趙慶濱

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730314)

0 引言

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，盛裝低溫介質(zhì)的壓力容器也日益增多，低溫乙烯球罐就是其中之一。低溫乙烯球罐是乙烯裂解裝置中關(guān)鍵的存儲設(shè)備，使用時操作壓力高、溫度低、安全性要求高。這使乙烯球罐在設(shè)計、選材、制造、施工等方面存在諸多技術(shù)難題。現(xiàn)以某公司制造的2 000 m3－70℃09MnNiDR(δ=56 mm)低溫乙烯球罐為例，簡單介紹一下該材料在球罐產(chǎn)品中的應(yīng)用，為今后推廣09MnNiDR用于球罐制造提供幫助。乙烯球罐主要設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)如表1。

表1 乙烯球罐主要設(shè)計參數(shù)

2 000 m3低溫乙烯球罐結(jié)構(gòu)為三帶十柱混合式結(jié)構(gòu)，罐體分為赤道帶、上極帶和下極帶，分別由20張赤道板、2張極中板、4張極側(cè)板、8張極邊板組成。

球殼板材料為具有－70℃低溫沖擊韌性的09MnNiDR鋼板，接管凸緣材料為與球殼板材料相匹配的09MnNiD鍛件。對56 mm厚的09MnNiDR球殼板和09MnNiD鍛件的焊接進(jìn)行了焊接工藝評定，制定焊接工藝規(guī)范，順利完成了低溫乙烯球罐的制造。

圖1 乙烯球罐結(jié)構(gòu)詳圖

1 材料性能

1.1 鋼板、鍛件

對于應(yīng)用于－70℃低溫乙烯球罐09MnNiDR鋼板和09MnNiD鍛件進(jìn)行模擬焊后熱處理狀態(tài)下的的化學(xué)成分和力學(xué)性能的技術(shù)要求和復(fù)驗結(jié)果分別見表2～5。

表209 MnNiDR鋼板化學(xué)成分(熔煉分析) /wt%

表309 MnNiDR鋼板力學(xué)性能

鋼板供貨狀態(tài)為正火+回火態(tài)。

表409 MnNiD鍛件化學(xué)成分(熔煉分析) /wt%

表509 MnNiD鍛件力學(xué)性能

鍛件以淬火+回火(調(diào)質(zhì))熱處理狀態(tài)供貨，其中回火溫度≥620℃。

1.2 焊 條

根據(jù)低溫球罐焊接接頭要求等屈服，等強(qiáng)度和等韌性的指導(dǎo)原則，接管凸緣與球殼板的對接接頭采用國內(nèi)唯一與09MnNiD鋼相匹配的W707DR高韌性低氫型焊條。W707DR焊條經(jīng)模擬焊后熱處理熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能詳見表6及表7。

表6 焊條熔敷金屬的化學(xué)成分(wt%)

表7 焊條熔敷金屬力學(xué)性能

由于球罐安裝現(xiàn)場施焊環(huán)境較差，以及施工單位對所采購的焊條質(zhì)量不夠重視等因素的影響，為保證焊接質(zhì)量，對W707DR焊條熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量進(jìn)行復(fù)驗，按 GB/T3965標(biāo)準(zhǔn)中的甘油法進(jìn)行，以［H］≤4.0 ml/100 g為合格。

2 焊接工藝評定

球罐產(chǎn)品正式焊接前進(jìn)行焊接工藝評定試驗。評定試板用料一塊采用09MnNiD鍛板，另一塊取自球殼板用09MnNiDR鋼板。試板尺寸 600×150×56mmm。坡口采用不對稱X型，進(jìn)行焊條電弧焊焊接，焊條為 W707DR(φ4.0)，焊接電流為 140 ～170A，焊接速度≥150mm/min，最大線能量18 kJ/cm。焊后進(jìn)行了580±15℃保溫2.5hr的消除應(yīng)力熱處理，并按NB/T47014－2011標(biāo)準(zhǔn)對焊接接頭進(jìn)行了拉伸、彎曲試驗、沖擊試驗等，其結(jié)果見表8。

表8 焊接工藝評定試樣力學(xué)性能

3 產(chǎn)品焊接

焊接工藝評定合格后，編制詳細(xì)的焊接工藝規(guī)范，指導(dǎo)球罐的正式焊接。W707DR焊條使用前須經(jīng)350～400℃烘干1～2 h，然后置于恒溫箱內(nèi)，取用時使用焊條保溫筒。保溫筒內(nèi)的焊條須在4 h內(nèi)用完，否則應(yīng)重新烘干。烘干次數(shù)超過2次的焊條不得用于球殼板的焊接。

人孔、接管均采用凸緣結(jié)構(gòu)，與球殼板之間形成嵌入式對接連接，其焊縫坡口形式與球殼板相同，采用不對稱X形。焊前預(yù)熱溫度≥130℃，預(yù)熱應(yīng)均勻，預(yù)熱寬度為焊縫中心兩側(cè)各170 mm。焊接過程中注意控制層間溫度≤200℃。赤道板與上段支柱安裝時，注意測量支柱的垂直度。焊接前球殼板做好防變形支撐，焊接完成后測量球殼板的曲率、幾何尺寸等，當(dāng)變形量有超差時，重新修校球殼板。人孔、接管與極中板的焊接以及上段支柱與赤道板焊接在制造廠內(nèi)完成，焊接位置為平焊。球殼板與人孔、接管及支柱的連接焊縫焊后立即進(jìn)行后熱消氫處理，后熱規(guī)范200～250℃×2hr。09MnNiDR球殼板不得采用硬印標(biāo)記，不得在焊接接頭附近敲打焊工鋼印，采用油漆噴涂的方式標(biāo)識球殼板。

球殼板與人孔、接管及上段支柱組焊成部件后以架裝形式發(fā)運(yùn)到安裝現(xiàn)場，下段支柱及拉桿等附件集束捆扎裸裝。

現(xiàn)場組焊時球殼板的焊接位置為全位置焊，故W707DR焊條進(jìn)行全位置焊接，采用直流電源，直徑φ4的焊條在平焊、橫焊時焊接電流為140～170 A，立焊、仰焊時焊接電流為130～160 A，焊接速度≥150 mm/min，焊接線能量12～30 kJ/cm。

球罐安裝現(xiàn)場施焊環(huán)境存在雨雪天、風(fēng)速超過8 m/s、相對濕度在80%以上，溫度在－5℃下任一情況，不得施焊。球罐焊接順序和焊工配置應(yīng)有利于減少焊接變形和殘余應(yīng)力。焊接時要求對稱施焊，每個焊工的焊接速度盡量一致，施焊順序先焊縱縫后焊環(huán)縫，外部焊縫全部焊完后，內(nèi)部清根并經(jīng)滲透檢測合格后再焊接內(nèi)部焊縫。09MnNiDR球殼板焊接前預(yù)熱溫度不應(yīng)低于130℃，預(yù)熱應(yīng)均勻，預(yù)熱寬度不小于170 mm，焊接層間溫度不宜大于180℃。W707DR焊條采用直流電源，進(jìn)行全位置焊接。

4 焊接試板

球罐產(chǎn)品按要求制備凸緣鍛件與極中板的焊接試板，焊接試板用料一塊從09MnNiDR球殼板的氣割余料上制備，另一塊采用09MnNiD鍛板，鍛板與凸緣鍛件同爐號、同熱處理狀態(tài)和同厚度，坡口形式、施焊工藝采用與產(chǎn)品焊接相同的焊接工藝規(guī)范。試板焊后進(jìn)行580±15℃×2.5hr的模擬焊后熱處理，熱處理后焊接試板力學(xué)性能見表9。

表9 焊接試板力學(xué)性能

5 現(xiàn)場組裝

大型球罐由于結(jié)構(gòu)特點，需在用戶現(xiàn)場完成球殼板的組裝及后序工作。

5.1 球罐零部件的檢查和驗收

球殼板坡口磁粉檢測抽查，抽查數(shù)量不少于球殼板總數(shù)的30%，并應(yīng)覆蓋到每個規(guī)格的球殼板，磁粉檢測按JB/T4730.4標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ級合格。

球殼板應(yīng)進(jìn)行全面積超聲檢測抽查，抽查數(shù)量不少于球殼板總數(shù)的40%，抽查包括全部上、下極板和與支柱連接的赤道板，超聲檢測按JB/T4730.3標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ級合格。

球殼板逐張進(jìn)行測厚檢查，每塊球殼板測量不少于9點，球殼板的實測厚度不小于名義厚度減鋼板負(fù)偏差。每塊球殼板均進(jìn)行曲率、幾何尺寸、坡口質(zhì)量、機(jī)械損傷情況檢查，檢測結(jié)果應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

5.2 球殼板組裝

組裝前應(yīng)按GB50094的要求對球罐基礎(chǔ)進(jìn)行檢查和驗收。地腳螺栓采用二次灌漿固定，支柱底板須緊貼基礎(chǔ)，以保證各支柱受力均勻?；A(chǔ)檢查合格后，畫出中心圓，以便使支柱安裝在準(zhǔn)確位置。支柱安裝前在滑動底板上涂潤滑脂。

首先將下極板吊裝安放在基礎(chǔ)中心圓內(nèi)，并將方位基本找準(zhǔn)。然后先吊裝第一塊帶支柱的赤道板，用經(jīng)緯儀測量，并調(diào)整好支柱及赤道板的垂直度，將支柱底板固定，用鋼絲繩沿徑向拉緊。然后依次吊裝其它帶支柱的赤道板，按同樣方法調(diào)整和固定，然后安裝并拉緊柱間拉桿。搭設(shè)外腳手架，高度低于赤道板上端口700 mm左右。吊裝一塊不帶支柱的赤道板，插入兩塊已安裝就位帶支柱赤道板之間，使對中板靠緊，用卡具固定。按上述程序依次吊裝其余不帶支柱的赤道板，使之組裝成環(huán)帶，調(diào)整赤道板的間隙、錯邊量、角變形及上口水平度、橢圓度。而后吊裝進(jìn)行下極帶板安裝，吊裝下極帶極側(cè)板、極邊板和極中板，極帶板之間也用卡具組裝連接，調(diào)整組對間隙、錯邊量和角變形。按同樣方法吊裝上極帶邊板、側(cè)板和極中板，調(diào)整組對間隙、錯邊量、角變形以及橢圓和直徑符合要求后點焊。組裝好的赤道板、極帶板進(jìn)行全方位的檢查測量，各部位間隙、錯邊量、角變形、直徑、圓度滿足要求后，在內(nèi)側(cè)進(jìn)行定位焊。球殼板組裝過程中，不得采用強(qiáng)力組對。

球殼板組裝完成后，進(jìn)行附件的安裝。焊接完成后，檢查棱角、球殼兩極間及赤道帶截面的內(nèi)直徑、支柱垂直度等幾何尺寸。

6 無損檢測

球罐組裝組焊完畢，焊縫表面的形狀尺寸及外觀檢查合格后，進(jìn)行無損檢測。射線和超聲無損檢測在焊接結(jié)束36 h后進(jìn)行。球殼對接焊縫焊后(整體熱處理前)除應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測或100%衍射時差法(TOFD)超聲檢測外，還應(yīng)進(jìn)行100%超聲檢測。在熱處理后和水壓試驗后再分別進(jìn)行一次超聲檢測。球罐整體熱處理前后和水壓試驗后，分別對球殼板上的所有焊接部分(包括對接焊縫的內(nèi)外表面、角焊縫、工卡具清除后的焊接痕跡及其熱影響區(qū))進(jìn)行表面100%磁粉檢測。

7 焊后整體熱處理

09MnNiDR鋼制球罐在無損檢測合格后進(jìn)行整體熱處理。球罐的熱處理采用高速噴嘴內(nèi)部燃燒法，熱處理前將球殼板焊接試板放置在熱處理過程中高溫區(qū)的外側(cè)。加熱系統(tǒng)事先調(diào)試合格，除人孔外的其余的管口采用盲板封堵，采取防風(fēng)、防雨、防火和防停電等預(yù)防措施。

焊后整體熱處理工藝溫度為580±15℃，恒溫時間2.5小時，當(dāng)溫度處于400℃以上時，升溫速度控制在50～80℃/hr，球殼表面上任意兩測溫點的溫差不得大于120℃。降溫時降溫速度控制在30～50℃/hr，當(dāng)溫度達(dá)到400℃以下時自然冷卻。熱處理時保溫層應(yīng)緊貼球罐表面，局部間隙不得大于20 mm。球罐的人孔、接管、連接板以及從支柱與球殼連接焊縫的下端算起向下至少1 000 mm長度范圍內(nèi)均應(yīng)進(jìn)行保溫。恒溫過程中，保溫層的外表溫度不得高于60℃。

熱處理前在支柱底板下部設(shè)置移動裝置，熱處理過程中監(jiān)測柱腳位移，并按計算位移及時調(diào)整柱腳位移，溫度每變化100℃調(diào)整一次。熱處理后測量并調(diào)整支柱的垂直度。

8 水壓試驗

球罐熱處理合格后進(jìn)行水壓試驗，水壓試驗旨在驗證球罐的強(qiáng)度及泄露情況。試驗用水溫≥5℃，試驗步驟按GB12337標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。球罐在充、放水過程中，應(yīng)在充水前、充水高度到1/3球罐內(nèi)徑時、充水高度到2/3球罐內(nèi)徑時、充滿水24 h后及放水后對基礎(chǔ)的沉降進(jìn)行觀察。每個支柱基礎(chǔ)均需測定沉降量，各支柱基礎(chǔ)應(yīng)均勻沉降，任意支柱基礎(chǔ)沉降差不大于3 mm。

9 球罐防腐

球罐水壓試驗合格后，球殼外表面及支柱表面進(jìn)行除銹處理，除銹等級達(dá)到SH3022－2011標(biāo)準(zhǔn)中的Sa2.5級。球罐表面處理合格后，外表面涂冷底子油2道，干膜厚度大于0.2 mm。球罐制造完畢后交由用戶使用，開車后球罐運(yùn)行良好。

10 結(jié)語

09MnNiDR用于低溫乙烯球罐的制造是近年來球罐類壓力容器向低溫方向發(fā)展的趨勢。09MnNiDR球殼板、09MnNiD鍛件與W707DR焊條的匹配，通過控制焊前預(yù)熱溫度、層間溫度及熱輸入，在球罐安裝現(xiàn)場惡劣的施焊環(huán)境下，經(jīng)熱處理后的各項力學(xué)性能及低溫沖擊韌性在全位置焊接時均能滿足要求。2000 m3低溫乙烯球罐的成功制造，為今后大力推廣該材料在球罐上的應(yīng)用積累了經(jīng)驗。

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