黃金國，蔣 軍，王 利，吳國俊

(合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

作為三大合成材料的基本原料，丙烯主要用于生產(chǎn)丙酮、環(huán)氧丙烷、丙烯腈、異丙烯等【1】。丙烯的基本性質(zhì)為：分子量42.08、密度0.513 9 g/cm3、冰點-185.3 ℃、沸點-47.4 ℃，屬低毒類物質(zhì)。丙烯的存儲一般分為：低溫常壓、低溫壓力和常溫壓力。在一般倉儲企業(yè)或大部分工藝裝置中的丙烯都是采用常溫壓力球罐存儲，設計壓力通常按照50 ℃時的飽和蒸氣壓來確定，即為2.16 MPa，建造材質(zhì)選用Q370R或07MnMoVR；但有些設計院設計溫度也會根據(jù)地域不同、工藝條件不同或基于本質(zhì)安全的設計理念，將最低設計溫度取為-48 ℃，這時則需選用JFE-HITEN610U2L、 07MnNiMoDR或15MnNiNbDR建造。

隨著球罐設計水平、鋼板質(zhì)量及制造和安裝水平的不斷提高，丙烯球罐的最大建造容積從原來的1 500 m3逐漸增大到現(xiàn)在的4 000 m3。在滿足一定庫容要求的前提下，建造4 000 m3丙烯球罐減少了設備數(shù)量、占地面積以及配套管道、閥門及儀器儀表的數(shù)量，同時也降低了球罐運行后維護及停檢修費用。

4 000 m3丙烯球罐由于設計壓力較高，為實現(xiàn)輕量化，都采用分析設計方法。本文結合近年來國內(nèi)建造的-20 ℃丙烯球罐較多的情況，對常溫設計參數(shù)下4 000 m3丙烯球罐的兩種建造方案進行了分析對比。

1 4 000 m3丙烯球罐的設計參數(shù)

本次建造的4 000 m3丙烯球罐主要設計參數(shù)見表1。

2 4 000 m3丙烯球罐的選材方案

針對4 000 m3丙烯球罐設計壓力為2.16 MPa，分別選用中強度Q370R鋼和高強度07MnMoVR鋼進行建造，兩種建造方案球殼板厚度及凈質(zhì)量見表2。

3 兩種方案主體材料技術要求

3.1 方案一(Q370R)主體材料技術要求

球殼用Q370R鋼板交貨狀態(tài)為正火，須進行100%超聲檢測，按NB/T 47013.3—2015Ⅰ級合格，雜質(zhì)元素P含量由標準的不大于0.020%降低到不大于0.015%，S含量由標準的不大于0.010%降低到不大于0.008%。Q370R鋼板的力學性能和冷彎性能見表3。從表3可以看出：其低溫沖擊韌性比GB 713—2014標準要求有較大幅度的提高。

按JB 4732標準、配套的鍛件需選用20MnMoD鍛件，調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，雜質(zhì)元素P含量由標準的不大于0.020%降低到不大于0.015%，S≤0.008%，-40 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥60 J(單個值≥42 J)。

表2 4 000 m3球罐兩種方案球殼板厚度

表3 Q370R鋼板的力學性能和冷彎性能

球罐開罐檢查表明：裂紋約80%產(chǎn)生在焊縫上，焊縫的質(zhì)量決定了球罐的質(zhì)量。因此本次丙烯球罐主體焊接(球殼板之間、 球殼板和凸緣之間等)用焊條的熔敷金屬必須有較大的韌性儲備，選用E5515-N2(J557RH)高韌性超低氫型焊條，其熔敷金屬雜質(zhì)元素P含量由標準的不大于0.025%降低到不大于0.020%，S含量由標準的不大于0.015%降低到不大于0.010%，采用微合金化技術，-50 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥60 J(單個值≥42 J)相比標準要求，有較大幅度的提高，且對立焊位置的焊接線能量不太敏感。

3.2 方案二(07MnMoVR)主體材料技術要求

球殼用07MnMoVR鋼板交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)，100%超聲檢測，按NB/T 47013.3—2015Ⅰ級合格，P≤0.015%，S≤0.005%。鋼板的力學性能和冷彎性能見表4。

表4 07MnMoVR鋼板的力學性能和冷彎性能

配套的鍛件選用08MnNiMoVD鍛件，調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，其中P≤0.015%，S≤0.008%，-40 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥70 J(單個值≥49 J)。

球罐主體焊接(球殼板之間、球殼板和凸緣之間等)采用與07MnMoVR鋼板相匹配的E6215-N2M1(J607RH)高韌性超低氫型焊條。其熔敷金屬P≤0.015%，S≤0.010%，-50 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥60 J(單個值≥42 J)。

4 4 000 m3丙烯球罐結構設計及有限元分析

兩種方案設計的球罐結構型式基本類似，均采用分析設計。

先根據(jù)JB 4732設計標準的相關公式，初步確定球罐各部件的尺寸【2】，再利用有限元分析軟件ANSYS對球罐的整體及上、下極開孔結構等局部結構進行有限元應力分析計算，然后根據(jù)JB 4732 標準進行應力分類和評定，并根據(jù)計算結果對一些部件的尺寸和結構進行調(diào)整和優(yōu)化，形成最終的球罐結構圖。

4.1 4 000 m3丙烯球罐的結構設計

球罐結構設計對球罐制造和安裝的質(zhì)量及投用后的可靠性和安全性都有極大的影響。合理的球罐布片結構可有效改善球罐的受力狀況，同時也可最大限度地增大鋼板利用率、減少主體焊縫的總長度以及降低成本。在綜合考慮生產(chǎn)鋼廠的軋制、制造廠的球片壓制和安裝單位的安裝等能力后，兩種方案的4 000 m3丙烯球罐都選定了4帶12支柱混合式結構(見圖1)，只是考慮到單塊板重，在球殼板分帶角度上略有差異。

圖1 兩種方案球罐整體結構

大部分球罐的厚壁管和球罐球殼板連接部位采用直插式結構，為角接接頭，無法進行射線檢測，其焊縫的焊接質(zhì)量很難保證。此兩種設計方案在設計時，將所有球殼板與凸緣和接管之間全部采用對接接頭(見圖2)【3】，可進行射線檢測，提高了球罐焊縫質(zhì)量，但由于厚壁管不是沿球罐的徑向布置，增加了厚壁管的機加工難度。

兩種方案4 000 m3丙烯球罐整體結構分別做了設計、壓力試驗和地震工況的有限元分析驗算，對上、下極開孔接管局部結構做了設計和壓力試驗工況的有限元分析驗算，并根據(jù)驗算的結果進行了結構尺寸的優(yōu)化?？紤]到工藝管口載荷對相應接管及接管附近球殼結構、扶梯平臺自重和風載對球殼及其附近支撐件的應力影響，增加了兩種附加工況的計算。具體的計算工況及考慮載荷見表5。

圖2 厚壁管和球殼板的對接接頭形式

表5 有限元計算工況及考慮載荷

5 4 000 m3丙烯球罐建造技術要求

兩種方案建造的4 000 m3丙烯球罐都具有一定的難度。方案一的Q370R鋼制4 000 m3丙烯球罐厚度達56 mm(已超過標準中球殼厚度不宜超過50 mm的要求)；方案二的07MnMoVR鋼制4 000 m3丙烯球罐厚度達47 mm，也接近此種材料建造球罐的上限厚度。故在采用這兩種方案建造球罐時，除上述在材料方面所做的提高外，還在設計的其他方面提高了部分技術指標，以確保球罐的建造質(zhì)量，主要表現(xiàn)以下幾個方面。

5.1 進行專家評審備案

GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》和GB/T 12337—2014《鋼制球形儲罐》標準中都提出“球殼板厚度不宜大于50 mm”的要求，而方案一采用Q370R鋼板制造的56 mm厚球殼板雖已突破50 mm，但此建造方案采取了組織專家評審等方式，并進行評審備案，對球罐設計、原材料訂貨、制造和安裝等各個環(huán)節(jié)提出更高的技術要求，確保球罐安全可靠【3-4】。

5.2 提高球殼板等制造精度

球殼板等附件的制造尺寸精度越高，越接近設計理論尺寸。避免安裝時強力組裝，可減小球罐的殘余應力。

將檢查球殼板曲率的樣板由標準弦長不小于2 m 增大至不小于3 m，精度更高；同時球殼板幾何尺寸允許偏差也較標準要求做了一定程度的提高。

5.3 焊接工藝控制及安裝過程技術要求

技術文件中明確規(guī)定了球罐主體焊縫不得采用φ5.0 mm的焊條；對焊前預熱、焊接層間溫度、焊接電流、焊接線能量、焊后消氫處理等事項均提出了嚴于標準的技術要求。

在焊接工藝評定中，方案一(Q370R)規(guī)定了焊接接頭(熱影響區(qū)及焊縫金屬)經(jīng)(610 ℃±15 ℃×5.0 h)焊后熱處理后，-20 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥41 J(單個值≥29 J)；方案二(07MnMoVR)規(guī)定了焊接接頭(熱影響區(qū)及焊縫金屬)經(jīng)(580 ℃±15 ℃×5.0 h)焊后熱處理后，-20 ℃低溫沖擊功平均值KV2≥47 J(單個值≥33 J)。為了保證結構的連續(xù)性，使其受力狀況良好，技術文件要求將球罐焊后棱角值由標準要求的不小于10 mm提高到不小于8 mm，且所有對接焊縫都應打磨至與母材圓滑過渡。

技術條件中要求熱處理單位應制訂詳細的熱處理方案，并對熱處理工藝等提出了明確的技術要求和控制措施。

5.4 無損檢測技術要求

為了提高大容積球罐的安全可靠性，兩種建造方案的技術文件中，都對球罐焊接接頭提出了比標準要求更高的無損檢測比例和合格等級，見表6【5-6】。

6 4 000 m3丙烯球罐兩種建造方案造價對比

國內(nèi)球罐除材料費用之外，制造、運輸和安裝一般是按照噸單價進行測算，其中運輸也占據(jù)了造價中不小的份額。兩種方案建造的4 000 m3丙烯球罐造價是基于除鋼板外其他條件一致的情況下進行的對比，按照目前的市場價格測算，單臺4 000 m3丙烯球罐造價見表7。從表7中可以看出：兩種方案建造的4 000 m3丙烯球罐性價比基本相當。

表6 無損檢測比例和合格級別

表7 兩種方案造價對比

7 結語

1) 采用應力分析進行設計的兩種4 000 m3丙烯球罐建造方案在技術上都是可行的，已分別在上海、江蘇和浙江等相關企業(yè)進行了建造應用。設計建造過程應從原材料(球殼板用鋼板、配套的鍛件和焊條等)、制造和安裝等環(huán)節(jié)相應提高技術要求，以確保球罐產(chǎn)品的建造質(zhì)量。

2) 利用有限元分析軟件ANSYS對球罐的整體及上、下極開孔結構等局部結構進行有限元應力分析計算，并根據(jù)計算結果對一些部件的尺寸和結構進行調(diào)整和優(yōu)化，形成合理的球罐結構圖。

3) 4 000 m3丙烯球罐容積大，而球罐產(chǎn)品涉及到在制造廠進行初步的球片預制及零部件的制造和焊接，以及安裝現(xiàn)場的組對、焊接、熱處理、無損檢測和耐壓試驗等諸多環(huán)節(jié)，必須提高相應的技術指標，且需加大對每個環(huán)節(jié)的監(jiān)管和檢查力度，以確保設計技術指標得到落實。

4) 比較文中的兩種建造方案：方案一的Q370R鋼板屬于中強度正火鋼板，可焊性好，但球殼壁厚大，焊接工程量大；方案二的07MnMoVR鋼板屬于高強調(diào)質(zhì)鋼，對焊接工藝要求非常高，焊接過程中，需要嚴加管控。

5) 依據(jù)GB 50160—2018《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》中 “全壓力式或半冷凍式液化烴儲罐的單罐容積不應大于4 000 m3”的要求，不管是從遵守標準規(guī)范的角度考慮，還是從材料允許使用范圍考慮，50 ℃時飽和蒸氣壓下，4 000 m3的丙烯球罐都是最大允許建造容積。