球罐设计要点讨论

张诚

摘 要：文章讨论了球罐的形式、用途、各种形式球罐的优缺点，球壳板设计要点，球罐设计时应考虑的载荷，球罐设计中应校核的数据，球罐材料用各种钢板优缺点。

关键词：球罐；形式；设计；载荷；材料

1 球形容器简介

球形容器在石油、化工、冶金、城市煤气等工业领域被广泛应用于储存液化石油气、液化天然气、液氨、液氮、液氢、液氧、天然气、城市煤气、压缩空气等物料，在原子能发电站作核安全壳，在造纸厂用作蒸煮球，在化工行业作反应器等，我们把用于储存液体和气体物料的球形容器称为球形储罐。

球形储罐壳体受力均匀，在相同直径和相同工况下，球形容器的薄膜应力仅为相同厚度圆筒形容器环向应力的一半，相应承压能力强，且相同容积下球壳表面积最小，质量轻，球罐占地面积小，且可向空间高度发展，有利于地表面积的利用，由于这些特点，再加上球罐基础简单、受风面小、外观漂亮，可用于美化工程环境等原因，使球罐的应用得到了很大发展。但因球形储罐容积大，需制造厂成型球壳板，安装单位现场组装焊接，制造安装有一定难度，技术要求相对较高。

2 球形容器形式

球形储罐形式多样，从壳体的层数看，有单层和双重壳球罐；从支撑方式看，有柱式和裙式；从球壳板结构形式分，有桔瓣式、足球瓣式和混合式。

桔瓣式是先用纬线将球壳切割成球带，再以相邻两条经线将球带分割成球壳板，这种分瓣法叫桔瓣式分瓣法。其特点是球壳的拼装焊缝规则、施工组装较简便。缺点是各带因位置不一，球壳板尺寸规格多，只能在本带或上下对称带之间互换，原材料利用率低，焊缝较长。

足球瓣式是将球体沿经纬方向切割，每块球壳板的结构尺寸完全相同，互换性好，下料成型规格化，材料利用率高，拼装焊缝长度短，相应检测工作量亦小。缺点是球壳板交接处有Y型焊缝，焊缝布局复杂，施工组装困难，对球壳板的精度要求高。

混合式兼备了桔瓣式和足球瓣式两者的特点，是将球壳除极板采用足球瓣式外，其余均采用桔瓣式球壳板。相对桔瓣式而言，混合式的优点是材料利用率较高，焊缝长度有所缩短，球壳板数量减少，故特别适用于大型球罐。缺点是因具有两种形式的球壳板，组装校正较麻烦，仍有Y型接缝，制造精度要求高。例如我厂临港工程6000m3丁二烯球罐的分瓣方式就采用了混合式，从而使球壳板总数大大减少，焊缝总长也大大缩减。

3 球壳板设计要点

3.1 球壳板的几何尺寸应尽可能大

球罐的破裂事故，绝大多数都发生在焊接接头处，缩短球壳的焊缝长度是提高球罐质量及安全可靠性的关键措施之一。缩短焊缝长度的根本途径是加大球壳板尺寸，选择最佳的球壳分带数和各带分块数，从而使安装、焊接、检测工作量相应减少。

3.2 选择合适的钢板规格，提高板材利用率。

3.3 规格要少，互换性要好。

3.4 相邻带纵焊缝一个相互错开。

3.5 焊缝布局应均匀，减少装配应力、拘束应力与残余应力。

3.6 必须考虑压机及起重能力。

4 球罐设计

设计压力和设计温度的取值同普通压力容器，但球壳计算时需计入液柱静压力，腐蚀裕量取不小于1mm。

4.1 球罐设计时应考虑以下载荷

（1）压力；（2）液体静压力；（3） 球罐自重（包括附件）以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；（4）附属设备与隔热材料、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。

球罐因结构的对称性和形状特点，质量可近似地集中于球壳中心，故球罐可视为单自由度体系。因为球罐在振动情况下按剪切型振动，即结构在水平力作用下，整个体系会产生平移，球罐本身不发生偏转，所以求解球罐在水平力作用下的位移便可转化为求支柱在该力作用下的位移问题。风力及地震力等水平力的合力Fmax通过球心，该合力在赤道平面上由几根支柱分担，各支柱受力可能不同，但其合力一定是水平力Fmax。当支柱在水平力Fmax作用下发生位移时，拉杆将被拉长或压短，从而限制了支柱的位移。支柱的地脚螺栓使其底部不产生水平位移及转角，即相当于固定端支承，支柱便相当于悬臂梁。当支柱底板与基础的摩擦力Fs大于或等于拉杆作用在支柱上的水平力Fc时，理论上球罐不需要设置地脚螺栓，但为了固定球罐位置，规定应设置一定数量的定位地脚螺栓。

4.2 球罐设计中应校核的数据如下

（1）设计温度下球壳的计算应力；（2）操作状态下和液压试验状态下的支柱稳定性；（3）地脚螺栓的螺纹小径；（4）底板厚度；（5）拉杆螺纹小径；销子直径；耳板厚度；翼板厚度；耳板与支柱的焊缝强度；拉杆与翼板的焊缝强度；（6）操作状态下和液压试验状态下支柱与球壳连接最低点a的应力；（7）支柱与球壳连接焊缝的强度校核。

4.3 球罐材料

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使用。根据目前国内设计、制造、组焊及检验的水平看，重点制造、组焊球罐的单位已具备了较高的专业化水平，因此，材料问题已成为球罐的关键问题，直接影响着我国球罐的安全使用。

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。

压力容器用钢板种类繁多，国产碳素钢和低合金钢钢板用于球罐的钢板仅有20R、16MnR、15MnNbR、16MnDR、07MnCrMoVR和07MnNiMoVDR六個钢种。其中15MnNbR比16MnR含碳量略低（C≤0.18%）并添加了Nb（0.01～0.04%），极细化了晶粒又产生了弥散强化的效果，钢的强度和韧性指标均优于16MnR，也优于日本的SPV355，该钢种厚板力学性能稳定，性能价格比相对较高。例如我厂临港工程6000m3丁二烯球罐的球壳板材料就选用了15MnNbR，从而减小了壳体厚度，在保证安全型的前提下节约了材料，节省了资金。