5000m3液氨球罐設計及制安的關鍵技術

曹鳳玲，楊林

（1.沈陽地鐵集團有限公司運營分公司，遼寧 沈陽 110166 2.東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110166）

5 000 m3液氨球罐主體結構為5 帶12 支柱混合式，球罐內直徑為21 200 mm，支柱型式為赤道正切式，工作壓力0.8 MPa，工作溫度-33～20 ℃，介質為液氨，密度為680 kg·m-3，設計壽命15年。

1 球罐設計的關鍵技術

1.1 結構選型

根據GB/T17261《鋼制球形儲罐型式與基本參數》，球罐選擇5 帶12 支柱混合式，支柱型式為赤道正切式。分帶的角度為：赤道帶45°，溫帶30°，極帶37.5°。采用這樣分帶，不但球殼板的壓制模具制造方便、省料，而且板材的利用率也高于標準分法，具體見表1。

表1 標準分帶與設計分帶的對比

由表1 可知，本次分帶在焊縫總長上只有標準分帶的90.5%，焊條用量上為96.9%，板材利用率提高了2.9%，模具費用降低了1.2 萬元。可見，這種分帶具有十分可觀的經濟效果。

1.2 材質選擇

根據設計溫度為-33 ℃，球殼板選16MnDR，設計使用溫度下限為-40 ℃，其應符合GB3531《低溫壓力容器用鋼板》的相關要求。

該球罐是液氨應力腐蝕工況，所以對球殼的材料有更為嚴格的要求，且需符合HG/T20581《鋼制化工容器材料選用規定》中對液氨應力腐蝕工況的要求。16MnDR 正火狀態下供貨，逐張進行UT（超聲波）檢測及夏比（V 型缺口）沖擊試驗，試驗溫度-40 ℃，沖擊功值按標準規定。16MnDR 的抗拉強度ReL≤355 MPa；屈服強度Rm≤630 MPa；碳當量CE≤0.45。

1.3 球殼板厚度的設計

依據標準GB/T12337《鋼制球形儲罐》中的厚度計算公式：

式中：Pc—設計壓力，取0.95 MPa；

Di—球罐內直徑；

[σ]t為—球殼設計溫度下的許用應力，設計溫度為-33～26 ℃；

?—焊接接頭系數，取1.0；

C2—腐蝕裕量，取2.5 mm。

先計算液柱靜壓力，p=ρgH,ρ為液氨密度，見表2。

表2 各帶液柱靜壓力

再計算計算壓力，計算壓力=液柱靜壓力+設計壓力，見表3。

根據厚度計算公式，算出計算厚度，圓整得出名義厚度，見表4。

各帶根據承受不同的液柱靜壓力，給出不同的厚度，不但節約材料，而且降低了現場焊接強度，也縮短了建造工期。與取同厚度的設計相比，更經濟合理。

表3 各帶計算壓力

表4 各帶名義厚度

1.4 技術要求

A.B 類焊縫進行100%射線檢測，技術等級為AB 級；合格后進行20%超聲復驗，技術等級為B級；合格級別：射線為Ⅱ級，超聲為Ⅰ級。手工焊材用J507，按批進行熔敷金屬擴散氫含量的復驗。按GB/T12337 中要求，制作焊接試板。球殼板不得拼接，周邊100 mm 范圍內進行UT檢測，Ⅱ級合格。球罐上的對接、角接接頭及返修焊縫在熱處理前進行100%MT（磁粉）檢測，Ⅰ級合格。水壓試驗合格后，應進行 100%MT（磁粉）復驗。鍛件按NB/T47009《低溫承壓設備用低合金鋼鍛件》中的規定，且須進行夏比（V 型缺口）低溫沖擊試驗，試驗溫度按標準規定。球罐應整體熱處理。并按GB/T12337 中要求進行消氫處理。熱處理后應做水壓試驗，水壓試驗合格后，做氣密性試驗。

2 球罐制造及安裝的關鍵技術

2.1 廠內壓制球殼板的技術點

廠內制造主要在板材壓制。壓制前去除板材表面的氧化皮及雜物，壓制時隨時清理板材及壓胎上的氧化皮，避免在壓制過程中造成機械損傷。壓制采用多點冷壓成型，嚴禁急劇成型壓制，示意圖見圖1。所有球殼板均為反曲壓型。

圖1 多點冷壓示意圖

2.2 現場支柱制作的技術點

球罐組裝采用內外三角架、掛梯相結合的散裝法，其中主要是立柱的方法。

支柱、拉桿、赤道帶板放在其投影位置的附近。上極帶圍板、側板、中間板擺放在支柱、拉桿、赤道帶板的外側。下極帶圍板、側板、中間板擺放在其投影位置的內側。

吊裝前，將上、下段支柱進行組對焊接，將帶支柱的赤道帶板吊到組裝平臺上，保證殼板的4 個角在同一個水平面上。畫出赤道板和上段支柱的中心線，并畫出赤道板中心O 點，在赤道板中心線兩側畫出A、A′，使OA=OA′=a。對準上段支柱與下段支柱中心線（注意耳板方位），在支柱下部定一個B 點，找正支柱左右偏差，使︱AB-A′B︱≤2 mm。計算出H的高度，并在D 點設置支架以保證支柱的徑向和緯向偏差，如圖2所示。上段支柱與下支柱間的環縫焊接，必須采取防變形措施，應采用多層、對稱斷焊。在焊接過程中監控變形情況，以便采取處理措施。

圖2 支柱現場制作

2.3 現場焊接技術參數

球罐焊接工藝參數見表5。

2.4 焊后熱處理的方法

球罐的熱處理為內燃式整體熱處理方法。使用柴油燃燒器，將0 號柴油從球罐下極人孔處引入。由噴嘴將柴油霧化，通過點火器點火。通過柴油的燃燒產生的熱量及高溫氣流，將球罐內壁的溫度不斷升高。最終達到熱處理所需溫度。在球罐上極人孔處安裝一個排氣口以排除煙氣，外表面覆蓋保溫被降低熱量損失。熱處理工藝參數見圖3。

圖3 熱處理工藝參數

表5 焊接工藝參數

3 結束語

球罐是石油、化工行業中常用的壓力容器，只有掌握了其設計、制造及安裝中的技術關鍵，才能設計出節能、環保、安全的設備，才能使球罐的建造更簡單、方便、快捷。