大型厚壁不銹鋼衛生級球罐制造組焊關鍵技術

許婧潔 桂軍文

中國化學工程第六建設有限公司 湖北襄陽 441100

目前，國內外市場大型不銹鋼球罐多用于存儲液化天然氣，球殼厚度一般相對較薄。傳統上，各行業中大型厚壁球罐一般采用碳鋼或低合金鋼材質，對于清潔度、耐腐蝕要求較高時，多采用碳鋼或低合金鋼內表面噴涂或復合處理，但其壽命相對較短。隨著人們對健康、環保要求的不斷提高，不銹鋼球罐以其不易銹蝕、清潔環保、壽命長等優點，成為行業未來的發展方向。特別是在食品醫藥等行業，不銹鋼大型厚壁球罐將得到越來越多的應用。

1 項目簡介

某施工項目中有1 臺316L 材質、3590m3環氧丙烷球罐，其土建基礎、采購、制造、組裝到絕熱等由中國化學工程第六建設有限公司（以下簡稱中化六建）總承包。其材質特殊、體積大、球殼厚度大、原材價格高，且整套裝置最終產品衛生等級為食品級，對設備內部清潔度有特殊要求。球罐參數見表1。

表1 球罐參數表

2 重點、難點分析

（1）因原材價格高，需最大限度提高原材料的利用率，以降低成本；

（2）因儲存介質特殊，規范及生產制造工藝對設備接口要求互斥，需采取特殊措施解決；

（3）由于不銹鋼材料塑性及回彈量與常規球罐的差異，需研究球殼板壓制成型精度控制措施；

（4）本工程僅1 臺球罐，需優化各工序銜接，保證各工種、各專業工作連續，以提高施工效率；

（5）因不銹鋼材料特性使其焊縫無損檢測方法不同，而球罐焊接、焊縫無損檢測、絕熱施工等均需腳手架；三者對腳手架要求不同，需整合不同作業對腳手架的要求，減少腳手架反復拆改，提高施工效率；

（6）由于不銹鋼材料特性差異，需優化焊縫結構，采取合理焊接工藝，以降低焊縫應力，減小焊接變形；

（7）因不銹鋼材料晶間結構特性不同，對不同焊縫結構須采取不同無損檢測方法，且保證檢測方法對焊縫質量缺陷的敏感性及準確性；

（8）因食品級不銹鋼材料對防腐及潔凈度要求高，需嚴格控制制造、組裝、焊接清根等施工全過程滲碳污染材質，并采取特殊措施保證設備內部清潔度。

3 關鍵技術

3.1 優化結構設計，提高主材利用率，減小焊縫長度

根據GB/ T17261- 2011《鋼制球形儲罐型式與基本參數》的規定，3500m3球罐混合式結構可采用4 帶10 柱、4 帶12 柱、5 帶14 柱結構。以常用的4 帶12 柱為例，赤道帶球心角50°、上溫帶球心角40°、極帶球心角90°，球殼板焊縫總長約625m，其極板寬度達2.99m。根據市場調查，目前國內鋼廠中厚不銹鋼板最大軋制寬度為2.6m，均無法軋制如此寬的不銹鋼鋼板。如采用五帶十四柱結構，赤道帶球心角39°、溫帶球心角38°、極帶球心角65°，球殼板焊縫總長約793m，其赤道板、極板寬度約2.150m。

根據市場調查，目前國內鋼廠寬度2.6m 以內板幅可定且價格差異不大。針對市場情況，經與設計協商優化，最終采用5 帶12 柱結構，將赤道帶球心角改為45°、溫帶球心角30°、極帶球心角75°，極板球殼板寬度降為約2.49m，滿足了鋼板同訂貨尺寸要求。實際訂貨板幅僅2.33m 及2.52m 兩種，實際球殼板材料利用率（球殼表面積/ 實際訂貨面積）為87.35%，材料利用率遠大于規范中結構，僅主材訂貨成本費一項節約達82 萬元。同時球殼板焊縫總長降為578m，大幅減少焊材用量、焊接量、焊縫酸洗及無損檢測等成本費用，節省了球罐現場安裝時間，綜合經濟效益顯著。優化后5 帶12 柱結構尺寸示意圖見圖1，球罐結構形式及優劣勢對比見表2。

圖1 優化后5 帶12 柱結構尺寸示意

表2 球罐結構形式及優劣勢對比

3.2 與國家標準對接，解決規范及生產工藝對設備接口要求互斥問題

標準GB/ T 12337- 2014《鋼制球形儲罐》5.6.5 條“盛裝毒性程度為極度或高度危害介質的球罐，進出口應在上極開孔。經與國家鍋標委對接，其主要目的是防止重大地質災害導致進出口管拉斷破裂時，毒性介質會大量溢出，造成二次災害性后果。

環氧丙烷具有自聚特性，有在球罐下部停滯區產生自聚引發爆炸的風險。如果球罐液體出口開在上極，無法通過泵將液體從球罐抽出，導致泵產生嚴重的氣縛和氣蝕，不能保證裝置的長周期安全穩定操作運行。且球罐現場組焊等施工作業也必須從下人孔進入。

為解決以上兩方面要求互斥問題，經業主、設計、監理、施工會商，決定采取以下措施：

（1）罐底中心設置人孔，人孔蓋采用反向法蘭型式，反向法蘭小端焊接出口接管，人孔法蘭與人孔蓋（反向法蘭）采用焊接密封；

（2）球罐所有管口及儀表端口壓力都設計為300lb；（3）球罐外圍設置圍堰；

（4）提高應力計算地震烈度計算，地震烈度由1.3提高到2.0。

通過以上措施，既能避免重大地質災害造成二次災害性后果，又能滿足制造和檢修的需要，也避免了人孔中的環氧丙烷介質不流動，且不會產生嚴重的氣縛和氣蝕，保證裝置的長周期安全穩定操作運行。經報請鍋標委組織專家審核批準，成功解決了規范及生產工藝對設備接口要求互斥問題。

3.3 以球罐組裝精度控制為目標，通過模擬試驗，優化工藝及質量控制措施

由于大型厚壁不銹鋼球罐目前國內外應用很少，其球殼板壓制時的回彈量、模具設計、壓點布置及球殼板移動量等參數，均無成熟的可借鑒的經驗。經與制造商對接，綜合多方經驗，制定了多層次、多點數的壓片工藝方法。為提高壓制精度，先用一塊2.52m×2.5m×0.024m 的同批鋼板樣品進行試壓制。試壓時按正向橫壓、縱向壓、反向橫壓、整體調整復壓校形四遍成型；前兩遍施壓不壓到底，每遍分多級施壓，每級施壓均準確記錄壓力、變形量、回彈量、鋼板外形伸縮量，并據以調整后續施壓參數。通過試制，準確掌握了不銹鋼球殼板壓制壓力和回彈量的關系比及相關技術參數，為模具設計、壓點布置、球殼板移動量提供了可靠依據。根據試壓時鋼板外形伸縮量，準確計算下料尺寸。

根據球殼板試壓制結果，選擇了兩次下料、三遍壓制成型、整體復壓校形的球殼板壓制方法，始終以球罐的組裝精度為球殼板制造的控制目標。規定球殼板制造的順序，加大檢驗樣板尺寸，且每種球殼板的檢查結果作為下一種球殼板制造時公差確定的前提，制訂出從模具設計、壓點布置、球殼板移動量、精確下料樣板制作、極板Y 形縫精度控制、累積偏差控制等一整套球殼壓制工藝技術線路。實現了球殼壓制精度控制目標，最終球殼板曲率用2.5m 樣板檢測，最大偏差均小于0.002m。

3.4 研發設計一種特殊掛架，保證各工種各專業工作連續以提高施工效率

本工程僅1 臺球罐，各工種作業無法按照傳統的方法通過多臺球罐切換實現各工種連續作業。為此，中化六建利用現場已有的不銹鋼定位塊、腳手桿、圓形楔子等材料設計制作了一種掛架。地面預安裝在球殼板上并隨球殼板吊裝后，利用此掛架而不依賴滿堂內外腳手架即可完成球罐組裝及精度調整。同時，內外腳手架可在組裝調整過程中穿插完成，從而保證腳手架搭設、球罐組裝、調整、焊接均能連續進行，避免窩工，極大提高了施工效率。掛架結構形式見圖2、優化后的施工程序見圖3。

圖2 掛架與球殼板連接結構形式

圖3 優化后的施工程序

（1）根據球罐外形、焊縫布置及球殼板尺寸，確定掛架安裝位置，計算確定掛架耳板與水平桿夾角。用卡扣連接并調整掛架拉桿、斜撐長度，保證耳板與球殼板貼合。球殼板吊裝就位后水平桿處于水平方位，確保施工作業平臺穩定和安全。

（2）球殼板吊裝前，在地面將三角掛架安裝在球殼板上。掛架安裝受力點用球罐同材質定位塊，與球殼板滿焊。耳板用不銹鋼板制作，中間開設與定位外形相適應的方孔，并與水平桿焊接。定位塊與耳板間用圓楔固定。掛架其他材料用Φ48m×3.5m 鍍鋅鋼管，再用卡扣連接并調整掛架拉桿、斜撐長度，上鋪鋼跳板并用鍍鋅鐵絲固定。

（3）為了方便球罐的組裝，球罐赤道帶板吊裝前先搭設外架至赤道帶板上口位置。

（4）為了便于球罐赤道帶板組裝調整，下溫帶及下極帶殼板的掛架安裝在罐內側，上溫帶及上極帶殼板的掛架安裝在罐外側。隨各帶板吊裝，將各排掛架用跳板連接成一體，以方便通行。

（5）下溫帶及下極帶殼板組裝的同時，外腳手架繼續搭設到球罐最高點相適應的高度。下溫帶及下極帶殼板組裝完成后，開始搭設下溫帶及下極帶外架，同時開始吊裝組裝上溫帶及上極帶殼板。外架完成后將外架與掛架聯接，用三防布覆蓋，要求達到防火、防風、防雨，滿足焊接及無損檢測的要求。各部位外加搭設時，同步搭設斜梯及休息平臺安全通道。

（6）球罐組裝完成后，將腳手架材料自罐底部人孔輸送至罐內，并在罐頂人孔處設置吊裝滑輪提升，完成球罐內腳手架的安裝并鋪設跳板。

3.5 整合不同作業對腳手架的要求，減少腳手架反復拆改，提高施工效率

根據規范要求，對于奧氏體型鋼制球罐的對接焊接接頭應優先采用射線檢測，其他材料制球罐應優先采用衍射時差法超聲檢測；不宜采用Y 射線全景曝光射線檢測；且不銹鋼球罐因材料晶粒粗大等致使其焊縫無損檢測方法多采用X 射線定向曝光。而大型厚壁不銹鋼球罐所需X 射線機及其移動小車尺寸較大，重量較重，要求球罐內外腳手架均不能影響X 射線機及其移動小車移動。而球罐組裝焊接、絕熱施工對腳手架需求也各有不同。為此，需要整合各專業的需求對腳手架進行優化，見圖4。

圖4 球罐內部腳手架搭設示意圖

（1）內腳手架采用滿堂紅形式搭設，總共10 層，底層以下人孔為中心，邊長6m 的正方形為基本架構，每邊設置4 根立桿。立桿相互間用掃地桿相連。而后以橫桿及斜撐的形式向外擴展立桿，間距約1.7m。橫桿延長至球殼板內表面，以用做鍍鋅跳板的支撐。每層均用橫桿相連接。

（2）外腳手架與防護棚連為一體，采用雙排結構為基本架構，按照球罐總高度進行分層搭設。第一層在距下方環縫約1m 的下方搭設一層腳手架，根據小橫桿的長度加搭斜支撐，每層的層距不高于1.8m，依次類推，在片架搭設過程中逐層搭設操作平臺。腳手架外部用阻燃篷布進行覆蓋，要求達到防風、防雨及防墜落目的。

（3）球罐上半部無損檢測采用從外向內透照，下半部無損檢測采用從內向外透照。因此要求球罐上半部外架、下半部內架所有桿件及扣件距離焊縫橫向距離大于0.2m，豎向距離大干0.4m。為滿足絕熱施工需要，外架與球殼板外表面距離為0.15m。

3.6 采取合理焊接工藝，降低焊縫應力，減小焊接變形

3.6.1 控制材料鐵素體含量

316L 不銹鋼在焊接中的主要問題是焊縫和熱影響區的熱裂紋及耐蝕性。奧氏體不銹鋼母材和焊材中一定數量的鐵素體對防止焊接熱裂紋、提高焊縫抗晶間腐蝕和應力腐蝕能力都有十分重要的作用，但在一些特定的環境，如高溫、超低溫及選擇腐蝕環境，又有不利作用。綜合考慮本工程焊接及抗晶間腐蝕和應力腐蝕要求，增加了原材料及焊接材料中鐵素體含量3%～8%的控制要求。

3.6.2 優化焊縫結構

采用X 型不對稱坡口，以減小焊縫截面尺寸。對于下溫帶下極帶之間焊縫及下溫帶與赤道帶之間焊縫，采用同大外小的X 型不對稱坡口，其他焊縫采用同小外大的X 型不對稱坡口，減少仰焊工作量。

3.6.3 制訂合理焊接工藝

根據焊接工藝評定，焊條應采用直流電源、焊條接正極，可進行全位置焊接，嚴格控制焊接線能量不超過32kJ/ cm。施焊時，采用窄焊道、薄層多層焊。所有焊縫第一層焊道均采取分段退焊法。先焊接縱向焊縫，后焊接環向焊縫。焊縫外部全部焊完后，進行內部清焊根，并經滲透檢測合格后再焊焊縫內部。極板的縱縫從中間向兩側焊。球罐焊縫焊接參數見表3。

表3 球罐焊縫焊接參數

3.7 針對不銹鋼材料晶間結構特性，對不同焊縫結構需采取不同無損檢測方法

（1）球殼厚度為24～28mm，其C、D 焊接接頭因為結構特點、透照角度、貼片位置等原因（均為角焊縫）難以進行射線檢測，清晰度、缺陷檢出率均不能達到效果。鑒于以上實際情況，經設計審定，取消C、D 類焊縫RT 檢測要求，改為分層PT 檢測。

（2）支柱對接焊縫因結構型式所限，經設計審定，取消UT 檢測要求，改為分層PT 檢測。

（3）球殼板及接管對接焊縫采用X 射線檢測。

3.8 應用因素分析法，全面分析影響設備內部清潔度因素，并制訂相應控制措施

3.8.1 通過對比及試驗，消除焊縫碳弧氣刨清根所帶來的滲碳污染及其他不利影響

不銹鋼焊縫背面清根有手持砂輪機和碳弧氣刨兩種方法。使用手持砂輪機清除奧氏體不銹鋼焊縫缺陷及清根，能滿足設備內部清潔度及抗腐蝕性能。但由于奧氏體不銹鋼材料塑性強，打磨困難，需耗費大量人力及資源，同時焊縫缺陷極為不易發現。采用碳弧氣刨工藝進行焊縫背面清根具有高效、快捷、方便、易操作，以及氣刨過程中容易發現焊縫缺陷的特點。但對于不銹鋼球罐焊縫特別是超低碳不銹鋼，采用碳弧氣刨處理奧氏體不銹鋼材料焊縫容易帶來不可接受的風險，例如表面滲碳、夾碳；二次受熱引起材料變形；熔渣飛濺造成板材滲碳污染；引起焊縫及母材晶間變化，降低材料耐腐蝕性。綜上分析，消除焊縫碳弧氣刨清根所帶來的滲碳污染及其他不利影響，是保證設備內部清潔度及滿足抗腐蝕要求的關鍵因素。

為研究碳弧氣刨清根對焊縫的影響，利用球殼板下料邊角料現場制作了多組條形試板對碳弧氣刨清根進行試驗和驗證。根據現場球殼板對接焊縫結構尺寸，選擇4×355 的碳棒，分別采用140A、160A、180A、200A、220A電流分段進行試刨，觀察發現，采用電流140A 時電弧不穩，易產生夾碳缺陷；采用電流160～200A 時，隨著氣刨電流增大，刨寬刨深有所增加，且刨槽光滑；當采用電流220A 時，碳棒易發紅，鍍銅皮有脫落形成銅斑現象。試刨時，用測溫槍檢測刨槽表面溫度發現，雖然氣刨電流與焊接電流相比較大，但因奧氏體不銹鋼導熱系數小，碳弧氣刨產生的熱量很快被壓縮空氣吹走，其表面溫度約120℃左右，遠低于焊接時焊縫溫度及普通碳鋼合金鋼氣刨時溫度，因此氣刨對不銹鋼焊縫并無變形等二次受熱影響。通過進一步對試樣切割打磨測量發現，采用電流160～200A時，其滲碳層厚度為0.1～0.2mm；采用電流140A 和220A 時，其滲碳層厚度0.2～0.4mm,使用手持砂輪機完全可以清除輕易滲碳層。

采用同樣方法，選擇5×355 的碳棒，采用電流180～220A 時，可獲得理想光滑的刨槽。其滲碳層厚度均在0.3mm 以內，使用手持砂輪機完全可以清除輕易滲碳層。

通過試驗，現場確定了氣刨后再用手持砂輪機打磨0.3mm 的焊縫清根工藝。清根后，試樣經化學成份分析及晶間磨蝕試驗證實，無滲碳及晶間耐磨蝕性能變化。極大地提高了焊縫清根效率，又消除焊縫碳弧氣刨清根所帶來的滲碳污染及其他不利影響。焊縫清根工藝參數見表4。

表4 焊縫清根工藝參數

3.8.2 通過過程控制，避免不銹鋼材料與碳素鋼接觸產生滲碳、污染、損傷等

（1）球殼板壓制過程，球殼板與下模具鋪設牛皮紙隔離，球殼板與壓制胎具間用不銹鋼皮隔離；

（2）腳手架全部采用鍍鋅材料，防止鐵銹污染，腳手桿與球殼接觸處用不銹鋼薄板隔離；

（3）定位塊等所有需與球殼焊接的工裝件均用不銹鋼制作，定位卡具、楔子均噴砂除銹并刷漆處理；

（4）焊縫在焊接及氣刨前兩側涂刷白堊粉，防止飛濺污染，焊后用酸洗膏酸洗并清除干凈；

（5）試壓用水采用脫鹽水，嚴格控制水質；氣密采用潔凈干燥無油的壓縮空氣；

（6）投用封閉前整體用化學噴洗并干燥。

綜上所述，通過以上關鍵技術的實施，實現了良好的工程經濟效益。