Q370R钢制4000m3丙烯球罐建造技术

2020-03-30李云福郭春光

化工机械 2020年1期

李云福郭春光王林

（合肥通用机械研究院有限公司）

随着我国工业的持续快速发展，对丙烯的需求量逐年增加。为使石油化工装置的经济性持续提高，常温储存丙烯的球形储罐（简称球罐）已趋于大型化、高参数方向发展。近年来，基于材料技术、焊接技术、制造和安装技术的不断发展进步，国内对大型球罐的国产化能力有了极大的提高。笔者就Q370R 钢制4 000m3丙烯球罐建造技术进行了简要介绍。

1 球罐的概况

球罐本体采用 Q370R 钢板制造［1］，主要设计参数如下：

公称容积 4 000m3

球罐内径 19 700mm

设计压力 2.16MPa

设计温度 -20/50℃

腐蚀裕量 1.5mm

装量系数 0.9

储存介质丙烯

介质密度 575kg/m3

防震烈度 7 度（0.10g、第 1 组）

场地土类别 Ⅱ类

基本风压 400Pa

地面粗糙度 B 类

基本雪压 350Pa

球罐为四带十二支柱（62 块瓣片）混合式结构，分带角为赤道带 50°、温带 40°、极带 5×18°，纵环焊缝总长637 105mm，球壳板名义厚度56mm，总体结构如图1 所示。设计、建造遵循 TSG R0004—2009 《固定式压力容器安全技术监察规程》［2］，JB 4732—1995 （2005 年确认）《钢制压力容器——分析设计标准》［3］，GB 12337—2014《钢制球形储罐》［4］，GB 50094—2010《球形储罐施工及验收规范》［5］。球壳板数量少、材料利用率高、能节省较多焊接材料、降低焊接工作量和产生缺陷的概率，提高球罐安全可靠性，维护、检修方便。

图1 球罐总体结构示意图

2 球罐本体建造材料

2.1 钢板

Q370R 钢板交货状态为正火，强度较高、冲击韧性好、焊接性能稳定，是近年来球罐建造使用最为普遍的材料，较高强度调质钢板，具有更好的抗H2S 应力腐蚀能力。

按设计技术要求，钢板应进行力学性能复验，抗拉强度 Rm不小于 520~620MPa、-20℃冲击吸收能量KV2≥67J、并增加在1/2 板厚取样冲击试验KV2≥60J。 62 块钢板100%复验结果为Rm最低548MPa、最高612MPa，-20℃按标准取样冲击吸收能量 KV2最低 176J、最高 252J，-20℃在1/2 板厚取样时 KV2最低 108J、最高 127J。

2.2 锻件

Q370R 钢板按分析设计，配套锻件为20Mn-MoD［6］，供货状态为调质。按设计技术要求，锻件应进行力学性能复验，抗拉强度Rm不小于530~700MPa、-40℃冲击吸收能量 KV2≥60J。锻件100%复验结果为Rm最低543MPa、最高625MPa，-40℃时 KV2最低 106J、最高 131J。

2.3 焊条

采用与Q370R 相匹配的J557R 高韧性低氢型焊条。按设计技术要求，焊条应进行力学性能和熔敷金属扩散氢含量（［H］）的测定复验，抗拉强度 Rm不小于 530~650MPa、-40℃冲击吸收能量 KV2≥60J，按 GB/T 3965—2012［7］水银法测定，［H］≤7.0mL/100g。焊条规格为 φ4.0mm，按批复验结果为 Rm最低 550MPa、最高 597MPa，-40℃时KV2最低 88J、最高 105J，［H］最低 5.3mL/100g、最高6.4mL/100g。

3 现场安装组焊

3.1 球壳板坡口

球壳板坡口按设计要求为不对称的X 形（图2），外侧焊接环境相对较好，外侧焊接工作量也相对较大，制造单位火焰切割后坡口表面采用砂轮打磨出金属光泽，彻底清除坡口熔渣与氧化皮，经 100%磁粉检测［8］，Ⅰ级合格，并涂上可焊性涂料。

图2 球壳坡口型式和尺寸示意图

3.2 球壳板现场验收

为避免组装后出现问题，影响工期，造成不必要的经济损失，球罐安装前，现场严格按设计图样和设计技术要求对球壳板曲率、几何尺寸、坡口表面质量、球壳板厚度和超声检测［9］进行检测，结果均满足设计技术要求。

3.3 球罐组装技术

组装工艺和组装后瓣片之间间隙精度是保证球罐组焊质量的前提。本项目球罐组装采用分片散装法，其优点是效率高、速度快、组装应力小。组装时，上极带和上温带采用外部组装方式，赤道带和下极带采用内部组装方式，使用脊背式工卡具调整球壳板的间隙和错边量，点焊固定后工卡具可起到防止焊后变形的作用。组装后几何尺寸检测结果见表1。

表1 球罐组装后几何尺寸检测结果 mm

3.4 焊接工艺评定

按 NB/T 47014—2011［9］标准相关规定，对厚度56mm 的Q370R 钢板分别进行立焊、横焊、平+仰焊3 种位置的焊接工艺评定，评定合格后的工艺参数为焊条直径4.0mm，平焊、横焊焊接电流140~180A，立焊、仰焊焊接电流130~160A。不同焊接位置下的焊接线能量见表2。

表2 各种位置下的焊接线能量 kJ/cm

3.5 球壳板焊接顺序

为使球罐焊接有利于减少焊接变形和残余应力，焊接时安排12 名焊工同步对称施焊，各焊工的焊接速度力求一致。施焊顺序为先焊纵缝后焊环缝，外部焊缝全部焊完后，进行内部清根，并经渗透检测［9］合格后再焊内部焊缝；极板的纵焊缝从中间向两边焊。具体焊接顺序为：赤道带纵缝外侧、温带纵缝外侧、上极带纵缝外侧、下极带纵缝外侧、上环缝（大小两条）外侧、下环缝外侧、赤道带纵缝内侧、温带纵缝内侧、上极带纵缝内侧、下极带纵缝内侧、上环缝内侧、下环缝内侧。

3.6 球壳板施焊要点

控制焊前预热温度、焊接层间温度及焊后消氢处理等措施以避免焊接冷裂纹的产生。按设计技术要求：预热温度不低于100℃；层间温度不低于焊前预热温度；消氢处理，后热温度 200~250℃、保温1h，使扩散氢充分溢出。焊工应严格按焊接工艺规范进行，不得在非焊接位置任意起弧或息弧。焊道终端应将弧坑填满，每一层焊道焊完后，应将焊渣清除干净，并采用砂轮将焊瘤打磨至与焊层齐平后，方可进行下一层焊道的焊接，每一焊道宽度不大于16mm（焊条焊芯φ4mm的4 倍），每一层焊道的厚度不超过3.5mm，并对质量进行跟踪检测，及时纠偏和记录。多层焊各层间的接头错开50mm 以上。外侧焊接后采用碳弧气刨法清焊根时，进行不低于100℃预热，刨槽宽窄均匀呈U 形，彻底清除缺陷和定位焊，并渗透检测［8］Ⅰ级合格后方可进行内侧施焊。

3.7 焊缝表面的形状尺寸及外观要求

按设计技术要求，焊缝表面不得有裂纹、咬边、气孔、弧坑及夹渣等缺陷，且不得保留熔渣与飞溅物。焊缝表面须采用砂轮打磨消除焊波；球罐焊缝余高应严格控制，焊缝表面须磨平；具体操作时，焊缝外表面焊缝余高为0.0~1.5mm、内表面焊缝余高为0.0~0.5mm，并不低于母材；对接焊缝打磨至与母材圆滑过渡，表面不得有急剧的形状变化，角焊缝与母材呈凹面圆滑过渡。

3.8 焊后球罐几何尺寸检测

焊缝内外表面采用砂轮打磨消除焊波，严格控制焊缝余高，打磨至与母材圆滑过渡。对焊后几何尺寸和外观质量进行全面检测，实测结果（表3）满足设计技术要求。

表3 球罐组焊后几何尺寸实测值 mm

4 焊后无损检测

按设计技术要求，焊缝表面的形状尺寸及外观检查合格后，方可进行无损检测。从事无损检测的人员，需持有有效期内相应类别的“特种设备检验检测人员合格证”，无损检测应在焊接结束 24h 后进行。按照 JB 4732—1995 （2005 年确认）［3］要求，无损检测必须由持有相应类别的Ⅱ级或Ⅲ级资格证的人员担任。

球壳对接接头焊后（整体热处理前）进行100%衍射时差法超声检测（TOFD），按 NB/T 47013.10—2010［10］标准Ⅱ级合格；再进行 100%超声检测，技术等级不低于 B 级，按 JB/T 4730.3—2005［8］标准 I 级合格；球罐整体热处理前和水压试验后，分别对制造和安装过程中球壳板上的所有焊接部位（包括球壳板对接焊缝的内、外表面、与球壳板焊接形成的角焊缝、工卡具清除后的焊迹部位及其热影响区）进行表面100%的磁粉检测（内表面应采用荧光磁粉），按JB/T 4730.4—2005［8］标准Ⅰ级合格。

5 整体热处理技术

焊后整体热处理是为了消除球罐组装和焊接的残余应力，改善焊接接头和热影响区的组织和性能，降低硬度、提高塑性和韧性，进一步释放焊缝中的有害气体，防止焊缝的氢脆和裂纹的产生。

现场采用内燃法进行球罐整体热处理，按设计技术要求，热处理温度为610℃±15℃、恒温时间2.5h。温度处于400℃以上时，升降温速度宜控制在 50~80℃/h 和 30~50℃/h；温度达到 400℃以下时方可自然冷却。整体热处理工艺曲线示意如图3 所示。共布置测温点61 个（含产品焊接试板3 块3 个点），基本均匀布置，间距不超过4.5m，距人孔和球壳板焊缝边缘200mm 以内及3 块产品焊接试板上均设置测温点。实际热处理温度控制为596~625℃，在400℃以上升降温过程中，相邻两测温点的温差均小于112℃，满足不大于130℃的设计技术要求；保温层外表温度最高53℃，满足不高于60℃设计技术要求。热处理过程中，升温膨胀支柱向外移动，降温收缩支柱向内移动，热处理过程温度每变化100℃调整一次支柱底板位移约14mm。

图3 整体热处理工艺曲线

6 产品焊接试板

焊工由安装单位的检验部门指定，采用与施焊球壳板时相同的条件和焊接工艺。试板焊后焊缝应经外观检查合格后，再经 100% TOFD 检测［10］和 100%磁粉检测［9］合格，并与球罐一起进行整体热处理。试板的拉伸和弯曲试验的试样制备、试验方法等按 NB/T 47016—2011［11］标准规定。试验数据见表4，满足设计技术要求（-20℃冲击吸收能量平均值大于34J）。