球罐凸緣結構開孔補強計算比較

葛園

（中國石油工程建設公司新疆設計分公司）

設計與計算

球罐凸緣結構開孔補強計算比較

葛園*

（中國石油工程建設公司新疆設計分公司）

凸緣是球罐開孔補強常見的一種結構。采用等面積補強法時，因接管壁厚取值不同，計算結果也將不同。就凸緣結構的兩個計算實例進行了比較。

球罐凸緣結構等面積法開孔補強接管

0　前言

球罐在石油化工、冶金、城市煤氣等工業領域應用非常廣泛。球罐和其它常用的圓筒形容器相比具有如下特點：球罐殼體受力均勻，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，即相應的承壓能力強；在相同容積下，球殼的表面積最小、質量輕；球罐基礎簡單、受風面積小等［1］。這些特點使得球罐的應用得到很大的發展。

為方便工作人員進出球罐進行檢驗和維修，球罐不可避免要開DN500人孔，這不僅導致了球殼承載截面積的削弱，而且還引起開孔的接管處應力集中，使開孔接管處局部范圍內應力升高。同時，由于接管和球殼存在結構上的不連續，因而在二者的連接處會產生較大的不連續應力（邊緣剪力和邊緣彎矩）［2］。工程中，通常對于球殼上較大直徑的開孔接管采用凸緣結構進行補強。采用該結構的優點是既保證了球殼開孔削弱的強度得到補強，還避免了補強處壁厚的突變，降低了應力集中程度［3］。現工程設計人員所用凸緣結構大多按SH/T 3138—2003《球形儲罐整體補強凸緣》選用，根據GB 150所提供的等面積補強法進行計算。但對于同樣的凸緣結構，因接管壁厚取值不同，計算結果也不相同。現就凸緣結構兩個計算實例作一分析比較。

1　凸緣結構計算依據簡述

等面積補強法是壓力容器開孔補強計算中常用的一種方法，基于無限大平板開孔孔邊應力集中及衰減規律確定有效補強范圍。該方法是從承載截面積的角度來判斷補強要求的，對于僅受壓力載荷作用的殼體，因開孔而消弱的最大承載截面積應在補強的有效范圍內用相同數值的截面積予以補償，補償的截面積應基本上位于開孔接管高應力區的范圍內［2］。

開孔直徑d與球殼直徑D之比值越大，殼體曲率對應力集中的影響就越大。通常，球殼上最大開孔直徑為500 mm，隨著球殼直徑的增大，d/D的比值減小，球罐上的接管開孔越來越接近于無限大平板開小孔，可見等面積補強法適用于凸緣結構的開孔補強計算。

2　凸緣結構計算示例比較

有一公稱容積2000 m3的液化石油氣球罐，設計壓力1.77 MPa，設計溫度-30℃，球罐直徑15 700 mm，球殼名義厚度52 mm，球殼材質16MnDR，殼體材料負偏差0.3 mm，接管凸緣材質16MnDⅣ鍛件，在球殼上開DN500人孔。

符號說明：

pc——計算壓力，MPa

Di——球罐直徑，mm

φ——焊接接頭系數，取φ=1.0

d——人孔接管內徑，mm，取d=498 mm

δ——殼體計算厚度，mm

δn——殼體開孔處的名義厚度，mm

δe——殼體開孔處的有效厚度，mm

δt——接管計算厚度，mm

δnt——接管名義厚度，mm

B——有效補強寬度，mm

C——厚度附加量，mm

h1——接管外側高度，mm

h2——接管內側高度，mm，取h2=0

A——球罐開孔所需補強面積，mm2

A1——殼體部分補強面積，mm2

A2——接管部分補強面積，mm2

A3——凸緣結構的有效補強面積，mm2

2.1DN500人孔等面積補強計算示例一

圖1　凸緣結構補強區有效范圍（示例一）

有關的尺寸參數如圖1所示。取較大值，B=1004 mm＞880 mm（實際寬度）。

接管外側高度h1和接管內側高度h2：取h1=89.62 mm；內側高度h2=0 mm。

所以，該人孔接管強度不滿足要求。

2.2DN500人孔等面積補強計算示例二

有關的尺寸參數如圖2所示。

圖2　凸緣結構補強區有效范圍（示例二）

（1）球罐開孔所需補強面積

和

代入上述式中，得

隨著現代社會的發展和時代的進步，基層黨建工作常態化在高校大學生思想政治教育中發揮著越來越重要的作用，是實現大學生全面發展的必然途徑，然而現階段我國基層黨建工作發展并不理想，工作思想落后、工作方法單一、工作積極性不高，都是其存在的主要問題，嚴重阻礙高校基層黨建工作的發展，為此要創新和改革高校基層黨建工作常態化構建模式，樹立服務型工作理念，推動學習型基層黨建組織的發展，實現基層黨建工作常態化的完善和進步。

取δn=52 mm。

接管取δnt=32 mm，則

（2）有效補強面積

有效補強寬度B：

取B=1004 mm＞880 mm（實際寬度）。

接管外側高度h1和接管內側高度h2：

取h1=126.7 mm；內側高度h2=0 mm。

所以，該人孔接管強度滿足要求。

對于相同尺寸的凸緣結構，按算例一，接管名義厚度取16 mm，接管有效外伸高度為89.62 mm，計算的補強面積不滿足要求；按算例二，接管名義厚度取32 mm，接管有效外伸高度為126.7 mm，補強面積滿足要求。在工程設計中，使用GB 150推薦的等面積法計算時，可適當放大接管厚度，以滿足實際補強要求。

3　結束語

本文對球罐上人孔整體補強鍛件結構進行了分析計算，這對其他小接管整體鍛件補強結構也可作為參考。在選擇接管有效厚度時，可適當增厚，以便提高有效補強高度，達到滿足要求的整體補強面積。由于等面積法的原理未考慮開孔邊緣彎曲應力的影響，因此該方法只適用于球殼開孔率d/D≤0.5的情況。

［1］徐英，楊一凡，朱萍，等.球罐和大型儲罐［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2］GB 150.3—2011壓力容器及標準釋義［S］.

［3］JB 4732—1995鋼制壓力容器——分析設計標準［S］.

Calculation and Comparison of Opening Reinforcement of Spherical Tank Flange Structure

Ge Yuan

The flange is the common structure of the opening reinforcement of the spherical tank.The calculation result varies with the different wall thickness of the connecting tube when the equal area reinforcement method is applied.Then two computing instances of the flange structures are introduced and compared.

Spherical tank；Flange structure；Equal area method；Opening reinforcement；Connecting tube

TQ 050.3

2015-05-08）

*葛園，女，1977年生，工程師。烏魯木齊市，830019。