淺談球罐a點(diǎn)應(yīng)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(guò)程醫(yī)藥等行業(yè)起著非常重要的作用。其中A3類球形儲(chǔ)罐作為一種帶壓的儲(chǔ)存容器，在很多石油、石化、化工及過(guò)程醫(yī)藥廠區(qū)普遍使用。球形儲(chǔ)罐相比其他儲(chǔ)罐，球殼受力狀況較好且相同容積下球殼表面積最小，質(zhì)量輕。但由于結(jié)構(gòu)特殊，在制造、安裝方面有一定的難度，技術(shù)要求相對(duì)較高。球罐設(shè)計(jì)時(shí)有不同的重要控制點(diǎn)，其中支柱與球殼板的連接處就是其中的一個(gè)。支柱與球殼板連接最低點(diǎn)用a點(diǎn)表示，該點(diǎn)處的受力狀況比較復(fù)雜，影響因素與控制措施有多種。本文從實(shí)際的工程實(shí)踐出發(fā)談?wù)勛约旱囊恍┯^點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：球形儲(chǔ)罐;a點(diǎn)應(yīng)力;影響因素;控制措施

1.設(shè)備概述

在2021年設(shè)計(jì)的某項(xiàng)目中，獨(dú)立完成了一臺(tái)650立液化烴球罐的設(shè)計(jì)。該球罐的殼體直徑為φ10700mm，設(shè)備總高度約為13750mm。操作壓力0.6Mpa，操作溫度35℃，設(shè)計(jì)壓力1.625Mpa，設(shè)計(jì)溫度最高50℃，最低-25℃。介質(zhì)組分為丙烷與丁烷混合物，介質(zhì)毒性程度為輕度，為易燃易爆危險(xiǎn)介質(zhì)。

液化烴球罐做為全廠生產(chǎn)物料的存儲(chǔ)設(shè)備，其重要性、安全性不言而喻。由于球罐結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，給球殼支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也帶來(lái)了一定的難度。支撐型式的選擇與設(shè)計(jì)對(duì)于球罐的安全可靠性起著非常重要的作用，亦是設(shè)計(jì)考慮的重要要素之一。本文就從球罐的支撐型式著手，通過(guò)計(jì)算、分析支柱與球殼連接處的受力狀態(tài)及應(yīng)力產(chǎn)生因素、應(yīng)力控制措施等方面，淺談球罐支撐型式的選型設(shè)計(jì)。

2.球罐的支撐型式及特點(diǎn)

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(duì)象為正切式柱式支撐結(jié)構(gòu)。柱式支撐結(jié)構(gòu)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(duì)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(diǎn)應(yīng)力水平狀況。雙段式支柱上端材料與球殼相同，在制造廠內(nèi)與球殼板提前預(yù)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(jiǎn)單易調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)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(fù)雜，準(zhǔn)確的概括應(yīng)為局部應(yīng)力范圍。查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與資料，其中對(duì)支柱受力情況作了相應(yīng)的力學(xué)模型的簡(jiǎn)化，得出較為符合支柱受力的計(jì)算公式。其中，受力情況最為復(fù)雜的地方為支柱下邊沿與球殼的連接部位即球殼a點(diǎn)處的受力情況。

通過(guò)對(duì)力學(xué)模型的分析，支柱承受由球殼產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力。壓縮應(yīng)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(yàn)狀態(tài)下壓縮應(yīng)力的較大者。同時(shí)承受由切向力產(chǎn)生的外力矩。外力矩與壓縮應(yīng)力共同作用于支柱，導(dǎo)致球殼a點(diǎn)處承受較大的應(yīng)力。通過(guò)改變不同設(shè)計(jì)參數(shù)，得出如下液化烴球罐a點(diǎn)受力的計(jì)算分析數(shù)據(jù)。

在球罐的設(shè)計(jì)條件下，16MnDR設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力為[σ]t=174MPa，常溫屈服點(diǎn)σs=295MPa。球殼支柱a點(diǎn)處的剪切應(yīng)力，操作狀態(tài)下表示為τ0，水壓試驗(yàn)狀態(tài)下表示為τT。球殼支柱a點(diǎn)處的緯向應(yīng)力，操作狀態(tài)下表示為σ01，水壓試驗(yàn)狀態(tài)下表示為σT1。a點(diǎn)處組合應(yīng)力σ0a=σ01+τ0。水壓試驗(yàn)狀態(tài)下a點(diǎn)組合應(yīng)力σTa=σT1+τT。

通過(guò)計(jì)算得，球殼計(jì)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(dāng)球殼厚度取δ=30mm，支柱與球殼連接焊縫單邊長(zhǎng)度取LW=2600mm時(shí)，經(jīng)計(jì)算a點(diǎn)應(yīng)力水平狀態(tài)一見(jiàn)表一：

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

當(dāng)球殼厚度取δ=30mm，支柱與球殼連接焊縫單邊長(zhǎng)度取LW=3000mm時(shí)，經(jīng)計(jì)算a點(diǎn)應(yīng)力水平狀態(tài)二見(jiàn)表二：

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

當(dāng)球殼厚度取δ=32mm，支柱與球殼連接焊縫單邊長(zhǎng)度取LW=2600mm時(shí)，經(jīng)計(jì)算a點(diǎn)應(yīng)力水平狀態(tài)三見(jiàn)表三：

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

通過(guò)對(duì)力學(xué)模型的分析及對(duì)計(jì)算公式中對(duì)應(yīng)變量的分析可知，在給定工況下，該局部應(yīng)力主要由剪切應(yīng)力決定，而剪切應(yīng)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(zhǎng)度。對(duì)于a點(diǎn)的應(yīng)力校核，同時(shí)做組合應(yīng)力的校核。組合應(yīng)力為剪切應(yīng)力與緯向應(yīng)力之和。設(shè)計(jì)時(shí)分別做操做狀態(tài)與液壓試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力校核。只有在組合應(yīng)力校核滿足一定的設(shè)計(jì)余量時(shí)，才能保證支柱的安全性。

4.總結(jié)

在球殼的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到球罐整體造價(jià)的經(jīng)濟(jì)型因素，為了控制a點(diǎn)的局部應(yīng)力，不會(huì)無(wú)限制增加局部球殼的壁厚。當(dāng)球殼壁厚確定后，支柱下部與球殼的連接處，我們通過(guò)采用不同的型式（如圖一所示）來(lái)增加連接焊縫的單邊長(zhǎng)度來(lái)降低a點(diǎn)應(yīng)力。

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