鐵足球形儲罐的制作工藝

趙　巖，鄂學偉，劉長江

鐵足球形儲罐的制作工藝

趙巖1，鄂學偉2，劉長江1

（1.黑龍江職業學院能源與材料工程學院，黑龍江哈爾濱150080；2.哈爾濱建成北方專用車有限公司，黑龍江哈爾濱150030）

采用1∶1的比例模擬32瓣足球，選擇制作材料和焊接工藝參數，確定裝配角度和焊接次序，對鐵足球形儲罐進行焊接和受力分析，并進行了水壓試驗，為制作大型的鐵足球形儲罐積累了經驗。

鐵足球形儲罐；焊接工藝；受力分析；水壓試驗

0　前言

球形儲罐是儲存物料、液體、氣體及進行化學反應的常用容器，通常有足球瓣式、純橘瓣式和足球橘瓣混合式三種結構形式。相對純橘瓣式、足球橘瓣混合式來說，足球瓣式儲罐有瓣片下料及制造較簡單、材料利用率高等優點。其缺點是焊縫交接處有Y型焊縫，組焊難度較大，質量較難保證。

1　鐵足球結構與模擬

32瓣足球由20個正六邊形和12個正五邊形組成，其邊長均為36 mm，共計32塊，如圖1所示。每個正五邊形周圍有5個正六邊形，而每個正六邊形周圍有3個正五邊形和3個正六邊形交錯排列。也可以描述成由兩個對稱的極和四個環狀的帶構成，兩個對稱的極分別為兩個正五邊形，每個正五邊形為一個極，從正五邊形開始（也就是從一個極開始）緊連一個由5個正六邊形組成的環狀帶，接下來是相互交錯的5個正五邊形和5個正六邊形組成的環狀帶（即由一個正五邊形隔一個正六邊形排列），這樣相同的環狀帶有2條，接下來是由5個正六邊形組成的環狀帶，最后連接到另外一個極即一個正五邊形，組成一個32瓣足球，如圖2所示。

圖1　正六邊形、正五邊形尺寸與面積

2　鐵足球的面積與體積

由于球面是不可展曲面，因此只能準確計算每一個正六邊形面積F六和正五邊形的面積F五，面積計算參見圖形1。

圖2　32瓣足球

足球面積S可近似地看成是20個正六邊形面積F六和12個正五邊形面積F五的和，即

將32面體近似看成球體，可求得足球半徑r

足球體積V

V=4/3πr3=4/3×3.14×86.553=2 714 373.466 mm3

3　鐵足球焊縫數量和長度計算

多面體頂點數、多面體邊數、多面體面數有一定的數量關系，由歐拉公式即多面體公式可知

式中G為多面體的頂點數；E為多面體邊數；F為多面體面數。

由于每個圖形的邊都和另一個圖形邊連接一起形成多面體的一個邊。

設正多面體的面是正N邊形，因此N×F=2E。

通過歐拉公式N×F=2E可以求出足球體結構：

式中n1為正六邊形個數；n2為正五邊形個數。

由G-E+F=2，E=90，F=32，得G=60，即多面體的頂點數為60，也就是三條焊縫的交點數量。

通過幾何關系計算出足球有90條邊和60個頂點，說明足球結構的鋼制球罐有90條焊縫和60個Y形焊縫（點）。

式中L為焊縫的總長度；E為球罐的焊縫數；L0為每條焊縫的長度。

4　鐵足球下料

足球材料選用Q235、厚度2 mm的鋼板。薄板材加工有很多的方法，本試驗是利用無模液壓成形技術把足球結構的正多面體變成球體，所以對材料的損傷缺欠很敏感，要求表面圓滑，以免應力集中，同時為了能拼接成足球，要求加工精度達到36± 0.2 mm，采用線切割下料（火焰切割、等離子切割、沖剪等都不能滿足要求）。

5　鐵足球焊接工藝

5.1鐵足球罐組對

足球罐組對精度對整個足球的焊接質量乃至最終成形質量都有很大影響。故在組對完成時，應立即進行精確找正。嚴格控制對口間隙、錯邊量、圓度、上下口的平齊度等，反復調整，特別注意各塊板間的累積誤差,確認各項數據均達到要求后再進行定位焊。

5.2鐵足球定位焊

為減小焊接應力和角變形，定位焊采取分組、對稱、同時焊接，保證了焊接質量，如圖3所示。

圖3　點焊定位

5.3焊接要點

（1）焊前應將每塊正六邊形、正五邊形板料表面及其側面的水、鐵銹、油污、熔渣、飛邊、毛刺和其他有害雜質用細紋銼、細砂紙清理干凈。

（2）焊條應達到烘干溫度和時間，烘干后放入保溫筒內隨用隨取。

（3）焊接時，嚴禁引弧或隨意擦傷球殼板表面，防止產生淬硬的弧坑或弧坑裂紋。

（4）球殼板焊縫焊道采取分段后退法焊接，且直線運條、短弧焊，盡量達到反面成形優良的效果。

（5）每組焊工間的焊接速度保持基本一致，焊工還要注意經常調節焊接電流。

（6）橫焊縫是球罐焊接缺陷最容易產生的部位，因此，橫焊時焊渣要徹底清除，要精心選擇焊接方法和焊接順序，正確掌握運條角度。

5.4焊接方式

焊條電弧焊組焊，模擬足球結構，從正五邊形（其中一個極）開始依次拼接，固定兩點，焊接過程中因焊接一點固定，線能量輸入少，故變形微小。也就是從一個極開始，經過四個環狀帶，再到另外一個極，焊接組成一個封閉的足球體。

5.5焊接工藝參數

焊接工藝參數如表1所示。

表1　焊接工藝參數

6　水壓試驗

試驗利用液壓無模成型技術將32面體足球液壓脹型呈近似圓形，所用設備為手動打壓泵，如圖4所示。

圖4　鐵足球

一般工業用大型球形容器均屬于薄壁殼體，內壓P遠小于薄壁膜應力，因此忽略彎曲力矩的影響，按平面應力處理，如圖5所示。實驗壓力P為：

圖5　球罐應力分析

由球殼平衡條件得

在球殼外壁σz=σθ，且σr=0，在平面應力狀態下，當σz=σθ時，兩個屈服準則形式相同

式中ns為對應于屈服極限的安全系數，用于防止球殼內壁產生大面積屈服，考慮應力集中的影響，ns=1.5；η為考慮焊縫減弱的系數，即對焊縫的不信任程度，氬弧焊打底的單面焊對接焊縫η值可取0.9。Q235鋼的屈服極限σs=235 MPa。

用手動打壓泵進行加壓脹形，為安全起見，壓力沒有達到6.51 MPa，本次水壓試驗壓力P只升高到4 MPa，變形微小，未達到理想的圓球度。

7　結論

（1）簡化了球罐制作工藝。

（2）可以縮小比例制作鐵足球、銅足球、不銹鋼足球等，作為裝飾品或工藝品。

（3）水壓試驗壓力的確定一定要經過嚴格的計算，注意安全保護，進行遠程監控。

（4）為制作大型足球罐式儲罐容器（可以按邊長比例、體積比例縮小或放大），積累了經驗。

Study on production technology of iron football type spherical tank

ZHAO Yan1，ER Xuewei2，LIU Changjiang1
（1.College of Energy and Material，Heilongjiang Polytechnic，Harbin 150080，China；2.Harbin Jiancheng North Special Auto Co.，Ltd，Harbin 150030，China）

This paper simulated the 32 disc football with the proportion of 1:1.To welding the football，different technological parameter was tested with the selected materials and the assembly angle and welding procedure were determined.This football was also under the force analysis and hydrapress measurement，which accumulated experience for the preparation of iron football shape tank.

iron football tank；welding procedure；force analysis；hydrapress measurement

TG457.5

B

1001－2303（2016）01－0084-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.20

2014－10－09；

2015－11－04

趙巖（1964—），男，黑龍江五常人，教授，主要從事熱能動力工程、焊接結構方面的教研工作。