球罐是一種儲存氣體、液體(包括液化氣體)的壓力容器，由于它受力均勻，承載能力大，在相同的直徑和工作壓力下，板厚僅為圓筒形儲罐的一半，且占地面積小，盛裝容積大等，在各個領域廣泛應用。特別是用于儲存易爆和有毒的氣體和液體(如液化石油氣、液化天然氣、化工原料、液氧、液氮、氧氣、氮氣、天然氣、城市煤氣、壓縮空氣)等物料。球罐的設計主要包球殼、支承結構及接管開孔補強設計等三個部分。
球罐設計方法及設計載荷
(1)球罐設計方法分規(guī)則設計和分析設計
規(guī)則設計依據GB 12337《鋼制球形儲罐》。規(guī)則設計一般是材料力學及板殼薄膜理論的簡化公式為基準，再加上一些經驗系數。它僅計算球殼的薄膜應力，未對球罐的特定區(qū)域的實際應力進行嚴格的計算，在確定許用應力時考慮相對較大的安全系數。
分析設計依據GB 12337 附錄C 應力分析設計球罐。分析設計采用以極限載荷、安定載荷和疲勞壽命為限定條件的"塑性失效"與"彈塑性失效"為準則，允許結構出現可控制的局部塑性區(qū)，允許對峰值應力部位作有限壽命設計。對球罐各部位進行詳細的應力分析和應力分類，對各類應力取不同的應力強度值進行應力評定，在不降低設備的安全性的前題下取相對較小的安全系數。
(2) 球罐設計載荷
設計載荷歸納為以下幾個方面：
①壓力；
②液柱靜壓力；
③球罐自重(包括內件)以及正常工作條件下或耐壓試驗狀態(tài)下內裝介質的重力載荷；
④附屬設備及隔熱材料、管道、支柱、拉桿、梯子、平臺等的重力載荷；
⑤風載荷、地震載荷、雪載荷；
⑥支柱的反作用力；
需要時，還應考慮下列載荷：
⑦連接管道和其他部件的作用力；
⑧溫度梯度或熱膨脹量不同引起的作用力；
⑨沖擊載荷，包括壓力急劇波動引起的沖擊載荷、流體沖擊引起的反力等。
球罐的分類
(1) 按介質的性質分
按介質的性質可分為儲存液相介質的球罐和儲存氣相介質的球罐兩大類。
(2) 按支承形式分
按支承形式可分為柱式和裙式兩大類，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。裙式支承包括圓筒裙式支承、錐形支承，及用鋼筋混凝土連續(xù)基礎支承的半埋式支承、錐底支承。其中柱式支承中以赤道正切柱式支承在國內外應用較為普遍， GB 12337 標準選用的即為赤道正切柱式支承。赤道正切柱式支座的結構特點是：球殼由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位沿圓周等距離布置，支柱中心線與球殼內壁相切或近似相切(相割)。支柱支承著球罐的重量，為了更好地承受風載荷和地震載荷，保證球罐穩(wěn)定性，在支柱之間設置拉桿相連接。這種支座的優(yōu)點是受力均勻，彈性好，能承受熱膨脹的變形，安裝方便，施工簡單，容易調整，現場操作和檢修也方便，且適用于多種規(guī)格的球罐。缺點是重心高，穩(wěn)定性較差。
(3) 按球殼結構形式分
按球殼結構形式分類可分為桔瓣式、足球瓣式和混合式三種。目前，國內工程中廣泛采用的是桔瓣式和棍合式(赤道帶、溫帶采用桔瓣式，上、下極帶采用足球瓣式) ，且桔瓣式和混合式球殼結構列入標準，其基本參數見GB/T 17261 《鋼制球形儲罐型式與基本參數》。
球罐計算內容
(1)球殼壁厚的確定
①球殼計算壓力：產生球殼應力的因素很多，儲存介質的壓力包括液柱靜壓力、球罐自重、局部外載荷、風載荷、地震載荷、雪載荷、球殼內外壁的溫度差、安裝與使用時的溫度差以及施工等因素都會使球殼產生應力，而介質的壓力包括液柱靜壓力是用于確定球殼各帶厚度的主要載荷。
球殼設計中，當盛裝物料為液體時，計算須計入液柱靜壓力。因為球殼直徑較大，液柱靜壓力對球殼的厚度計算有較大的影響。
在計算液柱靜壓時需要計算出各計算截面處的液柱高度，該高度既可以根據裝量系數K反算求得，也可參照《壓力容器設計工程師培訓教程》第24 章的相關內容求得。
②球殼壁厚計算:按內壓球殼壁厚計算公式，確定球殼最終厚度時應綜合考慮各工況下各種載荷對球殼的影響。
③球殼的穩(wěn)定性驗算:對于大直徑、壁薄的球罐，當外載荷對其產生壓應力時，尚需對球殼的穩(wěn)定性進行驗算，外壓球殼穩(wěn)定性計算按GB 150.3 第4.4 條進行。
(2) 支柱、拉桿計算
①載荷計算:支柱和拉桿在操作和非操作工況下都要承受多種形式的載荷，其中包括在內壓及溫度作用下球殼膨脹而造成的支柱彎曲，建造施工過程中出現的一些附加載荷，最主要的是球罐殼體和儲存介質等重量及由地震和風引起的垂直載荷及水平載荷。
②支柱的穩(wěn)定性校核。
(3) 各連接部位的強度計算
①支柱與拉桿連接部位的強度計算；
②地腳螺栓的計算；
③支柱底板的計算；
④支柱與球殼連接處的強度驗算。
(4) 開孔及開孔補強計算
球罐開孔補強常采用整體凸緣補強和另加補強元件補強兩種形式。開孔及開孔補強計算應按GB 150.3 第6章或JB 4732 第10 章的規(guī)定。
(5) 球罐設計校核內容及應力控制值，見下表：
球罐的選材原則
球罐選材不僅按其儲存物料的性質、壓力、溫度等選用，還應考慮所選材料應具有良好的焊接性能、加工性能和熱處理性能，同時還應考慮到材料的供應可靠性及經濟性。
低、中強度鋼的優(yōu)點是價格較低，易獲得，焊接工藝條件不苛刻，便于施工，還可以通過熱處理消除焊接殘余應力，有利于防止應力腐蝕，缺點是相同容積的球罐用鋼材耗量大，不利于球罐大型化。高強度鋼的優(yōu)點是可以降低鋼材的消耗量，有利于球罐的大型化，缺點是焊接工藝條件苛刻，容易產生焊接裂紋等缺陷，不易進行應力腐蝕控制。
一般來講，碳素鋼和低合金鋼球殼厚度按剛性控制時，選用低強度鋼板，如Q245R 等；球殼厚度按強度控制時，選用中、高強度鋼板，如Q345R 、Q370R 、16MnDR 、15MnNiDR 、15MnNiNbDR 、09MnNiDR 、07MnMoVR 、07MnNiVDR 、07MnNiMoDR 。
奧氏體型鋼板選用S30408 、S30403 、S31608 、S31603 。
球殼選材時，還應考慮整體熱處理的影響和介質應力腐蝕的影響。從進行現場整體熱處理方面來看:對于中、小型球罐的現場整體熱處理質量容易控制，而大型球罐的現場整體熱處理質量不容易控制。因此，中小型球罐球殼可以使用的鋼板厚度較大，當厚度超過規(guī)定的界限時，可對球罐進行現場整體消除應力熱處理。對于大型球罐，宜盡量避免現場整體熱處理，故對鋼板厚度有一定的限制，宜選用高強度鋼材。在介質存在應力腐蝕條件時，應優(yōu)先選用低強度鋼，避免使用高強度鋼。
球罐的結構設計
球罐的結構設計應包括如下內容:
①根據工藝參數的要求確定球殼結構形式；
②確定球殼的排板方法(分帶、分片)；
③確定球殼板的幾何尺寸及坡口形式；
④支承結構的確定及計算；
⑤人孔和工藝接管的選定、布置；
⑥球罐的附件，如梯子、平臺的設計。
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