馬慶生，郭 亮，馬星馳，李 棟

（鞍山華信重工機械有限公司，遼寧 鞍山 114200）

大型液化石油氣（LPG）船用輸送儲罐具有裝載量大、成本低、安全性能高、方便快捷等優(yōu)點，是海上石油運輸?shù)挠行侄魏湍茉磧\領域可持續(xù)發(fā)展的有力保障。2019-05，鞍山華信重工機械有限公司受中船廣西船舶與海洋工程有限公司的委托，承建首臺國產化07MnNiVDR鋼5 000 m3全壓式LPG船液貨罐（以下簡稱LPG罐）。

1 LPG罐設計概況

LPG罐由單罐W19-07和單罐W19-08組成。這2臺單罐的結構和技術參數(shù)相同。單罐為臥式圓筒球形封頭結構，材質07MnNiVDR鋼，公稱容積2 500 m3，總長度30 464 mm，凈質量500 t。筒體壁厚52 mm，內徑10 906 mm，長度19 800 mm,設計溫度-10～45℃，氣密試驗壓力1.76 MPa；封頭壁厚30 mm，內徑10 906 mm，最高工作壓力1.766 MPa,水壓試驗壓力2.66 MPa，焊接接頭系數(shù)1.0。單罐W19-07和單罐W19-08在船體中縱向排列，每個罐體與船體甲板之間采用V型支座進行焊接安裝定位，采用的設計方法為有限元應力分析設計。

2 LPG罐建造方案

目前國內07MnNiVDR低溫高強鋼生產廠家主要有鞍鋼、寶武鋼、南京鋼廠等大型鋼鐵企業(yè)，軋制板輻寬度在2 400～3 500 mm，單張鋼板交貨質量約10～15 t，綜合考慮07MnNiVDR鋼鋼板廠家供貨能力及材料綜合利用率指標，力爭材料的綜合利用率達到90%以上，確定筒體部分數(shù)量為9節(jié)，每節(jié)筒體為三拼結構，單個筒節(jié)約33.6 t，球形封頭用頂圓板加裙板結構，頂圓板為三拼結構，裙板為12拼結構。

3 LPG罐材料及接焊工藝

3.1 罐體材料

3.1.1 鋼板要求

按照項目要求，07MnNiVDR鋼板力學性能應符合GB 19189—2011《壓力容器用調質高強度鋼板》［1］及中國船級社（CCS）《材料與焊接規(guī)范》（2018年）［2］規(guī)定的抗拉強度 Rm≥610 MPa，延伸率A≥17%，-40℃KV2≥80 J。鋼材的厚度允許偏差應符合GB/T 709—2019《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》［3］的 B 類偏差，所用08MnNiCrMoVD鍛件應符合 NB/T 47009—2017《低溫承壓設備用合金鋼鍛件》［4］Ⅳ級鍛件的規(guī)定，并應具有5級或更細的實際晶粒度，晶粒度按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》［5］進行測定，對應力學性能指標為Rm≥600 MPa、A≥17%、-40℃的 KV2≥80 J，上述材料應同時滿足CCS《材料與焊接規(guī)范》（2018年）的要求。

3.1.2 鋼板供貨

罐體鋼板由鞍鋼股份有限公司供貨，產品檢驗在CCS指派的船檢師的監(jiān)督下完成，檢驗結果合格。公司對到貨的罐體鋼板化學成分（按爐號）、力學性能及-40℃沖擊功（按批號）進行了抽樣復驗,確認其力學性能符合GB 19189—2011及CCS《材料與焊接規(guī)范》（2018年）的規(guī)定要求。罐體鋼板逐張按NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》［6］進行 100%超聲（UT）檢測（鋼板周邊100 mm范圍內全部進行檢測），TI級合格。鋼板的力學性能復驗部分結果見表1。

表1 07MnNiVDR 鋼板的力學性能復驗部分結果

儲罐法蘭及接管所用08MnNiCrMoVD鍛件產品質量由CCS指定船檢師對產品質量監(jiān)督檢驗合格，公司對到貨的鍛件產品進行力學性能復驗，其結果見表2。

表2 08MnNiCrMoVD鍛件試樣力學性能復驗結果

表1和表2中，每個批號鋼板沖擊功包含3個抽檢結果。ReL為材料拉伸的屈服強度。

3.2 罐體焊接

3.2.1 焊條采購要求

按照本項目要求，罐體焊接所用焊條力學性能指標應符合NB/T 47018—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》［7］及CCS《材料與焊接規(guī)范》（2018年）中W03的規(guī)定要求，具體為熔覆金屬Rm≥600 MPa、A≥17%、-40 ℃ KV2≥54 J，以及607RH超低氫高韌性焊條的熔覆金屬擴散氫含量小于等于1.5×10-2mL/g（水銀法或氣相色譜法［8］）。

3.2.2 焊條貨源認證

罐體焊接所用焊條電弧焊焊條為經CCS認證的四川大西洋焊接材料股份有限公司生產的J607RH超低氫高韌性焊條，埋弧自動焊焊接材料為同一公司生產的CHW-S30R焊絲與CHF105Q焊劑組合。

3.2.3 焊接工藝評定

按照中國船級社《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規(guī)范》（2018年）（簡稱IGC規(guī)范）［9］的要求，制定焊接工藝評定項目6項，①項目編號PQR-CG-01。覆蓋罐體、球形封頭厚度30 mm 07MnNiVDR焊條電弧焊（SMAW）向上立焊位置工藝評定。②項目編號PQR-CG-02。覆蓋罐體、球形封頭厚度30 mm的07MnNiVDR的SMAW橫焊位置工藝評定。③項目編號PQR-CG-03。覆蓋罐體厚度52 mm的07MnNiVDR埋弧自動焊（SAW）平焊位置工藝評定。④5 mm的08MnNiCrMoVD鍛件與法蘭的氬弧焊立焊位置工藝評定焊工藝評定。⑤10 mm的08MnNiCrMoVD鍛件與法蘭的氬弧焊立焊位置工藝評定。⑥覆蓋氣室筒體厚度30 mm的Q345R SMAW的向上立焊位置焊焊接工藝評定。其中焊接工藝評定項目PQR-CG-01～PQR-CG-03相對重要，其所用電流種類和極性均為DPEC，其所用焊材代號、規(guī)格型號、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、輸入熱詳情見表3。

表3 07MnNiVDR鋼主要焊接工藝評定項目

評定試件按設計圖樣及IGC規(guī)范要求進行焊后熱處理，對于焊接工藝評定項目PQR-CG-01～PQR-CG-03，每項檢測項目包括：①焊接接頭和焊接材料熔覆金屬的拉伸試驗。其中，焊接接頭板狀拉伸試驗，試樣2件，進行抗拉強度Rm的定量測定；焊接材料熔覆金屬拉伸試驗，試樣1件，分別進行抗拉強度Rm和屈服強度ReL的定量測定。②焊接接頭完好性側向彎曲D=40（180°）試驗。試樣4件，進行合格定性判斷。③沖擊試驗。分別進行焊縫金屬、熔合線、熔合線附近區(qū)域的-40℃沖擊功KV2定量測定。其中，熔合線附近區(qū)域按照距離定位為3個，分別為距離熔合線1mm、3mm、5mm。試樣各3件，共15件。④宏觀酸蝕檢驗。試樣1件，進行金相合格性定性判斷。⑤焊接接頭硬度檢測。按焊縫金屬、熱影響區(qū)、母材分區(qū)每個區(qū)域15個檢測點，進行維氏硬度（HV10）定量檢測。焊接工藝評定結果見表4和表5。

表4 焊接工藝評定項目PQR-CG-01～PQR-CG-03評定結果（1）

表5 焊接工藝評定項目PQR-CG-01～PQR-CG-03評定結果（2）

3.2.4 焊接質量評價

焊接工藝評定項目由鞍山華信重工機械有限公司按照IGC規(guī)范要求進行下料、焊接、無損檢測及焊后熱處理，委托經CCS認可的理化檢驗單位進行檢驗與試驗，試驗過程由CCS船檢師參與現(xiàn)場見證，試驗結果符合IGC規(guī)范及設計產品要求。

4 LPG罐建造工序

4.1 罐體

鋼板、法蘭鍛件和焊接材料的質量證明書核對—材料性能復驗、驗收—焊接工藝評定—罐體鋼板數(shù)控下料—罐體鋼板坡口切割—罐體鋼板幾何尺寸檢測—卷筒、焊接（球形封頭殼板壓制）—產品焊接試件制備、焊接—校圓（球形封頭殼板修型）超聲檢測（UT）、超聲波衍射時差法檢測（TOFD）、磁粉檢測（MT）—筒體組對焊接、球形封頭組對、焊接—UT、TOFD、MT—兩端球形封頭與筒體總體組對、焊接（內附件安裝）—UT、TOFD、MT、筒體與氣室、深井泵、積液槽等組對焊接—罐體幾何尺寸檢測焊接—焊后MT、VT、UT及幾何尺寸—整體熱處理—MT檢測—耐壓試驗—MT泄漏試驗—噴砂及檢測—噴漆及檢測—竣工資料整理—交付使用。

4.2 罐體附件

每個儲罐的附件包括1個氣室、1個人孔及蓋板、1個深井泵座及積液槽、1個深井梯、1個液位計井、1套罐內接管及固定裝置、2個制蕩艙壁、4個吊耳、2個鞍座、1圈防水隔板、4個止浮支座、1個安全閥接管等。制造工序為，材料確認—樣板下料—加工—幾何尺寸檢測—焊接—PT/MT—噴砂及檢測—噴漆及檢測—包裝。

5 LPG罐建造質量控制

按照CCS船檢師確認的07MnNiVDR鋼5 000 m3全壓式LPG船液貨罐質量檢驗計劃，設備制造過程共設置制造準備、原材料（鋼板/鍛件）、下料及坡口加工、焊接、無損檢測、熱處理、耐壓試驗、泄漏試驗、最終檢驗等16個控制環(huán)節(jié)35個控制點（包括26個審核點R、4個見證點W、5個停止點H），設備制造過程中我公司主要進行了以下方面控制。

5.1 人員資格

焊工必須取得CCS頒發(fā)的焊工資格證書，證書的W03類別必須在有效期內。無損檢測人員必須持有國家市場監(jiān)督管理總局頒發(fā)的資格證書。

5.2 工廠制造

5.2.1 罐體

控制罐體下料切割尺寸精度及公差指標。采用2臺CNC-CG4000A型數(shù)控切割下料，最終罐體鋼板下料滿足長度方向公差±2 mm、寬度方向公差±1.5 mm、對角線方向公差±3 mm的精制造度指標。

5.2.2 封頭

采用專用計算軟件［10］提高球形封頭瓣片的排版計算自動化程度，采用專利技術裝置［11］提高球殼板尺寸精度及焊接坡口精度。最終2臺儲罐球形封頭60塊球殼板尺寸偏差統(tǒng)計結果如下，①緯向弦長尺寸偏差±2.0 mm、弧長尺寸偏差±2.0 mm。②徑向弦長尺寸偏差±2.5 mm、弧長尺寸偏差±2.5 mm。③對角線弦長尺寸偏差±3.0 mm。④對角線之間間距小于等于5 mm。球殼板幾何尺寸偏差嚴于GB 12337—2014《鋼制球形儲罐》［12］的要求。按照NB/T47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》［13］進行球殼板坡口100%MT檢測，結果為I級合格。

5.2.3 筒節(jié)

創(chuàng)造條件提高筒節(jié)成型和焊接過程控制。預制水泥鋼結構平臺，配備船廠50 t龍門起重機，在水泥鋼結構平臺上利用起重機進行組對作業(yè)。

抽檢18個卷制成型的單個筒節(jié)，結果表明，①上下口外周長允差為±20 mm（每個筒節(jié)測量上、下口）。②最大直徑與最小直徑差（不圓度）允差小于等于25 mm。③上、下口水平度偏差小于等于3 mm。④高度偏差±2 mm，焊縫錯邊量允差小于等于3 mm。⑤間隙允差（2±2）mm。⑥棱角度允差小于等于5 mm。

按照每間隔500 mm一次的頻次檢測棱角度和錯邊量，共完成1 644點的檢測，其中對口錯邊量在1.0～2.0 mm的共1 584點，占總統(tǒng)計點數(shù)的96.3%。

5.3 現(xiàn)場組焊

5.3.1 焊接工藝

現(xiàn)場組焊分為筒體焊接與球形封頭焊接2部分。其中，52 mm厚筒節(jié)縱、環(huán)焊縫及兩端與球形封頭的對接接頭采用經評定合格的SAW規(guī)程進行施焊，焊接材料采用經CCS認證的四川大西洋焊接材料股份有限公司生產的CHW-S30R焊絲配套CHF105Q焊劑，環(huán)焊縫SAW在2臺500 t焊接滾輪架的配合下進行，焊前清理坡口兩側各20 mm范圍內的油污、鐵銹，預熱150℃以上，焊后在200～250℃進行0.5～1.0 h焊后熱消氫處理。球形封頭部分采用經評定合格的SMAW工藝規(guī)程進行施焊，焊接材料采用經CCS認證的四川大西洋焊接材料股份有限公司生產的J607RH超低氫高韌性焊條，焊絲焊前清理坡口兩側各20 mm范圍內的油污、鐵銹，預熱100℃以上，焊后在200～250℃進行0.5～1.0 h焊后熱消氫處理。從中心向兩端依次進行筒節(jié)組裝焊接，然后依次組對焊接兩端球形封頭。

5.3.2 焊接試件

無論哪種焊接方法和焊接位置，只要焊接間隔不大于35 m，均制備產品焊接試件1塊。共制作產品焊接試件8件，其中包括筒體52 mm埋弧焊試件4件，前后2個球形封頭30 mm焊條電弧焊立焊試件2件，橫焊試件2件，與罐體一同進行（570±20）℃、2.1 h的焊后熱處理。

產品焊接試件經加工后分別制成拉伸、彎曲、沖擊試件并委托CCS認可的理化檢驗單位進行試件的檢驗和試驗。CCS船檢師對各項試驗數(shù)據(jù)進行了確認，認定檢驗結果符合IGC規(guī)范及設計圖樣要求。其中，52 mm埋弧焊試件-30℃的KV2在60～120 J,30 mm焊條電弧焊立焊試件-20℃的KV2在 65～182 J,30 mm SMAW橫焊試件 -20℃的 KV2在82～204 J，顯著優(yōu)于IGC規(guī)范中KV2不小于27 J的技術要求。

5.4 無損檢測

依據(jù)LPG罐設計圖樣提出的技術條件，委托湖北鑫宏圖檢測科技有限公司（有無損檢測核準資質）對焊接完成且焊縫外觀檢測合格的罐體按NB/T 47013.3—2015、NB/T 47013.4-2015、NB/T 47013.10—2015《承壓設備無損檢測 第10部分:衍射時差法超聲檢測》［14］分別進行100%UT、100MT、100%TOFD。單罐罐體焊縫總長568.1 m,檢測結果表明，罐W19-07的罐體TOFD檢測數(shù)據(jù)601組，其中不合格數(shù)據(jù)為25組，缺陷性質均為線性缺陷，一次合格率為95.8%；罐W19-08的罐體TOFD檢測數(shù)據(jù)601組，其中不合格數(shù)據(jù)為37組，缺陷性質均為線性缺陷，一次合格率為93.8%，2臺單罐體焊縫一次返修合格率均為100%。設備熱處理前后及耐壓試驗后分別對A、B、D、E類焊接接頭進行 100%MT，結果滿足 NB/T 47013.4—2015中I級合格標準。

5.5 焊后熱處理及應力檢測

罐體焊接接頭經外觀及各項無損檢測合格后，按GB/T 30583-2014《壓力容器焊后熱處理規(guī)程》［15］的相關規(guī)定采用燃油法在（570±20） ℃下進行2.1 h的整體熱處理，每臺罐體上共設測溫點62處，其中47個測溫點設在罐體主體部分，15個測溫點分設在深井泵、氣室及產品焊接試件等位置。升溫速度55～105℃/h，降溫速度55～130℃/h。綜合考慮罐體結構特點、燃油進口及排煙口位置，在罐體內部設置導流裝置，有效保證了升溫、保溫及降溫過程中罐體溫度均勻性。

委托華中科技大學材料學院材料技術實驗中心對儲罐整體熱處理效果進行驗證。驗證方法為盲孔應力釋放法，分別在罐體熱處理前、后對焊接接頭進行局部應力測試。測試數(shù)據(jù)表明，罐W19-07、罐W19-08熱處理前最大應力值為682.80 MPa,最小殘余應力為326.30 MPa,整體熱處理后最大殘余應力為291.15 MPa,最小殘余應力為121.84 MPa,儲罐殘余應力消除的下降比例為 52.47%～64.76%。

5.6 其他

儲罐W19-07、儲罐W19-08熱處理完成后，對罐體進行了試驗壓力2.66 MPa的耐壓試驗，試驗結果滿足IGC規(guī)則及GB/T 150.1～150.4—2011《壓力容器》［16］中相關規(guī)定要求。此外，按照設計圖樣要求進行了試驗壓力1.88 MPa的泄漏試驗，試驗結果合格。單罐檢驗及試驗全部合格后，按GB/T 8923.1—2011《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》［17］進行噴砂除銹，合格級別為Sa21/2并按建造方要求進行底漆、中間漆及面漆涂裝，交工驗收。

6 結語

07MnNiVDR鋼5 000 m3全壓式LPG船液貨罐于2020-12交付中船廣西船舶和海洋工程有限公司使用。此罐的建造具有國產化、首臺、大型特征，實現(xiàn)了重大石化技術裝備的國產化，達到了替代進口產品的目標。該項研制成果2021年被認定為遼寧省首臺套重大技術裝備，對推動此類產品的國產化發(fā)展具有積極意義和借鑒作用。