15 000m3天然氣球罐設(shè)計(jì)

蘭小剛 高中穩(wěn) 劉福錄 黨戰(zhàn)偉 曹 宇 安林林 賈程莉

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司)

隨著近年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展以及工業(yè)化水平的不斷提高，市場(chǎng)對(duì)工業(yè)氣體、液體的需求量越來(lái)越大，球罐的制造水平不斷提高。在石油化工行業(yè)建設(shè)中，由于大容量球罐具有節(jié)省鋼材、減少占地面積、方便操作管理、減少球罐附件及節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，大型化球罐將成為發(fā)展的趨勢(shì)。2013年甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司成功設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)最大的15 000m3天然氣球罐，表明我國(guó)設(shè)計(jì)技術(shù)已具備了超大型天然氣球罐國(guó)產(chǎn)化的能力，也為我國(guó)的球罐向更高參數(shù)、更大型化發(fā)展提供了借鑒。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

天然氣球罐的設(shè)計(jì)參數(shù)為：

幾何容積 15 002m3

內(nèi)徑 30 600mm

設(shè)計(jì)壓力 1.2MPa

設(shè)計(jì)溫度 -19/50℃

儲(chǔ)存物料 天然氣(H2S不超過(guò)0.02‰)

裝量系數(shù) 1.0

介質(zhì)密度 82.8kg/m3

抗震設(shè)防烈度 7度

設(shè)計(jì)地震加速度 0.10g

地震分組 第二組

風(fēng)壓值 850N/m2

雪壓值 200N/m2

場(chǎng)地類別 Ⅱ類

地面粗糙度 B類

腐蝕余量 2.0mm

2 主體材料的選擇

材料的選用對(duì)球罐制造影響最大，涉及到設(shè)計(jì)計(jì)算中球殼壁厚的確定、材料檢驗(yàn)要求、焊接工藝評(píng)定、焊后檢驗(yàn)及熱處理要求等諸多方面，需做全面的考慮，確保安全使用，同時(shí)又經(jīng)濟(jì)合理。目前國(guó)內(nèi)大型球罐用鋼比較成熟和用量較大的常溫鋼主要有3種：Q345R、Q370R和07MnMoVR，相應(yīng)球罐選材方案比較見(jiàn)表1。

表1 15 000m3球罐選材方案比較

通過(guò)綜合分析比較，認(rèn)為Q345R鋼板雖然是使用量最大的壓力容器專用鋼板，鋼材的焊接性能較好，但對(duì)于本球罐設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)球殼板最厚，板厚效應(yīng)嚴(yán)重(即當(dāng)板厚增加時(shí)疲勞強(qiáng)度的降低會(huì)更嚴(yán)重一些)；Q370R屬于中強(qiáng)度鋼板，厚板力學(xué)性能穩(wěn)定，具有較好的抗H2S腐蝕能力，焊接性能與Q345R相近，強(qiáng)度和韌性均高于Q345R，與Q345R相比可使球殼總重下降約8%，是大型球罐的理想鋼種；07MnMoVR的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和焊接性能良好，該材料已立足國(guó)內(nèi)，鍛件和焊條國(guó)內(nèi)可配套，國(guó)內(nèi)大部分設(shè)計(jì)、制造和組焊單位已掌握其特性，并具有成熟的經(jīng)驗(yàn)，與Q345R相比可使球殼總重下降約19%，但07MnMoVR抗H2S腐蝕能力弱，對(duì)儲(chǔ)存介質(zhì)的H2S含量要求嚴(yán)格。綜合考慮，筆者決定本球罐主體材料選用Q370R，并要求與球罐組焊人孔及接管等采用強(qiáng)度與之相匹配的20MnMo鍛件，以保證焊接性能。上段支柱材料選用Q370R鋼板，下段支柱材料選用Q345R鋼板，與球罐相配套的焊接材料推薦選用J557RH型焊條。

3 結(jié)構(gòu)型式的選擇

先進(jìn)合理的結(jié)構(gòu)型式，既可合理地利用材料、減少浪費(fèi)、降低成本，又可減少制造和安裝過(guò)程中的工作量，還可以提高球罐使用的安全可靠性[1]。本球罐結(jié)構(gòu)型式參照GB/T 17261-2011中的混合式5帶16柱結(jié)構(gòu)[2]，球罐總裝配圖如圖1所示。

圖1 球罐總裝配圖

3.1球殼結(jié)構(gòu)

大型球罐應(yīng)盡可能采用混合式球殼，以充分利用材料，縮短焊縫總長(zhǎng)度，改善焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，而且球殼板互換性好，達(dá)到保證質(zhì)量和安全運(yùn)行的目的。球殼分帶應(yīng)遵循以下原則：提高材料利用率，減少焊縫總長(zhǎng)度，球殼板應(yīng)盡量采用大規(guī)格，選用較少的球殼分帶數(shù)。根據(jù)我國(guó)目前的壓制能力、組焊水平、國(guó)產(chǎn)鋼板規(guī)格以及鐵路、公路運(yùn)輸條件等的限制，球殼板寬度限制在3 300mm以內(nèi)，長(zhǎng)度限制在12 000mm以內(nèi)，并保證長(zhǎng)寬比約等于3∶1。各帶球心角對(duì)材料利用率及壓制能力有直接影響，其確定原則是：減小溫帶板長(zhǎng)度，增加溫帶板寬度，在鋼板長(zhǎng)度和壓制能力許可的條件下取較大的赤道帶球心角，球殼板用鋼板寬度應(yīng)盡量一致，便于制造單位訂購(gòu)鋼板，提高材料利用率。因此設(shè)計(jì)時(shí)，球罐選取5帶16柱混合式的結(jié)構(gòu)型式，分5帶，即：上極、上溫帶、赤道帶、下溫帶、下極，球心角分別為60、40、40、40、60°。球罐有110塊球殼板，其中赤道帶、上溫帶、下溫帶球殼板各32塊，上、下極球殼板各7塊。

3.2支撐結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)球殼支撐結(jié)構(gòu)一般采用兩種結(jié)構(gòu)型式：裙座式和支柱式。裙座式支撐從承重量和受力上要好于支柱式支撐，球殼與裙座的連接呈環(huán)狀，改善了支柱支撐球殼的剪切受力情況，應(yīng)力分布合理，穩(wěn)定性較好，連接可靠。由于球罐設(shè)計(jì)在室外，需承受各種自然環(huán)境因素，如風(fēng)載荷、地震載荷及溫度變化等均會(huì)引起球罐膨脹變形，而支柱式支撐結(jié)構(gòu)對(duì)球殼的約束力小，抵抗風(fēng)載荷和地震載荷的能力強(qiáng)，受力均勻，彈性好，施工簡(jiǎn)單，容易調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)操作和檢修方便且適用于多種規(guī)格的球罐，因此本球罐選用φ800mm×14mm的支柱式支撐結(jié)構(gòu)，16根支柱沿圓周均布。支柱式支撐結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是穩(wěn)定性較差，為了保證球罐的穩(wěn)定性，支柱之間采用拉桿連接。支柱與球殼的連接結(jié)構(gòu)中，將支柱分為上下兩段，上支柱用鋼板卷制成U形管與球殼連接，之間加橫托板，并于橫托板和U形管內(nèi)加3塊加強(qiáng)筋板的型式，該結(jié)構(gòu)可有效緩解連接部位的變形和應(yīng)力集中，使支柱與球殼連接逐漸過(guò)渡，避免急劇變化，且結(jié)構(gòu)制造沒(méi)有工藝難點(diǎn)，施焊方便，局部應(yīng)力改善最有效。

3.3開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

球罐的接管補(bǔ)強(qiáng)常采用兩種結(jié)構(gòu)型式，一種為厚壁管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，除人孔和大口徑的所有接管外都采用此結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省材料，缺點(diǎn)是只能采用角焊縫焊接，由于檢測(cè)方法的局限性，容易產(chǎn)生未焊透等缺陷；另一種為鍛造凸緣補(bǔ)強(qiáng)，僅用于人孔和大口徑接管的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，該補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力集中部位采用局部加厚的補(bǔ)強(qiáng)形式，與球殼板的連接采用對(duì)接焊縫，便于全焊透。

3.4梯子平臺(tái)

在球罐設(shè)計(jì)時(shí)，為了使球罐投入運(yùn)營(yíng)后便于日常操作、檢修和安全閥的定期檢驗(yàn)，一般在球罐外部設(shè)置頂部平臺(tái)及直達(dá)頂部平臺(tái)的梯子。對(duì)于中小型球罐，因罐內(nèi)搭設(shè)腳手架難度不大，一般不設(shè)置內(nèi)部旋梯，而對(duì)于大型球罐，檢修時(shí)內(nèi)部腳手架搭設(shè)困難，人工及材料投入量大、費(fèi)用高，為了便于檢修，縮短檢修工期和節(jié)約費(fèi)用，增加了能360°自由旋轉(zhuǎn)的內(nèi)梯[3]。

4 球殼壁厚的確定

根據(jù)業(yè)主公司提供的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行球殼壁厚強(qiáng)度計(jì)算。本球罐按照J(rèn)B 4732-1995(2005年確認(rèn))進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)[4]，同時(shí)考慮支柱對(duì)球殼產(chǎn)生局部應(yīng)力(A點(diǎn)應(yīng)力)的影響，最終確定球殼板的名義厚度為48mm。球殼各帶的力學(xué)性能和厚度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 球殼各帶的力學(xué)性能和厚度計(jì)算結(jié)果

5 其他技術(shù)要求

球罐設(shè)計(jì)遵循的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范有：JB 4732-1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》[5]和TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》。

球罐材料的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)有：GB 19189-2011《壓力容器用調(diào)制高強(qiáng)度鋼板》、GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》(含第1號(hào)修改單)、NB/T 47008-2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》及NB/T 47018.1～47018.7《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》。

對(duì)接接頭進(jìn)行100%TOFD檢測(cè)和100%超聲檢測(cè)，角接接頭、T形接頭應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，TOFD檢測(cè)按NB/T 47013.10-2010《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第10部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)》規(guī)定的Ⅱ級(jí)要求，超聲檢測(cè)按JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》規(guī)定的Ⅰ級(jí)要求。所有焊縫表面、工卡具焊跡和缺陷修磨處表面等部位在耐壓試驗(yàn)前后要求各進(jìn)行一次100%表面裂紋檢測(cè)，按JB/T 4730.4-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》規(guī)定的Ⅰ級(jí)要求。

為考核球罐強(qiáng)度、支柱與球殼連接處的承載能力和基礎(chǔ)的穩(wěn)定可靠性，需做水壓試驗(yàn)，但考慮到大型球罐做水壓試驗(yàn)的困難，且本球罐的充裝介質(zhì)為天然氣，確定做氣液組合試驗(yàn)。球罐充水后的質(zhì)量為2 740t，球殼的應(yīng)力采用有限元分析進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)保持球罐外表面的干燥；耐壓試驗(yàn)完畢后，應(yīng)將液體排盡，用壓縮空氣將球罐內(nèi)部吹干。排液時(shí)，嚴(yán)禁就地排放。

6 結(jié)束語(yǔ)

15 000m3天然氣球罐是在對(duì)比國(guó)內(nèi)外大型球罐的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)，經(jīng)球罐應(yīng)力分析，研究國(guó)外技術(shù)和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。產(chǎn)品質(zhì)量符合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和相關(guān)技術(shù)要求。該球罐的成功設(shè)計(jì)，將對(duì)今后我國(guó)大型球罐的設(shè)計(jì)、制造和安裝提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

[1] 袁浩, 王敏, 張少華. 國(guó)內(nèi)首臺(tái)高壓大容積氮?dú)馇蚬薜难兄芠J].化工機(jī)械, 2014,41(2):137～142.

[2] GB/ T 17261-2011,鋼制球形儲(chǔ)罐型式與基本參數(shù)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[3] 李云福, 竇萬(wàn)波, 張中清, 等. 大型球罐內(nèi)部旋梯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].壓力容器, 2009, 26(3)：26～29.

[4] JB 4732-1995, 鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:新華出版社, 2005.

[5] GB 12337-1998, 鋼制球形儲(chǔ)罐[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1998.