首套6000m3丙烷球罐建造關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制

黃金祥，李 浩，楊國強，周 兵

（武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，湖北武漢430080）

首套6000m3丙烷球罐建造關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制

黃金祥，李 浩，楊國強，周 兵

（武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，湖北武漢430080）

介紹國內(nèi)首臺6 000 m3丙烷球罐的設(shè)計要求及建造關(guān)鍵技術(shù)。球罐建造時采用先安裝下支柱、吊裝赤道帶同時組焊上下支柱的拼裝方法；在球罐內(nèi)部采用三角架和弧梯鋪鋼鋪板的方法搭建施工平臺，簡化工裝并縮短了工期。通過對焊接和整體熱處理等關(guān)鍵工序的有效控制，保證了球罐的安裝質(zhì)量。

6 000m3丙烷球罐；組；質(zhì)量控制

0 前言

丙烷是生產(chǎn)丙烯的主要原料之一,目前我國已投產(chǎn)和建設(shè)中的丙烷脫氫制丙烯項目有10個以上[1]。用于儲存丙烷的容器主要有立式圓筒形儲罐和球形儲罐兩種，過去很長一段時間內(nèi)，球形儲罐受材料發(fā)展和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制約，建成的丙烷球罐最大容積僅為4000m3。近年來隨著我國鋼廠冶煉水平和軋板能力的快速發(fā)展，設(shè)計水平和建造技術(shù)的不斷成熟，使得丙烷球罐的大容積化發(fā)展成為可能。

為了滿足丙烷脫氫項目對大容積丙烷球罐的市場需求，武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)公司為浙江衛(wèi)星能源有限公司制造并現(xiàn)場組焊了4臺6000m3丙烷球罐，該球罐由合肥通用機(jī)械研究院采用有限元分析方法設(shè)計[2]，在設(shè)計、制造、現(xiàn)場組焊等多方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，是目前國內(nèi)單臺容積最大的丙烷球罐。它的成功建造和應(yīng)用使國內(nèi)的丙烷球罐由4 000m3跨越到了6000m3，為丙烷球罐的高參數(shù)化發(fā)展積累了設(shè)計和建造經(jīng)驗。在此主要論述6000m3丙烷球罐的設(shè)計要點分析以及現(xiàn)場安裝的關(guān)鍵技術(shù)和質(zhì)量控制要點。

1 設(shè)計參數(shù)和主要材料

1.1 球殼材料

6 000m3丙烷球罐內(nèi)徑22 600mm，設(shè)計壓力1.77MPa，設(shè)計溫度-20℃～50℃，球殼材料采用高性能Q370R鋼，厚度52mm，結(jié)構(gòu)型式為十二柱五帶混合式。

Q370R鋼正火狀態(tài)交貨，滿足GB713-2008標(biāo)準(zhǔn)要求。由于厚度超過50mm[3]，設(shè)計對其化學(xué)成分和力學(xué)性能提出了更嚴(yán)格的控制要求。采購鋼板時，擇優(yōu)選擇國內(nèi)知名大鋼廠生產(chǎn)的Q370R容器鋼板，從源頭保證了丙烷球罐用鋼的性能和質(zhì)量。尤其是P、S含量均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，其中一塊赤道板（爐批號：C207669）的熔煉分析設(shè)計技術(shù)指標(biāo)和實測值對比如表1所示。球殼用Q370R鋼板-20℃低溫沖擊韌性遠(yuǎn)高于不小于34 J的標(biāo)準(zhǔn)要求，其力學(xué)性能設(shè)計指標(biāo)和實測值如表1所示。

表1 Q370R鋼板化學(xué)成分和力學(xué)性能

1.2 焊材

為保證焊材與鋼板的高性能匹配，設(shè)計技術(shù)條件要求所用低氫高韌性焊條w（P）不高于0.020％，w（S）不高于0.010％，同時對焊條熔敷金屬低溫沖擊韌性提出更高要求：-40℃低溫沖擊功平均值不小于60 J。條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量（[H]）按GB/T3965規(guī)定甘油法測定，[H]≤2.5ml/100g。球罐建造所用焊條（批號：113226）的技術(shù)要求和實際性能指標(biāo)如表2所示。

表2 CHE557R焊條熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能

對比表2各數(shù)值可知，鋼板和焊材的各項性能指標(biāo)均達(dá)到了丙烷球罐的設(shè)計要求，且有一定的裕量。

2 球罐安裝技術(shù)

球罐的現(xiàn)場組裝關(guān)鍵技術(shù)主要包含球殼板的吊裝工藝和內(nèi)外施工平臺的搭建方法。隨著大尺寸容器鋼板的生產(chǎn)應(yīng)用，單塊球殼板尺寸不斷大型化，球罐容積越大，高空吊裝作業(yè)難度就越高，傳統(tǒng)的分大片組裝法和帶組裝法[4]已逐漸被淘汰，不適合大容積球罐的組裝，目前球殼板的吊裝主要采取單片散裝法。球罐內(nèi)部施工平臺的搭建方法有中心柱法和鋼管腳手架法，球罐外部則以鋼管腳手架搭設(shè)為主。本工程6 000m3丙烷球罐結(jié)合現(xiàn)場的實際特點，在吊裝和施工平臺的搭建方法上均進(jìn)行了革新，取得了較好的應(yīng)用效果。

2.1 球殼板吊裝

球罐基礎(chǔ)[5]交接檢驗合格后，傳統(tǒng)方法是將帶球殼板的上下支柱在地面拼焊完后再進(jìn)行吊裝，因此需要較大的場地面積以供拼焊上下支柱用。本工程采取先安裝下支柱、然后再吊裝赤道帶板，同時進(jìn)行上下支柱拼裝的吊裝方法，下支柱吊裝過程中將支柱拉桿安裝就位，如圖1所示。

圖1 下支柱及拉桿安裝

調(diào)整下支柱的間距和拉桿的松緊結(jié)，并調(diào)整下支柱的垂直度，達(dá)到規(guī)范要求后，再吊裝帶上支柱的球殼板與下支柱組裝。吊裝時采用風(fēng)繩和臨時卡具固定，具體步驟如圖2和圖3所示。

通過此方法逐塊進(jìn)行赤道板的吊裝，然后依次吊裝下溫帶、上溫帶、下極帶和上極帶板，完成整個球罐的全散裝吊裝。該吊裝方法不需占用大片施工場地在地面拼焊上下支柱，同時可減少殼板現(xiàn)場倒運，提高了球殼板的吊裝速度。

圖2 赤道板吊裝

圖3 上下支柱臨時固定

2.2 內(nèi)外施工平臺搭建

6000m3丙烷球罐容積較大，如果內(nèi)部施工平臺采用傳統(tǒng)的鋼管搭滿膛架的方法，鋼管需求量和搭建工作量非常大，且耗時長。本工程安裝時，球罐內(nèi)部采用三角架掛弧梯的搭建內(nèi)部施工平臺方式，通過三角架直角端的掛鉤與掛鼻連接固定在球罐內(nèi)壁上，弧梯通過側(cè)面的掛鉤與三角架連接。制造掛鼻的材質(zhì)與球殼板材料相同，除了掛鼻與球殼板相焊外，該裝置其余部位均不需焊接，方便了三角架和弧梯的組裝、拆卸。在兩弧梯間鋪上鋼平臺板綁扎穩(wěn)妥，即可在球罐內(nèi)壁圍成一圈作業(yè)平臺，如圖4所示，大大減小了丙烷球罐內(nèi)部施工平臺的搭建工作量。采用該方法，在后續(xù)的γ源無損檢測時不需要拆除全部鋼鋪板，只需移開擋住焊縫部位的鋼鋪板即可，避免了反復(fù)拆除和搭建腳手架，縮短了無損檢測周期。

圖4 球罐內(nèi)部施工平臺

3 球罐焊接工藝及質(zhì)量控制

球罐的焊縫包含了平立橫仰全位置，主要以焊條手工電弧焊為主。根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果，結(jié)合本工程丙烷球罐的特點，制定了6000m3丙烷球罐的焊接工藝參數(shù)，采用φ4.0mm焊條，平焊和橫焊位置的電流控制在150～180A，立焊和仰焊位置電流控制在145～170A。采用窄焊道、薄層多層焊，每一焊道寬度不大于焊芯直徑的4倍，每一層焊道的厚度不超過3.5mm。焊接過程中線能量控制范圍如表3所示。

表3 焊接線能量

3.1 焊接材料的控制

焊接材料是焊接質(zhì)量控制源頭，除了按要求對焊條進(jìn)行各項指標(biāo)復(fù)驗外，現(xiàn)場的焊條管理控制主要包括：焊條的烘烤溫度和烘烤時間，焊條的烘烤量、發(fā)放及回收管理。

（1）嚴(yán)格執(zhí)行烘烤紀(jì)律并保證焊條需求量。由于現(xiàn)場焊條用量較大，事前按施工組織計劃，計算作業(yè)高峰期焊工每天的焊條用量，配備相應(yīng)數(shù)量的焊條烘烤箱。

（2）檢查焊條批號，禁止使用批號超過30 t的焊條，禁止采用直徑φ5mm的焊條。

（3）下班前1 h禁止?jié)M桶焊條發(fā)放，以防止焊條回收量過大?；厥盏暮笚l二次烘烤時與首次烘烤的焊條分開烘烤和發(fā)放。

3.2 焊接工藝的控制

（1）焊前坡口質(zhì)量控制。焊前檢查主要針對坡口及其兩側(cè)50mm范圍內(nèi)的氧化皮、水銹、油污及灰塵，須清除干凈方可焊接。

（2）由于鋼板較厚，52mm的Q370R鋼板要求預(yù)熱溫度不低于80℃。

（3）焊接時按對稱施焊的原則，各焊工的焊接速度盡量保持一致，施焊順序要求先焊縱縫后焊環(huán)縫，焊縫大坡口全部焊完后，小坡口側(cè)碳弧氣刨清根并經(jīng)滲透檢測合格后再焊小坡口；極板的縱焊縫從中間向兩邊焊。

（4）焊道始端采用后退起弧法，焊道終端應(yīng)將弧坑填滿。更換焊條時，在前一根焊條弧坑未冷卻時，盡快重新引弧?？v向焊縫的焊道應(yīng)延至環(huán)向焊縫的中心，在環(huán)向焊縫焊接前將其打磨除干凈。

（5）多層焊各層間的接頭應(yīng)錯開50mm以上，每一層焊道焊完后，應(yīng)將焊渣清除干凈，并采用砂輪機(jī)將焊瘤打磨至與焊層齊平后，方可進(jìn)行下層焊道的焊接。

4 球罐整體熱處理

球罐焊縫無損檢測合格后，根據(jù)設(shè)計條件要求應(yīng)進(jìn)行整體消應(yīng)力熱處理[6]，球罐整體處理的一個重難點是保證球殼板受熱的均勻性。設(shè)計條件中要求該球罐恒溫溫度為600℃～620℃，恒溫時間2.5h。根據(jù)GB50094-2010的相關(guān)規(guī)定，球罐熱處理恒溫溫度區(qū)間通常為40℃，而該球罐要求僅為20℃，因此對6 000m3丙烷球罐整體處理工藝要求更為苛刻。

熱處理球罐支柱需徑向向外移動[7]，理論上球罐容積（直徑）越大，溫度每上升100℃，位移量應(yīng)越大。但球罐容積越大，自重也相對較大，導(dǎo)致支柱底板與基礎(chǔ)面的摩擦力會更大，實際移動支柱的難度相應(yīng)增加。6000m3丙烷熱處理時，除了事先在支柱底板涂上黃油以減小磨擦力外，支柱移動時還需采取專用工裝來調(diào)節(jié)支柱的移動位移量使其垂直度保持在允許范圍內(nèi)。

熱處理時，選擇噴嘴和空壓機(jī)功率要足夠大，在調(diào)試火焰時，使燃燒的火焰在球罐內(nèi)部上方無遮擋物時，高度能接近球罐中心位置，據(jù)此選取最佳風(fēng)油比作為工藝參數(shù)，保證了球罐殼板在熱處理時達(dá)到設(shè)計要求的恒溫溫度。

5 結(jié)論

本工程的四臺6 000m3丙烷球罐竣工投產(chǎn)一年來，運行情況正常，滿足了丙烷脫氫裝置的生產(chǎn)需求。該項目6 000m3丙烷球罐的成功建造并應(yīng)用，刷新了國內(nèi)容積最大的丙烷球罐紀(jì)錄，實現(xiàn)了設(shè)計、制造、安裝以及材料的全部國產(chǎn)化，為國內(nèi)丙烷球罐的高參化發(fā)展積累了實踐經(jīng)驗。

[1]周巍.丙烷脫氫制丙烯技術(shù)淺析[J].石油化工設(shè)計，2013，30（3）：36-38.

[2]常秀芹，盛選禹，亢方亮.3000m3丙烷球罐有限元分析[J].石油工程建設(shè)，2008，34（4）：21-24.

[3]GB150-2011，壓力容器[S].

[4]徐英，楊一，朱萍，等.球罐和大型儲罐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[5]GB50094-2010，球形儲罐施工規(guī)范[S].

[6]喬凱，張龍飛.7 000m3球罐內(nèi)燃法整體熱處理實用[A].第六屆全國壓力容器學(xué)術(shù)會議壓力容器先進(jìn)技術(shù)精選集[C]，2005：486-489.

[7]姚志燕，房務(wù)農(nóng)，李永泰，等.10000m3球罐整體熱處理強度及剛度計算[J].壓力容器，2013，30（12）：24-30.

Key technology and quality control of first set of 6 000m3propane spherical tank build

HUANG Jinxiang，LIHao，YANGGuoqiang，ZHOU Bing
（Wuhan YiYe SteelStructure Co.，Ltd.，Wuhan 430080，China）

The domestic first 6 000 m3propane spherical tank design requirements and construction key technology are introduced. Spherical tank is used when building install under support column，the equator zone hoisting for upper and under support column of assembled at the same time.Inside the spherical tank using a tripod and arc ladder steel deck method establish the platform construction,which saves time limit for a project，simplifies the tooling.Through welding process controlmanagement and the overall heat treatmentoperation key，effectively guarantee the quality of spherical tank installation.

6 000m3propane spherical tank；assembly；quality control

TG457.5

B

1001-2303（2015）07-0122-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.26

2014-12-18；

2015-01-24

黃金祥（1978—），男，高級工程師，工程碩士，主要從事球罐,LPG、LNG、LEG等運輸船載儲罐用新材料的焊接工藝開發(fā)及應(yīng)用。