孫麗娜 邢書(shū)文 連昭

摘要：大型球罐是當(dāng)前石油化工制造與儲(chǔ)存流程中的關(guān)鍵設(shè)備，與傳統(tǒng)油罐比較，球罐的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，在限定占地面積與建造成本的前提條件下能夠達(dá)到更高的儲(chǔ)存能力，可有效減少石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置建造費(fèi)用，增加公司效益，因此，根據(jù)石油化工企業(yè)對(duì)大型球罐裝置的實(shí)際需要，探索大型球罐裝置建造的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以期為當(dāng)前石油化工儲(chǔ)存裝置的制造研究提供必要參考。

關(guān)鍵詞：大型球罐;結(jié)構(gòu)特點(diǎn);設(shè)計(jì)要點(diǎn)

前言

近年來(lái)由于中國(guó)石化生產(chǎn)規(guī)模的逐步提高，在制造和儲(chǔ)存過(guò)程中對(duì)原料及其成品油和相關(guān)商品的倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)量規(guī)模要求也逐漸增大，而中國(guó)傳統(tǒng)儲(chǔ)存罐因受其占用建筑規(guī)模大、生產(chǎn)成本高并且倉(cāng)儲(chǔ)效能較低等因素影響，已無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)需要，而倉(cāng)儲(chǔ)效能更高并且占地面積更小的大型球罐優(yōu)點(diǎn)也有所顯現(xiàn)。而為滿足球罐的大型化特性，工程設(shè)計(jì)中大型球罐時(shí)需要選用的硬度高、彈性好、抗裂性高、焊接性能好的金屬材料，因此在球罐內(nèi)各部件（包含球殼板、支撐孔徑與壁厚、拉桿孔徑、翼板等）的壁厚或孔徑工程設(shè)計(jì)、及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都影響著球罐的安全，因此依據(jù)筆者的工程設(shè)計(jì)經(jīng)歷，對(duì)大型球罐內(nèi)各部件的工程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了匯總，以供參考。

1球罐的球殼結(jié)構(gòu)和支座形式特點(diǎn)

1.1球殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

從球殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分有足球瓣式、桔瓣式以及混瓣式三類(lèi)，而每個(gè)型式均有其特點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)合。足球瓣式是將球殼沿經(jīng)緯向切開(kāi)，每塊球殼板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸完全相同，且交換性很好，因此它比較適合于生產(chǎn)體積較小的球罐，而不宜于用來(lái)生產(chǎn)大體積的球罐，且使用場(chǎng)合較少;但由于球殼板交叉點(diǎn)有Y型焊縫，其焊接布置復(fù)雜，安裝與焊接都較為麻煩，還需要進(jìn)一步累積施工經(jīng)驗(yàn)。

桔瓣型是先用經(jīng)緯線將球殼切割成球帶，然后再以鄰近的兩條經(jīng)線將球殼劃分成球殼板，其拼裝焊縫較有規(guī)律，施工安裝簡(jiǎn)單，但由于球殼板焊縫較長(zhǎng)，寬度尺寸為多，可以在本帶或上下極之間加以交換，因而互換性不好，且鋼材使用率較低。

混瓣式具有了足瓣式和桔瓣式的優(yōu)點(diǎn)，是上下極板采用足瓣式，而赤道和溫帶球殼板采用桔瓣式的方式，它又融合了足瓣式和桔瓣式的優(yōu)點(diǎn)，即球殼板少，熱交換性好，焊縫直徑較短，金屬材料效率高，故混瓣式多應(yīng)用于大型球罐，目前，國(guó)內(nèi)外企業(yè)在混瓣方式方面已積累了大量的生產(chǎn)成功經(jīng)驗(yàn)，并充分掌握了生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)。

1.2球罐支座形式和其特點(diǎn)

球罐支撐是用來(lái)支承球罐本身重力和貯存材料重力的結(jié)構(gòu)部件，有支撐型、裙座型、半埋型和V式支撐等。柱式支座通常使用赤道正切柱式的支撐方法，其在國(guó)內(nèi)廣泛使用，其主要構(gòu)造特征為球殼由余根圓柱形的支撐線在球殼赤道附近部位等間距布置，支撐中心線與球殼內(nèi)壁相切或接近于正切（相割）。由于支柱主要支承球罐的重力，并且能夠承擔(dān)強(qiáng)風(fēng)負(fù)荷和地震載荷，并提高球罐的安全穩(wěn)定性，故在支撐點(diǎn)間設(shè)有拉桿相連接，這樣的支坐力平衡、柔韌性較好、可經(jīng)受熱膨脹的變形、架設(shè)簡(jiǎn)單、易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，但缺點(diǎn)是重心過(guò)高、安全穩(wěn)定性不好。支架和球殼之間的連結(jié)，又有帶墊木連結(jié)和無(wú)墊板連結(jié)二種構(gòu)造形式，由于帶墊板的構(gòu)造雖然可提高球殼板的整體剛度，卻增大了球殼上接頭的局部應(yīng)力，所以，球罐構(gòu)造通常采用無(wú)墊板構(gòu)造。

2大型球罐設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)總結(jié)

2.1選材

球罐設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)球殼板材的選用是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)椴馁|(zhì)的特性和品質(zhì)直接影響到了球罐的穩(wěn)定性，而隨著材質(zhì)強(qiáng)度的差異，所設(shè)計(jì)的球殼板厚薄也不相同，而球殼板材的厚薄直接影響到球殼板的使用狀況、搬運(yùn)、安裝和焊接質(zhì)量等，而大型化后也會(huì)使球殼板材厚度增大，因此使用以往的Q345R低合金鋼可能無(wú)法達(dá)到降低壁厚的要求，所以選用硬度高、彈性好、抗裂性能高的材質(zhì)是十分必要的。Q370R屬于中等硬度鋼材，厚板力學(xué)性能比較平穩(wěn)，也具備了較好的耐硫化氫侵蝕能力，焊接特性也和Q345R相似，但硬度和彈性都優(yōu)于Q345R;07Mn-MoVR 屬高強(qiáng)度鋼板，是一種低焊接抗裂紋敏感性材料，且具有良好的焊接性能，所需的預(yù)熱溫度低，可改善焊接施工環(huán)境，但其抗硫化氫腐蝕能力弱，對(duì)儲(chǔ)存介質(zhì)硫化氫含量要求嚴(yán)格，因此在設(shè)計(jì)時(shí)如儲(chǔ)存介質(zhì)中含微量或無(wú)硫化氫推薦采用 07MnMoVR 鋼，采用該材料時(shí)應(yīng)根據(jù)GB12337-2014的要求來(lái)增加對(duì)該板的各項(xiàng)檢測(cè)和試驗(yàn)技術(shù)要求，相應(yīng)地，上支柱與支柱蓋選用07MnMoVR鋼板，接管和法蘭選用08MnNiMoVD鍛件，焊接材料選用良好的低溫韌性和抗裂性能的超低氫堿性焊條J607RH;而在含有少量硫化氫時(shí)推薦選用 Q370R，上支柱與支柱蓋采用Q370R，接管和法蘭采用強(qiáng)度與之相匹配的20MnMo鍛件，焊接材料推薦采用J557RH。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球罐的架構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)球罐的實(shí)際應(yīng)用情況和預(yù)計(jì)儲(chǔ)存容積而加以設(shè)計(jì)，并在符合上述條件的前提下較大限度減少焊縫長(zhǎng)度，以便達(dá)到球罐機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用安全和應(yīng)用穩(wěn)定性。其中分帶數(shù)和分帶角度是設(shè)計(jì)要點(diǎn)，首先根據(jù)球罐的性能需求以及確定鋼板材料長(zhǎng)度以及柔韌性需求，球心角應(yīng)選擇最大的赤道帶，同時(shí)球殼板的寬度應(yīng)設(shè)定統(tǒng)一嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，確保球殼板尺寸合規(guī)一致，提高材料的利用率。根據(jù)以往我國(guó)油田大型球罐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般5000m3 以上的球罐應(yīng)最細(xì)選擇4帶10柱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以確保其使用安全性，10 000m3 ?以上的球罐應(yīng)選擇4帶14柱的結(jié)構(gòu)，15000m3 的特大型球罐應(yīng)選擇5帶16柱的設(shè)計(jì)方案。

2.2.2支柱及支柱上零部件的設(shè)計(jì)

其一，在支柱軸向穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)審核與考察過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)球罐的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境確定最后的受力參數(shù)，全面考察球體的軸向作用力同樣也要充分考慮彎矩效應(yīng)。其二，為增加球罐機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和運(yùn)行穩(wěn)定能力，并且增加球罐的使用壽命，在支撐厚薄的設(shè)定中應(yīng)當(dāng)在符合結(jié)構(gòu)剛度和運(yùn)行穩(wěn)定性要求的前提下，盡量減小支撐厚薄;其三，支撐帽厚度不要過(guò)大，通常取支撐壁厚的一半為佳。其四，在支柱中心和翼板中心間距設(shè)計(jì)時(shí)，在充分考慮其總體的承重結(jié)構(gòu)之外，也應(yīng)對(duì)其防火層的厚度進(jìn)行充分考量后制定。

2.2.3人孔、接管及附件的設(shè)置

在球罐生產(chǎn)過(guò)程中，受生產(chǎn)工藝或者后期保養(yǎng)維護(hù)等工作的需要影響，通常都會(huì)在上下底板部位各設(shè)有一條人孔，方便工作人員進(jìn)入球罐內(nèi)，同時(shí)根據(jù)球罐上下性需要設(shè)置了安全閘門(mén)或者淋?chē)娫O(shè)備以應(yīng)對(duì)火災(zāi)的產(chǎn)生。淋?chē)娧b置的型式選用和安裝地點(diǎn)選取時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮球罐形狀，保證淋?chē)妳^(qū)域及其淋?chē)娏烤舷谰然鸷屠鋮s要求。同時(shí)為方便工藝運(yùn)行和控制，將接管的地點(diǎn)盡可能集中于上下極板部位。

3結(jié)束語(yǔ)

大型球罐的設(shè)計(jì)中，首先要全面考察球罐的整體性能規(guī)范和安全性等級(jí)，然后還應(yīng)充分考慮建造成本，很多工程設(shè)計(jì)單位通過(guò)應(yīng)力分析軟件來(lái)分析支架對(duì)球殼的局部應(yīng)力，以決定最終壁厚，所以，在實(shí)施大型球罐工程設(shè)計(jì)時(shí)，材質(zhì)選用、構(gòu)造選型、球殼壁厚以及支柱零部件規(guī)格的制定，都是非常重要的。

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