5000m3天然氣球罐的設計和建造技術

陸青松 郭春光 黃金國 李騰蛟 袁 浩

（合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088）

5000m3天然氣球罐的設計和建造技術

陸青松 郭春光 黃金國 李騰蛟 袁 浩

（合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088）

介紹了國內某天然氣儲配站Q 370R鋼制5000m3天然氣球罐的設計和建造技術。球罐設計從主要設計參數、主體材料選擇、結構設計和應力分析等方面進行分析和評價，球罐建造技術從現場組裝、焊接、焊后尺寸檢查、無損檢測、整體熱處理、壓力試驗等關鍵工序的施工工藝及技術要點等進行了詳細闡述。

天然氣；球罐；建造；分析設計

大型天然氣球罐儲存著大量危險性極大的天然氣，且操作壓力高，一旦發生泄漏或破裂將會造成重大的人身傷亡和財產損失，因此設計和建造安全可靠且經濟合理的大型天然氣球罐非常重要。

一、球罐的設計

1.設計方法

本項目天然氣球罐的設計壓力高、體積大、安全可靠性要求高，且工作壓力在一定范圍內波動，即球罐存在交變載荷引起疲勞的問題。綜合考慮后，球罐采用分析設計方法，依據鋼制壓力容器分析設計標準進行設計，安全系數取2.4。分析設計方法對球罐整體及局部進行詳盡的應力分析與評定，在優化整體結構和降低局部應力的同時減小了球罐的壁厚和重量，達到了既降低球罐建造成本又提高了其安全可靠性的目的。

2.主要設計參數

表1 5000m3天然氣球罐主要設計參數

球罐的主要設計參數如表1所示，其選取依據了儲配站的工藝要求及當地氣象資料。由于存儲的氣態天然氣介密度小、重量輕，基于降低球罐土建基礎成本和減輕支柱重量的考慮，球罐不進行水壓試驗而采用氣壓試驗。為考核土建基礎的承載能力，球罐氣壓試驗前需充水1000m3進行基礎沉降觀測試驗。

3.主體材料選擇

目前天然氣球罐常用的國產材料主要有Q345R、Q370R和07MnMoVR，這3種材料的力學性能如表2所示。經綜合考慮，該球罐主體材料選用Q370R，在材料訂貨要求上提高了力學性能指標并降低了硫、磷等雜質元素含量上限，同時也提高了與其配套的20MnMoD鍛件和J557R低氫高韌性焊條的訂貨要求。

表2 3種鋼板材料的力學性能對比

4.殼體厚度計算

球殼厚度計算公式：

式中：Pc——球殼底部計算壓力,取1.603MPa；

Ri——殼體的內半徑；

K——載荷組合系數,取1；

Sm——Q370R材料的設計應力強度，80℃時取

209.5MPa。

殼體的設計厚度：δd=40.63+C2=42.63mm

式中：C2——腐蝕裕量,取2mm。

實際取殼體名義厚度δn=44mm。

5.結構設計

從提高球罐安全性和減小焊接量的角度考慮，應盡量增大單張球殼板尺寸來減少焊縫總長度，因此球罐結構設計須選擇最佳的分帶數及分帶角。5000m3球罐結構設計一般選用4帶12支柱混合式或4帶10支柱混合式結構。本項目球罐采用4帶10支柱混合式結構，共54塊球殼板（尺寸如表3所示），上下極帶、溫帶和赤道帶的分帶角分別為18°、34°和56°，焊縫總長約620m，相比4帶12支柱混合式結構減少了約15%的焊縫長度。

表3 球殼板瓣片幾何尺寸

6.結構的應力分析

應力分析按球罐整體結構和開孔結構的各種工況（如表4所示）分別進行計算。由于球罐氣壓試驗的介質空氣與工作介質天然氣的密度相近，氣壓試驗壓力是設計壓力的1.1倍，應力評定載荷組合系數K=1.1，當設計工況時，如果球罐結構一次應力評定通過，則氣壓試驗工況的結構應力評定也可通過。因此球罐整體結構的分析計算須考慮操作壓力和重力作用下的設計工況、操作壓力和重力與地震力共同作用下的地震工況、1000t盛水試驗工況和操作過程的壓力波動工況。地震力對開孔凸緣部分影響較小，故上、下極開孔凸緣只計算設計壓力作用下設計工況。球罐非受壓構件的強度校核參照鋼制壓力容器相關標準進行計算。

二、球罐的建造技術

1.球殼板現場復檢

表4 球罐分析結構及工況

施工現場復查球殼板曲率、幾何尺寸、球殼板及坡口的表面質量等。單張球殼板板幅較大且安裝現場沒有曲率檢查胎具，因此對剛性較差的球殼板按球形儲罐施工規范規定檢查弧長尺寸。

對球殼板厚度進行抽檢復查（比例不少于20%），每塊球殼板最少應測9個點，實測厚度不得小于名義厚度減鋼板負偏差（43.7mm）。經檢測球殼板最大厚度44.8mm，最小厚度44.0mm，符合設計要求；對球殼板坡口表面進行滲透檢測復檢（比例不少于30%），按JB4730.5標準，Ⅰ級合格；對球殼板進行超聲波檢測復檢（比例不少于30%），按JB4730.3標準，Ⅱ級合格。球殼板的無損檢測復檢結果符合設計要求。

2.組裝技術要點

組裝工藝及精度是保證球罐質量的前提，本項目球罐組裝采用效率高、速度快且應力小的分片散裝法。球罐組裝前須在組裝平臺上完成帶支柱赤道板與下支柱的組焊。球罐組裝過程中，上極帶和上溫帶采用外部組裝方式，赤道帶和下極帶采用內部組裝方式，使用專用工卡具調整球殼板的間隙和錯邊量。球殼板組裝順序為：赤道帶板—下極帶邊板—下極帶側板—下極帶中板—溫帶板—上極帶邊板—上極帶側板—下極帶中板，其中赤道帶的組裝效果對球罐整體組裝質量尤為關鍵，因此在組裝過程中應盡量減小赤道帶上下弦口的尺寸誤差。由于采用了合理的組裝工藝并采取有效的質量管理措施，球罐組裝后幾何尺寸的實測值均符合設計要求（如表5所示），組裝效果理想。

表5 球罐組裝后幾何尺寸檢查結果

3.焊接技術要點

（1）焊接材料

球罐焊接選用J557R高韌性低氫型焊條，焊條按批次進行熔敷金屬的化學成分和力學性能復驗，復驗結果如表6、7所示，符合設計要求。

表6 焊條熔敷金屬化學成分復驗結果 wt%

表7 焊條熔敷金屬力學性能復驗結果

7規定以甘油法測定焊條熔敷金屬中的擴散氫含量（［H］），測定結果為2.07ml/100g，符合設計規定［H］≤2.5ml/100g的要求。

（2）焊接工藝評定及焊接工藝參數

依據文獻8進行了橫焊、立焊、平加仰三種位置的焊接工藝評定,依據焊接工藝評定制定的焊接工藝參數如表8所示。

表8 焊接工藝參數（焊條直徑φ4.0mm）

（3）焊接順序

安排10名焊工進行同步對稱施焊，焊接順序原則為先縱焊縫后環焊縫，先外坡口后內坡口，極板的縱焊縫從中間向兩側焊，縱焊縫的焊道應延至環焊縫的中心。合理的焊接順序和焊工布置有利于減小焊接變形和殘余應力，并有效防止冷裂紋的產生。

（4）焊接施工技術要點

①采用控制焊前預熱溫度、焊接層間溫度、焊后熱處理等措施來防止焊接冷裂紋的產生。焊前預熱溫度不低于125℃。焊接層間溫度不低于預熱溫度且不高于200℃。焊后進行后熱消氫處理，后熱溫度為200～250℃，保溫1h，使得擴散氫充分溢出。

②焊接按焊接工藝規范嚴格執行，嚴禁在球殼板非焊接位置任意引弧和息弧。多層焊各層間的接頭應錯開50mm以上。采用碳弧氣刨清根時，刨槽寬窄均勻呈U型，須徹底清除根部缺陷和定位焊縫，滲透檢測合格后方能施焊。

③在施焊過程中，做到嚴格控制焊接工藝參數，焊接線能量不大于40kJ/cm，并對焊接質量進行跟蹤檢查及時糾偏、記錄。

4.焊后檢查與檢測

（1）焊后尺寸和外觀檢查對焊縫內外表面進行打磨以消除焊波并嚴格控制焊縫余高，對接焊縫打磨至與母材圓滑過渡，角焊縫打磨至與母材呈凹面圓滑過渡。對球罐焊后的幾何尺寸及外觀質量進行全面檢查，檢查結果（表9）符合設計要求。

（2）球罐無損檢測

球罐對接焊縫采用T OFD檢測，按NB/ T 47013.10標準，Ⅰ級合格。T OFD檢測技術相對于射線檢測具有適應厚度大、靈敏度高、對裂紋類缺陷敏感性強、安全環保和效率高等優點。T OFD檢測對焊縫的近表面缺陷不敏感，存在檢測盲區，因此T OFD檢測前須對焊縫表面進行宏觀檢查和磁粉檢測。T OFD檢測時機為焊接36h后，并采用100%超聲波檢測來復核。本項目球罐的T OFD檢測結果的一次合格率超過99.6%，焊接質量達到優良標準。

5.整體熱處理技術要點

采用內燃法進行球罐整體熱處理，恒溫溫度為610±15℃，恒溫時間為2h。溫度400℃以上時，升溫、降溫速度控制范圍分別為50～80℃/h和30～80℃/h。單臺球罐共布置測溫點53個，測溫點均勻布置，間距不大于4.5m，距人孔與球殼板焊縫邊緣200mm以內和產品焊接試板上設置測溫點。熱處理過程中，溫度每變化100℃調整一次柱腳位移，在升溫過程中應向外移動，降溫過程中應向內移動。熱處理完成后，球罐周向和徑向的支柱垂直度偏差均在7mm以內（允差為≤12mm），滿足設計要求。

表9 球罐焊后幾何尺寸檢查結果

6.產品焊接試板

按參考文獻10規定的施焊位置（橫焊、立焊和平焊加仰焊）制備產品焊接試板并進行力學性能試驗，試驗結果均滿足設計要求（其中1臺試驗結果如表10所示）。

表10 產品焊接試板的力學性能及冷彎性能試驗結果

7.基礎沉降和氣壓試驗

整體熱處理合格后和氣壓試驗前，進行球罐基礎沉降觀測試驗，基礎沉降差最大值為4mm（允值為≤10mm），相鄰支柱基礎沉降最大差值為1mm（允差為≤2mm）。氣壓試驗按文獻5中規定執行，試驗介質為潔凈的壓縮空氣，球罐氣壓試驗均一次合格。氣壓試驗合格后，對球殼板上所有焊接部位表面進行100%磁粉檢測，按JB4730.4標準為Ⅰ級合格，滿足設計要求。

三、結語

第一，采用分析設計方法建造的5000m3天然氣球罐比常規設計節省材料12%，在減少了鋼材消耗量的同時降低了設備成本，節能減排。

第二，通過對各種工況的有限元分析及評定，球罐的結構設計、部件尺寸、主體材料選取合理，滿足強度和疲勞要求，本項目球罐設計安全可靠、科學合理。

第三，施工現場焊接受環境因素影響大，嚴格執行焊接工藝、做好焊后檢查和檢測工作是保證球罐質量的重要手段。

第四，由于球罐建造過程中采用了合理的組裝、焊接、熱處理等工藝和有效的質量管理措施，本項目兩臺Q370R鋼制5000m3天然氣球罐質量評定優良，目前已投產并運行良好。

參考文獻：

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[8]NB/T47014-2011.承壓設備焊接工藝評定[S].北京：新華出版社，2011.

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[10]NB/T47016.承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗[S].北京：新華出版社，2011.

TQ 050.2

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1671-0711（2015）10-0056-04

2015-05-13）