大直徑整體多層包扎高壓氮氣儲罐的研制

馬 茂 羊衣木

（1.四川大學(xué)化工學(xué)院 2.四川科新機電股份有限公司）

0 引言

高壓氮氣儲罐常采用整體多層包扎式結(jié)構(gòu)。整體多層包扎式結(jié)構(gòu)也稱為整體多層夾緊式結(jié)構(gòu)，最早是由華南理工大學(xué)和長沙化工機械廠基于德國Krupp公司研制的整體包扎縱、環(huán)縫錯開式多層容器結(jié)構(gòu)而開發(fā)出來的[1]。這種多層結(jié)構(gòu)是利用液壓機械手將層板逐層包扎在整體內(nèi)筒上且縱、環(huán)焊縫均勻錯開，它綜合了現(xiàn)有多層壓力容器結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點 （工藝簡單、質(zhì)量易保證、材料利用率高、安全性高、制造中不需要大型設(shè)備），而且適用于現(xiàn)場組裝，對不便于運輸?shù)拇笮腿萜鞲鼮橛欣?，是一種較為理想的多層容器結(jié)構(gòu)形式[2]。

高壓氮氣儲罐的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要設(shè)計參數(shù)及要求如表1所示。

1 主要受壓元件的材料性能要求

1.1 球形封頭、內(nèi)筒、層板的材料要求 [3]

球形封頭、內(nèi)筒、層板均采用正火板，每批鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能除符合GB 713的要求外，還應(yīng)符合下述幾項要求：

圖1 高壓氮氣儲罐結(jié)構(gòu)

表1 高壓氮氣儲罐的技術(shù)特性

（1）金屬夏比V型缺口沖擊試驗

內(nèi)筒和球形封頭的鋼板應(yīng)逐張按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行夏比V型缺口沖擊試驗，試驗溫度0℃，三個試樣平均值A(chǔ)kv≥34 J，單個試樣最小值A(chǔ)kv≥24 J。

（2） 無損檢測

內(nèi)筒和球形封頭的鋼板按JB/T 4730進行100%超聲檢測，達Ⅱ級合格。

（3） 硬度要求

為確保鋼板經(jīng)機加工、焊接和焊后消除應(yīng)力熱處理后的硬度值不超過220 HV10，鋼板交貨狀態(tài)的硬度值應(yīng)≤200 HV10。

（4） 鋼板質(zhì)量

層板用鋼板厚度負偏差為零，逐張檢查鋼板的表面質(zhì)量和測厚。

1.2 主體鍛件的材料要求 [4]

人孔凸緣和人孔蓋為主要受壓鍛件，材質(zhì)為20MnMoⅣ，鍛件的化學(xué)成分、力學(xué)性能除符合NB/T 47008的要求外，還應(yīng)符合下述各項要求。

（1） 鍛造工藝

三維鍛造，鍛造比≥3。

（2） 熱處理

鍛件應(yīng)進行淬火加回火熱處理。

（3）夏比V型缺口沖擊試驗

夏比V型缺口沖擊試驗應(yīng)按GB/T 229《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行，試驗溫度0℃，三個試樣平均值A(chǔ)kv≥41 J，單個試樣最小值A(chǔ)kv≥29 J。

（4） 硬度要求

為確保鍛件經(jīng)機加工、焊接和焊后消除應(yīng)力熱處理后達到NB/T 47008的要求，鍛件交貨狀態(tài)HB≤180。

2 零部件的制造及其質(zhì)量控制

2.1 球頭部件制造的關(guān)鍵工序

2.1.1 球形封頭的制造與檢驗

（1）拼縫的坡口采用機械加工而成，坡口的表面及附近區(qū)域按JB/T 4730進行100%滲透檢測，無裂紋、分層等缺陷。

（2）拼縫的對口錯邊量b按 “0”控制，在成形前應(yīng)將焊縫余高打磨至與母材齊平。

（3）成形后用帶間隙的全尺寸樣板檢查內(nèi)表面的形狀偏差，內(nèi)凹≤12.5 mm，外凸≤25 mm。

（4）封頭內(nèi)外表面按JB/T 4730進行100%超聲和磁粉檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。

（5）封頭拼縫按JB/T 4730進行100%射線和超聲檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。2.1.2 人孔凸緣的制造與檢驗

（1）為保證人孔凸緣角縫的焊接質(zhì)量和密封面的密封性能，凸緣密封面暫不加工，內(nèi)孔留一段100 mm加工到?485 mm。

（2）螺柱孔劃線后鉆螺紋底孔至?50 mm （鉆孔步驟為粗鉆→精鉆→擴孔），再鏜底孔至?57 mm，留二次加工余量。

（3）螺柱孔中心圓直徑偏差±0.6 mm，相鄰兩孔弦長偏差±0.6 mm，任意兩孔弦長偏差±1.5 mm，螺柱孔軸線垂直于端面，公差為0.15°。

（4）螺紋尺寸按GB/T 196的規(guī)定，公差按GB/T 197的規(guī)定，未注尺寸公差按GB/T 1804中的f級規(guī)定。

2.1.3 球頭部件的無損檢測[5]

（1）接管與法蘭的B類焊縫按JB/T 4730進行100%超聲檢測，達Ⅰ級合格。

（2）凸緣與球頭的D類焊縫按JB/T 4730進行100%射線檢測，達Ⅱ級合格，合格后再進行≥20%超聲檢測，達Ⅰ級合格。

（3）管口公稱尺寸≥152.4 mm(6″)的D類焊縫按JB/T 4730進行100%超聲檢測，達Ⅰ級合格;公稱尺寸＜152.4 mm(6″)的D類焊縫進行100%滲透檢測，達Ⅰ級合格。

2.1.4 球頭部件的質(zhì)量控制

（1）人孔凸緣的端面與封頭端面的平行度誤差小于1 mm。

（2）加厚接管與球頭組焊時，采用防變形工裝，防止焊接時發(fā)生變形。

（3）熱處理前對封頭組件進行全面檢查，合格后進行爐內(nèi)整體消除應(yīng)力熱處理。對法蘭密封面、螺孔要進行保護，并采用工裝防止各管口發(fā)生變形。

（4）采用鏜床加工人孔凸緣的內(nèi)孔 （圖2）、凸緣端面、密封面，必須保證凸緣的內(nèi)孔、密封面、端面與球形封頭的同心度，加工人孔凸緣螺栓孔底孔到位，球形封頭的坡口尺寸達圖3要求。

（5）坡口表面及附近區(qū)域按JB/T 4730進行100%滲透檢測，無裂紋、分層等缺陷。

（6）用塞規(guī)檢查螺紋精度，螺紋表面不允許有裂紋、碰傷和毛刺等缺陷。

（7）凸緣的密封面不允許有刻線、刮傷和凹痕等缺陷。

2.2 筒體部件制造的關(guān)鍵工序

2.2.1 內(nèi)筒的制造與檢驗及其質(zhì)量控制[6]

（1）內(nèi)筒的每條環(huán)縫考慮3～4 mm焊接收縮余量或留一節(jié)筒體配長定尺；最短筒節(jié)長度不小于300 mm。

圖2 人孔凸緣內(nèi)孔加工尺寸

圖3 球形封頭端面的坡口形式

（2）內(nèi)筒的坡口采用機加工而成，坡口的表面及附近區(qū)域按JB/T 4730進行100%滲透檢測，無裂紋、分層等缺陷。

（3）為了保證內(nèi)筒的圓度和棱角度，內(nèi)筒板材應(yīng)進行預(yù)彎成形，預(yù)彎的曲率應(yīng)盡可能接近筒節(jié)的卷制弧度，板材端頭的直邊長度應(yīng)盡量減小。

（4）內(nèi)筒的A類焊接接頭對口錯邊量b1≤2.0 mm；對于棱角度E1，用弦長等于1/（6Di）的內(nèi)樣板或外樣板檢查，其E1≤3 mm；周長允差小于或等于3‰Di，且不大于3 mm；同一端面上最大與最小直徑之差，應(yīng)不大于端面內(nèi)直徑的4‰，且不大于4 mm。

（5）內(nèi)筒無損檢測合格后，打磨縱縫內(nèi)外表面與母材齊平并圓滑過渡，在內(nèi)筒A類焊接接頭兩端作焊縫位置標記，并在筒節(jié)的兩端用脹圈撐圓。

（6）內(nèi)筒環(huán)縫組對時，相鄰?fù)补?jié)A類接頭中心的距離或封頭A類接頭的端點與相鄰?fù)补?jié)A類接頭中心的距離應(yīng)大于100 mm，且沿同一方向；內(nèi)筒B類焊接接頭對口錯邊量b2≤4 mm；內(nèi)筒B類焊縫棱角度，用長度不小于300 mm的直尺檢查，其E2≤3 mm；內(nèi)筒的直線度小于筒體長度的1‰，且不大于3 mm；筒體的長度允差為±5 mm。

（7）對內(nèi)筒體進行全面檢查，合格后對內(nèi)筒體進行整體消除應(yīng)力熱處理，筒體兩端及內(nèi)部應(yīng)加防變形工裝。熱處理后打磨環(huán)縫內(nèi)外表面與母材齊平，使之圓滑過渡，并進行噴砂處理。

2.2.2 層板的制造與質(zhì)量控制

（1）相同或相近厚度的板材用于同一層層板的包扎。

（2）層板下料時對角線誤差≤1 mm，每節(jié)層板縱、環(huán)縫每邊留5～10 mm刨邊余量；層板周向尺寸按所夾緊內(nèi)層筒體的實測周長下料，縱向接頭的間隙控制在6～12 mm之間，且只允許為負偏差，偏差值不大于2 mm；每層層板留一短節(jié)與層板筒體配長下料，環(huán)向接頭的間隙控制在6～8 mm之間；層板不宜拼接。

（3）控制層板的平整度、板材兩邊的平行度及相鄰兩邊的垂直度，避免包扎后相鄰層板間的焊縫寬窄不一，影響焊接質(zhì)量，其偏差按GB/T 1184中的L級的規(guī)定。

（4）劃層板的刨邊線及刨邊控制線，再以刨邊控制線為基準劃層板兩端?28 mm的夾緊孔位置線，夾緊孔位置線的距離根據(jù)層板的實際板寬控制在450～550 mm之間，同時距刨邊控制線85 mm；最外層層板的泄放孔的位置線應(yīng)位于層板兩對角上50 mm×50 mm處，內(nèi)層板的夾緊孔兼作泄放孔用。

（5）層板與封頭的環(huán)縫刨30°外坡口，鈍邊為0 mm，第一層和最外一層層板的環(huán)縫和所有層板縱縫刨10°外坡口，鈍邊為0 mm，加工后對角線誤差≤1.0 mm；周長只允許為負偏差。

（6）為了提高層板的包扎質(zhì)量，層板端頭采用壓制成形，防止層板焊口處產(chǎn)生直段；層板在包扎前內(nèi)外表面還應(yīng)進行噴砂處理。

3 總裝及其質(zhì)量控制

3.1 內(nèi)筒與球頭部件的組裝

（1）內(nèi)筒與球頭組裝前，內(nèi)筒應(yīng)加支撐裝置，裝置距焊縫的距離≤50 mm，保證內(nèi)筒體的圓度≤4 mm。

（2）組對時控制內(nèi)筒的直線度≤3 mm，球頭部件與內(nèi)筒的同軸度≤3 mm，內(nèi)筒與球頭的錯邊量≤1 mm。

（3）焊接完成后，按JB/T 4730進行100%射線和超聲檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。

（4）無損檢測合格后，對內(nèi)筒與球頭間的焊縫進行局部消除應(yīng)力熱處理[7]；熱處理后打磨焊縫余高與母材齊平并圓滑過渡。

3.2 層板的包扎及其質(zhì)量控制 [8-9]

3.2.1 包扎前的準備工作

（1）在球形封頭的重心部位設(shè)置轉(zhuǎn)胎或其他支撐件，在筒體的重心位置處設(shè)置可調(diào)式轉(zhuǎn)胎。

（2）在內(nèi)筒體與球形封頭上劃出4條 （均布）對位標記線，并作出明顯的標記。

（3）在第一層層板的縱縫位置所對應(yīng)的內(nèi)筒內(nèi)表面加支撐裝置，防止層板縱縫焊接后，內(nèi)筒因受熱而出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。

3.2.2 第一層層板的包扎

（1）將預(yù)卷好的層板從球頭部件的一端套入到內(nèi)筒的預(yù)定位置，采用包扎機上的預(yù)緊裝置將層板拉緊，再采用多功能包扎機進行包扎；層板在包扎過程中需要用振打器或軟錘不停地敲擊、振打?qū)影逋鈭A，使其包扎緊密，效果達到最佳；檢查層板兩端的錯邊量應(yīng)≤1 mm，層板縱向接頭間隙控制在6～12 mm之間；檢查合格后進行層板的點焊固定，焊點間距為100～150 mm。

（2）層板與層板環(huán)向接頭的錯邊量≤1 mm；層板與筒體端部、球形封頭間對口錯邊量≤0.8 mm；層板環(huán)向接頭間隙控制在6～8 mm之間；層板間間隙檢查，任一端面上的任一估算間隙面積值不得超過300 mm2；任何層板間隙的弧長不得超過3000 mm，若相鄰層板間隙不只一處，則間隙長度總和不得超過3000 mm；任一層板間隙的最大高度不得超過3 mm；層板每一松動部位沿環(huán)向長度不得超過300 mm，沿軸向長度不得超過600 mm。

3.2.3 其余層板的包扎

（1）在包扎下一層層板前應(yīng)將前一層筒體外表面焊縫打磨與母材齊平并圓滑過渡，清除表面所有鐵銹、油污和影響層板貼合的雜質(zhì)。

（2）包扎時調(diào)整層板與層板之間、層板與球形封頭之間的間隙；每層層板的縱向接頭應(yīng)均勻錯開，相鄰?fù)补?jié)的縱向接頭以上一節(jié) （內(nèi)筒或?qū)影澹┛v向焊接接頭為基準沿順時針錯開78°；層板筒節(jié)的軸向長度應(yīng)使每層層板的環(huán)向接頭相互錯開，且相鄰兩層層板的環(huán)向接頭間距離不小于150 mm；任意兩條環(huán)向接頭間距離不小于50 mm。

（3）對最外層層板的封焊夾緊工藝孔在外層板施焊完畢后，用與外層層板相同的材料堵焊工藝孔并打磨焊縫與層板齊平，使之圓滑過渡，對焊接接頭表面按JB/T 4730進行100%磁粉檢測，達Ⅰ級合格。

（4）每層層板與球頭、內(nèi)筒的組對、焊接尺寸達圖4所示的要求。

圖4 層板與球頭、內(nèi)筒的組對、焊接尺寸

3.2.4 包扎層板的無損檢測

（1）層板與球形封頭間焊接接頭按JB/T 4730進行100%超聲和磁粉檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。

（2）最外層層板的縱、環(huán)向焊接接頭按JB/T 4730進行100%超聲和磁粉檢測，分別達Ⅱ級和Ⅰ級合格。

4 結(jié)束語

設(shè)備制作完成后經(jīng)水壓試驗，容器應(yīng)無滲漏，無可見的變形和異常的響聲[10]。基于以上整體多層包扎高壓氮氣儲罐的制造關(guān)鍵工序及其質(zhì)量控制要點，我公司于2011年成功制造了兩臺整體多層包扎高壓氮氣儲罐。這兩臺設(shè)備自投入使用以來，一直處于安全運行、正常生產(chǎn)中。整體多層包扎高壓氮氣儲罐的制造實踐表明，只要建立合理的制造過程質(zhì)量保證體系，嚴格控制其制造關(guān)鍵工序及質(zhì)量要求，就完全能夠保證整體多層包扎高壓氮氣儲罐的制造質(zhì)量和安全性能，從而確保其在尿素工業(yè)生產(chǎn)中的安全可靠性。

[1]朱孝欽，吳京生，陳國理.整體多層夾緊式高壓容器研制及應(yīng)用 [J].石油化工設(shè)備，1999，28（4）：42-45.

[2]李南京，朱孝欽，宋鵬云，等.多層壓力容器的研究及其進展 [J].化工機械，2008，35（6）：368-373.

[3]GB 713—2008.鍋爐和壓力容器用鋼板 [S].

[4]NB/T 47008—2010.承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件[S].

[5]JB/T 4730.1～6—2005.承壓設(shè)備無損檢測 [S].

[6]GB 150.1～GB 150.4—2011.壓力容器 [S].

[7]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計 [M].第3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[8]HG 3129—1998.整體多層夾緊式高壓容器 [S].

[9]謝梅生，李亞民，王堅，等.多層包扎金屬壓力容器用多功能包扎機:中國，200810233752.7[P].2010.

[10]TSG R0004—2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].