Q370R鋼制4000m3丙烯球罐建造技術

李云福 郭春光 王 林

（合肥通用機械研究院有限公司）

隨著我國工業的持續快速發展，對丙烯的需求量逐年增加。 為使石油化工裝置的經濟性持續提高，常溫儲存丙烯的球形儲罐（簡稱球罐）已趨于大型化、高參數方向發展。 近年來，基于材料技術、焊接技術、制造和安裝技術的不斷發展進步，國內對大型球罐的國產化能力有了極大的提高。筆者就Q370R 鋼制4 000m3丙烯球罐建造技術進行了簡要介紹。

1 球罐的概況

球罐本體采用 Q370R 鋼板制造［1］，主要設計參數如下：

公稱容積 4 000m3

球罐內徑 19 700mm

設計壓力 2.16MPa

設計溫度 -20/50℃

腐蝕裕量 1.5mm

裝量系數 0.9

儲存介質 丙烯

介質密度 575kg/m3

防震烈度 7 度（0.10g、第 1 組）

場地土類別 Ⅱ類

基本風壓 400Pa

地面粗糙度 B 類

基本雪壓 350Pa

球罐為四帶十二支柱（62 塊瓣片）混合式結構，分帶角為赤道帶 50°、溫帶 40°、極帶 5×18°，縱環焊縫總長637 105mm， 球殼板名義厚度56mm，總體結構如圖1 所示。 設計、 建造遵循 TSG R0004—2009 《固定式壓力容器安全技術監察規程》［2］，JB 4732—1995 （2005 年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》［3］，GB 12337—2014《鋼制球形儲罐》［4］，GB 50094—2010《球形儲罐施工及驗收規范》［5］。 球殼板數量少、材料利用率高、能節省較多焊接材料、降低焊接工作量和產生缺陷的概率，提高球罐安全可靠性，維護、檢修方便。

圖1 球罐總體結構示意圖

2 球罐本體建造材料

2.1 鋼板

Q370R 鋼板交貨狀態為正火， 強度較高、沖擊韌性好、焊接性能穩定，是近年來球罐建造使用最為普遍的材料，較高強度調質鋼板，具有更好的抗H2S 應力腐蝕能力。

按設計技術要求， 鋼板應進行力學性能復驗，抗拉強度 Rm不小于 520~620MPa、-20℃沖擊吸收能量KV2≥67J、并增加在1/2 板厚取樣沖擊試驗KV2≥60J。 62 塊鋼板100%復驗結果為Rm最低548MPa、最高612MPa，-20℃按標準取樣沖擊吸收能量 KV2最低 176J、最高 252J，-20℃在1/2 板厚取樣時 KV2最低 108J、最高 127J。

2.2 鍛件

Q370R 鋼板按分析設計，配套鍛件為20Mn-MoD［6］，供貨狀態為調質。 按設計技術要求，鍛件應進行力學性能復驗， 抗拉強度Rm不小于530~700MPa、-40℃沖擊吸收能量 KV2≥60J。 鍛件100%復驗結果為Rm最低543MPa、最高625MPa，-40℃時 KV2最低 106J、最高 131J。

2.3 焊條

采用與Q370R 相匹配的J557R 高韌性低氫型焊條。 按設計技術要求，焊條應進行力學性能和熔敷金屬擴散氫含量（［H］）的測定復驗，抗拉強度 Rm不小于 530~650MPa、-40℃沖擊吸收能量 KV2≥60J，按 GB/T 3965—2012［7］水銀法測定，［H］≤7.0mL/100g。 焊條規格為 φ4.0mm，按批復驗結果為 Rm最低 550MPa、 最高 597MPa，-40℃時KV2最低 88J、最高 105J，［H］最低 5.3mL/100g、最高6.4mL/100g。

3 現場安裝組焊

3.1 球殼板坡口

球殼板坡口按設計要求為不對稱的X 形（圖2），外側焊接環境相對較好，外側焊接工作量也相對較大，制造單位火焰切割后坡口表面采用砂輪打磨出金屬光澤， 徹底清除坡口熔渣與氧化皮，經 100%磁粉檢測［8］，Ⅰ級合格，并涂上可焊性涂料。

圖2 球殼坡口型式和尺寸示意圖

3.2 球殼板現場驗收

為避免組裝后出現問題，影響工期，造成不必要的經濟損失，球罐安裝前，現場嚴格按設計圖樣和設計技術要求對球殼板曲率、 幾何尺寸、坡口表面質量、球殼板厚度和超聲檢測［9］進行檢測，結果均滿足設計技術要求。

3.3 球罐組裝技術

組裝工藝和組裝后瓣片之間間隙精度是保證球罐組焊質量的前提。 本項目球罐組裝采用分片散裝法，其優點是效率高、速度快、組裝應力小。 組裝時，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，使用脊背式工卡具調整球殼板的間隙和錯邊量，點焊固定后工卡具可起到防止焊后變形的作用。 組裝后幾何尺寸檢測結果見表1。

表1 球罐組裝后幾何尺寸檢測結果 mm

3.4 焊接工藝評定

按 NB/T 47014—2011［9］標準相關規定，對厚度56mm 的Q370R 鋼板分別進行立焊、橫焊、平+仰焊3 種位置的焊接工藝評定，評定合格后的工藝參數為焊條直徑4.0mm，平焊、橫焊焊接電流140~180A，立焊、仰焊焊接電流130~160A。 不同焊接位置下的焊接線能量見表2。

表2 各種位置下的焊接線能量 kJ/cm

3.5 球殼板焊接順序

為使球罐焊接有利于減少焊接變形和殘余應力，焊接時安排12 名焊工同步對稱施焊，各焊工的焊接速度力求一致。 施焊順序為先焊縱縫后焊環縫，外部焊縫全部焊完后，進行內部清根，并經滲透檢測［9］合格后再焊內部焊縫；極板的縱焊縫從中間向兩邊焊。 具體焊接順序為：赤道帶縱縫外側、溫帶縱縫外側、上極帶縱縫外側、下極帶縱縫外側、上環縫（大小兩條）外側、下環縫外側、赤道帶縱縫內側、溫帶縱縫內側、上極帶縱縫內側、下極帶縱縫內側、上環縫內側、下環縫內側。

3.6 球殼板施焊要點

控制焊前預熱溫度、焊接層間溫度及焊后消氫處理等措施以避免焊接冷裂紋的產生。 按設計技術要求：預熱溫度不低于100℃；層間溫度不低于焊前預熱溫度； 消氫處理， 后熱溫度 200~250℃、保溫1h，使擴散氫充分溢出。 焊工應嚴格按焊接工藝規范進行，不得在非焊接位置任意起弧或息弧。 焊道終端應將弧坑填滿，每一層焊道焊完后，應將焊渣清除干凈，并采用砂輪將焊瘤打磨至與焊層齊平后，方可進行下一層焊道的焊接，每一焊道寬度不大于16mm（焊條焊芯φ4mm的4 倍），每一層焊道的厚度不超過3.5mm，并對質量進行跟蹤檢測，及時糾偏和記錄。 多層焊各層間的接頭錯開50mm 以上。 外側焊接后采用碳弧氣刨法清焊根時，進行不低于100℃預熱，刨槽寬窄均勻呈U 形，徹底清除缺陷和定位焊，并滲透檢測［8］Ⅰ級合格后方可進行內側施焊。

3.7 焊縫表面的形狀尺寸及外觀要求

按設計技術要求， 焊縫表面不得有裂紋、咬邊、氣孔、弧坑及夾渣等缺陷，且不得保留熔渣與飛濺物。 焊縫表面須采用砂輪打磨消除焊波；球罐焊縫余高應嚴格控制，焊縫表面須磨平；具體操作時，焊縫外表面焊縫余高為0.0~1.5mm、內表面焊縫余高為0.0~0.5mm，并不低于母材；對接焊縫打磨至與母材圓滑過渡，表面不得有急劇的形狀變化，角焊縫與母材呈凹面圓滑過渡。

3.8 焊后球罐幾何尺寸檢測

焊縫內外表面采用砂輪打磨消除焊波，嚴格控制焊縫余高，打磨至與母材圓滑過渡。 對焊后幾何尺寸和外觀質量進行全面檢測， 實測結果（表3）滿足設計技術要求。

表3 球罐組焊后幾何尺寸實測值 mm

4 焊后無損檢測

按設計技術要求，焊縫表面的形狀尺寸及外觀檢查合格后，方可進行無損檢測。 從事無損檢測的人員，需持有有效期內相應類別的“特種設備檢驗檢測人員合格證”， 無損檢測應在焊接結束 24h 后進行。 按照 JB 4732—1995 （2005 年確認）［3］要求，無損檢測必須由持有相應類別的Ⅱ級或Ⅲ級資格證的人員擔任。

球殼對接接頭焊后 （整體熱處理前） 進行100%衍射時差法超聲檢測 （TOFD）， 按 NB/T 47013.10—2010［10］標準Ⅱ級合格；再進行 100%超聲檢測， 技術等級不低于 B 級， 按 JB/T 4730.3—2005［8］標準 I 級合格；球罐整體熱處理前和水壓試驗后，分別對制造和安裝過程中球殼板上的所有焊接部位 （包括球殼板對接焊縫的內、外表面、與球殼板焊接形成的角焊縫、工卡具清除后的焊跡部位及其熱影響區） 進行表面100%的磁粉檢測 （內表面應采用熒光磁粉）， 按JB/T 4730.4—2005［8］標準Ⅰ級合格。

5 整體熱處理技術

焊后整體熱處理是為了消除球罐組裝和焊接的殘余應力， 改善焊接接頭和熱影響區的組織和性能，降低硬度、提高塑性和韌性，進一步釋放焊縫中的有害氣體，防止焊縫的氫脆和裂紋的產生。

現場采用內燃法進行球罐整體熱處理，按設計技術要求，熱處理溫度為610℃±15℃、恒溫時間2.5h。 溫度處于400℃以上時，升降溫速度宜控制在 50~80℃/h 和 30~50℃/h； 溫度達到 400℃以下時方可自然冷卻。 整體熱處理工藝曲線示意如圖3 所示。 共布置測溫點61 個（含產品焊接試板3 塊3 個點），基本均勻布置，間距不超過4.5m，距人孔和球殼板焊縫邊緣200mm 以內及3 塊產品焊接試板上均設置測溫點。 實際熱處理溫度控制為596~625℃， 在400℃以上升降溫過程中，相鄰兩測溫點的溫差均小于112℃， 滿足不大于130℃的設計技術要求； 保溫層外表溫度最高53℃，滿足不高于60℃設計技術要求。 熱處理過程中，升溫膨脹支柱向外移動，降溫收縮支柱向內移動， 熱處理過程溫度每變化100℃調整一次支柱底板位移約14mm。

圖3 整體熱處理工藝曲線

6 產品焊接試板

焊工由安裝單位的檢驗部門指定，采用與施焊球殼板時相同的條件和焊接工藝。 試板焊后焊縫應經外觀檢查合格后，再經 100% TOFD 檢測［10］和 100%磁粉檢測［9］合格，并與球罐一起進行整體熱處理。 試板的拉伸和彎曲試驗的試樣制備、試驗方法等按 NB/T 47016—2011［11］標準規定。試驗數據見表4，滿足設計技術要求（-20℃沖擊吸收能量平均值大于34J）。

表4 產品焊接試板的力學性能和彎曲性能

7 水壓試驗和氣密性試驗

球罐整體熱處理后，按 GB 50094—2010［5］依次進行水壓試驗和氣密性試驗。 水壓試驗過程中檢查無泄漏，無可見變形，無異常響聲，結果為合格；氣密性試驗過程中檢查無泄漏，結果為合格。

球罐在充放水過程中， 進行基礎沉降觀察，每個支柱基礎測量了沉降量。 放水后，實測基礎沉降差不大于5mm（允差為不大于12mm），相鄰支柱沉降差最大為1mm（允差不大于2mm）。

8 結束語

介紹了Q370R 鋼制4 000m3丙烯球罐總體結構及建造過程中關鍵質量控制點，嚴格按設計技術要求和相關標準要求實施產品的制造及現場安裝作業，確保球罐的質量達到設計技術要求和應遵循標準要求，保證球罐產品的高質量。 該項目丙烯球罐交付使用至今運行良好，保障了企業的正常生產。