球罐球壳板一次下料的优化计算
2016-12-07徐翔,常虎
徐 翔,常 虎
(合肥通用机械研究院,安徽合肥230031)
球罐球壳板一次下料的优化计算
徐 翔,常 虎
(合肥通用机械研究院,安徽合肥230031)
通过理论分析和具体工程实例介绍不同结构形式(桔瓣式和混合式)球罐球壳板一次下料的计算方法及相关公式,列举400 m3桔瓣式液氨球罐和6 000 m3混合式丙烷球罐的下料计算实例,并在实践中验证上述方法的准确性,证明采用此方法可以直接确定原材料钢板的订货尺寸,提高了材料利用率。比较混合式球罐和桔瓣式球罐的材料利用率,探讨赤道带所含球心角与材料利用率的关系,以及增加温带对材料利用率的影响。
球罐;一次下料计算;材料利用率
0 前言
球壳板是球型容器的主体,质量约占球型容器的90%。合理提高球壳板材料的利用率,是降低球型容器成本的关键环节。
我国在20世纪60年代球壳板的材料利用率为55%,到了20世纪80年代材料利用率为60%~65%。目前,美国的材料利用率为83%,我国、日本和韩国球壳板的材料利用率均约为80%。
按照本研究能准确地计算出钢板压型后的尺寸变化(也称为“拱高”),将之和工艺留量、复验及试板用料预先加在球壳板的净尺寸上,就能得出比较准确的钢板一次下料尺寸。根据一次下料尺寸从钢厂订购定尺板,能有效提高球壳板的材料利用率,特别是对于四带混合式球罐,球壳板的材料利用率可以提高到约85%[1-5]。
1 拱高
钢板从平面造型成为一定曲率的双曲面球片的过程中会发生一定的物理变化,使球片长度方向的弧长较之最初钢板的长度(轧制方向)发生缩短,缩短的长度称之为拱高H。
如果在下料计算中忽略了拱高,或冒进地对拱高进行折算,很可能使壳板长度不足,甚至材料报废;如果保守地将拱高预留出很大的留量,又会浪费原材料,降低材料的利用率。
1.1 实际测量发现拱高
以某6 000 m3球罐的赤道板为例,压型前钢板的实际测量尺寸为52 mm×2 984 mm×12 005 mm。一次压型结束后测量,壳板中心线长度弧长仍为12 005 mm,离边缘200 mm处壳板长度弧长缩小到11 935 mm,钢板边缘处长度弧长11 924 mm,钢板中心线宽度2 984 mm,边缘处宽度2 983 mm。
1.2 拱高产生原因
压型过程中,因钢板的形状发生改变,钢板局部受到压头带来的张力、相邻点的约束力和晶粒之间的作用力等联合作用。在靠近钢板边缘部分,相邻点的约束力减弱或消失,导致钢板头部两端回缩。在整个压型过程中,钢板的质量不会发生改变,但钢板厚度会发生变化,中间区域厚度减薄,边缘区域厚度增加。原本52 mm厚的钢板在压型后测厚,发现钢板中间区域厚度可能只有50 mm,而边缘一圈区域的厚度增加至54 mm。在钢板中心线上,增厚区与减薄区基本持平,但越远离中心线,增厚区的比例越大(根据体积不变原理,厚度增加,则长度必然会减小),从而造成钢板中心线上尺寸没有改变,越远离中心线尺寸减少得多。又因为钢板轧制时晶粒沿轧向有一定程度的变形,以上现象只在钢板轧制方向上比较敏感,所以压型后的钢板只有长度方向上尺寸的变化,宽度上尺寸基本不变。
1.3 拱高H的图示
由于球壳板是双曲面,不可能在平面上精确展开。但如果把赤道带看成近似锥体,因锥体的表面是可以展开的,按锥体展开原理近似展开球壳板,就能在展开图上直观地表示出拱高H并用于计算。以某球罐的温带板为例,如图1所示。
图1 球罐温带板近似展开示意
1.4 拱高H的计算
式式R为球罐半径;θ为极带对应的球心角的一半;L1为温带板小头宽度弧长。
1.5 拱高值与θ角的关系
根据壳板对应的θ角不同,真正产生的拱高在数值上并非都等于H。实际上,当壳板对应的θ=45°时,拱高值最大,等于H;当θ角减小到15°或增大到75°时,产生的拱高值仅为0.3H;当θ角减小到10°及以下,或增大到80°及以上时,实际产生的拱高值是0。一般球罐在设计时θ角不会过大或过小,且拱高H的大小对材料利用率来说影响不算太大,因此在下料计算时,只要是需要增加拱高值的壳板,习惯上都会增加整个的H而不再详细地计算。
2 桔瓣式球罐球壳板的一次下料计算[1-5]
设三带桔瓣式球罐的半径为R;赤道带球心角为α,均分为n片组成;上、下极带中每片极侧板和极中板宽度各对应的球心角均为β,如图2所示。
图2 三带桔瓣式球罐结构示意
2.1 桔瓣式球罐赤道板的一次下料计算
按照式(1)可得
赤道板(标准赤道板、非标准赤道板或温带板的长度方向加H)的一次下料尺寸为
式中A为工艺预留量,以下同。
2.2 桔瓣式球罐极中板的一次下料计算
极中板的一次下料尺寸为
2.3 桔瓣式球罐极侧板的一次下料计算桔瓣式球罐的极侧板长度方向弦长Cy为
极侧板长度方向对应的球心角设为φ,则有
将极侧板假设成赤道板,计算假想头部宽度的弧长L1
由式(1)得
极侧板的一次下料尺寸为
2.4 计算实例
已知某400 m3液氨球罐φ9 200×38上下极带球心角都为90°,均分三片组成,赤道带球心角为90°,均分12片组成,确定订购钢板的数量及尺寸,如表1所示。
表1 400 m3液氨球罐球壳板钢板订货明细
按照表1采购,需用毛料约97.772 t。
球壳板净质量:P=Am×0.038×7.85=79.975 t。
材料利用率:79.975÷97.772=81.8%
下料系数为:97.772÷79.975=1.22
3 混合式球罐球壳板的一次下料计算[1-5]
假设四带混合式球罐半径为R;赤道带球心角为α,均分为n片组成;温带球心角为β,均分为n片组成;上、下极带的极中板、极侧板和极边板宽度方向对应的球心角均为γ,如图3所示。
3.1 混合式球罐赤道板的一次下料计算按照式(1)可得
赤道板(对于三带式标准赤道板长度加2H)的一次下料尺寸为
图3 四带混合式球罐结构示意
3.2 混合式球罐温带板的一次下料计算
温带板的一次下料尺寸为
3.3 混合式球罐极中板的一次下料计算极中板的一次下料尺寸为
3.4 混合式球罐极侧板的一次下料计算
极侧板长度方向弦长Cy为
将极侧板假设成赤道板,计算假想头部宽度的弧长L1
按照式(1)得
极侧板的一次下料尺寸为
3.5 极边板的一次下料计算
极边板下料计算时需要注意的是,图纸上标出的长边长度弧长并非长度方向的真实弧长,长度方向弧长Ly需根据长度方向的弦长另行计算。
极边板的一次下料尺寸为
3.6 计算实例
已知某四带混合式6000m3丙烷球罐φ22 600× 52,上下极带球心角均为75°,极中板、极侧板和极边板对应的球心角均为15°,赤道带球心角为60°,均分24片组成;温带球心角为45°,均分为24片组成,确定订购的钢板数量及尺寸如表2所示。
按照表2采购,需用毛料约788.663 t。
球壳板净质量:P=Am×0.052×7.85=658.015 t
材料利用率:658.015÷788.663=83.4%
下料系数为:788.663÷658.015=1.20
4 球罐形式与材料利用率的关系
4.1 材料利用率
混合式球罐与桔瓣式相比材料利用率普遍较高。一般400 m3以下的球罐才采用桔瓣式结构。
4.2 赤道带所含球心角与材料利用率的关系
以某三带混合式1 500 m3球罐为例(球罐半径7 100 mm,壁厚48 mm,赤道带均分为20片组成)。
当赤道带球心角为80°时,壳板材料利用率理论计算值为85.6%;当赤道带球心角为67.5°时,壳板材料利用率理论计算值为85.9%。可见,赤道带对应的球心角减小,材料利用率会有一定的提高,但提高幅度不大;同时,赤道带球心角减小将使球罐总体焊缝变短,更有利于现场安装;但其缺点是:赤道带球心角减小将会增加极板宽度,对于容积更大的球罐,很可能因运输板宽的限制影响球壳板的运输。
表2 6 000 m3丙烷球罐球壳板钢板订货明细
4.3 增加温带与材料利用率的关系
以某混合式3 000 m3球罐为例(球罐半径为9 000 mm,壁厚48mm,赤道带均分为20片组成)。当设计为三带式,赤道带球心角为80°时,壳板材料利用率理论计算值为85.6%;当设计为四带式,赤道带球心角为60°,温带球心角为45°时,壳板材料利用率理论计算值为83.2%。可见,增加一个温带,材料的利用率反而降低,这是因为壳板数量增加导致的工艺预留量增加引起的。但是对于体积较大、壁厚较薄的球罐,增加一个温带可以减小球片尺寸,能使球片在运输或吊装过程中变形量减小,更有利于现场安装。
5 结论
(1)提出了桔瓣式和混合式球罐一次下料优化计算的计算方法。
(2)列举了400 m3桔瓣式液氨球罐和6 000 m3混合式丙烷球罐的下料计算实例,在实践中验证该计算方法的准确性。
(3)探讨了球罐形式和材料利用率的关系。
[1]GB 12337-1998,钢制球型储罐[S].
[2]GB 50094-2010,球型储罐施工规范[S].
[3]GB/T 709-2006,热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差[S].
[4]孙玉辉.混合式球罐球壳板表面积及重量的计算用表[J].化工设计,1995(5):46-47.
[5]康鸿雁,张福廷.球罐球壳板的划线与切割[J].压力容器,2005,22(4):42-46+54.
Primary blanking calculations of spherical tank shells
XU Xiang,CHANG Hu
(Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,China)
In this paper,a method of primary blanking calculations of shells of spherical tank with different structural types(orange petal type and combination type)is instructed in details by theoretical analyses and examples,and the relative calculation formulas are given.Blanking calculation examples of a 400 m3liquid ammonia spherical tank with orange petal type and a 6 000 m3propane spherical tank with combination type are enumerated,and accuracy of this calculation method is verified in practices.The ordering dimensions of the primary materials steel plates can be figured out directly by this method,and material utilization ratio can be increased greatly.The material utilization ratios respectively of spherical tank with orange petal type and with combination type are compared.To explore the relationship between the sphere centre angle and the material utilization ratio,and increase the temperate zone to the impact of material utilization.
spherical tank;primary blanking calculations;material utilization ratio
TG48
A
1001-2303(2016)09-0083-05
10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.19
2016-03-10;
2016-04-20
徐翔(1982—),女,安徽阜阳人,工程师,学士,主要从事压力容器用钢的腐蚀与应用研究工作。