3000 m3薄壁球罐設(shè)計中的若干問題

李騰蛟 李云福

（合肥通用機械研究院)

球形儲罐簡稱球罐，是用于儲存氣體或液體介質(zhì)的球形容器。與相同容積的其他儲存容器相比，其具有表面積小、重量輕、受力均勻、建造方便、外形美觀等優(yōu)點，在石油化工、城市燃氣的建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。江蘇某化工公司建造4臺3000 m3丁二烯球罐，球罐采用分析設(shè)計方法設(shè)計，安全系數(shù)ns=1.5，nb=2.4。球罐的設(shè)計參數(shù)為：操作壓力0.5 MPa，設(shè)計壓力0.8 MPa，設(shè)計溫度-20/50℃，內(nèi)徑18 000 mm。

1 設(shè)計材料的選擇

球罐的選材對球罐質(zhì)量的優(yōu)劣有著舉足輕重的影響。球罐用鋼的選擇原則是在考慮設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、介質(zhì)特性和滿足強度要求的前提下，應(yīng)保證有良好的成型性、優(yōu)良的焊接性能、較高的使用價值及經(jīng)濟價值。目前我國建造的大型球罐主要用鋼為16MnDR、Q345R、Q370R和調(diào)質(zhì)鋼等鋼種。按照大型球罐選材的要求，對這4臺3000 m3丁二烯球罐進行設(shè)計選材。根據(jù)現(xiàn)有球罐設(shè)計參數(shù)，球罐受壓材料主要集中在Q345R、Q370R鋼種中選取 （見表1和表2）。

薄壁球罐由于存在單片面積大、鋼板壁薄、剛性差的特點，故在受壓鋼板滿足強度要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對兩種鋼板的剛度進行計算校核[2]。

（1）選用材料Q345R

丁二烯在-20℃下的飽和蒸汽壓為：

表1 3000 m3丁二烯球罐選材方案對比

表2 球罐用鋼機械性能對比

假設(shè)δn=22 mm，鋼材厚度負偏差C1=0.3 mm，腐蝕余量C2=1.5 mm，厚度附加量C=1.8 mm。因此，鋼板有效厚度為δe=δn-C=20.2 mm。

球罐設(shè)計容積V=3000 m3；

球罐內(nèi)直徑Di=18 000 mm；

球罐外直徑Do=Di+2δn=18 044 mm；

球罐外半徑Ro=Do/2=9022 mm。

參考GB 150.2—2011中外壓球殼的計算，計算系數(shù) A=0.125/(Ro/δe)=0.000 279 87。確定外壓應(yīng)力系數(shù)B，查GB 150.2—2011中表4-6得 B=38。

許用外壓力 ［p］=B/(Ro/δe)=0.085 08 MPa

［p］ -|0.1-P飽和|=0.037 8 MPa

計算結(jié)果滿足球罐剛度要求。

（2）選用材料Q370R

Q370R材料彈性模量為E=206 000 MPa。

丁二烯在-20℃下的飽和蒸汽壓為：

假設(shè)δn=21 mm，鋼材厚度負偏差C1=0.3 mm，腐蝕余量 C2=1.5 mm，厚度附加量C=1.8 mm。因此，鋼板有效厚度為δe=δn-C=19.2 mm。

球罐設(shè)計容積V=3000 m3；

球罐內(nèi)直徑Di=18 000 mm；

球罐外直徑Do=Di+2δn=18 042 mm；

球罐外半徑Ro=Do/2=9021 mm。

參考GB 150.2—2011中外壓球殼的計算，計算系數(shù)A=0.125/(Ro/δe)=0.000 266。確定外壓應(yīng)力系數(shù)B，查表計算得B=2AE/3=36.53。

許用外壓力 ［p］=B/(Ro/δe)=0.077 7 MPa

［p］ -|0.1-P飽和|=0.030 4 MPa

計算結(jié)果滿足球罐剛度要求。

Q345R是用量很大的壓力容器專用鋼板，鋼材的強度較低，焊接性良好，韌性好，鋼板價格及用于球罐的焊材較Q370R低廉，國內(nèi)對于建造3000 m3球罐有成熟經(jīng)驗。此外，建造的該球罐剛度裕量也很大。

Q370R焊接性能與Q345R相近，強度和韌性高于Q345R，在相同條件下可降低球殼板厚度，節(jié)省材料。但Q370R鋼板價格較貴，且易產(chǎn)生延遲裂紋，焊接環(huán)境要求高。一般在設(shè)計厚度≤50 mm時使用。

在滿足強度要求和剛度要求的條件下，Q345R強度略低，韌性略差，但是較Q370R剛度性能更好，焊接要求偏低；同時，考慮焊材及球罐質(zhì)量等方面，采用Q345R經(jīng)濟性更為優(yōu)越。通過對Q345R、Q370R兩種方案的綜合比較，3000 m3丁二烯球罐用鋼最終采用Q345R鋼材。

2 球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計

確定球殼幾何尺寸的原則[4]：少分帶，盡量加大球殼片的幾何尺寸，目的為減少球體焊縫長度，減少焊材的使用，節(jié)約成本。同時，焊縫的減少也減少了球罐產(chǎn)生缺陷的概率，因為球罐的缺陷大多產(chǎn)生在焊接接頭部位。但是球殼板尺寸受到壓片機能力以及球片運輸?shù)南拗?，所以，球殼板幾何尺寸的大小?yīng)根據(jù)實際情況而確定。

設(shè)計過程中考慮比較了兩種方案。第一種方案：采用混合式三帶十支柱型式；第二種方案：采用混合式四帶十支柱型式，見圖1。第一種方案球罐分瓣少，焊縫數(shù)量少 (長度約為469 225 mm)，單個球殼片尺寸大，施工工期短。第二種方案球殼分瓣多，焊縫長度大 (長度約為525 578 mm)，施工工期長，但是單個球殼片尺寸較小。本球罐屬于薄壁球罐，剛度較小。第一種方案具有焊縫長度短、球罐出現(xiàn)缺陷幾率較小、總體造價低、工期短等優(yōu)勢。但是單個薄壁球殼片尺寸過大，剛性差，易變形，即使在制造廠出廠檢驗時滿足尺寸要求，運輸至現(xiàn)場組裝時也極易出現(xiàn)較大尺寸誤差，給安裝焊接過程帶來極大不便。綜合考慮兩種方案，最終球罐結(jié)構(gòu)采用混合式四帶十支柱型式。

圖1 混合式四帶十支柱型式球罐

為了使極側(cè)板的尺寸能夠適應(yīng)鋼板供貨的要求，設(shè)計中采取了增大上溫帶和赤道帶板球心角、減小極側(cè)板寬度和嚴格控制極側(cè)板尺寸等措施。

3 制造安裝技術(shù)條件

3.1 鋼板的要求

在制造條件中，對鋼板的化學成分提出了比較嚴格的要求，嚴格控制S、P含量，其中S含量≤0.01%，同時規(guī)定用于球罐的鋼板必須達到-20℃時三個標準試樣的沖擊功平均值KV2≥60 J（單個最小值≥42 J），高于標準GB 713—2008 《鍋爐和壓力容器用鋼板》 (含第1號修改單)對Q345R鋼板的性能要求[3]。對組焊用焊條J507R熔敷金屬性能需達到-30℃沖擊功KV2≥54 J(平均值)，單個最小值≥38 J。通過以上措施，可保證球罐的機械性能及較好的韌性。

3.2 制造尺寸控制

由于該球殼板壁薄、剛性差，在球殼板壓制過程中易變形，特別是球殼板組焊支柱的位置極易產(chǎn)生曲率超標現(xiàn)象[5-6]，所以，建議制造廠在壓制前預(yù)先考慮變形量，在赤道板與支柱組焊位置采用反變形措施，以補償焊接過程中的變形量，保證焊接后其曲率合格。同時設(shè)計專用防變形胎具，在胎具上施焊。球殼片單片尺寸大、剛性差，因而在球殼板與支柱焊接后，應(yīng)將其連同胎具一起進行消除應(yīng)力熱處理，冷卻后拆除胎具。

在制造施焊方面，規(guī)定了具體的焊前預(yù)熱溫度及焊接層間溫度，控制焊接電流不超過40 kJ/cm。施焊時，采用窄焊道、薄層多層焊，每一焊道寬度不大于焊芯直徑的4倍，每一層焊道的厚度不超過3.5 mm。對焊接工藝評定、焊工資格及焊縫清根返修后幾何尺寸的檢查都提出了具體的要求，規(guī)定了嚴格的焊接材料管理方案。通過各種措施減少焊接變形，減少焊接應(yīng)力。

3.3 焊后整體熱處理

焊后熱處理的目的是消除存在于球罐上由于組裝焊接造成的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭性能，提高整體球罐抗應(yīng)力腐蝕的能力，同時穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。參照GB 12337—1998《鋼制球形儲罐》關(guān)于焊后整體熱處理的要求[1]，對22 mm厚的Q345R薄壁球罐進行焊后整體熱處理。在球罐安裝時易產(chǎn)生角變形超標。出于減少球罐上的焊后殘余應(yīng)力，改善球罐拘束度，提高球罐穩(wěn)定性的考慮，要求本球罐在壓力試驗之前做整體焊后熱處理。熱處理工藝溫度為600±25℃，恒溫時間1 h。加熱以內(nèi)燃法為主，以電加熱方法為輔，以確保熱處理效果。溫度高于400℃以上時，升溫速度宜控制在50～80℃/h，降溫時降溫速度宜控制在30～50℃/h；當溫度降到400℃以下時，方可自然冷卻。

4 結(jié)語

大型薄壁球罐因其球殼板壁薄、單片尺寸大、剛性差，因而與常規(guī)球罐相比在選材、球罐結(jié)構(gòu)選取、組裝、焊接等方面均有所不同，應(yīng)引起設(shè)計者的注意。對于薄壁球罐，在設(shè)計階段不僅要求其滿足強度的要求，對剛度也需要慎重考慮并且進行校核。同時，為了保證球罐最終的整體質(zhì)量，從制造、組裝、焊接上均制定了詳細合理的措施，要求制造及安裝單位遵循制造、安裝技術(shù)條件，制定嚴格的工藝方案并認真執(zhí)行，以確保球罐驗收合格并安全運行。

[1]GB 12337—1998.鋼制球形儲罐 [S].

[2]GB 150—2011.壓力容器 [S].

[3]GB 713—2008.鍋爐和壓力容器用鋼板 （含第1號修改單） [S].

[4]王芳.2000 m3液化氣球罐設(shè)計研究 [J].投資與創(chuàng)業(yè)，2012 （8）： 102-103.

[5]陳定岳，劉平，黃宏彪,等.4000 m3薄壁球罐制造中的幾個問題 [J].石油化工設(shè)備，1997（3）：36-38.

[6]蔣受林,杜志明,王能干.大型薄壁球罐組裝及焊接變形的控制措施 [J].石油工程建設(shè)，2004（5）：27-29.