浅谈球罐a点应力状态与控制措施

李杰

摘  要：压力容器在石油、石化、化工及过程医药等行业起着非常重要的作用。其中A3类球形储罐作为一种带压的储存容器，在很多石油、石化、化工及过程医药厂区普遍使用。球形储罐相比其他储罐，球壳受力状况较好且相同容积下球壳表面积最小，质量轻。但由于结构特殊，在制造、安装方面有一定的难度，技术要求相对较高。球罐设计时有不同的重要控制点，其中支柱与球壳板的连接处就是其中的一个。支柱与球壳板连接最低点用a点表示，该点处的受力状况比较复杂，影响因素与控制措施有多种。本文从实际的工程实践出发谈谈自己的一些观点。

關键词：球形储罐;a点应力;影响因素;控制措施

1.设备概述

在2021年设计的某项目中，独立完成了一台650立液化烃球罐的设计。该球罐的壳体直径为φ10700mm，设备总高度约为13750mm。操作压力0.6Mpa，操作温度35℃，设计压力1.625Mpa，设计温度最高50℃，最低-25℃。介质组分为丙烷与丁烷混合物，介质毒性程度为轻度，为易燃易爆危险介质。

液化烃球罐做为全厂生产物料的存储设备，其重要性、安全性不言而喻。由于球罐结构的独特性，给球壳支撑结构的设计也带来了一定的难度。支撑型式的选择与设计对于球罐的安全可靠性起着非常重要的作用，亦是设计考虑的重要要素之一。本文就从球罐的支撑型式着手，通过计算、分析支柱与球壳连接处的受力状态及应力产生因素、应力控制措施等方面，浅谈球罐支撑型式的选型设计。

2.球罐的支撑型式及特点

球罐柱式支撑包括赤道正切柱式支撑、V型柱式支撑和三合一柱式支撑。本文主要分析对象为正切式柱式支撑结构。柱式支撑结构分为单段式支柱与双段式支柱。单段式支柱由一根圆管或由钢板卷制而成的圆筒组成，其上端在制造厂加工成与球壳相接的圆弧状。双段式支柱一般用于直径较大或者低温材料制的球罐，对于直径较大的球罐，双段式支柱可以很好的改善支柱与球壳连接处的低点应力水平状况。双段式支柱上端材料与球壳相同，在制造厂内与球壳板提前预制完成，下段支柱材料可采用普通材料。柱式支柱顶部与球壳的连接型式分为平板式、半球式和椭圆式三种，支柱下部与球壳的连接型式有直接连接、加托板、U形柱和翻遍四种。

不论单段式支柱还是双段式支柱，支撑罐体重心高，稳定性差，但是受力均匀，弹性好，能承受热膨胀的变形，施工简单易调整，现场操作和检维修也方便，适用于多种规格的球罐。

3.球罐支柱的受力分析

支柱与球壳连接处的受力情况较为复杂，准确的概括应为局部应力范围。查阅相关标准与资料，其中对支柱受力情况作了相应的力学模型的简化，得出较为符合支柱受力的计算公式。其中，受力情况最为复杂的地方为支柱下边沿与球壳的连接部位即球壳a点处的受力情况。

通过对力学模型的分析，支柱承受由球壳产生的压缩应力。压缩应力取操作状态下重力载荷加最大弯矩产生的垂直载荷与液压试验状态下压缩应力的较大者。同时承受由切向力产生的外力矩。外力矩与压缩应力共同作用于支柱，导致球壳a点处承受较大的应力。通过改变不同设计参数，得出如下液化烃球罐a点受力的计算分析数据。

在球罐的设计条件下，16MnDR设计温度下许用应力为[σ]t=174MPa，常温屈服点σs=295MPa。球壳支柱a点处的剪切应力，操作状态下表示为τ0，水压试验状态下表示为τT。球壳支柱a点处的纬向应力，操作状态下表示为σ01，水压试验状态下表示为σT1。a点处组合应力σ0a=σ01+τ0。水压试验状态下a点组合应力σTa=σT1+τT。

通过计算得，球壳计算厚度最大为26.344mm，加上板材偏差与腐蚀裕量圆整取球壳厚度为δ=30mm。当球壳厚度取δ=30mm，支柱与球壳连接焊缝单边长度取LW=2600mm时，经计算a点应力水平状态一见表一：

校核a点组合应力：操作状态下a点组合应力σ0a=174.84>[σ]t=174MPa，校核不合格。水压试验状态下a点组合应力σTa=218.21<0.9σs =0.9x295=265.5MPa，校核合格。

当球壳厚度取δ=30mm，支柱与球壳连接焊缝单边长度取LW=3000mm时，经计算a点应力水平状态二见表二：

校核a点组合应力：操作状态下a点组合应力σ0a=173.48<[σ]t=174MPa，校核合格。水压试验状态下a点组合应力σTa=217.34<0.9σs =0.9x295=265.5MPa，校核合格。

当球壳厚度取δ=32mm，支柱与球壳连接焊缝单边长度取LW=2600mm时，经计算a点应力水平状态三见表三：

校核a点组合应力：操作状态下a点组合应力σ0a=162.74<[σ]t=174MPa，校核合格。水压试验状态下a点组合应力σTa=203.1<0.9σs =0.9x295=265.5MPa，校核合格。

通过对力学模型的分析及对计算公式中对应变量的分析可知，在给定工况下，该局部应力主要由剪切应力决定，而剪切应力主要由两方面的因素控制。一是局部球壳的有效厚度，二是球壳与支柱连接焊缝的单边长度。对于a点的应力校核，同时做组合应力的校核。组合应力为剪切应力与纬向应力之和。设计时分别做操做状态与液压试验状态时的应力校核。只有在组合应力校核满足一定的设计余量时，才能保证支柱的安全性。

4.总结

在球壳的实际设计过程中，考虑到球罐整体造价的经济型因素，为了控制a点的局部应力，不会无限制增加局部球壳的壁厚。当球壳壁厚确定后，支柱下部与球壳的连接处，我们通过采用不同的型式（如图一所示）来增加连接焊缝的单边长度来降低a点应力。

参考文献

[1]中国国家标准化管理委员会.《压力容器》GB/T150.1～4-2011

[2]GB/T12337-2014 《钢制球形储罐》

[3]李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].新华出版社.2006

[4]中国国家标准化管理委员会.《锅炉和压力容器用钢板》GB/T713-2014

[5]郑津洋，董其武，桑芝富，《过程设备设计》.化学工业出版社。2010，6