2000m3液氨球罐设计方案确定的浅析

2020-01-13安赢云南化工设计院有限公司云南昆明650041

化工管理 2020年8期

安赢（云南化工设计院有限公司，云南昆明 650041）

1 设计、制造与检验标准的确定

球罐是一种储存带压气体或者液体的大型储罐，球罐与圆筒容器(即一般贮罐)相比，在相同直径和压力下，壳壁厚度仅为圆筒容器的一半，钢材用量省，且占地较小，基础工程简单。但由于容积大，需要制造厂成型及组焊单位现场组装焊接，制造、焊接和组装要求很严，检验工作量大，制造技术复杂。为确保球罐的安全使用，设计、制造及检验等的工作就显得非常重要。

目前我国压力容器设计、制造、检验所遵循的规范标准主要有GB150-2011《压力容器》、GB12337-2014《钢制球形储罐》、TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》。

2 球罐主体方案的确定

2.1 介质特性

氨，是一种无色，有刺激性气味的气体，中毒危害，吸入体内会使人昏迷、呕吐、甚至于窒息死亡。氨火灾爆炸危险性为乙类，在空气中的爆炸极限为15%-28%，在氧气中的爆炸极限为13.5%-79%，很容易遇明火发生爆炸。氨的临界温度132.4℃，通过加压或者降温，可以将其从气态变为液态。通常液氨储罐就是利用加压，使氨变成液态来进行储存的。氨有非常广泛的用途，主要用于生产尿素、硝酸及其他化学肥料，还可用作医药和农药的原料。

2.2 设计参数

用户为甘肃瓮福化工有限责任公司新建一台2000m3的液氨球罐，工作压力0.3～1.44MPa，设计压力1.6MPa，工作温度-2～39℃，设计温度为43℃，属于三类压力容器。操作介质为中度危害，腐蚀裕量3.0mm，焊接接头系数1.0

全容积2026m3 ，充装系数 0.9，最大允许工作压力1.67MPa，设计基本风压 0.9KN∕M2，设计雪压值0.25KN∕M2 ，抗震设防烈度7度(0.15g)，保冷层厚度100mm 。

2.3 球罐材料的确定

选择球罐受压元件用材时，不光考虑球罐的使用条件（如设计温度、设计压力、物料特性等）和材料的性能（力学性能、工艺性能、化学性能及物理性能），而且还要考虑球罐的制造工艺、组焊要求以及经济上的合理性。HG∕T20581-2011《钢制化工容器材料选用规定》中规定液氨应力腐蚀环境中使用碳钢及低合金钢应满足：材料标准规定的下屈服强度Rel≤355MPa；材料实测的抗拉强度Rm≤630MPa；材料使用状态应为正火或正火+回火、退火、调质状态。芬兰国家的规范中明确指出：推荐盛放液氨的压力容器用屈服强度最大值为350Mpa 的钢制作，屈服强度超过450MPa 的钢不适用于制造盛放液氨的压力容器。

目前，我国球罐主要受压元件采用Q245R，Q345R，Q370R，07MnMoVR。

用Q245R 材质的话，其设计名义壁厚比较大，同时厚度大于36mm时，抗拉强度仅为400MPa。球壳用钢板厚度不宜大于50mm。同时结合用材的经济性，壁厚增加会导致使用材料的增加，经济性低于其他材料。

Q345R是比较常用的球壳材料，具有较好的机械性能和焊接性能。通过计算的话，名义厚度为44mm，抗拉强度可达到490MPa，并且满足HG29581-2011中的相关规定。

Q370R材质在强度和韧性方面均优于Q345R，焊接和抗硫化氢应力腐蚀方面比Q345R要弱，经济性比Q345R差。

07MnMoVR 材质，抗拉强度在610MPa，加工成型和焊接性能非常好，但是该种材料抗液氨、硫化氢等介质的应力腐蚀性能比较低，不适用于制造液氨球罐，并且不满足HG29581-2011中的相关规定。

综合考虑，最终确定本液氨球罐的球壳板采用Q345R 钢材。使用状态为正火状态，钢板应逐张进行100%超声检测，质量等级不低于II 级。同时每组抽取3 个标准试样，进行夏比V型缺口冲击试验，试验温度为-20℃，允许1 个试样的冲击功数值低于规定值，但不得低于规定值的70%。锻件采用16Mn，同样进行冲击试验，试验温度-20℃，实验方法及冲击功值按NB47008-2017的规定。

2.4 球罐结构的确定

球罐球罐内径15700mm，几何容积2026m3，赤道中心到支座地板的距离为9800mm。根据GB12337-2014《钢制球形储罐》以及国家容标委压力容器计算软件进行反复的输入数据计算得出最佳以及最经济壁厚。考虑钢板的厚度负偏差及腐蚀裕量后，向上圆整至刚才标准规格的厚度，即名义厚度。本液氨球罐最终得到的名义厚度为44mm。

球壳分块的原则：几何尺寸尽量大；选择合适的赤板，提高材料的利用率；规格要少，互换性要好；尽可能的缩短焊缝长度。根据上述原则，本球罐结构为混合式份3 带10 支柱，上级分7片，赤道带分20片，下级分7片。各带球心角∕快数：上下级中板 21.5°∕2，上下级侧板 21.5°∕4，上下级边板 21.5°∕8，赤道板72.5∕20。设置支柱10根。

3 焊接的确定

3.1 焊接材料的选择

用于制造球罐受压元件的焊接材料应符合NB∕T47018.1的规定，用于制造球罐受元元件的焊条应符合NB∕T471018.2的规定，焊条规程采用NB∕T47015-2011《压力容器焊接规程》。球壳的焊缝以及直接与球壳焊接的焊缝选择用低氢型药皮焊条，并进行熔敷金属扩散氢含量复验。

本液氨球罐母材是Q345R、16Mn，焊条采用E5016-G；母材Q235-B、Q235B 与Q345R，焊条采用E4315。熔敷金属扩散氢含量≤4.0ml∕100g。

3.2 焊后的热消氢处理

由于本液氨球罐的球壳厚度为44mm，对于球壳对接焊缝以及嵌入式接管与球壳的对接焊缝在焊后需进行热消氢处理，后热温度宜为200～250℃，后热时间应为0.5h～1h。

4 检测的确定

检测主要有焊缝的检测、热处理、水压试验以及气密性试验。

4.1 焊缝检测

焊缝检测的标准严格执行NB∕T47013-2015。由于本球罐的介质为液氨，球壳板采用的Q345R，球壳厚度为44mm，因此，应对球壳的对接焊接接头，DN≥250mm 的接管与接管对接接头，接管与法兰的对接接头进行100%TOFD检测，检测等级为C级，合格级别不低于II 级。检测合格后，每条对接焊缝还应进行100%超声检测，检测等级B 级，合格级别不低于I 级。球壳板周边100mm的范围内应按JB∕T4730.3的规定进行超声检测，质量等级不低于II级。在热处理前和水压试验后，对所有焊缝进行MT-100%检测，合格级别不低于I级。