潘伍覃，黃金祥

（武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，武漢 430415）

0 引言

CO2是一種工業(yè)氣體，用途十分廣泛，常溫下呈氣態(tài)，密度為1.9 g/ml。固態(tài)CO2俗稱干冰，沸點(diǎn)溫度為-78.5℃(升華)。目前，CO2的運(yùn)輸方式主要是將CO2氣體加壓液化并采取一定的保冷措施采用儲罐儲存運(yùn)輸。將罐內(nèi)溫度維持在-30℃～-17℃，此時液態(tài)CO2的飽和蒸汽壓介于1.43 MPa～2.16 MPa之間。將溫度和壓力維持在這樣一個相對合理且容易控制的范圍內(nèi)，以便保證運(yùn)輸過程中的安全。

CO2運(yùn)輸船是一種介于全壓和半冷半壓之間的新興船型。液化CO2運(yùn)輸船建造的難點(diǎn)是C型獨(dú)立液貨儲罐的制造。武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司（以下簡稱“公司”）于2011年承建了國內(nèi)首臺液化CO2運(yùn)輸船儲罐，由于目前沒有相應(yīng)的建造規(guī)范，在建造過程中主要以《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》作為參考依據(jù)。

文中主要介紹了液化CO2儲罐罐體材料的采購技術(shù)要點(diǎn)、焊接工藝、儲罐制造技術(shù)要點(diǎn)、整體熱處理工藝，公司按照技術(shù)要點(diǎn)對關(guān)鍵工序工藝進(jìn)行控制，保證了儲罐的質(zhì)量。

1 主要技術(shù)要點(diǎn)

1.1 液化CO2儲罐參數(shù)

液化CO2儲罐的相關(guān)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)形式為臥式圓筒形，兩端采用半球形封頭（圖1）。

1.2 鋼材的采購技術(shù)要點(diǎn)

儲罐罐體材料的采購技術(shù)條件至少應(yīng)滿足以下規(guī)范中的相關(guān)要求，并取得CCS的認(rèn)可：

表1 液化CO2儲罐參數(shù)

表2 15MnNiNbDR鋼板的化學(xué)成份(熔煉分析) （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表4 20MnMoD化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1）《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范》（以下簡稱“散化規(guī)”）第6章表6.2規(guī)定：設(shè)計(jì)溫度低于0℃～-55℃的液貨儲罐所用的板材和鍛件應(yīng)為全鎮(zhèn)靜、鋁處理的細(xì)晶粒鋼[1]；

2）滿足GB150.2附錄A中對15MnNiNbDR鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能的要求，其他未規(guī)定事項(xiàng)按GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》；

3）《散化規(guī)》第6章表6.2規(guī)定：C元素的化學(xué)成分最大為0.16%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；

4）GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》中6.1.3中規(guī)定全鋁Alt質(zhì)量分?jǐn)?shù)可用測定酸溶鋁Als質(zhì)量分?jǐn)?shù)代替，酸溶鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不小于0.015%[2]；

5）《散化規(guī)》第6章表6.2注2規(guī)定：厚度為36 mm的鋼板夏比V型缺口試驗(yàn)溫度應(yīng)選擇比設(shè)計(jì)溫度低20℃，即-50℃；

圖1 液化CO2儲罐結(jié)構(gòu)示意圖

表3 15MnNiNbDR鋼板的力學(xué)性能

表5 20MnMoD力學(xué)性能

6）20MnMoD鍛件應(yīng)符合NB/T47009《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》中的相關(guān)技術(shù)條款的要求[3]。

綜上，罐體材料15MnNiNbDR鋼板對化學(xué)成分和力學(xué)性能的要求如表2和表3中技術(shù)要求所示。20MnMoD是與15MnNiNbDR鋼配套的低合金鍛鋼，液化CO2儲罐中人孔法蘭、氣室接管及法蘭等使用該鍛件。20MnMoD鍛鋼對化學(xué)成分和力學(xué)性能的要求如表4、表5中技術(shù)要求所示。

本工程中15MnNiNbDR鋼板實(shí)物的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2、表3。表中數(shù)據(jù)顯示，實(shí)物中C元素的含量很好的控制在技術(shù)要求的范圍內(nèi)，對有害雜質(zhì)P、S的含量控制也較為嚴(yán)格，Als的含量更是達(dá)到了文獻(xiàn)[4]中認(rèn)為的最佳值，Ni元素的含量控制在0.5%左右，很好的保證了材料的低溫韌性。鋼板實(shí)物的力學(xué)性能指標(biāo)總體上均有較大的裕量值。20MnMoD鍛鋼技術(shù)指標(biāo)高于NB/T47009-2010《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》和采購技術(shù)要求，其中對有害元素S、P含量控制的更嚴(yán)。鋼板和鍛鋼均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，亦取得了CCS認(rèn)可。

1.3 焊材的采購技術(shù)要點(diǎn)

按等強(qiáng)匹配原則，15MnNiNbDR鋼選用E55××型的焊條。通過多次焊接工藝性試驗(yàn)進(jìn)行焊材的篩選，確定選擇伯樂焊材公司牌號為E5518-C3R焊條。根據(jù)CCS《材料與焊接規(guī)范》第3篇第2章表2.2.2.3中規(guī)定，E55××型焊條應(yīng)該按5Y42H10級別進(jìn)行認(rèn)可[5]，其力學(xué)性能的技術(shù)要求如表6所示。焊條化學(xué)成分的技術(shù)要求在CCS規(guī)范中未做相關(guān)要求，可參考GB/T5118《低合金鋼焊條》中的規(guī)定，如表7所示。

表6 E5518-C3R焊條熔敷金屬力學(xué)性能

表7 E5518-C3R焊條熔敷金屬化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

本工程中焊條實(shí)物的力學(xué)性能和化學(xué)成分見表7、表8。從表中數(shù)據(jù)可以看出：焊條和母材性能相當(dāng)，尤其是低溫沖擊裕量較大，同時擴(kuò)散氫含量低，能有效防止焊后冷裂紋的產(chǎn)生；焊條中P、S含量的控制嚴(yán)格，低C元素和高Ni元素的組合能有效的保證低溫韌性。通過選擇合適的焊接材料，有力的保證了產(chǎn)品焊縫的性能。

1.4 焊接工藝

液化CO2儲罐主要采用焊條電弧焊。按《散化規(guī)》第6章6.1條款和CCS《材料和焊接規(guī)范》第3篇第3章第2節(jié)的規(guī)定需要進(jìn)行平、立、橫三個位置的焊接工藝評定，同時需要按液化CO2儲罐現(xiàn)場要求進(jìn)行模擬焊后熱處理（SR處理）。

要保證焊縫的低溫韌性，在焊接時應(yīng)盡量的避免Ni及Cr、Mo等合金元素的燒損。經(jīng)過采用不同的焊接參數(shù)進(jìn)行多次焊接試驗(yàn)，確定了適合15MnNiNbDR鋼的工藝參數(shù)：焊縫坡口采用不對稱X型坡口，大坡口55°～60°，小坡口60°～65°；預(yù)熱溫度不低于100℃，層間溫度控制在100℃～150℃，后熱溫度200℃～250℃，保溫時間0.5 h～1 h。其他焊接工藝參數(shù)如表8所示。

表8 焊接工藝參數(shù)

15MnNiNbDR鋼焊接技術(shù)措施：采用分層多道焊接，在焊接過程中嚴(yán)格控制電流，適當(dāng)提高焊接速度以控制焊接線能量不超過35 kJ/cm，減少合金元素尤其是Ni元素的燒損。嚴(yán)格控制層間溫度，避免母材高溫停留時間過長，有效阻止熱影響區(qū)晶粒長大，使母材熱影響區(qū)軟化程度降到最低，同時焊后采取緩冷措施，防止冷卻速度過快而導(dǎo)致焊縫表面形成碎硬層[6,7]。

本工程焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，試驗(yàn)結(jié)果符合CCS相關(guān)規(guī)范的要求，并取得CCS認(rèn)可。表中數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過SR處理后，試板抗拉強(qiáng)度和-50℃低溫沖擊韌性良好，尤其是低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的34 J，焊縫金屬的力學(xué)性能也與母材非常接近。焊接工藝的合理亦是本工程質(zhì)量的保證。

表9 焊接試驗(yàn)結(jié)果

1.5 儲罐制造技術(shù)要點(diǎn)

液化CO2儲罐半成品在車間制造，然后運(yùn)輸至現(xiàn)場組焊。在制造安裝過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）由于是低溫容器，鋼板不允許采用鋼印進(jìn)行標(biāo)記移植，尤其是焊縫附近不允許打焊工鋼印。鋼板在吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)過程中避免刻劃。筒節(jié)在卷制的過程中，應(yīng)及時清理輥床和鋼板表面，避免氧化渣損傷鋼板表面。以上情況均易產(chǎn)生缺口效應(yīng)，導(dǎo)致應(yīng)力集中以致材料發(fā)生低溫脆性斷裂。

2）嚴(yán)格按照工藝排版圖下料，保證下料尺寸的精度，每個筒節(jié)均要求預(yù)裝，檢查焊接接頭對口錯邊量不大于2.5mm和棱角度不大于4mm。避免強(qiáng)力組裝產(chǎn)生拘束應(yīng)力，不允許采用鐵錘敲打成型以避免局部位置產(chǎn)生冷作硬化。儲罐的半球形封頭的殼板采用專業(yè)模具多點(diǎn)多次壓制成型，冷成型的環(huán)境溫度要高于5℃。

3）半成品在運(yùn)輸過程中要采用托架包裝防止變形。現(xiàn)場組焊前應(yīng)復(fù)查筒節(jié)尺寸，組裝應(yīng)在平臺上進(jìn)行，保證每圈筒節(jié)的最大直徑和最小直徑差控制在20mm內(nèi)。單個筒節(jié)可采用可調(diào)節(jié)的“米”字撐加固。

1.6 儲罐整體熱處理要點(diǎn)

CCS《材料和焊接規(guī)范》第3篇第7章第4節(jié)規(guī)定：Ⅰ級受壓容器，當(dāng)材料厚度超過20mm時應(yīng)進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。液化CO2儲罐（圖2），總長為31 600 mm，內(nèi)徑為4 700 mm，船罐截面長高比6.7 : 1。由于CO2船儲罐外形過于“細(xì)長”，采用內(nèi)部燃油法進(jìn)行熱處理時，首先要保證儲罐受熱均勻。而深井泵座和人孔的不對稱布置則不利于內(nèi)部熱流的循環(huán)及廢氣的排放，容易導(dǎo)致某些部位溫度過高而另一些部位溫度又達(dá)不到，造成熱處理過程中局部溫差過大，這樣有可能不利于消除應(yīng)力反而會因?yàn)闇夭钸^大造成局部變形不均形成內(nèi)應(yīng)力，同時可能使儲罐著火點(diǎn)處因?yàn)榛鹆?，也使得氣室處可能會受自重影響塌陷?/p>

圖2 液化CO2船儲罐焊后圖

本工程采用了專利技術(shù)——分段導(dǎo)熱裝置，對內(nèi)部燃燒產(chǎn)生的熱氣流進(jìn)行了有效控制，使CO2儲罐在熱處理過程中受熱均勻，達(dá)到了熱處理消應(yīng)力的目的。通過對儲罐熱處理前后的應(yīng)力測試（表10），測試部位包含了儲罐的封頭縱縫、封頭環(huán)縫、筒體環(huán)縫、筒體縱縫，殘余應(yīng)力比熱處理前平均下降了約55%，結(jié)果表示達(dá)到了理想效果。

表10 儲罐熱處理前后應(yīng)力對比數(shù)據(jù)

2 建造依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

在沒有專門標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，建造首臺鋼制液化CO2儲罐除借鑒了《散化規(guī)》外，還參考了國內(nèi)各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括：

1）根據(jù)現(xiàn)有船舶類規(guī)范如CCS《材料與焊接規(guī)范》、國家壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如GB150.2《壓力容器-第二部分：材料》、GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》及NB/T47009《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》等從采購的技術(shù)條件上保證材料的性能，使其加工性和焊接性均滿足工程需要，并得到船級社的認(rèn)可。

2）進(jìn)行了多項(xiàng)焊接工藝試驗(yàn)，參考CCS《材料與焊接規(guī)范》和NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》等標(biāo)準(zhǔn)制定試驗(yàn)項(xiàng)目，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定選材和焊接工藝參數(shù)，保證工藝的合理和可操作性。并取得船級社的焊接工藝認(rèn)可。

3）借鑒了低溫容器建造的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，參考HG/T20585《鋼制低溫壓力容器技術(shù)要求》，在制造安裝過程中嚴(yán)格按施工工藝執(zhí)行，嚴(yán)把質(zhì)量控制要點(diǎn)。

4）采用了專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了CO2儲罐的整體熱處理，熱處理的工藝要求參考GB150《壓力容器》和GB12337《鋼制球形儲罐》，達(dá)到了消應(yīng)力的目的。

3 結(jié)束語

通過參考相關(guān)規(guī)范，細(xì)化了液化CO2儲罐建造過程中的技術(shù)要點(diǎn)，從根本上保證了產(chǎn)品建造的質(zhì)量。液化CO2儲罐的成功建造是綜合利用各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和制造經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)新產(chǎn)品建造施工的一種嘗試。CO2氣體的工業(yè)用途很廣泛，目前主要依賴于公路運(yùn)輸。在液化CO2儲罐主要是作為船運(yùn)CO2的儲存裝置，它的成功建造為水路運(yùn)輸液化CO2帶來極大便利，也開發(fā)了其水路運(yùn)輸市場。

[1] 中國船級社. 散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范(2006)[S].

[2] GB3531-2008, 低溫壓力容器用低合金鋼鋼板[S].

[3] NB/T47009-2010, 低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件[S].[4] 李成棟, 低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼溶酸鋁控制[J]. 鋼鐵, 1983,18(6):25-30.

[5] 中國船級社. 材料與焊接規(guī)范（2009）[S].

[6] 黃金祥, 馬寧. -50℃用15MnNiNbDR鋼制2000m3液氨球罐焊接工藝[J]. 石油化工設(shè)備, 2009,38(4):60-63.

[7] 方國愛, 劉國慶, 陸戴丁, 等. -50℃用15MnNiNbDR鋼板及焊接接頭低溫韌性[J].石油化工設(shè)備,2007,36(6):28-33.