乙烯球罐國產化

1、乙烯球罐國產化，是我國發(fā)展的必然趨勢。過去，由于我們沒有成熟的乙烯球罐的合適用材，乙烯球罐絕大多數是從國外引進，為了將乙烯球罐逐步實現(xiàn)國產化，以滿足石油化工發(fā)展的需要，作為工程設計人員有責任在保證安全和滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的前提下，盡可能選用國產材料。 1 設計選材球罐采用國產CF-62鋼，即低焊接裂紋敏感性鋼，它除具有良好的焊接性能外，還具有較好的低溫韌性。CF-62鋼(即07MnNiCrMoVDR)是綜合性能較高的新一代高強度鋼。國產CF-62鋼板保證值為:40，三個標準試樣低溫沖擊功平均值AKV47J，單個值33J。國產CF-62鋼板具有較低的焊接裂紋敏感性組成(Pcm0.21)，所需預熱溫

2、度較低，焊接施工環(huán)境可得到明顯改善，采用國產CF-62鋼板，球罐造價大大降低，與進口相比，一臺1000m3球罐可節(jié)約300萬人民幣，經濟效益非?？捎^。特別是大慶1500m3乙烯球罐已首先實現(xiàn)國產化，并在1994年通過國家鑒定，1995年3月投用至今運行情況良好。蘭化的乙烯球罐也已實現(xiàn)了國產化。國產CF-62鋼已具備制造大型低溫乙烯球罐的條件。在此東方化工廠乙烯球罐的國產化已是勢在必行。綜上所述，在設計選材時，決定東方化工廠1000m3乙烯球罐殼體板采用07MnNiCrMoVDR，鍛件采用與之配套的08MnNiCrMoVD，焊條采用J607RH（PP.J607RH）。2 設計參數的確定原東方化工

3、廠1000m3乙烯球罐是意大利TPL公司設計，操作溫度為27，設計溫度取為45，設計壓力為2.2Mpa(頂部)，球殼板材質為日本的LT50-V-50G，如設計溫度照搬國外仍取45，那么，根據我國現(xiàn)行規(guī)范將無材可選，只能引進，為此設計小組進行了深入細致的討論和分析，以大慶1500m3乙烯球罐為例，大慶地處我國東北，乙烯球罐的操作溫度為27，設計溫度取為30，對鋼板和焊縫要求必須保證40低溫韌性指標，這符合我國規(guī)范。日本川崎為我公司化工一廠承制的四臺乙烯球罐，球罐操作溫度-30.1，操作壓力為18.4Kgf/cm2,設計溫度為-31，設計壓力為21Kgf/cm2,已經正常運轉二十多年了，而且使用的

4、鋼板是日本40級的低溫鋼，有關球罐操作的實踐調查，結論是燕化乙烯球罐在正常操作時從來沒有出現(xiàn)過低于40的情況。沒有出現(xiàn)過不等于不可能出現(xiàn)，例如球罐的置換、預冷、倒空等工況失控或違反操作法，是有可能出現(xiàn)低于40的情況。嚴格在規(guī)定的條件下操作，設備是可以安全穩(wěn)定運行的?？v觀以往引進的乙烯球罐各項參數進行的分析和目前乙烯球罐的現(xiàn)狀，也充分考慮了我國今后乙烯的發(fā)展趨勢，公司及時組織有關部門召開了關于東方化工廠1000m3乙烯球罐設計溫度40安全性論證，認為乙烯球罐運行過程中只要嚴格執(zhí)行操作規(guī)章制度，球罐的操作和設計溫度均不會低于40。我們同時也查閱了有關標準規(guī)范，我國HGJ14-89鋼制化工容器設計基

5、礎規(guī)定規(guī)定：介質工作溫度小于-20時，設計溫度取介質正常操作溫度減010。在石化公司SH3074-95石油化工鋼制壓力容器規(guī)定：當最高或最低工作溫度-20時，設計溫度應為介質正常操作溫度減010或取最低介質溫度。故東方化工廠乙烯球罐設計溫度取為-40，完全符合我國現(xiàn)行規(guī)范的要求，而在制造技術條件中，則對鋼板、鍛件實物水平的沖擊功溫度做了更加嚴格限制（包括熔敷金屬），對沖擊功的數值作了適當的調整提高。這些超規(guī)范的要求，既考慮到今后發(fā)展的需要，也保證了鋼板和焊縫的低溫韌性儲備，提高球罐整體的安全裕度。球罐設計參數如下：（a）公稱容積：1000m3（b）球殼內直徑：12300mm（c）存儲介質:乙烯

6、 （d）操作壓力:2.0MPa(頂部)（e）設計壓力:2.2MPa(頂部) （f）操作溫度：27（g）設計溫度:40 （h）殼體材質：07MnNiCrMoVDR（i）名義厚度：n=38mm（鋼板負偏差0.25）3 球罐的設計方案的確定方案一：球殼內直徑12300mm，采用混合式四帶排板，最大板寬(弧長)為1932.1mm，最長板長(弧長)為6830.9mm，球體共54塊板，支柱10根。焊縫總長360m。方案二：球殼內直徑為12300mm，采用混合式三帶排板，最大板寬(弧長)2415.1mm，最長板長（弧度）為8032.3mm球殼共30塊板，支柱8根，焊縫總長270m。因方案一采用四帶結構，雖然

7、板寬較小，但其環(huán)焊縫較長，球罐的環(huán)焊縫存在很大內應力，一般地說，如果有裂紋出現(xiàn)，那么大部分裂紋出現(xiàn)在球罐的環(huán)焊縫上，大慶1500m3球罐焊后殘余應力測試，充分證明了這一點。其次，這個方案也沒有最大限度地利用板寬，造成浪費。過長的焊縫，加大了焊接工作量，甚至會造成安全隱患。為避免焊縫過長，就要適當加大球殼板幾何尺寸，但要考慮國內軋機能力、鋼廠鋼錠的噸位，由此而計算出鋼板的厚度、軋機寬度及定尺F、能生產出來的鋼板長度等。為此設計小組（包括我院與合肥通用所）、鋼鐵研究總院、及其他合作單位與鋼廠協(xié)商，在各個方面作出了巨大努力，保證鋼板最大寬度。經過方案比較（見表一），選擇第二種方案。表一分帶數各帶球心

8、角總塊數環(huán)縫長(m) 焊縫總長(m) 支柱數方案一4 上極：90° 上溫帶：40° 54 93.2 359.1 10 下極：90° 赤道帶：50° 方案二3 上極112.5° 赤道67.5° 下極112.5° 30 64.3 269.7 8 方案二是JB/T4711-92球形儲罐型式與基本參數推薦使用，為混合式赤 道正切支柱結構球罐，它的壓片組焊，現(xiàn)場安裝，焊后檢驗等都是配套的，具有比較成熟的施工經驗。4 球殼壁厚的確定球殼分三帶，各帶液柱高度hi：見圖（一）第一帶液柱高度：h1=324.9mm第二帶液柱高度：h2=7158

9、.4mm第三帶液柱高度：h3=9891.7mm4. 1計算壓力： 根據 Mpa其中：P=2.2Mpahi見（h1、h2、h3）kg/m3 圖（一）得：4. 2球殼各帶厚度： Di=12300mmMPa厚度附加量：C=1.75mm根據 +C第一帶：第二帶：第三帶：根據以上各帶厚度計算結果取各帶球殼板的名義厚度均為：38mm5 上支柱的結構設計支柱與球殼的連接，既要能充分地傳遞應力，又要求局部應力水平盡可能低，故焊縫必須具有足夠的焊接長度和強度，同時要采取必要措施減少應力集中?；谝陨峡紤]，本球罐上支柱結構采用赤道正切支柱型式帶U型橫托板聯(lián)接結構如圖（二），這種結構有如下優(yōu)點： 上支柱型式 圖(二

10、)(1)不用增加帶支柱赤道板厚度，改變了尖角焊縫的受力狀態(tài)，使球殼板與支柱最低點焊縫由原來的點接觸，改為線接觸。(2)支柱可分體運輸，現(xiàn)場組焊方便，容易找正。(3)這種支柱結構，焊縫全部在外表面，易于焊接，便于檢驗。支柱與球殼板連接最低點（a點）是一個薄弱環(huán)節(jié)，此點的應力必須進行應力校核。目前，對采用橫托板計算a點應力國內尚無確定的公式，但用GB12337-90中a點應力的計算公式來計算橫托板下表面a點的應力應該是完全可行的。6 球罐的整體熱處理焊后熱處理的主要目的是為了消除存在于球罐上由于組裝焊接造成的殘余應力，并改善焊接接頭性能，特別是提高整體球罐抗脆性斷裂和抗應力腐蝕的能力，同時能穩(wěn)定結

11、構形狀與尺寸。對低溫壓力容器，我國GB150-89鋼制壓力容器規(guī)定：“焊接接頭厚度大于16mm的碳素鋼和低合金鋼制低溫壓力容器或元件應進行焊后熱處理”，故設計要求進行焊后整體熱處理。因CF-62鋼有一定的再熱裂紋敏感性，所以熱處理時要嚴格控制溫度，在技術文件中明確規(guī)定：熱處理工藝為570±20，保溫2小時，加熱以內燃法為主，同時采用電加熱方式輔助加熱，以保證熱處理效果。此外，在結構上作了一些調整，如將下人孔布置居中，保證采用火焰加熱法進行整體熱處理時球殼受熱均勻。在支柱底板下面，設計熱處理墊板，保證了在進行熱處理時支柱的移動。在支柱底板上開長圓孔，使得整個滑動體系中存在兩個滑動面。為

12、驗證熱處理效果，在安裝條件中提出：要對其中一臺球罐在熱處理之前和熱處理之后，采用X射線法各進行一次焊縫殘余應力測試。并提出熱處理后的殘余應力以0.5s為合格，這一點已得到證實。北京燕山石油化工(集團)公司委托北京工業(yè)大學、北京高校強度檢測所進行東方化工廠1000m3乙烯球罐(A)焊后及熱處理后殘余應力檢測，根據焊接殘余應力分布特點，多數測點選為平行于焊縫方向測量(即最大主應力方向)。對于部分特殊點(丁字焊縫角點處，Y焊縫處)，則進行兩個方向的測試。結果見表二：表二  焊 態(tài)熱處理后部位應力值（Mpa） 與s比 應力值（Mpa） 與s比 上極板丁字縫416 0.7s 98 0

13、.16s 小環(huán)513 0.86s 131 0.22s Y字縫 478 0.8s 154 0.26s 母材94 0.16s 42 0.07s 下極板丁字縫512 0.85s 134 0.22s 小環(huán)536 0.89s 95 0.16s Y字縫 506 0.84s 191 0.32s 人孔470 0.78s 136 0.23s 母材345 0.58s 14 0.02s 注：s按極板實物性能計算：上極板s =595Mpa下極板s =600MPa 從表可見，焊后殘余應力水平在(0.50.9)s之間。最大值出現(xiàn)在下極板小環(huán)熱影響區(qū)附近，數值為536 Mpa,合。總體來說，下極板殘余應力數值高于上極板，球

14、罐經過熱處理后殘余應力明顯下降，下極板小環(huán)處的最大殘余應力由原來的降為，各區(qū)殘余應力總體水平在0.2s左右，其最大值發(fā)生在下極板Y字焊縫處，為0.32s，熱處理達到了較好地消除殘余應力目的，滿足了設計要求。7 關于制造安裝技術條件首先對鋼板的化學成份提出了比較嚴格的要求，嚴格控制S、P含量，其中S含量0.008%，增加了對提高材料低溫沖擊功具有較好作用的N i的含量。通過控制化學成份，保證材料的機械性能，特別是材料的低溫沖擊韌性值。為了提供高質量的球罐，制造條件提出：用于制造本球罐的鋼板實物水平(包括鋼廠的檢驗及制造廠的復驗結果)必須達到45，三個標準試樣的沖擊功平均值Akv60J(單個最低值

15、42J)，同時提供50沖擊功數據供參考。用于制造球殼板的鋼板逐張超聲波檢測達級標準。提出了必須采用實物水平(包括鍛件廠的檢驗及制造廠的復驗結果)，必須達到45Akv60J(平均值)，單個最低值42J的鍛件用于本球罐與球罐相焊的零部件的制造，同時提供50沖擊功數據供甲方參考。組焊用焊條J607RH熔敷金屬必須達到50Akv60J(平均值)，單個最低值42J。 以上這些措施，保證了材料具有良好的機械性能，特別是具有良好的抗低溫脆性。此外，在制造焊接方面也提出了十分嚴格的要求，如嚴格控制焊接線能量不超過30KJ/cm，施焊時采用窄焊道，薄層多層焊，每一道焊道寬度不大于焊芯直徑的4倍，對焊工資格和對焊

16、接工藝評定及焊前予熱都有嚴格要求，規(guī)定了嚴格的焊接材料管理制度，控制焊接層間溫度，同時規(guī)定焊后消氫處理等一系列措施。技術條件提出了許多嚴于標準的要求，在檢驗上嚴格執(zhí)行六個100%的檢測手段，這些措施包括球殼板對接焊縫熱處理前除應進行100%射線檢測外，還應進行100%超聲波檢測，水壓試驗后再進行100%超聲波檢測，整體熱處理前后及水壓試驗后，應分別對球殼板對接焊縫內外兩側，同球殼板焊接形成的角焊縫、工卡具清除后的焊跡部位及熱影響區(qū)進行表面100%的磁粉或滲透檢測。表三列出了一些檢驗項目的標準規(guī)定值、設計要求值及實測值的比較。經過實踐證明，盡管設計提出的要求偏高，但實際上還是能夠達到的，并且有些

17、還高于設計要求，這就說：只要我們以科學的、求實的態(tài)度，要完成設計制造優(yōu)質的低溫乙烯球罐是完全可行的，這也為今后的設計工作提供了寶貴的實踐經驗。表三序號檢 驗 項 目標準規(guī)范規(guī)定值安裝條件、技術條件設計要求值實物水平或實測值1 球殼板超聲波探傷級 級 級 2 球殼板07MnNiCrMoVDR低溫沖擊功 Akv 40 47J(平均值)，單個值33J 4560J(平均值)，單個值42J 45，80J(平均值)，單個值56J 3 鍛件08MnNiCrMoVD低溫沖擊功 Akv 40 47J(平均值)，單個值33J 4560J(平均值)，單個值42J 45，60J(平均值)，單個值42J 4 產品試板低

18、溫沖擊功 Akv 三個試樣的平均值40 27J 45三個標準樣的沖擊值均須27J優(yōu)良指標為平均值47J（單個值33J ） 45，47J(平均值)，單個值33J 5 焊條PP.J607RH熔敷金屬低溫沖擊功 Akv 根據鑒定材料：-4047（平均值）單個值33J 50 47J(平均值)，單個值33J 50，80J(平均值)，單個值56J 6 熱處理溫度及溫差570±20，溫差40 570±20，溫差40 550575，最大溫差25，最小溫差12 7 焊接后球罐兩極的凈距與設計內徑之差以及赤道面的最大內徑與最小內徑之差80mm 60mm 29mm 8 對接焊縫形成的棱角度(包括錯邊量) 10mm 7mm 6mm 8. 運行結果檢驗 東方乙烯球罐1998年5月投用，運行一年后1999年5月由國家質量技術監(jiān)督局鍋爐壓力容器檢測研究中心對其進行開罐檢查，根據壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程、在用壓力容器檢驗規(guī)程，檢驗項目有原始資料、氣密性試驗、內外表面檢查、硬度測定、超聲波測厚、超聲波探傷、金相檢驗、磁粉探傷、焊縫金相檢驗等。以其中TK-9561D罐為例，該罐運行一年來，情況良好，經檢驗的各項指標、檢驗結果均符合要求，單項評定均為可接受。綜合各項檢驗結果，