4 000 m3國內(nèi)最厚液氨球形儲罐分析設(shè)計

， ， ， ， ， 　(.上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上?！?58；.中國石油天然氣股份有限公司 大連石化公司， 遼寧 大連　60)

球形儲罐是石油化工行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種氣液體存儲設(shè)備，具有占地面積小、節(jié)約鋼材及操作簡單等優(yōu)點。近些年隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和工業(yè)氣體、液體市場需求的不斷增加，工業(yè)用球形儲罐也在向大型化發(fā)展，更大的體積和更厚的球殼板都給球形儲罐的設(shè)計提出了更高要求。2017年上海藍濱石化設(shè)備有限公司成功設(shè)計了2臺球殼板厚度超出標準許可厚度范圍且是目前國內(nèi)球殼板板厚最厚的4 000 m3液氨球形儲罐，為球形儲罐的大型化發(fā)展提供了借鑒。

1　球形儲罐主要設(shè)計參數(shù)

福建永榮科技有限公司年產(chǎn)60萬t己內(nèi)酰胺項目一期工程配套的液氨球形儲罐，數(shù)量2臺，單臺體積4 000 m3,設(shè)計壓力 2.16 MPa，設(shè)計溫度-19/50 ℃，幾何體積 4 003 m3，腐蝕余量 3.0 mm，裝量系數(shù) 0.9，鋼板厚度負偏差0.3 mm，物料密度 610 kg/m3，容器類別為Ⅲ級。

2　球殼選材和厚度計算

2.1　主體材料選擇

首先依據(jù)GB/T 17261—2011《鋼制球形儲罐型式與基本參數(shù)》[1]，結(jié)合給定的主要設(shè)計參數(shù)，選擇標準的4帶12柱混合式球形儲罐結(jié)構(gòu)。此外，考慮到儲存介質(zhì)的腐蝕性，殼體材料不僅要具有足夠的強度，還需要具備抗H2S、液氨應(yīng)力腐蝕的性能。HG/T 20581—2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》[2]中7.8.2及7.8.4條明確提出，對在有濕H2S、液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用的碳鋼，屈服強度ReL≤355 MPa，抗拉強度Rm≤630 MPa，使用狀態(tài)為正火，碳當量CE≤0.43[2]。 芬蘭檢測技術(shù)中心TTK-P2-93指令推薦，盛放液氨的壓力容器用鋼屈服強度最大值為350 MPa，屈服強度超過450 MPa的鋼不適用于制造盛放液氨的壓力容器。

綜合以上要求，設(shè)計主體材料選用Q370R鋼板，不僅力學(xué)性能穩(wěn)定，而且強度和韌性也較高，滿足本球形儲罐的選材要求，并且具備很強的抗H2S腐蝕能力。Q370R鋼板化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1　Q370R鋼板化學(xué)成分

表2　Q370R鋼板力學(xué)性能

2.2　球殼板厚度計算

2.2.1規(guī)則設(shè)計

依據(jù)GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》[3]，計算可知Q370R鋼板在50 ℃時的許用應(yīng)力為193 MPa。球殼板的厚度按以下公式計算：

δ=pCDi/(4[σ]tφ-pC)

(1)

式中，δ為殼體計算厚度，Di為球殼內(nèi)直徑，mm；pC為計算壓力(包括液柱靜壓力及其他載荷)，[σ]t為設(shè)計溫度下球殼材料的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)。按照式(1)分別計算球形儲罐的上極板、上溫帶板、赤道帶板和下極板的厚度。計算過程主要參數(shù)及結(jié)果見表3。

表3　球殼板厚度規(guī)則設(shè)計計算參數(shù)及結(jié)果

計算的球殼板厚度δ= 62 mm，超出了GB/T 12337—2014中4.2.2條及GB 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》[4]中規(guī)定的球殼用鋼板最大推薦厚度，改用分析設(shè)計方法重新確定球殼板的厚度。

2.2.2分析設(shè)計

依據(jù)GB/T 12337—2014附錄D應(yīng)力分析設(shè)計可以知道，Q370R鋼板在50 ℃時的許用應(yīng)力為213.3 MPa，計算的球殼板厚度δ=56 mm。考慮支柱對球殼局部應(yīng)力的影響，球殼板厚取57 mm。計算的上極板、上溫帶板、赤道帶板和下極板厚度及計算過程主要參數(shù)見表4。

表4　球殼板厚度分析設(shè)計計算參數(shù)及結(jié)果

2.2.3綜合考慮

比較上述兩種設(shè)計方法確定的厚度，采用分析設(shè)計明顯減小了板厚[3]。球殼厚度的減薄不僅有利于板片的壓制，還可以更好地保證材料的性能。此外，壁厚減薄也有利于采用更大板寬的鋼板來壓制球殼板片，從而減小焊縫長度，有效減少焊接工作量，故本設(shè)計最終采用分析設(shè)計。

2.3　其他材料選擇

基于球形儲罐主體材料選擇Q370R,為配合良好的焊接性能需要，人孔接管鍛件選用20MnMo鍛件，上端和下段支柱材料分別選用Q370R和Q345R[5]。

3　球殼ANSYS有限元強度分析

分析設(shè)計法確定的球殼板厚度(57 mm)接近標準規(guī)定的Q370R鋼板的設(shè)計厚度上限(60 mm)，同時綜合考慮儲存介質(zhì)液氨的腐蝕性較強、鋼板正偏差以及制造加工等因素的影響[6]，利用ANASYS有限元軟件對采用分析設(shè)計方法確定的球殼進行應(yīng)力分析、強度校核和評估[7]。

3.1　建模

球形儲罐結(jié)構(gòu)選用4帶12柱混合式結(jié)構(gòu)。載荷工況分兩種情況：①操作狀態(tài)下球殼載荷由內(nèi)壓p=2.16 MPa、自重m=615 180 kg、水平地震載荷Fe=1 217.1 kN、0.25倍風(fēng)載荷0.25Fw=66.1 kN構(gòu)成的組合工況。②液壓試驗狀態(tài)下球殼載荷由液壓試驗壓力pT=2.75 MPa、自重m=615 180 kg、風(fēng)載荷Fw=265 kN構(gòu)成的組合工況。取球罐的1/2進行分析。球殼力學(xué)模型見圖1。網(wǎng)格劃分采用SOLID 185單元 。在z=0的截面上施加對稱約束，支腿下端以Δx=Δy=Δz=0為位移邊界。

圖1　球殼有限元模型

先在球罐1/2處建立有限元模型，通過鏡像復(fù)制得到360°的模型，采用8節(jié)點三維實體單元，單元總數(shù)54 329，節(jié)點數(shù)90 739。

3.2　球殼有限元分析

第1種載荷工況下球殼有限元分析結(jié)果見圖2，對應(yīng)的球殼截面線性化應(yīng)力分布見圖3。

圖2　第1種載荷工況下球殼有限元分析結(jié)果

圖2表明，球殼最大應(yīng)力為321.495 MPa，最小應(yīng)力為0.867 993 MPa，最大位移為14.724 4 mm。

圖3　第1種載荷工況下球殼截面線性化應(yīng)力分布

圖3中，薄膜應(yīng)力為214.3 MPa，最大薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力為303.9 MPa，最大總應(yīng)力為321.495 MPa。

第2種載荷工況下球殼的有限元分析結(jié)果見圖4。

圖4　第2種載荷工況下球殼有限元分析結(jié)果

圖4中，球殼最大應(yīng)力為415.901 MPa，最小應(yīng)力為1.039 55 MPa，最大位移為17.096 3 mm。

第2種載荷工況下球殼截面線性化應(yīng)力分布見圖5。

圖5　第2種載荷工況下球殼截面線性化應(yīng)力分布

圖5中，薄膜應(yīng)力為279.7 MPa，最大薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力為2.9 MPa，最大總應(yīng)力為415.901 MPa。

3.3　球殼強度評定

球形儲罐球殼的有限元分析結(jié)果表明，本球形儲罐設(shè)計厚度57 mm滿足強度要求，應(yīng)力分析結(jié)果通過。

表5　兩種載荷工況下球殼截面強度校核及評定

4　主要技術(shù)要求

4.1　主體材料

液氨屬于易燃、易爆、毒性程度為中度的危害介質(zhì)[9]，應(yīng)力腐蝕較為嚴重，且球殼板較厚，因此Q370R鋼板必須滿足以下要求：①對球殼用Q370R鋼板必須逐張進行100%超聲檢測，檢測結(jié)果應(yīng)當符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》規(guī)定的質(zhì)量等級不低于Ⅱ級的要求[10]。②對球殼用Q370R鋼板應(yīng)逐張進行拉伸和夏比V型缺口沖擊試驗，并且增加1組在鋼板厚度1/2處取樣試驗，試驗溫度-20 ℃,KV2≥47 J[6]。 ③鋼板碳當量CE≤0.45[2]。 ④球殼制造單位對球殼用鋼板應(yīng)按批進行力學(xué)性能復(fù)驗，另增加1組在鋼板厚度1/2處取樣的沖擊試驗，分爐號進行化學(xué)成分復(fù)驗，結(jié)果應(yīng)符合GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規(guī)定[5]。

4.2　鍛件檢測

本項目設(shè)計的人孔及厚壁管鍛件選用與Q370R鋼板相匹配的20MnMo鍛件，20MnMo應(yīng)當符合NB/T 47008—2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中的規(guī)定,Ⅱ、Ⅲ級鍛件按批、Ⅳ級鍛件逐件進行低溫夏比沖擊試驗，試驗溫度為-20 ℃，KV2≥41 J[11]。

4.3　無損檢測

考慮到本球形儲罐的特殊性，對球形儲罐對接接頭應(yīng)進行100%衍射時差法超聲(TOFD)檢測(或100%X射線檢測)和100%超聲檢測復(fù)測。對公稱直徑DN≥80 mm的接管與球殼的角接接頭、T形接頭應(yīng)進行100%超聲檢測。射線檢測應(yīng)當符合NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》規(guī)定，技術(shù)等級不低于AB級要求，合格級別不低于II級要求[12]；TOFD檢測應(yīng)當符合NB/T 47013.10—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》規(guī)定，技術(shù)等級不低于B級要求，合格級別不低于II級要求[13]；超聲檢測應(yīng)符合NB/T 47013.3—2015規(guī)定，技術(shù)等級不低于B級要求，合格級別不低于I級要求[10]。

球形儲罐所有焊接接頭表面、非受壓件與球殼的連接焊縫(包括支柱與赤道板連接處的角焊縫表面)、焊補處的表面、工卡具焊跡和缺陷修磨處表面，在熱處理前和耐壓試驗合格之后均要進行100%磁粉檢測，檢測結(jié)果應(yīng)當符合NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》規(guī)定的I級要求[14]。

4.4　熱處理要求

為減小焊接殘余應(yīng)力，降低焊接熱影響區(qū)的峰值硬度，防止應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生裂紋，對球形儲罐應(yīng)進行焊后整體熱處理[15]。焊后熱處理可采取整體熱處理或?qū)附咏宇^部位局部電加熱熱處理，局部電加熱熱處理必須制訂加熱布片及保溫方案。此外，本項目球形儲罐的焊后熱處理還應(yīng)滿足下列基本要求：①加熱片原則上以焊縫為中心對稱布置，接管與殼體的焊縫加熱寬度不得小于鋼板厚度的6倍。②)球罐的人孔、接管應(yīng)進行保溫，使溫度梯度不致影響材料的組織和性能。③)Q370R鋼的熱處理工藝推薦溫度為(580±20) ℃，同時要求接受焊接工藝評定驗證。④熱處理恒溫時間按球殼厚度每25 mm恒溫1 h計算，且不少于1 h。⑤升溫至400 ℃以上時，升溫速度宜控制在50 ～80 ℃/h。⑥降溫時，降溫速度宜控制在30 ～50 ℃/h，400 ℃以下自然冷卻。400 ℃以上升溫和降溫時，球殼表面上任意兩測溫點的溫差不得大于130 ℃。⑦部件整體熱處理時，熱電偶應(yīng)接于零部件鋼板表面；部件局部熱處理時，熱電偶應(yīng)接于被熱處理的焊縫上。應(yīng)有自動記錄裝置測定熱處理溫度曲線。每個部件最少設(shè)3個測溫點，產(chǎn)品焊接試板上也應(yīng)設(shè)置測溫點。⑧熱處理時應(yīng)采取必要的防變形措施。⑨熱處理后應(yīng)再次按要求檢查部件的形狀及尺寸。⑩熱處理后應(yīng)按要求進行磁粉檢測或滲透檢測復(fù)驗，其結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.4或者JB/T 4730.5規(guī)定的Ⅰ級要求。

4.5　耐壓試驗、氣密性試驗要求[3]

4.5.1耐壓試驗過程

液壓試驗應(yīng)在球形儲罐全部檢查合格之后進行，試驗介質(zhì)采用潔凈工業(yè)用水，試驗水溫不得低于5 ℃，試驗壓力按設(shè)計規(guī)定，試驗方法要點包括：①試驗時球形儲罐頂部應(yīng)設(shè)排氣口，充液時將罐內(nèi)的空氣排盡。試驗過程中應(yīng)保持罐外表面的干燥。②試驗時壓力應(yīng)緩慢上升，當壓力升至試驗壓力的50%時，保持15 min，然后對球形儲罐所有焊縫和連接部位進行滲漏檢查，確認無滲漏、無異?，F(xiàn)象后再升壓。③壓力升至試驗壓力80%時，保持足夠時間，再次進行滲漏檢查，確認無滲漏、無異常現(xiàn)象后再升壓。④升壓至規(guī)定的試驗壓力后，保持不少于30 min，然后將壓力降至設(shè)計壓力，進行檢查，以無滲漏及其它異?，F(xiàn)象為合格。⑤液壓試驗完畢后，應(yīng)將水排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。嚴禁就地排水，以免影響罐基礎(chǔ)。

4.5.2氣密性試驗過程

本項目球形儲罐氣密性試驗所用氣體為干燥潔凈的空氣，試驗壓力為設(shè)計壓力。試驗方法要點包括：①緩慢升壓至規(guī)定的試驗壓力的50%，保壓5 min，然后對球罐所有焊縫和連接部位進行泄漏檢查，確認無泄漏后繼續(xù)升壓。②壓力升至試驗壓力時，保壓10 min，然后進行泄漏檢查，以無泄漏為合格。③試驗后緩慢泄壓。

5　結(jié)語

綜合運用規(guī)則設(shè)計方法和ANSYS分析設(shè)計方法，成功設(shè)計了2臺球殼板厚度超出相關(guān)標準許可厚度范圍且球殼板板厚目前國內(nèi)最厚的4 000 m3液氨球形儲罐，為球殼板板厚超出標準許可范圍的球形儲罐的設(shè)計提供了參考。

參考文獻：

[1]鋼制球形儲罐型式與基本參數(shù)：GB/T 17261—2011[S].

Spherical tanks type and data base：GB/T 17261—2011 [S].

[2]鋼制化工容器材料選用規(guī)定：HG/T 20581—2011 [S].

Specification of materials selection for steel chemical vessels：HG/T 20581—2011[S].

[3]鋼制球形儲罐：GB/T 12337—2014[S].

Steel spherical tanks：GB/T 12337—2014 [S].

[4]壓力容器 第2部分：材料：GB 150.2—2011[S].

Pressure vessels—Part 2：materials：GB/T 150.2—2011[S].

[5]鍋爐和壓力容器用鋼板：GB/T 713—2014 [S].

Steel plates for boilers and pressure vessels：GB/T 713—2014 [S].

[6]熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差：GB/T 709—2006[S].

Dimension，shape，weight and tolerances for hot rolled steel plates and steels：GB/T 709—2006 [S].

[7]盧峰，趙石軍. 大型球罐有限元應(yīng)力分析設(shè)計技術(shù)[J]. 一重技術(shù)，2010(2)：17-20.

LU F，ZHAO S J. Large-sized spherical tank’s design by FEA stress analysis [J]. CFHI Technology，2010(2)：17-20.

[8]鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準：JB 4732—1995(2005年確認)[S].

Steel pressure vessels——design by analysis：JB 4732—1995(In 2005, Confirmed)[S].

[9]壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類標準：HG 20660—2017 [S].

Pressure vessel of toxic chemical substances to harm and explosion dangerous degree classification：HG 20660—2017 [S].

[10] 承壓設(shè)備無損檢測 第3部分:超聲檢測：NB/T 47013.3—2015[S].

Nondestructive testing of pressure equipments—Part 3：ultrasonic testing：NB/T 47013.3—2015 [S].

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

Carbon and alloy steel forgings for pressure equipments：NB/T 47008—2010 [S].

[12] 承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測：NB/T 47013.2—2015 [S].

Nondestructive testing of pressure equipments—Part 2：radiographic testing：NB/T 47013.2—2015 [S].

[13] 承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測：NB/T 47013.10—2015 [S].

Nondestructive testing of pressure equipments—Part 10：TOFD：NB/T 47013.10—2015 [S].

[14] 承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測：NB/T 47013.4—2015[S].

Nondestructive testing of pressure equipments—Part 4: magnetic particle testing：NB/T 47013.4—2015[S].

[15] 王文江，鄭丹，王萬磊，等.3 000 m3丙烯球罐國產(chǎn)化設(shè)計[J].石油化工設(shè)備，2011，40(S2)：26-27.

WANG W J，ZHENG D，WANG W L，et al. Domestic design of 3 000 m3propylene spherical tank [J]. Petro-chemical equipment，2011，40(S2)：26-27.