1 500m3液氨球罐设计方案的确定

张凤魁

（兖矿鲁南化肥厂，山东 滕州 277527）

我厂原料和动力结构改造建设中，新上一台1 500m3液氨球罐。工作压力为2.25MPa，设计压力2.5／0.1MPa；工作温度15℃，设计温度50℃（对应压力2.5MPa）／－20℃（对应设计压力0.1MPa），属三类容器。由于该设备操作压力高，容积大，介质为易燃、毒性物质，是厂区重大危险源，为保证该设备的制造质量，我们和设计院就设计方案进行了充分的技术交流，确定了主要设计标准和材料，为设备的安全运行提供了可靠的保障。下面作一简介。

1 设计标准的确定

球罐是一种特殊的储存式压力容器，目前大多数国家还没有单独的球罐设计、建造规范，而是按统一的压力容器规范进行设计，如美国的ASME、英国的BS、法国的CODAP等规范。日本的JIS也没有专门的球罐分篇，但日本高压气体安全协会曾制定专门的球罐规范——KHK S0201《球形储罐技术规范》，对日本乃至我国球罐的建造技术产生了重要影响［1］。

我国目前球罐设计执行的主要标准有GB150－1998《钢制压力容器》、GB12337《钢制球形储罐》、JB4732－1995《钢制压力容器——分析设计标准》等。

GB150《钢制压力容器》是压力容器设计的常规标准，提供了包括球壳在内的各类压力容器的计算公式，并制定了压力容器设计、制造、检验及验收通用规范［2］。

GB12337《钢制球形储罐》是一部含球壳、支柱、拉杆等的设计计算、材料选用要求、结构要素的规定，以及球形储罐（以下简称球罐）制造、组焊、检验与验收的综合性国家标准。其球壳的设计计算公式直接引用于GB150［3］。

JB4732－1995《钢制压力容器——分析设计标准》是以分析设计为基础的钢制压力容器标准，提供了以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法；对选材、制造、检验和验收制定了比GB150《钢制压力容器》更为严格的标准［4］。该设计标准是一种比较成熟的设计方法，其设计理念和方法更为先进、科学，也是国家在建设节约型社会中力主推广使用的设计标准，在球罐的设计中更有优势。在相同设计条件下，容器的厚度可以减薄（表1），重量可以减轻10%～20%，可大大降低建造成本。劳动部办公厅关于压力容器设计单位实施 《钢制压力容器——分析设计标准》中要求：公称容积大于650m3，且设计压力大于1.6MPa的球形储罐，推荐采用JB4732－1995《钢制压力容器——分析设计标准》。

表1 以15MnNbR材料进行初步设计计算结果

由上表计算得知，用JB432设计计算较GB150能减少大约6mm的壁厚。从钢板的壁厚和加工质量的关系来讲，壁厚减薄，可以更好地保证材料的性能；也更便于球壳板片压制。考虑到钢板轧制能力的单板重量要求，壁厚减薄也有利于采用更大板幅的钢板来压制球壳板片，从而减小焊缝的长度，这样可以减小安装和焊接的工作量。同时采用JB4732标准可以对部分结构进行改进，降低局部的高应力，有效地提高球罐使用的安全可靠性。

考虑到球罐作为储存容器的特殊性，液氨介质的危害以及设计院的球罐设计经验，按照常规设计设计的球罐，应能满足分析设计标准对制造、检验、验收的要求，即采用分析设计标准不会提高制造、检验、验收的费用。

因此确定采用以JB4732《JB 4732－1995钢制压力容器——分析设计标准》为主要设计标准，其他参照GB150－1998《钢制压力容器》、GB12337《钢制球形储罐》进行设计。需要重视的是JB4732的附录A “基础部件、组合部件的应力分析”由于结构尺寸的限制，无法应用于球罐，即JB4732并未解决球壳、人孔、接管的应力分析计算问题，并且JB4732未涉及支柱与拉杆的计算，球罐制造、组焊、检验与验收要求。设计单位需全面正确处理球罐的这些特殊要求。

2 主体材质的确定

球罐作为压力容器的一种，有着它自身的固有特点，因此对材料也有着特殊的要求。球罐在使用时主要有五种失效模式：弹性失稳、过度的弹性变形、整体塑性变形、拉伸失稳和快速断裂。而控制球罐失效的因素则是材料的弹性模量、屈服强度以及韧性。球罐在选材时一般考虑以下几个因素：① 强度指标σb，σs；② 韧性指标夏比冲击值；③ 塑性指标断面收缩率、冷弯；④ 可焊性要求Ceq，pc；⑤ 经济指标。

因该球罐压力等级较高，容积也较大，能量的集聚极大，对壳体材料除要求有足够的强度外，其韧性（低温性能）、焊接性能及冷热加工、热处理性能也是选材时主要考虑的因素。另外，钢材的抗硫化氢、液氨应力腐蚀性能也是选材时不可忽视的因素。HG20581－1998中6.7.2条2款（1）～（5）规定： “其中 HG20581－1998中6.7.2对氨腐蚀状态（参照）、抗湿硫化氢要求材料 屈 服 强 度 小 于 等 于 355MPa［5］”。 芬 兰 的TTK2P2293指令中明确指出： “推荐盛放液氨的压力容器用屈服强度最大值为350MPa的钢制作，屈服强度超过450MPa的钢不适合用于制造盛放液氨的压力容器。”

目前我国球罐制造使用的低合金高强板主要有16MnR、07MnCrMoVR、15MnNbR。其主要性能参数见表2。

表2 16MnR、07MnCrMoVR、15MnNbR 36～60mm厚板机械性能对照

16MnR是最常使用的球壳板材料，具有较好的机械性能和焊接性能。但经设计计算，若采用16MnR材料，其设计名义壁厚为60mm。但厚度大于36mm时抗拉强度保证值仅为490MPa，厚板的韧性也有所降低。另外厚钢板芯部易出现质量问题：在加工过程中出现偏析带，导致致密程度降低，易出现材料缺陷。根据目前国内的轧钢水平，质量难以保证，在厚壁球罐设计时较少采用。壁厚的增加还导致使用材料量增加，计算其经济性也低于其他钢种。

07MnCrMoVR钢系，是目前国内唯一的标准抗拉强度在610MPa以上的压力容器用钢，该钢种借鉴日本同类型钢系（CF62），具有较高的强度和韧性、低焊接裂纹敏感性，其加工成型和焊接性能也较好。自上世纪80年代研制成功以来，已广泛用于氧气、氮气、液化石油气等球罐［1］。但该钢种对成分控制、冶炼、轧制、冷加工及焊接等要求极为严格，稍有不慎就会留下隐患，生产数量极为有限。该钢种抗液氨、硫化氢等介质应力腐蚀性能较低。使用过程中发现，产生应力腐蚀裂纹的情况较多，同时也不能满足HG20581－1998对屈服强度的限制要求，因此不适用于制造液氨球罐。另外日本至今未公开报道过CF62钢在液氨中的应用及研究情况。事实上CF62（钢调质后屈服强度可达490MPa）在日本问世20余年，日本从未将其用于制造盛放液氨的球罐。文献报道较多的是CF62钢在湿H2S环境中的应力腐蚀问题，可见CF62钢焊缝区在液氨环境中的应力腐蚀倾向一直是令人担心的。

15MnNbR钢板是在16MnR钢板基础上.武汉钢铁 （集团）公司应中国通用石化机械工程公司、机械部通用机械工程公司和机械部通用机械研究所等一些使用单位的要求，在参考国外压力容器用低合金高强度钢板的成分和性能基础上，综台考虑国内压力容器用钢的强度系列，采用Mn—Nb系，强度指标与15MnVR钢板相近，在大大提高冶金质量的同时，辅助添加微量V、Nb和少量Ni元素，另外加入微量元素Nb，这些元素与碳、氮形成碳化物、氮化物和碳氮化物，有效延迟奥氏体形变后的再结晶时间，在控制杂质后使铁素体晶粒充分细化，显著提高强度和韧性，降低脆性转变温度并改善焊接性能。Ti的加入提高了晶粒粗化温度，防止高输入热量的焊接过程中，在热影响区产生晶粒粗化的趋向，保证热影响区有较好的缺口韧性，提高了钢材的焊接性能。加入Ni可以大大改善钢板的低温韧性，降低韧脆转变温度。同时，对有害元素P、S含量限定严格，提高钢水的洁净度，改善钢板的力学性能，从而得到了强度和韧性均优于16MnR，焊接和抗硫化氢应力腐蚀与16MnR相近的正火型低合金高强钢板15MnNbR［8］。该材料已通过冶金部组织的技术鉴定，并列入GB6654—1996年 《压力容器用钢板》第1号修改单和JB4732—95《钢制压力容器——分析设计标准》，在锅炉和压力容器用钢标准整合修订后，列入GB713－2008《锅炉和压力容器用钢》［6～7］。同时该材料能满足 HG20581－1998对屈服强度的限制要求，对液氨应力腐蚀的敏感性较低。低温冲击试验－20℃可达34J，满足液氨大量泄漏时的低温低应力工况要求，现已广泛应用于液氨球罐的制造。

通过综合分析，最终确定液氨球罐的球壳板选用15MnNbR钢板。对于锻件材料的选择，锻制人孔凸缘材料因15MnNb锻件尚未列入GB150中，故选强度级别相近的20MnMo。据资料介绍，15MnNbR钢与20MnMo锻件进行过配套焊接试验，结果表明20MnMo锻件可以和15MnNbR钢良好匹配。故本球罐开孔补强采用20MnMo锻件整体补强。其中人孔凸缘采用Ⅳ 级锻件，其余采用Ⅲ级锻件。

值得注意的是，15MnNbR是一种新材料，虽然已在液氨环境有使用的先例，但在液氨环境使用的经验还不充足。在实际生产中，即使按规定用低屈服强度的低合金钢制造盛放液氨的压力容器也只是降低应力腐蚀倾向，仍然不能完全避免应力腐蚀裂纹的产生。对中低屈服强度钢制造的盛放液氨的压力容器，如何避免或减少应力腐蚀裂纹的产生仍是一个需要研究的问题。所以对于该球罐在后期使用过程中，仍应加强设备定期检验工作，及时处理检测检验过程中出现的问题，确保设备安全可靠运行。

［1］王冰，陈学东，吴正亚，等 .大型天然气球罐的设计和材料选用 ［J］.油气储运，2003，27 （8）：15～19.

［2］GB 150－1998，压力容器 ［S］.

［3］GB 12337，钢制球形储罐 ［S］.

［4］JB 4732－1995，钢制压力容器——分析设计标准 ［S］.

［5］HG 20580－20585－1998，钢制化工容器设计基础规定［S］.

［6］GB 713－2008，锅炉和压力容器用钢板 ［S］.

［7］GB 6654—1996，压力容器用钢板 ［S］.

［8］张军，董瑞峰，王栋，等.Q370R锅炉和压力容器用钢板的研制 ［J］.上海金属，2011，33 （3）：54～58.