压力容器仿真：球形储罐常规和分析设计审核经验（附视频教程）

话说刚上班那年，遇到一个非常棘手的项目，一台高大的塔器，顶部挂再沸器，再沸器支架承受载荷非常大，施工队和吊车已经进场，等着吊装，听说吊车每天的费用要10万元，如果再沸器支架和埋板计算耽误一天，吊车就要等一天，就要花销一天的费用，领导非常着急，让我尽快完成应力的计算，当时要完成支架和埋板以及壳体局部应力的计算，这个任务对当时的我来说有点亚历山大，虽然我是学习应力分析出身，毕竟刚毕业，当时对应力的评定就拿不准了，到底怎么评定，到底行不行，大家都把目光投向了我……

所幸，经过反复的思考琢磨，我终于把问题解决了，顺利完成了任务，现在再回头看这个计算，也是非常值得借鉴的，处理的也比较好。

本文以某炼油项目球形储罐为例，对球形储罐的设计、选材、结构形式、应力计算等进行分析阐述，并和常规设计进行比较，通过应力分析计算，在保证该球形储罐安全可靠的前提下，降低球壳板壁厚。

二、球形储罐常规和分析设计

利用应力分析方法设计球形储罐，不但可以降低成本，节约材料，提高竞争力，而且计算方法要比常规设计更可靠，更安全，计算准确率更高，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,更完善。对压力较高，直径较大的球罐来说，利用应力分析设计是很好的选择方法。球形储罐的整体应力分析设计，是目前国内外发展的趋势，也逐渐被业主认可，本文主要对某炼油项目某球罐的设计、选材、结构形式、应力分析计算等方面进行分析阐述。

1、设计参数的确定

（1）设计压力

固定式液化石油气储罐的设计压力应不低于50℃时混合液化石油气组分的实际饱和蒸气压，丙烯（C3H6）在50℃时混合液化石油气组分的实际饱和蒸汽压为2.05 MPa，设计压力必须与相应的设计温度作为设计载荷条件，且应注意到容器在运行中可能出现的各种工况，并以最苛刻的工作压力与相应温度的组合工况来确定容器的设计压力。

（2）设计温度

容器在正常工作情况下，设定的元件金属温度，丙烯常压下沸点是-47.7℃，设计温度不一定是常压下的沸点，因为一般不会降到那么低，现在很多盛装介质为液化气的球罐按低温容器设计主要是以下特殊工况：安全阀排放时，或不适当的料液排放时，由焦尔-汤姆逊效应使得气体温度骤降，当安全阀或排料阀关闭后，压力迅速升高，然而温度不能很快同步恢复到正常的操作温度，进而使设备部分壳体出现低温、高压的极限运行工况，而可能发生低温脆断事故，对盛装液化气体的球罐，应将可能达到的最高温度或最低温度定为设计温度，提高球罐整体的安全裕度。

为此，该项目中的丙烯球罐设计压力为2.16Mpa(顶部)，设计温度取为50~-50℃，按低温设计。球罐设计参数如表1所示：结构形式如图1所示。

表 1丙烯球罐设计参数

2、材料选择

球罐用钢选择主要从两方面考虑：一是技术性和安全性，即加工及使用性能，在满足强度要求的前提下，应具有良好的成型性，优良的焊接、热处理性，足够高的缺口韧性值和长期可靠的使用性能；二是经济性，即应在确保安全的前提下经济合理，因为钢材的价格在球罐投资上占有较大的比例，对球罐用钢提出过高的要求，势必会增加成本，难以保证经济性。进入21世纪以后，根据国家标准GB12337-2014《钢制球形储罐》规定，球罐用材可选Q245R、Q345R、Q370R、15MnNiDR、16MnDR、09MnNiDR、07MnNiMoDR等。

压力容器钢板 07MnNiMoDR主要应用于大型储油罐、大型球罐和采油平台等大型工程的建设。07MnNiMoDR调质高强钢采用了多元微合金化处理、钢液真空处理、夹杂物变性处理和钢板低速大压下轧制及控轧控冷等多项新工艺、新技术。在保证钢具有高纯净度、高强度、高韧性和良好焊接性能的基础上，通过焊前对母材进行合理的调质处理，达到满足低焊接裂纹敏感性要求。07MnNiMoDR钢因其力学性能及其稳定性好，国内大部分设计、制造和组焊单位已掌握其特性，在低温球罐用钢中具有成熟的经验，但对贮存液化石油气介质中的硫化氢含量有较严的要求。舞阳钢厂的07MnNiMoDR钢是按照GB19189-2011《压力容器用调质高强度钢板》标准组织生产，并且进一步降低了磷、硫含量。供货规格厚度8-60mm，宽度1500-3800mm，长度6000-18000mm。焊接裂纹敏感性组分Pcm<=0.21，炲炼方法：电炉精炼+炉外精炼+真空处理。交货状态：调质。壳体用钢板超声波探伤符合JB/T4730.3逐张进行超声波检测，I级合格。使用温度范围：-50℃~200℃。

综上所述，在设计选材时，决定该炼油项目球罐壳体板采用07MnNiMoDR，锻件采用与之匹配的10Ni3MoVD。

图1：结构形式详图

3、结构设计

（1）球罐支柱数和球心角的确定

球壳结构形式主要分为足球瓣式、桔瓣式和混合式3种。

• 足球瓣式球罐球壳用均分法划分，每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化，材料利用率高且互换性好，组装焊接接头较短，焊接检验工作量小，但焊接接头布置复杂，施工组装困难，对球壳板的制造精度要求高。

• 桔瓣式球壳像桔子瓣(或西瓜瓣)，焊接接头布置简单，组装容易，球壳板制造简单，但材料利用率低，对接焊缝总长度长，检验工作量大。

• 混合式球罐的球壳组成是：赤道带和温带采用桔瓣式，极板采用足球瓣式。它集中了桔瓣式和足球瓣式两种结构的优点，在国外已被广泛采用，从国外引进的球罐大量采用了该结构。

本次设计的球罐采用混合式的结构，球壳内直径φ18000mm，根据GB/T17261—2011《钢制球形储罐型式与基本参数》，同时充分考虑钢板厂供货尺寸，制造厂的球片压制能力，以及安装单位现场的安装能力，最终确定采用三带10支柱混合式结构。赤道带由20瓣球壳板组成，球心角80°，上、下极带各由7瓣球壳板组成，球心角100°，球罐共有球壳板34块，其中：极中板2块，极边板4块，极侧板8块。最大板宽(弧长)为3157.3mm，最长板长(弧长)为12629.2mm，罐体焊缝总长357.18米/台。

球罐的环焊缝存在很大内应力，过长的焊缝，加大了焊接工作量，甚至会造成安全隐患。为避免焊缝过长，就要适当加大球壳板几何尺寸，最大限度地利用板宽，但要考虑国内轧机能力、钢厂钢锭的吨位、钢板的厚度、轧机宽度、能生产出来的钢板长度等因素。为此设计小组与钢厂协商，选择最佳的球壳分带数和各带分块数，规格少，互换性好，提高了板材的利用率，从而使安装、焊接、检测工作量相应减少。

（2）支柱与球壳连接结构

在支柱与球壳相接的球壳局部区域中，受力及变形相当复杂，应力数值高，变化梯度大，是整个球罐中的高应力区。支柱与球壳相焊焊缝的最低点是重点应力校核部位。支柱与球壳连接结构一般分连接处下端加翻边、U形柱和托板三种结构(见图2)。

• 翻边结构是将与球壳连接处下端的支柱翻边，增加与球壳的连接长度，并改善焊接接头的施焊情况，所以能够保证焊接质量。支柱为一体变形协调，对球壳的局部应力有所改善。但因翻边的宽度有限，且会减薄支柱管壁，对改善支柱与球壳连接最低点的应力作用不明显。

• U形柱结构是用钢板卷制成U形管与球壳连接，使支柱与球壳连接逐渐过渡，避免急剧变化，特别适合于大型球罐与支柱连接的要求。该结构制造工艺简单，施焊方便，没有工艺难点，不存在焊接死角，在三种结构中与球壳的连接长度最长，但因在实际应用中由于连接板刚度太大，球壳板容易出现开裂想象。

• 加托板结构是在球壳与支柱连接部下端加一托板，可以方便焊接，消除焊接死角。该结构制造工艺简单，不用增加带支柱赤道板厚度，改变了尖角焊缝的受力状态，使球壳板与支柱最低点焊缝由原来的点接触，改为线接触，支柱可分体运输，现场组焊方便，容易找正。这种支柱结构，焊缝全部在外表面，易于焊接，便于检验。已被大多数制造厂采用，具有比较成熟的施工经验。

支柱与球壳的连接，既要能充分地传递应力，又要求局部应力水平尽可能低，故焊缝必须具有足够的焊接长度和强度，同时要采取必要措施减少应力集中。基于以上考虑，本球罐上支柱与球壳连接结构采用赤道正切加托板结构。

4、设计方法的选择

（1）常规设计

常规设计主要采用弹性失效准则，不允许出现塑性变形，一但出现塑性变形，就认为容器已经失效，载荷为非交变载荷（静载荷），分析方法主要应用材料力学方法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。

（2）分析设计

分析设计方法，就是放弃了传统的“弹性失效”准则，而采用以极限载荷、安定荷载和疲劳寿命为界限的“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区，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危险性不同而对应力进行分类，对各类应力取不同的许用值进行应力评定，取较低的安全系数，但不降低设计的安全可靠性。搞清了应力分布情况，对症下药，该薄处薄，该厚处厚，采用分析设计一般要比采用常规设计节省材料，容器壁厚相对减薄，一般可节约材料15%~20%，特别适用于大型容器、高温高压容器及常规设计难以解决的问题，如球罐整体应力分析，容器大开孔和交变载荷下的疲劳设备等。分析设计提高了应力强度许用极限，降低了基本安全系数（对应抗拉强度的安全系数，常规设计取2.7，分析设计取2.4），同时在选材、制造、检验等方面提出了比常规设计更严格的要求，保证设备的安全运行。

5、球罐整体应力分析

本球罐的总体分析，考虑了拉杆的作用。为满足设计要求，有限元应力计算及评定考虑了整体结构及全部接管结构。上极板结构包括：1）上极球壳板，2）DN600人孔，3） DN150雷达液位计管口,4）DN50温度计管口,5）DN25压力计管口。

下极板结构包括：1）下极球壳板，2）DN600人孔；3）DN300丙烯进口管口，4）DN40温度计管口。

根据球罐整体结构特性和承载特性，在有限元模型构建中，取球罐的 1/2构建有限元模型。分别考虑自重+内压、自重+内压+风载、自重+内压+25%风载+地震及压力试验四种载荷工况进行分析计算。

6、结论

某炼油项目球罐在同样的设计条件情况下，应用常规设计需要球壳板壁厚48mm,应用应力分析设计需要球壳板壁厚45mm就能满足要求，节约材料约40多吨，降低了材料的使用和制造费用，提高了项目在市场投标中的竞争力。

三、压力容器分析设计必修课

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《压力容器分析设计必修课-球罐整体分析设计审核经验》

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（完）