分析设计法在小型高压球罐设计上的应用
球形储罐作为压力容器的一种高效、经济的贮存容器，素来有大容量、高危害，制造难度大的特点，为广大工程师们所关注。然而，对于小型高压球罐（＜50m^3）不仅超出常规设计的范畴，其设计与制造难度也加大，在实践中也鲜有应用。本文依据工程实例，详细阐述了对一盛装天然气的小型高压球形储罐（10m^3）进行应力分析，并依据JB4732-95，评定设备的安全性。
1前言
球形储罐，顾名思义，外形呈球状，主要用于存储与运输各种气液或液化气体的一种有效、经济的压力容器，在化工、石油等领域大量应用。在同样壁厚条件下，与其它形状的容器相比，其受力均匀，承载能力高，能极大的节约材料成本。
依据球罐自身的特点，在某天然气输送项目中，有一天然气流计量用贮存容器（10m^3），采用球形储罐结构，出于设计条件对设备自重有严格限制，要求设计重量最小。由于此球罐设备容积（＜50m3）超出GB12337-1998《钢制球罐》的范畴，并且为更合理地优化设计，故设备采用JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》进行设计。
2球罐设计参数及载荷
2.1球罐设计参数
球罐设计规范：JB4732-1995《钢制压力容器一分析设计标准》，其设计条件和主要参数如表1所示：
2.2球罐选材
在选材方面，板材选用球壳用的钢板球罐低温用高强度调质钢板07MnNiMoVDR；球罐承压锻件用10Ni3MoVD锻件。上述材料均经安全注册并通过“锅炉压力容器标准化技术委员会“的技术评审。球罐用材的化学成份与材料属性，如下表2~5所示：
2.3球罐结构
球罐结构，主要包括球壳板与以下的七个管口，以及设备裙座。裙座上两侧分别设有方形人孔(450×450)，供设备安装检修用。为保证设备安全性，球壳开孔采用整体双锥段锻件补强，接管锻件与球壳板的连接采用对接形式，以满足100%射线检测要求。球壳板扣除了材料的腐蚀裕量与成形减薄量，计算厚度取29.5mm。
球罐主要的结构与尺寸，如下述图表所示：
3有限元模型
为保证球罐受力结构的完整性，本分析从整体角度出发，应用大型有限元通用软件ANSYS软件，采用SOLID95实体单元，建立有限元三维立体全模型。
SOLID95是20节点高阶单元，每个节点有3个平动自由度(X,Y,Z方向)，能够容许一定的不规则形状，且更好的保证计算精度，对偏移形状保持良好的兼容性，适合模拟带曲线边界的模型。
有限元模型如图3~4所示。其中，单元数量：159108，节点数量：732617。
4有限元边界条件
4.1设计载荷及计算工况
本球罐分析主要考虑以下载荷：（1）压力；（2）球罐自重。
对于球罐的整体分析应考虑以下几种载荷组合工况，并对球罐的最危险工况的应力分平进行评定：（1）内压；（2）自重；（3）自重+内压（组合工况）。
注：由于设备安装与运行均在室内，无保温、无梯子平台，并且球罐的体形较小，相对重量较轻，因此忽略风载荷、雪载荷与地震载荷的影响；并且，根据管道条件，球罐管口无机械外载。
4.2内压
在球壳与接管内壁表面，施加压力载荷(10.0MPa)。同时，为保证设备内压力系的平衡，在管口端部施加内压产生的轴向平衡压力：
其中，pi为设备内压，MPa；Di：管口内径，mm；Do：管口外径，mm。
加载效果如图5所示。
4.3球罐自重
球罐自重，指球罐的操作质量，包括球壳、接管、裙座、物料及球罐预焊接等其它附件的重量。有限元模型中，球罐自重载荷，经计算当量成材料的等效密度(ρ=m/V)，以惯性载荷的形式在加速度场中转换成单元体积力(G=mg)的方式，加载在整个球壳单元上。
其中，g：重力加速度，取9.81m/s^2；m：球罐自重，取8500kg；V：整个球壳单元的总体积。
4.4位移边界
在球壳裙座下底面，施加竖直轴向与环向约束。
加载效果如图6所示：
5计算结果
5.1应力分布
图7~图9为各计算工况的分析结果云图：
5.2强度校核
由经www.huisheliren.com分析可知，“自重+内压”所产生的组合工况，为设备的最危险工况。故球罐的强度校核仅需要对“自重+内压”工况进行评定即可。在球罐各部分焊缝处，采用各种材料中相应设计许用应力强度的最低值，来对设备强度进行评定。
以下根据JB4732-1995的规定，在有限元模型关键区域，选取危险路截面径进行应力线性化分类，然后将各项应力按“等安全裕度”原则进行评定。同时，为简化评定过程，在本分析中，一次加二次应力强度SIV按设计工况考虑。
1)应力路径
2)应力评定
注：
（1）路径PATH_01的薄膜应力,视为一次总部薄膜应力SI，按1.0·K·Sm评定；
（2）其它路径的薄膜应力,视为一次局部薄膜应力SII，按1.5·K·Sm评定；
（3）所有路径的膜+弯应力,视为二次应力SIV，按3.0·Sm评定；
（4）路径PATH_01的位置：位于球壳板截面处；
（5）路径PATH_02~PATH_04的位置：管口DN500处；
（6）路径PATH_05~PATH_07的位置：管口DN100处；
（7）路径PATH_08~PATH_10的位置：管口DN25(600#)处；
（8）路径PATH_11~PATH_12的位置：裙座与球壳板连接处。
6结论
1)经分析后可见，此球罐整体结构应力分布均匀，各项应力水平均控制在设计要求的范围内，满足强度要求；
2)通过内压与自重工况的结果对比可知，球罐的自重所产生的应力水平，远低于其内压所产生的应力水平。因此，在此分析中，自重载荷对本球罐的影响在工程上可忽略不计；
3)本球罐分析，基于JB4732-1995中的“等安全裕度”原则的分析法设计，以APDL语言进行参数化设计，优化接管开孔补强等结构，达到合理承载，用材最省的目的，以降低设备成本；
4)本球罐采用裙座作为支撑形式，结构简单，承载性能较优，适合应用于此类小型球罐的高压容器。
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