详介球形储罐分类及设计_沧州力瑞管道设备有限公司
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详介球形储罐分类及设计

 

 
球罐是一种储存气体、液体(包括液化气体)的压力容器,由于它受力均匀,承载能力大,在相同的直径和工作压力下,板厚仅为圆筒形储罐的一半,且占地面积小,盛装容积大等,在各个领域广泛应用。特别是用于储存易爆和有毒的气体和液体(如液化石油气、液化天然气、化工原料、液氧、液氮、氧气、氮气、天然气、城市煤气、压缩空气)等物料。球罐的设计主要包球壳、支承结构及接管开孔补强设计等三个部分。
 
球罐设计方法及设计载荷
(1)球罐设计方法分规则设计和分析设计
规则设计依据GB 12337《钢制球形储罐》。规则设计一般是材料力学及板壳薄膜理论的简化公式为基准,再加上一些经验系数。它仅计算球壳的薄膜应力,未对球罐的特定区域的实际应力进行严格的计算,在确定许用应力时考虑相对较大的安全系数。
 
分析设计依据GB 12337 附录C 应力分析设计球罐。分析设计采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为限定条件的"塑性失效"与"弹塑性失效"为准则,允许结构出现可控制的局部塑性区,允许对峰值应力部位作有限寿命设计。对球罐各部位进行详细的应力分析和应力分类,对各类应力取不同的应力强度值进行应力评定,在不降低设备的安全性的前题下取相对较小的安全系数。
 
(2) 球罐设计载荷
设计载荷归纳为以下几个方面:
①压力;
②液柱静压力;
③球罐自重(包括内件)以及正常工作条件下或耐压试验状态下内装介质的重力载荷;
④附属设备及隔热材料、管道、支柱、拉杆、梯子、平台等的重力载荷;
⑤风载荷、地震载荷、雪载荷;
⑥支柱的反作用力;
 
需要时,还应考虑下列载荷:
⑦连接管道和其他部件的作用力;
⑧温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力;
⑨冲击载荷,包括压力急剧波动引起的冲击载荷、流体冲击引起的反力等。
球罐的分类
(1) 按介质的性质分
按介质的性质可分为储存液相介质的球罐和储存气相介质的球罐两大类。
 
(2) 按支承形式分
按支承形式可分为柱式和裙式两大类,柱式支承包括赤道正切(相割)柱式支承、V 形柱式支承和三柱合一柱式支承。裙式支承包括圆筒裙式支承、锥形支承,及用钢筋混凝土连续基础支承的半埋式支承、锥底支承。其中柱式支承中以赤道正切柱式支承在国内外应用较为普遍, GB 12337 标准选用的即为赤道正切柱式支承。赤道正切柱式支座的结构特点是:球壳由多根圆柱状的支柱在球壳赤道部位沿圆周等距离布置,支柱中心线与球壳内壁相切或近似相切(相割)。支柱支承着球罐的重量,为了更好地承受风载荷和地震载荷,保证球罐稳定性,在支柱之间设置拉杆相连接。这种支座的优点是受力均匀,弹性好,能承受热膨胀的变形,安装方便,施工简单,容易调整,现场操作和检修也方便,且适用于多种规格的球罐。缺点是重心高,稳定性较差。
 
(3) 按球壳结构形式分
按球壳结构形式分类可分为桔瓣式、足球瓣式和混合式三种。目前,国内工程中广泛采用的是桔瓣式和棍合式(赤道带、温带采用桔瓣式,上、下极带采用足球瓣式) ,且桔瓣式和混合式球壳结构列入标准,其基本参数见GB/T 17261 《钢制球形储罐型式与基本参数》。
 
球罐计算内容
(1)球壳壁厚的确定
①球壳计算压力:产生球壳应力的因素很多,储存介质的压力包括液柱静压力、球罐自重、局部外载荷、风载荷、地震载荷、雪载荷、球壳内外壁的温度差、安装与使用时的温度差以及施工等因素都会使球壳产生应力,而介质的压力包括液柱静压力是用于确定球壳各带厚度的主要载荷。
 
球壳设计中,当盛装物料为液体时,计算须计入液柱静压力。因为球壳直径较大,液柱静压力对球壳的厚度计算有较大的影响。
 
在计算液柱静压时需要计算出各计算截面处的液柱高度,该高度既可以根据装量系数K反算求得,也可参照《压力容器设计工程师培训教程》第24 章的相关内容求得。
 
②球壳壁厚计算:按内压球壳壁厚计算公式,确定球壳最终厚度时应综合考虑各工况下各种载荷对球壳的影响。
 
③球壳的稳定性验算:对于大直径、壁薄的球罐,当外载荷对其产生压应力时,尚需对球壳的稳定性进行验算,外压球壳稳定性计算按GB 150.3 第4.4 条进行。
 
(2) 支柱、拉杆计算
①载荷计算:支柱和拉杆在操作和非操作工况下都要承受多种形式的载荷,其中包括在内压及温度作用下球壳膨胀而造成的支柱弯曲,建造施工过程中出现的一些附加载荷,最主要的是球罐壳体和储存介质等重量及由地震和风引起的垂直载荷及水平载荷。
 
②支柱的稳定性校核。
 
(3) 各连接部位的强度计算
①支柱与拉杆连接部位的强度计算;
②地脚螺栓的计算;
③支柱底板的计算;
④支柱与球壳连接处的强度验算。
 
(4) 开孔及开孔补强计算
球罐开孔补强常采用整体凸缘补强和另加补强元件补强两种形式。开孔及开孔补强计算应按GB 150.3 第6章或JB 4732 第10 章的规定。
 
(5) 球罐设计校核内容及应力控制值,见下表:
 
球罐的选材原则
球罐选材不仅按其储存物料的性质、压力、温度等选用,还应考虑所选材料应具有良好的焊接性能、加工性能和热处理性能,同时还应考虑到材料的供应可靠性及经济性。
 
低、中强度钢的优点是价格较低,易获得,焊接工艺条件不苛刻,便于施工,还可以通过热处理消除焊接残余应力,有利于防止应力腐蚀,缺点是相同容积的球罐用钢材耗量大,不利于球罐大型化。高强度钢的优点是可以降低钢材的消耗量,有利于球罐的大型化,缺点是焊接工艺条件苛刻,容易产生焊接裂纹等缺陷,不易进行应力腐蚀控制。
 
一般来讲,碳素钢和低合金钢球壳厚度按刚性控制时,选用低强度钢板,如Q245R 等;球壳厚度按强度控制时,选用中、高强度钢板,如Q345R 、Q370R 、16MnDR 、15MnNiDR 、15MnNiNbDR 、09MnNiDR 、07MnMoVR 、07MnNiVDR 、07MnNiMoDR 。
 
奥氏体型钢板选用S30408 、S30403 、S31608 、S31603 。
 
球壳选材时,还应考虑整体热处理的影响和介质应力腐蚀的影响。从进行现场整体热处理方面来看:对于中、小型球罐的现场整体热处理质量容易控制,而大型球罐的现场整体热处理质量不容易控制。因此,中小型球罐球壳可以使用的钢板厚度较大,当厚度超过规定的界限时,可对球罐进行现场整体消除应力热处理。对于大型球罐,宜尽量避免现场整体热处理,故对钢板厚度有一定的限制,宜选用高强度钢材。在介质存在应力腐蚀条件时,应优先选用低强度钢,避免使用高强度钢。
 
球罐的结构设计
球罐的结构设计应包括如下内容:
①根据工艺参数的要求确定球壳结构形式;
②确定球壳的排板方法(分带、分片);
③确定球壳板的几何尺寸及坡口形式;
④支承结构的确定及计算;
⑤人孔和工艺接管的选定、布置;
⑥球罐的附件,如梯子、平台的设计。

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