球形储罐盘梯通用设计方法

2012《化工设备与管道》增刊一球形储罐盘梯通用设计方法李晓波，达伟（中国寰球工程公司）摘　要：主要介绍了适合于球型储罐盘梯与顶平台的多种连接方式的通用设计方法。关键词：球型储罐；盘梯；通用设计方法随着世界各国综合国力和科学技术水平的提高，球形储罐的制造水平也在飞速发展。近年来，我国在石油化工、合成氨、城市燃气的建设中，大型化球形储罐得到了广泛的应用。球罐外部一般设有顶部平台，中间平台以及为了从地面进入这些平台的斜梯、直梯或盘梯。由于球罐的工艺接管及人孔绝大部分都设置在上极板处，顶部平台即作为工艺操作的平台。中间平台的设置是为了操作人员上下顶部平台时中间休息，或者是作为检查球罐赤道部位外部情况用的。球罐的梯子和平台结构往往根据球罐的数量、现场布局和工艺操作要求，有不同结构形式。本文只研究每台储罐采用一个单独盘梯的大型储罐盘梯的设计方法。盘梯结构分成上部盘梯和下部盘梯两部分。上部盘梯的较好形式是把它造成近似球面螺旋线形。因为近似球面螺旋线盘梯具有以下特点：（）由赤道处中转平台可以一直连接到容器顶部的平台，中间不需要增加中转平台，行程较短，行走舒适，没有陡升陡降的感觉；（）耗用钢材较少；（）梯子与球面的距离始终保持不变。这样，不仅梯子与球面曲率协调一致，美观大方，还有利于保温工程以及其他辅助公用工程的施工。这种近似于球面螺旋线形盘梯实际上是球体与圆柱体的相贯线，其形成规律如下：（）盘梯的内侧板是由一个与球罐同心而直径较大的假想圆球和一直径小于假想球半径与赤道圆内切于圆柱面，垂直正交而形成的相贯线左侧上部的一部分；（）盘梯外侧板是由一个与球罐同心并共一根垂直轴的旋转椭球面（椭球的水平半轴大于垂直半周）和一直径大于椭球水平半轴，并与内侧板假想圆柱同轴，内切于旋转椭球面赤道圆的圆柱面，垂直正交而形成的相贯线左侧上部的一部分；（）内外侧板的上边线在盘梯任意水平回转角方向上，对应点高度相等，保持踏步的水平。球罐盘梯设计时分为两部分，分别为赤道面以上沿着球面盘绕的部分和球罐赤道面以下的沿柱面盘绕的部分，参见图。图1　球罐盘梯示意.赤道面下盘梯中间平台；.赤道面下盘梯；.赤道面平台；.赤道面上盘梯2012年全国石油化工设备年会会刊1　球罐赤道面以上沿球面盘绕的部分（）盘梯与顶平台连接处的盘梯中心线与球罐母线重合的情况（参见图）。图2　赤道面上部盘梯（盘梯与顶平台连接处的中心线与球罐母线重合）假设　R——假想圆球半径；　　　R——顶平台半径；　　　R——盘梯假想盘绕柱半径；　　　O(X0，Y0）——盘梯假想盘绕柱中心坐标；　　　Z——罐顶平台上表面距球罐赤道面距离（此距离通常由管道专业根据操作情况提出）；　　　B——盘梯宽度。则：设假想圆柱的方程为（X-X0）+（Y-Y0）＝R（）边界条件为（如图建立坐标系）：①由图可知盘梯内侧板与罐顶平台连接点坐标为；②X0=-R；③赤道带上部盘梯与下部盘梯内侧板连接点C到O点的距离等于A点到O点的距离：将以上个边界条件带入到方程[]中，解方程得到O点坐标为假想圆柱方程为：　　　()又假想球方程为：X+Y+Z＝R（）将方程[]、[]联立，就可以解出赤道面上部盘梯内侧板的方程，解法为：首先以（X0,Y0）为原点建立极坐标，按照一定的步进值α’在方程[]中取点，得出多个X值和Y值，再将此X、Y值代入方程[],解出Z值。以极坐标α在方程[]取得的弧长为横坐标，对应点的Z值作为纵坐标，即可绘制出盘梯内侧板的图样。图样为多点（Rα极，Z）绘制出的样条曲线其中　α极=nα’；　n——取点个数，其值为0，，……。盘梯外侧板的图样为多点绘制出的样条曲线。用此方法绘制出的内外侧板的样条曲线的起始点为盘梯与顶平台的连接点，且为内外侧板的上边线。盘梯包角α（）盘梯与顶平台处的中心线与球罐母线不重合的情况（参见图）。图3　赤道面上部盘梯（盘梯与顶平台连接处的中心线与球罐母线不重合）此时，顶平台多为矩形，且根据实际情况或其他相关专业提出盘梯的中心线不能与球罐母线重合。此时的设计方法也比较简单，只需要将（）设计方法中的A点坐标按照实际情况确定，然后代入到（）设计方法中的各方程即可。本文所述的设计方法与一些相关书籍中的设计方法的区别，正是方便了此种情况的设计。一些书籍2012《化工设备与管道》增刊一中的设计方法是以盘梯中心线为研究对象的，这样在制图时还要进行大量的转化工作才能绘出盘梯内外边板的图样，而利用本文的设计方法则可以直接绘出盘梯内外边板的图样。2　球罐赤道面以下的沿柱面盘绕的部分参见图。假设：　图4　赤道面下部盘梯　H——球罐赤道标高；　H——盘梯起始位置标高；　α内——盘梯内侧板升角（通常为°）；　R——盘梯内侧盘绕假想柱半径,其值与假想球半径相同；　B——盘梯宽度；　K——中间平台个数；　M——中间平台内侧板长度。内侧板展开长度(若有中间平台则此值为各块内侧板总长)L内：外侧板的展开长度(若有中间平台则此值为各块外侧板总长)L外：外侧板升角α外盘梯包角α：中间平台外侧长度M'：通常情况下在球罐赤道面上应设置一个中间平台（赤道面平台），并且此平台应包括在球罐赤道面以下的沿柱面盘绕部分的盘梯内，赤道面以上部分盘梯从此中间平台的末端开始设计，这样便于整个盘梯的设计和计算。