孙丽娜 邢书文 连昭

摘要：大型球罐是当前石油化工制造与储存流程中的关键设备，与传统油罐比较，球罐的独特结构，在限定占地面积与建造成本的前提条件下能够达到更高的储存能力，可有效减少石油化工企业生产装置建造费用，增加公司效益，因此，根据石油化工企业对大型球罐装置的实际需要，探索大型球罐装置建造的最优化设计方案，以期为当前石油化工储存装置的制造研究提供必要参考。

关键词：大型球罐;结构特点;设计要点

前言

近年来由于中国石化生产规模的逐步提高，在制造和储存过程中对原料及其成品油和相关商品的仓储数量规模要求也逐渐增大，而中国传统储存罐因受其占用建筑规模大、生产成本高并且仓储效能较低等因素影响，已无法适应当前的生产需要，而仓储效能更高并且占地面积更小的大型球罐优点也有所显现。而为满足球罐的大型化特性，工程设计中大型球罐时需要选用的硬度高、弹性好、抗裂性高、焊接性能好的金属材料，因此在球罐内各部件（包含球壳板、支撑孔径与壁厚、拉杆孔径、翼板等）的壁厚或孔径工程设计、及其结构设计等方面都影响着球罐的安全，因此依据笔者的工程设计经历，对大型球罐内各部件的工程设计要求进行了汇总，以供参考。

1球罐的球壳结构和支座形式特点

1.1球壳结构特点

从球壳的内部结构分有足球瓣式、桔瓣式以及混瓣式三类，而每个型式均有其特点以及应用场合。足球瓣式是将球壳沿经纬向切开，每块球壳板的内部结构设计尺寸完全相同，且交换性很好，因此它比较适合于生产体积较小的球罐，而不宜于用来生产大体积的球罐，且使用场合较少;但由于球壳板交叉点有Y型焊缝，其焊接布置复杂，安装与焊接都较为麻烦，还需要进一步累积施工经验。

桔瓣型是先用经纬线将球壳切割成球带，然后再以邻近的两条经线将球壳划分成球壳板，其拼装焊缝较有规律，施工安装简单，但由于球壳板焊缝较长，宽度尺寸为多，可以在本带或上下极之间加以交换，因而互换性不好，且钢材使用率较低。

混瓣式具有了足瓣式和桔瓣式的优点，是上下极板采用足瓣式，而赤道和温带球壳板采用桔瓣式的方式，它又融合了足瓣式和桔瓣式的优点，即球壳板少，热交换性好，焊缝直径较短，金属材料效率高，故混瓣式多应用于大型球罐，目前，国内外企业在混瓣方式方面已积累了大量的生产成功经验，并充分掌握了生产关键技术。

1.2球罐支座形式和其特点

球罐支撑是用来支承球罐本身重力和贮存材料重力的结构部件，有支撑型、裙座型、半埋型和V式支撑等。柱式支座通常使用赤道正切柱式的支撑方法，其在国内广泛使用，其主要构造特征为球壳由余根圆柱形的支撑线在球壳赤道附近部位等间距布置，支撑中心线与球壳内壁相切或接近于正切（相割）。由于支柱主要支承球罐的重力，并且能够承担强风负荷和地震载荷，并提高球罐的安全稳定性，故在支撑点间设有拉杆相连接，这样的支坐力平衡、柔韧性较好、可经受热膨胀的变形、架设简单、易于现场调节，但缺点是重心过高、安全稳定性不好。支架和球壳之间的连结，又有带垫木连结和无垫板连结二种构造形式，由于带垫板的构造虽然可提高球壳板的整体刚度，却增大了球壳上接头的局部应力，所以，球罐构造通常采用无垫板构造。

2大型球罐设计的技术要点总结

2.1选材

球罐设计时，对球壳板材的选用是一个至关重要的环节，因为材质的特性和品质直接影响到了球罐的稳定性，而随着材质强度的差异，所设计的球壳板厚薄也不相同，而球壳板材的厚薄直接影响到球壳板的使用状况、搬运、安装和焊接质量等，而大型化后也会使球壳板材厚度增大，因此使用以往的Q345R低合金钢可能无法达到降低壁厚的要求，所以选用硬度高、弹性好、抗裂性能高的材质是十分必要的。Q370R属于中等硬度钢材，厚板力学性能比较平稳，也具备了较好的耐硫化氢侵蚀能力，焊接特性也和Q345R相似，但硬度和弹性都优于Q345R;07Mn-MoVR 属高强度钢板，是一种低焊接抗裂纹敏感性材料，且具有良好的焊接性能，所需的预热温度低，可改善焊接施工环境，但其抗硫化氢腐蚀能力弱，对储存介质硫化氢含量要求严格，因此在设计时如储存介质中含微量或无硫化氢推荐采用 07MnMoVR 钢，采用该材料时应根据GB12337-2014的要求来增加对该板的各项检测和试验技术要求，相应地，上支柱与支柱盖选用07MnMoVR钢板，接管和法兰选用08MnNiMoVD锻件，焊接材料选用良好的低温韧性和抗裂性能的超低氢碱性焊条J607RH;而在含有少量硫化氢时推荐选用 Q370R，上支柱与支柱盖采用Q370R，接管和法兰采用强度与之相匹配的20MnMo锻件，焊接材料推荐采用J557RH。

2.2结构设计

2.2.1总体结构设计

球罐的架构设计，应当依据球罐的实际应用情况和预计储存容积而加以设计，并在符合上述条件的前提下较大限度减少焊缝长度，以便达到球罐机械设备的应用安全和应用稳定性。其中分带数和分带角度是设计要点，首先根据球罐的性能需求以及确定钢板材料长度以及柔韧性需求，球心角应选择最大的赤道带，同时球壳板的宽度应设定统一严格的标准，确保球壳板尺寸合规一致，提高材料的利用率。根据以往我国油田大型球罐的设计经验，一般5000m3 以上的球罐应最细选择4带10柱的设计结构，以确保其使用安全性，10 000m3  以上的球罐应选择4带14柱的结构，15000m3 的特大型球罐应选择5带16柱的设计方案。

2.2.2支柱及支柱上零部件的設计

其一，在支柱轴向稳定性的设计审核与考察过程中，应当根据球罐的现实应用环境确定最后的受力参数，全面考察球体的轴向作用力同样也要充分考虑弯矩效应。其二，为增加球罐机械设备的结构强度和运行稳定能力，并且增加球罐的使用寿命，在支撑厚薄的设定中应当在符合结构刚度和运行稳定性要求的前提下，尽量减小支撑厚薄;其三，支撑帽厚度不要过大，通常取支撑壁厚的一半为佳。其四，在支柱中心和翼板中心间距设计时，在充分考虑其总体的承重结构之外，也应对其防火层的厚度进行充分考量后制定。

2.2.3人孔、接管及附件的设置

在球罐生产过程中，受生产工艺或者后期保养维护等工作的需要影响，通常都会在上下底板部位各设有一条人孔，方便工作人员进入球罐内，同时根据球罐上下性需要设置了安全闸门或者淋喷设备以应对火灾的产生。淋喷装置的型式选用和安装地点选取时应当充分考虑球罐形状，保证淋喷区域及其淋喷量均符合消防救火和冷却要求。同时为方便工艺运行和控制，将接管的地点尽可能集中于上下极板部位。

3结束语

大型球罐的设计中，首先要全面考察球罐的整体性能规范和安全性等级，然后还应充分考虑建造成本，很多工程设计单位通过应力分析软件来分析支架对球壳的局部应力，以决定最终壁厚，所以，在实施大型球罐工程设计时，材质选用、构造选型、球壳壁厚以及支柱零部件规格的制定，都是非常重要的。

参考文献

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