论文部分内容阅读
摘要：近几年来，随着我国石油、化工等工业的开发，球形储罐作为储存气体或液化气体的压力容器，有了迅速的发展。我院随着市场的开发和竞争，也在这方面有了很大的进步。98年曾在牙哈凝析气田地面建设中设计两台1000m3液化石油气储罐，运行很好。以后陆续又给吉拉克油田设计了2台2000m3液化石油气储罐。近年来又为山东、鞍山等地设计了1000m3～3000m3的球罐，这些球罐的设计为我院今后球罐设计大型化发展打下了坚实的基础。下面就从几个方面谈谈球形储罐的设计。
关键词：球罐设计选材结构
1.概述
球形储罐是一种储存气体、液体或液化气体的压力容器，由于与同容量的其它储罐相比，具有
表面积少、板厚小、消耗钢材少、重量轻、制造方便、施工周期短、占地面积少、维修方便等优点，已被广泛地应用于石油、化工等各个领域。随着工厂规模及设备处理能力向大型化发展，贮存气、液介质的压力容器也趣向大型化，球罐在容器大型化发展方面具有独特的优越性。
球罐也是比较特殊的压力容器。须在现场组装、焊接。具有球壳焊缝长、焊接条件差且焊缝质量要求高、球罐体积大等特点，一旦失效其危害性也大。因此球罐的设计，在选材和结构方面非常重要。
2.球罐的选材
球罐是压力容器的一种结构型式，因而在选材的基本要求方面与压力容器相同，球罐选材必须符合GB150《压力容器》的规定，球罐用钢的选择是在满足强度的前提下，应保证有良好的成型性，优良的焊接性能，足够好的缺口韧性值和长期可靠的使用性能。选择球罐用钢应考虑球罐的使用条件（如设计温度、设计压力、物料特性等）、材料的焊接性能、球罐的制造工艺和组焊要求以及经济合理性。球罐用钢是球罐制造和设计的主要参数，材料是球罐设计制造的基础，材料的性能和质量的优劣直接影响着球罐的质量和安全作用，因而对材料提出了特殊要求。
2.1.为了控制球壳厚度，要求材料具备一定的强度级别。随着板厚增加，材料综合力学性能不够稳定，焊接质量及热处理难以保证，因此选中厚板较好。
2.2.除强度指标外，韧度指标和可焊性，对球罐而言尤为重要。材料韧度好，可避免球壳产生裂纹，防止快速断裂，提高球罐安全性能。
2.3.由于大量的双曲面球瓣须在现场组装、焊接，因此材料的可焊性也是选材原则之一。
2.4.优良的抗H2S应力腐蚀性能。
2.5.钢板具有良好的塑性变形后还能保持完善的综合力学性能。
2.6.由于钢材价格占整个球罐造价比重很大，其经济性也应加以权衡。
2.7.有配套的锻件和焊材。
3.球壳的结构设计及分带原则
3.1.常用球壳结构有以下三种：
3.1.1.足球瓣式球壳设计
足球瓣式球壳划分和足球一样，所有球壳板大小相同。优点是每块球壳板尺寸相同、下料成型规格化、材料利用率高、互换性好、组装焊缝较短、焊接及检验工作量小；缺点是焊缝布置复杂、施工组装困难、对球壳板的制造精度要求高，由于受钢板结构及自身结构的影响，足球瓣式结构一般只适用于制造容积小于120m3的球罐。（图1）
3.1.2.橘瓣式球壳设计
橘瓣式球壳的划分就像西瓜皮，是一种最通用的型式。优点是布置简单、焊缝较为规则、组装容易、施工方便、结构灵活。可设计成不同球心夹角的分带和分块，以满足结构和制造工艺的要求；缺点是由于球片在各带位置尺寸大小不一，只能在本带内或在上、下对称带之间进行互换，下料成型较复杂，原材料利用率低。适用于任何大小的球罐。（图2）
3.1.3.混合式球壳的设计
混合式球壳，其赤道带和温带采用橘瓣式，极板采用足球瓣式。由于此结构具有橘版式
和足球瓣式两种结构形式的优点，所以材料利用率高，焊缝长度缩短，球壳板数量减少。特别适合于大型球罐。（图3）
这三种结构各有优缺点，工程中可根据罐容积的大小、材料、介质等决定结构。
3.2.球壳分带设计原则：，
3.2.1.球瓣设计尺寸应尽可能大；
3.2.2.选择合适的钢板规格，提高板材的利用率；
3.2.3.规格要少，互换性要好；
3.2.4.相邻带纵焊逢应相互错开；
3.2.5.焊缝布局应均匀，减少装配应力，拘束应力和残余应力；
3.2.6.必须考虑压机及起重机的能力；
3.2.7.球罐焊缝总长要尽量短，减少焊接，最小板500mm。
4.球罐支承结构设计
4.1.支柱结构设计
标准中采用的是赤道正切柱式支柱主要有以下四种：
4.1.1.直接连接结构型式（图4）对于大型及常温球罐可采用此结构。
4.1.2.加托板的连接结构型式（图5）支柱与球壳连接部下端，由于夹角小，间隙狭窄难以施焊，采用此种结构，以弥补难以施焊而削弱的部分。用于低温球罐，与球壳连接的支柱材料科与壳体相同，避免产生温度梯度，应用较广泛。
4.1.3.U形柱的连接结构型式（图6）这种结构即避免了支柱与球壳连接部下端由于夹角小而造成焊接的困难，又保证了支柱与球壳焊接质量的可靠性，U形柱由钢板弯制，还特别适合于球罐对支柱材料的要求。
4.1.4.支柱翻边结构型式（图7）它不但解除了连接部下端施焊困难，确保了焊接质量，对该部位的应力也有所改善。
4.2.拉杆结构设计
4.2.1.可调式拉杆。采用圆钢加工而成，拉杆与支柱采用销钉连接，两根拉杆立体交叉处应留间隙，不得焊死（图8），拉杆张紧程度应均匀，拉力不易过大。日常球罐运装中应注意液体进出时，冬夏温差和小地震引起的栏杆松动，及时调节松紧。
4.2.2.固定式拉杆。一般采用钢管。拉杆与拉杆的交叉处采用固定板焊接结构或直接焊接结构（图9），固定式拉杆的优点：制造简单，施工方便，由于拉杆可承受拉伸和压缩载荷，大大提高了支柱承载能力。
5.结论
压力容器制作成球形结构，在理论上有两个优点，第一，在相同的内压力作用下，直径和板厚相同的球瓣薄膜应力仅为圆柱形容器周向膜应力的一半，第二，在板材面积相同的条件下，球罐的容积大于一般圆柱形容器，节约大量钢材。随着球罐各种规范的不断建立、新材料不断开发、焊接、制造商、安装检验技术的不断进步，球罐也正向着应用范围广、高参数的方向发展，其中最为突出的还是球罐容积大型化。
参考文献：
[1]《球罐和大型储罐》化工设备设计全书
[2]《钢制球形储罐》GB12337-1998 中国标准出版社
[3]《圆筒形金属油罐设计规范》潘家华. 石油工业出版社.
作者简介：
邢志涛 （1986-），辽宁盘锦人 现从事压力容器及非标设备设计工作。
关键词：球罐设计选材结构
1.概述
球形储罐是一种储存气体、液体或液化气体的压力容器，由于与同容量的其它储罐相比，具有
表面积少、板厚小、消耗钢材少、重量轻、制造方便、施工周期短、占地面积少、维修方便等优点，已被广泛地应用于石油、化工等各个领域。随着工厂规模及设备处理能力向大型化发展，贮存气、液介质的压力容器也趣向大型化，球罐在容器大型化发展方面具有独特的优越性。
球罐也是比较特殊的压力容器。须在现场组装、焊接。具有球壳焊缝长、焊接条件差且焊缝质量要求高、球罐体积大等特点，一旦失效其危害性也大。因此球罐的设计，在选材和结构方面非常重要。
2.球罐的选材
球罐是压力容器的一种结构型式，因而在选材的基本要求方面与压力容器相同，球罐选材必须符合GB150《压力容器》的规定，球罐用钢的选择是在满足强度的前提下，应保证有良好的成型性，优良的焊接性能，足够好的缺口韧性值和长期可靠的使用性能。选择球罐用钢应考虑球罐的使用条件（如设计温度、设计压力、物料特性等）、材料的焊接性能、球罐的制造工艺和组焊要求以及经济合理性。球罐用钢是球罐制造和设计的主要参数，材料是球罐设计制造的基础，材料的性能和质量的优劣直接影响着球罐的质量和安全作用，因而对材料提出了特殊要求。
2.1.为了控制球壳厚度，要求材料具备一定的强度级别。随着板厚增加，材料综合力学性能不够稳定，焊接质量及热处理难以保证，因此选中厚板较好。
2.2.除强度指标外，韧度指标和可焊性，对球罐而言尤为重要。材料韧度好，可避免球壳产生裂纹，防止快速断裂，提高球罐安全性能。
2.3.由于大量的双曲面球瓣须在现场组装、焊接，因此材料的可焊性也是选材原则之一。
2.4.优良的抗H2S应力腐蚀性能。
2.5.钢板具有良好的塑性变形后还能保持完善的综合力学性能。
2.6.由于钢材价格占整个球罐造价比重很大，其经济性也应加以权衡。
2.7.有配套的锻件和焊材。
3.球壳的结构设计及分带原则
3.1.常用球壳结构有以下三种：
3.1.1.足球瓣式球壳设计
足球瓣式球壳划分和足球一样，所有球壳板大小相同。优点是每块球壳板尺寸相同、下料成型规格化、材料利用率高、互换性好、组装焊缝较短、焊接及检验工作量小；缺点是焊缝布置复杂、施工组装困难、对球壳板的制造精度要求高，由于受钢板结构及自身结构的影响，足球瓣式结构一般只适用于制造容积小于120m3的球罐。（图1）
3.1.2.橘瓣式球壳设计
橘瓣式球壳的划分就像西瓜皮，是一种最通用的型式。优点是布置简单、焊缝较为规则、组装容易、施工方便、结构灵活。可设计成不同球心夹角的分带和分块，以满足结构和制造工艺的要求；缺点是由于球片在各带位置尺寸大小不一，只能在本带内或在上、下对称带之间进行互换，下料成型较复杂，原材料利用率低。适用于任何大小的球罐。（图2）
3.1.3.混合式球壳的设计
混合式球壳，其赤道带和温带采用橘瓣式，极板采用足球瓣式。由于此结构具有橘版式
和足球瓣式两种结构形式的优点，所以材料利用率高，焊缝长度缩短，球壳板数量减少。特别适合于大型球罐。（图3）
这三种结构各有优缺点，工程中可根据罐容积的大小、材料、介质等决定结构。
3.2.球壳分带设计原则：，
3.2.1.球瓣设计尺寸应尽可能大；
3.2.2.选择合适的钢板规格，提高板材的利用率；
3.2.3.规格要少，互换性要好；
3.2.4.相邻带纵焊逢应相互错开；
3.2.5.焊缝布局应均匀，减少装配应力，拘束应力和残余应力；
3.2.6.必须考虑压机及起重机的能力；
3.2.7.球罐焊缝总长要尽量短，减少焊接，最小板500mm。
4.球罐支承结构设计
4.1.支柱结构设计
标准中采用的是赤道正切柱式支柱主要有以下四种：
4.1.1.直接连接结构型式（图4）对于大型及常温球罐可采用此结构。
4.1.2.加托板的连接结构型式（图5）支柱与球壳连接部下端，由于夹角小，间隙狭窄难以施焊，采用此种结构，以弥补难以施焊而削弱的部分。用于低温球罐，与球壳连接的支柱材料科与壳体相同，避免产生温度梯度，应用较广泛。
4.1.3.U形柱的连接结构型式（图6）这种结构即避免了支柱与球壳连接部下端由于夹角小而造成焊接的困难，又保证了支柱与球壳焊接质量的可靠性，U形柱由钢板弯制，还特别适合于球罐对支柱材料的要求。
4.1.4.支柱翻边结构型式（图7）它不但解除了连接部下端施焊困难，确保了焊接质量，对该部位的应力也有所改善。
4.2.拉杆结构设计
4.2.1.可调式拉杆。采用圆钢加工而成，拉杆与支柱采用销钉连接，两根拉杆立体交叉处应留间隙，不得焊死（图8），拉杆张紧程度应均匀，拉力不易过大。日常球罐运装中应注意液体进出时，冬夏温差和小地震引起的栏杆松动，及时调节松紧。
4.2.2.固定式拉杆。一般采用钢管。拉杆与拉杆的交叉处采用固定板焊接结构或直接焊接结构（图9），固定式拉杆的优点：制造简单，施工方便，由于拉杆可承受拉伸和压缩载荷，大大提高了支柱承载能力。
5.结论
压力容器制作成球形结构，在理论上有两个优点，第一，在相同的内压力作用下，直径和板厚相同的球瓣薄膜应力仅为圆柱形容器周向膜应力的一半，第二，在板材面积相同的条件下，球罐的容积大于一般圆柱形容器，节约大量钢材。随着球罐各种规范的不断建立、新材料不断开发、焊接、制造商、安装检验技术的不断进步，球罐也正向着应用范围广、高参数的方向发展，其中最为突出的还是球罐容积大型化。
参考文献：
[1]《球罐和大型储罐》化工设备设计全书
[2]《钢制球形储罐》GB12337-1998 中国标准出版社
[3]《圆筒形金属油罐设计规范》潘家华. 石油工业出版社.
作者简介：
邢志涛 （1986-），辽宁盘锦人 现从事压力容器及非标设备设计工作。