2000m3液氨球罐設計方案確定的淺析

安贏（云南化工設計院有限公司，云南 昆明 650041）

1 設計、制造與檢驗標準的確定

球罐是一種儲存帶壓氣體或者液體的大型儲罐，球罐與圓筒容器(即一般貯罐)相比，在相同直徑和壓力下，殼壁厚度僅為圓筒容器的一半，鋼材用量省，且占地較小，基礎工程簡單。但由于容積大，需要制造廠成型及組焊單位現場組裝焊接，制造、焊接和組裝要求很嚴，檢驗工作量大，制造技術復雜。為確保球罐的安全使用，設計、制造及檢驗等的工作就顯得非常重要。

目前我國壓力容器設計、制造、檢驗所遵循的規范標準主要有GB150-2011《壓力容器》、GB12337-2014《鋼制球形儲罐》、TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》。

2 球罐主體方案的確定

2.1 介質特性

氨，是一種無色，有刺激性氣味的氣體，中毒危害，吸入體內會使人昏迷、嘔吐、甚至于窒息死亡。氨火災爆炸危險性為乙類，在空氣中的爆炸極限為15%-28%，在氧氣中的爆炸極限為13.5%-79%，很容易遇明火發生爆炸。氨的臨界溫度132.4℃，通過加壓或者降溫，可以將其從氣態變為液態。通常液氨儲罐就是利用加壓，使氨變成液態來進行儲存的。氨有非常廣泛的用途，主要用于生產尿素、硝酸及其他化學肥料，還可用作醫藥和農藥的原料。

2.2 設計參數

用戶為甘肅甕福化工有限責任公司新建一臺2000m3的液氨球罐，工作壓力0.3～1.44MPa，設計壓力1.6MPa，工作溫度-2～39℃，設計溫度為43℃，屬于三類壓力容器。操作介質為中度危害，腐蝕裕量3.0mm，焊接接頭系數1.0

全容積2026m3 ，充裝系數 0.9，最大允許工作壓力1.67MPa，設計基本風壓 0.9KN∕M2，設計雪壓值0.25KN∕M2 ，抗震設防烈度7度(0.15g)，保冷層厚度100mm 。

2.3 球罐材料的確定

選擇球罐受壓元件用材時，不光考慮球罐的使用條件（如設計溫度、設計壓力、物料特性等）和材料的性能（力學性能、工藝性能、化學性能及物理性能），而且還要考慮球罐的制造工藝、組焊要求以及經濟上的合理性。HG∕T20581-2011《鋼制化工容器材料選用規定》中規定液氨應力腐蝕環境中使用碳鋼及低合金鋼應滿足：材料標準規定的下屈服強度Rel≤355MPa；材料實測的抗拉強度Rm≤630MPa；材料使用狀態應為正火或正火+回火、退火、調質狀態。芬蘭國家的規范中明確指出：推薦盛放液氨的壓力容器用屈服強度最大值為350Mpa 的鋼制作，屈服強度超過450MPa 的鋼不適用于制造盛放液氨的壓力容器。

目前，我國球罐主要受壓元件采用Q245R，Q345R，Q370R，07MnMoVR。

用Q245R 材質的話，其設計名義壁厚比較大，同時厚度大于36mm時，抗拉強度僅為400MPa。球殼用鋼板厚度不宜大于50mm。同時結合用材的經濟性，壁厚增加會導致使用材料的增加，經濟性低于其他材料。

Q345R是比較常用的球殼材料，具有較好的機械性能和焊接性能。通過計算的話，名義厚度為44mm，抗拉強度可達到490MPa，并且滿足HG29581-2011中的相關規定。

Q370R材質在強度和韌性方面均優于Q345R，焊接和抗硫化氫應力腐蝕方面比Q345R要弱，經濟性比Q345R差。

07MnMoVR 材質，抗拉強度在610MPa，加工成型和焊接性能非常好，但是該種材料抗液氨、硫化氫等介質的應力腐蝕性能比較低，不適用于制造液氨球罐，并且不滿足HG29581-2011中的相關規定。

綜合考慮，最終確定本液氨球罐的球殼板采用Q345R 鋼材。使用狀態為正火狀態，鋼板應逐張進行100%超聲檢測，質量等級不低于II 級。同時每組抽取3 個標準試樣，進行夏比V型缺口沖擊試驗，試驗溫度為-20℃，允許1 個試樣的沖擊功數值低于規定值，但不得低于規定值的70%。鍛件采用16Mn，同樣進行沖擊試驗，試驗溫度-20℃，實驗方法及沖擊功值按NB47008-2017的規定。

2.4 球罐結構的確定

球罐球罐內徑15700mm，幾何容積2026m3，赤道中心到支座地板的距離為9800mm。根據GB12337-2014《鋼制球形儲罐》以及國家容標委壓力容器計算軟件進行反復的輸入數據計算得出最佳以及最經濟壁厚。考慮鋼板的厚度負偏差及腐蝕裕量后，向上圓整至剛才標準規格的厚度，即名義厚度。本液氨球罐最終得到的名義厚度為44mm。

球殼分塊的原則：幾何尺寸盡量大；選擇合適的赤板，提高材料的利用率；規格要少，互換性要好；盡可能的縮短焊縫長度。根據上述原則，本球罐結構為混合式份3 帶10 支柱，上級分7片，赤道帶分20片，下級分7片。各帶球心角∕快數：上下級中板 21.5°∕2，上下級側板 21.5°∕4，上下級邊板 21.5°∕8，赤道板72.5∕20。設置支柱10根。

3 焊接的確定

3.1 焊接材料的選擇

用于制造球罐受壓元件的焊接材料應符合NB∕T47018.1的規定，用于制造球罐受元元件的焊條應符合NB∕T471018.2的規定，焊條規程采用NB∕T47015-2011《壓力容器焊接規程》。球殼的焊縫以及直接與球殼焊接的焊縫選擇用低氫型藥皮焊條，并進行熔敷金屬擴散氫含量復驗。

本液氨球罐母材是Q345R、16Mn，焊條采用E5016-G；母材Q235-B、Q235B 與Q345R，焊條采用E4315。熔敷金屬擴散氫含量≤4.0ml∕100g。

3.2 焊后的熱消氫處理

由于本液氨球罐的球殼厚度為44mm，對于球殼對接焊縫以及嵌入式接管與球殼的對接焊縫在焊后需進行熱消氫處理，后熱溫度宜為200～250℃，后熱時間應為0.5h～1h。

4 檢測的確定

檢測主要有焊縫的檢測、熱處理、水壓試驗以及氣密性試驗。

4.1 焊縫檢測

焊縫檢測的標準嚴格執行NB∕T47013-2015。由于本球罐的介質為液氨，球殼板采用的Q345R，球殼厚度為44mm，因此，應對球殼的對接焊接接頭，DN≥250mm 的接管與接管對接接頭，接管與法蘭的對接接頭進行100%TOFD檢測，檢測等級為C級，合格級別不低于II 級。檢測合格后，每條對接焊縫還應進行100%超聲檢測，檢測等級B 級，合格級別不低于I 級。球殼板周邊100mm的范圍內應按JB∕T4730.3的規定進行超聲檢測，質量等級不低于II級。在熱處理前和水壓試驗后，對所有焊縫進行MT-100%檢測，合格級別不低于I級。

4.2 焊后熱處理

根據球罐的材料及焊接結構厚度要求確定，本液氨球罐應在耐壓實驗前進行焊后熱處理。熱處理應嚴格按照GB∕T30583-2014《承壓設備焊后熱處理規程》要求進行。爬梯及保冷釘等預焊件應在熱處理前焊好，熱處理后，不允許再在球殼上動火施焊。

4.3 水壓試驗及氣密性試驗。

熱處理后應2.0Mpa 的表壓進行水壓試驗。水壓試驗合格后再以1.6Mpa表壓進行氣密性試驗。

5 涂敷

球罐外側表面應除銹，除銹后鋼材表面等級不低于St2 級或者Sa2級為合格，并涂防銹漆兩遍。設備油漆、包裝及運輸均應按JB∕T4711-2003《壓力容器涂敷與運輸包裝》的規定進行。

本球罐采用除銹后鋼材表面等級為St3 級，并涂冷底子油兩道。球罐支柱外表面涂刷薄型鋼結構防火涂料，耐火等級2級，耐火時間2.5小時。