【文章內(nèi)容簡介】 新鋼種，該鋼的力學性能相當于 WELTEN62CF 鋼的實際水平。 07MnCrMoVR 鋼采用低碳多元微合金以嚴格控制碳當量 (Ceq≤ ％ )和焊接裂紋敏感性組織 (Pcm ≤％ )，并通過合理的調(diào)質(zhì)熱處理獲得最佳強韌比的組織結(jié)構(gòu)，從而從根本上保證了其焊接性能和優(yōu)良的低溫韌度。07MnCrMoVR 的力學性能及其穩(wěn)定性好，國內(nèi)大部分設(shè)計、制造和組焊單位掌握其特四川理工學院畢業(yè)設(shè)計 9 性，具有成熟的經(jīng)驗，但對貯存液化石油氣介質(zhì)中的硫化氫含量有較嚴的要求，此外鋼廠提供寬板能力有限，不能滿足大型球罐的制造要 求 [8]，其抗 H2 S 應力腐蝕能力不強，一般在液化石油氣球罐中不推薦采用 。 （ 2） 15MnNbR 是 GB1501998 國家標準第 1 號修改單新增鋼號，它是低合金鋼領(lǐng)域中的新一代鋼種 (350MPa級 )，其強度和韌性優(yōu)于 16MnR，同時也優(yōu)于日本 SPV355N，厚板韌性也較好，而焊接性能及抗硫化氫性能與其相近。該鋼種采用先進的冶煉工藝，鋼材的化學成分、力學性能及冷彎性能得到很好的保證。 15MnNbR 具有良好的綜合性能 [9]，可大大提高球罐使用的安全可靠性，但其價錢相對較高。 （ 3） 16MnR 鋼板是我國目前使用最多、最普遍的一種低合金高強度壓力容器用鋼。鋼材的焊接性能較好，抗 H2S腐蝕性能較好， 具有良好的綜合力學性能和制造工藝性能，廣泛用于建造各類壓力容器和中小型球罐， 對 于 16MnR 鋼板制造的球罐無論是技術(shù)還是經(jīng)驗更加成熟，且價錢相對于其它鋼板更便宜且能滿足 液化 石油氣儲存的要求。 （ 4） 日本產(chǎn) 610CF 鋼是近年來推出的具有低裂紋敏感性和韌度較高，焊接性能優(yōu)良的鋼種，鋼的碳當量 eqC 和焊接裂紋敏感性系數(shù) cmP 均相對較低，因此焊接性能優(yōu)良，且國內(nèi)部分設(shè)計、制造和組焊單位已較好掌握該鋼種的特性。引進日本球殼板，國內(nèi)安裝的 10000m3 北京天然氣球罐即選用該鋼 種 [10]。 表 列出了國產(chǎn) 16MnR、 07MnCrMoVR、 15MnNbR 鋼板與引進的日本W(wǎng)ELTEN610CF 鋼板化學成分和力學性能技術(shù)指標對比。 表 幾種典型球罐用鋼力學性能技術(shù)要求對比 球罐設(shè)計 球罐設(shè)計的執(zhí)行標準及法規(guī) 標準或技術(shù)條件 鋼號 交貨狀態(tài) 板厚 mm 拉伸試驗 沖擊試驗 s? MPa b? MPa 5? % 試驗溫度及取樣方向 kvA /J GB66541996 16MnR 正火 6~16 ≥345 510~640 ≥21 0℃( 橫向 ) ≥31 16~36 ≥325 490~620 GB191892020 07MnCrMoVR 調(diào)制 12~60 ≥490 610~730 ≥17 20℃( 橫向 ) ≥47 GB66541996第一號修改單 15MnNbR 正火 10~16 ≥370 530~650 ≥20 20℃( 橫向 ) ≥34 16~36 ≥360 530~650 36~60 ≥350 520~640 新日鐵 企業(yè)標準 WELTEN610CF 調(diào)質(zhì) 12~50 ≥490 610~730 ≥19 20℃( 橫向 ) ≥47 第 1章 緒論 10 球罐設(shè)計執(zhí)行的國家標準及法規(guī)主要有《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 2020版、《鍋爐壓力容器安全監(jiān)察暫行條例》及其《實施細則》 2020 版、 GB1501998《鋼制壓力容器》、 GB123371998《鋼制球形儲罐》及相關(guān)標準。在制造、檢驗、驗收中還應執(zhí)行 GB500941998《球形儲罐施工及驗收規(guī)范》、 GB66541996《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼厚鋼板》、 JB47262020《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件》、 JB47302020《壓力容器無損檢測》、 JB47082020《鋼制壓力容器焊接工藝評定》、 HG/—87《球形儲罐質(zhì)量等級評定及檢查細則》，球罐安裝質(zhì)量要達到 SHJ514 《石油化工設(shè)備安裝工程質(zhì)量檢驗評定標準》中第八章 “球型儲罐安裝工程 ”中優(yōu)良工程要求。 球殼結(jié)構(gòu) 球殼結(jié)構(gòu)形式主要分為足球瓣式、桔瓣式和混合式 3 種 (如圖 )。 （ 1）足球瓣式球罐球殼用均分法劃分，每塊球殼板尺寸相同，下料成型規(guī)格化，材料利用率高且互換性好，組裝焊接接頭較短，焊接檢驗工作量小，但焊接接頭布置復雜，施工組裝困難，對球殼板的制造精度要求高。 （ 2）桔瓣式球殼像桔子瓣 (或西瓜瓣 )，焊接接頭布置簡單，組裝容易，球殼板制造簡單，但材料利用率低，對接焊縫總長度長，檢驗工作量 大 [11]。 （ 3）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。它集中了桔瓣式和足球瓣式兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，在國外已被廣泛采用，從國外引進的球罐大量采用了該結(jié) 構(gòu)。 圖 球罐分瓣形式 a )足球式 b )桔瓣式 c )足球桔瓣混合式 不同結(jié)構(gòu)形式對球罐的制造、安裝質(zhì)量以及投用后的安全可靠性都會帶來重大的影響。先進合理的結(jié)構(gòu)，既可合理地利用材料，減少浪費，降低成本；又可有效地減少焊縫總長，減少制造和安裝過程中的工作量，提高使用中的安全可靠性。不同分瓣形式分帶的數(shù)量一般不同，混合式的分帶數(shù)一般會比桔瓣式少；由于混合式球罐極帶有 7 塊板組成，桔瓣式只有 3 塊，兩極相加多 8 塊，因此如果兩種分瓣形式的支柱和帶數(shù)完全相四川理工學院畢業(yè)設(shè)計 11 同，混合式球罐的球殼板數(shù)量反而比桔瓣式多一些。因此一臺球罐結(jié)構(gòu)形式的先進與否不能簡單看是用混合式還是桔瓣式，而要從焊縫的總長、鋼材利用率和制造安裝難度來考慮，它同時受鋼廠供貨尺寸和運輸條件的限制。對于小型球罐如 400 3m 或 650 3m 的球罐往往采用桔瓣式結(jié)構(gòu)更合理。而大中型球罐采用混合式分瓣方法優(yōu)勢更為明 顯 [12]。 支柱結(jié)構(gòu) 球罐支座是球罐中用以支承球殼及其附件和儲存物料重量的結(jié)構(gòu)部件，有柱式和裙式兩種形式。在柱式支承中，國內(nèi)外普遍采用了赤道正切柱式支承，此外還有 V 形和三柱會一柱式支承。裙式支承有圓筒裙式、錐式以及用鋼筋混凝土連續(xù)基礎(chǔ)支承的單埋式支承和錐底支承 等 [13]。 GB123371998《鋼制球形儲罐》中規(guī)定支柱與球殼連接采用赤道正切形式。 赤道正切柱式支座的結(jié)構(gòu)特點是：多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置，與球殼相切或近似相切 (相割 )而焊接起來。該支座具有受力均勻、彈性好、能承受熱膨脹的變形、安裝方便、施工簡單、容 易調(diào)整及檢修方便等優(yōu)點，適用于多種規(guī)格的球罐，但重心高、穩(wěn)定性差，并存在局部應力。我國建造的球罐全部采用赤道正切柱式支座。 拉桿結(jié)構(gòu) GB1233798 中規(guī)定了可調(diào)式與固定式兩種拉桿。 （ 1）可調(diào)式拉桿 (如圖 )采用圓鋼加工而成，拉桿與支柱采用銷釘連接， 2 根拉桿立體交叉處留有間隙。該種結(jié)構(gòu)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)場操作和檢修方便?？烧{(diào)式拉桿雖能調(diào)節(jié)松緊，有利于施工，但若施工后發(fā)生銹蝕則不起調(diào)節(jié)作用。 （ 2）固定式拉桿 (如圖 )一般采用 鋼管，拉桿與支柱的連接采用焊接結(jié)構(gòu)，拉桿與拉桿的交叉處采用固定板焊接結(jié)構(gòu)或直接焊接結(jié)構(gòu)。其特點是：鋼管焊接在支柱上，形成較穩(wěn)固的剛性結(jié)構(gòu)，能有效防止橫向載荷造成的破壞；可省去大量零部件，不需任何機械加工，制造比較簡單，現(xiàn)場安裝方便；支柱受力情況較好，能承受拉伸和壓縮載荷 (可調(diào)式只能承受拉伸載荷 )。當承受垂直載荷時，拉桿支承了部分載荷，因而下段支柱所受的壓縮力就小，當承受橫向載荷時，固定式所受的拉力僅為可調(diào)式的一半，下段支柱所受的壓縮力明顯減小，比較安全；抗彎能力大，特別適合于大型球罐；固定式拉桿可設(shè)計成受壓 形式，于是拉桿的截面比可調(diào)式的大，剛性也大，因此球罐橫向載荷產(chǎn)生的水平位移和偏移量均小，對球罐上的接管有利；固定式拉桿在施工時調(diào)好，使用中不必再調(diào)整。固定式拉桿結(jié)構(gòu)在國外已大量采用，我國從國外引進的球罐也有相當一批第 1章 緒論 12 采用了此結(jié)構(gòu)。但到目前，我國自行設(shè)計和制造的球罐還極少采用該結(jié) 構(gòu) [14]。 a)可調(diào)式拉桿 b)固定式拉桿 圖 拉桿結(jié)構(gòu)形式 支柱與球殼連接點下部結(jié)構(gòu) 在支柱與球殼相接的球殼局部區(qū)域中，受力及變形相當復雜，應力數(shù)值高，變化梯度大，是整個球罐中的高應力區(qū)。支柱與球殼相焊焊縫的最低點是重點應力校核部位。支柱與球殼連接下部結(jié)構(gòu)一般分連接處下端加托板、翻邊和 U形柱結(jié)構(gòu) (見圖 )。 （ 1）加托板結(jié)構(gòu)是在球殼與支柱連接部下端加一托板，可以方便焊接，消除焊接死角。該結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，已被大多數(shù)制造廠采用。但由于該結(jié)構(gòu)是由兩個零件組成，變形不協(xié)調(diào)，存在較大的局部應力。 （ 2）翻邊結(jié)構(gòu)是將與球殼連接處下端的支柱翻邊，增加與球殼的連接長度，并改善焊接接頭的施焊情況，所以能夠保證焊接質(zhì)量。支柱為一體變形協(xié)調(diào)，對球殼的局部應力有所改善。但因翻邊的寬度有限，且會減薄支柱管壁，對改善支柱與球殼連接最低點的應力作用不明顯。 （ 3） U形柱結(jié)構(gòu)是用鋼板卷制成 U形管與球殼連接，使支柱與球殼連接逐漸過渡，避免急劇變化，特別適合于低溫球罐與支柱連接的要求。該結(jié)構(gòu)制造工藝簡單，施焊方便，沒有工藝難點，不存在焊接死角，在三種結(jié)構(gòu)中與球殼的連接長度最長，這樣對局部應力的改善也最有效。球罐的局部應力是不可避 免的，只能靠改進結(jié)構(gòu)來減小，如增加支柱與球殼的接觸面積，減少支柱的剛性，支柱與球殼的連接避免急劇變化，使其逐漸過渡等方法， U形柱結(jié)構(gòu)則集中了這些特點。 GB1233798增加了 U形柱結(jié)構(gòu)，解決了低溫球罐支柱連接無法解決的難題。 四川理工學院畢業(yè)設(shè)計 13 圖 支柱與球殼連接下部結(jié)構(gòu) 接管補強結(jié)構(gòu) 大型球罐的接管補強一般采用兩種結(jié)構(gòu)型式，第一種型式為厚壁管補強結(jié)構(gòu) (如圖圖 )；第二種采用鍛制凸緣（如圖 ），在應力集中部位局部加厚的密集補強型式，與球殼板的連接采用對接焊縫。 凸緣補強優(yōu)點是它和球殼板形成的連接是對接焊縫，便于焊接及焊縫的無損檢測。厚壁管插入式補強優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)省材料，缺點是因開孔較小，角焊縫底部清根困難，又難以進行射線、超聲等方法的內(nèi)部檢測，容易產(chǎn)生未焊透等缺陷。由于插式接管焊縫是近年來球罐質(zhì)量中出現(xiàn)問題最多的部位之一，在設(shè)計時要求制造廠從坡口開制工藝到焊接工藝及清根方法在工藝上保證完全焊 透 [15]。 第 1章 緒論 14 圖 球罐的補強形式 a) 厚壁管補強 b) 整體鍛件凸緣補強 球罐安檢及檢驗技術(shù) 球罐現(xiàn)場安裝是球罐建造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，包括組裝、焊接、熱處理、檢驗、試驗等工作，內(nèi)容多、工作量大，對球罐最終質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。組裝技術(shù)隨著球罐的大型化、球瓣尺寸的大型化，組裝技術(shù)從早期的分帶組裝或分塊組裝向整體組裝發(fā)展，目前國內(nèi)外球罐組裝技術(shù)都是以整體組裝為主。整體組裝的優(yōu)點是組裝速度快，幾何精度高，便于對稱施焊、焊接變形小等；缺點是卡具要求多，焊接全部為高空作業(yè)，勞動強度大等。 球罐安裝中焊接工作量大，焊接質(zhì)量要求高，不同的球罐鋼有不同的焊接特點和工藝要求，要嚴格按評定合格的焊接工藝執(zhí)行。球罐的焊接方法除手工焊外還有自動焊，在國外前蘇聯(lián)、德國、日本美國等國家都較早采用了大型球罐自動焊，我國上世紀 90年代開始大型球罐自動焊試驗研究，并應用于球罐的建造中，主要是自保護和氣保護全位置自動焊工藝。但從目前總體上看，國內(nèi)外球罐焊接方法主要還是以手工焊接為主，原因是球罐是全位置焊接，手工焊質(zhì)量相對可靠，自動焊提高一次合率、減少返修工作量還是今后球罐焊接要研究的工作之一。 壓力容器常用的無損檢測 方法在球罐上都有應用，常用的有：射線檢測（ RT）、超聲波檢測（ UT）、磁粉檢測（ MT）、滲透檢測（ PT）等，也有將聲發(fā)射技術(shù)應用于球罐安全監(jiān)控的。近年來 TOFD 及相共振等無損檢測新技術(shù)在球罐上也有應用?？傮w目的是通過不同的方法對比和增加檢測比例，提高缺陷的檢出率。 球罐的發(fā)展趨勢及面臨的問題 球罐發(fā)展趨勢 四川理工學院畢業(yè)設(shè)計 15 隨著材料、焊接、制造、施工安裝技術(shù)不斷提高，球罐也正向大型化、多結(jié)構(gòu)、高參數(shù)的方向發(fā)展。設(shè)計壓力從 的真空度到上百個大氣壓力，工作溫度從 250℃到 850℃ ，球罐結(jié)構(gòu)從單層到多層，品種非常廣泛。其中，最主要的是向大型化方向發(fā)展。目前，國外最大的球罐已作到壓力為 6～ 7MPa，體積為 300000m3 左右的大型球罐。 球罐大型化面臨的問題 由于大型化的經(jīng)濟性十分明顯，已成為世界各國優(yōu)先重視的重要課題。球罐大型化的進程在不同國家、不同時期受著不同因素的制約。隨著相應技術(shù)的發(fā)展，這些制約因素不斷得到解決，又促使球罐大型化的發(fā)展。從國內(nèi)情況看，目前限制球罐向大型化方向發(fā)展的影響因素主要有： （ 1）球罐用鋼 由于國內(nèi)冶煉技術(shù)方面的因素，壓力容器專用鋼種的種類較少， 鋼材綜合性能較差，制造不了大規(guī)格，大噸位的鋼板。因此要發(fā)展球罐的大型化必須著重于發(fā)展球罐用鋼的研制工作。高