許婧潔 桂軍文

中國化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司 湖北襄陽 441100

目前，國內(nèi)外市場大型不銹鋼球罐多用于存儲(chǔ)液化天然氣，球殼厚度一般相對(duì)較薄。傳統(tǒng)上，各行業(yè)中大型厚壁球罐一般采用碳鋼或低合金鋼材質(zhì)，對(duì)于清潔度、耐腐蝕要求較高時(shí)，多采用碳鋼或低合金鋼內(nèi)表面噴涂或復(fù)合處理，但其壽命相對(duì)較短。隨著人們對(duì)健康、環(huán)保要求的不斷提高，不銹鋼球罐以其不易銹蝕、清潔環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，成為行業(yè)未來的發(fā)展方向。特別是在食品醫(yī)藥等行業(yè)，不銹鋼大型厚壁球罐將得到越來越多的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目簡介

某施工項(xiàng)目中有1 臺(tái)316L 材質(zhì)、3590m3環(huán)氧丙烷球罐，其土建基礎(chǔ)、采購、制造、組裝到絕熱等由中國化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司（以下簡稱中化六建）總承包。其材質(zhì)特殊、體積大、球殼厚度大、原材價(jià)格高，且整套裝置最終產(chǎn)品衛(wèi)生等級(jí)為食品級(jí)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部清潔度有特殊要求。球罐參數(shù)見表1。

表1 球罐參數(shù)表

2 重點(diǎn)、難點(diǎn)分析

（1）因原材價(jià)格高，需最大限度提高原材料的利用率，以降低成本；

（2）因儲(chǔ)存介質(zhì)特殊，規(guī)范及生產(chǎn)制造工藝對(duì)設(shè)備接口要求互斥，需采取特殊措施解決；

（3）由于不銹鋼材料塑性及回彈量與常規(guī)球罐的差異，需研究球殼板壓制成型精度控制措施；

（4）本工程僅1 臺(tái)球罐，需優(yōu)化各工序銜接，保證各工種、各專業(yè)工作連續(xù)，以提高施工效率；

（5）因不銹鋼材料特性使其焊縫無損檢測方法不同，而球罐焊接、焊縫無損檢測、絕熱施工等均需腳手架；三者對(duì)腳手架要求不同，需整合不同作業(yè)對(duì)腳手架的要求，減少腳手架反復(fù)拆改，提高施工效率；

（6）由于不銹鋼材料特性差異，需優(yōu)化焊縫結(jié)構(gòu)，采取合理焊接工藝，以降低焊縫應(yīng)力，減小焊接變形；

（7）因不銹鋼材料晶間結(jié)構(gòu)特性不同，對(duì)不同焊縫結(jié)構(gòu)須采取不同無損檢測方法，且保證檢測方法對(duì)焊縫質(zhì)量缺陷的敏感性及準(zhǔn)確性；

（8）因食品級(jí)不銹鋼材料對(duì)防腐及潔凈度要求高，需嚴(yán)格控制制造、組裝、焊接清根等施工全過程滲碳污染材質(zhì)，并采取特殊措施保證設(shè)備內(nèi)部清潔度。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高主材利用率，減小焊縫長度

根據(jù)GB/ T17261- 2011《鋼制球形儲(chǔ)罐型式與基本參數(shù)》的規(guī)定，3500m3球罐混合式結(jié)構(gòu)可采用4 帶10 柱、4 帶12 柱、5 帶14 柱結(jié)構(gòu)。以常用的4 帶12 柱為例，赤道帶球心角50°、上溫帶球心角40°、極帶球心角90°，球殼板焊縫總長約625m，其極板寬度達(dá)2.99m。根據(jù)市場調(diào)查，目前國內(nèi)鋼廠中厚不銹鋼板最大軋制寬度為2.6m，均無法軋制如此寬的不銹鋼鋼板。如采用五帶十四柱結(jié)構(gòu)，赤道帶球心角39°、溫帶球心角38°、極帶球心角65°，球殼板焊縫總長約793m，其赤道板、極板寬度約2.150m。

根據(jù)市場調(diào)查，目前國內(nèi)鋼廠寬度2.6m 以內(nèi)板幅可定且價(jià)格差異不大。針對(duì)市場情況，經(jīng)與設(shè)計(jì)協(xié)商優(yōu)化，最終采用5 帶12 柱結(jié)構(gòu)，將赤道帶球心角改為45°、溫帶球心角30°、極帶球心角75°，極板球殼板寬度降為約2.49m，滿足了鋼板同訂貨尺寸要求。實(shí)際訂貨板幅僅2.33m 及2.52m 兩種，實(shí)際球殼板材料利用率（球殼表面積/ 實(shí)際訂貨面積）為87.35%，材料利用率遠(yuǎn)大于規(guī)范中結(jié)構(gòu)，僅主材訂貨成本費(fèi)一項(xiàng)節(jié)約達(dá)82 萬元。同時(shí)球殼板焊縫總長降為578m，大幅減少焊材用量、焊接量、焊縫酸洗及無損檢測等成本費(fèi)用，節(jié)省了球罐現(xiàn)場安裝時(shí)間，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。優(yōu)化后5 帶12 柱結(jié)構(gòu)尺寸示意圖見圖1，球罐結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)劣勢對(duì)比見表2。

圖1 優(yōu)化后5 帶12 柱結(jié)構(gòu)尺寸示意

表2 球罐結(jié)構(gòu)形式及優(yōu)劣勢對(duì)比

3.2 與國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，解決規(guī)范及生產(chǎn)工藝對(duì)設(shè)備接口要求互斥問題

標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 12337- 2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》5.6.5 條“盛裝毒性程度為極度或高度危害介質(zhì)的球罐，進(jìn)出口應(yīng)在上極開孔。經(jīng)與國家鍋標(biāo)委對(duì)接，其主要目的是防止重大地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致進(jìn)出口管拉斷破裂時(shí)，毒性介質(zhì)會(huì)大量溢出，造成二次災(zāi)害性后果。

環(huán)氧丙烷具有自聚特性，有在球罐下部停滯區(qū)產(chǎn)生自聚引發(fā)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。如果球罐液體出口開在上極，無法通過泵將液體從球罐抽出，導(dǎo)致泵產(chǎn)生嚴(yán)重的氣縛和氣蝕，不能保證裝置的長周期安全穩(wěn)定操作運(yùn)行。且球罐現(xiàn)場組焊等施工作業(yè)也必須從下人孔進(jìn)入。

為解決以上兩方面要求互斥問題，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工會(huì)商，決定采取以下措施：

（1）罐底中心設(shè)置人孔，人孔蓋采用反向法蘭型式，反向法蘭小端焊接出口接管，人孔法蘭與人孔蓋（反向法蘭）采用焊接密封；

（2）球罐所有管口及儀表端口壓力都設(shè)計(jì)為300lb；（3）球罐外圍設(shè)置圍堰；

（4）提高應(yīng)力計(jì)算地震烈度計(jì)算，地震烈度由1.3提高到2.0。

通過以上措施，既能避免重大地質(zhì)災(zāi)害造成二次災(zāi)害性后果，又能滿足制造和檢修的需要，也避免了人孔中的環(huán)氧丙烷介質(zhì)不流動(dòng)，且不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣縛和氣蝕，保證裝置的長周期安全穩(wěn)定操作運(yùn)行。經(jīng)報(bào)請(qǐng)鍋標(biāo)委組織專家審核批準(zhǔn)，成功解決了規(guī)范及生產(chǎn)工藝對(duì)設(shè)備接口要求互斥問題。

3.3 以球罐組裝精度控制為目標(biāo)，通過模擬試驗(yàn)，優(yōu)化工藝及質(zhì)量控制措施

由于大型厚壁不銹鋼球罐目前國內(nèi)外應(yīng)用很少，其球殼板壓制時(shí)的回彈量、模具設(shè)計(jì)、壓點(diǎn)布置及球殼板移動(dòng)量等參數(shù)，均無成熟的可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)與制造商對(duì)接，綜合多方經(jīng)驗(yàn)，制定了多層次、多點(diǎn)數(shù)的壓片工藝方法。為提高壓制精度，先用一塊2.52m×2.5m×0.024m 的同批鋼板樣品進(jìn)行試壓制。試壓時(shí)按正向橫壓、縱向壓、反向橫壓、整體調(diào)整復(fù)壓校形四遍成型；前兩遍施壓不壓到底，每遍分多級(jí)施壓，每級(jí)施壓均準(zhǔn)確記錄壓力、變形量、回彈量、鋼板外形伸縮量，并據(jù)以調(diào)整后續(xù)施壓參數(shù)。通過試制，準(zhǔn)確掌握了不銹鋼球殼板壓制壓力和回彈量的關(guān)系比及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，為模具設(shè)計(jì)、壓點(diǎn)布置、球殼板移動(dòng)量提供了可靠依據(jù)。根據(jù)試壓時(shí)鋼板外形伸縮量，準(zhǔn)確計(jì)算下料尺寸。

根據(jù)球殼板試壓制結(jié)果，選擇了兩次下料、三遍壓制成型、整體復(fù)壓校形的球殼板壓制方法，始終以球罐的組裝精度為球殼板制造的控制目標(biāo)。規(guī)定球殼板制造的順序，加大檢驗(yàn)樣板尺寸，且每種球殼板的檢查結(jié)果作為下一種球殼板制造時(shí)公差確定的前提，制訂出從模具設(shè)計(jì)、壓點(diǎn)布置、球殼板移動(dòng)量、精確下料樣板制作、極板Y 形縫精度控制、累積偏差控制等一整套球殼壓制工藝技術(shù)線路。實(shí)現(xiàn)了球殼壓制精度控制目標(biāo)，最終球殼板曲率用2.5m 樣板檢測，最大偏差均小于0.002m。

3.4 研發(fā)設(shè)計(jì)一種特殊掛架，保證各工種各專業(yè)工作連續(xù)以提高施工效率

本工程僅1 臺(tái)球罐，各工種作業(yè)無法按照傳統(tǒng)的方法通過多臺(tái)球罐切換實(shí)現(xiàn)各工種連續(xù)作業(yè)。為此，中化六建利用現(xiàn)場已有的不銹鋼定位塊、腳手桿、圓形楔子等材料設(shè)計(jì)制作了一種掛架。地面預(yù)安裝在球殼板上并隨球殼板吊裝后，利用此掛架而不依賴滿堂內(nèi)外腳手架即可完成球罐組裝及精度調(diào)整。同時(shí)，內(nèi)外腳手架可在組裝調(diào)整過程中穿插完成，從而保證腳手架搭設(shè)、球罐組裝、調(diào)整、焊接均能連續(xù)進(jìn)行，避免窩工，極大提高了施工效率。掛架結(jié)構(gòu)形式見圖2、優(yōu)化后的施工程序見圖3。

圖2 掛架與球殼板連接結(jié)構(gòu)形式

圖3 優(yōu)化后的施工程序

（1）根據(jù)球罐外形、焊縫布置及球殼板尺寸，確定掛架安裝位置，計(jì)算確定掛架耳板與水平桿夾角。用卡扣連接并調(diào)整掛架拉桿、斜撐長度，保證耳板與球殼板貼合。球殼板吊裝就位后水平桿處于水平方位，確保施工作業(yè)平臺(tái)穩(wěn)定和安全。

（2）球殼板吊裝前，在地面將三角掛架安裝在球殼板上。掛架安裝受力點(diǎn)用球罐同材質(zhì)定位塊，與球殼板滿焊。耳板用不銹鋼板制作，中間開設(shè)與定位外形相適應(yīng)的方孔，并與水平桿焊接。定位塊與耳板間用圓楔固定。掛架其他材料用Φ48m×3.5m 鍍鋅鋼管，再用卡扣連接并調(diào)整掛架拉桿、斜撐長度，上鋪鋼跳板并用鍍鋅鐵絲固定。

（3）為了方便球罐的組裝，球罐赤道帶板吊裝前先搭設(shè)外架至赤道帶板上口位置。

（4）為了便于球罐赤道帶板組裝調(diào)整，下溫帶及下極帶殼板的掛架安裝在罐內(nèi)側(cè)，上溫帶及上極帶殼板的掛架安裝在罐外側(cè)。隨各帶板吊裝，將各排掛架用跳板連接成一體，以方便通行。

（5）下溫帶及下極帶殼板組裝的同時(shí)，外腳手架繼續(xù)搭設(shè)到球罐最高點(diǎn)相適應(yīng)的高度。下溫帶及下極帶殼板組裝完成后，開始搭設(shè)下溫帶及下極帶外架，同時(shí)開始吊裝組裝上溫帶及上極帶殼板。外架完成后將外架與掛架聯(lián)接，用三防布覆蓋，要求達(dá)到防火、防風(fēng)、防雨，滿足焊接及無損檢測的要求。各部位外加搭設(shè)時(shí)，同步搭設(shè)斜梯及休息平臺(tái)安全通道。

（6）球罐組裝完成后，將腳手架材料自罐底部人孔輸送至罐內(nèi)，并在罐頂人孔處設(shè)置吊裝滑輪提升，完成球罐內(nèi)腳手架的安裝并鋪設(shè)跳板。

3.5 整合不同作業(yè)對(duì)腳手架的要求，減少腳手架反復(fù)拆改，提高施工效率

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于奧氏體型鋼制球罐的對(duì)接焊接接頭應(yīng)優(yōu)先采用射線檢測，其他材料制球罐應(yīng)優(yōu)先采用衍射時(shí)差法超聲檢測；不宜采用Y 射線全景曝光射線檢測；且不銹鋼球罐因材料晶粒粗大等致使其焊縫無損檢測方法多采用X 射線定向曝光。而大型厚壁不銹鋼球罐所需X 射線機(jī)及其移動(dòng)小車尺寸較大，重量較重，要求球罐內(nèi)外腳手架均不能影響X 射線機(jī)及其移動(dòng)小車移動(dòng)。而球罐組裝焊接、絕熱施工對(duì)腳手架需求也各有不同。為此，需要整合各專業(yè)的需求對(duì)腳手架進(jìn)行優(yōu)化，見圖4。

圖4 球罐內(nèi)部腳手架搭設(shè)示意圖

（1）內(nèi)腳手架采用滿堂紅形式搭設(shè)，總共10 層，底層以下人孔為中心，邊長6m 的正方形為基本架構(gòu)，每邊設(shè)置4 根立桿。立桿相互間用掃地桿相連。而后以橫桿及斜撐的形式向外擴(kuò)展立桿，間距約1.7m。橫桿延長至球殼板內(nèi)表面，以用做鍍鋅跳板的支撐。每層均用橫桿相連接。

（2）外腳手架與防護(hù)棚連為一體，采用雙排結(jié)構(gòu)為基本架構(gòu)，按照球罐總高度進(jìn)行分層搭設(shè)。第一層在距下方環(huán)縫約1m 的下方搭設(shè)一層腳手架，根據(jù)小橫桿的長度加搭斜支撐，每層的層距不高于1.8m，依次類推，在片架搭設(shè)過程中逐層搭設(shè)操作平臺(tái)。腳手架外部用阻燃篷布進(jìn)行覆蓋，要求達(dá)到防風(fēng)、防雨及防墜落目的。

（3）球罐上半部無損檢測采用從外向內(nèi)透照，下半部無損檢測采用從內(nèi)向外透照。因此要求球罐上半部外架、下半部內(nèi)架所有桿件及扣件距離焊縫橫向距離大于0.2m，豎向距離大干0.4m。為滿足絕熱施工需要，外架與球殼板外表面距離為0.15m。

3.6 采取合理焊接工藝，降低焊縫應(yīng)力，減小焊接變形

3.6.1 控制材料鐵素體含量

316L 不銹鋼在焊接中的主要問題是焊縫和熱影響區(qū)的熱裂紋及耐蝕性。奧氏體不銹鋼母材和焊材中一定數(shù)量的鐵素體對(duì)防止焊接熱裂紋、提高焊縫抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕能力都有十分重要的作用，但在一些特定的環(huán)境，如高溫、超低溫及選擇腐蝕環(huán)境，又有不利作用。綜合考慮本工程焊接及抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕要求，增加了原材料及焊接材料中鐵素體含量3%～8%的控制要求。

3.6.2 優(yōu)化焊縫結(jié)構(gòu)

采用X 型不對(duì)稱坡口，以減小焊縫截面尺寸。對(duì)于下溫帶下極帶之間焊縫及下溫帶與赤道帶之間焊縫，采用同大外小的X 型不對(duì)稱坡口，其他焊縫采用同小外大的X 型不對(duì)稱坡口，減少仰焊工作量。

3.6.3 制訂合理焊接工藝

根據(jù)焊接工藝評(píng)定，焊條應(yīng)采用直流電源、焊條接正極，可進(jìn)行全位置焊接，嚴(yán)格控制焊接線能量不超過32kJ/ cm。施焊時(shí)，采用窄焊道、薄層多層焊。所有焊縫第一層焊道均采取分段退焊法。先焊接縱向焊縫，后焊接環(huán)向焊縫。焊縫外部全部焊完后，進(jìn)行內(nèi)部清焊根，并經(jīng)滲透檢測合格后再焊焊縫內(nèi)部。極板的縱縫從中間向兩側(cè)焊。球罐焊縫焊接參數(shù)見表3。

表3 球罐焊縫焊接參數(shù)

3.7 針對(duì)不銹鋼材料晶間結(jié)構(gòu)特性，對(duì)不同焊縫結(jié)構(gòu)需采取不同無損檢測方法

（1）球殼厚度為24～28mm，其C、D 焊接接頭因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)、透照角度、貼片位置等原因（均為角焊縫）難以進(jìn)行射線檢測，清晰度、缺陷檢出率均不能達(dá)到效果。鑒于以上實(shí)際情況，經(jīng)設(shè)計(jì)審定，取消C、D 類焊縫RT 檢測要求，改為分層PT 檢測。

（2）支柱對(duì)接焊縫因結(jié)構(gòu)型式所限，經(jīng)設(shè)計(jì)審定，取消UT 檢測要求，改為分層PT 檢測。

（3）球殼板及接管對(duì)接焊縫采用X 射線檢測。

3.8 應(yīng)用因素分析法，全面分析影響設(shè)備內(nèi)部清潔度因素，并制訂相應(yīng)控制措施

3.8.1 通過對(duì)比及試驗(yàn)，消除焊縫碳弧氣刨清根所帶來的滲碳污染及其他不利影響

不銹鋼焊縫背面清根有手持砂輪機(jī)和碳弧氣刨兩種方法。使用手持砂輪機(jī)清除奧氏體不銹鋼焊縫缺陷及清根，能滿足設(shè)備內(nèi)部清潔度及抗腐蝕性能。但由于奧氏體不銹鋼材料塑性強(qiáng)，打磨困難，需耗費(fèi)大量人力及資源，同時(shí)焊縫缺陷極為不易發(fā)現(xiàn)。采用碳弧氣刨工藝進(jìn)行焊縫背面清根具有高效、快捷、方便、易操作，以及氣刨過程中容易發(fā)現(xiàn)焊縫缺陷的特點(diǎn)。但對(duì)于不銹鋼球罐焊縫特別是超低碳不銹鋼，采用碳弧氣刨處理奧氏體不銹鋼材料焊縫容易帶來不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，例如表面滲碳、夾碳；二次受熱引起材料變形；熔渣飛濺造成板材滲碳污染；引起焊縫及母材晶間變化，降低材料耐腐蝕性。綜上分析，消除焊縫碳弧氣刨清根所帶來的滲碳污染及其他不利影響，是保證設(shè)備內(nèi)部清潔度及滿足抗腐蝕要求的關(guān)鍵因素。

為研究碳弧氣刨清根對(duì)焊縫的影響，利用球殼板下料邊角料現(xiàn)場制作了多組條形試板對(duì)碳弧氣刨清根進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場球殼板對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)尺寸，選擇4×355 的碳棒，分別采用140A、160A、180A、200A、220A電流分段進(jìn)行試刨，觀察發(fā)現(xiàn)，采用電流140A 時(shí)電弧不穩(wěn)，易產(chǎn)生夾碳缺陷；采用電流160～200A 時(shí)，隨著氣刨電流增大，刨寬刨深有所增加，且刨槽光滑；當(dāng)采用電流220A 時(shí)，碳棒易發(fā)紅，鍍銅皮有脫落形成銅斑現(xiàn)象。試刨時(shí)，用測溫槍檢測刨槽表面溫度發(fā)現(xiàn)，雖然氣刨電流與焊接電流相比較大，但因奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，碳弧氣刨產(chǎn)生的熱量很快被壓縮空氣吹走，其表面溫度約120℃左右，遠(yuǎn)低于焊接時(shí)焊縫溫度及普通碳鋼合金鋼氣刨時(shí)溫度，因此氣刨對(duì)不銹鋼焊縫并無變形等二次受熱影響。通過進(jìn)一步對(duì)試樣切割打磨測量發(fā)現(xiàn)，采用電流160～200A時(shí)，其滲碳層厚度為0.1～0.2mm；采用電流140A 和220A 時(shí)，其滲碳層厚度0.2～0.4mm,使用手持砂輪機(jī)完全可以清除輕易滲碳層。

采用同樣方法，選擇5×355 的碳棒，采用電流180～220A 時(shí)，可獲得理想光滑的刨槽。其滲碳層厚度均在0.3mm 以內(nèi)，使用手持砂輪機(jī)完全可以清除輕易滲碳層。

通過試驗(yàn)，現(xiàn)場確定了氣刨后再用手持砂輪機(jī)打磨0.3mm 的焊縫清根工藝。清根后，試樣經(jīng)化學(xué)成份分析及晶間磨蝕試驗(yàn)證實(shí)，無滲碳及晶間耐磨蝕性能變化。極大地提高了焊縫清根效率，又消除焊縫碳弧氣刨清根所帶來的滲碳污染及其他不利影響。焊縫清根工藝參數(shù)見表4。

表4 焊縫清根工藝參數(shù)

3.8.2 通過過程控制，避免不銹鋼材料與碳素鋼接觸產(chǎn)生滲碳、污染、損傷等

（1）球殼板壓制過程，球殼板與下模具鋪設(shè)牛皮紙隔離，球殼板與壓制胎具間用不銹鋼皮隔離；

（2）腳手架全部采用鍍鋅材料，防止鐵銹污染，腳手桿與球殼接觸處用不銹鋼薄板隔離；

（3）定位塊等所有需與球殼焊接的工裝件均用不銹鋼制作，定位卡具、楔子均噴砂除銹并刷漆處理；

（4）焊縫在焊接及氣刨前兩側(cè)涂刷白堊粉，防止飛濺污染，焊后用酸洗膏酸洗并清除干凈；

（5）試壓用水采用脫鹽水，嚴(yán)格控制水質(zhì)；氣密采用潔凈干燥無油的壓縮空氣；

（6）投用封閉前整體用化學(xué)噴洗并干燥。

綜上所述，通過以上關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了良好的工程經(jīng)濟(jì)效益。