袁 浩 王 敏 張少華

(合肥通用機械研究院)

以往國內(nèi)鋼鐵企業(yè)在建造高壓氣體(氧氣/氮氣)球罐時，大多數(shù)建造容積會處于200～650m3之間，選用的材料多為16MnR鋼板，之前也有鋼企采用07MnCrMoVR鋼板建造過容積達1 000m3的氮氣球罐。2008年，合肥通用機械研究院為馬鞍山鋼鐵股份有限公司設計并制安了3臺球罐，包括兩臺1 000m3的氧氣球罐、一臺1 500m3的氮氣球罐，均選用07MnCrMoVR材料，設計壓力為3.0MPa；球罐采用應力分析進行設計，選取三帶八支柱混合式的結(jié)構(gòu)模式，縮短了球罐本體的焊縫長度；選用國產(chǎn)07MnCrMoVR調(diào)質(zhì)鋼，設計壁厚為48mm，與以往采用的材料相比，既減小了焊縫和壁厚的厚度，又節(jié)約了制造和安裝成本。筆者結(jié)合本項目的主要構(gòu)思與技術方案，對其中一臺1 500m3的氮氣球罐用材料的性能以及球罐的設計、制造、安裝等過程進行了介紹。

1 主要構(gòu)思與技術方案

以我國現(xiàn)有法規(guī)和最新標準為基礎，希望通過本次項目探索和研究，嘗試采用國內(nèi)最新材料、焊接工藝、檢驗檢測手段、各類機械加工技術及試驗方法等成熟研究成果，再通過對設計方案對比、應力分析、力學結(jié)構(gòu)、球殼板分瓣布置、技術條件的制定及焊接參數(shù)的選取等，在保證可靠安全的前提下，最終完成1 500m3容積高壓氮氣球罐的建設。主要思路是：針對高壓力參數(shù)氣體球罐進行技術分析→球罐用鋼以及焊接技術、熱處理技術的研究→高壓力參數(shù)球罐設計技術的研究→完成1 500m3氮氣球罐結(jié)構(gòu)設計→應力分析計算→施工圖紙設計，并編制出配套的《高壓力參數(shù)氮氣球罐制造、安裝技術條件》→完成高壓力參數(shù)1 500m3氮氣的制造、現(xiàn)場安裝及檢測、試驗的工作→完成球罐工程的建設。

2 鋼制球殼板材料及其配套焊接材料

2.1球殼板材料化學成分和力學性能

通過對比國內(nèi)幾家鋼廠，最終球殼板材料采用寶鋼生產(chǎn)的07MnCrMoVR鋼板[1]，該鋼種通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會的認證，在我國可以作為-20℃用鋼使用。07MnCrMoVR鋼板的化學成分和力學性能要求分別見表1、2。

表1 07MnCrMoVR鋼板的化學成分(熔煉分析) wt%

表2 07MnCrMoVR鋼板力學性能及冷彎性能

2.2焊接材料熔敷金屬化學成分和力學性能

該臺1 500m3氮氣球罐選用的焊接材料是上海電力修造總廠有限公司研制生產(chǎn)的PP-J607RH焊條，能與07MnCrMoVR鋼板相匹配。按GB 3965-1995中的甘油置換法測定，測得其熔敷金屬的擴散氫含量[H]≤2.00mL/100g[2]，焊條PP-J607RH熔敷金屬化學成分和力學性能的技術要求分別列于表3、4。

表3 焊條熔敷金屬的化學成分 wt%

表4 焊條熔敷金屬的力學性能和冷彎性能(SR)

2.3焊接性分析及焊接工藝評定

2.3.1焊接性分析

通過對07MnCrMoVR鋼的系列試驗研究發(fā)現(xiàn)，該材料的典型特點是強度高(σs達到490MPa)、韌性好(要求按47J交貨)，同時由于其含碳量低(Ws=0.09%)、焊接冷裂紋敏感性組成低(Pcm≤0.20%)[3，4]，因此與同強度級別的其他鋼種(如日本研制生產(chǎn)的N-TUF490、SPV490Q等鋼種)相比(Ws=0.16%，Pcm≤0.26%)，焊接性能更為優(yōu)良。通過07MnCrMoVR鋼焊接性能試驗研究，采用焊前預熱、層間溫度控制及焊后及時消氫(585±15℃×2h×2次)等工藝措施，在保證不產(chǎn)生焊接冷裂紋的前提下，焊接線能量宜較低，從而保證了焊縫和熱影響區(qū)充足的塑性和韌性。

2.3.2焊接工藝規(guī)范

按JB4708-2000和GB 12337-1998對48mm厚的07MnCrMoVR鋼進行焊接工藝評定，其工藝參數(shù)見表5，不同位置下焊接線能量見表6。

表5 焊接工藝評定后焊接工藝規(guī)范

表6 各種位置下的焊接線能量

3 球罐設計技術

3.1設計壓力和設計溫度

近幾年來，伴隨著一系列國家政策的出臺，諸如節(jié)能減排、節(jié)約材料及節(jié)約用地等各方面的要求，國內(nèi)球罐大型化的建造是一個整體趨勢，在此大背景下，設計壓力為3.0MPa且容積達到1 500m3這樣的大型氮氣(或氧氣)球罐設計、建造技術的全面研究顯得非常迫切，這類研究在國內(nèi)尚屬空白。結(jié)合對壁厚綜合分析計算，考慮本技術成果能夠盡量適應國內(nèi)更大區(qū)域，本項目一臺1 500 m3氮氣球罐最終選擇設計壓力3.0MPa，最終確定設計溫度為-15～+60℃，同時鋼板驗收指標按-20℃驗收，鍛件和焊條分別按-40、-50℃指標驗收，這樣使得本項研究成果可以在我國-20℃以上的廣大區(qū)域應用。

3.2球罐的結(jié)構(gòu)設計

合理的結(jié)構(gòu)型式會對球罐的制造、安裝的質(zhì)量和投用后的安全可靠性帶來極大的影響。先進合理的結(jié)構(gòu)型式，既可合理地利用材料、減少浪費、降低成本；又可減少制造和安裝過程中的工作量，還可有效改善球罐的受力狀況。再者，確定球罐結(jié)構(gòu)型式時，還應充分考慮鋼廠的軋制能力和能夠提供的板面寬度、制造廠的球片壓制能力及安裝單位現(xiàn)場的安裝能力等諸多方面。

隨著國內(nèi)混合式球片設計技術、制造技術、安裝技術的日臻成熟，一般都選擇混合式結(jié)構(gòu)用于1 000m3及以上的大中型球罐，以提高球殼板材的充分利用率，同時減少球罐的縱環(huán)焊縫總長度，以進一步提高球罐的安全可靠性。本次一臺1 500m3大型氮氣球罐的結(jié)構(gòu)設計，結(jié)合能生產(chǎn)的鋼板板面尺寸，經(jīng)反復對比驗算，最終選定能滿足板面尺寸的三帶八支柱最佳混合式結(jié)構(gòu)。

球罐上支柱和球殼連接型式為U形上支柱加橫托板，并于橫托板和U形上支柱內(nèi)加兩塊加強筋板的型式。由于高壓氣體的壓力高，導致球殼及支柱連接部位的變形大，應力集中，該結(jié)構(gòu)有效地緩解連接部位的變形和應力集中，通過有限元的分析比對，以及對U形上支柱的長度、筋板的高度等進行調(diào)整，找到最佳的尺寸配對，使支柱和球殼連接部位的受力情況趨于合理。該結(jié)構(gòu)支柱也是目前國內(nèi)外普遍使用于高壓氣體球罐的主要支柱型式之一。

3.3球罐球殼板厚度的確定

根據(jù)馬鞍山鋼鐵股份有限公司1 500m3氮氣球罐提出的設計條件：設計溫度-15～+60℃，設計壓力3.000MPa，球殼內(nèi)徑14 200mm，充裝系數(shù)1.0，介質(zhì)密度42.5kg/m3，腐蝕裕量1.500mm，可得出球罐底部計算壓力為3.005MPa，再根據(jù)球殼材料07MnCrMoVR設計溫度下的許用應力235.000MPa，進行球殼壁厚強度計算。球殼計算厚度為45.547mm，設計厚度為47.047mm。鋼板厚度應控制負偏差為0.000mm，在此條件下，確定球殼板的名義厚度為48.000mm。

3.4球罐開孔補強的設計

根據(jù)塑性失效法理論分析計算結(jié)果，本球罐設備最大孔徑約為100mm時是不需補強的，但考慮到工程實際中，由于開孔材料附近可能存在缺陷，接管焊縫存在焊接應力和幾何尺寸變化不連續(xù)部位會產(chǎn)生應力集中及組焊過程的可操作性等因素，從球罐設備的安全可靠性角度出發(fā)，對所有接管的設計都進行了補強。

本次球罐設備接管補強的設計采用兩種結(jié)構(gòu)型式：一是鍛制凸緣整體補強結(jié)構(gòu)，用于DN>100mm接管開孔補強，凸緣補強優(yōu)點是它和球殼板形成的連接是對接焊縫，便于全焊透及焊縫的無損檢測；二是厚壁管插入式整體補強結(jié)構(gòu)，用于DN≤100mm接管開孔補強，厚壁管插入式補強優(yōu)點是節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)簡單，缺點也很明顯，因其開孔較小，只能角焊縫焊接，由于角焊縫底部清根困難，又不可進行超聲、射線等方法的對焊縫內(nèi)部進行檢測，容易產(chǎn)生未焊透等缺陷。

4 球罐壓制和制造工藝技術

4.1對原材料質(zhì)量控制技術

球殼用07MnCrMoVR鋼板，調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，其化學成分(熔煉分析)、力學性能和冷彎性能技術要求符合訂貨技術條件，測厚結(jié)果顯示其負偏差均不大于0.25mm，符合標準要求。

球罐承壓部件(法蘭、凸緣等)用08MnNiCrMoVD鍛件，封頭用16MnR鍛件，接管用Q345鍛件，其化學成分(熔煉分析)和力學性能技術要求符合JB4726標準。要求鍛件按JB4730逐件進行超聲檢測，人孔凸緣按Ⅳ級，其余鍛件按Ⅲ級的規(guī)定檢驗驗收，鍛件標記要清晰，質(zhì)量證明書要求完整。

焊條規(guī)格有φ4.0、φ3.2mm，低溫沖擊試驗都是按-50℃交貨，焊條質(zhì)量合格證明書中提供的化學成分、力學性能及擴散氫含量檢驗結(jié)果符合標準及技術說明書的要求。

4.2球片壓制及幾何尺寸控制技術

本次研制的1 500m3氮氣球罐，由于單片殼板幾何尺寸較大、鋼板強度高及回彈量大等因素，如何保證球殼板的坡口加工精度和曲率是本次球罐制造過程中的一個難點，本課題通過冷壓成型彈塑性分析(分析過程略)，掌握球殼板壓制和回彈的技術規(guī)律，解決了大板片球殼板幾何精度控制問題。

經(jīng)彈塑性分析，推導出球殼板壓制時環(huán)向總應力σθ和徑向總應力σr分別為：

因為徑向總應力絕對值小于環(huán)向總應力，因此在分析壓制過程塑性變形時，應重點考察環(huán)向總應力。球殼板在壓制過程中的效率與材料的特性參數(shù)及所在點的厚度位置以及胎具的θ角有關，因此對特定的厚度位置，當θ達到某一角度時才可能產(chǎn)生屈服，這時球殼板壓制才有效果。1 500m3氮氣球罐球殼板是典型的中厚大板片，它的壓制順序為采用從中心向兩端壓制的方法效率較高。

通過球殼板模壓卸載后曲率回彈情況分析，推導了兩個壓型胎具曲率計算方程式。只考慮膜應力時推導的方程式，在薄板小曲率時計算式為：

只考慮彎曲應力時推導的方程式，在厚板大曲率時計算式為：

實際應用中，計算過程需和試壓相結(jié)合，才能最終確定壓型胎具的曲率半徑。

理論分析加上在首塊殼板上的試驗和摸索，確定了較佳的壓形加墊方法和壓點順序，過程示意如圖1所示。

圖1 球片壓形加墊及壓點順序示意圖

球片壓制過程中用3m的內(nèi)控樣板來檢查球片曲率，而按規(guī)范驗收用2m的樣板，這使得運至現(xiàn)場驗收時有了較大的余量。球片的精確下料及坡口加工采用二次立體下料法，坡口加工采用火焰熱切割，并采用磨光機清除表面氧化層。坡口切割完畢后，對球片進行了噴砂，再檢查球片的精確尺寸。對于因切割坡口和噴砂工藝造成曲率超差的球片，和組焊上支柱后曲率超差的赤道板，都再次進行校型，以保證幾何尺寸的精度。

5 球罐現(xiàn)場安裝技術及使用情況

5.1球罐組裝

球罐組裝順序是：在支柱、拉桿組裝就位后首先組裝赤道帶，赤道帶組裝完畢需精心調(diào)整，使每塊球殼板的赤道線盡量在一個水平面上。調(diào)整后赤道帶水平誤差見表7，從表7中可以清楚地看出組裝效果非常理想。

表7 赤道線水平誤差 mm

球罐組裝后幾何尺寸實測結(jié)果均在標準規(guī)定的范圍內(nèi)，結(jié)果見表8。

表8 球罐組裝后幾何尺寸檢查結(jié)果 mm

5.2球罐焊接及焊接質(zhì)量控制情況

球罐的焊接是安裝質(zhì)量控制的重點，主要從“人、機、料、法、環(huán)”等方面進行控制，具體為焊工選擇、焊接設備、焊接材料、焊工布置和焊接順序、焊接工藝規(guī)范執(zhí)行、反面清根以及作業(yè)環(huán)境等方面進行了嚴格的控制，確保焊接質(zhì)量。

5.2.1焊縫外觀

焊縫內(nèi)外表面經(jīng)砂輪機打磨，消除魚紋焊波，控制焊縫余高均在0.0～1.0mm的范圍之內(nèi)；打磨角焊縫，讓與母材圓滑過渡。焊縫表面無咬邊、氣孔、弧坑、夾渣及裂紋等缺陷，兩邊的飛濺物也進行了消除。

5.2.2球罐焊后幾何尺寸

焊接后，用樣板(弦長為1m)對該臺球罐對接焊縫的棱角檢查了1 257點，球殼板的最大棱角值為2mm，球罐焊后幾何尺寸檢查結(jié)果要高于標準的規(guī)定值。

5.2.3球罐焊后無損檢測

射線源采用γ射線，射線膠片為Ⅲ型片。按照JB/T 4730-2005標準，對焊縫進行了100%射線拍片。檢查了該臺球罐底片，焊接一次合格率比較高，對一次不合格的底片，找準對應缺陷焊縫部位，經(jīng)焊接返修并對返修處再進行射線檢測后，最終所有底片均符合JB/T 4730-2005Ⅱ級以上，具體結(jié)果見表9。

表9 球罐拍片結(jié)果

球罐除了進行100%射線檢測，另外又進行100%的超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，符合JB/T 4730-2005Ⅰ級。對球罐的所有對接焊縫內(nèi)外表面和定位塊清除后的焊跡部位(定位塊氣刨打磨后的焊跡部位和補焊打磨后的焊跡部位)進行了100%磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，符合JB/T 4730-2005Ⅰ級。

5.3球罐整體熱處理

參照《鋼制球形儲罐》(GB 12337-1998)和《安裝技術條件》要求，編制了該臺1 500m3球罐整體熱處理方案，并組織專家對方案進行了討論。

5.3.1熱處理工藝

熱處理溫度為570±20℃，恒溫時間為2h；升溫至300℃以上時，升溫速度控制在50～80℃/h，降溫速度控制在30～50℃/h，300℃以下自然冷卻。熱處理工藝曲線如圖2所示。

圖2 熱處理工藝曲線

球罐熱處理前，測溫熱電偶、補償導線、長圖自動記錄儀均經(jīng)過重新計量標定，精度滿足要求。熱電偶(鎳鉻-鎳硅)的測溫觸頭均點焊在球殼板上，共布24點(含產(chǎn)品試板3點)。使用長圖自動記錄儀來自動記錄各測點的溫度。對于有疑點的記錄值，用靈敏的表面溫度計進行了復測檢查。熱處理保溫采用兩層巖棉被。相鄰兩塊保溫層的搭接寬度大于200mm。

5.3.2熱處理過程

球罐整體熱處理采用球內(nèi)燃燒法，燃油系統(tǒng)采用輕柴油燃燒器，采用一套微機系統(tǒng)對熱處理過程進行智能控制。升溫階段：300℃以下時溫度不記錄，300～570℃階段，球罐的升溫速度為70.7℃/h，升溫時最大溫差為56℃，恒溫溫度555～575℃，恒溫時間2h，降溫速度38.5℃/h，降溫溫差27℃，保溫層外表面溫度60℃。符合升溫速度不大于80℃/h、溫差不大于130℃的要求。

5.4球罐檢驗及試驗

5.4.1支柱垂直度調(diào)整

熱處理完成后，對支柱的垂直度進行了再次調(diào)整，使垂直度符合《安裝技術條件》的要求(不大于15mm)，其具體結(jié)果為：徑向(最大值)5mm，周向(最大值)4mm。

5.4.2產(chǎn)品焊接試板

產(chǎn)品焊接試板的制作是在施焊現(xiàn)場和球罐同時焊接，其預熱、焊接規(guī)范和焊后消氫處理均嚴格按照球罐實際施焊工藝進行。對橫焊位置、立焊位置和平加仰焊位置各做了一塊產(chǎn)品焊接試板，產(chǎn)品焊接試板經(jīng)過了100%射線檢測，全部符合JB 4730-94Ⅰ級。產(chǎn)品焊接試板的力學性能和冷彎性能的檢驗結(jié)果見表10，其各項性能均符合標準規(guī)范和設計要求。

表10 球罐產(chǎn)品焊接試板力學性能及冷彎性能

5.4.3球罐充水沉降試驗

為考核球罐基礎承載能力，避免不均勻沉降，熱處理完成且產(chǎn)品焊接試板檢驗合格后，對球罐進行了充水沉降試驗。水壓試驗過程中，在球罐頂部和底部各設置了一塊精度為1.5級的壓力表，并經(jīng)校驗合格。

5.4.4水壓試驗后的無損檢測

水壓試驗后，再次對球罐所有焊縫內(nèi)外表面進行了100%磁粉檢測，全部符合JB/T 4730-2005Ⅰ級，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

5.5使用情況

1 500m3氮氣球罐于2008年5月投入使用，于2009年8月開罐檢查，檢查效果良好，證明本氮氣球罐國產(chǎn)化研制工作是成功的。新型大型球罐的應用，有效保障了新區(qū)氮氣管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，滿足了轉(zhuǎn)爐吹煉、濺渣護爐和連續(xù)退火爐安全生產(chǎn)的峰值需求，減少了高價液體氣化氮氣的外購量、在氮氣用戶峰值狀態(tài)下釋放儲氮量，也間接減少了制氧機組超出工況調(diào)節(jié)范圍外的氧氣放散。該型球罐的開發(fā)和應用創(chuàng)造了良好的運行經(jīng)濟效益，發(fā)揮了重要的生產(chǎn)保障作用。用戶單位馬鋼第二能源總廠能中分廠調(diào)度和巡檢員工在該球罐投入運行使用后，均表示非常滿意。

6 結(jié)論

6.1提出了07MnCrMoVR鋼制大型高參數(shù)球罐的技術方案，建立了高參數(shù)球罐用鋼的技術評價和技術指標控制體系，解決了大型、高參數(shù)球罐制安過程中的選材、焊接和熱處理工藝問題。

6.2通過對多個重點受力部位和多種復雜工況條件系統(tǒng)的有限元分析，開發(fā)了1 500m3球罐的三帶八支柱混合式結(jié)構(gòu)，解決了球罐大型、高參數(shù)化的結(jié)構(gòu)設計問題，確保了結(jié)構(gòu)優(yōu)化且便于加工制造，對國產(chǎn)氮氣球罐大型和高參數(shù)化設計具有指導意義。

6.3系統(tǒng)研究了球殼板加工過程，揭示了球殼成型和壓型胎具尺寸之間各種影響規(guī)律，攻克了球片坡口切割和沖壓技術，解決了大板片球片曲率精度控制問題。

6.4制定了《07MnCrMoVR鋼制1 500m3氮氣球罐制造及安裝技術條件》，經(jīng)工程施工實踐驗證，該技術條件是切實可行的，可作為我國建造大型高參數(shù)球罐的指導性技術文件。

6.5攻克了氮氣球罐大型高參數(shù)化中成套施工、管理和使用技術，包括組裝、焊接、檢驗檢測、質(zhì)量控制及安全使用技術等，為我國球罐大型高參數(shù)化積累豐富的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

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