球罐設計要點討論

張誠

摘 要：文章討論了球罐的形式、用途、各種形式球罐的優缺點，球殼板設計要點，球罐設計時應考慮的載荷，球罐設計中應校核的數據，球罐材料用各種鋼板優缺點。

關鍵詞：球罐；形式；設計；載荷；材料

1 球形容器簡介

球形容器在石油、化工、冶金、城市煤氣等工業領域被廣泛應用于儲存液化石油氣、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，在原子能發電站作核安全殼，在造紙廠用作蒸煮球，在化工行業作反應器等，我們把用于儲存液體和氣體物料的球形容器稱為球形儲罐。

球形儲罐殼體受力均勻，在相同直徑和相同工況下，球形容器的薄膜應力僅為相同厚度圓筒形容器環向應力的一半，相應承壓能力強，且相同容積下球殼表面積最小，質量輕，球罐占地面積小，且可向空間高度發展，有利于地表面積的利用，由于這些特點，再加上球罐基礎簡單、受風面小、外觀漂亮，可用于美化工程環境等原因，使球罐的應用得到了很大發展。但因球形儲罐容積大，需制造廠成型球殼板，安裝單位現場組裝焊接，制造安裝有一定難度，技術要求相對較高。

2 球形容器形式

球形儲罐形式多樣，從殼體的層數看，有單層和雙重殼球罐；從支撐方式看，有柱式和裙式；從球殼板結構形式分，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。其特點是球殼的拼裝焊縫規則、施工組裝較簡便。缺點是各帶因位置不一，球殼板尺寸規格多，只能在本帶或上下對稱帶之間互換，原材料利用率低，焊縫較長。

足球瓣式是將球體沿經緯方向切割，每塊球殼板的結構尺寸完全相同，互換性好，下料成型規格化，材料利用率高，拼裝焊縫長度短，相應檢測工作量亦小。缺點是球殼板交接處有Y型焊縫，焊縫布局復雜，施工組裝困難，對球殼板的精度要求高。

混合式兼備了桔瓣式和足球瓣式兩者的特點，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。相對桔瓣式而言，混合式的優點是材料利用率較高，焊縫長度有所縮短，球殼板數量減少，故特別適用于大型球罐。缺點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，從而使球殼板總數大大減少，焊縫總長也大大縮減。

3 球殼板設計要點

3.1 球殼板的幾何尺寸應盡可能大

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

3.2 選擇合適的鋼板規格，提高板材利用率。

3.3 規格要少，互換性要好。

3.4 相鄰帶縱焊縫一個相互錯開。

3.5 焊縫布局應均勻，減少裝配應力、拘束應力與殘余應力。

3.6 必須考慮壓機及起重能力。

4 球罐設計

設計壓力和設計溫度的取值同普通壓力容器，但球殼計算時需計入液柱靜壓力，腐蝕裕量取不小于1mm。

4.1 球罐設計時應考慮以下載荷

（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狀態下內裝物料的重力載荷；（4）附屬設備與隔熱材料、管道、支柱、拉桿、梯子、平臺等的重力載荷；（5）風載荷，地震載荷，雪載荷。

球罐因結構的對稱性和形狀特點，質量可近似地集中于球殼中心，故球罐可視為單自由度體系。因為球罐在振動情況下按剪切型振動，即結構在水平力作用下，整個體系會產生平移，球罐本身不發生偏轉，所以求解球罐在水平力作用下的位移便可轉化為求支柱在該力作用下的位移問題。風力及地震力等水平力的合力Fmax通過球心，該合力在赤道平面上由幾根支柱分擔，各支柱受力可能不同，但其合力一定是水平力Fmax。當支柱在水平力Fmax作用下發生位移時，拉桿將被拉長或壓短，從而限制了支柱的位移。支柱的地腳螺栓使其底部不產生水平位移及轉角，即相當于固定端支承，支柱便相當于懸臂梁。當支柱底板與基礎的摩擦力Fs大于或等于拉桿作用在支柱上的水平力Fc時，理論上球罐不需要設置地腳螺栓，但為了固定球罐位置，規定應設置一定數量的定位地腳螺栓。

4.2 球罐設計中應校核的數據如下

（1）設計溫度下球殼的計算應力；（2）操作狀態下和液壓試驗狀態下的支柱穩定性；（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度；拉桿與翼板的焊縫強度；（6）操作狀態下和液壓試驗狀態下支柱與球殼連接最低點a的應力；（7）支柱與球殼連接焊縫的強度校核。

4.3 球罐材料

材料是球罐設計、制造的基礎，材料的性能和質量的優劣直接影響著球罐的質量和安全使用。根據目前國內設計、制造、組焊及檢驗的水平看，重點制造、組焊球罐的單位已具備了較高的專業化水平，因此，材料問題已成為球罐的關鍵問題，直接影響著我國球罐的安全使用。

球罐用鋼應考慮球罐的使用條件（如設計溫度、設計壓力、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濟合理性。

壓力容器用鋼板種類繁多，國產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%），極細化了晶粒又產生了彌散強化的效果，鋼的強度和韌性指標均優于16MnR，也優于日本的SPV355，該鋼種厚板力學性能穩定，性能價格比相對較高。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約了材料，節省了資金。