4 000 m3丙烯球罐兩種設(shè)計(jì)和建造方案對比

黃金國，蔣 軍，王 利，吳國俊

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

作為三大合成材料的基本原料，丙烯主要用于生產(chǎn)丙酮、環(huán)氧丙烷、丙烯腈、異丙烯等【1】。丙烯的基本性質(zhì)為：分子量42.08、密度0.513 9 g/cm3、冰點(diǎn)-185.3 ℃、沸點(diǎn)-47.4 ℃，屬低毒類物質(zhì)。丙烯的存儲(chǔ)一般分為：低溫常壓、低溫壓力和常溫壓力。在一般倉儲(chǔ)企業(yè)或大部分工藝裝置中的丙烯都是采用常溫壓力球罐存儲(chǔ)，設(shè)計(jì)壓力通常按照50 ℃時(shí)的飽和蒸氣壓來確定，即為2.16 MPa，建造材質(zhì)選用Q370R或07MnMoVR；但有些設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)溫度也會(huì)根據(jù)地域不同、工藝條件不同或基于本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)理念，將最低設(shè)計(jì)溫度取為-48 ℃，這時(shí)則需選用JFE-HITEN610U2L、 07MnNiMoDR或15MnNiNbDR建造。

隨著球罐設(shè)計(jì)水平、鋼板質(zhì)量及制造和安裝水平的不斷提高，丙烯球罐的最大建造容積從原來的1 500 m3逐漸增大到現(xiàn)在的4 000 m3。在滿足一定庫容要求的前提下，建造4 000 m3丙烯球罐減少了設(shè)備數(shù)量、占地面積以及配套管道、閥門及儀器儀表的數(shù)量，同時(shí)也降低了球罐運(yùn)行后維護(hù)及停檢修費(fèi)用。

4 000 m3丙烯球罐由于設(shè)計(jì)壓力較高，為實(shí)現(xiàn)輕量化，都采用分析設(shè)計(jì)方法。本文結(jié)合近年來國內(nèi)建造的-20 ℃丙烯球罐較多的情況，對常溫設(shè)計(jì)參數(shù)下4 000 m3丙烯球罐的兩種建造方案進(jìn)行了分析對比。

1 4 000 m3丙烯球罐的設(shè)計(jì)參數(shù)

本次建造的4 000 m3丙烯球罐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

2 4 000 m3丙烯球罐的選材方案

針對4 000 m3丙烯球罐設(shè)計(jì)壓力為2.16 MPa，分別選用中強(qiáng)度Q370R鋼和高強(qiáng)度07MnMoVR鋼進(jìn)行建造，兩種建造方案球殼板厚度及凈質(zhì)量見表2。

3 兩種方案主體材料技術(shù)要求

3.1 方案一(Q370R)主體材料技術(shù)要求

球殼用Q370R鋼板交貨狀態(tài)為正火，須進(jìn)行100%超聲檢測，按NB/T 47013.3—2015Ⅰ級合格，雜質(zhì)元素P含量由標(biāo)準(zhǔn)的不大于0.020%降低到不大于0.015%，S含量由標(biāo)準(zhǔn)的不大于0.010%降低到不大于0.008%。Q370R鋼板的力學(xué)性能和冷彎性能見表3。從表3可以看出：其低溫沖擊韌性比GB 713—2014標(biāo)準(zhǔn)要求有較大幅度的提高。

按JB 4732標(biāo)準(zhǔn)、配套的鍛件需選用20MnMoD鍛件，調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，雜質(zhì)元素P含量由標(biāo)準(zhǔn)的不大于0.020%降低到不大于0.015%，S≤0.008%，-40 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥60 J(單個(gè)值≥42 J)。

表2 4 000 m3球罐兩種方案球殼板厚度

表3 Q370R鋼板的力學(xué)性能和冷彎性能

球罐開罐檢查表明：裂紋約80%產(chǎn)生在焊縫上，焊縫的質(zhì)量決定了球罐的質(zhì)量。因此本次丙烯球罐主體焊接(球殼板之間、 球殼板和凸緣之間等)用焊條的熔敷金屬必須有較大的韌性儲(chǔ)備，選用E5515-N2(J557RH)高韌性超低氫型焊條，其熔敷金屬雜質(zhì)元素P含量由標(biāo)準(zhǔn)的不大于0.025%降低到不大于0.020%，S含量由標(biāo)準(zhǔn)的不大于0.015%降低到不大于0.010%，采用微合金化技術(shù)，-50 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥60 J(單個(gè)值≥42 J)相比標(biāo)準(zhǔn)要求，有較大幅度的提高，且對立焊位置的焊接線能量不太敏感。

3.2 方案二(07MnMoVR)主體材料技術(shù)要求

球殼用07MnMoVR鋼板交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，100%超聲檢測，按NB/T 47013.3—2015Ⅰ級合格，P≤0.015%，S≤0.005%。鋼板的力學(xué)性能和冷彎性能見表4。

表4 07MnMoVR鋼板的力學(xué)性能和冷彎性能

配套的鍛件選用08MnNiMoVD鍛件，調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，其中P≤0.015%，S≤0.008%，-40 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥70 J(單個(gè)值≥49 J)。

球罐主體焊接(球殼板之間、球殼板和凸緣之間等)采用與07MnMoVR鋼板相匹配的E6215-N2M1(J607RH)高韌性超低氫型焊條。其熔敷金屬P≤0.015%，S≤0.010%，-50 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥60 J(單個(gè)值≥42 J)。

4 4 000 m3丙烯球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

兩種方案設(shè)計(jì)的球罐結(jié)構(gòu)型式基本類似，均采用分析設(shè)計(jì)。

先根據(jù)JB 4732設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)公式，初步確定球罐各部件的尺寸【2】，再利用有限元分析軟件ANSYS對球罐的整體及上、下極開孔結(jié)構(gòu)等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析計(jì)算，然后根據(jù)JB 4732 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力分類和評定，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對一些部件的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，形成最終的球罐結(jié)構(gòu)圖。

4.1 4 000 m3丙烯球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對球罐制造和安裝的質(zhì)量及投用后的可靠性和安全性都有極大的影響。合理的球罐布片結(jié)構(gòu)可有效改善球罐的受力狀況，同時(shí)也可最大限度地增大鋼板利用率、減少主體焊縫的總長度以及降低成本。在綜合考慮生產(chǎn)鋼廠的軋制、制造廠的球片壓制和安裝單位的安裝等能力后，兩種方案的4 000 m3丙烯球罐都選定了4帶12支柱混合式結(jié)構(gòu)(見圖1)，只是考慮到單塊板重，在球殼板分帶角度上略有差異。

圖1 兩種方案球罐整體結(jié)構(gòu)

大部分球罐的厚壁管和球罐球殼板連接部位采用直插式結(jié)構(gòu)，為角接接頭，無法進(jìn)行射線檢測，其焊縫的焊接質(zhì)量很難保證。此兩種設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)時(shí)，將所有球殼板與凸緣和接管之間全部采用對接接頭(見圖2)【3】，可進(jìn)行射線檢測，提高了球罐焊縫質(zhì)量，但由于厚壁管不是沿球罐的徑向布置，增加了厚壁管的機(jī)加工難度。

兩種方案4 000 m3丙烯球罐整體結(jié)構(gòu)分別做了設(shè)計(jì)、壓力試驗(yàn)和地震工況的有限元分析驗(yàn)算，對上、下極開孔接管局部結(jié)構(gòu)做了設(shè)計(jì)和壓力試驗(yàn)工況的有限元分析驗(yàn)算，并根據(jù)驗(yàn)算的結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化?？紤]到工藝管口載荷對相應(yīng)接管及接管附近球殼結(jié)構(gòu)、扶梯平臺(tái)自重和風(fēng)載對球殼及其附近支撐件的應(yīng)力影響，增加了兩種附加工況的計(jì)算。具體的計(jì)算工況及考慮載荷見表5。

圖2 厚壁管和球殼板的對接接頭形式

表5 有限元計(jì)算工況及考慮載荷

5 4 000 m3丙烯球罐建造技術(shù)要求

兩種方案建造的4 000 m3丙烯球罐都具有一定的難度。方案一的Q370R鋼制4 000 m3丙烯球罐厚度達(dá)56 mm(已超過標(biāo)準(zhǔn)中球殼厚度不宜超過50 mm的要求)；方案二的07MnMoVR鋼制4 000 m3丙烯球罐厚度達(dá)47 mm，也接近此種材料建造球罐的上限厚度。故在采用這兩種方案建造球罐時(shí)，除上述在材料方面所做的提高外，還在設(shè)計(jì)的其他方面提高了部分技術(shù)指標(biāo)，以確保球罐的建造質(zhì)量，主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面。

5.1 進(jìn)行專家評審備案

GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》和GB/T 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》標(biāo)準(zhǔn)中都提出“球殼板厚度不宜大于50 mm”的要求，而方案一采用Q370R鋼板制造的56 mm厚球殼板雖已突破50 mm，但此建造方案采取了組織專家評審等方式，并進(jìn)行評審備案，對球罐設(shè)計(jì)、原材料訂貨、制造和安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)提出更高的技術(shù)要求，確保球罐安全可靠【3-4】。

5.2 提高球殼板等制造精度

球殼板等附件的制造尺寸精度越高，越接近設(shè)計(jì)理論尺寸。避免安裝時(shí)強(qiáng)力組裝，可減小球罐的殘余應(yīng)力。

將檢查球殼板曲率的樣板由標(biāo)準(zhǔn)弦長不小于2 m 增大至不小于3 m，精度更高；同時(shí)球殼板幾何尺寸允許偏差也較標(biāo)準(zhǔn)要求做了一定程度的提高。

5.3 焊接工藝控制及安裝過程技術(shù)要求

技術(shù)文件中明確規(guī)定了球罐主體焊縫不得采用φ5.0 mm的焊條；對焊前預(yù)熱、焊接層間溫度、焊接電流、焊接線能量、焊后消氫處理等事項(xiàng)均提出了嚴(yán)于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

在焊接工藝評定中，方案一(Q370R)規(guī)定了焊接接頭(熱影響區(qū)及焊縫金屬)經(jīng)(610 ℃±15 ℃×5.0 h)焊后熱處理后，-20 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥41 J(單個(gè)值≥29 J)；方案二(07MnMoVR)規(guī)定了焊接接頭(熱影響區(qū)及焊縫金屬)經(jīng)(580 ℃±15 ℃×5.0 h)焊后熱處理后，-20 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥47 J(單個(gè)值≥33 J)。為了保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使其受力狀況良好，技術(shù)文件要求將球罐焊后棱角值由標(biāo)準(zhǔn)要求的不小于10 mm提高到不小于8 mm，且所有對接焊縫都應(yīng)打磨至與母材圓滑過渡。

技術(shù)條件中要求熱處理單位應(yīng)制訂詳細(xì)的熱處理方案，并對熱處理工藝等提出了明確的技術(shù)要求和控制措施。

5.4 無損檢測技術(shù)要求

為了提高大容積球罐的安全可靠性，兩種建造方案的技術(shù)文件中，都對球罐焊接接頭提出了比標(biāo)準(zhǔn)要求更高的無損檢測比例和合格等級，見表6【5-6】。

6 4 000 m3丙烯球罐兩種建造方案造價(jià)對比

國內(nèi)球罐除材料費(fèi)用之外，制造、運(yùn)輸和安裝一般是按照噸單價(jià)進(jìn)行測算，其中運(yùn)輸也占據(jù)了造價(jià)中不小的份額。兩種方案建造的4 000 m3丙烯球罐造價(jià)是基于除鋼板外其他條件一致的情況下進(jìn)行的對比，按照目前的市場價(jià)格測算，單臺(tái)4 000 m3丙烯球罐造價(jià)見表7。從表7中可以看出：兩種方案建造的4 000 m3丙烯球罐性價(jià)比基本相當(dāng)。

表6 無損檢測比例和合格級別

表7 兩種方案造價(jià)對比

7 結(jié)語

1) 采用應(yīng)力分析進(jìn)行設(shè)計(jì)的兩種4 000 m3丙烯球罐建造方案在技術(shù)上都是可行的，已分別在上海、江蘇和浙江等相關(guān)企業(yè)進(jìn)行了建造應(yīng)用。設(shè)計(jì)建造過程應(yīng)從原材料(球殼板用鋼板、配套的鍛件和焊條等)、制造和安裝等環(huán)節(jié)相應(yīng)提高技術(shù)要求，以確保球罐產(chǎn)品的建造質(zhì)量。

2) 利用有限元分析軟件ANSYS對球罐的整體及上、下極開孔結(jié)構(gòu)等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對一些部件的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，形成合理的球罐結(jié)構(gòu)圖。

3) 4 000 m3丙烯球罐容積大，而球罐產(chǎn)品涉及到在制造廠進(jìn)行初步的球片預(yù)制及零部件的制造和焊接，以及安裝現(xiàn)場的組對、焊接、熱處理、無損檢測和耐壓試驗(yàn)等諸多環(huán)節(jié)，必須提高相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，且需加大對每個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)管和檢查力度，以確保設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)得到落實(shí)。

4) 比較文中的兩種建造方案：方案一的Q370R鋼板屬于中強(qiáng)度正火鋼板，可焊性好，但球殼壁厚大，焊接工程量大；方案二的07MnMoVR鋼板屬于高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼，對焊接工藝要求非常高，焊接過程中，需要嚴(yán)加管控。

5) 依據(jù)GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中 “全壓力式或半冷凍式液化烴儲(chǔ)罐的單罐容積不應(yīng)大于4 000 m3”的要求，不管是從遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的角度考慮，還是從材料允許使用范圍考慮，50 ℃時(shí)飽和蒸氣壓下，4 000 m3的丙烯球罐都是最大允許建造容積。