大型真空球形容器的稳定性设计研究

大型真空球形容器的稳定性设计研究

付红栓 李赵

上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

摘要:伴随着时间的不断推移，工业企业当中的生产流程装置向着大型化、精密化的方向所发展和前进，同时，对压力容器也提出更高的要求，压力容器需要紧紧跟随时代发展的脚步 进行变革。通过应用非线性外压稳定性设计方法，对球壳加筋结构的外压稳定性展开认真的分析，发现球壳加筋结构在真空球形容器抗外压上面有着非常明显的作用。因此，本篇文章主要对大型真空球形容器的稳定性设计进行认真的分析，以做参考。
关键词:大型；真空球形容器；稳定性；设计；
经过认真的分析和研究之后发现，将大型真空球形容器加入到研究飞行器空气动力学的风能系统当中去，所呈现出来的效果并不是非常理想，出现的失效模式主要为外压失稳问题，真空球形容器它的体积非常的大，但是具体的工作经验较少，在实际承建的过程当中，不仅需要确保安全性，还要将建设的经济性加入到考虑范围当中去。基于此，本文下面主要针对于大型真空球形容器的稳定性设计展开深入的探讨。
1、新时代背景之下压力容器发展的主要方向和趋势分析
21世纪的到来，代表着人们已经走到了一个新的时期，现阶段石油、化工技术发展的速度非常快，主要表现在多个方面，其一:炼油、化肥、乙烯等具有成熟特点的产品传统工艺向着更加精简和节约能耗的方向所发展和转变；其二:石油装置设计能力的准确度大幅度提升，装置操作时间提高到了3年和3年以上；其三:污水处理以及回收等各种单元装置从最初的配角地位向着主角地位转变；其四:化工产品的革新速度极快，更多的新工艺、新材料加入到了企业当中去，并对传统的生产装置进行更新。
压力容器在石油化工企业和国民经济当中扮演着重要的角色和占据关键的位置，主要表现包括，其一:传统设备向着大型化的方向所发展，新材料、新的制作工艺应运而生，强度、刚度计算技术也得到更好的发展。其二:装备的可靠性及安全性非常强。其三:传热、传质等化工单元专业设备也向着更加高效的方向发展。其四:天然气存储容器受到政府与相关部门的广泛关注与重视，而且其发展还会有很大的空间^[1]。
2、设计方法的确定
外压圆柱形壳体经过了加筋，让长圆筒变为了短圆筒，这样做的目的就是将外压圆筒的刚性大幅度在提升，而且圆筒的抗压能力也得到明显的提高。通过对外压圆柱形壳体加筋提升外压稳定性进行认真的分析，之后将其作为基础，本篇文章主要应用球壳加筋的方法，将外压球壳的稳定性进一步的提升。经过认真了解之后发现，现如今无论是国内还是国外，针对于压力容器设计标准都没有涉及到加强筋的外压球壳的设计计算问题。又对1000m³光面球壳与加筋球壳设计进行比较，发现二者之间有着很大不同与差异，而且认为球壳加筋在减轻质量等方面有着一定的效果，但是还需对建造成本进行深入的分析，光面球壳的经济性会更好一些。为了能够确定真空球形容器的设计方案，还需要对光面球壳与球壳阶级两种设计方案外压稳定性所产生的影响进行认真比较^[2]。
(1)计算模型
通过应用缩小的模型展开光面球壳与球壳加筋结构外压稳定性的计算，这样做的目的是为了降低和减少计算的规模。图1是光球壳结构计算模型。图2则是球壳结构计算模型。

图1 光球壳结构计算模型 图2 球壳结构计算模型

(2)计算结果

按照GB150.3-2011，应用小变形理论公式对光面球壳结构的外压稳定性展开了相关的计算，又应用有限元非线性的方法，将原有缺陷系数进行了改变，以分别的方式对光面球壳结构以及球壳结构展开相关的计算，再比较两种结构的临界外在压力，最终的结果如表1所示

通过对表1当中的内容进行认真的分析会发现，光面球壳结构真空球形容器的稳定性并不是一成不变的，而是会伴随着缺陷系数的不断长大而慢慢的下降，之后球壳加筋结构真空球形容器的外压稳定性会伴随着缺陷系数的增大也出现降低情况，当缺陷系数已经达到了一定值之后，真空球形容器的外稳定性不会再下降，也就是说真空球形容器采用球壳加筋结构，可以将外压稳定性对于缺陷的敏感性产生下降。球壳加筋结构的这一明显特点，对于制造过程当中形状无法有效控制的、具有大型特点的真空球形容器十分有效^[3]。

3、结语

首先，经过认真的调查之后发现，无论是国内还是国外针对于压力容器相关标准当中都没有涉及到球壳加筋结构真空球形容器的解析设计计算方法，这时可以应用非线性法对球壳加筋结构真空球形容器的外压稳定性展开相关的计算。其次，通过将球壳加筋结构和光面球壳结构进行比较，发现球壳加筋结构在有效降低真空球形容器外压稳定性对原来缺陷的敏感性等方面发挥出了非常关键的作用，而且对于在制造过程当中形状偏差非常难以控制的、具有大型特点的真空球形容器有着重要的帮助作用。再则，通过应用非线性方法展开外压稳定性的设计的过程当中，传统缺陷的取值并没有统一性的方法，通过应用非线性对球壳加筋结构真空球形容器展开外压稳定性的计算，可以应用小变形理论公式来展开相关的计算。最后，对于具有大型特点的真空球形容器应用外壳加筋结构可以节约更多的重要材料，而且所呈现出来的经济效益也非常的明显。

参考文献：

[1]姚志燕,齐大伟,王林,吴晓红,陈永东,郭春光. 大型真空球形容器的稳定性设计[J]. 石油化工设备技术,2018,39(04):12-15+69.

[2]吴晓红,郭春光,李永泰,陈永东,倪利刚. 10000m~3真空球罐的外压稳定性分析[J]. 压力容器,2014,31(07):41-48.

[3]卢耀文,吴端,王欢,杨传森,魏萌萌,梁明超,陈静,闫睿,陈俊儒. 一种(10~5～10~(-8))Pa真空计校准装置的设计[J]. 真空科学与技术学报,2021,41(01):29-34.