3000m³丙烯球罐的設計要點

劉琳琳

摘 要：介紹了3000m3丙烯球罐的設計要點，包括設計參數的確定，設計選材、球殼結構型式的選擇以及焊后熱處理和無損檢測等。

關鍵詞：球罐;選材;設計

丙烯球罐是石化工業(yè)中的重要設備。隨著球罐日漸大型化發(fā)展，制造技術和選用材料也發(fā)生較大變化。在對某石化企業(yè)改造項目中，需要建造2臺3000m3丙烯球罐，根據國內有關技術標準和規(guī)范以及工藝設計條件確定設計參數、結構形式及材料選擇等，具體如下：

1.球罐設計參數的確定

工作壓力：1.57MPa;設計壓力：2.09/-0.1MPa;工作溫度：ATM;設計溫度-45/50℃;操作介質：丙烯;介質密度：479～538kg/m3;安全閥整定壓力：2.16MPa;腐蝕裕量取2mm.

因為球罐中儲存介質丙烯屬于易爆的液化氣體，需要做氣密性試驗，且由于在球罐本體上裝有安全閥，根據固容規(guī)要求“帶有安全閥、爆破片等超壓泄放裝置的壓力容器，如果設計時提出氣密性試驗要求，則設計者應當給出該壓力容器的最高允許工作壓力”[1]。故考慮為球罐規(guī)定最高允許工作壓力（取1.05倍的安全閥整定壓力為2.27MPa），用最高允許工作壓力進行計算強度校核，并按最高允許工作壓力的1.25倍取為液壓試驗壓力。

2.球罐主體材料的確定

丙烯球罐的最高設計溫度按當地的極端最高氣溫加上6～8℃，一般取50℃;根據GB/T150-2011中3.1.9條中最低設計金屬溫度為設計時，容器在運行過程中預期的各種可能條件下各元件金屬溫度的最低值。這里所指的各種可能條件包括正常工作情況，還應考慮可能出現的最低工作溫度、工作中的不正常情況、自動制冷、大氣環(huán)境溫度及其他制冷因素。丙烯球罐在運行過程中出現安全閥超壓排放或不適當的料液排放時，高壓氣體通過閥門或管道時急劇減壓，絕熱膨脹至常壓，根據焦耳-湯姆遜效應原理，此時氣體溫度會驟降，導致安全閥或排料管附近殼體金屬快速降低至很低的溫度，而在此過程中球罐的工作壓力幾乎不變，使得安全閥或排放管附近殼體處于低溫、高壓的運行狀態(tài)，極易出現低溫脆斷事故?？紤]到緊急排放后的汽化降溫，為了防止此類事故的發(fā)生，丙烯球罐的設計溫度選為-45℃，選材取用在-45℃適用的材料[2]。

由于GB/T12337-2014中規(guī)定球殼用鋼板厚度不宜大于50mm，設計時宜采用強度級別高的材料來設計，符合最低設計溫度的幾種鋼中，僅07MnNiMoDR為高強度用鋼，而且07MnNiMoDR的塑性、韌性好，可焊性較高，故選用07MnNiMoDR既能控制鋼板厚度，又符合工藝要求。

3.球殼結構型式的選擇

球殼板結構型式有桔瓣式、混合式和足球瓣式三種。國內自行設計、制造、安裝的球罐多為橘瓣式和混合式。

足球瓣式球罐的球殼劃分和足球殼一樣，所有球殼板大小相同，所以又叫均分法。優(yōu)點是每塊球殼板尺寸相同，下料成型規(guī)格化，材料利用率高，互換性好，組裝焊縫較短，焊接及檢驗工作量小，缺點是焊縫布置復雜，不適用于支柱支撐結構，施工組裝困難，對球殼板的制造精度要求高，由于受鋼板規(guī)格及自身結構的影響，一般只適用于制造容積小于1000 m3的球罐。

橘瓣式球罐的球殼劃分就像桔瓣，是一種最通用的型式。優(yōu)點是焊縫布置簡單，組裝容易，球殼板制造簡單，缺點是材料利用率低。

混合式球罐的球殼組成是：赤道帶和溫帶采用桔瓣式，極板采用足球瓣式。由于取其桔瓣式和足球瓣式兩種結構型式之優(yōu)點，材料利用率較高、焊縫長度縮短，球殼板數量減少，且特別適合大型球罐。本設備選擇混合式球罐更為合適[3]。

4.支柱設計

支柱與球殼的連接，既要能充分傳遞應力，又要局部應力水平盡可能低，故焊縫必須具有足夠的焊接長度和強度，同時要采取必要措施減少應力集中。本設備考慮使用赤道正切柱式支撐且為加U形托板結構。

赤道正切柱式支座的結構特點是：球殼由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置，支柱中心線與球殼內壁相切或近似相切。有以下優(yōu)點：

a.避免了支柱與球殼連接部下端由于夾角小而造成焊接的困難，保證了支柱與球殼焊接質量的可靠性;

b.改變了尖角焊縫的受力狀態(tài)，使球殼板與支柱最低點焊縫由原來的點接觸改為線接觸;

c.焊縫全部在外表面，易于焊接、便于檢驗。

支柱支承球罐的重量，為了承受風載荷和地震載荷，保證球罐的穩(wěn)定性，在支柱之間設置拉桿連接。這種支座的優(yōu)點是受力均勻，彈性好，能承受熱膨脹的變形，安裝方便，施工簡單，容易調整，現場操作和檢修也方便，且適用于多種規(guī)格的球罐;缺點是重心高，穩(wěn)定性較差。

支柱下端設置防火結構，以防發(fā)生火災時支柱被燒軟失穩(wěn)倒塌，直接危及球罐的安全。在支柱的底板上開設通氣孔，以利積水的排除。支柱底板上開設的地腳螺栓孔設為徑向長圓孔，以利于調整支柱垂直度和球罐整體熱處理時支柱的徑向移動。

5.球罐的整體熱處理

由于球罐焊后存在較大的殘余應力，而焊后熱處理可以消除存在于球罐上由于組裝和焊接造成的殘余應力，并改善焊接接頭性能。根據GB/T150-2011的規(guī)定，07MnNiMoDR焊接接頭厚度大于32mm（如焊前預熱100℃以上時，焊接接頭厚度大于38mm時）應進行焊后熱處理。故本設備要求進行焊后熱處理。

熱處理前應在支柱下部設置移動裝置。熱處理過程中，監(jiān)測柱腳位移，按計算位移值及時調整柱腳位移。并在熱處理后，測量并調整支柱垂直度。

6.焊接

球殼板的焊接，應選用低氫堿性焊條，并進行擴散氫復驗。

球罐焊接前應進行焊前預熱，預熱溫度按GB/T12337-2014中表28選取為100～125℃。此設備符合8.3.4.7中a的條件，故應在焊后立即進行后熱消氫處理，可以促進焊縫中氫的逸出，防止產生冷裂紋，后熱溫度200～250℃，保溫時間應為0.5～1h。

7.無損檢測

球罐對接接頭焊后應進行100%射線檢測或100%TOFD檢測，當采用100%TOFD檢測時，TOFD檢測完畢后還應進行100%超聲檢測復驗。所有坡口、工夾具的焊痕除均須進行100%磁粉檢測;熱處理前，所有零部件組焊的焊接接頭表面均須進行100%磁粉檢測。磁粉檢測應在射線或超聲探傷發(fā)現的缺陷修補合格后進行，離焊接完成后的時間不應小于36h;熱處理后，所有焊接接頭表面均須進行100%磁粉檢測。嵌入式接管與球殼連接的對接接頭及公稱直徑不小于250mm的接管與法蘭、接管與接管間的對接焊接接頭進行100%射線檢測，并應對每條焊接接頭進行超聲檢測復驗，復驗長度不少于其焊縫長度的20%。水壓試驗后，還應對所有焊縫內外表面進行100%磁粉檢測。

8.基礎沉降

球罐在充、放液過程中，應對基礎的沉降進行觀察，每個支柱基礎都應測定沉降量，各支柱基礎應均勻沉降。

9.結語

綜上所述3000 m3丙烯球罐應采用07MnNiMoDR材料、混合式排板，球罐需要整體熱處理等技術要點，是在實踐中總結出的經驗分享，是否妥當，請各位同行一起探討。

參考文獻：

[1].TSG 21-2016，固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布，2016年2月22日。

[2]. GB/T 12337-2014，《鋼制球形儲罐》標準釋義，壽比南，北京，新華出版社，2015年5月。

[3]. GB/T 12337-2014，鋼制球形儲罐，北京，中國標準出版社，2015年2月1日。

作者簡介：

劉琳琳，1986年8月9日出生，女，漢族，籍貫遼寧省撫順市，現供職單位：中國昆侖工程有限公司遼寧分公司，工程師，學士學位，研究方向：壓力容器設計