張鳳魁

（兗礦魯南化肥廠，山東 滕州 277527）

我廠原料和動力結(jié)構(gòu)改造建設(shè)中，新上一臺1 500m3液氨球罐。工作壓力為2.25MPa，設(shè)計壓力2.5／0.1MPa；工作溫度15℃，設(shè)計溫度50℃（對應(yīng)壓力2.5MPa）／－20℃（對應(yīng)設(shè)計壓力0.1MPa），屬三類容器。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)重大危險源，為保證該設(shè)備的制造質(zhì)量，我們和設(shè)計院就設(shè)計方案進(jìn)行了充分的技術(shù)交流，確定了主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和材料，為設(shè)備的安全運行提供了可靠的保障。下面作一簡介。

1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的確定

球罐是一種特殊的儲存式壓力容器，目前大多數(shù)國家還沒有單獨的球罐設(shè)計、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，如美國的ASME、英國的BS、法國的CODAP等規(guī)范。日本的JIS也沒有專門的球罐分篇，但日本高壓氣體安全協(xié)會曾制定專門的球罐規(guī)范——KHK S0201《球形儲罐技術(shù)規(guī)范》，對日本乃至我國球罐的建造技術(shù)產(chǎn)生了重要影響［1］。

我國目前球罐設(shè)計執(zhí)行的主要標(biāo)準(zhǔn)有GB150－1998《鋼制壓力容器》、GB12337《鋼制球形儲罐》、JB4732－1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》等。

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

GB12337《鋼制球形儲罐》是一部含球殼、支柱、拉桿等的設(shè)計計算、材料選用要求、結(jié)構(gòu)要素的規(guī)定，以及球形儲罐（以下簡稱球罐）制造、組焊、檢驗與驗收的綜合性國家標(biāo)準(zhǔn)。其球殼的設(shè)計計算公式直接引用于GB150［3］。

JB4732－1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》是以分析設(shè)計為基礎(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)計方法；對選材、制造、檢驗和驗收制定了比GB150《鋼制壓力容器》更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)［4］。該設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是一種比較成熟的設(shè)計方法，其設(shè)計理念和方法更為先進(jìn)、科學(xué)，也是國家在建設(shè)節(jié)約型社會中力主推廣使用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在球罐的設(shè)計中更有優(yōu)勢。在相同設(shè)計條件下，容器的厚度可以減?。ū?），重量可以減輕10%～20%，可大大降低建造成本。勞動部辦公廳關(guān)于壓力容器設(shè)計單位實施 《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中要求：公稱容積大于650m3，且設(shè)計壓力大于1.6MPa的球形儲罐，推薦采用JB4732－1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》。

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

由上表計算得知，用JB432設(shè)計計算較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壓制球殼板片，從而減小焊縫的長度，這樣可以減小安裝和焊接的工作量。同時采用JB4732標(biāo)準(zhǔn)可以對部分結(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。

考慮到球罐作為儲存容器的特殊性，液氨介質(zhì)的危害以及設(shè)計院的球罐設(shè)計經(jīng)驗，按照常規(guī)設(shè)計設(shè)計的球罐，應(yīng)能滿足分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對制造、檢驗、驗收的要求，即采用分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不會提高制造、檢驗、驗收的費用。

因此確定采用以JB4732《JB 4732－1995鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》為主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其他參照GB150－1998《鋼制壓力容器》、GB12337《鋼制球形儲罐》進(jìn)行設(shè)計。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)力分析計算問題，并且JB4732未涉及支柱與拉桿的計算，球罐制造、組焊、檢驗與驗收要求。設(shè)計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，因此對材料也有著特殊的要求。球罐在使用時主要有五種失效模式：彈性失穩(wěn)、過度的彈性變形、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、屈服強度以及韌性。球罐在選材時一般考慮以下幾個因素：① 強度指標(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)濟指標(biāo)。

因該球罐壓力等級較高，容積也較大，能量的集聚極大，對殼體材料除要求有足夠的強度外，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對氨腐蝕狀態(tài)（參照）、抗?jié)窳蚧瘹湟蟛牧?屈 服 強 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度最大值為350MPa的鋼制作，屈服強度超過450MPa的鋼不適合用于制造盛放液氨的壓力容器?！?/p>

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

表2 16MnR、07MnCrMoVR、15MnNbR 36～60mm厚板機械性能對照

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

07MnCrMoVR鋼系，是目前國內(nèi)唯一的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度在610MPa以上的壓力容器用鋼，該鋼種借鑒日本同類型鋼系（CF62），具有較高的強度和韌性、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，已廣泛用于氧氣、氮氣、液化石油氣等球罐［1］。但該鋼種對成分控制、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。使用過程中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的情況較多，同時也不能滿足HG20581－1998對屈服強度的限制要求，因此不適用于制造液氨球罐。另外日本至今未公開報道過CF62鋼在液氨中的應(yīng)用及研究情況。事實上CF62（鋼調(diào)質(zhì)后屈服強度可達(dá)490MPa）在日本問世20余年，日本從未將其用于制造盛放液氨的球罐。文獻(xiàn)報道較多的是CF62鋼在濕H2S環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕問題，可見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）公司應(yīng)中國通用石化機械工程公司、機械部通用機械工程公司和機械部通用機械研究所等一些使用單位的要求，在參考國外壓力容器用低合金高強度鋼板的成分和性能基礎(chǔ)上，綜臺考慮國內(nèi)壓力容器用鋼的強度系列，采用Mn—Nb系，強度指標(biāo)與15MnVR鋼板相近，在大大提高冶金質(zhì)量的同時，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)晶時間，在控制雜質(zhì)后使鐵素體晶粒充分細(xì)化，顯著提高強度和韌性，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，對有害元素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鋼板15MnNbR［8］。該材料已通過冶金部組織的技術(shù)鑒定，并列入GB6654—1996年 《壓力容器用鋼板》第1號修改單和JB4732—95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(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］。同時該材料能滿足 HG20581－1998對屈服強度的限制要求，對液氨應(yīng)力腐蝕的敏感性較低。低溫沖擊試驗－20℃可達(dá)34J，滿足液氨大量泄漏時的低溫低應(yīng)力工況要求，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于液氨球罐的制造。

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

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)驗還不充足。在實際生產(chǎn)中，即使按規(guī)定用低屈服強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。對中低屈服強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)生仍是一個需要研究的問題。所以對于該球罐在后期使用過程中，仍應(yīng)加強設(shè)備定期檢驗工作，及時處理檢測檢驗過程中出現(xiàn)的問題，確保設(shè)備安全可靠運行。

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

［2］GB 150－1998，壓力容器 ［S］.

［3］GB 12337，鋼制球形儲罐 ［S］.

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

［5］HG 20580－20585－1998，鋼制化工容器設(shè)計基礎(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.