【正文】 d parison of the materials,I finally select 15MnNbR。Steel for pressure vessels。 隨著我國石油、化工、輕紡、冶金及城市天燃氣工業(yè)的發(fā)展，作為存儲容器的球罐，得到了廣泛的應用與迅速的發(fā)展，在石化企業(yè)、國防工業(yè)、冶金工業(yè)及城市燃氣中。如與同等容量，相同工作壓力的圓筒形壓力容器比較，球罐具有表面積較小，所需鋼板厚度較薄，因 而具有耗鋼較少，重量輕。由于這些特點，再加上球罐基礎簡單使球罐的應用得到很大發(fā)展 ??21， 。國外先進工業(yè)國家開展石油液化氣球罐大型化工作較早，技術水平較高，建造 500025000m3 大型球罐已相當普遍，如文獻 ??3 介紹，日本 1968 年制成了容量 20200 m3 的大型球罐， 1985 年日本新日鐵公司為日本西部瓦斯用本公司生產(chǎn)的 WELTEN80C 型高強度鋼制造一臺大型球罐，設計壓力 、直徑為 、容積為 26700 m3 。球罐是一個大型、復雜的焊接殼體結構，它涉及到材料科學、殼體結構理論、塑性加工技術、焊接技術、熱處理技術、無損檢測技術、斷裂力學等多學科和技術領域，對球罐設計方法和理論、選材和材料評價體系、高性能材料的焊接及熱處理技術、大板片球罐制造技術的理論和實際都有重要作用。 （ 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。它集中了桔瓣式和足球瓣式兩種結構的優(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構。先進合理的結構，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。因此一臺球罐結構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。而大中型球罐采用混合式分瓣方法優(yōu)勢更為明顯。由于球罐殼體呈圓球狀，給支座設計帶來一定的困難，他既要支撐較大的質量，又由于球罐設置于室外，需承受各種自然環(huán)境影響，如風載荷、地震載荷和環(huán)境溫度變化的作用。 支撐主要分成柱式支撐和裙式支撐兩大類。此外，還有 V 形柱式支撐、三樁合一形柱式支撐，裙式支撐（包沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 球罐設計 3 括圓筒形裙式支撐和錐形裙式支撐）、錐底支撐（也是裙式支撐）、鋼筋混凝土連續(xù)基礎支撐、半埋式支撐、高架式支 撐（也有柱式和裙式之分）、可脹縮的支撐（柱式支撐的變種）。 （ 2） 支柱和球殼連接部分，既要能充分地傳遞應力，又要求局部應力水平盡量低，因此韓粉必須有足夠的焊接長度和強度，并要采取措施減少應力集中。 （ 4） 支柱上部柱頭是否需要與殼體采用同樣材質？由于相當數(shù)量的球罐用于儲罐低溫物料，低溫球罐要求球殼材質能耐低溫，因而同樣要求柱頭也采用耐低溫材料。如果不是特殊材質的球罐，則可采用不同材質制造支柱的上柱頭及球殼。對于液化石油氣或易燃 易爆 性液化氣球罐 很 必要。例某一 2020m3 乙烯球罐防火隔熱層的配方如下：硅藻土 灰 10%~15%；硬質水泥 85%~90%（波特蘭水泥為 22%防火 水泥中含大于 5%的石棉粉和 3%的石棉絨）。 支柱還必須 應該有 較好的嚴密性，保證各處焊縫 應該有 足夠的強度（尤其是在支柱 和 球殼接頭 其中 ），組裝施焊 后的支柱必須 在 進行 表壓的空氣 其中的 氣密性試驗。每臺 的 球罐至少 要 有兩個 正常并且好用的 接地板。拉桿結構可 以 分為可調式 與 固定式 中的 兩種。大多數(shù)采用高強度的圓鋼或鍛制圓鋼制作。 目前國內自行建造的球罐和引進球罐的大部分都是采用可調式拉桿。管狀拉桿必須開設排氣孔?？烧{式拉桿雖能調節(jié)松緊，有利于施工，但若施工后發(fā)生銹蝕則不起調節(jié)作用?？箯澞芰Υ?，特別適合于大型球罐；固定式拉桿可設計成受壓形式，于是拉桿的截面比可調式的大，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沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 球罐設計 5 調好，使用中不必再調整。 圖 12 拉桿結構形式 支柱與球殼連接下部結構 在支柱 和 球殼相接的球殼局部 地區(qū) 中，受力 和 變形相當 繁雜 ，應力數(shù)值 很高 ，變化梯度 較大 ， 在 整個球罐 其中 的高應力區(qū)。支柱與球殼連接 到 下部結構一般分 隔 連接處 在 下端加托板、翻邊 的U 形柱結構。該結構制造 的 工藝簡單，已 經(jīng) 被大多數(shù)制造廠 所 采用。 （ 2） 翻邊結構是將 和 球殼連接處下端的支柱翻邊，增加球殼 表面 的連接長度，并改善焊接接頭的 焊接 情況，所以能夠保證焊接質量。但 是 因翻邊的寬度有限 限制過大 ， 和 會減薄支柱管壁，對改善支柱 和 球殼連接最低點的應力作用 不清晰 。該結構制造工藝簡單，施焊方便，沒有工藝難點，不存在焊接死角，在三種結構中與球殼的連 接長度最長，這樣對局部應力的改善也最有效。 GB1233798 增加了 U形柱結構，解決了低溫球罐支柱連接無法解決的難題。 人孔和接管 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 球罐設計 7 （ 1） 接管材料與球殼相焊的接管最好選用與殼體相同的材料 ,低溫球罐應選用低溫用的鋼管 ,并保證在低溫下具有足夠的沖擊韌性 ,接管的補強結構材料 ,也應遵循同樣的要求 （ 2） 孔的補強尺寸 一般壓力容器規(guī)范都規(guī)定了不需補強的最大接管開孔尺寸，但在球罐上不宜采用這個 “不需補強的最大接管開孔尺寸的概念。即使對小直徑接管，例如 DN20 也應采用厚壁管焊接結構。 ① 補強圈補強的接管補強結構； ② 厚壁管補強結構； ③ 整體凸緣補強結構。 （ 5） 提高接管的抗疲勞 的 性能措施 球殼 在于 接管的連接焊縫， 而且 除了應具有 一定 的強度外，還應 該 具有抗疲勞的能力， 用 克服進出料的沖擊 很大 、管道的震動、操作壓力 在 波動 與 工藝配管 力量 等因素引 發(fā)的 疲勞破壞。我國 的 球罐設計標準 在 GB1233798 其中的 常規(guī)設計方法 中 標準， 到現(xiàn)在 ，大部分球罐均按這個標準進行設計、制造、安裝。隨著球罐的大型化方向發(fā)展，外國已開始采用分析設計法設計球罐，大型球罐采用分析設計法設計更為科學、經(jīng)濟合理，因此，利用分析設計法設計大型球罐有著廣闊的前景。常規(guī)設計應該用 彈性 失效準則而不適 用 于 規(guī)則 進行疲勞分析 的 容器，而分析設計 應用了 包含疲勞失效準則在內 在 的多種 方法 失效準則，因而在必要時 比較合適 進行疲勞分析。 表 常規(guī)設計法與分析設計法的主要區(qū)別 比較對象 常規(guī)設計方法 分析設計方法 設計原則 彈性失效，不允許出現(xiàn)塑性變形，一旦出現(xiàn)塑性變形，就認為容器已經(jīng)失效 塑性失效，彈塑性失效允許出現(xiàn)塑性變形但必須是可控制的，是局部的。安定性載荷主要針對疲勞和棘輪現(xiàn)象 載荷 非交變材料力學方法，薄膜原理 可以考慮交變載荷彈性式塑性力學分析，薄膜原理理論方法 應力評定 應力不分類，許用應力一樣，第一強度理論，安全系數(shù)大 應力分類用應力強度來評定 第三強度理論，安全系數(shù)小 制造 全焊透 全焊透 球罐不同于一般壓力容器，由于球罐容積較大，不可能在制造廠一次制造完成，首先要在制造廠壓制成瓜片形狀，再運到到現(xiàn)場進行組裝、焊接、檢驗和試驗最終完沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章 球罐設計 9 成建造。 國內外普遍采用的球瓣成形技術是沖壓成形，它一般可分為冷壓成形、溫壓成形和熱壓成形。對于液壓成形、爆炸成形等無模成型法，由于對材料的損傷較大，主要還是停留在理論研究方面，實現(xiàn)應用較少；熱壓和溫壓成型是早年壓力機能力不夠時的權宜之計，由于對材料有損傷、球殼板減薄量大及需要設置大型加熱爐等因素，也基本停止使用。國外在球罐大型化制造技術研究方面開展較早，對大板片球罐的制造技術和精度控制較為成熟，國內大型化制造技術發(fā)展也很快，近年來對球罐制造技術研究工作也開展了很多，包括下料技術、大板片、薄板壓制技術等等，但特大型大板片制造精度還沒有很好地掌握。組裝技術隨著球罐的大型化、球瓣尺寸的大型化，組 裝技術從早期的分帶組裝或分塊組裝向整體組裝發(fā)展，目前國內外球罐組裝技術都是以整體組裝為主。 球罐安裝中焊接工作量大，焊接質量要求高，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。但從目前總體上看，國內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。鋼材的焊接性能 非常好 ， 多 用于建造各類壓力容器 與 中小型球罐，具有一定的抗 H2S 腐蝕性能，但是強度 很低 ，且 16MnR 板厚效應 非常 嚴重，其強度和韌性隨板厚 度 的增加下降 很 大，厚度為 48mm 的時候 ， 16MnR 鋼板實物 在 韌性儲備量不高， 其中 設計厚度 ≤50mm 的時候 使用。 07MnCrMoVR 鋼 應用 低碳多元微合金 在 嚴格控制碳當量 (Ceq≤ ％ )在 焊接裂紋敏感性組織 (Pcm ≤％ )，并 且通過合理的調質熱處理 之后 獲得最佳強韌比 其中 組織結構，從根本上保證了其焊接性能 與 優(yōu)良的低溫韌度。 15MnNbR 是 GB1501998 國家標準第 1 號修改單新增鋼號，它是低合金鋼領域中的新一代鋼種 (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。 15MnNbR 具有良好的綜合性能，可大大提高球罐使用的安全可靠性，該鋼性價比較高，是大型球罐的理想鋼種。 沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 球罐的發(fā)展趨勢與面臨問題 11 第二章 球罐的發(fā)展趨勢與面臨問題 球罐發(fā)展趨勢 隨著材料、焊接、制造、施工安裝 技術不斷提高，球罐也正向大型化、多結構、高參數(shù)的方向發(fā)展。其中，最主要的是向大型化方向發(fā)展。 球罐大型化面臨的問題 由于大型化的經(jīng)濟性十分顯著，已成為世界各國優(yōu)先重視的重要的課題與重點的科研方向。隨著相應技術的發(fā)展，這些制約因素不斷得到解決，又使球罐大型化的發(fā)展。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。 （ 2） 球罐現(xiàn)場熱處理 隨著球罐向大型化方向發(fā)展，球殼板壁厚的增加有可能超過不進行整體熱處理的板厚上限，大型球罐的整體熱處理勢在必行。 （ 3） 球殼板尺寸精度 大型球罐球殼板塊數(shù)相當多，以天然氣球罐球殼板為例： 5000m3 總數(shù)為 156 塊，37000m3 總數(shù)為 234 塊。 （ 4） 吊裝運輸能力 球罐大型化后，單塊球殼板的厚度、規(guī)格尺寸和重量均隨之增大，必將涉及至吊裝及其運輸能力。 （ 5） 球罐現(xiàn)場組裝和焊接問題 由于大型球罐均為現(xiàn)場組裝組合，施工條件不好、人員流動性很大，所以在大型球罐施工時需要進行嚴格的質量管理要求，建立完善的質量保證體系。 （ 1） 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。 （ 2） 7MnCrMoVR 鋼是 在 我國 “七五 ”期間 創(chuàng)新 出來的新鋼種， 這 鋼的力學性能 應該是 WELTEN62CF 鋼 在 實際水平。 07MnCrMoVR 的力學性能 以 及其穩(wěn)定性 較好 ，國內大部分 的 設計、制造和組焊單位掌握 其中的 特性，具有成熟 穩(wěn)定的 經(jīng)驗，但對貯存液化石油氣介質中的硫化氫含量有 很嚴重 的要求，此外鋼廠提供寬板能力有 限制 ，不能滿足大型球罐的 制造 要求 [9]。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。該鋼材取代進口鋼板后，能滿足我國大型液化氣球罐用鋼的迫切需求沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 球罐的發(fā)展趨勢與面臨問題 13 [10]。引進日本球殼板，國內安裝的 10000m3 北京天然氣球罐即選用該鋼種 [11]