3000m3球罐球殼板的計(jì)算和優(yōu)化

1、3000m3球罐球殼板的優(yōu)化摘要：本文介紹了球殼板的尺寸計(jì)算和平面下料展開計(jì)算方法，在標(biāo)準(zhǔn)混合式球殼結(jié)構(gòu)的 基礎(chǔ)上，提出了 3000m3球罐一種優(yōu)化排板三帶球殼結(jié)構(gòu)，并對其焊縫長度，球殼板塊數(shù)，材料 利用率，鋼板采購板幅等進(jìn)行了分析比較，實(shí)踐證明三帶優(yōu)化球殼結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：3000m3球罐；球殼板；計(jì)算下料；優(yōu)化球形容器與同容量的其它容器相比，具有表面積小，重量輕，制造周期短及占地面積小等 優(yōu)點(diǎn)，隨著我國石油化工、冶金、城市燃?xì)獾妊杆侔l(fā)展，對大型容器的需求與日俱增。球罐的 大型化，使用強(qiáng)度更高的材料，提高單塊球殼板的面積是技術(shù)發(fā)展的必然要求。對于3000m3球罐球殼結(jié)構(gòu)形式GB/T1

2、7261-1998推薦了 4種結(jié)構(gòu)形式，桔瓣式球殼分為5 帶10支柱和12支柱兩種，混合式球殼分為4帶10支柱和5帶12支柱兩種。對于大型球罐采 用混合式結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主要方向，因此對于3000m3球罐主要討論混合式結(jié)構(gòu)形式。1、3000m3球罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1表13000m3球罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目單位參數(shù)設(shè)計(jì)壓力MPa1.77設(shè)計(jì)溫度C50物料名稱液化氣幾何尺寸mmSD18000X52公稱容積m33000焊縫系數(shù)1.0腐蝕裕量mm2.0基本風(fēng)壓N/m2550基本雪壓N/m2400地震設(shè)防烈度度8場地土壤類別II類主要材質(zhì)Q370R、20MnMo 鍛容器類別III類2、球殼板幾何參數(shù)的計(jì)算及優(yōu)化

3、2.1 成形后球殼板的尺寸計(jì)算球殼板的幾何尺寸計(jì)算多為球面三角法、解析幾何法等，這些方法的理解和推導(dǎo)比較繁瑣， 特別是混合式球殼極板尺寸計(jì)算對于非專業(yè)設(shè)計(jì)人員使用不夠方便。球殼板的任一邊弧線可以 看成是平面與球面相交所得的相貫線。平面有通過球心和不通過球心兩種方式，平面與球殼的 相貫線均為圓，相貫線的投影，因其投影方向不同則可為圓、橢圓和直線三種形式，按其相貫 線投影建立相應(yīng)的曲線方程，將有關(guān)方程聯(lián)立可求出各曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)轉(zhuǎn)化計(jì)算既可求得 成型后球殼板的各種弦長和弧長，將計(jì)算過程通過計(jì)算機(jī)編程則會使計(jì)算更加便捷。圖1 為混 合式球殼極板的坐標(biāo)系及相貫線方程。000-0匕-v-混合式球罐極板

4、的坐標(biāo)系圖12.2 球殼板平面下料尺寸計(jì)算為確定采購鋼板的尺寸需進(jìn)行平面展開計(jì)算，圓錐模型形成如圖2所示，球面上任一點(diǎn)P, 在極軸上引直線PG,使PG垂直于P點(diǎn)的球半徑0P,則以GP為母線繞極軸旋轉(zhuǎn)形成錐體的下底 圓，使下底圓與P點(diǎn)在球面上的緯向圓為同一圓，則P點(diǎn)在球面上的緯向圓弦口可按錐體下底 圓進(jìn)行展開計(jì)算, 對于鋼板采購尺寸的確定重要的是計(jì)算與展開后的圓弧相對應(yīng)的弦長，根據(jù) 各帶分瓣數(shù),即可計(jì)算出每片球殼板緯向的弧長，計(jì)算出鋼板長度和寬度。Q圖2球殼錐體展開模型及P點(diǎn)緯向圓弦口展開圖 TOC o 1-5 h z P點(diǎn)緯向圓弦口展開半徑Rp =(Dtga P )/2(1)P點(diǎn)緯向圓展開后扇

5、形角Y p =360C0Sa p(2)P點(diǎn)單塊瓣片對應(yīng)展開角 0 p =(360COSa p )/Np(3)P 點(diǎn)單塊瓣片展開寬度 WPW=pQ=2R sin (0 p/2)二Dtga sin (180cosa )/N (4)ppppp對應(yīng) 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點(diǎn)所在帶板分瓣數(shù)，D球罐直徑。在工程實(shí)踐中主要以7塊混合式極板球殼為主，各板球心角相同，e 1= e 2= e 3 = e , 則極帶各板下料寬度相同e n D/360。極中板下料長度為3e

6、n D/360；側(cè))極板1 - sin2(0.59 )1 中 大 邊 弧 長 度 A1A1/ ( 弧 )，sin2(0.50 hn2 (1.50 )極邊板下料長度為圖1中大邊弧A3A3/ (弧)在平面中展開后對應(yīng)的弦長(其數(shù)值小于邊弧長度)2R tg2.50 sin (45cos2.50)，如圖 3 所示。溫帶板和寒帶板下料寬度為單塊瓣片上下邊弧在平面展開對應(yīng)弦長的較大者（其數(shù)值小于 邊弧長度），下料長度為其相應(yīng)經(jīng)向弧長與小端圓弧平面展開中形成的拱高之和（其數(shù)值大于經(jīng) 向邊弧長度），拱高計(jì)算按公式（5），如圖3所示。赤道板下料寬度為赤道線周長被分瓣數(shù)均分，下料長度為赤道板經(jīng)向弧長與赤道板上下邊

7、 弧在平面展開形成的拱高三者之和（其數(shù)值大于經(jīng)向邊弧長度），拱高計(jì)算按公式（5），如圖3 所示。.p下料寬度一- 高拱下邊極板度長圖 3 平面下料板幅原理圖2.3 3000m3 球罐球殼結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化球罐的大型化使混合式球殼結(jié)構(gòu)獲得廣泛應(yīng)用，而混合式球殼瓣片的大型化又是其顯著特 點(diǎn)。從冶金行業(yè)看，軋鋼能力顯著提高，能夠提供3m以上的寬厚板，從球罐生產(chǎn)廠家看，大跨 距 6m 以上，大噸位 2000t 壓力機(jī)已經(jīng)裝備，使球殼瓣片的大型化具備了現(xiàn)實(shí)條件。針對 3000 m3 球罐進(jìn)行優(yōu)化如圖 4 所示，球殼仍然采用混合式結(jié)構(gòu)，減少球殼分帶數(shù)，采用3帶式結(jié)構(gòu)代替 GB/T17261-1998 中的 4

8、 帶和 5 帶結(jié)構(gòu)。增加極帶板的球心角為100，代替 GB/T17261-1998 中的 75和 90球心角，每塊極板的球心角均為 20。增大赤道板的球心角為 80，代替 GB/T17261-1998 中的 45和 50，取消溫帶和寒帶，減少赤道板的分瓣數(shù)為 18 塊，代替 GB/T17261-1998 中的 20 塊和 40 塊，使每塊赤道板的緯向球心角均為 20。三種分帶方式球 殼板數(shù)量及球心角比較見表 2，三種分帶方式與制造安裝的有關(guān)參數(shù)比較見表3，其中下料尺寸 計(jì)算以球罐中徑18052mm計(jì)算，鋼板采購尺寸考慮了切割雙邊余量100mm。各帶球心角（） /各帶分塊數(shù)表 2 三種分帶分瓣方

9、式球殼板數(shù)量及球心角比較上極上溫帶赤道板下溫帶下極5帶混合式75/730/2445/2430/2475/74帶混合式90/740/2050/2090/73帶混合式100/780/18100/7分帶分瓣方式表 3 三種分帶方式與制造安裝的有關(guān)參數(shù)比較分帶分瓣方式名稱下料尺寸/mm X mm采購尺寸/mm X mm數(shù)量/塊球殼板數(shù)/塊焊縫總長度/m利用率/%5帶混合式極中板2363.00X7089.002465X7190286658.883.27極側(cè)板2363.00X7034.332465X71354極邊板2363.00X8083.272465X81858上溫帶2182.22X4763.33228

10、5X486524下溫帶2182.22X4763.332285X486524赤道板2363.00X7143.662465X7245244帶混合式極中板2835.60X8506.802935X8605254525.683.52極側(cè)板2835.60X8416.672935X85154極邊板2835.60X9517.912935X96158上溫帶2824.72X6356.962925X645520赤道板2835.60X7941.962935X8040203帶混合式極中板3150.67X9452.013250X9500232430.384.68極側(cè)板3150.67X9332.803250X94304極邊板3150.67X10405.483250X105058赤道板3150.67X12737.923250X1284018圖 43000m3 球殼優(yōu)化分瓣形式圖3.0 結(jié)論對于3000m3球罐，混合式結(jié)構(gòu)比桔瓣式結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)點(diǎn)，具有焊縫長度短、球殼板數(shù)量少、材料利用率高的特點(diǎn)，而經(jīng)過優(yōu)化的三帶混合式結(jié)構(gòu)相對于標(biāo)準(zhǔn)中四帶和五帶混合式結(jié)構(gòu) 更加科學(xué)合理，焊縫長度比標(biāo)準(zhǔn)中四帶和五帶混合式結(jié)構(gòu)分別減少了 95.3m和238.5m,焊縫長 度最短，球殼板數(shù)量比標(biāo)準(zhǔn)中四帶和五帶混合式