大厚度不锈钢球罐的研制

(兰州兰石重型装备股份有限公司，兰州 730314)

0 引言

球罐作为大容量承压储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门。近年来，随着储存介质对壳体的严苛要求和制造水平的提高，不锈钢制球罐也逐渐在工程中得到应用，但大部分为容积较小的薄壁球罐，大容积、大厚度不锈钢球罐还屈指可数。本文介绍目前国内最大厚度(δ42 mm)不锈钢球罐的结构优化设计、球壳板成型及焊接过程中难点的控制和处理方案。

2 000 m3精制三氯氢硅缓冲罐是某公司3×12 000 t/a纯多晶硅产业升级建设项目精馏装置中的关键存储设备，根据工艺条件，球罐储存介质为98.1%SiHCl3(TCS)和1.9%SiH2Cl2(DCS)，该介质主要特性[1]：易燃易爆、中度危害，操作温度45 ℃，操作压力0.6 MPa，装量系数0.85。SiHCl3在空气中易潮解，遇水反应生成HCl，H2，释放出大量的热能，对设备易造成严重腐蚀和安全隐患。只有含Mo的Cr-Ni钢在极稀的HCl溶液中溶解度稍低一些，并且鉴于介质对设备洁净度要求较高，经综合考虑选用S31603材料作为球罐的主体材料，腐蚀裕量取1 mm，对储存介质提出不得含有任何水分的要求。设备水压试验合格后，需彻底清除水渍，保持内部干燥，并采用干燥氮气封存。

1 设备结构型式和主要设计参数

2 000 m3精制三氯氢硅缓冲罐采用三带十柱混合式结构，单台球罐共计34块球壳板。支柱分上下两段，上支柱与球壳板的连接采用加U形托板结构型式，有效降低了α点(支柱与球壳连接最低点)应力。上段支柱、托板及盖板材料采用与球壳板材料相近的S31608钢板制造，既避免了与球壳板之间产生异种钢焊接；又没有因完全采用与球壳板材料相同的超低碳不锈钢而降低材料成本。设备结构简图如图1所示，其主要设计参数见表1。

图1 精制三氯氢硅缓冲罐结构示意

项目参数设计规范 GB/T 12337—2014《钢制球形储罐》[2]容器类别Ⅲ设计压力/MPa1.0/FV设计温度/℃80主体材料31603/31603锻公称容积/m32 000壳体内径/mmS⌀15700球壳厚度/mm42腐蚀裕量/mm1操作介质三氯氢硅、氢气、氮气设备总重/t305.1

2 结构优化

2.1 球壳分带优化

根据GB/T 17261—2011《钢制球形储罐型式与基本参数》[3]的规定，工程中大部分2 000 m3球罐采用三带十柱结构，赤道带球心角67.5°，极带球心角112.5°，球壳板焊缝总长约380 m，极带每张球壳板宽度3 082.7 mm。目前国内钢厂均无法轧制如此宽的不锈钢钢板，为解决此问题，设计时将赤道带球心角改为80°，极带球心角100°，极带球壳板宽度降为2 740.2 mm，满足了钢板订货尺寸要求，同时球壳板焊缝总长降为365 m，减少焊材用量和节省球罐现场安装时间。

2.2 焊接坡口型式优化

大型球罐主要焊接作业在安装现场的焊接位置属于全位置焊接，普通碳钢类球壳板坡口按GB/T 12337—2014附录F的规定，一般为“外大内小”不对称X形坡口，可减少罐体内部受限空间焊接作业量。由于不锈钢材料的焊接困难，尤其仰焊位置更甚，为减少仰焊位置焊接量，保证焊接质量，不锈钢球壳板坡口采用不对称X形坡口，且下极带球壳板之间及下极带与赤道带之间的焊接坡口采用“外小内大”X形坡口，其余球壳板坡口仍采用“外大内小”X形坡口，坡口详细结构见图2。

(a)下极带球壳板、下极带与赤道带

(b)球壳(除下极带及下极带与赤道带)

2.3 接管法兰结构优化

图3 其余接管与球壳板焊接结构示意

按GB/T 12337—2014的要求，球罐的接管法兰应采用带颈对焊法兰。本球罐设计时将接管与法兰的焊接结构设置为整体结构，避免了接管与法兰的B类焊接接头，同时减少无损检测等工序，有效提高制造质量。人孔接管法兰与球壳板的连接采用嵌入式对接连接结构，其余接管法兰采用插入式整体补强结构，见图3。

3 球罐用钢板、锻件及焊接材料

根据设计条件，球壳板用S31603钢板应符合GB/T 24511—2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》[4]的规定，表面加工类型为1D。接管法兰用S31603锻件应符合NB/T 47010—2017《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》[5]的规定，焊材按等强度原则采用E316L-16[6]。球罐主体材料及焊材按要求进行化学成分和力学性能复验。其化学成分复验结果分别见表2～4，力学性能复验结果分别见表5～7。

表2 S31603钢板化学成分(熔炼分析) %

表3 S31603锻件化学成分(熔炼分析) %

表4 E316L焊条化学成分(熔炼分析) %

表5 S31603钢板力学性能

表6 S31603锻件力学性能

表7 E316L焊条熔敷金属力学性能

4 球壳板的制造

4.1 球壳板成型

球壳板的压制一般多采用多点冷压法成型。碳钢类球壳板成型技术，已应用多年，工程经验丰富；但对于大容积、大厚度不锈钢球壳板采用此方法成型，诸如压制时的回弹量、模具设计、压点布置以及球壳板移动量等参数，没有可借鉴的经验。为此，在球壳板正式压制前，采用一块规格为2 000 mm×3 000 mm×45 mm的样品进行试压和试切割，在压制过程中，充分考虑不锈钢板的塑性和回弹量，掌握压力和回弹量的关系比，通过模拟样品试压掌握相关技术参数后，再对球壳板进行正式压制。球壳板压点布置及压制顺序如图4所示。

不锈钢材料与碳素钢接触会产生渗碳、Fe离子污染、表面损伤等情况，均对材料的耐腐蚀性能产生影响。因此在不锈钢球壳板压制成形及运输过程中，对不锈钢钢板表面保护尤为重要。首先，对球壳板内外表面贴敷牛皮纸，防止压制过程中压制模具对球壳板的表面污染；其次，对现有压制模具进行改造，压制模具上模热处理后的曲面及边缘100 mm范围进行抛光处理，下模采用1.2 mm厚不锈钢板进行包覆[7]；还对吊装卡具表面进行堆焊隔离(铜)层处理，制作3 000 mm长不锈钢曲率检测样板，在专用压制场地铺设橡胶垫等系列隔离措施，详见图5。

图4 球壳板压点布置示意

(a) (b) (c)

图5 球壳板隔离措施

4.2 球壳板切割及坡口制备

气割不锈钢球壳板时，坡口边缘变形较大，坡口成形质量差，易出现波浪形，给后序的现场组焊造成困难。在制定严格的压制工艺后，采用了球壳板专用数控切割机精准划出切割线和检查线，见图6。

由于不锈钢球壳板厚度、尺寸较大，尤其是赤道板净尺寸长度达到10 960.7 mm，压制后拱高达到1 836 mm，对设备的切割能力和爬坡能力要求极高，因此特购置了2台功率600 A自带弧压调高装置及冷却系统的等离子切割机。

图6 专用数控切割机激光划线现场

对于碳钢类球壳板，以往均采用视觉跟踪磁力爬行切割机进行坡口切割，但对于不锈钢材质，此设备滚轮无法吸附于钢板表面，为此对普通半自动爬坡小车与等离子切割机进行组装，并制作了爬行轨道胎具。球壳板厚度42 mm，等离子切割机无法达到双面坡口一次切割成型，只能单面分两次切割，且先从坡口尺寸较深一侧进行切割，切割后坡口打磨出金属光泽，并保证每条边的曲线连续性，清除坡口毛刺，成型后的球壳板坡口效果见图7，坡口表面经100%渗透检测，Ⅰ级合格[8]。球壳板切割完成后，对曲率超差部分进行修校，修校后检测样板与球壳板内表面的间隙e≤3 mm，球壳板几何尺寸均满足设计要求。其中，极边板几何尺寸检查结果如表8所示。

图7 成型后的球壳板坡口外观

表8 极边板几何尺寸检查结果 mm

注:表中符号按GB/T 12337—2014的规定，B1,B2-宽度方向弦长，mm；L1，L3-长度方向弦长，mm；D-对角线弦长，mm

5 接管法兰、支柱与球壳板的焊接及质量控制

5.1 焊接变形防控

焊接不锈钢材料时极易产生焊接变形，球壳板焊接后产生的变形会影响现场安装的顺利进行。球壳板的焊接变形防控是确保球壳板曲率和几何尺寸的重要因素。为此，采取了以下措施。

(1)施焊前球壳板应装焊防变形胎，以加大结构刚性，见图8；

图8 防变形胎结构示意

(2)根据焊接工艺评定，制定科学合理的焊接工艺，严格控制焊接热输入，降低焊接线能量；

(3)采取合理的焊接方法，对称布置焊接位置同时施焊，并采取分段跳焊法及合理的焊接顺序。

5.2 S31603材料的焊接要求及质量控制

S31603可采用SMAW，GTAW等焊接方法，焊接时易产生热裂纹[9-11]，为了减少热裂纹，需要保证焊接接头中具有一定的铁素体含量，铁素体含量控制在3% ～8%。产品正式焊接前，根据产品材料及厚度、焊接接头型式、焊接性能分析[12]等制定预焊接工艺规程pWPS进行焊接工艺评定，评定试板采用厚度δ45 mm的S31603钢板，坡口采用不对称X形，焊接方法采用SMAW，焊条采用∅4.0 mm的E316L，焊接工艺评定参数见表9。焊接完成后，按NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》[13]要求对焊接接头进行拉伸、侧弯、硬度HV10及晶间腐蚀试验。经检测，抗拉强度Rm=603 MPa，断裂位置均在母材。弯曲试验试样尺寸10 mm×45 mm，弯心直径40 mm，弯曲角度180°，结果合格。硬度测定时，在焊缝、热影响区、母材距表面1.5 mm及T/2处各3点，HV10检测结果190～235。评定试件按GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》[14]中E法进行硫酸-硫酸铜腐蚀试验，结果合格。

表9 焊接工艺评定参数

产品焊接过程中严格控制焊接电流、电弧电压和焊接速度。接管法兰与球壳板焊接时，采用SMAW方法在坡口外侧焊接至外坡口深度的1/3处，然后采用等离子气刨在坡口内侧进行清根，清根后，采用不锈钢砂轮打磨消除渗碳层，至露出金属光泽，经无损检测合格后，进行坡口内侧焊接，至内坡口深度1/2处，再进行外侧坡口焊接及内侧坡口焊接。焊接过程中需控制层间温度≤150 ℃，以保证焊接质量。上段支柱、托板及盖板与球壳板焊接时，第一道采用∅3.2 mm焊条施焊，以保证接头根部熔透，然后再用∅4.0 mm焊条继续施焊，焊接过程中严格控制层间温度≤100 ℃，且要做到均匀配置焊工，同时对称焊接，产品焊接工艺参数见表10。

表10 产品焊接工艺参数

5.3 焊后无损检测

焊接采用多层多道焊，每道焊缝完成后，应清除焊缝两侧的熔渣及飞溅物，焊接接头表面不得出现未熔合、咬边、裂纹、气孔及夹渣等缺陷。角焊缝表面打磨至与母材圆滑过渡。焊接完成后对球壳板的曲率和几何尺寸再次检查，必要时进行局部修校。焊缝表面形状及外观检测合格后，对接管法兰与球壳板的焊接接头进行100%射线检测，Ⅱ级合格。经无损检测，一次合格率达98.2%，主要缺陷为夹渣、未熔合等。

6 球壳板运输及现场组装

球壳板运输时，制作防变形运输托架，托架与球壳板之间垫以橡胶垫、用不锈钢钢带束紧固定，球壳板与托架整体起吊。运输至安装现场后，球壳板吊装前，球壳板始终置于托架上，避免曲率发生变化，产生局部变形。

球罐现场安装时采用“无中心柱分片整体组装法”，首先依次组装带支柱的赤道板，用经纬仪测量，调整支柱与赤道板的垂直度，将支柱底板固定；然后吊装不带支柱的赤道板，依次插入已安装就位赤道板之间，用不锈钢卡具固定；组装成环带后，调整赤道板间隙、错边量、角变形及上下环口水平度、椭圆度，而后吊装上、下极带板。安装过程中，为尽量保证罐内清洁度，定位块、工卡具在球壳板外侧固定，搭设内外脚手架用钢管全部采用镀锌处理，钢管两端垫橡胶垫。组装完成后，经检测球壳板坡口钝边间隙均≤4 mm，错边量≤3 mm。用弦长2 000 mm的样板，沿对接接头每500 mm测量棱角度，棱角度E≤5 mm。

该球罐安装过程中，球壳板之间的组装间隙、棱角度及焊接质量均满足设计要求，并经水压试验验证合格，现场安装效果见图9。

(a)

(b)

7 结语

(1)在设计大厚度不锈钢球罐时，对球壳分带、坡口形式及接管法兰进行了结构优化设计，降低了制造安装的难度，有效保证了球罐的安全性和经济性。

(2)对球罐原材料的复验要求、制定合理的制造工艺及焊接防变形控制措施，解决了不锈钢球壳板压制过程中的质量控制、半成品保护等难题，为高质量完成不锈钢球罐制造奠定了基础。

(3)厚度42 mm的2 000 m3不锈钢球罐的成功制造，为今后大容积、大厚度不锈钢球罐的设计制造积累了宝贵的工程经验。