球罐的基本參數(shù)如下所述：設(shè)計(jì)壓力p=0.80 MPa，水壓試驗(yàn)壓力 pT=1.00 MPa，設(shè)計(jì)溫度 50℃，球殼內(nèi)徑Di=21200.0 mm，充裝介質(zhì)為丁二烯，基本風(fēng)壓值q0=450.0 N/m2，拉桿與支柱連接形式為相鄰，球殼形式為混合式，支柱數(shù)目為12。球罐主體材質(zhì)為Q370R，支柱材料選用16MnR，尺寸為?800 mm×16 mm，拉桿材料選用20鋼。

球罐簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 存在的問題

該球罐進(jìn)行液壓試驗(yàn)時，在充滿水24 h后進(jìn)行沉降觀測發(fā)現(xiàn)，相鄰的1#、2#、3#支柱的沉降差為5 mm，如圖2所示。一般來說，基礎(chǔ)的沉降很難保證完全均勻，總存在一定的沉降差。沉降差造成了支柱承載不均。基礎(chǔ)沉降少的支柱其所受的載荷大大增加，存在失穩(wěn)的可能。根據(jù)GB 12337—1998和GB 50094—2010標(biāo)準(zhǔn)的要求，放水后相鄰支柱基礎(chǔ)沉降差應(yīng)不大于2 mm，而對充水耐壓試驗(yàn)過程中相鄰支柱基礎(chǔ)沉降差未提出限制要求。在球罐的安裝和使用過程中，球罐的總質(zhì)量并不相同。水壓試驗(yàn)時球罐的總質(zhì)量是最大的，支柱承載也是最大的，所以在水壓試驗(yàn)過程中球罐是最容易發(fā)生失穩(wěn)倒塌的。

圖1 球罐簡化結(jié)構(gòu)

圖2 相鄰支柱沉降差示意圖

3 支柱穩(wěn)定性分析

針對上述發(fā)現(xiàn)的支柱沉降差情況，我們暫時停止了加壓，根據(jù)GB 12337—1998標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析計(jì)算，并對該支柱的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。

3.1 基礎(chǔ)沉降基本均勻時支柱承受載荷WT的計(jì)算

（1）重力載荷GT

其中：mT=m1+m3+m6+m7=5445770.5 kg，球殼質(zhì)量m1=355755.2 kg，液體質(zhì)量m3=4988916.5 kg，支柱及拉桿質(zhì)量m6=71098.8 kg，附件質(zhì)量m7=30000 kg。

（2） 垂直載荷

最大彎矩對支柱產(chǎn)生的載荷：

拉桿作用在支柱上的載荷：

以上二力之和：

（3）組合載荷WT

3.2 基礎(chǔ)有沉降差時支柱負(fù)載變化的計(jì)算

球罐基礎(chǔ)沉降差造成每根支柱的負(fù)載不均勻，這種情況較為復(fù)雜。球罐支柱的簡化模型如圖3所示。當(dāng)1#支柱沉降增加時，則1#支柱上承載的力將減小。對于其他支柱來說，相當(dāng)于在1#支柱位置施加了一個額外的載荷，而這個載荷作用時1#支柱底部放空無支撐，這個載荷需要其他支柱來承載。顯然，這個額外載荷對1#支柱附近的2#和3#支柱造成較大的載荷，而對離1#支柱較遠(yuǎn)的支柱造成的額外承載較少。即1#支柱由于壓縮量減小而減少的那部分載荷，相鄰兩個支柱承載得最多，距離較遠(yuǎn)的支柱承載得較少。

圖3 球罐支柱簡化模型

為方便計(jì)算，我們在此做一個保守的假設(shè)，即假設(shè)1#支柱減少的那部分載荷由相鄰的2#和3#支柱各承擔(dān)一半。在該假設(shè)條件下，對2#、3#最危險(xiǎn)支柱進(jìn)行穩(wěn)定性校核，計(jì)算如下：

(1)1#支柱實(shí)際縮短量

1#支柱在WT作用下，縮短量為ΔX：

式中H0——支柱計(jì)算長度 （支柱底板底面到球殼中心的距離）,為14200 mm；

A——單個支柱的橫截面積，mm2；

Es——支柱材料的常溫彈性模量，MPa。

但由于1#支柱多沉降ΔX′，故其實(shí)際縮短量為：

ΔY=ΔX-ΔX′=7.772-5=2.772 mm

（2） 2#、 3#支柱的實(shí)際載荷WT″

1#支柱實(shí)際承載：

1#支柱減少的承載由2#、3#支柱各承載一半，則2#、3#支柱實(shí)際載荷：

（3）2#、3#支柱液壓試驗(yàn)時的總彎矩MT計(jì)算偏心彎矩：

附加彎矩：

式中 σTe——液壓試驗(yàn)狀態(tài)下球殼赤道線的薄膜應(yīng)力，MPa；

Ri——球殼內(nèi)半徑，mm；

I——支柱橫截面的慣性矩，mm4；

E——球殼材料常溫彈性模量，MPa。

則

（4）2#、3#支柱穩(wěn)定性校核

支柱穩(wěn)定性校核公式為：

式中：Z為2#、3#支柱單個支柱截面系數(shù)；φp為彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓支柱穩(wěn)定系數(shù)，可按GB 12337—1998第 6.7.3條中式（49）計(jì)算得到；WEX為歐拉臨界力，N；λ為支柱細(xì)長比；k3為計(jì)算長度系數(shù)，取k3=1；ri為支柱的慣性半徑；βm為等效彎矩系數(shù)，取βm=1；γ為截面塑性發(fā)展系數(shù)，取γ=1.15。

計(jì)算得

滿足穩(wěn)定性條件。因此，液壓試驗(yàn)階段對1#、2#、3#支柱可暫不處理，液壓試驗(yàn)仍可繼續(xù)進(jìn)行。

4 采取的措施

該球罐在液壓試驗(yàn)結(jié)束放水后，基礎(chǔ)回彈不均勻，1#支柱與2#、3#支柱基礎(chǔ)沉降差仍有3 mm。由于1#支柱底板與基礎(chǔ)未能緊貼，懸空了3 mm，故可采用在支柱底板下平墊鐵片進(jìn)行處理 （見圖4），使支柱與基礎(chǔ)能貼緊，并能在球罐工作時承載。

圖4 底板下墊鐵處理

我們建議，在以后的球罐安裝液壓試驗(yàn)過程中，遇到支柱沉降差較大的情況，可按上述強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行支柱失穩(wěn)校核。如果不滿足穩(wěn)定性條件，則存在失穩(wěn)危險(xiǎn)，應(yīng)停止液壓試驗(yàn)，及時進(jìn)行處理。在此，我們提出了一些增強(qiáng)球罐支柱穩(wěn)定性的措施：

（1）可以采用灌水和放水循環(huán)的方法，使基礎(chǔ)多次沉降回彈，并采取在底板下平墊鐵片的方法來調(diào)整基礎(chǔ)沉降，使各支柱的承載趨于均勻。

（2）按照 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，對于因承重等原因無法注滿液體的壓力容器，可根據(jù)承重能力先注入部分液體，然后注入氣體，進(jìn)行氣液組合壓力試驗(yàn)，以減少基礎(chǔ)的承載壓力。

（3）為保證基礎(chǔ)質(zhì)量，基礎(chǔ)受力后沉降均勻，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，并由土建質(zhì)檢站進(jìn)行檢測合格。

（4）對于這類基礎(chǔ)存在隱患的球罐，在以后使用和檢驗(yàn)中應(yīng)加強(qiáng)支柱垂直度、基礎(chǔ)沉降等項(xiàng)目的檢查，以杜絕球罐使用中倒塌事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

在球罐耐壓試驗(yàn)過程中，支柱受到的載荷最大，基礎(chǔ)受到的載荷也最大。由于球罐基礎(chǔ)質(zhì)量和安裝施工等復(fù)雜因素，基礎(chǔ)往往產(chǎn)生不均勻的沉降。因此，基礎(chǔ)沉降問題是監(jiān)檢過程中經(jīng)常碰見的重要問題。

本文提出的計(jì)算方法可用于校核球罐在液壓試驗(yàn)時是否有失穩(wěn)的危險(xiǎn)。實(shí)踐證明，該方法方便可行。經(jīng)校核該球罐暫無失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)可以繼續(xù)進(jìn)行。回彈后支柱懸空問題可采用墊鐵等辦法進(jìn)行處理，所以我們認(rèn)為該球罐支柱穩(wěn)定性合格。此外，本文還提出了一些增強(qiáng)球罐支柱穩(wěn)定性的措施。