張鳳魁

（兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527）

我廠原料和動(dòng)力結(jié)構(gòu)改造建設(shè)中，新上一臺(tái)1 500m3液氨球罐。工作壓力為2.25MPa，設(shè)計(jì)壓力2.5／0.1MPa；工作溫度15℃，設(shè)計(jì)溫度50℃（對(duì)應(yīng)壓力2.5MPa）／－20℃（對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)壓力0.1MPa），屬三類(lèi)容器。由于該設(shè)備操作壓力高，容積大，介質(zhì)為易燃、毒性物質(zhì)，是廠區(qū)重大危險(xiǎn)源，為保證該設(shè)備的制造質(zhì)量，我們和設(shè)計(jì)院就設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了充分的技術(shù)交流，確定了主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和材料，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供了可靠的保障。下面作一簡(jiǎn)介。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定

球罐是一種特殊的儲(chǔ)存式壓力容器，目前大多數(shù)國(guó)家還沒(méi)有單獨(dú)的球罐設(shè)計(jì)、建造規(guī)范，而是按統(tǒng)一的壓力容器規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，如美國(guó)的ASME、英國(guó)的BS、法國(guó)的CODAP等規(guī)范。日本的JIS也沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的球罐分篇，但日本高壓氣體安全協(xié)會(huì)曾制定專(zhuān)門(mén)的球罐規(guī)范——KHK S0201《球形儲(chǔ)罐技術(shù)規(guī)范》，對(duì)日本乃至我國(guó)球罐的建造技術(shù)產(chǎn)生了重要影響［1］。

我國(guó)目前球罐設(shè)計(jì)執(zhí)行的主要標(biāo)準(zhǔn)有GB150－1998《鋼制壓力容器》、GB12337《鋼制球形儲(chǔ)罐》、JB4732－1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等。

GB150《鋼制壓力容器》是壓力容器設(shè)計(jì)的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，提供了包括球殼在內(nèi)的各類(lèi)壓力容器的計(jì)算公式，并制定了壓力容器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收通用規(guī)范［2］。

GB12337《鋼制球形儲(chǔ)罐》是一部含球殼、支柱、拉桿等的設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選用要求、結(jié)構(gòu)要素的規(guī)定，以及球形儲(chǔ)罐（以下簡(jiǎn)稱(chēng)球罐）制造、組焊、檢驗(yàn)與驗(yàn)收的綜合性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其球殼的設(shè)計(jì)計(jì)算公式直接引用于GB150［3］。

JB4732－1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》是以分析設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，提供了以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法；對(duì)選材、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收制定了比GB150《鋼制壓力容器》更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)［4］。該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是一種比較成熟的設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)理念和方法更為先進(jìn)、科學(xué)，也是國(guó)家在建設(shè)節(jié)約型社會(huì)中力主推廣使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在球罐的設(shè)計(jì)中更有優(yōu)勢(shì)。在相同設(shè)計(jì)條件下，容器的厚度可以減薄（表1），重量可以減輕10%～20%，可大大降低建造成本。勞動(dòng)部辦公廳關(guān)于壓力容器設(shè)計(jì)單位實(shí)施 《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中要求：公稱(chēng)容積大于650m3，且設(shè)計(jì)壓力大于1.6MPa的球形儲(chǔ)罐，推薦采用JB4732－1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

表1 以15MnNbR材料進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

由上表計(jì)算得知，用JB432設(shè)計(jì)計(jì)算較GB150能減少大約6mm的壁厚。從鋼板的壁厚和加工質(zhì)量的關(guān)系來(lái)講，壁厚減薄，可以更好地保證材料的性能；也更便于球殼板片壓制?？紤]到鋼板軋制能力的單板重量要求，壁厚減薄也有利于采用更大板幅的鋼板來(lái)壓制球殼板片，從而減小焊縫的長(zhǎng)度，這樣可以減小安裝和焊接的工作量。同時(shí)采用JB4732標(biāo)準(zhǔn)可以對(duì)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，降低局部的高應(yīng)力，有效地提高球罐使用的安全可靠性。

考慮到球罐作為儲(chǔ)存容器的特殊性，液氨介質(zhì)的危害以及設(shè)計(jì)院的球罐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按照常規(guī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的球罐，應(yīng)能滿(mǎn)足分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收的要求，即采用分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)提高制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收的費(fèi)用。

因此確定采用以JB4732《JB 4732－1995鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》為主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其他參照GB150－1998《鋼制壓力容器》、GB12337《鋼制球形儲(chǔ)罐》進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要重視的是JB4732的附錄A “基礎(chǔ)部件、組合部件的應(yīng)力分析”由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，無(wú)法應(yīng)用于球罐，即JB4732并未解決球殼、人孔、接管的應(yīng)力分析計(jì)算問(wèn)題，并且JB4732未涉及支柱與拉桿的計(jì)算，球罐制造、組焊、檢驗(yàn)與驗(yàn)收要求。設(shè)計(jì)單位需全面正確處理球罐的這些特殊要求。

2 主體材質(zhì)的確定

球罐作為壓力容器的一種，有著它自身的固有特點(diǎn)，因此對(duì)材料也有著特殊的要求。球罐在使用時(shí)主要有五種失效模式：彈性失穩(wěn)、過(guò)度的彈性變形、整體塑性變形、拉伸失穩(wěn)和快速斷裂。而控制球罐失效的因素則是材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度以及韌性。球罐在選材時(shí)一般考慮以下幾個(gè)因素：① 強(qiáng)度指標(biāo)σb，σs；② 韌性指標(biāo)夏比沖擊值；③ 塑性指標(biāo)斷面收縮率、冷彎；④ 可焊性要求Ceq，pc；⑤ 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

因該球罐壓力等級(jí)較高，容積也較大，能量的集聚極大，對(duì)殼體材料除要求有足夠的強(qiáng)度外，其韌性（低溫性能）、焊接性能及冷熱加工、熱處理性能也是選材時(shí)主要考慮的因素。另外，鋼材的抗硫化氫、液氨應(yīng)力腐蝕性能也是選材時(shí)不可忽視的因素。HG20581－1998中6.7.2條2款（1）～（5）規(guī)定： “其中 HG20581－1998中6.7.2對(duì)氨腐蝕狀態(tài)（參照）、抗?jié)窳蚧瘹湟蟛牧?屈 服 強(qiáng) 度 小 于 等 于 355MPa［5］”。 芬 蘭 的TTK2P2293指令中明確指出： “推薦盛放液氨的壓力容器用屈服強(qiáng)度最大值為350MPa的鋼制作，屈服強(qiáng)度超過(guò)450MPa的鋼不適合用于制造盛放液氨的壓力容器?！?/p>

目前我國(guó)球罐制造使用的低合金高強(qiáng)板主要有16MnR、07MnCrMoVR、15MnNbR。其主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 16MnR、07MnCrMoVR、15MnNbR 36～60mm厚板機(jī)械性能對(duì)照

16MnR是最常使用的球殼板材料，具有較好的機(jī)械性能和焊接性能。但經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，若采用16MnR材料，其設(shè)計(jì)名義壁厚為60mm。但厚度大于36mm時(shí)抗拉強(qiáng)度保證值僅為490MPa，厚板的韌性也有所降低。另外厚鋼板芯部易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題：在加工過(guò)程中出現(xiàn)偏析帶，導(dǎo)致致密程度降低，易出現(xiàn)材料缺陷。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的軋鋼水平，質(zhì)量難以保證，在厚壁球罐設(shè)計(jì)時(shí)較少采用。壁厚的增加還導(dǎo)致使用材料量增加，計(jì)算其經(jīng)濟(jì)性也低于其他鋼種。

07MnCrMoVR鋼系，是目前國(guó)內(nèi)唯一的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度在610MPa以上的壓力容器用鋼，該鋼種借鑒日本同類(lèi)型鋼系（CF62），具有較高的強(qiáng)度和韌性、低焊接裂紋敏感性，其加工成型和焊接性能也較好。自上世紀(jì)80年代研制成功以來(lái)，已廣泛用于氧氣、氮?dú)?、液化石油氣等球罐?］。但該鋼種對(duì)成分控制、冶煉、軋制、冷加工及焊接等要求極為嚴(yán)格，稍有不慎就會(huì)留下隱患，生產(chǎn)數(shù)量極為有限。該鋼種抗液氨、硫化氫等介質(zhì)應(yīng)力腐蝕性能較低。使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的情況較多，同時(shí)也不能滿(mǎn)足HG20581－1998對(duì)屈服強(qiáng)度的限制要求，因此不適用于制造液氨球罐。另外日本至今未公開(kāi)報(bào)道過(guò)CF62鋼在液氨中的應(yīng)用及研究情況。事實(shí)上CF62（鋼調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)度可達(dá)490MPa）在日本問(wèn)世20余年，日本從未將其用于制造盛放液氨的球罐。文獻(xiàn)報(bào)道較多的是CF62鋼在濕H2S環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕問(wèn)題，可見(jiàn)CF62鋼焊縫區(qū)在液氨環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕傾向一直是令人擔(dān)心的。

15MnNbR鋼板是在16MnR鋼板基礎(chǔ)上.武漢鋼鐵 （集團(tuán)）公司應(yīng)中國(guó)通用石化機(jī)械工程公司、機(jī)械部通用機(jī)械工程公司和機(jī)械部通用機(jī)械研究所等一些使用單位的要求，在參考國(guó)外壓力容器用低合金高強(qiáng)度鋼板的成分和性能基礎(chǔ)上，綜臺(tái)考慮國(guó)內(nèi)壓力容器用鋼的強(qiáng)度系列，采用Mn—Nb系，強(qiáng)度指標(biāo)與15MnVR鋼板相近，在大大提高冶金質(zhì)量的同時(shí)，輔助添加微量V、Nb和少量Ni元素，另外加入微量元素Nb，這些元素與碳、氮形成碳化物、氮化物和碳氮化物，有效延遲奧氏體形變后的再結(jié)晶時(shí)間，在控制雜質(zhì)后使鐵素體晶粒充分細(xì)化，顯著提高強(qiáng)度和韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度并改善焊接性能。Ti的加入提高了晶粒粗化溫度，防止高輸入熱量的焊接過(guò)程中，在熱影響區(qū)產(chǎn)生晶粒粗化的趨向，保證熱影響區(qū)有較好的缺口韌性，提高了鋼材的焊接性能。加入Ni可以大大改善鋼板的低溫韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)，對(duì)有害元素P、S含量限定嚴(yán)格，提高鋼水的潔凈度，改善鋼板的力學(xué)性能，從而得到了強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于16MnR，焊接和抗硫化氫應(yīng)力腐蝕與16MnR相近的正火型低合金高強(qiáng)鋼板15MnNbR［8］。該材料已通過(guò)冶金部組織的技術(shù)鑒定，并列入GB6654—1996年 《壓力容器用鋼板》第1號(hào)修改單和JB4732—95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，在鍋爐和壓力容器用鋼標(biāo)準(zhǔn)整合修訂后，列入GB713－2008《鍋爐和壓力容器用鋼》［6～7］。同時(shí)該材料能滿(mǎn)足 HG20581－1998對(duì)屈服強(qiáng)度的限制要求，對(duì)液氨應(yīng)力腐蝕的敏感性較低。低溫沖擊試驗(yàn)－20℃可達(dá)34J，滿(mǎn)足液氨大量泄漏時(shí)的低溫低應(yīng)力工況要求，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于液氨球罐的制造。

通過(guò)綜合分析，最終確定液氨球罐的球殼板選用15MnNbR鋼板。對(duì)于鍛件材料的選擇，鍛制人孔凸緣材料因15MnNb鍛件尚未列入GB150中，故選強(qiáng)度級(jí)別相近的20MnMo。據(jù)資料介紹，15MnNbR鋼與20MnMo鍛件進(jìn)行過(guò)配套焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明20MnMo鍛件可以和15MnNbR鋼良好匹配。故本球罐開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)采用20MnMo鍛件整體補(bǔ)強(qiáng)。其中人孔凸緣采用Ⅳ 級(jí)鍛件，其余采用Ⅲ級(jí)鍛件。

值得注意的是，15MnNbR是一種新材料，雖然已在液氨環(huán)境有使用的先例，但在液氨環(huán)境使用的經(jīng)驗(yàn)還不充足。在實(shí)際生產(chǎn)中，即使按規(guī)定用低屈服強(qiáng)度的低合金鋼制造盛放液氨的壓力容器也只是降低應(yīng)力腐蝕傾向，仍然不能完全避免應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。對(duì)中低屈服強(qiáng)度鋼制造的盛放液氨的壓力容器，如何避免或減少應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生仍是一個(gè)需要研究的問(wèn)題。所以對(duì)于該球罐在后期使用過(guò)程中，仍應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備定期檢驗(yàn)工作，及時(shí)處理檢測(cè)檢驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

［1］王冰，陳學(xué)東，吳正亞，等 .大型天然氣球罐的設(shè)計(jì)和材料選用 ［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003，27 （8）：15～19.

［2］GB 150－1998，壓力容器 ［S］.

［3］GB 12337，鋼制球形儲(chǔ)罐 ［S］.

［4］JB 4732－1995，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［5］HG 20580－20585－1998，鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定［S］.

［6］GB 713－2008，鍋爐和壓力容器用鋼板 ［S］.

［7］GB 6654—1996，壓力容器用鋼板 ［S］.

［8］張軍，董瑞峰，王棟，等.Q370R鍋爐和壓力容器用鋼板的研制 ［J］.上海金屬，2011，33 （3）：54～58.