殳 宏 許輝庭 王 蕓
(浙江省特種設(shè)備檢驗研究院)
球罐與圓筒形容器相比,具有表面積小、相同容量下所需鋼材少、球殼板承載能力大等優(yōu)點,特別是占地面積小,因此在石油、化工、城市天然氣等工程中,球罐的使用越來越廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,球罐也隨之越來越大型化。在我國的沿海省份,靠近江、河、海碼頭邊安裝了大量的球罐。由于江、河、海邊緣地質(zhì)復(fù)雜,甚至部分地區(qū)還是利用了圍墾的土地,因此對球罐的基礎(chǔ)建設(shè)提出了更高的要求。筆者在對100余臺2000~10000 m3球罐的基礎(chǔ)進行安裝監(jiān)檢時發(fā)現(xiàn),約有20余臺球罐的基礎(chǔ)沉降存在一定的偏差。本文對其中1臺5000 m3球罐的基礎(chǔ)沉降差對支柱穩(wěn)定性的影響進行了計算分析,并提出了球罐安裝過程中防止失穩(wěn)的措施。
該球罐的基本參數(shù)如下所述:設(shè)計壓力p=0.80 MPa,水壓試驗壓力 pT=1.00 MPa,設(shè)計溫度 50℃,球殼內(nèi)徑Di=21200.0 mm,充裝介質(zhì)為丁二烯,基本風(fēng)壓值q0=450.0 N/m2,拉桿與支柱連接形式為相鄰,球殼形式為混合式,支柱數(shù)目為12。球罐主體材質(zhì)為Q370R,支柱材料選用16MnR,尺寸為?800 mm×16 mm,拉桿材料選用20鋼。
球罐簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該球罐進行液壓試驗時,在充滿水24 h后進行沉降觀測發(fā)現(xiàn),相鄰的1#、2#、3#支柱的沉降差為5 mm,如圖2所示。一般來說,基礎(chǔ)的沉降很難保證完全均勻,總存在一定的沉降差。沉降差造成了支柱承載不均?;A(chǔ)沉降少的支柱其所受的載荷大大增加,存在失穩(wěn)的可能。根據(jù)GB 12337—1998和GB 50094—2010標準的要求,放水后相鄰支柱基礎(chǔ)沉降差應(yīng)不大于2 mm,而對充水耐壓試驗過程中相鄰支柱基礎(chǔ)沉降差未提出限制要求。在球罐的安裝和使用過程中,球罐的總質(zhì)量并不相同。水壓試驗時球罐的總質(zhì)量是最大的,支柱承載也是最大的,所以在水壓試驗過程中球罐是最容易發(fā)生失穩(wěn)倒塌的。
圖1 球罐簡化結(jié)構(gòu)
圖2 相鄰支柱沉降差示意圖
針對上述發(fā)現(xiàn)的支柱沉降差情況,我們暫時停止了加壓,根據(jù)GB 12337—1998標準進行分析計算,并對該支柱的穩(wěn)定性進行校核。
(1)重力載荷GT
其中:mT=m1+m3+m6+m7=5445770.5 kg,球殼質(zhì)量m1=355755.2 kg,液體質(zhì)量m3=4988916.5 kg,支柱及拉桿質(zhì)量m6=71098.8 kg,附件質(zhì)量m7=30000 kg。
(2) 垂直載荷
最大彎矩對支柱產(chǎn)生的載荷:
拉桿作用在支柱上的載荷:
以上二力之和:
(3)組合載荷WT
球罐基礎(chǔ)沉降差造成每根支柱的負載不均勻,這種情況較為復(fù)雜。球罐支柱的簡化模型如圖3所示。當(dāng)1#支柱沉降增加時,則1#支柱上承載的力將減小。對于其他支柱來說,相當(dāng)于在1#支柱位置施加了一個額外的載荷,而這個載荷作用時1#支柱底部放空無支撐,這個載荷需要其他支柱來承載。顯然,這個額外載荷對1#支柱附近的2#和3#支柱造成較大的載荷,而對離1#支柱較遠的支柱造成的額外承載較少。即1#支柱由于壓縮量減小而減少的那部分載荷,相鄰兩個支柱承載得最多,距離較遠的支柱承載得較少。
圖3 球罐支柱簡化模型
為方便計算,我們在此做一個保守的假設(shè),即假設(shè)1#支柱減少的那部分載荷由相鄰的2#和3#支柱各承擔(dān)一半。在該假設(shè)條件下,對2#、3#最危險支柱進行穩(wěn)定性校核,計算如下:
(1)1#支柱實際縮短量
1#支柱在WT作用下,縮短量為ΔX:
式中H0——支柱計算長度 (支柱底板底面到球殼中心的距離),為14200 mm;
A——單個支柱的橫截面積,mm2;
Es——支柱材料的常溫彈性模量,MPa。
但由于1#支柱多沉降ΔX′,故其實際縮短量為:
ΔY=ΔX-ΔX′=7.772-5=2.772 mm
(2) 2#、 3#支柱的實際載荷WT″
1#支柱實際承載:
1#支柱減少的承載由2#、3#支柱各承載一半,則2#、3#支柱實際載荷:
(3)2#、3#支柱液壓試驗時的總彎矩MT計算偏心彎矩:
附加彎矩:
式中 σTe——液壓試驗狀態(tài)下球殼赤道線的薄膜應(yīng)力,MPa;
Ri——球殼內(nèi)半徑,mm;
I——支柱橫截面的慣性矩,mm4;
E——球殼材料常溫彈性模量,MPa。
則
(4)2#、3#支柱穩(wěn)定性校核
支柱穩(wěn)定性校核公式為:
式中:Z為2#、3#支柱單個支柱截面系數(shù);φp為彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓支柱穩(wěn)定系數(shù),可按GB 12337—1998第 6.7.3條中式(49)計算得到;WEX為歐拉臨界力,N;λ為支柱細長比;k3為計算長度系數(shù),取k3=1;ri為支柱的慣性半徑;βm為等效彎矩系數(shù),取βm=1;γ為截面塑性發(fā)展系數(shù),取γ=1.15。
計算得
滿足穩(wěn)定性條件。因此,液壓試驗階段對1#、2#、3#支柱可暫不處理,液壓試驗仍可繼續(xù)進行。
該球罐在液壓試驗結(jié)束放水后,基礎(chǔ)回彈不均勻,1#支柱與2#、3#支柱基礎(chǔ)沉降差仍有3 mm。由于1#支柱底板與基礎(chǔ)未能緊貼,懸空了3 mm,故可采用在支柱底板下平墊鐵片進行處理 (見圖4),使支柱與基礎(chǔ)能貼緊,并能在球罐工作時承載。
圖4 底板下墊鐵處理
我們建議,在以后的球罐安裝液壓試驗過程中,遇到支柱沉降差較大的情況,可按上述強度計算方法進行支柱失穩(wěn)校核。如果不滿足穩(wěn)定性條件,則存在失穩(wěn)危險,應(yīng)停止液壓試驗,及時進行處理。在此,我們提出了一些增強球罐支柱穩(wěn)定性的措施:
(1)可以采用灌水和放水循環(huán)的方法,使基礎(chǔ)多次沉降回彈,并采取在底板下平墊鐵片的方法來調(diào)整基礎(chǔ)沉降,使各支柱的承載趨于均勻。
(2)按照 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》,對于因承重等原因無法注滿液體的壓力容器,可根據(jù)承重能力先注入部分液體,然后注入氣體,進行氣液組合壓力試驗,以減少基礎(chǔ)的承載壓力。
(3)為保證基礎(chǔ)質(zhì)量,基礎(chǔ)受力后沉降均勻,應(yīng)嚴格按照設(shè)計要求進行基礎(chǔ)建設(shè),并由土建質(zhì)檢站進行檢測合格。
(4)對于這類基礎(chǔ)存在隱患的球罐,在以后使用和檢驗中應(yīng)加強支柱垂直度、基礎(chǔ)沉降等項目的檢查,以杜絕球罐使用中倒塌事故的發(fā)生。
在球罐耐壓試驗過程中,支柱受到的載荷最大,基礎(chǔ)受到的載荷也最大。由于球罐基礎(chǔ)質(zhì)量和安裝施工等復(fù)雜因素,基礎(chǔ)往往產(chǎn)生不均勻的沉降。因此,基礎(chǔ)沉降問題是監(jiān)檢過程中經(jīng)常碰見的重要問題。
本文提出的計算方法可用于校核球罐在液壓試驗時是否有失穩(wěn)的危險。實踐證明,該方法方便可行。經(jīng)校核該球罐暫無失穩(wěn)風(fēng)險,試驗可以繼續(xù)進行?;貜椇笾е鶓铱諉栴}可采用墊鐵等辦法進行處理,所以我們認為該球罐支柱穩(wěn)定性合格。此外,本文還提出了一些增強球罐支柱穩(wěn)定性的措施。