应力分析在球罐设计上的应用
1，常规设计
球罐支柱与球壳相接处的局部区域，受力状态特别复杂，应力数值高，变化梯度大，是整个球罐中的高应力区，支柱与球壳连接焊缝的最低点（A点）是重点应力校核部位。常规设计对球罐的计算以及对A点的校核，主要采用公式法，详见GB/T 12337-2014《钢制球形储罐》中的6.11.3节（A点的应力校核），计算要求纬向应力和剪切应力的组合应力，小于材料的许用应力，才能满足评定要求。由此可看出，该评定准则为弹性失效准则，不允许出现塑性变形，一旦出现塑性变形，就认为球罐已失效，该方法主要应用材料力学和薄膜理论简化公式，安全系数较大，应力评定采用第一强度理论，对应力不进行分类，设计人员一般都是在此计算基础上，考虑腐蚀裕量和材料负偏差，再进行厚度圆整，往往还要再增加2-3mm的安全余量。实际上，在球壳板壁厚方向上，存在多个纬向应力和剪切应力的组合，纬向应力和剪切应力的最大点，不一定同时在一个位置出现，而且有时盖板与球壳板的连接处的应力强度也会出现最大值，仅仅评定A点的应力值是不够的，详见图1所示。
2，分析设计
分析设计对球罐整体和局部的计算，不同于常规设计，除了材料的安全系数降低以外（抗拉强度安全系数，常规设计取2.7，分析设计取2.4），更重要的是计算方法的进步，分析设计方法放弃了传统的“弹性失效”准则，而采用以极限载荷、安定荷载和疲劳寿命为主的“塑性失效”与“弹塑性失效”准则，允许结构出现可控制的局部塑性变形，允许对峰值应力部位作有限寿命的设计。分析设计方法根据导致结构破坏的性质不同而对应力进行分类，对各类应力取不同的许用值进行限制，虽然取较低的安全系数，但不降低设计的安全可靠性。通过应力分析的计算，确定支柱与球壳板连接处的应力分布情况区别对待，该薄则薄，该厚则厚，很多大型球罐，可以根据应力状态的不同，采用不等壁厚的球壳板，以便充分降低材料费用，比如分5带的大型球罐，上寒带和上温带的壁厚与赤道带的壁厚往往是不同的。分析设计中对球罐耐压试验的校核，不仅是球壳板的最大总体薄膜应力的校核，而且还包含一次薄膜加一次弯曲应力强度SII的校核，相比常规设计更加安全。
利用应力分析法设计球形储罐，不但可降低成本，节约材料，提高市场竞争力，而且计算方法比常规设计更可靠、计算准确率更高，可对不同工况、不同的危险部位进行实际应力分析，做到设计更合理。对压力较高，直径较大的球罐而言，分析设计是很好的选择。球形储罐的整体应力分析设计，是目前国内外发展的趋势，已逐渐被业主认可，3000m3丙烯球罐在同样的设计条件下，采用常规设计需球壳板壁厚48mm，而使用分析设计球壳板壁厚45mm就能满足要求。对于3000m3的球罐，每减少1mm壁厚，就能减少8吨的重量，降低了材料的使用和制造费用，特别是存在罐区的情况下，建造成本的控制效果会非常明显。像球罐这种大型设备，只要不是刚度决定壁厚的情况下，采用应力分析技术对球罐进行整体分析设计，并采用分析设计标准进行评定，对项目投标报价很具优势。面对激烈的市场竞争，球罐采用整体分析设计将成为一种常态。应力分布详图见图2所示。
