球形储罐应力分析设计

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，且在相同容积下球壳表面积小，质量轻，因此球形储罐在石油、化工、煤化工、冶金、城市煤气等领域得到了广泛应用。球形储罐型式多样，从壳体的层数来看，有单层和双层壳球罐；从支承方式看，有柱式和裙式；从球壳板结构型式看，有橘瓣式、足球瓣式和混合式。

    球形储罐设计的关键是球壳板与支柱连接A点处的应力是否能通过强度评定。在以前设计球罐时一般采用常规设计方法，但在2015年2月份正式实施标准GB/T12337-2014《钢制球形储罐》中给出了常规设计和应力分析设计两种方法。相对常规设计而言，应力分析设计方法计算出来的球壳壁厚较薄，节省了材料费和制造费。在与业主和制造商交流过程中发现，球形储罐的分析设计已经得到了广泛应用，对降低球罐成本效果明显，能有效提高设计单位报价竞争力。随着EPC项目对球形储罐设计经济性和竞争优势提出越来越高的要求，球形储罐的应力分析设计也将成为以后的发展趋势。

表1 球形储罐常规设计与分析设计结果对比

球形储罐分析设计技术难点

(1) 单元的选择问题：在球形储罐有限元模型中有实体单元Solid185、壳单元Shell181、杆单元Link180，由于不同单元自由度不一样，存在自由度不协调问题，常用处理方法有约束方程法、多点约束(MPC)、刚度叠加法、复合单元法。通过计算发现多点约束(MPC)法能够很好处理不同单元自由度连接问题，实现过程简单、方便；

(2) 网格划分问题：支柱与球壳连接一般采用U形托板结构，这就会导致支柱与球壳连接处的结构特别不规则，如何进行六面体网格划分成了技术难点。网格的划分需要根据操作者的经验，先对大的体进行网格划分，再对小的体进行网格划分；不断对不规则的体进行切割，直到能都进行六面体网格划分为止；

(3) 模型网格数量较多问题：在进行网格划分时，实体单元一般采用Solid186单元，该单元有20节点，数量较多，通常会超出计算机处理能力。通过简单模型验证，研究发现4节点Solid185单元增强应变单元技术与Solid186单元求解的精度相当，最后采用Solid185单元进行网格划分，大大减少了网格数量。同时，对应力重点关注区域网格进行细化，对球壳其它区域网格划分的稀疏一些；

       (4) 计算结果收敛性与合理性问题：仔细检查模型的正确性，确保网格划分的质量，若质量不合格的网格数量较多，程序会终止计算；在对结构进行载荷与边界条件设置时，确保约束条件和载荷加载的正确性；在模型计算完成后，判断计算结果的正确性，可以通过简单的模型或理论进行验证，等等。

图1 球形储罐的有限元模型

图2 上极壳开孔有限元模型

图3 球形储罐的载荷与边界条件

图4 球罐等效应力分布云图

图5 支柱与球壳连接处应力分布云图

图6 上极壳开孔等效应力分布云图