2 000 m3厚壁不銹鋼球罐球殼板制造技術(shù)

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司,蘭州 730314)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步快速發(fā)展，不銹鋼球罐由于具有良好的耐腐蝕性能，已成為越來越多的石化企業(yè)儲(chǔ)存腐蝕或潔凈介質(zhì)的必然選擇之一，并向著大型化、厚壁高參數(shù)化方向發(fā)展[1-4]。過去國(guó)內(nèi)不銹鋼球罐受材料及制造能力的限制而建造數(shù)量極少；現(xiàn)在隨著研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)的提高，不銹鋼球罐數(shù)量增多，且呈大型化的趨勢(shì)。

為某公司高純多晶硅產(chǎn)業(yè)升級(jí)建設(shè)項(xiàng)目罐區(qū)承制的2臺(tái)2 000 m3不銹鋼三氯氫硅球罐(壁厚δ=42 mm，直徑15 700 mm，材料S31603)，為目前國(guó)內(nèi)厚度最大的不銹鋼材質(zhì)球罐。由于不銹鋼屈服強(qiáng)度低，延展性好，球殼板放樣及壓制難度較大，壁厚較厚，切割過程中遇到較多的難題。文中從2 000 m3不銹鋼球罐的球殼板坯料尺寸的確定、壓制、坡口切割等方面介紹其技術(shù)要點(diǎn)，為今后制造同類型球罐提供參考。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)

該球罐設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。由于球罐儲(chǔ)存的介質(zhì)是無(wú)色液體，易揮發(fā)、潮解，在空氣中發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生白煙，遇水分解，溶于苯、醚等有機(jī)溶劑，屬一級(jí)遇濕易燃物品，易燃易爆，遇水反應(yīng)產(chǎn)生氯化氫氣體；它與氧化劑可發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，遇明火、高熱時(shí)發(fā)生燃燒或爆炸[5-7]，所以對(duì)潔凈度有較高的要求。為了滿足介質(zhì)要求，該球罐主體板材選用了具有優(yōu)良的耐腐蝕性、耐高溫、抗蠕變性能的S31603不銹鋼板，并且取了1.0 mm的腐蝕余量。球罐常規(guī)分為桔瓣式和混合式[8-11]，由于該球罐規(guī)格大，厚度厚，所選材料價(jià)格較高，為了盡可能提高材料利用率，該球罐最終采用如圖1所示的三帶10柱混合式結(jié)構(gòu)。

表1 球罐設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 球罐結(jié)構(gòu)示意

2 球殼板壓制、切割等主要控制要點(diǎn)

2.1 球殼板坯料尺寸的確定

該球罐金屬總質(zhì)量305 125 kg,其中球殼板質(zhì)量261 580 kg，球殼板質(zhì)量占到了球罐金屬總質(zhì)量的85.729%，由此可以看出球殼板用料量之大。為了盡可能降低成本，提高板材坯料的利用率，確定板材坯料訂貨尺寸必須做到盡可能準(zhǔn)確。

由于球殼板的壓制一直采用“多點(diǎn)冷壓法”[12-15]，如圖2所示，板料壓制時(shí)各點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變是不相同的，球片壓形時(shí)，由于上模具小壓點(diǎn)多的特點(diǎn)，各點(diǎn)受力不一致，成型區(qū)和傳力區(qū)不斷移動(dòng)而發(fā)生交替性的變化，壓形時(shí)球片變形區(qū)產(chǎn)生屈服，使變形應(yīng)力充分釋放，保持成型后球片尺寸穩(wěn)定。根據(jù)多年制造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于球殼板壓制后的板材變形趨勢(shì)(伸長(zhǎng)或縮短)及變形量，僅總結(jié)了碳素鋼、低合金鋼類不同直徑、不同厚度及不同材質(zhì)的坯料尺寸，但是對(duì)于2 000 m3球罐，δ=42 mm的S31603材料采用“多點(diǎn)冷壓法”壓制后的變形趨勢(shì)及變形量沒有任何參考數(shù)據(jù)。

注：圖中數(shù)字1，2，3，4為壓制順序編號(hào)圖2 球片多點(diǎn)冷壓法示意

球罐的焊接方法采用全位置手工焊焊接[9],每條焊縫的焊接順序?yàn)橄群复笃驴趥?cè)；再在背面小坡口側(cè)清根后，焊接小坡口側(cè)。由于焊接下極帶球殼板、下極帶與赤道帶焊縫外側(cè)，以及焊接上極帶等焊縫內(nèi)側(cè)時(shí)均為仰焊，焊工操作難度大，采用如圖3所示的坡口形式，可大大減少焊工的仰焊工作量。 根據(jù)球殼板間對(duì)接焊縫坡口形式(如圖3所示)、S31603不銹鋼板壓延性好的自身特性及油壓機(jī)操作人員多年壓制經(jīng)驗(yàn)，給出了球殼板理論尺寸與訂貨坯料尺寸對(duì)照，如表2所示。

(a)下極帶球殼板現(xiàn)場(chǎng)焊接及下極帶與赤道帶現(xiàn)場(chǎng)焊接

(b)球殼(除下極帶及下極帶與赤道帶)現(xiàn)場(chǎng)焊接圖3 球殼板坡口示意

表2 球殼板理論尺寸與訂貨坯料尺寸對(duì)照 mm

注：厚度按GB/T 709—2006中C類(正)偏差的要求執(zhí)行，且要求正偏差下限為+0.3 mm

(a)

(b)

在壓制過程中，分別跟蹤檢測(cè)了赤道板、極帶中板、極帶側(cè)板和極帶邊板各一張，經(jīng)壓制后測(cè)量發(fā)現(xiàn)，與放樣尺寸相比，以上球殼板長(zhǎng)度方向最大徑向長(zhǎng)邊尺寸出現(xiàn)了不同程度延長(zhǎng)(單邊延長(zhǎng)15 mm左右)；邊緣兩側(cè)切向長(zhǎng)邊尺寸出現(xiàn)了不同程度縮短(單邊縮短36 mm左右)；寬度方向尺寸出現(xiàn)了不同程度延長(zhǎng)(單邊延長(zhǎng)10 mm左右)。厚度也出現(xiàn)不同程度的減薄、增厚(每張板上不同壓制區(qū)域有些部位減薄量在0.2～0.5 mm范圍內(nèi)，有些部位增厚量在0.2～0.8 mm范圍內(nèi)),即使減薄后，鋼板實(shí)際厚度仍能保證滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)球殼板專用曲面板測(cè)量劃線后(檢查線和切割線)，其中一張赤道板余量情況如圖4所示。邊緣切割線處(壓制后長(zhǎng)度尺寸出現(xiàn)縮短)余量為10 mm，滿足切割要求，切除量少，表明所給出的板材訂貨尺寸比較準(zhǔn)確。

2.2 球殼板的壓制

由于不銹鋼與碳鋼接觸會(huì)產(chǎn)生滲碳、表面損傷等情況，會(huì)降低材料的耐腐蝕性能，因此，在不銹鋼球殼板壓制過程中，對(duì)不銹鋼材料表面的防護(hù)尤為重要。

鋼板入廠后，將鋼板置于專門用于不銹鋼生產(chǎn)制造區(qū)，采取對(duì)鋼板內(nèi)表面貼敷牛皮紙、吊裝卡具表面堆焊隔離層(銅)、油壓機(jī)模具防護(hù)(上模整體爐內(nèi)加熱處理后曲面及邊緣100 mm范圍進(jìn)行拋光處理，下模用1.2 mm的不銹鋼板進(jìn)行包敷處理)、制作專用不銹鋼曲率檢測(cè)樣板、在專門的壓制場(chǎng)地、裝焊場(chǎng)地鋪設(shè)膠皮墊等一系列隔離措施。

球殼板壓制的曲率采用專用3 m不銹鋼曲率樣板檢查控制，樣板與球殼板間隙e最大不得超過3 mm[9]。不銹鋼板屈服強(qiáng)度低，與低合金鋼壓制相比回彈量較小，為了掌握壓力與不銹鋼回彈量的關(guān)系，在正式鋼板壓制前，選擇一塊規(guī)格2 000 mm×3 000 mm×45 mm的模擬不銹鋼樣板進(jìn)行了試壓與試切割，在壓制過程中充分考慮材料的塑性和回彈量，通過模擬板的壓制總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，盡量減少后期球殼板壓制次數(shù)，進(jìn)而保護(hù)材料，且保證壓制后球殼板厚度滿足圖紙要求。通過模擬板的試壓制，再對(duì)球殼板進(jìn)行正式壓制后，采用超聲波測(cè)厚，結(jié)果厚度完全符合圖紙要求,具體如圖5,6所示。

圖5 模擬板壓制后試切割現(xiàn)場(chǎng)

圖6 首張球殼板壓制成型情況

2.3 球殼板坡口切割

由于該球殼板較厚，且規(guī)格大，尤其是赤道板長(zhǎng)度長(zhǎng)，壓制后弓高差距大，所以對(duì)等離子切割設(shè)備的切割能力及爬坡能力要求也很高。目前，針對(duì)諸如Q345R等低合金鋼等材質(zhì)的球殼板均采用視覺跟蹤磁力爬行坡口切割機(jī)進(jìn)行坡口切割(見圖7)[12]，但是該切割機(jī)滾輪根本無(wú)法吸附于不銹鋼板上。為了解決該難題，對(duì)普通切割小車進(jìn)行改裝并與等離子切割機(jī)相接，專門為改裝后的切割小車制作了行程進(jìn)給軌道胎(如圖8所示)，軌道胎的制作應(yīng)嚴(yán)格保證尺寸精度，否則直接影響到球殼板的切割成型尺寸。

為了防止球殼板組焊后的變形，球殼板坡口設(shè)計(jì)為圖3所示的雙面坡口。由于球殼板厚度過厚，等離子切割機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙面坡口一次切割成型，只能單面分別切割成型。為了減少二次切割量，降低二次斜面切割難度，先對(duì)坡口深度較深的一側(cè)進(jìn)行切割，二次劃線后，再切割坡口深度淺的一側(cè)，如圖9所示。每條邊切割后坡口應(yīng)打磨出金屬光澤，并保證單條邊的曲線性，清除坡口背面毛刺。

圖7 視覺跟蹤磁力爬行坡口切割機(jī)實(shí)物

圖8 不銹鋼球殼板采用軌道胎進(jìn)行切割現(xiàn)場(chǎng)

采用專用模具壓制的球殼板，經(jīng)過改裝的切割胎具切割坡口尺寸，在球殼板切割修磨完成后，考慮到切割、吊裝、放置、裝焊上段支柱、接管等工序?qū)η驓ぐ宓那?、弦長(zhǎng)、弧長(zhǎng)等的影響，最終，對(duì)所有球殼板幾何尺寸(每張球殼板均包括：2條短邊弦長(zhǎng)、弧長(zhǎng)，2條長(zhǎng)邊弦長(zhǎng)、弧長(zhǎng)，對(duì)角線弦長(zhǎng)、弧長(zhǎng)、坡口角度、坡口鈍邊等)進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果均控制在允許偏差范圍內(nèi)。

圖9 球殼板坡口二次劃線

2.4 極中板開孔

上、下極中板上均設(shè)置有公稱直徑DN500 mm的人孔及其他規(guī)格的相關(guān)工藝管口。為了防止極中板在等離子開孔及裝焊接管時(shí)曲率變形，導(dǎo)致在油壓機(jī)上修校困難，開孔前就在極中板內(nèi)側(cè)裝焊如圖10所示的防變形支撐工裝，再采用合理的焊接工藝進(jìn)行接管組焊，待裝焊完成全部接管(見圖11)，檢查合格后再去除。這樣可以有效防止極中板開孔、接管組焊的變形。

圖10 極中板開孔現(xiàn)場(chǎng)

圖11 極中板接管組焊現(xiàn)場(chǎng)

3 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)不銹鋼球殼板的壓制特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)，制定的不銹鋼鋼板訂貨尺寸合理，提高了利用率，節(jié)約了費(fèi)用。

(2)不銹鋼球殼板壓制時(shí)，弧長(zhǎng)變化、反彈量均不同于低合金鋼球殼板，通過小塊樣坯試壓，摸索了其中的規(guī)律性。

(3)通過對(duì)普通切割小車進(jìn)行改裝并與等離子切割機(jī)相連后，再配合行程進(jìn)給軌道胎切割的坡口質(zhì)量較佳。

(4)實(shí)踐表明，采用此種球殼板制造工藝，球殼板壓制曲率和切割坡口尺寸精度，完全滿足大規(guī)格、厚壁不銹鋼球罐的制造要求。