李云福 郭春光 王 林

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司）

隨著我國工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，對(duì)丙烯的需求量逐年增加。 為使石油化工裝置的經(jīng)濟(jì)性持續(xù)提高，常溫儲(chǔ)存丙烯的球形儲(chǔ)罐（簡稱球罐）已趨于大型化、高參數(shù)方向發(fā)展。 近年來，基于材料技術(shù)、焊接技術(shù)、制造和安裝技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，國內(nèi)對(duì)大型球罐的國產(chǎn)化能力有了極大的提高。筆者就Q370R 鋼制4 000m3丙烯球罐建造技術(shù)進(jìn)行了簡要介紹。

1 球罐的概況

球罐本體采用 Q370R 鋼板制造［1］，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

公稱容積 4 000m3

球罐內(nèi)徑 19 700mm

設(shè)計(jì)壓力 2.16MPa

設(shè)計(jì)溫度 -20/50℃

腐蝕裕量 1.5mm

裝量系數(shù) 0.9

儲(chǔ)存介質(zhì) 丙烯

介質(zhì)密度 575kg/m3

防震烈度 7 度（0.10g、第 1 組）

場(chǎng)地土類別 Ⅱ類

基本風(fēng)壓 400Pa

地面粗糙度 B 類

基本雪壓 350Pa

球罐為四帶十二支柱（62 塊瓣片）混合式結(jié)構(gòu)，分帶角為赤道帶 50°、溫帶 40°、極帶 5×18°，縱環(huán)焊縫總長637 105mm， 球殼板名義厚度56mm，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 設(shè)計(jì)、 建造遵循 TSG R0004—2009 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［2］，JB 4732—1995 （2005 年確認(rèn)）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［3］，GB 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》［4］，GB 50094—2010《球形儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》［5］。 球殼板數(shù)量少、材料利用率高、能節(jié)省較多焊接材料、降低焊接工作量和產(chǎn)生缺陷的概率，提高球罐安全可靠性，維護(hù)、檢修方便。

圖1 球罐總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 球罐本體建造材料

2.1 鋼板

Q370R 鋼板交貨狀態(tài)為正火， 強(qiáng)度較高、沖擊韌性好、焊接性能穩(wěn)定，是近年來球罐建造使用最為普遍的材料，較高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼板，具有更好的抗H2S 應(yīng)力腐蝕能力。

按設(shè)計(jì)技術(shù)要求， 鋼板應(yīng)進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度 Rm不小于 520~620MPa、-20℃沖擊吸收能量KV2≥67J、并增加在1/2 板厚取樣沖擊試驗(yàn)KV2≥60J。 62 塊鋼板100%復(fù)驗(yàn)結(jié)果為Rm最低548MPa、最高612MPa，-20℃按標(biāo)準(zhǔn)取樣沖擊吸收能量 KV2最低 176J、最高 252J，-20℃在1/2 板厚取樣時(shí) KV2最低 108J、最高 127J。

2.2 鍛件

Q370R 鋼板按分析設(shè)計(jì)，配套鍛件為20Mn-MoD［6］，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。 按設(shè)計(jì)技術(shù)要求，鍛件應(yīng)進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)， 抗拉強(qiáng)度Rm不小于530~700MPa、-40℃沖擊吸收能量 KV2≥60J。 鍛件100%復(fù)驗(yàn)結(jié)果為Rm最低543MPa、最高625MPa，-40℃時(shí) KV2最低 106J、最高 131J。

2.3 焊條

采用與Q370R 相匹配的J557R 高韌性低氫型焊條。 按設(shè)計(jì)技術(shù)要求，焊條應(yīng)進(jìn)行力學(xué)性能和熔敷金屬擴(kuò)散氫含量（［H］）的測(cè)定復(fù)驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度 Rm不小于 530~650MPa、-40℃沖擊吸收能量 KV2≥60J，按 GB/T 3965—2012［7］水銀法測(cè)定，［H］≤7.0mL/100g。 焊條規(guī)格為 φ4.0mm，按批復(fù)驗(yàn)結(jié)果為 Rm最低 550MPa、 最高 597MPa，-40℃時(shí)KV2最低 88J、最高 105J，［H］最低 5.3mL/100g、最高6.4mL/100g。

3 現(xiàn)場(chǎng)安裝組焊

3.1 球殼板坡口

球殼板坡口按設(shè)計(jì)要求為不對(duì)稱的X 形（圖2），外側(cè)焊接環(huán)境相對(duì)較好，外側(cè)焊接工作量也相對(duì)較大，制造單位火焰切割后坡口表面采用砂輪打磨出金屬光澤， 徹底清除坡口熔渣與氧化皮，經(jīng) 100%磁粉檢測(cè)［8］，Ⅰ級(jí)合格，并涂上可焊性涂料。

圖2 球殼坡口型式和尺寸示意圖

3.2 球殼板現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收

為避免組裝后出現(xiàn)問題，影響工期，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，球罐安裝前，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖樣和設(shè)計(jì)技術(shù)要求對(duì)球殼板曲率、 幾何尺寸、坡口表面質(zhì)量、球殼板厚度和超聲檢測(cè)［9］進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

3.3 球罐組裝技術(shù)

組裝工藝和組裝后瓣片之間間隙精度是保證球罐組焊質(zhì)量的前提。 本項(xiàng)目球罐組裝采用分片散裝法，其優(yōu)點(diǎn)是效率高、速度快、組裝應(yīng)力小。 組裝時(shí)，上極帶和上溫帶采用外部組裝方式，赤道帶和下極帶采用內(nèi)部組裝方式，使用脊背式工卡具調(diào)整球殼板的間隙和錯(cuò)邊量，點(diǎn)焊固定后工卡具可起到防止焊后變形的作用。 組裝后幾何尺寸檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 球罐組裝后幾何尺寸檢測(cè)結(jié)果 mm

3.4 焊接工藝評(píng)定

按 NB/T 47014—2011［9］標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，對(duì)厚度56mm 的Q370R 鋼板分別進(jìn)行立焊、橫焊、平+仰焊3 種位置的焊接工藝評(píng)定，評(píng)定合格后的工藝參數(shù)為焊條直徑4.0mm，平焊、橫焊焊接電流140~180A，立焊、仰焊焊接電流130~160A。 不同焊接位置下的焊接線能量見表2。

表2 各種位置下的焊接線能量 kJ/cm

3.5 球殼板焊接順序

為使球罐焊接有利于減少焊接變形和殘余應(yīng)力，焊接時(shí)安排12 名焊工同步對(duì)稱施焊，各焊工的焊接速度力求一致。 施焊順序?yàn)橄群缚v縫后焊環(huán)縫，外部焊縫全部焊完后，進(jìn)行內(nèi)部清根，并經(jīng)滲透檢測(cè)［9］合格后再焊內(nèi)部焊縫；極板的縱焊縫從中間向兩邊焊。 具體焊接順序?yàn)椋撼嗟缼Эv縫外側(cè)、溫帶縱縫外側(cè)、上極帶縱縫外側(cè)、下極帶縱縫外側(cè)、上環(huán)縫（大小兩條）外側(cè)、下環(huán)縫外側(cè)、赤道帶縱縫內(nèi)側(cè)、溫帶縱縫內(nèi)側(cè)、上極帶縱縫內(nèi)側(cè)、下極帶縱縫內(nèi)側(cè)、上環(huán)縫內(nèi)側(cè)、下環(huán)縫內(nèi)側(cè)。

3.6 球殼板施焊要點(diǎn)

控制焊前預(yù)熱溫度、焊接層間溫度及焊后消氫處理等措施以避免焊接冷裂紋的產(chǎn)生。 按設(shè)計(jì)技術(shù)要求：預(yù)熱溫度不低于100℃；層間溫度不低于焊前預(yù)熱溫度； 消氫處理， 后熱溫度 200~250℃、保溫1h，使擴(kuò)散氫充分溢出。 焊工應(yīng)嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)范進(jìn)行，不得在非焊接位置任意起弧或息弧。 焊道終端應(yīng)將弧坑填滿，每一層焊道焊完后，應(yīng)將焊渣清除干凈，并采用砂輪將焊瘤打磨至與焊層齊平后，方可進(jìn)行下一層焊道的焊接，每一焊道寬度不大于16mm（焊條焊芯φ4mm的4 倍），每一層焊道的厚度不超過3.5mm，并對(duì)質(zhì)量進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，及時(shí)糾偏和記錄。 多層焊各層間的接頭錯(cuò)開50mm 以上。 外側(cè)焊接后采用碳弧氣刨法清焊根時(shí)，進(jìn)行不低于100℃預(yù)熱，刨槽寬窄均勻呈U 形，徹底清除缺陷和定位焊，并滲透檢測(cè)［8］Ⅰ級(jí)合格后方可進(jìn)行內(nèi)側(cè)施焊。

3.7 焊縫表面的形狀尺寸及外觀要求

按設(shè)計(jì)技術(shù)要求， 焊縫表面不得有裂紋、咬邊、氣孔、弧坑及夾渣等缺陷，且不得保留熔渣與飛濺物。 焊縫表面須采用砂輪打磨消除焊波；球罐焊縫余高應(yīng)嚴(yán)格控制，焊縫表面須磨平；具體操作時(shí)，焊縫外表面焊縫余高為0.0~1.5mm、內(nèi)表面焊縫余高為0.0~0.5mm，并不低于母材；對(duì)接焊縫打磨至與母材圓滑過渡，表面不得有急劇的形狀變化，角焊縫與母材呈凹面圓滑過渡。

3.8 焊后球罐幾何尺寸檢測(cè)

焊縫內(nèi)外表面采用砂輪打磨消除焊波，嚴(yán)格控制焊縫余高，打磨至與母材圓滑過渡。 對(duì)焊后幾何尺寸和外觀質(zhì)量進(jìn)行全面檢測(cè)， 實(shí)測(cè)結(jié)果（表3）滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

表3 球罐組焊后幾何尺寸實(shí)測(cè)值 mm

4 焊后無損檢測(cè)

按設(shè)計(jì)技術(shù)要求，焊縫表面的形狀尺寸及外觀檢查合格后，方可進(jìn)行無損檢測(cè)。 從事無損檢測(cè)的人員，需持有有效期內(nèi)相應(yīng)類別的“特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)人員合格證”， 無損檢測(cè)應(yīng)在焊接結(jié)束 24h 后進(jìn)行。 按照 JB 4732—1995 （2005 年確認(rèn)）［3］要求，無損檢測(cè)必須由持有相應(yīng)類別的Ⅱ級(jí)或Ⅲ級(jí)資格證的人員擔(dān)任。

球殼對(duì)接接頭焊后 （整體熱處理前） 進(jìn)行100%衍射時(shí)差法超聲檢測(cè) （TOFD）， 按 NB/T 47013.10—2010［10］標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)合格；再進(jìn)行 100%超聲檢測(cè)， 技術(shù)等級(jí)不低于 B 級(jí)， 按 JB/T 4730.3—2005［8］標(biāo)準(zhǔn) I 級(jí)合格；球罐整體熱處理前和水壓試驗(yàn)后，分別對(duì)制造和安裝過程中球殼板上的所有焊接部位 （包括球殼板對(duì)接焊縫的內(nèi)、外表面、與球殼板焊接形成的角焊縫、工卡具清除后的焊跡部位及其熱影響區(qū)） 進(jìn)行表面100%的磁粉檢測(cè) （內(nèi)表面應(yīng)采用熒光磁粉）， 按JB/T 4730.4—2005［8］標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)合格。

5 整體熱處理技術(shù)

焊后整體熱處理是為了消除球罐組裝和焊接的殘余應(yīng)力， 改善焊接接頭和熱影響區(qū)的組織和性能，降低硬度、提高塑性和韌性，進(jìn)一步釋放焊縫中的有害氣體，防止焊縫的氫脆和裂紋的產(chǎn)生。

現(xiàn)場(chǎng)采用內(nèi)燃法進(jìn)行球罐整體熱處理，按設(shè)計(jì)技術(shù)要求，熱處理溫度為610℃±15℃、恒溫時(shí)間2.5h。 溫度處于400℃以上時(shí)，升降溫速度宜控制在 50~80℃/h 和 30~50℃/h； 溫度達(dá)到 400℃以下時(shí)方可自然冷卻。 整體熱處理工藝曲線示意如圖3 所示。 共布置測(cè)溫點(diǎn)61 個(gè)（含產(chǎn)品焊接試板3 塊3 個(gè)點(diǎn)），基本均勻布置，間距不超過4.5m，距人孔和球殼板焊縫邊緣200mm 以內(nèi)及3 塊產(chǎn)品焊接試板上均設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)。 實(shí)際熱處理溫度控制為596~625℃， 在400℃以上升降溫過程中，相鄰兩測(cè)溫點(diǎn)的溫差均小于112℃， 滿足不大于130℃的設(shè)計(jì)技術(shù)要求； 保溫層外表溫度最高53℃，滿足不高于60℃設(shè)計(jì)技術(shù)要求。 熱處理過程中，升溫膨脹支柱向外移動(dòng)，降溫收縮支柱向內(nèi)移動(dòng)， 熱處理過程溫度每變化100℃調(diào)整一次支柱底板位移約14mm。

圖3 整體熱處理工藝曲線

6 產(chǎn)品焊接試板

焊工由安裝單位的檢驗(yàn)部門指定，采用與施焊球殼板時(shí)相同的條件和焊接工藝。 試板焊后焊縫應(yīng)經(jīng)外觀檢查合格后，再經(jīng) 100% TOFD 檢測(cè)［10］和 100%磁粉檢測(cè)［9］合格，并與球罐一起進(jìn)行整體熱處理。 試板的拉伸和彎曲試驗(yàn)的試樣制備、試驗(yàn)方法等按 NB/T 47016—2011［11］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求（-20℃沖擊吸收能量平均值大于34J）。

表4 產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能和彎曲性能

7 水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)

球罐整體熱處理后，按 GB 50094—2010［5］依次進(jìn)行水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。 水壓試驗(yàn)過程中檢查無泄漏，無可見變形，無異常響聲，結(jié)果為合格；氣密性試驗(yàn)過程中檢查無泄漏，結(jié)果為合格。

球罐在充放水過程中， 進(jìn)行基礎(chǔ)沉降觀察，每個(gè)支柱基礎(chǔ)測(cè)量了沉降量。 放水后，實(shí)測(cè)基礎(chǔ)沉降差不大于5mm（允差為不大于12mm），相鄰支柱沉降差最大為1mm（允差不大于2mm）。

8 結(jié)束語

介紹了Q370R 鋼制4 000m3丙烯球罐總體結(jié)構(gòu)及建造過程中關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)技術(shù)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)施產(chǎn)品的制造及現(xiàn)場(chǎng)安裝作業(yè)，確保球罐的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求和應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)要求，保證球罐產(chǎn)品的高質(zhì)量。 該項(xiàng)目丙烯球罐交付使用至今運(yùn)行良好，保障了企業(yè)的正常生產(chǎn)。