乙烯球罐国产化

乙烯球罐国产化，是我国发展的必然趋势。过去，由于我们没有成熟的乙烯球罐的合适用材，乙烯球罐绝大多数是从国外引进，为了将乙烯球罐逐步实现国产化，以满足石油化工发展的需要，作为工程设计人员有责任在保证安全和满足现行规范要求的前提下，尽可能选用国产材料。1设计选材球罐采用国产CF-62钢，即低焊接裂纹敏感性钢，它除具有良好的焊接性能外，还具有较好的低温韧性。CF-62钢(即07MnNiCrMoVDR)是综合性能较高的新一代高强度钢。国产CF-62钢板保证值为:－40℃，三个标准试样低温冲击功平均值AKV≥47J，单个值≥33J。国产CF-62钢板具有较低的焊接裂纹敏感性组成(Pcm≤0.21)，所需预热温度较低，焊接施工环境可得到明显改善，采用国产CF-62钢板，球罐造价大大降低，与进口相比，一台1000m3球罐可节约300万人民币，经济效益非常可观。特别是大庆1500m3乙烯球罐已首先实现国产化，并在1994年通过国家鉴定，1995年3月投用至今运行情况良好。兰化的乙烯球罐也已实现了国产化。国产CF-62钢已具备制造大型低温乙烯球罐的条件。在此东方化工厂乙烯球罐的国产化已是势在必行。综上所述，在设计选材时，决定东方化工厂1000m3乙烯球罐壳体板采用07MnNiCrMoVDR，锻件采用与之配套的08MnNiCrMoVD，焊条采用J607RH（PP.J607RH）。2设计参数的确定原东方化工厂1000m3乙烯球罐是意大利TPL公司设计，操作温度为－27℃，设计温度取为－45℃，设计压力为2.2Mpa(顶部)，球壳板材质为日本的LT50-V-50G，如设计温度照搬国外仍取－45℃，那么，根据我国现行规范将无材可选，只能引进，为此设计小组进行了深入细致的讨论和分析，以大庆1500m3乙烯球罐为例，大庆地处我国东北，乙烯球罐的操作温度为－27℃，设计温度取为－30℃，对钢板和焊缝要求必须保证－40℃低温韧性指标，这符合我国规范。日本川崎为我公司化工一厂承制的四台乙烯球罐，球罐操作温度-30.1℃，操作压力为18.4Kgf/cm2,设计温度为-31℃，设计压力为21Kgf/cm2,已经正常运转二十多年了，而且使用的钢板是日本－40℃级的低温钢，有关球罐操作的实践调查，结论是燕化乙烯球罐在正常操作时从来没有出现过低于－40℃的情况。没有出现过不等于不可能出现，例如球罐的置换、预冷、倒空等工况失控或违反操作法，是有可能出现低于－40℃的情况。严格在规定的条件下操作，设备是可以安全稳定运行的。纵观以往引进的乙烯球罐各项参数进行的分析和目前乙烯球罐的现状，也充分考虑了我国今后乙烯的发展趋势，公司及时组织有关部门召开了关于东方化工厂1000m3乙烯球罐设计温度－40℃安全性论证，认为乙烯球罐运行过程中只要严格执行操作规章制度，球罐的操作和设计温度均不会低于－40℃。我们同时也查阅了有关标准规范，我国HGJ14-89《钢制化工容器设计基础规定》规定：介质工作温度小于-20℃时，设计温度取介质正常操作温度减0～10℃。在石化公司SH3074-95《石油化工钢制压力容器》规定：当最高或最低工作温度≤-20℃时，设计温度应为介质正常操作温度减0～10℃或取最低介质温度。故东方化工厂乙烯球罐设计温度取为-40℃，完全符合我国现行规范的要求，而在制造技术条件中，则对钢板、锻件实物水平的冲击功温度做了更加严格限制（包括熔敷金属），对冲击功的数值作了适当的调整提高。这些超规范的要求，既考虑到今后发展的需要，也保证了钢板和焊缝的低温韧性储备，提高球罐整体的安全裕度。球罐设计参数如下：（a）公称容积：1000m3（b）球壳内直径：φ12300mm（c）存储介质:乙烯（d）操作压力:2.0MPa(顶部)（e）设计压力:2.2MPa(顶部)（f）操作温度：－27℃（g）设计温度:－40℃（h）壳体材质：07MnNiCrMoVDR（i）名义厚度：δn=38mm（钢板负偏差≤0.25）3球罐的设计方案的确定方案一：球壳内直径φ12300mm，采用混合式四带排板，最大板宽(弧长)为1932.1mm，最长板长(弧长)为6830.9mm，球体共54块板，支柱10根。焊缝总长360m。方案二：球壳内直径为φ12300mm，采用混合式三带排板，最大板宽(弧长)2415.1mm，最长板长（弧度）为8032.3mm球壳共30块板，支柱8根，焊缝总长270m。因方案一采用四带结构，虽然板宽较小，但其环焊缝较长，球罐的环焊缝存在很大内应力，一般地说，如果有裂纹出现，那么大部分裂纹出现在球罐的环焊缝上，大庆1500m3球罐焊后残余应力测试，充分证明了这一点。其次，这个方案也没有最大限度地利用板宽，造成浪费。过长的焊缝，加大了焊接工作量，甚至会造成安全隐患。为避免焊缝过长，就要适当加大球壳板几何尺寸，但要考虑国内轧机能力、钢厂钢锭的吨位，由此而计算出钢板的厚度、轧机宽度及定尺F、能生产出来的钢板长度等。为此设计小组（包括我院与合肥通用所）、钢铁研究总院、及其他合作单位与钢厂协商，在各个方面作出了巨大努力，保证钢板最大宽度。经过方案比较（见表一），选择第二种方案。表一分带数各带球心角总块数环缝长(m)焊缝总长(m)支柱数方案一4上极：90°上温带：40°5493.2359.110下极：90°赤道带：50°方案二3上极112.5°赤道67.5°下极112.5°3064.3269.78方案二是JB/T4711-92《球形储罐型式与基本参数》推荐使用，为混合式赤道正切支柱结构球罐，它的压片组焊，现场安装，焊后检验等都是配套的，具有比较成熟的施工经验。4球壳壁厚的确定球壳分三带，各带液柱高度hi：见图（一）第一带液柱高度：h1=324.9mm第二带液柱高度：h2=7158.4mm第三带液柱高度：h3=9891.7mm4.1计算压力：根据Mpa其中：P=2.2Mpahi见（h1、h2、h3）kg/m3图（一）得：4.2球壳各带厚度：Di=12300mmMPa厚度附加量：C=1.75mm根据+C第一带：第二带：第三带：根据以上各带厚度计算结果取各带球壳板的名义厚度均为：38mm5上支柱的结构设计支柱与球壳的连接，既要能充分地传递应力，又要求局部应力水平尽可能低，故焊缝必须具有足够的焊接长度和强度，同时要采取必要措施减少应力集中。基于以上考虑，本球罐上支柱结构采用赤道正切支柱型式带U型横托板联接结构如图（二），这种结构有如下优点：上支柱型式图(二)(1)不用增加带支柱赤道板厚度，改变了尖角焊缝的受力状态，使球壳板与支柱最低点焊缝由原来的点接触，改为线接触。(2)支柱可分体运输，现场组焊方便，容易找正。(3)这种支柱结构，焊缝全部在外表面，易于焊接，便于检验。支柱与球壳板连接最低点（a点）是一个薄弱环节，此点的应力必须进行应力校核。目前，对采用横托板计算a点应力国内尚无确定的公式，但用GB12337-90中a点应力的计算公式来计算横托板下表面a点的应力应该是完全可行的。6球罐的整体热处理焊后热处理的主要目的是为了消除存在于球罐上由于组装焊接造成的残余应力，并改善焊接接头性能，特别是提高整体球罐抗脆性断裂和抗应力腐蚀的能力，同时能稳定结构形状与尺寸。对低温压力容器，我国GB150-89《钢制压力容器》规定：“焊接接头厚度大于16mm的碳素钢和低合金钢制低温压力容器或元件应进行焊后热处理”，故设计要求进行焊后整体热处理。因CF-62钢有一定的再热裂纹敏感性，所以热处理时要严格控制温度，在技术文件中明确规定：热处理工艺为570±20℃，保温2小时，加热以内燃法为主，同时采用电加热方式辅助加热，以保证热处理效果。此外，在结构上作了一些调整，如将下人孔布置居中，保证采用火焰加热法进行整体热处理时球壳受热均匀。在支柱底板下面，设计热处理垫板，保证了在进行热处理时支柱的移动。在支柱底板上开长圆孔，使得整个滑动体系中存在两个滑动面。为验证热处理效果，在安装条件中提出：要对其中一台球罐在热处理之前和热处理之后，采用X射线法各进行一次焊缝残余应力测试。并提出热处理后的残余应力以≤0.5σs为合格，这一点已得到证实。北京燕山石油化工(集团)公司委托北京工业大学、北京高校强度检测所进行东方化工厂1000m3乙烯球罐(A)焊后及热处理后残余应力检测，根据焊接残余应力分布特点，多数测点选为平行于焊缝方向测量(即最大主应力方向)。对于部分特殊点(丁字焊缝角点处，Y焊缝处)，则进行两个方向的测试。结果见表二：表二焊态热处理后部位应力值（Mpa）与σs比应力值（Mpa）与σs比上丁字缝4160.7σs980.16σs极板小环5130.86σs1310.22σsY字缝4780.8σs1540.26σs母材940.16σs420.07σs下极板丁字缝5120.85σs1340.22σs小环5360.89σs950.16σsY字缝5060.84σs1910.32σs人孔4700.78σs1360.23σs母材3450.58σs140.02σs注：σs按极板实物性能计算：上极板σs=595Mpa下极板σs=600MPa从表可见，焊后残余应力水平在(0.5～0.9)σs之间。最大值出现在下极板小环热影响区附近，数值为536Mpa,合。总体来说，下极板残余应力数值高于上极板，球罐经过热处理后残余应力明显下降，下极板小环处的最大残余应力由原来的降为，各区残余应力总体水平在0.2σs左右，其最大值发生在下极板Y字焊缝处，为0.32σs，热处理达到了较好地消除残余应力目的，满足了设计要求。7关于制造安装技术条件首先对钢板的化学成份提出了比较严格的要求，严格控制S、P含量，其中S含量≤0.008%，增加了对提高材料低温冲击功具有较好作用的Ni的含量。通过控制化学成份，保证材料的机械性能，特别是材料的低温冲击韧性值。为了提供高质量的球罐，制造条件提出：用于制造本球罐的钢板实物水平(包括钢厂的检验及制造厂的复验结果)必须达到－45℃，三个标准试样的冲击功平均值Akv≥60J(单个最低值≥42J)，同时提供－50℃冲击功数据供参考。用于制造球壳板的钢板逐张超声波检测达Ⅰ级标准。提出了必须采用实物水平(包括锻件厂的检验及制造厂的复验结果)，必须达到－45℃Akv≥60J(平均值)，单个最低值≥42J的锻件用于本球罐与球罐相焊的零部件的制造，同时提供－50℃冲击功数据供甲方参考。组焊用焊条J607RH熔敷金属必须达到－50℃Akv≥60J(平均值)，单个最低值≥42J。以上这些措施，保证了材料具有良好的机械性能，特别是具有良好的抗低温脆性。此外，在制造焊接方面也提出了十分严格的要求，如严格控制焊接线能量不超过30KJ/cm，施焊时采用窄焊道，薄层多层焊，每一道焊道宽度不大于焊芯直径的4倍，对焊工资格和对焊接工艺评定及焊前予热都有严格要求，规定了严格的焊接材料管理制度，控制焊接层间温度，同时规定焊后消氢处理等一系列措施。技术条件提出了许多严于标准的要求，在检验上严格执行六个100%的检测手段，这些措施包括球壳板对接焊缝热处理前除应进行100%射线检测外，还应进行100%超声波检测，水压试验后再进行100%超声波检测，整体热处理前后及水压试验后，应分别对球壳板对接焊缝内外两侧，同球壳板焊接形成的角焊缝、工卡具清除后的焊迹部位及热影响区进行表面100%的磁粉或渗透检测。表三列出了一些检验项目的标准规定值、设计要求值及实测值的比较。经过实践证明，尽管设计提出的要求偏高，但实际上还是能够达到的，并且有些还高于设计要求，这就说：只要我们以科学的、求实的态度，要完成设计制造优质的低温乙烯球罐是完全可行的，这也为今后的设计工作提供了宝贵的实践经验。表三序号检验项目标准规范规定值安装条件、技术条件设计要求值实物水平或实测值1球壳板超声波探伤Ⅱ级Ⅰ级Ⅰ级2球壳板07MnNiCrMoVDR低温冲击功Akv－40℃≥47J(平均值)，单个值≥33J－45℃≥60J(平均值)，单个值≥42J－45℃，≥80J(平均值)，单个值≥56J3锻件08MnNiCrMoVD低温冲击功Akv－40℃