3000m3球罐球壳板的计算和优化
3000m3球罐球壳板的优化摘要：本文介绍了球壳板的尺寸计算和平面下料展开计算方法，在标准混合式球壳结构的 基础上，提出了 3000m3球罐一种优化排板三带球壳结构，并对其焊缝长度，球壳板块数，材料 利用率，钢板采购板幅等进行了分析比较，实践证明三带优化球壳结构具有明显优势。关键词：3000m3球罐；球壳板；计算下料；优化球形容器与同容量的其它容器相比，具有表面积小，重量轻，制造周期短及占地面积小等 优点，随着我国石油化工、冶金、城市燃气等迅速发展，对大型容器的需求与日俱增。球罐的 大型化，使用强度更高的材料，提高单块球壳板的面积是技术发展的必然要求。对于3000m3球罐球壳结构形式GB/T17261-1998推荐了 4种结构形式，桔瓣式球壳分为5 带10支柱和12支柱两种，混合式球壳分为4带10支柱和5带12支柱两种。对于大型球罐采 用混合式结构已经成为主要方向，因此对于3000m3球罐主要讨论混合式结构形式。1、3000m3球罐主要设计参数见表1表13000m3球罐主要设计参数项目单位参数设计压力MPa1.77设计温度°C50物料名称液化气几何尺寸mmSD18000X52公称容积m33000焊缝系数1.0腐蚀裕量mm2.0基本风压N/m2550基本雪压N/m2400地震设防烈度度8场地土壤类别II类主要材质Q370R、20MnMo 锻容器类别III类2、球壳板几何参数的计算及优化2.1 成形后球壳板的尺寸计算球壳板的几何尺寸计算多为球面三角法、解析几何法等，这些方法的理解和推导比较繁琐， 特别是混合式球壳极板尺寸计算对于非专业设计人员使用不够方便。球壳板的任一边弧线可以 看成是平面与球面相交所得的相贯线。平面有通过球心和不通过球心两种方式，平面与球壳的 相贯线均为圆，相贯线的投影，因其投影方向不同则可为圆、椭圆和直线三种形式，按其相贯 线投影建立相应的曲线方程，将有关方程联立可求出各曲线的交点坐标，经转化计算既可求得 成型后球壳板的各种弦长和弧长，将计算过程通过计算机编程则会使计算更加便捷。图1 为混 合式球壳极板的坐标系及相贯线方程。000-0匕-v-混合式球罐极板的坐标系图12.2 球壳板平面下料尺寸计算为确定采购钢板的尺寸需进行平面展开计算，圆锥模型形成如图2所示，球面上任一点P, 在极轴上引直线PG,使PG垂直于P点的球半径0P,则以GP为母线绕极轴旋转形成锥体的下底 圆，使下底圆与P点在球面上的纬向圆为同一圆，则P点在球面上的纬向圆弦口可按锥体下底 圆进行展开计算, 对于钢板采购尺寸的确定重要的是计算与展开后的圆弧相对应的弦长，根据 各带分瓣数,即可计算出每片球壳板纬向的弧长，计算出钢板长度和宽度。Q图2球壳锥体展开模型及P点纬向圆弦口展开图P点纬向圆弦口展开半径Rp =(Dtga P )/2(1)P点纬向圆展开后扇形角Y p =360C0Sa p(2)P点单块瓣片对应展开角 0 p =(360COSa p )/Np(3)P 点单块瓣片展开宽度 WPW=pQ=2R sin (0 p/2)二Dtga sin (180cosa )/N (4)ppppp对应 Wp 形成的拱高 hph =MN=R -R cos (0 /2) = (D/2) tga 1-cos (180cosa ) /N (5)pp ppppp式中：Np P点所在带板分瓣数，D球罐直径。在工程实践中主要以7块混合式极板球壳为主，各板球心角相同，e 1= e 2= e 3 = e , 则极带各板下料宽度相同e n D/360。极中板下料长度为3e n D/360；侧)极板1 - sin2(0.59 )1 中 大 边 弧 长 度 A1A1/ ( 弧 )，sin2(0.50 hn2 (1.50 )极边板下料长度为图1中大边弧A3A3/ (弧)在平面中展开后对应的弦长(其数值小于边弧长度)2R tg2.50 sin (45cos2.50)，如图 3 所示。温带板和寒带板下料宽度为单块瓣片上下边弧在平面展开对应弦长的较大者（其数值小于 边弧长度），下料长度为其相应经向弧长与小端圆弧平面展开中形成的拱高之和（其数值大于经 向边弧长度），拱高计算按公式（5），如图3所示。赤道板下料宽度为赤道线周长被分瓣数均分，下料长度为赤道板经向弧长与赤道板上下边 弧在平面展开形成的拱高三者之和（其数值大于经向边弧长度），拱高计算按公式（5），如图3 所示。.p下料宽度一- 高拱下边极板度长图 3 平面下料板幅原理图2.3 3000m3 球罐球壳结构形式的优化球罐的大型化使混合式球壳结构获得广泛应用，而混合式球壳瓣片的大型化又是其显著特 点。从冶金行业看，轧钢能力显著提高，能够提供3m以上的宽厚板，从球罐生产厂家看，大跨 距 6m 以上，大吨位 2000t 压力机已经装备，使球壳瓣片的大型化具备了现实条件。针对 3000 m3 球罐进行优化如图 4 所示，球壳仍然采用混合式结构，减少球壳分带数，采用3带式结构代替 GB/T17261-1998 中的 4 带和 5 带结构。增加极带板的球心角为100°，代替 GB/T17261-1998 中的 75°和 90°球心角，每块极板的球心角均为 20°。增大赤道板的球心角为 80°，代替 GB/T17261-1998 中的 45°和 50°，取消温带和寒带，减少赤道板的分瓣数为 18 块，代替 GB/T17261-1998 中的 20 块和 40 块，使每块赤道板的纬向球心角均为 20°。三种分带方式球 壳板数量及球心角比较见表 2，三种分带方式与制造安装的有关参数比较见表3，其中下料尺寸 计算以球罐中径18052mm计算，钢板采购尺寸考虑了切割双边余量100mm。各带球心角（°） /各带分块数表 2 三种分带分瓣方式球壳板数量及球心角比较上极上温带赤道板下温带下极5带混合式75/730/2445/2430/2475/74带混合式90/740/2050/2090/73带混合式100/780/18100/7分带分瓣方式表 3 三种分带方式与制造安装的有关参数比较分带分瓣方式名称下料尺寸/mm X mm采购尺寸/mm X mm数量/块球壳板数/块焊缝总长度/m利用率/%5带混合式极中板2363.00X7089.002465X7190286658.883.27极侧板2363.00X7034.332465X71354极边板2363.00X8083.272465X81858上温带2182.22X4763.332285X486524下温带2182.22X4763.332285X486524赤道板2363.00X7143.662465X7245244带混合式极中板2835.60X8506.802935X8605254525.683.52极侧板2835.60X8416.672935X85154极边板2835.60X9517.912935X96158上温带2824.72X6356.962925X645520赤道板2835.60X7941.962935X8040203带混合式极中板3150.67X9452.013250X9500232430.384.68极侧板3150.67X9332.803250X94304极边板3150.67X10405.483250X105058赤道板3150.67X12737.923250X1284018图 43000m3 球壳优化分瓣形式图3.0 结论对于3000m3球罐，混合式结构比桔瓣式结构具有显著优点，具有焊缝长度短、球壳板数量少、材料利用率高的特点，而经过优化的三带混合式结构相对于标准中四带和五带混合式结构 更加科学合理，焊缝长度比标准中四带和五带混合式结构分别减少了 95.3m和238.5m,焊缝长 度最短，球壳板数量比标准中四带和五带混合式结构分别减少了22块和54块，材料利用率最 高，球壳板的种类最少，且实现了所有球壳板宽度相同。对于减少焊接和无损检测工作量，提 高组焊施工效率，提高材料利用率，减少材料成本，提高球罐的质量和安全性具有重要意义。参考文献1 王嘉麟球形储罐焊接工程技术M.北京机械工业出版社,2000.2 GB/T17261-1998,钢制球形储罐形式与基本参数S.
