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球形儲罐，顧名思義，外形呈球狀，主要用于存儲與運輸各種氣液或液化氣體的一種有效、經濟的壓力容器，在化工、石油等領域大量應用。在同樣壁厚條件下，與其它形狀的容器相比，其受力均勻，承載能力高，能極大的節約材料成本。依據球罐自身的特點，在某天然氣輸送項目中，有一天然氣流計量用貯存容器（10 m3），采用球形儲罐結構，出于設計條件對設備自重有嚴格限制，要求設計重量最小。該球罐容積為10 m3，而GB12337-2014標準不適用于公稱容積小于50m3的球罐，故該球罐不能按GB 12337-2014進行規則設計。

GB12337不 適用于＜ 50m3球罐 的原因

GB12337《鋼制球形儲罐》標準中對球罐的工程容積沒有規定上限，而只規定了下限，即球罐的公稱容積不能＜50m3，主要考慮的原因：

1）小于50m3的球罐大多為高壓，用途特殊，與它配套的制造檢驗要求也特殊，與球罐的要求相差甚遠，應用領域窄，這條規定與標準中對于設計壓力不能大于6.4Mpa的限定也是一致的（比如本文中的球罐容積為10m3，而設計壓力為高壓10Mpa，主要用于貯存天然氣）。

2）小于50m3的球罐與圓筒形儲罐相比，雖然耗材量少，但由于拼板塊數多，現場組裝、組焊難度均較大，焊縫長，制造周期長，綜合經濟指標差。因而當容積小于50m3時，選用圓筒形儲罐比選用球罐經濟。

球罐主要設計 參數

該球罐需要按照JB4732標準進行分析設計。其設計條件和主要參數如下表所示1所示：

表1 球罐主要設計參數

球罐材料的 選擇

在選材方面，板材選用球殼用的鋼板球罐低溫用高強度調質鋼板07MnNiMoVDR；球罐承壓鍛件用10Ni3MoVD鍛件。上述材料均經安全注冊并通過“鍋爐壓力容器標準化技術委員會“的技術評審。球罐用材的化學成份與材料屬性，如下表2~5所示：

表2 07MnNiMoVDR鋼板化學成分（熔煉分析）的技術要求(%)

表3 10Ni3MoVD鋼鍛件化學成分（熔煉分析）的技術要求(%)

表4 球罐設計應力強度

表5 球罐材料屬性

球罐 結構 描述 及示意

該球罐結構，主要包括球殼板與以下的七個管口，支撐型式為裙座。裙座上兩側分別設有方形人孔(450×450)，供設備安裝檢修用。為保證設備安全性，球殼開孔采用整體雙錐段鍛件補強，接管鍛件與球殼板的連接采用對接形式，以滿足100%射線檢測要求。球殼板扣除了材料的腐蝕裕量與成形減薄量，計算厚度取29.5mm。球罐主要的結構與尺寸，如下圖1所示： 

圖1 該球罐結構簡圖

圖2 接管結構示意圖

球罐 有限元模型

為保證球罐受力結構的完整性，本分析從整體角度出發，應用大型有限元通用軟件ANSYS軟件，采用SOLID95實體單元，建立有限元三維立體全模型。SOLID95是20節點高階單元，每個節點有3個平動自由度(X,Y,Z方向)，能夠容許一定的不規則形狀，且更好的保證計算精度，對偏移形狀保持良好的兼容性，適合模擬帶曲線邊界的模型。本模型單元數量：159108，節點數量：732617，有限元模型如下圖3~4所示：

圖3 該球罐整體有限元模型

圖4 球罐局部接管有限元模型

球罐 設計載荷 工況

本球罐分析設計主要考慮兩種載荷：內壓和自重，對球罐的整體分析應考慮以下幾種載荷組合工況：

1）僅內壓作用工況；

2）僅考慮球罐自重（該工況按標準可不用考慮，本文增加了這部分計算，為了更直觀的說明）；

3）綜合考慮內壓+球罐自重的組合工況。

注：由于該球罐安裝與運行均在室內，無保溫、無梯子平臺，并且球罐的體形較小，相對重量較輕，因此忽略風載荷、雪載荷與地震載荷的影響；并且，根據管道條件，球罐管口無機械外載。

球罐 邊界條件 的施加

1）內壓：在球殼與接管內表面，施加壓力載荷(10.0MPa)。同時，為保證設備內壓力系的平衡，在接管端部施加內壓產生的軸向平衡壓力；

2）球罐自重：球罐的操作質量，包括球殼、接管、裙座、物料及球罐預焊接等其它附件的重量。有限元模型中，球罐自重載荷，采用等效密度法，經計算當量成材料的等效密度(ρ=m/V)，以慣性載荷的形式在加速度場中轉換成單元體積力(G=mg)的方式，加載在整個球殼單元上。

3）位移邊界條件：球殼裙座下底面，施加豎直軸向與環向位移約束。

載荷和位移邊界條件的施加如下圖5所示：

圖5 有限元模型載荷和位移邊界條件

應力計算結果

三種工況應力計算云圖如下圖6~7所示：

圖6 內壓工況：應力最大值470.82Mpa

圖7 自重工況：應力最大值7.54Mpa

圖8 內壓+自重工況：應力最大值470.67Mpa

經分析可知，“自重+內壓”所產生的組合工況，為設備的最危險工況，且自重本身產生的應力較小，遠低于內壓所產生的應力，應力水平在總應力值中占比極小，對本球罐影響甚微。故球罐的強度校核僅需要對“自重+內壓”工況進行評定即可。在球罐各部分焊縫處，采用各種材料中相應設計許用應力強度的最低值，來對設備強度進行評定。

應力強度評定

根據JB4732-1995的規定，在有限元模型關鍵區域，選取危險路截面徑進行應力線性化分類，然后將各項應力劃類進行評定。同時，為簡化計算工作量評定過程，在本分析中，一次加二次應力強度SⅣ按設計工況考慮。在各類應力可能產生的最大位置處，自定義12條路徑如下圖9所示：

圖9 路徑定義示意圖

應力強度評定結果如下表6所示：

表6 球罐材料屬性

注：1. 路徑PATH_01的薄膜應力,視為一次總部薄膜應力SI，按1.0·K·Sm評定；

2. 其它路徑的薄膜應力,視為一次局部薄膜應力SII，按1.5·K·Sm評定；

3.  所有路徑的膜+彎應力,視為二次應力SIV，按3.0·Sm評定； 

本文內容來源于ANSYS用戶大會論文集，作者為中國寰球工程公司的丘波、程偉，由筆者學習整理發布，文中內容僅代表論文作者的觀點，僅供學習、交流、探討用。

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