650m3球罐球壳结构经济性分析

郑从文

荆门宏图特种飞行器制造有限公司   湖北省荆门市 448000

摘要：本文对650m3球罐设计上常采用混合式球壳结构与橘瓣式球壳结构进行经济性分析，并提出合理的球壳结构设计方案。

关键词：球壳结构、混合式、橘瓣式、经济性

      球壳作为球罐最核心的部件，其结构设计与球罐的制造成本息息相关；常见的球壳结构型式有混合式和橘瓣式，并以混合式球壳结构为主，仅有部分较小球罐采用橘瓣式球壳结构。650m3球罐作为比较常见的球罐，其球壳结构混合式和橘瓣式在设计上均较多采用。现针对设计上通常采用650m3球壳结构进行经济性对比，选择合适的球壳设计方案。

一、球壳板下料尺寸

拱高的计算公式：

       由于球面是不可展曲面，在实际操作过程中，均近似采用圆椎底面进行展开，展开模型见图1，P点纬向圆展开图见图2。

             

             图1                               图2

P点处球壳板的拱高     其中n为P点处球壳板的数量。

球壳板提料时，一般考虑切割余量A、复验用料B以及拱高H。新固规中已取消了对球壳板的复验要求，故在计算球壳板下料尺寸时，均不考虑复验用料。

球壳板下料尺寸公式：

下料宽度尺寸=最大宽度弧长+A

下料长度：极中板下料长度=最长长度弧长+A

极侧板下料长度=极中板下料长度

                  极边板下料长度=最长长度弧长+A

温带板下料长度=最长长度弧长+A+H

赤道板下料长度=最长长度弧长+A+H

参照以上计算方法，以650m3三带八支柱为例，计算球壳板下料提料尺寸，如下：                     表1  650m3球罐球壳板下料尺寸   

名称	理论尺寸	下料尺寸	材料利用率
极中板	δ24×2100×6302	δ24×2130×6330	84.81%
极侧板	δ24×2100×6302	δ24×2130×6330
极边板	δ24×2100×6302	δ24×2130×6760
赤道板	δ24×2100×6302	δ24×2100×6500

二、球壳结构设计

      球壳结构型式主要有混合式和橘瓣式，橘瓣式材料利用率不如混合式球壳，并且橘瓣式球壳的极带板由三块钢板组成，单块钢板的板宽受限于钢厂冶炼和道路运输限制，一般球壳板的板宽不宜超过3300mm。故容积1000m3及以上的球罐，其球壳结构采用混合式；容积小于650m3球罐采用橘瓣式；容积650m3球罐，则市场上两种结构并存，

常见650m3球壳结构见表2。

                        表2  常用650m3球罐球壳结构

公称容积 m3	内直径 mm	分带数	支柱根数	球壳结构	各带球心角（°）/各带分带数
					上极带	赤道板	下极带
650	10700	3	6	橘瓣式	90/3	90/12	90/3
				混合式	112.5/7	67.5/12	112.5/7
			8	橘瓣式	90/3	90/16	90/3
				混合式	112.5/7	67.5/16	112.5/7

从表中可知，采用相同型式球壳结构，其球壳板分带角度相同，仅赤道板的数量有差别（即支柱根数不同）。

三、球壳制造经济性分析

球壳制造成本主要由材料成本和、压制成本以及组焊成本构成，由于同一容积的球壳内表积一致，重量一致，故压制成本基本一致；成本差异主要是由于现场组焊的成本导致。其中组焊成本差异，主要是由于球壳的焊缝长度不同导致的。

常见的650m3球壳结构对比如下：

                      表3  650m3球罐橘瓣式与混合式结构对比     

结构型式	球壳厚度	下料重量	材料利用率	焊缝长度
六支柱橘瓣式	δ24	83735kg	81.29%	180.46m
六支柱混合式		80262kg	84.81%	209.4m
八支柱橘瓣式		83065kg	81.95%	214m
八支柱混合式		79695kg	85.41%	234.6m

从表3中可知：

1混合式的材料利用率普遍比橘瓣式结构高。

2六支柱橘瓣式和八支柱橘瓣式相比，材料利用率相近，焊缝长度比八支柱橘瓣式短34m，六支柱橘瓣式结构经济性占优。

3六支柱混合式与八支柱混合式相比，材料利用率相近，焊缝长度比八支柱混合式短25m，六支柱混合式结构经济性占优。

4六支柱橘瓣式与六支柱混合式相比，焊缝长度比混合式结构短29m，材料利用率比混合式低3.52%。经核算，焊缝长度减少的费用与增加的材料成本相近。故六支柱橘瓣式与六支柱混合式结构的经济性相当。由于六支柱橘瓣式的球壳板的板宽一样，方便球壳板采购制造。

5八支柱橘瓣式与八支柱混合式相比，焊缝长度比混合式结构短20.6m，材料利用率比混合式低3.46%。经核算，焊缝长度减少的费用不足于弥补增加的材料成本。同时八支柱混合式球壳板的板宽一样，利于球壳板材料的采购和制造。

四、结语

对650m3球壳结构而言，六支柱方案明显优于八支柱方案，如果介质密度较大，需采用八支柱时，优选八支柱混合式球壳结构。六支柱设计方案中，又以六支柱橘瓣式结构优先，不宜采用八支柱橘瓣式球壳结构。

从对比中发现，在650m3球壳设计中，混合式球壳结构仍然具有一定的优势。随着球罐容积的增加，混合式球壳结构的优势会更多突出，故大于1000m3以上的球壳结构宜采用混合式设计。针对650m3以下球壳结构，橘瓣式球壳结构经济性较明显，在设计过程中，可根据情况适当选用。

参考文献：

【1】 GB/T12337-2014 《钢制球罐储罐》

【2】 GB/T50094-2010《球形储罐施工规范》