大厚度不銹鋼球罐的研制

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314)

0 引言

球罐作為大容量承壓儲(chǔ)存容器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等部門。近年來(lái)，隨著儲(chǔ)存介質(zhì)對(duì)殼體的嚴(yán)苛要求和制造水平的提高，不銹鋼制球罐也逐漸在工程中得到應(yīng)用，但大部分為容積較小的薄壁球罐，大容積、大厚度不銹鋼球罐還屈指可數(shù)。本文介紹目前國(guó)內(nèi)最大厚度(δ42 mm)不銹鋼球罐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、球殼板成型及焊接過(guò)程中難點(diǎn)的控制和處理方案。

2 000 m3精制三氯氫硅緩沖罐是某公司3×12 000 t/a純多晶硅產(chǎn)業(yè)升級(jí)建設(shè)項(xiàng)目精餾裝置中的關(guān)鍵存儲(chǔ)設(shè)備，根據(jù)工藝條件，球罐儲(chǔ)存介質(zhì)為98.1%SiHCl3(TCS)和1.9%SiH2Cl2(DCS)，該介質(zhì)主要特性[1]：易燃易爆、中度危害，操作溫度45 ℃，操作壓力0.6 MPa，裝量系數(shù)0.85。SiHCl3在空氣中易潮解，遇水反應(yīng)生成HCl，H2，釋放出大量的熱能，對(duì)設(shè)備易造成嚴(yán)重腐蝕和安全隱患。只有含Mo的Cr-Ni鋼在極稀的HCl溶液中溶解度稍低一些，并且鑒于介質(zhì)對(duì)設(shè)備潔凈度要求較高，經(jīng)綜合考慮選用S31603材料作為球罐的主體材料，腐蝕裕量取1 mm，對(duì)儲(chǔ)存介質(zhì)提出不得含有任何水分的要求。設(shè)備水壓試驗(yàn)合格后，需徹底清除水漬，保持內(nèi)部干燥，并采用干燥氮?dú)夥獯妗?/p>

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)型式和主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 000 m3精制三氯氫硅緩沖罐采用三帶十柱混合式結(jié)構(gòu)，單臺(tái)球罐共計(jì)34塊球殼板。支柱分上下兩段，上支柱與球殼板的連接采用加U形托板結(jié)構(gòu)型式，有效降低了α點(diǎn)(支柱與球殼連接最低點(diǎn))應(yīng)力。上段支柱、托板及蓋板材料采用與球殼板材料相近的S31608鋼板制造，既避免了與球殼板之間產(chǎn)生異種鋼焊接；又沒(méi)有因完全采用與球殼板材料相同的超低碳不銹鋼而降低材料成本。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 精制三氯氫硅緩沖罐結(jié)構(gòu)示意

項(xiàng)目參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB/T 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》[2]容器類別Ⅲ設(shè)計(jì)壓力/MPa1.0/FV設(shè)計(jì)溫度/℃80主體材料31603/31603鍛公稱容積/m32 000殼體內(nèi)徑/mmS?15700球殼厚度/mm42腐蝕裕量/mm1操作介質(zhì)三氯氫硅、氫氣、氮?dú)庠O(shè)備總重/t305.1

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 球殼分帶優(yōu)化

根據(jù)GB/T 17261—2011《鋼制球形儲(chǔ)罐型式與基本參數(shù)》[3]的規(guī)定，工程中大部分2 000 m3球罐采用三帶十柱結(jié)構(gòu)，赤道帶球心角67.5°，極帶球心角112.5°，球殼板焊縫總長(zhǎng)約380 m，極帶每張球殼板寬度3 082.7 mm。目前國(guó)內(nèi)鋼廠均無(wú)法軋制如此寬的不銹鋼鋼板，為解決此問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)將赤道帶球心角改為80°，極帶球心角100°，極帶球殼板寬度降為2 740.2 mm，滿足了鋼板訂貨尺寸要求，同時(shí)球殼板焊縫總長(zhǎng)降為365 m，減少焊材用量和節(jié)省球罐現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間。

2.2 焊接坡口型式優(yōu)化

大型球罐主要焊接作業(yè)在安裝現(xiàn)場(chǎng)的焊接位置屬于全位置焊接，普通碳鋼類球殼板坡口按GB/T 12337—2014附錄F的規(guī)定，一般為“外大內(nèi)小”不對(duì)稱X形坡口，可減少罐體內(nèi)部受限空間焊接作業(yè)量。由于不銹鋼材料的焊接困難，尤其仰焊位置更甚，為減少仰焊位置焊接量，保證焊接質(zhì)量，不銹鋼球殼板坡口采用不對(duì)稱X形坡口，且下極帶球殼板之間及下極帶與赤道帶之間的焊接坡口采用“外小內(nèi)大”X形坡口，其余球殼板坡口仍采用“外大內(nèi)小”X形坡口，坡口詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

(a)下極帶球殼板、下極帶與赤道帶

(b)球殼(除下極帶及下極帶與赤道帶)

2.3 接管法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖3 其余接管與球殼板焊接結(jié)構(gòu)示意

按GB/T 12337—2014的要求，球罐的接管法蘭應(yīng)采用帶頸對(duì)焊法蘭。本球罐設(shè)計(jì)時(shí)將接管與法蘭的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)置為整體結(jié)構(gòu)，避免了接管與法蘭的B類焊接接頭，同時(shí)減少無(wú)損檢測(cè)等工序，有效提高制造質(zhì)量。人孔接管法蘭與球殼板的連接采用嵌入式對(duì)接連接結(jié)構(gòu)，其余接管法蘭采用插入式整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

3 球罐用鋼板、鍛件及焊接材料

根據(jù)設(shè)計(jì)條件，球殼板用S31603鋼板應(yīng)符合GB/T 24511—2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》[4]的規(guī)定，表面加工類型為1D。接管法蘭用S31603鍛件應(yīng)符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》[5]的規(guī)定，焊材按等強(qiáng)度原則采用E316L-16[6]。球罐主體材料及焊材按要求進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)。其化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表2～4，力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表5～7。

表2 S31603鋼板化學(xué)成分(熔煉分析) %

表3 S31603鍛件化學(xué)成分(熔煉分析) %

表4 E316L焊條化學(xué)成分(熔煉分析) %

表5 S31603鋼板力學(xué)性能

表6 S31603鍛件力學(xué)性能

表7 E316L焊條熔敷金屬力學(xué)性能

4 球殼板的制造

4.1 球殼板成型

球殼板的壓制一般多采用多點(diǎn)冷壓法成型。碳鋼類球殼板成型技術(shù)，已應(yīng)用多年，工程經(jīng)驗(yàn)豐富；但對(duì)于大容積、大厚度不銹鋼球殼板采用此方法成型，諸如壓制時(shí)的回彈量、模具設(shè)計(jì)、壓點(diǎn)布置以及球殼板移動(dòng)量等參數(shù)，沒(méi)有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。為此，在球殼板正式壓制前，采用一塊規(guī)格為2 000 mm×3 000 mm×45 mm的樣品進(jìn)行試壓和試切割，在壓制過(guò)程中，充分考慮不銹鋼板的塑性和回彈量，掌握壓力和回彈量的關(guān)系比，通過(guò)模擬樣品試壓掌握相關(guān)技術(shù)參數(shù)后，再對(duì)球殼板進(jìn)行正式壓制。球殼板壓點(diǎn)布置及壓制順序如圖4所示。

不銹鋼材料與碳素鋼接觸會(huì)產(chǎn)生滲碳、Fe離子污染、表面損傷等情況，均對(duì)材料的耐腐蝕性能產(chǎn)生影響。因此在不銹鋼球殼板壓制成形及運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)不銹鋼鋼板表面保護(hù)尤為重要。首先，對(duì)球殼板內(nèi)外表面貼敷牛皮紙，防止壓制過(guò)程中壓制模具對(duì)球殼板的表面污染；其次，對(duì)現(xiàn)有壓制模具進(jìn)行改造，壓制模具上模熱處理后的曲面及邊緣100 mm范圍進(jìn)行拋光處理，下模采用1.2 mm厚不銹鋼板進(jìn)行包覆[7]；還對(duì)吊裝卡具表面進(jìn)行堆焊隔離(銅)層處理，制作3 000 mm長(zhǎng)不銹鋼曲率檢測(cè)樣板，在專用壓制場(chǎng)地鋪設(shè)橡膠墊等系列隔離措施，詳見(jiàn)圖5。

圖4 球殼板壓點(diǎn)布置示意

(a) (b) (c)

圖5 球殼板隔離措施

4.2 球殼板切割及坡口制備

氣割不銹鋼球殼板時(shí)，坡口邊緣變形較大，坡口成形質(zhì)量差，易出現(xiàn)波浪形，給后序的現(xiàn)場(chǎng)組焊造成困難。在制定嚴(yán)格的壓制工藝后，采用了球殼板專用數(shù)控切割機(jī)精準(zhǔn)劃出切割線和檢查線，見(jiàn)圖6。

由于不銹鋼球殼板厚度、尺寸較大，尤其是赤道板凈尺寸長(zhǎng)度達(dá)到10 960.7 mm，壓制后拱高達(dá)到1 836 mm，對(duì)設(shè)備的切割能力和爬坡能力要求極高，因此特購(gòu)置了2臺(tái)功率600 A自帶弧壓調(diào)高裝置及冷卻系統(tǒng)的等離子切割機(jī)。

圖6 專用數(shù)控切割機(jī)激光劃線現(xiàn)場(chǎng)

對(duì)于碳鋼類球殼板，以往均采用視覺(jué)跟蹤磁力爬行切割機(jī)進(jìn)行坡口切割，但對(duì)于不銹鋼材質(zhì)，此設(shè)備滾輪無(wú)法吸附于鋼板表面，為此對(duì)普通半自動(dòng)爬坡小車與等離子切割機(jī)進(jìn)行組裝，并制作了爬行軌道胎具。球殼板厚度42 mm，等離子切割機(jī)無(wú)法達(dá)到雙面坡口一次切割成型，只能單面分兩次切割，且先從坡口尺寸較深一側(cè)進(jìn)行切割，切割后坡口打磨出金屬光澤，并保證每條邊的曲線連續(xù)性，清除坡口毛刺，成型后的球殼板坡口效果見(jiàn)圖7，坡口表面經(jīng)100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格[8]。球殼板切割完成后，對(duì)曲率超差部分進(jìn)行修校，修校后檢測(cè)樣板與球殼板內(nèi)表面的間隙e≤3 mm，球殼板幾何尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求。其中，極邊板幾何尺寸檢查結(jié)果如表8所示。

圖7 成型后的球殼板坡口外觀

表8 極邊板幾何尺寸檢查結(jié)果 mm

注:表中符號(hào)按GB/T 12337—2014的規(guī)定，B1,B2-寬度方向弦長(zhǎng)，mm；L1，L3-長(zhǎng)度方向弦長(zhǎng)，mm；D-對(duì)角線弦長(zhǎng)，mm

5 接管法蘭、支柱與球殼板的焊接及質(zhì)量控制

5.1 焊接變形防控

焊接不銹鋼材料時(shí)極易產(chǎn)生焊接變形，球殼板焊接后產(chǎn)生的變形會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)安裝的順利進(jìn)行。球殼板的焊接變形防控是確保球殼板曲率和幾何尺寸的重要因素。為此，采取了以下措施。

(1)施焊前球殼板應(yīng)裝焊防變形胎，以加大結(jié)構(gòu)剛性，見(jiàn)圖8；

圖8 防變形胎結(jié)構(gòu)示意

(2)根據(jù)焊接工藝評(píng)定，制定科學(xué)合理的焊接工藝，嚴(yán)格控制焊接熱輸入，降低焊接線能量；

(3)采取合理的焊接方法，對(duì)稱布置焊接位置同時(shí)施焊，并采取分段跳焊法及合理的焊接順序。

5.2 S31603材料的焊接要求及質(zhì)量控制

S31603可采用SMAW，GTAW等焊接方法，焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋[9-11]，為了減少熱裂紋，需要保證焊接接頭中具有一定的鐵素體含量，鐵素體含量控制在3% ～8%。產(chǎn)品正式焊接前，根據(jù)產(chǎn)品材料及厚度、焊接接頭型式、焊接性能分析[12]等制定預(yù)焊接工藝規(guī)程pWPS進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，評(píng)定試板采用厚度δ45 mm的S31603鋼板，坡口采用不對(duì)稱X形，焊接方法采用SMAW，焊條采用?4.0 mm的E316L，焊接工藝評(píng)定參數(shù)見(jiàn)表9。焊接完成后，按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[13]要求對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸、側(cè)彎、硬度HV10及晶間腐蝕試驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度Rm=603 MPa，斷裂位置均在母材。彎曲試驗(yàn)試樣尺寸10 mm×45 mm，彎心直徑40 mm，彎曲角度180°，結(jié)果合格。硬度測(cè)定時(shí)，在焊縫、熱影響區(qū)、母材距表面1.5 mm及T/2處各3點(diǎn)，HV10檢測(cè)結(jié)果190～235。評(píng)定試件按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》[14]中E法進(jìn)行硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果合格。

表9 焊接工藝評(píng)定參數(shù)

產(chǎn)品焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制焊接電流、電弧電壓和焊接速度。接管法蘭與球殼板焊接時(shí)，采用SMAW方法在坡口外側(cè)焊接至外坡口深度的1/3處，然后采用等離子氣刨在坡口內(nèi)側(cè)進(jìn)行清根，清根后，采用不銹鋼砂輪打磨消除滲碳層，至露出金屬光澤，經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后，進(jìn)行坡口內(nèi)側(cè)焊接，至內(nèi)坡口深度1/2處，再進(jìn)行外側(cè)坡口焊接及內(nèi)側(cè)坡口焊接。焊接過(guò)程中需控制層間溫度≤150 ℃，以保證焊接質(zhì)量。上段支柱、托板及蓋板與球殼板焊接時(shí)，第一道采用?3.2 mm焊條施焊，以保證接頭根部熔透，然后再用?4.0 mm焊條繼續(xù)施焊，焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度≤100 ℃，且要做到均勻配置焊工，同時(shí)對(duì)稱焊接，產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表10。

表10 產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)

5.3 焊后無(wú)損檢測(cè)

焊接采用多層多道焊，每道焊縫完成后，應(yīng)清除焊縫兩側(cè)的熔渣及飛濺物，焊接接頭表面不得出現(xiàn)未熔合、咬邊、裂紋、氣孔及夾渣等缺陷。角焊縫表面打磨至與母材圓滑過(guò)渡。焊接完成后對(duì)球殼板的曲率和幾何尺寸再次檢查，必要時(shí)進(jìn)行局部修校。焊縫表面形狀及外觀檢測(cè)合格后，對(duì)接管法蘭與球殼板的焊接接頭進(jìn)行100%射線檢測(cè)，Ⅱ級(jí)合格。經(jīng)無(wú)損檢測(cè)，一次合格率達(dá)98.2%，主要缺陷為夾渣、未熔合等。

6 球殼板運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)組裝

球殼板運(yùn)輸時(shí)，制作防變形運(yùn)輸托架，托架與球殼板之間墊以橡膠墊、用不銹鋼鋼帶束緊固定，球殼板與托架整體起吊。運(yùn)輸至安裝現(xiàn)場(chǎng)后，球殼板吊裝前，球殼板始終置于托架上，避免曲率發(fā)生變化，產(chǎn)生局部變形。

球罐現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)采用“無(wú)中心柱分片整體組裝法”，首先依次組裝帶支柱的赤道板，用經(jīng)緯儀測(cè)量，調(diào)整支柱與赤道板的垂直度，將支柱底板固定；然后吊裝不帶支柱的赤道板，依次插入已安裝就位赤道板之間，用不銹鋼卡具固定；組裝成環(huán)帶后，調(diào)整赤道板間隙、錯(cuò)邊量、角變形及上下環(huán)口水平度、橢圓度，而后吊裝上、下極帶板。安裝過(guò)程中，為盡量保證罐內(nèi)清潔度，定位塊、工卡具在球殼板外側(cè)固定，搭設(shè)內(nèi)外腳手架用鋼管全部采用鍍鋅處理，鋼管兩端墊橡膠墊。組裝完成后，經(jīng)檢測(cè)球殼板坡口鈍邊間隙均≤4 mm，錯(cuò)邊量≤3 mm。用弦長(zhǎng)2 000 mm的樣板，沿對(duì)接接頭每500 mm測(cè)量棱角度，棱角度E≤5 mm。

該球罐安裝過(guò)程中，球殼板之間的組裝間隙、棱角度及焊接質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，并經(jīng)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證合格，現(xiàn)場(chǎng)安裝效果見(jiàn)圖9。

(a)

(b)

7 結(jié)語(yǔ)

(1)在設(shè)計(jì)大厚度不銹鋼球罐時(shí)，對(duì)球殼分帶、坡口形式及接管法蘭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了制造安裝的難度，有效保證了球罐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)對(duì)球罐原材料的復(fù)驗(yàn)要求、制定合理的制造工藝及焊接防變形控制措施，解決了不銹鋼球殼板壓制過(guò)程中的質(zhì)量控制、半成品保護(hù)等難題，為高質(zhì)量完成不銹鋼球罐制造奠定了基礎(chǔ)。

(3)厚度42 mm的2 000 m3不銹鋼球罐的成功制造，為今后大容積、大厚度不銹鋼球罐的設(shè)計(jì)制造積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。