大直徑整體多層包扎高壓氮氣儲罐的研制

馬 茂 羊衣木

（1.四川大學化工學院 2.四川科新機電股份有限公司）

0 引言

高壓氮氣儲罐常采用整體多層包扎式結構。整體多層包扎式結構也稱為整體多層夾緊式結構，最早是由華南理工大學和長沙化工機械廠基于德國Krupp公司研制的整體包扎縱、環縫錯開式多層容器結構而開發出來的[1]。這種多層結構是利用液壓機械手將層板逐層包扎在整體內筒上且縱、環焊縫均勻錯開，它綜合了現有多層壓力容器結構形式的優點 （工藝簡單、質量易保證、材料利用率高、安全性高、制造中不需要大型設備），而且適用于現場組裝，對不便于運輸的大型容器更為有利，是一種較為理想的多層容器結構形式[2]。

高壓氮氣儲罐的結構如圖1所示，主要設計參數及要求如表1所示。

1 主要受壓元件的材料性能要求

1.1 球形封頭、內筒、層板的材料要求 [3]

球形封頭、內筒、層板均采用正火板，每批鋼板的化學成分和力學性能除符合GB 713的要求外，還應符合下述幾項要求：

圖1 高壓氮氣儲罐結構

表1 高壓氮氣儲罐的技術特性

（1）金屬夏比V型缺口沖擊試驗

內筒和球形封頭的鋼板應逐張按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行夏比V型缺口沖擊試驗，試驗溫度0℃，三個試樣平均值Akv≥34 J，單個試樣最小值Akv≥24 J。

（2） 無損檢測

內筒和球形封頭的鋼板按JB/T 4730進行100%超聲檢測，達Ⅱ級合格。

（3） 硬度要求

為確保鋼板經機加工、焊接和焊后消除應力熱處理后的硬度值不超過220 HV10，鋼板交貨狀態的硬度值應≤200 HV10。

（4） 鋼板質量

層板用鋼板厚度負偏差為零，逐張檢查鋼板的表面質量和測厚。

1.2 主體鍛件的材料要求 [4]

人孔凸緣和人孔蓋為主要受壓鍛件，材質為20MnMoⅣ，鍛件的化學成分、力學性能除符合NB/T 47008的要求外，還應符合下述各項要求。

（1） 鍛造工藝

三維鍛造，鍛造比≥3。

（2） 熱處理

鍛件應進行淬火加回火熱處理。

（3）夏比V型缺口沖擊試驗

夏比V型缺口沖擊試驗應按GB/T 229《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行，試驗溫度0℃，三個試樣平均值Akv≥41 J，單個試樣最小值Akv≥29 J。

（4） 硬度要求

為確保鍛件經機加工、焊接和焊后消除應力熱處理后達到NB/T 47008的要求，鍛件交貨狀態HB≤180。

2 零部件的制造及其質量控制

2.1 球頭部件制造的關鍵工序

2.1.1 球形封頭的制造與檢驗

（1）拼縫的坡口采用機械加工而成，坡口的表面及附近區域按JB/T 4730進行100%滲透檢測，無裂紋、分層等缺陷。

（2）拼縫的對口錯邊量b按 “0”控制，在成形前應將焊縫余高打磨至與母材齊平。

（3）成形后用帶間隙的全尺寸樣板檢查內表面的形狀偏差，內凹≤12.5 mm，外凸≤25 mm。

（4）封頭內外表面按JB/T 4730進行100%超聲和磁粉檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。

（5）封頭拼縫按JB/T 4730進行100%射線和超聲檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。2.1.2 人孔凸緣的制造與檢驗

（1）為保證人孔凸緣角縫的焊接質量和密封面的密封性能，凸緣密封面暫不加工，內孔留一段100 mm加工到?485 mm。

（2）螺柱孔劃線后鉆螺紋底孔至?50 mm （鉆孔步驟為粗鉆→精鉆→擴孔），再鏜底孔至?57 mm，留二次加工余量。

（3）螺柱孔中心圓直徑偏差±0.6 mm，相鄰兩孔弦長偏差±0.6 mm，任意兩孔弦長偏差±1.5 mm，螺柱孔軸線垂直于端面，公差為0.15°。

（4）螺紋尺寸按GB/T 196的規定，公差按GB/T 197的規定，未注尺寸公差按GB/T 1804中的f級規定。

2.1.3 球頭部件的無損檢測[5]

（1）接管與法蘭的B類焊縫按JB/T 4730進行100%超聲檢測，達Ⅰ級合格。

（2）凸緣與球頭的D類焊縫按JB/T 4730進行100%射線檢測，達Ⅱ級合格，合格后再進行≥20%超聲檢測，達Ⅰ級合格。

（3）管口公稱尺寸≥152.4 mm(6″)的D類焊縫按JB/T 4730進行100%超聲檢測，達Ⅰ級合格;公稱尺寸＜152.4 mm(6″)的D類焊縫進行100%滲透檢測，達Ⅰ級合格。

2.1.4 球頭部件的質量控制

（1）人孔凸緣的端面與封頭端面的平行度誤差小于1 mm。

（2）加厚接管與球頭組焊時，采用防變形工裝，防止焊接時發生變形。

（3）熱處理前對封頭組件進行全面檢查，合格后進行爐內整體消除應力熱處理。對法蘭密封面、螺孔要進行保護，并采用工裝防止各管口發生變形。

（4）采用鏜床加工人孔凸緣的內孔 （圖2）、凸緣端面、密封面，必須保證凸緣的內孔、密封面、端面與球形封頭的同心度，加工人孔凸緣螺栓孔底孔到位，球形封頭的坡口尺寸達圖3要求。

（5）坡口表面及附近區域按JB/T 4730進行100%滲透檢測，無裂紋、分層等缺陷。

（6）用塞規檢查螺紋精度，螺紋表面不允許有裂紋、碰傷和毛刺等缺陷。

（7）凸緣的密封面不允許有刻線、刮傷和凹痕等缺陷。

2.2 筒體部件制造的關鍵工序

2.2.1 內筒的制造與檢驗及其質量控制[6]

（1）內筒的每條環縫考慮3～4 mm焊接收縮余量或留一節筒體配長定尺；最短筒節長度不小于300 mm。

圖2 人孔凸緣內孔加工尺寸

圖3 球形封頭端面的坡口形式

（2）內筒的坡口采用機加工而成，坡口的表面及附近區域按JB/T 4730進行100%滲透檢測，無裂紋、分層等缺陷。

（3）為了保證內筒的圓度和棱角度，內筒板材應進行預彎成形，預彎的曲率應盡可能接近筒節的卷制弧度，板材端頭的直邊長度應盡量減小。

（4）內筒的A類焊接接頭對口錯邊量b1≤2.0 mm；對于棱角度E1，用弦長等于1/（6Di）的內樣板或外樣板檢查，其E1≤3 mm；周長允差小于或等于3‰Di，且不大于3 mm；同一端面上最大與最小直徑之差，應不大于端面內直徑的4‰，且不大于4 mm。

（5）內筒無損檢測合格后，打磨縱縫內外表面與母材齊平并圓滑過渡，在內筒A類焊接接頭兩端作焊縫位置標記，并在筒節的兩端用脹圈撐圓。

（6）內筒環縫組對時，相鄰筒節A類接頭中心的距離或封頭A類接頭的端點與相鄰筒節A類接頭中心的距離應大于100 mm，且沿同一方向；內筒B類焊接接頭對口錯邊量b2≤4 mm；內筒B類焊縫棱角度，用長度不小于300 mm的直尺檢查，其E2≤3 mm；內筒的直線度小于筒體長度的1‰，且不大于3 mm；筒體的長度允差為±5 mm。

（7）對內筒體進行全面檢查，合格后對內筒體進行整體消除應力熱處理，筒體兩端及內部應加防變形工裝。熱處理后打磨環縫內外表面與母材齊平，使之圓滑過渡，并進行噴砂處理。

2.2.2 層板的制造與質量控制

（1）相同或相近厚度的板材用于同一層層板的包扎。

（2）層板下料時對角線誤差≤1 mm，每節層板縱、環縫每邊留5～10 mm刨邊余量；層板周向尺寸按所夾緊內層筒體的實測周長下料，縱向接頭的間隙控制在6～12 mm之間，且只允許為負偏差，偏差值不大于2 mm；每層層板留一短節與層板筒體配長下料，環向接頭的間隙控制在6～8 mm之間；層板不宜拼接。

（3）控制層板的平整度、板材兩邊的平行度及相鄰兩邊的垂直度，避免包扎后相鄰層板間的焊縫寬窄不一，影響焊接質量，其偏差按GB/T 1184中的L級的規定。

（4）劃層板的刨邊線及刨邊控制線，再以刨邊控制線為基準劃層板兩端?28 mm的夾緊孔位置線，夾緊孔位置線的距離根據層板的實際板寬控制在450～550 mm之間，同時距刨邊控制線85 mm；最外層層板的泄放孔的位置線應位于層板兩對角上50 mm×50 mm處，內層板的夾緊孔兼作泄放孔用。

（5）層板與封頭的環縫刨30°外坡口，鈍邊為0 mm，第一層和最外一層層板的環縫和所有層板縱縫刨10°外坡口，鈍邊為0 mm，加工后對角線誤差≤1.0 mm；周長只允許為負偏差。

（6）為了提高層板的包扎質量，層板端頭采用壓制成形，防止層板焊口處產生直段；層板在包扎前內外表面還應進行噴砂處理。

3 總裝及其質量控制

3.1 內筒與球頭部件的組裝

（1）內筒與球頭組裝前，內筒應加支撐裝置，裝置距焊縫的距離≤50 mm，保證內筒體的圓度≤4 mm。

（2）組對時控制內筒的直線度≤3 mm，球頭部件與內筒的同軸度≤3 mm，內筒與球頭的錯邊量≤1 mm。

（3）焊接完成后，按JB/T 4730進行100%射線和超聲檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。

（4）無損檢測合格后，對內筒與球頭間的焊縫進行局部消除應力熱處理[7]；熱處理后打磨焊縫余高與母材齊平并圓滑過渡。

3.2 層板的包扎及其質量控制 [8-9]

3.2.1 包扎前的準備工作

（1）在球形封頭的重心部位設置轉胎或其他支撐件，在筒體的重心位置處設置可調式轉胎。

（2）在內筒體與球形封頭上劃出4條 （均布）對位標記線，并作出明顯的標記。

（3）在第一層層板的縱縫位置所對應的內筒內表面加支撐裝置，防止層板縱縫焊接后，內筒因受熱而出現塌陷現象。

3.2.2 第一層層板的包扎

（1）將預卷好的層板從球頭部件的一端套入到內筒的預定位置，采用包扎機上的預緊裝置將層板拉緊，再采用多功能包扎機進行包扎；層板在包扎過程中需要用振打器或軟錘不停地敲擊、振打層板外圓，使其包扎緊密，效果達到最佳；檢查層板兩端的錯邊量應≤1 mm，層板縱向接頭間隙控制在6～12 mm之間；檢查合格后進行層板的點焊固定，焊點間距為100～150 mm。

（2）層板與層板環向接頭的錯邊量≤1 mm；層板與筒體端部、球形封頭間對口錯邊量≤0.8 mm；層板環向接頭間隙控制在6～8 mm之間；層板間間隙檢查，任一端面上的任一估算間隙面積值不得超過300 mm2；任何層板間隙的弧長不得超過3000 mm，若相鄰層板間隙不只一處，則間隙長度總和不得超過3000 mm；任一層板間隙的最大高度不得超過3 mm；層板每一松動部位沿環向長度不得超過300 mm，沿軸向長度不得超過600 mm。

3.2.3 其余層板的包扎

（1）在包扎下一層層板前應將前一層筒體外表面焊縫打磨與母材齊平并圓滑過渡，清除表面所有鐵銹、油污和影響層板貼合的雜質。

（2）包扎時調整層板與層板之間、層板與球形封頭之間的間隙；每層層板的縱向接頭應均勻錯開，相鄰筒節的縱向接頭以上一節 （內筒或層板）縱向焊接接頭為基準沿順時針錯開78°；層板筒節的軸向長度應使每層層板的環向接頭相互錯開，且相鄰兩層層板的環向接頭間距離不小于150 mm；任意兩條環向接頭間距離不小于50 mm。

（3）對最外層層板的封焊夾緊工藝孔在外層板施焊完畢后，用與外層層板相同的材料堵焊工藝孔并打磨焊縫與層板齊平，使之圓滑過渡，對焊接接頭表面按JB/T 4730進行100%磁粉檢測，達Ⅰ級合格。

（4）每層層板與球頭、內筒的組對、焊接尺寸達圖4所示的要求。

圖4 層板與球頭、內筒的組對、焊接尺寸

3.2.4 包扎層板的無損檢測

（1）層板與球形封頭間焊接接頭按JB/T 4730進行100%超聲和磁粉檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。

（2）最外層層板的縱、環向焊接接頭按JB/T 4730進行100%超聲和磁粉檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。

4 結束語

設備制作完成后經水壓試驗，容器應無滲漏，無可見的變形和異常的響聲[10]。基于以上整體多層包扎高壓氮氣儲罐的制造關鍵工序及其質量控制要點，我公司于2011年成功制造了兩臺整體多層包扎高壓氮氣儲罐。這兩臺設備自投入使用以來，一直處于安全運行、正常生產中。整體多層包扎高壓氮氣儲罐的制造實踐表明，只要建立合理的制造過程質量保證體系，嚴格控制其制造關鍵工序及質量要求，就完全能夠保證整體多層包扎高壓氮氣儲罐的制造質量和安全性能，從而確保其在尿素工業生產中的安全可靠性。

[1]朱孝欽，吳京生，陳國理.整體多層夾緊式高壓容器研制及應用 [J].石油化工設備，1999，28（4）：42-45.

[2]李南京，朱孝欽，宋鵬云，等.多層壓力容器的研究及其進展 [J].化工機械，2008，35（6）：368-373.

[3]GB 713—2008.鍋爐和壓力容器用鋼板 [S].

[4]NB/T 47008—2010.承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件[S].

[5]JB/T 4730.1～6—2005.承壓設備無損檢測 [S].

[6]GB 150.1～GB 150.4—2011.壓力容器 [S].

[7]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計 [M].第3版.北京：化學工業出版社，2010.

[8]HG 3129—1998.整體多層夾緊式高壓容器 [S].

[9]謝梅生，李亞民，王堅，等.多層包扎金屬壓力容器用多功能包扎機:中國，200810233752.7[P].2010.

[10]TSG R0004—2009.固定式壓力容器安全技術監察規程[S].