(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314)

0 引言

球罐作為大容量承壓儲存容器，廣泛應用于石油、化工、冶金等部門。近年來，隨著儲存介質(zhì)對殼體的嚴苛要求和制造水平的提高，不銹鋼制球罐也逐漸在工程中得到應用，但大部分為容積較小的薄壁球罐，大容積、大厚度不銹鋼球罐還屈指可數(shù)。本文介紹目前國內(nèi)最大厚度(δ42 mm)不銹鋼球罐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、球殼板成型及焊接過程中難點的控制和處理方案。

2 000 m3精制三氯氫硅緩沖罐是某公司3×12 000 t/a純多晶硅產(chǎn)業(yè)升級建設項目精餾裝置中的關(guān)鍵存儲設備，根據(jù)工藝條件，球罐儲存介質(zhì)為98.1%SiHCl3(TCS)和1.9%SiH2Cl2(DCS)，該介質(zhì)主要特性[1]：易燃易爆、中度危害，操作溫度45 ℃，操作壓力0.6 MPa，裝量系數(shù)0.85。SiHCl3在空氣中易潮解，遇水反應生成HCl，H2，釋放出大量的熱能，對設備易造成嚴重腐蝕和安全隱患。只有含Mo的Cr-Ni鋼在極稀的HCl溶液中溶解度稍低一些，并且鑒于介質(zhì)對設備潔凈度要求較高，經(jīng)綜合考慮選用S31603材料作為球罐的主體材料，腐蝕裕量取1 mm，對儲存介質(zhì)提出不得含有任何水分的要求。設備水壓試驗合格后，需徹底清除水漬，保持內(nèi)部干燥，并采用干燥氮氣封存。

1 設備結(jié)構(gòu)型式和主要設計參數(shù)

2 000 m3精制三氯氫硅緩沖罐采用三帶十柱混合式結(jié)構(gòu)，單臺球罐共計34塊球殼板。支柱分上下兩段，上支柱與球殼板的連接采用加U形托板結(jié)構(gòu)型式，有效降低了α點(支柱與球殼連接最低點)應力。上段支柱、托板及蓋板材料采用與球殼板材料相近的S31608鋼板制造，既避免了與球殼板之間產(chǎn)生異種鋼焊接；又沒有因完全采用與球殼板材料相同的超低碳不銹鋼而降低材料成本。設備結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其主要設計參數(shù)見表1。

圖1 精制三氯氫硅緩沖罐結(jié)構(gòu)示意

項目參數(shù)設計規(guī)范 GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》[2]容器類別Ⅲ設計壓力/MPa1.0/FV設計溫度/℃80主體材料31603/31603鍛公稱容積/m32 000殼體內(nèi)徑/mmS?15700球殼厚度/mm42腐蝕裕量/mm1操作介質(zhì)三氯氫硅、氫氣、氮氣設備總重/t305.1

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 球殼分帶優(yōu)化

根據(jù)GB/T 17261—2011《鋼制球形儲罐型式與基本參數(shù)》[3]的規(guī)定，工程中大部分2 000 m3球罐采用三帶十柱結(jié)構(gòu)，赤道帶球心角67.5°，極帶球心角112.5°，球殼板焊縫總長約380 m，極帶每張球殼板寬度3 082.7 mm。目前國內(nèi)鋼廠均無法軋制如此寬的不銹鋼鋼板，為解決此問題，設計時將赤道帶球心角改為80°，極帶球心角100°，極帶球殼板寬度降為2 740.2 mm，滿足了鋼板訂貨尺寸要求，同時球殼板焊縫總長降為365 m，減少焊材用量和節(jié)省球罐現(xiàn)場安裝時間。

2.2 焊接坡口型式優(yōu)化

大型球罐主要焊接作業(yè)在安裝現(xiàn)場的焊接位置屬于全位置焊接，普通碳鋼類球殼板坡口按GB/T 12337—2014附錄F的規(guī)定，一般為“外大內(nèi)小”不對稱X形坡口，可減少罐體內(nèi)部受限空間焊接作業(yè)量。由于不銹鋼材料的焊接困難，尤其仰焊位置更甚，為減少仰焊位置焊接量，保證焊接質(zhì)量，不銹鋼球殼板坡口采用不對稱X形坡口，且下極帶球殼板之間及下極帶與赤道帶之間的焊接坡口采用“外小內(nèi)大”X形坡口，其余球殼板坡口仍采用“外大內(nèi)小”X形坡口，坡口詳細結(jié)構(gòu)見圖2。

(a)下極帶球殼板、下極帶與赤道帶

(b)球殼(除下極帶及下極帶與赤道帶)

2.3 接管法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖3 其余接管與球殼板焊接結(jié)構(gòu)示意

按GB/T 12337—2014的要求，球罐的接管法蘭應采用帶頸對焊法蘭。本球罐設計時將接管與法蘭的焊接結(jié)構(gòu)設置為整體結(jié)構(gòu)，避免了接管與法蘭的B類焊接接頭，同時減少無損檢測等工序，有效提高制造質(zhì)量。人孔接管法蘭與球殼板的連接采用嵌入式對接連接結(jié)構(gòu)，其余接管法蘭采用插入式整體補強結(jié)構(gòu)，見圖3。

3 球罐用鋼板、鍛件及焊接材料

根據(jù)設計條件，球殼板用S31603鋼板應符合GB/T 24511—2009《承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶》[4]的規(guī)定，表面加工類型為1D。接管法蘭用S31603鍛件應符合NB/T 47010—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》[5]的規(guī)定，焊材按等強度原則采用E316L-16[6]。球罐主體材料及焊材按要求進行化學成分和力學性能復驗。其化學成分復驗結(jié)果分別見表2～4，力學性能復驗結(jié)果分別見表5～7。

表2 S31603鋼板化學成分(熔煉分析) %

表3 S31603鍛件化學成分(熔煉分析) %

表4 E316L焊條化學成分(熔煉分析) %

表5 S31603鋼板力學性能

表6 S31603鍛件力學性能

表7 E316L焊條熔敷金屬力學性能

4 球殼板的制造

4.1 球殼板成型

球殼板的壓制一般多采用多點冷壓法成型。碳鋼類球殼板成型技術(shù)，已應用多年，工程經(jīng)驗豐富；但對于大容積、大厚度不銹鋼球殼板采用此方法成型，諸如壓制時的回彈量、模具設計、壓點布置以及球殼板移動量等參數(shù)，沒有可借鑒的經(jīng)驗。為此，在球殼板正式壓制前，采用一塊規(guī)格為2 000 mm×3 000 mm×45 mm的樣品進行試壓和試切割，在壓制過程中，充分考慮不銹鋼板的塑性和回彈量，掌握壓力和回彈量的關(guān)系比，通過模擬樣品試壓掌握相關(guān)技術(shù)參數(shù)后，再對球殼板進行正式壓制。球殼板壓點布置及壓制順序如圖4所示。

不銹鋼材料與碳素鋼接觸會產(chǎn)生滲碳、Fe離子污染、表面損傷等情況，均對材料的耐腐蝕性能產(chǎn)生影響。因此在不銹鋼球殼板壓制成形及運輸過程中，對不銹鋼鋼板表面保護尤為重要。首先，對球殼板內(nèi)外表面貼敷牛皮紙，防止壓制過程中壓制模具對球殼板的表面污染；其次，對現(xiàn)有壓制模具進行改造，壓制模具上模熱處理后的曲面及邊緣100 mm范圍進行拋光處理，下模采用1.2 mm厚不銹鋼板進行包覆[7]；還對吊裝卡具表面進行堆焊隔離(銅)層處理，制作3 000 mm長不銹鋼曲率檢測樣板，在專用壓制場地鋪設橡膠墊等系列隔離措施，詳見圖5。

圖4 球殼板壓點布置示意

(a) (b) (c)

圖5 球殼板隔離措施

4.2 球殼板切割及坡口制備

氣割不銹鋼球殼板時，坡口邊緣變形較大，坡口成形質(zhì)量差，易出現(xiàn)波浪形，給后序的現(xiàn)場組焊造成困難。在制定嚴格的壓制工藝后，采用了球殼板專用數(shù)控切割機精準劃出切割線和檢查線，見圖6。

由于不銹鋼球殼板厚度、尺寸較大，尤其是赤道板凈尺寸長度達到10 960.7 mm，壓制后拱高達到1 836 mm，對設備的切割能力和爬坡能力要求極高，因此特購置了2臺功率600 A自帶弧壓調(diào)高裝置及冷卻系統(tǒng)的等離子切割機。

圖6 專用數(shù)控切割機激光劃線現(xiàn)場

對于碳鋼類球殼板，以往均采用視覺跟蹤磁力爬行切割機進行坡口切割，但對于不銹鋼材質(zhì)，此設備滾輪無法吸附于鋼板表面，為此對普通半自動爬坡小車與等離子切割機進行組裝，并制作了爬行軌道胎具。球殼板厚度42 mm，等離子切割機無法達到雙面坡口一次切割成型，只能單面分兩次切割，且先從坡口尺寸較深一側(cè)進行切割，切割后坡口打磨出金屬光澤，并保證每條邊的曲線連續(xù)性，清除坡口毛刺，成型后的球殼板坡口效果見圖7，坡口表面經(jīng)100%滲透檢測，Ⅰ級合格[8]。球殼板切割完成后，對曲率超差部分進行修校，修校后檢測樣板與球殼板內(nèi)表面的間隙e≤3 mm，球殼板幾何尺寸均滿足設計要求。其中，極邊板幾何尺寸檢查結(jié)果如表8所示。

圖7 成型后的球殼板坡口外觀

表8 極邊板幾何尺寸檢查結(jié)果 mm

注:表中符號按GB/T 12337—2014的規(guī)定，B1,B2-寬度方向弦長，mm；L1，L3-長度方向弦長，mm；D-對角線弦長，mm

5 接管法蘭、支柱與球殼板的焊接及質(zhì)量控制

5.1 焊接變形防控

焊接不銹鋼材料時極易產(chǎn)生焊接變形，球殼板焊接后產(chǎn)生的變形會影響現(xiàn)場安裝的順利進行。球殼板的焊接變形防控是確保球殼板曲率和幾何尺寸的重要因素。為此，采取了以下措施。

(1)施焊前球殼板應裝焊防變形胎，以加大結(jié)構(gòu)剛性，見圖8；

圖8 防變形胎結(jié)構(gòu)示意

(2)根據(jù)焊接工藝評定，制定科學合理的焊接工藝，嚴格控制焊接熱輸入，降低焊接線能量；

(3)采取合理的焊接方法，對稱布置焊接位置同時施焊，并采取分段跳焊法及合理的焊接順序。

5.2 S31603材料的焊接要求及質(zhì)量控制

S31603可采用SMAW，GTAW等焊接方法，焊接時易產(chǎn)生熱裂紋[9-11]，為了減少熱裂紋，需要保證焊接接頭中具有一定的鐵素體含量，鐵素體含量控制在3% ～8%。產(chǎn)品正式焊接前，根據(jù)產(chǎn)品材料及厚度、焊接接頭型式、焊接性能分析[12]等制定預焊接工藝規(guī)程pWPS進行焊接工藝評定，評定試板采用厚度δ45 mm的S31603鋼板，坡口采用不對稱X形，焊接方法采用SMAW，焊條采用?4.0 mm的E316L，焊接工藝評定參數(shù)見表9。焊接完成后，按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》[13]要求對焊接接頭進行拉伸、側(cè)彎、硬度HV10及晶間腐蝕試驗。經(jīng)檢測，抗拉強度Rm=603 MPa，斷裂位置均在母材。彎曲試驗試樣尺寸10 mm×45 mm，彎心直徑40 mm，彎曲角度180°，結(jié)果合格。硬度測定時，在焊縫、熱影響區(qū)、母材距表面1.5 mm及T/2處各3點，HV10檢測結(jié)果190～235。評定試件按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》[14]中E法進行硫酸-硫酸銅腐蝕試驗，結(jié)果合格。

表9 焊接工藝評定參數(shù)

產(chǎn)品焊接過程中嚴格控制焊接電流、電弧電壓和焊接速度。接管法蘭與球殼板焊接時，采用SMAW方法在坡口外側(cè)焊接至外坡口深度的1/3處，然后采用等離子氣刨在坡口內(nèi)側(cè)進行清根，清根后，采用不銹鋼砂輪打磨消除滲碳層，至露出金屬光澤，經(jīng)無損檢測合格后，進行坡口內(nèi)側(cè)焊接，至內(nèi)坡口深度1/2處，再進行外側(cè)坡口焊接及內(nèi)側(cè)坡口焊接。焊接過程中需控制層間溫度≤150 ℃，以保證焊接質(zhì)量。上段支柱、托板及蓋板與球殼板焊接時，第一道采用?3.2 mm焊條施焊，以保證接頭根部熔透，然后再用?4.0 mm焊條繼續(xù)施焊，焊接過程中嚴格控制層間溫度≤100 ℃，且要做到均勻配置焊工，同時對稱焊接，產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)見表10。

表10 產(chǎn)品焊接工藝參數(shù)

5.3 焊后無損檢測

焊接采用多層多道焊，每道焊縫完成后，應清除焊縫兩側(cè)的熔渣及飛濺物，焊接接頭表面不得出現(xiàn)未熔合、咬邊、裂紋、氣孔及夾渣等缺陷。角焊縫表面打磨至與母材圓滑過渡。焊接完成后對球殼板的曲率和幾何尺寸再次檢查，必要時進行局部修校。焊縫表面形狀及外觀檢測合格后，對接管法蘭與球殼板的焊接接頭進行100%射線檢測，Ⅱ級合格。經(jīng)無損檢測，一次合格率達98.2%，主要缺陷為夾渣、未熔合等。

6 球殼板運輸及現(xiàn)場組裝

球殼板運輸時，制作防變形運輸托架，托架與球殼板之間墊以橡膠墊、用不銹鋼鋼帶束緊固定，球殼板與托架整體起吊。運輸至安裝現(xiàn)場后，球殼板吊裝前，球殼板始終置于托架上，避免曲率發(fā)生變化，產(chǎn)生局部變形。

球罐現(xiàn)場安裝時采用“無中心柱分片整體組裝法”，首先依次組裝帶支柱的赤道板，用經(jīng)緯儀測量，調(diào)整支柱與赤道板的垂直度，將支柱底板固定；然后吊裝不帶支柱的赤道板，依次插入已安裝就位赤道板之間，用不銹鋼卡具固定；組裝成環(huán)帶后，調(diào)整赤道板間隙、錯邊量、角變形及上下環(huán)口水平度、橢圓度，而后吊裝上、下極帶板。安裝過程中，為盡量保證罐內(nèi)清潔度，定位塊、工卡具在球殼板外側(cè)固定，搭設內(nèi)外腳手架用鋼管全部采用鍍鋅處理，鋼管兩端墊橡膠墊。組裝完成后，經(jīng)檢測球殼板坡口鈍邊間隙均≤4 mm，錯邊量≤3 mm。用弦長2 000 mm的樣板，沿對接接頭每500 mm測量棱角度，棱角度E≤5 mm。

該球罐安裝過程中，球殼板之間的組裝間隙、棱角度及焊接質(zhì)量均滿足設計要求，并經(jīng)水壓試驗驗證合格，現(xiàn)場安裝效果見圖9。

(a)

(b)

7 結(jié)語

(1)在設計大厚度不銹鋼球罐時，對球殼分帶、坡口形式及接管法蘭進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，降低了制造安裝的難度，有效保證了球罐的安全性和經(jīng)濟性。

(2)對球罐原材料的復驗要求、制定合理的制造工藝及焊接防變形控制措施，解決了不銹鋼球殼板壓制過程中的質(zhì)量控制、半成品保護等難題，為高質(zhì)量完成不銹鋼球罐制造奠定了基礎。

(3)厚度42 mm的2 000 m3不銹鋼球罐的成功制造，為今后大容積、大厚度不銹鋼球罐的設計制造積累了寶貴的工程經(jīng)驗。