安贏（云南化工設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明 650041）

1 設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的確定

球罐是一種儲(chǔ)存帶壓氣體或者液體的大型儲(chǔ)罐，球罐與圓筒容器(即一般貯罐)相比，在相同直徑和壓力下，殼壁厚度僅為圓筒容器的一半，鋼材用量省，且占地較小，基礎(chǔ)工程簡(jiǎn)單。但由于容積大，需要制造廠成型及組焊單位現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接，制造、焊接和組裝要求很嚴(yán)，檢驗(yàn)工作量大，制造技術(shù)復(fù)雜。為確保球罐的安全使用，設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)等的工作就顯得非常重要。

目前我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)所遵循的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)主要有GB150-2011《壓力容器》、GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》、TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》。

2 球罐主體方案的確定

2.1 介質(zhì)特性

氨，是一種無(wú)色，有刺激性氣味的氣體，中毒危害，吸入體內(nèi)會(huì)使人昏迷、嘔吐、甚至于窒息死亡。氨火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性為乙類，在空氣中的爆炸極限為15%-28%，在氧氣中的爆炸極限為13.5%-79%，很容易遇明火發(fā)生爆炸。氨的臨界溫度132.4℃，通過(guò)加壓或者降溫，可以將其從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)。通常液氨儲(chǔ)罐就是利用加壓，使氨變成液態(tài)來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存的。氨有非常廣泛的用途，主要用于生產(chǎn)尿素、硝酸及其他化學(xué)肥料，還可用作醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

用戶為甘肅甕福化工有限責(zé)任公司新建一臺(tái)2000m3的液氨球罐，工作壓力0.3～1.44MPa，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，工作溫度-2～39℃，設(shè)計(jì)溫度為43℃，屬于三類壓力容器。操作介質(zhì)為中度危害，腐蝕裕量3.0mm，焊接接頭系數(shù)1.0

全容積2026m3 ，充裝系數(shù) 0.9，最大允許工作壓力1.67MPa，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓 0.9KN∕M2，設(shè)計(jì)雪壓值0.25KN∕M2 ，抗震設(shè)防烈度7度(0.15g)，保冷層厚度100mm 。

2.3 球罐材料的確定

選擇球罐受壓元件用材時(shí)，不光考慮球罐的使用條件（如設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、物料特性等）和材料的性能（力學(xué)性能、工藝性能、化學(xué)性能及物理性能），而且還要考慮球罐的制造工藝、組焊要求以及經(jīng)濟(jì)上的合理性。HG∕T20581-2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》中規(guī)定液氨應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用碳鋼及低合金鋼應(yīng)滿足：材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下屈服強(qiáng)度Rel≤355MPa；材料實(shí)測(cè)的抗拉強(qiáng)度Rm≤630MPa；材料使用狀態(tài)應(yīng)為正火或正火+回火、退火、調(diào)質(zhì)狀態(tài)。芬蘭國(guó)家的規(guī)范中明確指出：推薦盛放液氨的壓力容器用屈服強(qiáng)度最大值為350Mpa 的鋼制作，屈服強(qiáng)度超過(guò)450MPa 的鋼不適用于制造盛放液氨的壓力容器。

目前，我國(guó)球罐主要受壓元件采用Q245R，Q345R，Q370R，07MnMoVR。

用Q245R 材質(zhì)的話，其設(shè)計(jì)名義壁厚比較大，同時(shí)厚度大于36mm時(shí)，抗拉強(qiáng)度僅為400MPa。球殼用鋼板厚度不宜大于50mm。同時(shí)結(jié)合用材的經(jīng)濟(jì)性，壁厚增加會(huì)導(dǎo)致使用材料的增加，經(jīng)濟(jì)性低于其他材料。

Q345R是比較常用的球殼材料，具有較好的機(jī)械性能和焊接性能。通過(guò)計(jì)算的話，名義厚度為44mm，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到490MPa，并且滿足HG29581-2011中的相關(guān)規(guī)定。

Q370R材質(zhì)在強(qiáng)度和韌性方面均優(yōu)于Q345R，焊接和抗硫化氫應(yīng)力腐蝕方面比Q345R要弱，經(jīng)濟(jì)性比Q345R差。

07MnMoVR 材質(zhì)，抗拉強(qiáng)度在610MPa，加工成型和焊接性能非常好，但是該種材料抗液氨、硫化氫等介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕性能比較低，不適用于制造液氨球罐，并且不滿足HG29581-2011中的相關(guān)規(guī)定。

綜合考慮，最終確定本液氨球罐的球殼板采用Q345R 鋼材。使用狀態(tài)為正火狀態(tài)，鋼板應(yīng)逐張進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，質(zhì)量等級(jí)不低于II 級(jí)。同時(shí)每組抽取3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20℃，允許1 個(gè)試樣的沖擊功數(shù)值低于規(guī)定值，但不得低于規(guī)定值的70%。鍛件采用16Mn，同樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-20℃，實(shí)驗(yàn)方法及沖擊功值按NB47008-2017的規(guī)定。

2.4 球罐結(jié)構(gòu)的確定

球罐球罐內(nèi)徑15700mm，幾何容積2026m3，赤道中心到支座地板的距離為9800mm。根據(jù)GB12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》以及國(guó)家容標(biāo)委壓力容器計(jì)算軟件進(jìn)行反復(fù)的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算得出最佳以及最經(jīng)濟(jì)壁厚?？紤]鋼板的厚度負(fù)偏差及腐蝕裕量后，向上圓整至剛才標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即名義厚度。本液氨球罐最終得到的名義厚度為44mm。

球殼分塊的原則：幾何尺寸盡量大；選擇合適的赤板，提高材料的利用率；規(guī)格要少，互換性要好；盡可能的縮短焊縫長(zhǎng)度。根據(jù)上述原則，本球罐結(jié)構(gòu)為混合式份3 帶10 支柱，上級(jí)分7片，赤道帶分20片，下級(jí)分7片。各帶球心角∕快數(shù)：上下級(jí)中板 21.5°∕2，上下級(jí)側(cè)板 21.5°∕4，上下級(jí)邊板 21.5°∕8，赤道板72.5∕20。設(shè)置支柱10根。

3 焊接的確定

3.1 焊接材料的選擇

用于制造球罐受壓元件的焊接材料應(yīng)符合NB∕T47018.1的規(guī)定，用于制造球罐受元元件的焊條應(yīng)符合NB∕T471018.2的規(guī)定，焊條規(guī)程采用NB∕T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》。球殼的焊縫以及直接與球殼焊接的焊縫選擇用低氫型藥皮焊條，并進(jìn)行熔敷金屬擴(kuò)散氫含量復(fù)驗(yàn)。

本液氨球罐母材是Q345R、16Mn，焊條采用E5016-G；母材Q235-B、Q235B 與Q345R，焊條采用E4315。熔敷金屬擴(kuò)散氫含量≤4.0ml∕100g。

3.2 焊后的熱消氫處理

由于本液氨球罐的球殼厚度為44mm，對(duì)于球殼對(duì)接焊縫以及嵌入式接管與球殼的對(duì)接焊縫在焊后需進(jìn)行熱消氫處理，后熱溫度宜為200～250℃，后熱時(shí)間應(yīng)為0.5h～1h。

4 檢測(cè)的確定

檢測(cè)主要有焊縫的檢測(cè)、熱處理、水壓試驗(yàn)以及氣密性試驗(yàn)。

4.1 焊縫檢測(cè)

焊縫檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行NB∕T47013-2015。由于本球罐的介質(zhì)為液氨，球殼板采用的Q345R，球殼厚度為44mm，因此，應(yīng)對(duì)球殼的對(duì)接焊接接頭，DN≥250mm 的接管與接管對(duì)接接頭，接管與法蘭的對(duì)接接頭進(jìn)行100%TOFD檢測(cè)，檢測(cè)等級(jí)為C級(jí)，合格級(jí)別不低于II 級(jí)。檢測(cè)合格后，每條對(duì)接焊縫還應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，檢測(cè)等級(jí)B 級(jí)，合格級(jí)別不低于I 級(jí)。球殼板周邊100mm的范圍內(nèi)應(yīng)按JB∕T4730.3的規(guī)定進(jìn)行超聲檢測(cè)，質(zhì)量等級(jí)不低于II級(jí)。在熱處理前和水壓試驗(yàn)后，對(duì)所有焊縫進(jìn)行MT-100%檢測(cè)，合格級(jí)別不低于I級(jí)。

4.2 焊后熱處理

根據(jù)球罐的材料及焊接結(jié)構(gòu)厚度要求確定，本液氨球罐應(yīng)在耐壓實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行焊后熱處理。熱處理應(yīng)嚴(yán)格按照GB∕T30583-2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》要求進(jìn)行。爬梯及保冷釘?shù)阮A(yù)焊件應(yīng)在熱處理前焊好，熱處理后，不允許再在球殼上動(dòng)火施焊。

4.3 水壓試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)。

熱處理后應(yīng)2.0Mpa 的表壓進(jìn)行水壓試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)合格后再以1.6Mpa表壓進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。

5 涂敷

球罐外側(cè)表面應(yīng)除銹，除銹后鋼材表面等級(jí)不低于St2 級(jí)或者Sa2級(jí)為合格，并涂防銹漆兩遍。設(shè)備油漆、包裝及運(yùn)輸均應(yīng)按JB∕T4711-2003《壓力容器涂敷與運(yùn)輸包裝》的規(guī)定進(jìn)行。

本球罐采用除銹后鋼材表面等級(jí)為St3 級(jí)，并涂冷底子油兩道。球罐支柱外表面涂刷薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，耐火等級(jí)2級(jí)，耐火時(shí)間2.5小時(shí)。