曹鳳玲,楊林
(1.沈陽地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司,遼寧 沈陽 110166 2.東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院(有限公司),遼寧 沈陽 110166)
5 000 m3液氨球罐主體結(jié)構(gòu)為5 帶12 支柱混合式,球罐內(nèi)直徑為21 200 mm,支柱型式為赤道正切式,工作壓力0.8 MPa,工作溫度-33~20 ℃,介質(zhì)為液氨,密度為680 kg·m-3,設(shè)計(jì)壽命15年。
根據(jù)GB/T17261《鋼制球形儲(chǔ)罐型式與基本參數(shù)》,球罐選擇5 帶12 支柱混合式,支柱型式為赤道正切式。分帶的角度為:赤道帶45°,溫帶30°,極帶37.5°。采用這樣分帶,不但球殼板的壓制模具制造方便、省料,而且板材的利用率也高于標(biāo)準(zhǔn)分法,具體見表1。
表1 標(biāo)準(zhǔn)分帶與設(shè)計(jì)分帶的對(duì)比
由表1 可知,本次分帶在焊縫總長(zhǎng)上只有標(biāo)準(zhǔn)分帶的90.5%,焊條用量上為96.9%,板材利用率提高了2.9%,模具費(fèi)用降低了1.2 萬元??梢?,這種分帶具有十分可觀的經(jīng)濟(jì)效果。
根據(jù)設(shè)計(jì)溫度為-33 ℃,球殼板選16MnDR,設(shè)計(jì)使用溫度下限為-40 ℃,其應(yīng)符合GB3531《低溫壓力容器用鋼板》的相關(guān)要求。
該球罐是液氨應(yīng)力腐蝕工況,所以對(duì)球殼的材料有更為嚴(yán)格的要求,且需符合HG/T20581《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》中對(duì)液氨應(yīng)力腐蝕工況的要求。16MnDR 正火狀態(tài)下供貨,逐張進(jìn)行UT(超聲波)檢測(cè)及夏比(V 型缺口)沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度-40 ℃,沖擊功值按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。16MnDR 的抗拉強(qiáng)度ReL≤355 MPa;屈服強(qiáng)度Rm≤630 MPa;碳當(dāng)量CE≤0.45。
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12337《鋼制球形儲(chǔ)罐》中的厚度計(jì)算公式:
式中:Pc—設(shè)計(jì)壓力,取0.95 MPa;
Di—球罐內(nèi)直徑;
[σ]t為—球殼設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力,設(shè)計(jì)溫度為-33~26 ℃;
?—焊接接頭系數(shù),取1.0;
C2—腐蝕裕量,取2.5 mm。
先計(jì)算液柱靜壓力,p=ρgH,ρ為液氨密度,見表2。
表2 各帶液柱靜壓力
再計(jì)算計(jì)算壓力,計(jì)算壓力=液柱靜壓力+設(shè)計(jì)壓力,見表3。
根據(jù)厚度計(jì)算公式,算出計(jì)算厚度,圓整得出名義厚度,見表4。
各帶根據(jù)承受不同的液柱靜壓力,給出不同的厚度,不但節(jié)約材料,而且降低了現(xiàn)場(chǎng)焊接強(qiáng)度,也縮短了建造工期。與取同厚度的設(shè)計(jì)相比,更經(jīng)濟(jì)合理。
表3 各帶計(jì)算壓力
表4 各帶名義厚度
A.B 類焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè),技術(shù)等級(jí)為AB 級(jí);合格后進(jìn)行20%超聲復(fù)驗(yàn),技術(shù)等級(jí)為B級(jí);合格級(jí)別:射線為Ⅱ級(jí),超聲為Ⅰ級(jí)。手工焊材用J507,按批進(jìn)行熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的復(fù)驗(yàn)。按GB/T12337 中要求,制作焊接試板。球殼板不得拼接,周邊100 mm 范圍內(nèi)進(jìn)行UT檢測(cè),Ⅱ級(jí)合格。球罐上的對(duì)接、角接接頭及返修焊縫在熱處理前進(jìn)行100%MT(磁粉)檢測(cè),Ⅰ級(jí)合格。水壓試驗(yàn)合格后,應(yīng)進(jìn)行 100%MT(磁粉)復(fù)驗(yàn)。鍛件按NB/T47009《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》中的規(guī)定,且須進(jìn)行夏比(V 型缺口)低溫沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。球罐應(yīng)整體熱處理。并按GB/T12337 中要求進(jìn)行消氫處理。熱處理后應(yīng)做水壓試驗(yàn),水壓試驗(yàn)合格后,做氣密性試驗(yàn)。
廠內(nèi)制造主要在板材壓制。壓制前去除板材表面的氧化皮及雜物,壓制時(shí)隨時(shí)清理板材及壓胎上的氧化皮,避免在壓制過程中造成機(jī)械損傷。壓制采用多點(diǎn)冷壓成型,嚴(yán)禁急劇成型壓制,示意圖見圖1。所有球殼板均為反曲壓型。
圖1 多點(diǎn)冷壓示意圖
球罐組裝采用內(nèi)外三角架、掛梯相結(jié)合的散裝法,其中主要是立柱的方法。
支柱、拉桿、赤道帶板放在其投影位置的附近。上極帶圍板、側(cè)板、中間板擺放在支柱、拉桿、赤道帶板的外側(cè)。下極帶圍板、側(cè)板、中間板擺放在其投影位置的內(nèi)側(cè)。
吊裝前,將上、下段支柱進(jìn)行組對(duì)焊接,將帶支柱的赤道帶板吊到組裝平臺(tái)上,保證殼板的4 個(gè)角在同一個(gè)水平面上。畫出赤道板和上段支柱的中心線,并畫出赤道板中心O 點(diǎn),在赤道板中心線兩側(cè)畫出A、A′,使OA=OA′=a。對(duì)準(zhǔn)上段支柱與下段支柱中心線(注意耳板方位),在支柱下部定一個(gè)B 點(diǎn),找正支柱左右偏差,使︱AB-A′B︱≤2 mm。計(jì)算出H的高度,并在D 點(diǎn)設(shè)置支架以保證支柱的徑向和緯向偏差,如圖2所示。上段支柱與下支柱間的環(huán)縫焊接,必須采取防變形措施,應(yīng)采用多層、對(duì)稱斷焊。在焊接過程中監(jiān)控變形情況,以便采取處理措施。
圖2 支柱現(xiàn)場(chǎng)制作
球罐焊接工藝參數(shù)見表5。
球罐的熱處理為內(nèi)燃式整體熱處理方法。使用柴油燃燒器,將0 號(hào)柴油從球罐下極人孔處引入。由噴嘴將柴油霧化,通過點(diǎn)火器點(diǎn)火。通過柴油的燃燒產(chǎn)生的熱量及高溫氣流,將球罐內(nèi)壁的溫度不斷升高。最終達(dá)到熱處理所需溫度。在球罐上極人孔處安裝一個(gè)排氣口以排除煙氣,外表面覆蓋保溫被降低熱量損失。熱處理工藝參數(shù)見圖3。
圖3 熱處理工藝參數(shù)
表5 焊接工藝參數(shù)
球罐是石油、化工行業(yè)中常用的壓力容器,只有掌握了其設(shè)計(jì)、制造及安裝中的技術(shù)關(guān)鍵,才能設(shè)計(jì)出節(jié)能、環(huán)保、安全的設(shè)備,才能使球罐的建造更簡(jiǎn)單、方便、快捷。