3000m³丙烯球罐的設(shè)計要點

劉琳琳

摘 要：介紹了3000m3丙烯球罐的設(shè)計要點，包括設(shè)計參數(shù)的確定，設(shè)計選材、球殼結(jié)構(gòu)型式的選擇以及焊后熱處理和無損檢測等。

關(guān)鍵詞：球罐;選材;設(shè)計

丙烯球罐是石化工業(yè)中的重要設(shè)備。隨著球罐日漸大型化發(fā)展，制造技術(shù)和選用材料也發(fā)生較大變化。在對某石化企業(yè)改造項目中，需要建造2臺3000m3丙烯球罐，根據(jù)國內(nèi)有關(guān)技術(shù)標準和規(guī)范以及工藝設(shè)計條件確定設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式及材料選擇等，具體如下：

1.球罐設(shè)計參數(shù)的確定

工作壓力：1.57MPa;設(shè)計壓力：2.09/-0.1MPa;工作溫度：ATM;設(shè)計溫度-45/50℃;操作介質(zhì)：丙烯;介質(zhì)密度：479～538kg/m3;安全閥整定壓力：2.16MPa;腐蝕裕量取2mm.

因為球罐中儲存介質(zhì)丙烯屬于易爆的液化氣體，需要做氣密性試驗，且由于在球罐本體上裝有安全閥，根據(jù)固容規(guī)要求“帶有安全閥、爆破片等超壓泄放裝置的壓力容器，如果設(shè)計時提出氣密性試驗要求，則設(shè)計者應(yīng)當(dāng)給出該壓力容器的最高允許工作壓力”[1]。故考慮為球罐規(guī)定最高允許工作壓力（取1.05倍的安全閥整定壓力為2.27MPa），用最高允許工作壓力進行計算強度校核，并按最高允許工作壓力的1.25倍取為液壓試驗壓力。

2.球罐主體材料的確定

丙烯球罐的最高設(shè)計溫度按當(dāng)?shù)氐臉O端最高氣溫加上6～8℃，一般取50℃;根據(jù)GB/T150-2011中3.1.9條中最低設(shè)計金屬溫度為設(shè)計時，容器在運行過程中預(yù)期的各種可能條件下各元件金屬溫度的最低值。這里所指的各種可能條件包括正常工作情況，還應(yīng)考慮可能出現(xiàn)的最低工作溫度、工作中的不正常情況、自動制冷、大氣環(huán)境溫度及其他制冷因素。丙烯球罐在運行過程中出現(xiàn)安全閥超壓排放或不適當(dāng)?shù)牧弦号欧艜r，高壓氣體通過閥門或管道時急劇減壓，絕熱膨脹至常壓，根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)原理，此時氣體溫度會驟降，導(dǎo)致安全閥或排料管附近殼體金屬快速降低至很低的溫度，而在此過程中球罐的工作壓力幾乎不變，使得安全閥或排放管附近殼體處于低溫、高壓的運行狀態(tài)，極易出現(xiàn)低溫脆斷事故。考慮到緊急排放后的汽化降溫，為了防止此類事故的發(fā)生，丙烯球罐的設(shè)計溫度選為-45℃，選材取用在-45℃適用的材料[2]。

由于GB/T12337-2014中規(guī)定球殼用鋼板厚度不宜大于50mm，設(shè)計時宜采用強度級別高的材料來設(shè)計，符合最低設(shè)計溫度的幾種鋼中，僅07MnNiMoDR為高強度用鋼，而且07MnNiMoDR的塑性、韌性好，可焊性較高，故選用07MnNiMoDR既能控制鋼板厚度，又符合工藝要求。

3.球殼結(jié)構(gòu)型式的選擇

球殼板結(jié)構(gòu)型式有桔瓣式、混合式和足球瓣式三種。國內(nèi)自行設(shè)計、制造、安裝的球罐多為橘瓣式和混合式。

足球瓣式球罐的球殼劃分和足球殼一樣，所有球殼板大小相同，所以又叫均分法。優(yōu)點是每塊球殼板尺寸相同，下料成型規(guī)格化，材料利用率高，互換性好，組裝焊縫較短，焊接及檢驗工作量小，缺點是焊縫布置復(fù)雜，不適用于支柱支撐結(jié)構(gòu)，施工組裝困難，對球殼板的制造精度要求高，由于受鋼板規(guī)格及自身結(jié)構(gòu)的影響，一般只適用于制造容積小于1000 m3的球罐。

橘瓣式球罐的球殼劃分就像桔瓣，是一種最通用的型式。優(yōu)點是焊縫布置簡單，組裝容易，球殼板制造簡單，缺點是材料利用率低。

混合式球罐的球殼組成是：赤道帶和溫帶采用桔瓣式，極板采用足球瓣式。由于取其桔瓣式和足球瓣式兩種結(jié)構(gòu)型式之優(yōu)點，材料利用率較高、焊縫長度縮短，球殼板數(shù)量減少，且特別適合大型球罐。本設(shè)備選擇混合式球罐更為合適[3]。

4.支柱設(shè)計

支柱與球殼的連接，既要能充分傳遞應(yīng)力，又要局部應(yīng)力水平盡可能低，故焊縫必須具有足夠的焊接長度和強度，同時要采取必要措施減少應(yīng)力集中。本設(shè)備考慮使用赤道正切柱式支撐且為加U形托板結(jié)構(gòu)。

赤道正切柱式支座的結(jié)構(gòu)特點是：球殼由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置，支柱中心線與球殼內(nèi)壁相切或近似相切。有以下優(yōu)點：

a.避免了支柱與球殼連接部下端由于夾角小而造成焊接的困難，保證了支柱與球殼焊接質(zhì)量的可靠性;

b.改變了尖角焊縫的受力狀態(tài)，使球殼板與支柱最低點焊縫由原來的點接觸改為線接觸;

c.焊縫全部在外表面，易于焊接、便于檢驗。

支柱支承球罐的重量，為了承受風(fēng)載荷和地震載荷，保證球罐的穩(wěn)定性，在支柱之間設(shè)置拉桿連接。這種支座的優(yōu)點是受力均勻，彈性好，能承受熱膨脹的變形，安裝方便，施工簡單，容易調(diào)整，現(xiàn)場操作和檢修也方便，且適用于多種規(guī)格的球罐;缺點是重心高，穩(wěn)定性較差。

支柱下端設(shè)置防火結(jié)構(gòu)，以防發(fā)生火災(zāi)時支柱被燒軟失穩(wěn)倒塌，直接危及球罐的安全。在支柱的底板上開設(shè)通氣孔，以利積水的排除。支柱底板上開設(shè)的地腳螺栓孔設(shè)為徑向長圓孔，以利于調(diào)整支柱垂直度和球罐整體熱處理時支柱的徑向移動。

5.球罐的整體熱處理

由于球罐焊后存在較大的殘余應(yīng)力，而焊后熱處理可以消除存在于球罐上由于組裝和焊接造成的殘余應(yīng)力，并改善焊接接頭性能。根據(jù)GB/T150-2011的規(guī)定，07MnNiMoDR焊接接頭厚度大于32mm（如焊前預(yù)熱100℃以上時，焊接接頭厚度大于38mm時）應(yīng)進行焊后熱處理。故本設(shè)備要求進行焊后熱處理。

熱處理前應(yīng)在支柱下部設(shè)置移動裝置。熱處理過程中，監(jiān)測柱腳位移，按計算位移值及時調(diào)整柱腳位移。并在熱處理后，測量并調(diào)整支柱垂直度。

6.焊接

球殼板的焊接，應(yīng)選用低氫堿性焊條，并進行擴散氫復(fù)驗。

球罐焊接前應(yīng)進行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度按GB/T12337-2014中表28選取為100～125℃。此設(shè)備符合8.3.4.7中a的條件，故應(yīng)在焊后立即進行后熱消氫處理，可以促進焊縫中氫的逸出，防止產(chǎn)生冷裂紋，后熱溫度200～250℃，保溫時間應(yīng)為0.5～1h。

7.無損檢測

球罐對接接頭焊后應(yīng)進行100%射線檢測或100%TOFD檢測，當(dāng)采用100%TOFD檢測時，TOFD檢測完畢后還應(yīng)進行100%超聲檢測復(fù)驗。所有坡口、工夾具的焊痕除均須進行100%磁粉檢測;熱處理前，所有零部件組焊的焊接接頭表面均須進行100%磁粉檢測。磁粉檢測應(yīng)在射線或超聲探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷修補合格后進行，離焊接完成后的時間不應(yīng)小于36h;熱處理后，所有焊接接頭表面均須進行100%磁粉檢測。嵌入式接管與球殼連接的對接接頭及公稱直徑不小于250mm的接管與法蘭、接管與接管間的對接焊接接頭進行100%射線檢測，并應(yīng)對每條焊接接頭進行超聲檢測復(fù)驗，復(fù)驗長度不少于其焊縫長度的20%。水壓試驗后，還應(yīng)對所有焊縫內(nèi)外表面進行100%磁粉檢測。

8.基礎(chǔ)沉降

球罐在充、放液過程中，應(yīng)對基礎(chǔ)的沉降進行觀察，每個支柱基礎(chǔ)都應(yīng)測定沉降量，各支柱基礎(chǔ)應(yīng)均勻沉降。

9.結(jié)語

綜上所述3000 m3丙烯球罐應(yīng)采用07MnNiMoDR材料、混合式排板，球罐需要整體熱處理等技術(shù)要點，是在實踐中總結(jié)出的經(jīng)驗分享，是否妥當(dāng)，請各位同行一起探討。

參考文獻：

[1].TSG 21-2016，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布，2016年2月22日。

[2]. GB/T 12337-2014，《鋼制球形儲罐》標準釋義，壽比南，北京，新華出版社，2015年5月。

[3]. GB/T 12337-2014，鋼制球形儲罐，北京，中國標準出版社，2015年2月1日。

作者簡介：

劉琳琳，1986年8月9日出生，女，漢族，籍貫遼寧省撫順市，現(xiàn)供職單位：中國昆侖工程有限公司遼寧分公司，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：壓力容器設(shè)計