2000m3液氨球罐設(shè)計要點

趙帥，鄭娟，張璐

（1.中國石油管道局工程有限公司）

（2.北京永新環(huán)保有限公司）

（3.中國石油管道局工程有限公司）

引言

氨作為一種重要的化工原料，為了運輸及儲存便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過加壓或冷卻得到液態(tài)氨。液氨，又稱為無水氨，是一種無色液體。液氨屬乙類，易燃、易爆有毒液體，其危險性表現(xiàn)在兩個方面：一是氨屬高毒物品，短時間接觸容許濃度（15min）為30mg/m3,因此液氨一旦泄露會導致人員中毒、窒息死亡，造成嚴重后果；二是氨為中度危害介質(zhì)[1]，在空氣中的爆炸極限為15%～28%，遇明火極易燃燒爆炸。液氨具有腐蝕性，且容易揮發(fā)，所以其化學事故發(fā)生率相當高。液氨主要用于生產(chǎn)硝酸、尿素和其他化學肥料，還可用作醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料。液氨在國防工業(yè)中，用于制造火箭、導彈的推進劑，可用作有機化工產(chǎn)品的氨化原料，還可用作冷凍劑。本文以2000 m3液氨球罐設(shè)計為例，簡述液氨球罐設(shè)計要點。

1 基本設(shè)計參數(shù)

該液氨罐的設(shè)計條件：公稱容積為2000m3儲存介質(zhì)為液氨，介質(zhì)密度為563kg/m3,工作溫度為10～25℃，設(shè)計溫度為-10/50℃,最高允許工作壓力為2.16MPa,安全閥開啟壓力為2.16MPa,屬于液氨應力腐蝕環(huán)境，設(shè)備主體的腐蝕裕量為3mm，支柱底板的腐蝕裕量為3mm，地腳螺栓的腐蝕裕量為3mm，拉桿的腐蝕裕量為3mm，裝量系數(shù)為0.85[2]。焊接接頭系數(shù)為1?？拐鹪O(shè)防烈度為8度,設(shè)計基本地震加速度0.2g,場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第三組，基本雪壓值550N/m2, 基本風壓600N/m2，地面粗糙度為B類。支柱底板與基礎(chǔ)間的型式為鋼-混凝土。鋼板厚度負偏差為0.3mm。執(zhí)行法規(guī)和設(shè)計標準為TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[3]、GB/T12337-2014《鋼制球形儲罐》[4]、GB/T 150.1～4-2011《壓力容器》[5]和 GB 50094-2010《球形儲罐施工規(guī)范》[6]。

2 球罐結(jié)構(gòu)的確定

球罐結(jié)構(gòu)根據(jù)GB/T 17261-2011《鋼制球形儲罐型式與基本參數(shù)》選取混合式三帶十根支柱球罐[7]，采用這種結(jié)構(gòu)具有總焊縫長度短、總焊接工程量小、焊材用料少、節(jié)省工期、降低焊縫過長帶來的安全隱患等特點。球殼內(nèi)徑和球罐基礎(chǔ)中心圓直徑為15700mm，幾何容積2026m3，支柱底板地面至球殼赤道平面的距離為9800mm。各帶球心角（°）/各帶分塊數(shù)分別為上極112.5°/7塊、赤道帶67.5°/16塊和下極112.5°/7塊。支柱與球殼的連接采用赤道正切型式，支柱與球殼連接處采用加U形托板結(jié)構(gòu)型式，可確保支柱與殼體下部焊接容易且可靠，U形托板采用鋼板彎制。拉桿采用可調(diào)式。拉桿連接型式為相鄰支柱間。

3 選材及設(shè)計計算

根據(jù)HG/T 20581-2020《鋼制化工容器材料選用規(guī)范》6.8.5中第2款的規(guī)定，材料要求及限制應符合6.8.2中第2款第1）～6）項的要求，即：材料標準規(guī)定的屈服強度下限值Rel≤355MPa,材料實測的抗拉強度Rm≤630MPa,材料使用狀態(tài)應至少為正火、正火+回火或調(diào)質(zhì)等，碳素鋼的碳當量限制為CE≤0.43（CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15），低合金鋼的碳當量限制為CE≤0.45，材料中不得添加Pb、Se等元素，材料為非焊接件或經(jīng)焊后熱處理時，硬度限制應符合表6.8.2的要求[8]。根據(jù)GB/T 12337-2014表4及表5,可選材料有Q245R（厚度≤60mm）、Q345R（厚度≤60mm）、Q370R(厚度應＞36mm,且≤60mm)。依據(jù)GB/T 150.3-2011《壓力容器第3部分：設(shè)計》，GB/T 12337-2014和GB/T 17261-2011等標準利用國家容標委認可的壓力容器強度計算軟件-SW6—2011《過程設(shè)備強度計算軟件包》進行設(shè)計計算，計算結(jié)果為：采用Q245R，名義厚度為64mm，超過最大允許厚度60mm,不考慮；采用Q345R，名義厚度為54mm；采用Q370R，名義厚度為52mm。資料表明，球罐的球殼板壁厚越厚，焊接殘余應力越大，因此應力腐蝕開裂（SCC）的敏感性就越高[9]，同時，Q370R鋼強度適中,低溫韌性好,冷裂紋敏感性不高,抗應力腐蝕性能較好等優(yōu)點[10]，因此，球殼板材質(zhì)選用Q370R。人孔法蘭及凸緣材料選用20MnMoDⅣ[9]，凸緣結(jié)構(gòu)參考SH/T3138-2003《球形儲罐整體補強凸緣》[11]并根據(jù)GB/T 150.3-2011進行補強計算。其余接管采用20MnMoDⅢ，開孔補強按GB/T 150.3-2011等面積補強法進行計算。支柱選用焊接鋼管，上端支柱選用Q370R,下端支柱選用Q345R[12]，規(guī)格為φ530x14mm。為了保證地震時球罐的安全，拉桿和銷子要有足夠的強度和剛度，計算校核地腳螺栓的拉伸應力，加大支柱與耳板的連接尺寸，減少應力集中系數(shù)，防止局部產(chǎn)生塑性變形，適當增加地腳螺栓個數(shù)和支柱下端筋板塊數(shù)[13]。

4 主要技術(shù)要求

1）材料

所用Q370R鋼板應符合GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求[14]，正火狀態(tài)供貨；球殼用Q370R鋼板應逐張進行超聲檢測，按NB/T 47013.3-2015規(guī)定[15],質(zhì)量等級不低于Ⅱ級為合格；球殼用Q370R鋼板應逐熱處理張進行-20℃夏比（V型缺口）沖擊試驗，試驗溫度下三個試樣沖擊功平均值（KV2）不低于47J，允許其中1個試樣的沖擊功數(shù)值低于平均值，但不得低于33J。同時應逐熱處理張增加一組在鋼板厚度1/2處取樣的-20℃夏比（V型缺口）沖擊試驗，沖擊功要求同上。

所用Q345R鋼板應符合GB/T 713-2014的要求，應逐張進行-20℃夏比（V型缺口）沖擊試驗，試驗溫度下三個試樣沖擊功平均值（KV2）不低于41J，允許其中1個試樣的沖擊功數(shù)值低于平均值，但不得低于29J。

所用20MnMoD鍛件應符合NB/T 47009-2017《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》[16]的Ⅲ級或Ⅳ級鍛件進行制造、檢驗及驗收，調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨。鍛件應進行-20℃夏比（V型缺口）沖擊試驗，試驗溫度下三個試樣沖擊功平均值（KV2）不低于60J，允許其中1個試樣的沖擊功數(shù)值低于平均值，但不得低于42J。鍛件不允許拼接焊制。鍛件的材料化學成分中S≤0.005%，P≤0.010%。

所用S30408管材應符合GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》的規(guī)定[17]。

人孔用螺柱材料3 5 C r M o A 和螺母材料30CrMoA應符合GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定[18]，還應符合GB/T 12337-2014中第4.5條的要求。

用于制造球罐受壓元件的焊條應符合NB/T 47018.2-2017的有關(guān)規(guī)定[19]，用于球殼主體焊縫的焊條熔敷金屬的沖擊功指標應不低于相應母材標準規(guī)定的下限值。球殼的焊縫以及與球殼焊接的焊縫應選用低氫型藥皮焊條，并按批號進行熔敷金屬擴散氫含量復驗。試驗方法按GB/T3965-2012的規(guī)定進行[20]，其含量要求應符合NB/T47018.2-2017表4的規(guī)定。

2）制造

球殼板不得拼接且表面不允許存在裂紋、氣泡、結(jié)疤、折疊和夾雜等缺陷。球殼板應采用冷壓成形。球殼板的曲率及幾何尺寸允許偏差應符合GB/T 12337-2014中7.1.4和7.1.5的要求。球殼板坡口周邊100mm的范圍內(nèi)及組焊上支柱的赤道板，距上支柱與赤道板預焊位置周邊150mm范圍內(nèi)應按NB/T 47013.3-2015的規(guī)定進行100%超聲檢測，質(zhì)量等級不低于Ⅱ級，技術(shù)等級為B級。

受壓元件間及受壓元件與非受壓元件間所有焊縫均應按NB/T 47014-2011進行焊接工藝評定[21]，焊接工藝評定試板應進行與球罐相同的焊后熱處理。焊接接頭夏比（V型缺口）沖擊試驗溫度為-20℃，沖擊試樣為三組（每組3個試樣），缺口分別開在焊縫金屬和熱影響區(qū)（包括Q370R鋼板及20MnMoD鍛件熱影響區(qū)）合格指標為三個試樣平均沖擊功應≥31J，允許一個試樣低于平均值，但不低于22J。試樣取樣方向為橫向。

制造單位應逐臺制備產(chǎn)品焊接試件，并滿足GB/T150.4-2011中第9.1條及GB/T12337-2014中第7.1.10條，第7.3條和第8.9條的規(guī)定。

應做立焊和平焊加仰焊2塊產(chǎn)品焊接試件，試件的尺寸和試樣的截取按NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學性能檢驗》的規(guī)定[22]。產(chǎn)品焊接試板應與球罐一起進行熱處理（將試板對稱布置在球殼熱處理高溫區(qū)的外側(cè)并與球殼緊貼）。試板試驗應包括焊縫金屬及熱影響區(qū)的-20℃夏比(V型缺口) 沖擊試驗，三個試樣平均沖擊功KV2 ≥34J，單個試樣沖擊功值≥24J。

焊接工藝評定、焊接試板及每一種焊接工藝施焊的產(chǎn)品焊縫均應進行焊接接頭（包括焊縫、熱影響區(qū)及母材）的硬度測定，產(chǎn)品上的硬度測定在接觸介質(zhì)側(cè)表面，工藝評定及試板上的測定在橫截面上距表面1.5mm。要求在消除應力熱處理后焊接接頭的硬度≤200HBW（單個值）。

現(xiàn)場用的與球殼相焊的工卡具及預焊件材料應與球殼材料相同，工卡具拆除后壁面打磨光滑，工卡具焊跡及缺陷修磨補焊處，應在整體熱處理前進行100%磁粉檢測，按NB/T47013.4-2015規(guī)定I級合格[23]。

分段支柱上段與赤道板的組焊以及人孔、接管與極板的組焊應在制造廠內(nèi)進行，施焊時應進行焊前預熱，預熱溫度≥125℃。焊后需立即進行后熱消氫處理，后熱溫度宜為200～250℃，后熱時間應為0. 5～1h。

球殼板的對接焊縫，施焊時應進行焊前預熱，預熱溫度≥125℃，焊后應立即進行后熱消氫處理，后熱溫度宜為200～250℃，后熱時間應為0.5～1h。

球罐組焊前應對基礎(chǔ)尺寸進行檢查，其允許偏差應符合GB/T 12337-2014中表27的規(guī)定，并應按GB/T12337-2014中8.1.2的要求對零部件進行復驗。底板與基礎(chǔ)、拉桿與支柱的固定連接應在耐壓試驗合格后進行。球殼不得采用機械方法強力組裝。組裝時應嚴格控制對口間隙和對口錯邊量以減少局部應力水平[24]?？烧{(diào)式拉桿應對稱均勻拉緊。連接件（預焊件）應與球殼緊密貼合，并在熱處理前與球殼相焊。若采用連續(xù)焊是，應在連接板最低部位留出通氣縫隙。

所有焊接接頭和熱影響區(qū)表面不得有咬邊、裂紋、氣孔、弧坑、夾渣等缺陷，球罐的經(jīng)緯焊縫不允許出現(xiàn)“十”字焊縫。組焊尺寸檢查按GB/T12337-2014中8.4的規(guī)定執(zhí)行，所有接管法蘭均需跨中焊接。角焊縫的外形應當凹形圓滑過渡。

3）檢驗、檢測和驗收

現(xiàn)場組焊的球殼對接焊接接頭焊后至少36h后（整體熱處理前）應進行100%TOFD檢測和100%超聲檢測[25]。TOFD檢測按NB/T 47013.10-2015規(guī)定Ⅱ級合格[26]；超聲檢測按NB/T 47013.3-2015規(guī)定I級合格，技術(shù)等級為B級。

凸緣與極中板、凸緣與法蘭以及DN≥250mm厚壁管與法蘭的對接焊縫除應進行100%射線檢測外，還應進行100%超聲檢測，射線檢測按NB/T 47013.2-2015規(guī)定Ⅱ級合格，技術(shù)等級為AB級[27]；超聲檢測按NB/T 47013.3-2015規(guī)定I級合格，技術(shù)等級為B級。

球殼板與接管角接的焊接接頭應進行100%超聲檢測，按NB/T 47013.3-2015規(guī)定I級合格，技術(shù)等級B級。

公稱直徑DN＜250mm的接管與接管對接接頭及接管與帶頸對焊法蘭的對接接頭進行100%射線檢測，射線檢測按NB/T 47013.2-2015規(guī)定Ⅱ級合格，技術(shù)等級為AB級；

所有的對接焊縫，接管與球殼板的角焊縫以及直接與球殼板焊接的附件的焊縫表面均應在球罐整體熱處理前進行100%磁粉檢測，磁粉檢測按NB/T 47013.4-2015規(guī)定I級合格。

支柱的縱焊縫、段間環(huán)焊縫應全焊透，并應進行100%超聲檢測，按NB/T 47013.3-2015規(guī)定I級合格，技術(shù)等級為B級。焊縫表面應進行100%磁粉檢測，磁粉檢測按NB/T 47013.4-2015規(guī)定I級合格。

焊接工作全部完畢且無損檢測合格后水壓試驗前，應進行整體熱處理，梯子平臺、管架等預焊件需在整體熱處理前焊接，熱處理后不得施焊。經(jīng)二次熱處理后的材料機械性能應滿足鋼材標準的規(guī)定。焊后熱處理溫度為580℃±20℃，恒溫≥2小時，熱處理滿足GB/T12337-2014中第8.8條的規(guī)定。熱處理前，應在支柱底板下設(shè)置移動裝置，熱處理過程中應監(jiān)測柱腳位移，并按計算位移值及時調(diào)整柱腳位移，一般溫度每變化100℃應調(diào)整一次。熱處理后，應測量并調(diào)整支柱垂直度，其允許偏差應符合GB/T 12337中8.2.2的要求。

熱處理完畢并經(jīng)驗收合格后，球罐應進行2.7MPa的水壓試驗，水溫不得低于5℃。水壓試驗完畢并經(jīng)檢查合格后進行2.16MPa的氣密性試驗，其余要求滿足GB/T12337-2014中第8.10條的規(guī)定。

產(chǎn)品部件的油漆、包裝及運輸應符合NB/T 10558-2021《壓力容器涂敷與運輸包裝》的規(guī)定[28]，球殼板內(nèi)外表面除銹，坡口表面及其內(nèi)外邊緣100mm的范圍內(nèi)涂可焊性防銹涂料。外表面其余部分涂防腐漆2遍，每塊球殼板上的鋼號、爐批號、球罐號應醒目地標出。運輸、吊裝、組焊等過程中應制定合理的施工方案，防止球殼板變形回彈。

球罐成品的涂漆和隔熱應符合工程項目統(tǒng)一規(guī)定。支柱需要設(shè)置耐火保護，耐火極限不低于2小時。

5 安全附件的選用

超壓泄放裝置的計算與安裝應按GB/T 150.1-2011中附錄B的要求。容器安全泄放量及泄放裝置泄放面積的計算應按B7、B8進行。安全閥相關(guān)技術(shù)要求應符合GB/T 12241-2015的要求[29]，爆破片安全裝置的選用及相關(guān)技術(shù)要求應符合GB/T 567.1～4-2012的要求[30]。本球罐應至少設(shè)置2個安全閥，任意一個安全閥的泄放量應滿足事故狀態(tài)下球罐最大泄放量的要求。安全閥的排出口應裝設(shè)導管，將排放介質(zhì)引至安全地點，并且進行妥善處理，不得直接排入大氣。

壓力表應與球罐儲存的介質(zhì)與壓力相適應，壓力表的精度不得低于1.6級，壓力表表盤刻度極限值應為設(shè)計壓力的1.5倍～3.0倍。表盤直徑不得小于100mm。

液位計應根據(jù)儲存介質(zhì)、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度和液位高度選用。液位計應進行1.5倍的液位計公稱壓力的液壓試驗，應為防霜液位計，且應為夾套型或保溫型結(jié)構(gòu)的液位計，同時應有防止泄露的保護裝置。應設(shè)就地和遠傳液位計，并應設(shè)高液位報警和高高液位連鎖。

溫度計宜選用萬向型溫度計，并可以測量比最低使用溫度低10℃的溫度，應測量液相介質(zhì)的溫度。

6 結(jié)束語

液氨球罐設(shè)計要重點從以下幾個方面考慮：液氨應力腐蝕環(huán)境對材料的選用要求，壁厚對球殼板檢驗檢測的要求，球殼結(jié)構(gòu)對焊接和檢驗檢測工程量以及應力腐蝕概率的影響，組焊過程對整體球罐質(zhì)量的影響，不同焊縫類型的檢驗檢測要求，熱處理實施的動機和目的，水壓試驗和氣密性試驗要求以及安全附件選用要求等。