1、乙烯球罐國產(chǎn)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(shù)是從國外引進，為了將乙烯球罐逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，以滿足石油化工發(fā)展的需要，作為工程設(shè)計人員有責(zé)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(chǎn)材料。 1 設(shè)計選材球罐采用國產(chǎn)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(chǎn)CF-62鋼板保證值為:40，三個標(biāo)準(zhǔn)試樣低溫沖擊功平均值A(chǔ)KV47J，單個值33J。國產(chǎn)CF-62鋼板具有較低的焊接裂紋敏感性組成(Pcm0.21)，所需預(yù)熱溫

2、度較低，焊接施工環(huán)境可得到明顯改善，采用國產(chǎn)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(jīng)濟效益非常可觀。特別是大慶1500m3乙烯球罐已首先實現(xiàn)國產(chǎn)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(chǎn)化。國產(chǎn)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(chǎn)化已是勢在必行。綜上所述，在設(shè)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(shè)計參數(shù)的確定原東方化工

3、廠1000m3乙烯球罐是意大利TPL公司設(shè)計，操作溫度為27，設(shè)計溫度取為45，設(shè)計壓力為2.2Mpa(頂部)，球殼板材質(zhì)為日本的LT50-V-50G，如設(shè)計溫度照搬國外仍取45，那么，根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范將無材可選，只能引進，為此設(shè)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(shè)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(biāo)，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(shè)計溫度為-31，設(shè)計壓力為21Kgf/cm2,已經(jīng)正常運轉(zhuǎn)二十多年了，而且使用的

4、鋼板是日本40級的低溫鋼，有關(guān)球罐操作的實踐調(diào)查，結(jié)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(yù)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(yán)格在規(guī)定的條件下操作，設(shè)備是可以安全穩(wěn)定運行的。縱觀以往引進的乙烯球罐各項參數(shù)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(guān)部門召開了關(guān)于東方化工廠1000m3乙烯球罐設(shè)計溫度40安全性論證，認為乙烯球罐運行過程中只要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)章制度，球罐的操作和設(shè)計溫度均不會低于40。我們同時也查閱了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，我國HGJ14-89鋼制化工容器設(shè)計基

5、礎(chǔ)規(guī)定規(guī)定：介質(zhì)工作溫度小于-20時，設(shè)計溫度取介質(zhì)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(dāng)最高或最低工作溫度-20時，設(shè)計溫度應(yīng)為介質(zhì)正常操作溫度減010或取最低介質(zhì)溫度。故東方化工廠乙烯球罐設(shè)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(shù)條件中，則對鋼板、鍛件實物水平的沖擊功溫度做了更加嚴(yán)格限制（包括熔敷金屬），對沖擊功的數(shù)值作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)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(shè)計參數(shù)如下：（a）公稱容積：1000m3（b）球殼內(nèi)直徑：12300mm（c）存儲介質(zhì):乙烯

6、 （d）操作壓力:2.0MPa(頂部)（e）設(shè)計壓力:2.2MPa(頂部) （f）操作溫度：27（g）設(shè)計溫度:40 （h）殼體材質(zhì)：07MnNiCrMoVDR（i）名義厚度：n=38mm（鋼板負偏差0.25）3 球罐的設(shè)計方案的確定方案一：球殼內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)，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(nèi)應(yīng)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(yīng)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?xí)斐砂踩[患。為避免焊縫過長，就要適當(dāng)加大球殼板幾何尺寸，但要考慮國內(nèi)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(chǎn)出來的鋼板長度等。為此設(shè)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(jīng)過方案比較（見表一），選擇第二種方案。表一分帶數(shù)各帶球心

8、角總塊數(shù)環(huán)縫長(m) 焊縫總長(m) 支柱數(shù)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(shù)推薦使用，為混合式赤 道正切支柱結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jù) 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(jù) +C第一帶：第二帶：第三帶：根據(jù)以上各帶厚度計算結(jié)果取各帶球殼板的名義厚度均為：38mm5 上支柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計支柱與球殼的連接，既要能充分地傳遞應(yīng)力，又要求局部應(yīng)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(yīng)力集中。基于以上考慮，本球罐上支柱結(jié)構(gòu)采用赤道正切支柱型式帶U型橫托板聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖（二），這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(yīng)力必須進行應(yīng)力校核。目前，對采用橫托板計算a點應(yīng)力國內(nèi)尚無確定的公式，但用GB12337-90中a點應(yīng)力的計算公式來計算橫托板下表面a點的應(yīng)力應(yīng)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(yīng)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(yīng)力腐蝕的能力，同時能穩(wěn)定結(jié)

11、構(gòu)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(yīng)進行焊后熱處理”，故設(shè)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(yán)格控制溫度，在技術(shù)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(nèi)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(jié)構(gòu)上作了一些調(diào)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(shè)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(yīng)力測試。并提出熱處理后的殘余應(yīng)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(xué)、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(yīng)力檢測，根據(jù)焊接殘余應(yīng)力分布特點，多數(shù)測點選為平行于焊縫方向測量(即最大主應(yīng)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(jié)果見表二：表二  焊 態(tài)熱處理后部位應(yīng)力值（Mpa） 與s比 應(yīng)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(yīng)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(shù)值為536 Mpa,合。總體來說，下極板殘余應(yīng)力數(shù)值高于上極板，球

14、罐經(jīng)過熱處理后殘余應(yīng)力明顯下降，下極板小環(huán)處的最大殘余應(yīng)力由原來的降為，各區(qū)殘余應(yīng)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(yīng)力目的，滿足了設(shè)計要求。7 關(guān)于制造安裝技術(shù)條件首先對鋼板的化學(xué)成份提出了比較嚴(yán)格的要求，嚴(yán)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(xué)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(zhì)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(fù)驗結(jié)果)必須達到45，三個標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊功平均值A(chǔ)kv60J(單個最低值

15、42J)，同時提供50沖擊功數(shù)據(jù)供參考。用于制造球殼板的鋼板逐張超聲波檢測達級標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)驗結(jié)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(shù)據(jù)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(yán)格的要求，如嚴(yán)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(yán)格要求，規(guī)定了嚴(yán)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(shù)條件提出了許多嚴(yán)于標(biāo)準(zhǔn)的要求，在檢驗上嚴(yán)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(yīng)進行100%射線檢測外，還應(yīng)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(yīng)分別對球殼板對接焊縫內(nèi)外兩側(cè)，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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值、設(shè)計要求值及實測值的比較。經(jīng)過實踐證明，盡管設(shè)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(shè)計要求，這就說：只要我們以科學(xué)的、求實的態(tài)度，要完成設(shè)計制造優(yōu)質(zhì)的低溫乙烯球罐是完全可行的，這也為今后的設(shè)計工作提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。表三序號檢 驗 項 目標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定值安裝條件、技術(shù)條件設(shè)計要求值實物水平或?qū)崪y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(chǎn)品試板低

18、溫沖擊功 Akv 三個試樣的平均值40 27J 45三個標(biāo)準(zhǔn)樣的沖擊值均須27J優(yōu)良指標(biāo)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(jù)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(shè)計內(nèi)徑之差以及赤道面的最大內(nèi)徑與最小內(nèi)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(jié)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(zhì)量技術(shù)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(jù)壓力容器安全技術(shù)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(nèi)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(jīng)檢驗的各項指標(biāo)、檢驗結(jié)果均符合要求，單項評定均為可接受。綜合各項檢驗結(jié)果，